自动驾驶技术栈——SOME/IP协议

Coder-ZZ

发布于 2023-02-23 16:41:26

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发布于 2023-02-23 16:41:26

文章被收录于专栏：C/C++进阶专栏

一，关于车载软件通信

传统的车载软件通信采用的是经典的总线协议（比如CAN、LIN、FlexRay)，这些总线采用的是面向信号的数据传输(Signal-based)，基于信号在双绞线中的传输来通信，但是这些协议的传输带宽和传输速率有限，且不容易实现基于无线网更新车载软件(OTA)的需求。因此，新一代的车载软件通信更多采用了SOA架构下的SOME/IP协议，该协议采用的是面向服务的数据传输(Service-Oriented)，基于ECU的服务在车载以太网中被请求或订阅来通信。

二，SOME/IP简介

SOME/IP是基于以太网实现的中间件通信协议。SOME/IP 是"Scalable Service-Oriented Middleware over IP"的缩写。

SOME/IP在以太网模型的分层中，位于TCP/UDP传输层以上，属于应用层。

三，SOME/IP的特点

1.支持序列化操作。作为通信节点的ECU可能有不同的软件架构或者操作系统，为了保证传输机制的一致性，SOME/IP允许将UDP/TCP报文进行序列化操作。

2.支持远程过程调用 (RPC)。客户端可以远程地向服务器端请求数据，也可以远程地在服务器端执行某些函数。

3.服务发现（SD)。在面向服务的架构中，服务必须是可发现的，SOME/IP有个单独的SD模块负责服务的实现。

4.支持发布/订阅。客户端可以订阅服务器的内容，从而可以动态地接收来自服务器的更新数据。

四，SOME/IP消息格式

SOME/IP序列化消息的数据头格式如下：

Message ID: 用来标识参与远程调用的Method或者Event

Request ID: 用来标识不同的Client对象或者同一个Client对象发起的不同Session会话

Message Type: 用来区分消息体类型

常见的消息体类型：request/response/notification/error

Return Code: 通常返回E_OK(0x00)，如果返回的是Response或Error消息体类型就不会是 0x0

Payload: 参与传输的数据段

五，SOME/IP的主要通信模式

1.Request/Response Methods

客户端发送请求到服务器，以及从服务器返回响应到客户端。服务器的错误响应也会返回给客户端。

2.Fire and Forget Methods

客户端向服务器发送请求，服务端不返回响应。

3.Notification Events

客户端订阅服务器的内容，每当服务器有数据变化或执行某任务后通知给订阅过的客户端。哪些客户端需要订阅由SOME/IP-SD来管理。

4.Field

一个字段表示一个状态，订阅该字段的客户端将字段值作为初始事件。字段值后面的每次更新都会通知给客户端。

六，SD 服务发现流程

1.SD有两种机制：

第一种机制是“提供服务”，服务器可以使用它向网络提供可用服务。另一种是“查找服务”，它使客户端能够请求到可用服务。

2.服务发现具体流程：

1.服务器通过广播发布消息

2.客户端通过广播查找消息

3.客户端找到消息后，进行订阅和确认(Subscribe – Ack)

3.SD过程的工作模式：

客户端的两种模式：请求和监听(Request and Listen)

服务器端的两种模式：提供和静默(Offer and Silent)

七，常见的开源实现--基于vSomeIP

BMW基于 SOME/IP 标准实现了开源的vsomeip框架，vsomeip能够独立集成到各种操作系统。

代码样例--Request/Response模式：

服务器端：

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <sstream>

#include <vsomeip/vsomeip.hpp>

#define SAMPLE_SERVICE_ID 0x1234
#define SAMPLE_INSTANCE_ID 0x5678
#define SAMPLE_METHOD_ID 0x0421

std::shared_ptr<vsomeip::application> app;

void on_message(const std::shared_ptr<vsomeip::message> &_request) {
    std::shared_ptr<vsomeip::payload> its_payload = _request->get_payload();
    vsomeip::length_t l = its_payload->get_length();

    // Get payload
    std::stringstream ss;
    for (vsomeip::length_t i=0; i<l; i++) {
       ss << std::setw(2) << std::setfill('0') << std::hex
          << (int)*(its_payload->get_data()+i) << " ";
    }

    std::cout << "SERVICE: Received message with Client/Session ["
        << std::setw(4) << std::setfill('0') << std::hex << _request->get_client() << "/"
        << std::setw(4) << std::setfill('0') << std::hex << _request->get_session() << "] "
        << ss.str() << std::endl;

    // Create response
    std::shared_ptr<vsomeip::message> its_response = vsomeip::runtime::get()->create_response(_request);
    its_payload = vsomeip::runtime::get()->create_payload();
    std::vector<vsomeip::byte_t> its_payload_data;
    for (int i=9; i>=0; i--) {
        its_payload_data.push_back(i % 256);
    }
    its_payload->set_data(its_payload_data);
    its_response->set_payload(its_payload);
    app->send(its_response, true);
}

int main() {
   app = vsomeip::runtime::get()->create_application("World");
   app->init();
   app->register_message_handler(SAMPLE_SERVICE_ID, SAMPLE_INSTANCE_ID, SAMPLE_METHOD_ID, on_message);
   app->offer_service(SAMPLE_SERVICE_ID, SAMPLE_INSTANCE_ID);
   app->start();
}

客户端：

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <sstream>

#include <condition_variable>
#include <thread>

#include <vsomeip/vsomeip.hpp>

#define SAMPLE_SERVICE_ID 0x1234
#define SAMPLE_INSTANCE_ID 0x5678
#define SAMPLE_METHOD_ID 0x0421

std::shared_ptr< vsomeip::application > app;
std::mutex mutex;
std::condition_variable condition;

void run() {
  std::unique_lock<std::mutex> its_lock(mutex);
  condition.wait(its_lock);

  std::shared_ptr< vsomeip::message > request;
  request = vsomeip::runtime::get()->create_request();
  request->set_service(SAMPLE_SERVICE_ID);
  request->set_instance(SAMPLE_INSTANCE_ID);
  request->set_method(SAMPLE_METHOD_ID);

  std::shared_ptr< vsomeip::payload > its_payload = vsomeip::runtime::get()->create_payload();
  std::vector< vsomeip::byte_t > its_payload_data;
  for (vsomeip::byte_t i=0; i<10; i++) {
      its_payload_data.push_back(i % 256);
  }
  its_payload->set_data(its_payload_data);
  request->set_payload(its_payload);
  app->send(request, true);
}

void on_message(const std::shared_ptr<vsomeip::message> &_response) {

  std::shared_ptr<vsomeip::payload> its_payload = _response->get_payload();
  vsomeip::length_t l = its_payload->get_length();

  // Get payload
  std::stringstream ss;
  for (vsomeip::length_t i=0; i<l; i++) {
     ss << std::setw(2) << std::setfill('0') << std::hex
        << (int)*(its_payload->get_data()+i) << " ";
  }

  std::cout << "CLIENT: Received message with Client/Session ["
      << std::setw(4) << std::setfill('0') << std::hex << _response->get_client() << "/"
      << std::setw(4) << std::setfill('0') << std::hex << _response->get_session() << "] "
      << ss.str() << std::endl;
}

void on_availability(vsomeip::service_t _service, vsomeip::instance_t _instance, bool _is_available) {
    std::cout << "CLIENT: Service ["
            << std::setw(4) << std::setfill('0') << std::hex << _service << "." << _instance
            << "] is "
            << (_is_available ? "available." : "NOT available.")
            << std::endl;
    condition.notify_one();
}

int main() {
    app = vsomeip::runtime::get()->create_application("Hello");
    app->init();
    app->register_availability_handler(SAMPLE_SERVICE_ID, SAMPLE_INSTANCE_ID, on_availability);
    app->request_service(SAMPLE_SERVICE_ID, SAMPLE_INSTANCE_ID);
    app->register_message_handler(SAMPLE_SERVICE_ID, SAMPLE_INSTANCE_ID, SAMPLE_METHOD_ID, on_message);
    std::thread sender(run);
    app->start();
}

服务器端的配置：

{
    "unicast" : "172.17.0.2",
    "logging" :
    { 
        "level" : "debug",
        "console" : "true",
        "file" : { "enable" : "false", "path" : "/tmp/vsomeip.log" },
        "dlt" : "false"
    },
    "applications" : 
    [
        {
            "name" : "World",
            "id" : "0x1212"
        }
    ],
    "services" :
    [
        {
            "service" : "0x1234",
            "instance" : "0x5678",
            "unreliable" : "30509"
        }
    ],
    "routing" : "World",
    "service-discovery" :
    {
        "enable" : "true",
        "multicast" : "224.224.224.245",
        "port" : "30490",
        "protocol" : "udp",
        "initial_delay_min" : "10",
        "initial_delay_max" : "100",
        "repetitions_base_delay" : "200",
        "repetitions_max" : "3",
        "ttl" : "3",
        "cyclic_offer_delay" : "2000",
        "request_response_delay" : "1500"
    }
}

客户端的配置：

{
    "unicast" : "172.17.0.1",
    "logging" :
    {
        "level" : "debug",
        "console" : "true",
        "file" : { "enable" : "false", "path" : "/var/log/vsomeip.log" },
        "dlt" : "false"
    },
    "applications" : 
    [
        {
            "name" : "Hello",
            "id" : "0x1313"
        } 
    ],
    "routing" : "Hello",
    "service-discovery" :
    {
        "enable" : "true",
        "multicast" : "224.224.224.245",
        "port" : "30490",
        "protocol" : "udp",
        "initial_delay_min" : "10",
        "initial_delay_max" : "100",
        "repetitions_base_delay" : "200",
        "repetitions_max" : "3",
        "ttl" : "3",
        "cyclic_offer_delay" : "2000",
        "request_response_delay" : "1500"
    }
}

参考阅读：

1.https://inspiredhobbyist.org/what-is-some-ip-in-autosar/

2.https://mdnice.com/writing/6c21d60b8e74456b8d84004ced9baae2

3.https://github.com/COVESA/vsomeip/wiki/vsomeip-in-10-minutes

慢慢进步吧，waiting and hope.