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技術(shù)閑談之汽車SOA

2020-08-24 11:28:31·  來源：汽車電子與軟件  作者：Peter李成仙  
　
前言：SOA（Service Oriented Architecture)在汽車行業(yè)目前比較熱門，最近有不少寫SOA的文章已經(jīng)解釋SOA是什么、有哪些好處、要如何設(shè)計等。但其實(shí)從技術(shù)決策的
前言：
SOA（Service Oriented Architecture)在汽車行業(yè)目前比較熱門，最近有不少寫SOA的文章已經(jīng)解釋SOA是什么、有哪些好處、要如何設(shè)計等。但其實(shí)從技術(shù)決策的角度上來看，就關(guān)心這幾個問題：
  • 搞SOA，有什么好處？能實(shí)現(xiàn)什么之前不能實(shí)現(xiàn)，或?qū)崿F(xiàn)成本較高的場景嗎？
  • 搞SOA，成本如何？能不能分步搞？
  • 搞SOA，公司的能力是否具備？

1、SOA與軟件定義汽車
"軟件定義汽車" 已經(jīng)成為一個不可逆的趨勢，其基本的意思是指汽車的功能及性能，之后將更多的由軟件來決定。當(dāng)然，業(yè)內(nèi)也有不同的聲音，如"架構(gòu)定義汽車"等等，其本質(zhì)差不多。
那么，在"軟件定義汽車"的趨勢下，”SOA“到底處于什么樣的位置呢？
 
右圖是歷史上的經(jīng)典”馬拉火車“，當(dāng)年中國第一條鐵路修好后，因慈禧不喜歡火車頭的“大呼小叫”，導(dǎo)致很長一段時間列車都是讓馬與驢拉的。
左圖呢，由于受汽車行業(yè)的慣性思維影響，整車開發(fā)流程都是先定EEA，然后定點(diǎn)各ECU或沿用車型平臺的ECU，放在前些年就沒有然后了。近年來受”軟件定義汽車“的影響，同時還會確定”哪些自研，哪些由Tier1開發(fā)“。但這還是不夠的，如果不搞SOA，就算EEA升級、控制器升級、軟件自研，他們也很難高效的運(yùn)轉(zhuǎn)與支持迭代。
空口無憑，接下來我們來詳細(xì)的展開吧。
 
2、行業(yè)現(xiàn)狀
這里借用幾張出現(xiàn)頻率較高的圖來說明一下：
大眾MEB E3 EEA
 
大眾MEB平臺的E3架構(gòu)，采用千兆Ethernet，規(guī)劃了3個ICAS（應(yīng)用服務(wù)器），在軟件層面上采用了SOA的架構(gòu)。
 
現(xiàn)代(Hyundai)的EEA - 引用自《淺談?wù)嘢OA架構(gòu)系列》
現(xiàn)代的EEA也是將Ethernet納入主干網(wǎng)，同時在Ethernet連接的結(jié)點(diǎn)采用了SOA架構(gòu)。
國內(nèi)上，在此領(lǐng)域走的比較靠前的“華人運(yùn)通”，參考其官方宣傳稿，采用了“HOA開放式EEA”，使用了千兆以太網(wǎng)，擁有6個超級域計算平臺，并實(shí)現(xiàn)了“真正意義的軟件與硬件分離”。從技術(shù)語言來說，同樣采用了SOA架構(gòu)。
結(jié)論就是，從國際和國內(nèi)上的各種公開信息來看，凡是將Ethernet納入主干網(wǎng)的車廠，都在其上采用SOA的架構(gòu)。
 
3、SOA到底有什么好處？
SOA將跨ECU交互由“基于信號的通信”變?yōu)?ldquo;基于服務(wù)的通信”，其意義抽象的講，有以下方面：
  • 應(yīng)用服務(wù)化，使“全車智能”成為可能
  • 服務(wù)的靈活部署
  • 軟件更新/升級更快速
  • 服務(wù)高內(nèi)聚，軟件易重用
光講這些太抽象，作為長期戰(zhàn)斗在一線的軟件架構(gòu)師，上向領(lǐng)導(dǎo)匯報，下說服工程師，最有效的辦法就是講“場景”。下面一個個展開吧。
 
3.1 “全車智能”成為可能
服務(wù)化，各個域?qū)⒆约旱哪芰μ峁┏鰜?，在?quán)限允許的情況下，供大家隨意使用。這樣的話，”智能“就不僅是體現(xiàn)在”智能座艙“、”智能駕駛“領(lǐng)域，也可以是”智能車身“、”智能底盤“等等。舉幾個具體的例子。
1) 智能交互的開放 —— APA(自動泊車)過程中語音提示
當(dāng)前基于CAN通信，就是APA控制器提供CAN信號，中控接收到之后，根據(jù)APA的狀態(tài)做用戶提示。但是，一般來說搞中控的人對APA一點(diǎn)都不懂，很容易出各種問題。
SOA的做法，中控大屏提供TTS服務(wù)，APA控制器自行使用。
 
2) 車控能力的開放 —— “跳舞”模式 (Tesla Model X)
當(dāng)前基于CAN通信，”跳舞“這個應(yīng)用較為復(fù)雜，包含音樂、車身、前后運(yùn)動等，其邏輯會分拆到多個控制器中，且基于各種安全因素的考慮，不一定會將直接的控制能力暴露出來。
基于SOA，各域可抽象出通用的服務(wù)出來，如”極低速控制服務(wù)“和”車身/燈光控制服務(wù)“出來，而”跳舞“相關(guān)的應(yīng)用邏輯，就可以完全放在中控應(yīng)用當(dāng)中了。
 
3) 多域能力的開放與融合 —— 智能車窗
當(dāng)檢測到下雨時，自動將車窗關(guān)閉，并通過語音及界面來提示用戶。
當(dāng)前基于CAN通信，車身控制域提供“雨量傳感器”的狀態(tài)、“車窗控制”的信號，一切由中控大屏來實(shí)現(xiàn)。但說實(shí)話，這功能跟“中控大屏”有什么關(guān)系？因?yàn)槭欠衽c用戶交互是可選項，并非此功能的核心。
基于SOA，中控將“通知”與“語音播報”的能力提供出來，車身控制域在發(fā)現(xiàn)“下雨”時，調(diào)用“車窗控制”，基于用戶的習(xí)慣，選擇合適的方式與用戶交互，甚至于說不交互。
 
由于筆者為智能座艙背景，舉的例子多半與智能座艙相關(guān)。相信其他領(lǐng)域的小伙伴，會有更多的用戶場景可講。
 
3.2 服務(wù)的靈活部署
SOA的一個基礎(chǔ)，就是“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”機(jī)制，即給每個服務(wù)分配一個“全局名稱”，通過這個名稱就可以直接找到對應(yīng)的服務(wù)。比如我們上網(wǎng)時的“網(wǎng)址”就是起的這種作用。這樣的好處是：
可以在ECU運(yùn)行時獲取服務(wù)的位置。繼續(xù)以“網(wǎng)址”為例，"ele.me"的服務(wù)器到底部署在哪，我們是不知道的，當(dāng)我們輸入"ele.me"，DNS服務(wù)器會解釋其IP地址，并通過動態(tài)路由的方式找到擁有這個IP地址的服務(wù)器。大白話的說："不管你在哪里，只要不改名，我都能找到你"所以，基于這個特性，在整車生命周期內(nèi)，不同的車型配置可做不同的服務(wù)部署，對代碼幾乎可以不用改動。以筆者較為熟悉的OTA，來說明吧：
基于SOA的OTA邏輯架構(gòu)
 
上圖中，帶SOC的ECU都連接了Ethernet，需要基于SOA Middleware來提供標(biāo)準(zhǔn)的OTA Service，如版本號查詢、自升級控制、升級狀態(tài)反饋等；不帶SOC的ECU，通過CAN連接網(wǎng)關(guān)，則通過UDS直接刷新。其中所有的Service的部署都與位置無關(guān)。
 
舉個例子，拿OTA中最最最要命的”升級主控“的選擇來說吧。”升級主控 (OTA Master)“是OTA的核心，其功能一般包含：版本檢測、升級狀態(tài)控制、回滾、狀態(tài)上報、合法校驗(yàn)等。升級主控放在哪個ECU上，是整個OTA方案爭議最大，最重要的決策之一。但問題是，同一個項目，因?yàn)椴煌渲玫年P(guān)系，它還要放在不同的ECU上。比如說，
  • 放中控大屏上，低配車沒有大屏怎么辦？
  • 放Tbox上，高配是5G，低配是4G，供應(yīng)商還不一樣怎么辦？
  • 放網(wǎng)關(guān)上，高配帶SOC，低配只是個CAN網(wǎng)關(guān)怎么辦？
采用SOA架構(gòu)的OTA方案就沒有這個問題。
升級主控由網(wǎng)關(guān)換成Tbox
 
如上圖中，升級主控由網(wǎng)關(guān)換為Tbox，也只需要重新部署OTA Master Service和OTA UDS Service即可。其他的不變。
而傳統(tǒng)架構(gòu)的OTA方案，改動升級主控？大工程啊。除了服務(wù)要重新部署，相關(guān)的通信協(xié)議也需要改動，代碼也要做一定的修改，麻煩。
 
3.3 軟件更新更靈活
SOA的松藕合特性，可以將功能更新與變更限制在更小的范圍內(nèi)。
1) 硬件架構(gòu)需要調(diào)整，減少復(fù)雜功能涉及的ECU數(shù)量
 
車控域發(fā)生域融合
如上圖，基于SOA的架構(gòu)，車控域發(fā)生域融合時，應(yīng)用可以直接做重新部署，而無需重新開發(fā)，改動限制在服務(wù)的實(shí)現(xiàn)上。
若不基于SOA實(shí)現(xiàn)，發(fā)生域融合時，所有功能幾乎都要重頭開始。
2) 軟件架構(gòu)需要更新，一個功能改變只需要更新/升級部分軟件
 
增加"空調(diào)濾芯壽命顯示"功能時傳統(tǒng)方式與SOA方式的對比
如上圖，“增加PM2.5濾芯壽命顯示”這一功能，傳統(tǒng)方式有4處的改動，而SOA方式僅有2處。
 
4、實(shí)現(xiàn)SOA的成本如何？
4.1 內(nèi)部成本
SOA在很多年前，某些Tier 1就已經(jīng)在搞了，但由于設(shè)計過于理想，開發(fā)成本過高，且運(yùn)行效率較低，放棄了。
 
在理想架構(gòu)下，不同的控制器的應(yīng)用與服務(wù)可以任意的通信，它們?nèi)际褂每鏓CU IPC。但是，這樣實(shí)現(xiàn)：
  • 成本極高，比如Android源生支持binder，要把所有應(yīng)用都改為使用新的IPC。Linux也一樣，源生都是使用dbus，其對跨ECU通信支持較差，也要改為使用新的IPC，代價非常大。
  • 運(yùn)行效率低，跨ECU的IPC，其一定比ECU內(nèi)IPC更重，資源消耗大、時延大。
所以，考慮實(shí)際，可落地架構(gòu)是指
  • 大部分的ECU中，內(nèi)部通信使用源生的IPC，保證效率、降低開發(fā)成本?？鏓CU通信，通過專門的proxy / adaptor來做中繼。這種proxy / adaptor依據(jù)情況在同一ECU內(nèi)可以有多個。
  • 在某些業(yè)務(wù)邏輯較為簡單的ECU內(nèi)，可以采用跨ECU的IPC，方便后續(xù)移植。
所以，只有采用上圖中的可落地架構(gòu)，才能做到內(nèi)部成本可控。
 
4.2 外部成本
要實(shí)現(xiàn)SOA，有不少的工具、組件需要向外部購買，其成本如何呢？是否可以分步走呢？
1) 基礎(chǔ)版本：僅支持所有帶SOC的ECU之間的服務(wù)調(diào)用。
成本：最低可以為0。
對于SOC上運(yùn)行的操作系統(tǒng)，如Linux, Android, QNX而言，SOA是十分自然的過程，其源生的就支持IPC（跨進(jìn)程通信），如binder, dbus等。在這種情況下，可選用的跨ECU的IPC就不少，如SOME/IP，DDS-RPC（DDS支持RPC的版本），fdbus (Jeremy大神寫的）等等。
但由于免費(fèi)的DDS-RPC及fdbus等方式，不被Classic AutoSAR支持，所以后續(xù)擴(kuò)展會有一定的問題。
2) 進(jìn)階版本：支持所有ECU之間的服務(wù)調(diào)用，但不支持實(shí)時業(yè)務(wù)
成本最低為單件百萬級別
目前可選的跨ECU通信中間件，只有SOME/IP，且最好選擇商業(yè)版的。因?yàn)殡m然Genivi有開源的vSOMEIP，但是是否量產(chǎn)還是個問題。
3) 專業(yè)版本：支持SOC內(nèi)的應(yīng)用升級(Software OTA)
成本為單件幾百萬至千萬級別。
先解釋一下SOTA。業(yè)界叫的OTA，通常指的是FOTA (Firmware OTA)，而嚴(yán)格意義上的OTA分別3個級別：
  • Firmware OTA：固件升級。升級的對象為整個系統(tǒng)，通常不包含bootloader。風(fēng)險最高，對可靠性要求也最高，升級頻率1~3個月。
  • Software OTA：應(yīng)用升級。升級的對象為單個或多個應(yīng)用。風(fēng)險中等，最嚴(yán)重的就是某個功能用不了，對可靠性要求中等，升級頻率可以高至每個星期。
  • Data OTA：數(shù)據(jù)升級。升級的對象為應(yīng)用內(nèi)部的數(shù)據(jù)。風(fēng)險低，最嚴(yán)重的就是某個子功能出問題，對可靠性要求低，升級頻率隨意。
目前來看，除了Android系統(tǒng)，其他系統(tǒng)最直接的方式就是上AutoSAR AP。但是個人比較質(zhì)疑其效果，就拿源生支持SOTA的Android而言，對于深度定制的中控大屏系統(tǒng)，目前有哪一家支持SOTA？原因是，SOTA聽起來簡單，但對組織的能力要求很高，每次升級某個應(yīng)用，都需要清楚的知道其依賴關(guān)系，而實(shí)行SOA架構(gòu)的系統(tǒng)，其依賴關(guān)系往往錯綜復(fù)雜，很容易出錯。
因此，AP平臺需要慎重考慮。
 
4) 極致版本：支持跨ECU的實(shí)時通信
成本：上億？
方式是選擇TSN，使Ethernet上的部分業(yè)務(wù)達(dá)到CAN同樣的實(shí)時性。當(dāng)初Ethernet為了高吞吐量，采用了CSMA/CD，而CAN為了實(shí)時性，采用了CSMA/CR。采用TSN的Ethernet集齊了兩者的共同優(yōu)點(diǎn)，可謂完美。但現(xiàn)實(shí)是，目前其標(biāo)準(zhǔn)仍在修改中，且尚無車廠量產(chǎn)。
 
5、SOA帶來的挑戰(zhàn)
最后，簡單總結(jié)一下，SOA的本質(zhì)是讓汽車變成一個真正的分布式系統(tǒng)，就像阿里的“飛天”一樣。各自為戰(zhàn)的ECU功能設(shè)計將被打破，取而代之的是分層式的架構(gòu)設(shè)計與實(shí)施。
 
SOA分層式的架構(gòu)也不是一蹴而就的，就跟軟件行業(yè)的操作系統(tǒng)的發(fā)展一樣，也是增加功能 -> 抽象的不斷循環(huán)往復(fù)。
 
其將給我們帶來變革與挑戰(zhàn)：
  • 人才的挑戰(zhàn)：整車的功能分解與交互時序定義將由ECU級別（只管ECU的輸入輸出），下降至模塊級別（要管ECU的各個模塊的輸入輸出）。同時需要軟件架構(gòu)與EEA領(lǐng)域的知識。
  • 功能的集成：跨多個ECU功能交互成為常態(tài)，在零部件仍大部分由Tier1提供的情況下，OEM功能的集成是個大問題
  • 主導(dǎo)權(quán)的爭奪：SOA需要OEM來主導(dǎo)各個ECU的對外提供的服務(wù)，以達(dá)到平臺化的目的，可強(qiáng)勢Tier1們愿意嗎？
以上見解僅代表個人觀點(diǎn)，請各位輕拍輕噴。:)
關(guān)注作者知乎：Peter 李成仙 | 軟件架構(gòu)師
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