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[導(dǎo)讀]隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的趨勢,終端用戶對車輛功能的預(yù)期也悄然發(fā)生著改變,汽車在實(shí)現(xiàn)高等級自動駕駛/輔助駕駛功能的同時,也更趨向于提升用戶體驗(yàn),例如滿足快速的功能更新和升級,可以提供個性化、人性化、差異化的功能與服務(wù)等。面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(Service-OrientedA...

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的趨勢,終端用戶對車輛功能的預(yù)期也悄然發(fā)生著改變,汽車在實(shí)現(xiàn)高等級自動駕駛/輔助駕駛功能的同時,也更趨向于提升用戶體驗(yàn),例如滿足快速的功能更新和升級,可以提供個性化、人性化、差異化的功能與服務(wù)等。

面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(Service-Oriented Architecture)正為未來的車輛軟件服務(wù)提供良好的解決方案。不同于傳統(tǒng)汽車電子電氣架構(gòu)中面向信號的架構(gòu),面向服務(wù)的軟件架構(gòu)(SOA)通過標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)接口,松耦合的服務(wù)機(jī)制以及可組合擴(kuò)展的服務(wù)特性,結(jié)合未來以高性能計算平臺——域控制器——為核心的集中化電子電氣架構(gòu),將成為未來汽車領(lǐng)域“軟件驅(qū)動創(chuàng)新”的技術(shù)基礎(chǔ)。

第一部:面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的汽車軟件及其開發(fā)方法

一. 為什么要引入SOA汽車軟件?

SOA是一種軟件架構(gòu),同時也是一種軟件設(shè)計方法和理念,在IT領(lǐng)域已有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。SOA具備”松耦合”、”接口標(biāo)準(zhǔn)可訪問”和”易于擴(kuò)展”等特點(diǎn),使得開發(fā)人員能以最小的軟件變更應(yīng)對迭代多變的客戶需求。

在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中,大量的功能需要控制器(ECU)間的協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn),當(dāng)前ECU 間基于信號(Signal-Oriented)的點(diǎn)對點(diǎn)通訊將會變得異常復(fù)雜,且不具備靈活性和擴(kuò)展性,微小的功能改動都會引起整車通訊矩陣的改動(圖1)。

因此,聯(lián)合電子將SOA引入到當(dāng)前汽車軟件設(shè)計中(圖2),車輛功能被以面向服務(wù)的設(shè)計理念架構(gòu)為不同的服務(wù)組件,有別于面向信號的傳統(tǒng)架構(gòu),SOA中的每個服務(wù)都具有唯一且獨(dú)立互不影響的身份標(biāo)識(ID),并通過服務(wù)中間件(Service Middleware)完成自身的發(fā)布,對其他服務(wù)的訂閱以及與其他服務(wù)的通訊工作。由此,SOA良好的解決了傳統(tǒng)架構(gòu)中因個別功能增減/變更而導(dǎo)致整個通訊矩陣與路由矩陣都要變更的問題。更進(jìn)一步,由于其”接口標(biāo)準(zhǔn)可訪問”的特性,服務(wù)組件的部署不再依賴于具體特定的操作系統(tǒng)和編程語言,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了組件的”軟硬分離”。

圖1 面向信號的架構(gòu)(Signal-Oriented Architecture)

圖2 面向服務(wù)的架構(gòu)(Service-Oriented Architecture)

二. 如何有效的開發(fā)SOA汽車軟件?

對于汽車行業(yè)而言,SOA是一套新引入的技術(shù),需要一套有效的流程、方法和工具,用以解決如下三個問題:1) 如何分析和設(shè)計服務(wù)架構(gòu),2) 如何建模和記錄服務(wù)架構(gòu),3)如何部署和實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的軟件。

  1. 如何分析和設(shè)計面向服務(wù)的架構(gòu)?
“分析和設(shè)計服務(wù)架構(gòu)”的過程是從客戶需求到SOA軟件架構(gòu)產(chǎn)出的分析過程,相對于傳統(tǒng)汽車軟件開發(fā)采用的基于功能分解的面向過程分析方法,“用例驅(qū)動的開發(fā)方法”和“面向服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計方法”是SOA軟件架構(gòu)開發(fā)的兩個主要特點(diǎn)。

用例(Use Case)驅(qū)動的開發(fā)方法(圖3)指從用戶的角度而非開發(fā)人員的角度考慮功能需求和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),重視從系統(tǒng)外部觀察對系統(tǒng)的使用。由用例驅(qū)動的開發(fā)活動,可以建立需求和系統(tǒng)功能之間清晰的追溯關(guān)系,更好的應(yīng)對智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品需求的快速迭代更新。

面向服務(wù)的分析方法(圖4)則是以業(yè)務(wù)為中心,在由用例分析得到系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上,對業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行抽象和封裝,從業(yè)務(wù)角度尋找候選服務(wù)(Service Candidate),從架構(gòu)角度強(qiáng)調(diào)服務(wù)的重用性(reusable)、自主性(autonomous)以及組合擴(kuò)展性(composable)特點(diǎn),充分發(fā)揮SOA設(shè)計理念的優(yōu)勢,而不是僅僅作為技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。

圖3 用例驅(qū)動的開發(fā)方法

圖4 面向服務(wù)的分析方法

  1. 如何建模和記錄面向服務(wù)的架構(gòu)?
標(biāo)準(zhǔn)化的建模語言和統(tǒng)一化的文檔結(jié)構(gòu),對提升架構(gòu)的開發(fā)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)架構(gòu)內(nèi)容的有效傳遞具有重要作用。SysML語言和Arc42模板可以作為SOA軟件架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)語言和文檔結(jié)構(gòu)模板。

系統(tǒng)建模語言SysML(System Modeling Language)是由統(tǒng)一建模語言UML(Unified Modeling Language)擴(kuò)展而來的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)建模語言,能夠準(zhǔn)確表達(dá)系統(tǒng)及其組件的需求、行為、結(jié)構(gòu)和屬性。Rhapsody軟件支持SysML建模,并提供了自動化功能,提高建模效率,同時保證與用例的追溯關(guān)系。Arc42明確定義了架構(gòu)文檔的結(jié)構(gòu),通過統(tǒng)一化的文檔,提升開發(fā)團(tuán)隊中的信息傳遞效率和質(zhì)量。

如下圖5顯示,聯(lián)合電子使用SysML語言,Rhapsody建模工具以及Arc42架構(gòu)模板進(jìn)行應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)的開發(fā)。

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圖5 SysML語言,Rhapsody工具和ARC42開發(fā)模板

  1. 如何部署和實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的軟件
“部署和實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)架構(gòu)的軟件”的過程是以SOA軟件架構(gòu)為設(shè)計輸入,最終開發(fā)實(shí)現(xiàn)出軟件產(chǎn)品的工作過程(圖6)。主要包括 1)對服務(wù)接口行為的開發(fā)和實(shí)現(xiàn),完成服務(wù)接口與服務(wù)主體邏輯的綁定;2) 針對目標(biāo)運(yùn)行環(huán)境,完成對服務(wù)接口參數(shù),服務(wù)主體運(yùn)行參數(shù)的配置;3)服務(wù)接口與應(yīng)用程序策略邏輯的集成編譯。

AUTOSAR Adaptive 組件封裝了SOA軟件底層的通訊細(xì)節(jié)(包括SOME/IP協(xié)議,IPC等),同時提供代理(Proxy)-骨架(Skeleton)模型,該模型以C 面向?qū)ο笳Z言描述,方便上層應(yīng)用開發(fā)人員調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口(API)進(jìn)行開發(fā)。Application Design Model是該模型另一種可配置的呈現(xiàn),開發(fā)人員通過使用相應(yīng)的配置工具對Application Design Model進(jìn)行描述和配置,即可實(shí)現(xiàn)基于SOA服務(wù)架構(gòu)的軟件落地和部署。聯(lián)合電子使用AUTOSAR Adaptive組件完成SOA服務(wù)架構(gòu)軟件的開發(fā)(圖7):

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圖6 部署和實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的軟件

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圖7 應(yīng)用軟件設(shè)計模型

三. SOA汽車軟件創(chuàng)新平臺

聯(lián)合電子開發(fā)的域控制器XCU ,提供了部署SOA汽車軟件的平臺。在硬件方面,XCU具備高算力處理器芯片和多路車規(guī)級以太網(wǎng)通道;在軟件方面,XCU搭載POSIX操作系統(tǒng)和AUTOSAR Adaptive平臺。

根據(jù)SOA軟件開發(fā)方法,可從兩個切入點(diǎn)開展SOA汽車軟件平臺的開發(fā)。

1)自下至上,從車輛基礎(chǔ)功能/信號出發(fā),將已有的應(yīng)用功能邏輯/信號(eg:車輛車速信息)抽象或封裝成服務(wù)組件,這類組件被稱為基礎(chǔ)服務(wù)層(Basic/Platform Service Layer)組件,具有最高的可復(fù)用性和可組合性,這些組件將為上層(業(yè)務(wù)服務(wù)層Business Service Layer)的服務(wù)組件提供最基礎(chǔ)的支持。

2)自上而下,從整車業(yè)務(wù)邏輯和用例出發(fā),結(jié)合各領(lǐng)域的核心業(yè)務(wù)知識,設(shè)計業(yè)務(wù)服務(wù)層(Business Service Layer)的服務(wù)組件;同時,遵循服務(wù)組件的復(fù)用性和自主性等原則,向下設(shè)計規(guī)劃基礎(chǔ)服務(wù)層(Basic/Platform Service Layer)的服務(wù)組件(圖8)。

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圖8 基于域控制器(XCU)的SOA服務(wù)架構(gòu)

四. SOA架構(gòu)的核心要素與優(yōu)勢

SOA作為一種面向服務(wù)的架構(gòu),是一種設(shè)計思想和方法論。在SOA架構(gòu)中,服務(wù)是最核心的抽象手段和系統(tǒng)最基礎(chǔ)的描述單元。

每個服務(wù)組件具備獨(dú)立的功能,且可被復(fù)用;服務(wù)組件之間的接口遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),可互相訪問,可組合擴(kuò)展。業(yè)務(wù)過程則是帶有狀態(tài)和服務(wù)調(diào)度策略的服務(wù)組件的組合與擴(kuò)展(圖1)。

通過SOA架構(gòu),可整合規(guī)劃OEM在不同操作系統(tǒng),硬件平臺上(控制器)上的業(yè)務(wù)功能,實(shí)現(xiàn)對功能的快速迭代和重組,應(yīng)對靈活多變的智能網(wǎng)聯(lián)趨勢下的業(yè)務(wù)需求。

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圖9:SOA架構(gòu)模型

結(jié)合未來汽車域?qū)蛐碗娮与姎饧軜?gòu)(Domain-Oriented)和區(qū)域?qū)蛐碗娮与姎饧軜?gòu)(Zone-Oriented),應(yīng)用SOA架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過程(功能)的快速迭代與靈活重組,為智能網(wǎng)聯(lián)趨勢下的軟件個性化與創(chuàng)新需求提供了良好的平臺性解決方案。SOA架構(gòu)應(yīng)用于汽車新電子電氣架構(gòu)下的優(yōu)勢(圖2):

車輛功能軟件實(shí)現(xiàn)軟硬分離

由于服務(wù)組件接口“標(biāo)準(zhǔn)可訪問”,且描述方式獨(dú)立于硬件平臺和操作系統(tǒng),因此組件功能可脫離硬件平臺任意部署移動,對于算力有要求的復(fù)雜功能組件可向具備高帶寬大算力的域控制器移動。

車輛功能可被大范圍復(fù)用

一些使用頻度很高且基礎(chǔ)的功能可作為基礎(chǔ)服務(wù)組件先被開發(fā),由于服務(wù)組件的獨(dú)立性以及接口的標(biāo)準(zhǔn)可訪問,基礎(chǔ)服務(wù)開發(fā)完成后可向服務(wù)中間件注冊,并供所有電子電氣架構(gòu)中的控制器訂閱使用。

車輛功能在SOP后可新增(擴(kuò)展)

“小”的基礎(chǔ)服務(wù)可組合成為“大”服務(wù),“大”服務(wù)可進(jìn)一步組合擴(kuò)展并最終構(gòu)建出新的業(yè)務(wù)過程,實(shí)現(xiàn)OEM的業(yè)務(wù)目標(biāo)。結(jié)合OTA技術(shù),用戶可在車輛使用期限里,訂閱一個類似,“預(yù)測性能量管理”的新功能并安裝于域控制器上,新功能的業(yè)務(wù)邏輯依賴于一些已有的服務(wù)組件(eg:預(yù)測性能量管理依賴于能量管理策略,地圖預(yù)測信息等基礎(chǔ)服務(wù))。

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圖10 新汽車電子電氣架構(gòu)中的SOA架構(gòu)應(yīng)用

第二部:面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的汽車軟件分析和設(shè)計

面向服務(wù)架構(gòu)的開發(fā)過程從整體上可以概括為6個步驟,分別是:面向服務(wù)分析、面向服務(wù)設(shè)計、服務(wù)開發(fā)、服務(wù)測試、服務(wù)部署和服務(wù)權(quán)限管理,如圖11所示。其中,分析和設(shè)計面向服務(wù)的架構(gòu)是開發(fā)SOA軟件的開端,也是判斷系統(tǒng)是否基于SOA架構(gòu)的最重要且核心的環(huán)節(jié)。

聯(lián)合電子對分析和設(shè)計面向服務(wù)架構(gòu)汽車軟件的具體流程與方法進(jìn)行了探索,將面向服務(wù)的分析分解為系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)功能分析、候選服務(wù)分析三個子步驟,將面向服務(wù)的設(shè)計分解為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和軟件架構(gòu)設(shè)計兩個子步驟。經(jīng)過架構(gòu)師的良好分析,車輛功能(業(yè)務(wù)邏輯/業(yè)務(wù)過程)將結(jié)合實(shí)際實(shí)現(xiàn)情況,按不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域完成解耦,并分解得到候選服務(wù)組件。后續(xù),經(jīng)過詳細(xì)且不斷迭代的設(shè)計,在候選服務(wù)的基礎(chǔ)上,最終會產(chǎn)出面向服務(wù)(SOA)的軟件架構(gòu)。

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圖11 面向服務(wù)的分析與設(shè)計是服務(wù)架構(gòu)開發(fā)的核心環(huán)節(jié)

接下來本文將圍繞這5個子步驟對面向服務(wù)的分析與設(shè)計過程進(jìn)行介紹。

  1. 系統(tǒng)需求分析
如圖12所示,整個SOA架構(gòu)模型分為業(yè)務(wù)過程層,服務(wù)接口層和應(yīng)用程序?qū)尤糠?。SOA業(yè)務(wù)過程層專注于業(yè)務(wù)邏輯的分析;服務(wù)接口層聚焦于候選服務(wù)的設(shè)計和分析;應(yīng)用程序?qū)觿t體現(xiàn)面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)和軟件架構(gòu)設(shè)計。

系統(tǒng)需求分析聚焦SOA架構(gòu)的最上層——業(yè)務(wù)層。概括來說,需求分析指的是設(shè)計和充分理解在用戶具體使用場景下的真實(shí)業(yè)務(wù)過程,為后續(xù)抽象和封裝服務(wù)提供充足的語境信息。

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圖12 需求分析聚焦SOA架構(gòu)業(yè)務(wù)過程層

  1. 系統(tǒng)功能分析
如圖13所示,系統(tǒng)功能分析搭建起了SOA架構(gòu)的業(yè)務(wù)層和服務(wù)層之間的橋梁,其過程就是從第一步系統(tǒng)需求分析的產(chǎn)物——業(yè)務(wù)過程和系統(tǒng)用例,向服務(wù)過渡的過程,目的是得出構(gòu)成候選服務(wù)的服務(wù)操作(operation)。系統(tǒng)功能分析具體可描述為:設(shè)計用例的實(shí)現(xiàn)場景步驟,對系統(tǒng)用例逐個進(jìn)行分析細(xì)化,描述系統(tǒng)如何與參與者(actor)一起實(shí)現(xiàn)每個用例,從而得到系統(tǒng)與參與者、與外部系統(tǒng)的界限及信息交互,最終得出對系統(tǒng)的功能要求,這些功能要求直接作為候選服務(wù)操作(business service operation candidates)。

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圖13 系統(tǒng)功能分析:從業(yè)務(wù)過程到服務(wù)

  1. 候選服務(wù)分析
候選服務(wù)分析聚焦SOA架構(gòu)的中間層——服務(wù)接口層。候選服務(wù)分析的目的是對業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行抽象和封裝,從業(yè)務(wù)角度尋找候選服務(wù)(Service Candidate)。值得強(qiáng)調(diào)的是,分析候選服務(wù)需要跳出特定功能開發(fā),從架構(gòu)角度強(qiáng)調(diào)業(yè)務(wù)的重用性(reusable)、自主性(autonomous)以及組合擴(kuò)展性(composable)等特點(diǎn),特別考慮候選服務(wù)在企業(yè)業(yè)務(wù)范圍內(nèi)潛在的重用可能,充分發(fā)揮SOA設(shè)計理念的優(yōu)勢,而不是僅僅作為技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式(圖14)。

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圖14 候選服務(wù)分析聚焦SOA架構(gòu)的服務(wù)接口層

  1. 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的目的是設(shè)計和得到服務(wù)到架構(gòu)要素的映射,以及要素間服務(wù)調(diào)用關(guān)系。下圖中藍(lán)色小圓圈代表分析得到的服務(wù),通過系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計,被映射至不同的架構(gòu)要素( Platform A~C)(圖15)。在這里,架構(gòu)要素對應(yīng)汽車上搭載不同控制器平臺(Platform)。

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圖15 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計:服務(wù)與系統(tǒng)要素的映射

  1. 軟件架構(gòu)設(shè)計
軟件架構(gòu)設(shè)計的目的是設(shè)計和得到服務(wù)(service)到服務(wù)組件(Service Component)的映射關(guān)系,過程與系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計過程類似,但需要將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到控制器內(nèi)部。

在圖16,SOA架構(gòu)中,軟件架構(gòu)設(shè)計的行為發(fā)生在藍(lán)色陰影區(qū)。軟件架構(gòu)的設(shè)計受到諸多因素的限制(以太網(wǎng)通訊Port口資源,客戶具體用例場景的迭代變更等等)。總體設(shè)計思想上,高內(nèi)聚,低耦合仍是設(shè)計的通用原則和架構(gòu)評價的關(guān)鍵指標(biāo)。額外需要強(qiáng)調(diào)的,應(yīng)對智能網(wǎng)聯(lián)軟件需求迭代多變的特性,在SOA服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計中,還需強(qiáng)調(diào)重用性和擴(kuò)展性,充分的靈活度才能以最小的軟件變更應(yīng)對大量的需求輸入。

圖17為一示意圖,表達(dá)了針對某一服務(wù)Service A,有一個服務(wù)提供組件(Service Component)提供A服務(wù),有三個服務(wù)消費(fèi)組件消費(fèi)服務(wù)A。

軟件架構(gòu)設(shè)計和 服務(wù)與應(yīng)用程序的映射

“分析和設(shè)計面向服務(wù)的架構(gòu)”、“實(shí)現(xiàn)和部署面向服務(wù)的軟件”是有效開發(fā)SOA汽車軟件的關(guān)鍵環(huán)節(jié), “分析和設(shè)計服務(wù)架構(gòu)”的過程是從客戶用例場景/需求到SOA軟件架構(gòu)產(chǎn)出的分析過程。

聯(lián)合電子認(rèn)為,相對于傳統(tǒng)汽車軟件開發(fā)采用的基于功能分解的面向過程的分析方法,“用例驅(qū)動的開發(fā)方法”和“面向服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計方法”是SOA軟件架構(gòu)開發(fā)的兩個主要特點(diǎn)。

聯(lián)合電子具備相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),可以幫助具備業(yè)務(wù)邏輯的廠商(OEM/第三方)完成基于服務(wù)的用例分析和架構(gòu)設(shè)計工作,并最終協(xié)助客戶輸出面向服務(wù)的軟件架構(gòu)。

第三部:面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的汽車軟件實(shí)現(xiàn)和部署

根據(jù)SOA架構(gòu)層級模型(圖18),業(yè)務(wù)邏輯經(jīng)過面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的軟件分析和設(shè)計過程后,被分解為單個服務(wù)并綁定相應(yīng)的可執(zhí)行軟件單元。以服務(wù)軟件架構(gòu)為輸入,汽車服務(wù)軟件的實(shí)現(xiàn)和部署工作主要在服務(wù)組件層(Service Components)完成(圖1紅色箭頭)。

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圖 18 SOA 層級架構(gòu)模型

01 滿足 SOA 架構(gòu)的服務(wù)組件架構(gòu) (Service-Component-Architecture)

針對服務(wù)組件,SOA定義了服務(wù)組件的架構(gòu)模型(SCA)(圖19),在SCA的框架下,服務(wù)組件內(nèi)部被分為業(yè)務(wù)邏輯(Service)與基礎(chǔ)設(shè)施邏輯(Interface和Message)兩部分,并互相解耦:

服務(wù)軟件單元(Service):業(yè)務(wù)/功能邏輯,不關(guān)心操作系統(tǒng)和編程語言,可由熟悉業(yè)務(wù)邏輯的相關(guān)方開發(fā)

接口(Interface):決定對外提供哪些服務(wù)以及自身服務(wù)依賴哪些服務(wù),不關(guān)心操作系統(tǒng)和編程語言,可由SOA架構(gòu)設(shè)計方完成開發(fā)和部署

消息(Message):接口數(shù)據(jù)的通訊鏈路/環(huán)境綁定,不關(guān)心操作系統(tǒng)和編程語言,可由SOA架構(gòu)設(shè)計方完成開發(fā)和部署

整個服務(wù)組件層的工作是對服務(wù)組件進(jìn)行規(guī)范型描述,描述內(nèi)容主要包含兩個部分:

服務(wù)組件架構(gòu)模型SCA的配置描述

服務(wù)組件內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯和基礎(chǔ)設(shè)施邏輯的集成

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圖19 SOA服務(wù)組件架構(gòu)模型(SCA)

02 服務(wù)組件架構(gòu)SCA的配置描述

通過SCA架構(gòu)模型,每個服務(wù)軟件單元(Service)以標(biāo)準(zhǔn)的接口形式(Interface)向消費(fèi)方提供服務(wù)內(nèi)容,以統(tǒng)一的通訊協(xié)議傳遞序列化消息(Message)。對于SOA架構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用人員,需要通過工具配置SCA架構(gòu)模型中的參數(shù),使其與服務(wù)管理組件一同實(shí)現(xiàn)SOA軟件的部署和運(yùn)作。

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圖20 SCA架構(gòu)模型中的配置信息

SCA架構(gòu)模型中的主要元素分為“服務(wù)接口”和“服務(wù)實(shí)現(xiàn)”兩大類。其中,“服務(wù)接口描述”包含服務(wù)軟件單元(Services),組件接口(Interface)和消息通訊(Message);“服務(wù)實(shí)現(xiàn)”則包括通訊協(xié)議綁定(Binding)和服務(wù)端口信息等(Endpoint)(圖20)。

WebService的SCA架構(gòu)模型配置描述

以IT行業(yè)SOA封裝使用較為廣泛的WebService為例,其對SCA架構(gòu)模型的描述遵從如下標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議:

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表1 SCA架構(gòu)模型中的配置信息

在IBM公司發(fā)布的SOA系統(tǒng)解決方案- 企業(yè)服務(wù)總線(Enterprise-Service-Bus)中提供了WebSphere Integration Developer開發(fā)環(huán)境,該環(huán)境支持配置生成符合WSDL規(guī)范的服務(wù)組件描述文檔。

汽車軟件的SCA架構(gòu)模型配置描述

在汽車軟件領(lǐng)域,當(dāng)前,聯(lián)合電子采用AUTOSAR Adaptive組織提供的模型描述規(guī)范。AUTOSAR Adaptive組織對SCA架構(gòu)模型的描述遵循如下標(biāo)準(zhǔn):

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表2 SCA架構(gòu)模型中的配置信息

03 汽車SOA軟件的實(shí)現(xiàn)方案

如上文所述,汽車軟件領(lǐng)域,聯(lián)合電子遵循AUTOSAR Adaptive標(biāo)準(zhǔn)來完成SOA中間件的部署和應(yīng)用,AUTOSAR Adaptive組件采用經(jīng)典的代理(Proxy)-框架(Skeleton)模式來完成SCA架構(gòu)模型的描述(如圖21)。

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圖21 Proxy(stub)/Skeleton架構(gòu)模式

這種模式將原本直接交互的調(diào)用者(Client)與被調(diào)用者(Server)分離,由代理負(fù)責(zé)傳遞信息來完成調(diào)用,client和server不需要處理通信層詳細(xì)信息。同時,AUTOSAR Adaptive廠商基于C 語言具體實(shí)現(xiàn)代理-框架模式,確保應(yīng)用服務(wù)開發(fā)人員可以靈活配置自定義的服務(wù)接口,并結(jié)合對應(yīng)工具生成SCA架構(gòu)模型代碼(.cpp/.cc)和配置文件(.json)。具體的,這些代碼:

封裝了SOME-IP協(xié)議棧和底層通訊細(xì)節(jié)(Middleware Transport Layer)

提供了相應(yīng)的服務(wù)虛接口(virtual function)

通過1),服務(wù)組件開發(fā)人員不必再關(guān)心服務(wù)Message對應(yīng)的協(xié)議如何實(shí)現(xiàn);通過2),服務(wù)組件開發(fā)人員基于C 的語言特性,可繼承(inherit)虛接口并覆寫(override)虛接口的具體實(shí)現(xiàn)(函數(shù)體)。該機(jī)制保證了“基礎(chǔ)設(shè)施邏輯”和“業(yè)務(wù)(功能)邏輯”的解耦,服務(wù)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯的改動不影響服務(wù)組件向外的接口提供。

04 SOA服務(wù)組件實(shí)現(xiàn)和部署的具體步驟

SOA服務(wù)組件“實(shí)現(xiàn)和部署”的整個過程以面向服務(wù)(SOA)的軟件架構(gòu)為輸入,內(nèi)容上除完成第二章提到的“基礎(chǔ)設(shè)施邏輯”配置工作外,還需將業(yè)務(wù)(功能)邏輯與基礎(chǔ)設(shè)施邏輯集成,最終編譯成可執(zhí)行的服務(wù)組件單元(Service Component)(圖22)。

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圖22 服務(wù)組件單元(Service Component)

如第一章中對服務(wù)組件的SCA描述,整體服務(wù)組件(Service Component)由服務(wù)單元(Service)提供的“業(yè)務(wù)邏輯”和適配目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境相關(guān)的“基礎(chǔ)設(shè)施邏輯”兩部分組成。在開發(fā)過程中,這兩部分是解耦的,可同時進(jìn)行的,且軟件形態(tài)是靈活的。

服務(wù)單元(Service)的邏輯可以是源碼或被封裝為SDK形式,且不關(guān)心具體的編程語言;基礎(chǔ)設(shè)施邏輯 (Interface和Message) 則以C 的形態(tài)編碼,與服務(wù)管理中間件一起確保服務(wù)的動態(tài)響應(yīng)性和服務(wù)自身的可擴(kuò)展性,其軟件形態(tài)同樣可以是源碼或SDK形式提供。

在流程上方法論上,”實(shí)現(xiàn)和部署”工作主要分為服務(wù)組件接口設(shè)計,服務(wù)組件集成實(shí)現(xiàn)和安裝部署三個步驟:

組件接口設(shè)計階段: 聯(lián)合電子編寫arxml完成對服務(wù)組件SCA中“基礎(chǔ)設(shè)施邏輯”的配置開發(fā),并經(jīng)由AUTOSAR Adaptive中間件供應(yīng)商提供的代碼框架和生成器(Generator),最終得到相關(guān)的配置文件(.json)和源代碼(.cc/.cpp);對“服務(wù)單元邏輯”,聯(lián)合電子可同步基于建模工具進(jìn)行開發(fā);

組件集成實(shí)現(xiàn)階段: 聯(lián)合電子編寫APP框架,完成“服務(wù)單元邏輯”與“基礎(chǔ)設(shè)施邏輯”的軟件集成工作;

組件安裝部署階段: 聯(lián)合電子編寫編譯和安裝腳本,完成源碼的編譯鏈接和可執(zhí)行文件(App)的安裝,同時,對APP安裝部署權(quán)限和系統(tǒng)環(huán)境做適配調(diào)整。

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“分析和設(shè)計面向服務(wù)的架構(gòu)”、“實(shí)現(xiàn)和部署面向服務(wù)的軟件”是有效開發(fā)SOA汽車軟件的關(guān)鍵環(huán)節(jié),“實(shí)現(xiàn)和部署面向服務(wù)軟件”的過程是SOA軟件可以“落地”不可或缺的環(huán)節(jié)

第四部:面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的應(yīng)用




原子服務(wù)

說到服務(wù)架構(gòu),關(guān)于原子服務(wù)的話題非?;?,那么,什么是原子服務(wù)?原子服務(wù)有哪些特征?在系統(tǒng)層面如何拆分業(yè)務(wù)服務(wù)并且定義原子服務(wù)?原子服務(wù)對我們的軟件又有什么影響呢?他和服務(wù)的關(guān)系又是什么呢?


我們先從服務(wù)的最小單元——原子服務(wù)講起。原子服務(wù)的定義是:業(yè)務(wù)上最小粒度的一系列操作。原子服務(wù)的特點(diǎn)是松耦合,相對獨(dú)立,且在可預(yù)見的范圍內(nèi)不會對其他原子服務(wù)造成影響。任何一項(xiàng)都劃定了自己的業(yè)務(wù)范圍;他們不用關(guān)心非自己業(yè)務(wù)范圍是如何實(shí)現(xiàn),對于調(diào)用其他原子服務(wù),只需要考慮調(diào)用場景及返回結(jié)果如何處理即可。


舉一個例子,先看看下面三句話:


  • 現(xiàn)金存款是金融賬戶發(fā)生現(xiàn)金交易的收費(fèi)服務(wù)行為。


  • 信用卡還款是金融賬戶發(fā)生的,可能有銀聯(lián)參與的、信用卡的現(xiàn)金交易。


  • 現(xiàn)金轉(zhuǎn)賬是金融賬戶與交易對手金融賬戶發(fā)生現(xiàn)金交易的收費(fèi)服務(wù)行為。


這三句話中的,現(xiàn)金存款、信用卡還款和現(xiàn)金轉(zhuǎn)賬就是服務(wù),現(xiàn)金交易就是原子服務(wù),而金融賬戶、銀聯(lián)卡和信用卡則是服務(wù)的業(yè)務(wù)參與方,也是大家熟知的服務(wù)消費(fèi)者和提供方。


通過這個例子,大家應(yīng)該對原子服務(wù)已經(jīng)有了一個基本的概念。那么,服務(wù)是由原子服務(wù)構(gòu)成的,SOA是不是只是簡單地由服務(wù)構(gòu)成的呢?


1. SOA 架構(gòu)的特性


答案很顯然,要實(shí)現(xiàn)真正完整的 SOA 架構(gòu),只靠原子服務(wù)和服務(wù)是不夠的。首先,我們看一下SOA的基礎(chǔ)定義:


SOA基于服務(wù)的架構(gòu),繼承了來自對象(指的是“面向?qū)ο蟮募軜?gòu)”)和構(gòu)件設(shè)計的各種原則,例如,封裝和自我包含等。那些保證服務(wù)的靈活性、松散耦合和復(fù)用能力的設(shè)計原則,對 SOA 架構(gòu)來說同樣是非常重要的。


關(guān)于服務(wù)的基本特性如下:


標(biāo)準(zhǔn)接口

服務(wù)提供方以統(tǒng)一的方式即標(biāo)準(zhǔn)的接口向消費(fèi)者提供服務(wù)信息,比如車載服務(wù)軟件一般會使用SOME/IP協(xié)議作為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

自主和模塊化

服務(wù)封裝了那些在業(yè)務(wù)上穩(wěn)定、重復(fù)出現(xiàn)的活動和構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)服務(wù)的功能實(shí)體是完全獨(dú)立自主的,獨(dú)立進(jìn)行部署、版本控制、自我管理和恢復(fù)。

松耦合

服務(wù)請求者可見的是服務(wù)的接口,其位置、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、當(dāng)前狀態(tài)和私有數(shù)據(jù)等,對服務(wù)消費(fèi)者而言是不可見的。

互操作性、兼容和策略聲明

為了確保服務(wù)規(guī)約的全面和明確,策略成為一個越來越重要的方面。例如,一個服務(wù)對安全性方面的要求;也可以是與業(yè)務(wù)有關(guān)的語義方面的內(nèi)容,例如,需要滿足的費(fèi)用或者服務(wù)級別方面的要求,這些策略對于服務(wù)在交互時是非常重要的。


而服務(wù)的最小顆粒度則是上文提到的不可拆分的原子服務(wù)。那原子服務(wù)的顆粒度是不是越小越好呢?答案肯定不是的,如何定義合理的原子服務(wù),如何把握顆粒度的大小,在服務(wù)架構(gòu)設(shè)計中至關(guān)重要。舉個更形象的例子,原子服務(wù)就類似于電路設(shè)計中的電容和電阻,他們有著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),看似一樣卻又有著不同的封裝,在不同的ECU控制器中組合成不同的應(yīng)用電路,適當(dāng)調(diào)整又能實(shí)現(xiàn)非常多的新的功能。


2.?SOA架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)


有了理論基礎(chǔ),下一步就是看實(shí)現(xiàn)服務(wù)架構(gòu)的必要條件。很多同學(xué)其實(shí)會問,為什么服務(wù)總是和以太網(wǎng),DDS或SOME/IP綁定的呢?CAN網(wǎng)絡(luò)上是否可以實(shí)現(xiàn)完整的SOA架構(gòu)?


首先,以SOME/IP舉例,因?yàn)镾OME/IP的完整名稱其實(shí)能回答上面的大多數(shù)問題,SOME/IP = Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP。即“運(yùn)行于IP之上的可伸縮的面向服務(wù)的中間件”??梢?,并不是SOA必須和SOME/IP綁定,而是SOME/IP天生就是為了SOA架構(gòu)而生。SOME/IP的精華在于“Middleware中間件”,這是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序,分布式應(yīng)用軟件可借助Middleware在不同的技術(shù)之間共享資源。分布式應(yīng)用軟件,在這里指的就是“服務(wù)”;不同的技術(shù)之間,在這里指的就是不同的平臺或操作系統(tǒng),比如Linux系統(tǒng)或AUTOSAR OS OSEK等。而Scalable Middleware,顧名思義,則是“可伸縮中間件”,指的是該中間件能夠適配于不同的平臺及操作系統(tǒng),其支撐的平臺可大可小。



簡單來說,SOA是軟件架構(gòu)的一種設(shè)計理念;SOME/IP是一種將軟件接口進(jìn)行打包的打包方式,是一種中間件。而汽車行業(yè)通常所指的"以太網(wǎng)"是泛化之后的概念,涵蓋了基于以太網(wǎng)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的各種相關(guān)技術(shù)手段,包括TCP/IP協(xié)議、DoIP協(xié)議、SOME/IP協(xié)議等。當(dāng)然若通過其他非以太網(wǎng)的通信方式來實(shí)現(xiàn)SOA也是可行的,但通常大家不那么用。比如基于CAN總線的架構(gòu),由于其基礎(chǔ)的架構(gòu)和通信協(xié)議棧里不存在Middleware中間層的概念,所以要實(shí)現(xiàn)SOA的代價是非常巨大的。



3. SOA 應(yīng)用的優(yōu)勢


正如大家所知,早期的車內(nèi)嵌入式軟件沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件強(qiáng)耦合,不具可移植性;AUTOSAR Classic 的應(yīng)用,對嵌入式基礎(chǔ)軟件的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,讓應(yīng)用開發(fā)者基于統(tǒng)一的基礎(chǔ)軟件接口進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。目前采用SOA軟件服務(wù)架構(gòu)的應(yīng)用打通了車內(nèi)的電子電氣架構(gòu)的壁壘,進(jìn)一步對嵌入式應(yīng)用軟件的接口(即服務(wù)接口)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,讓APP開發(fā)者基于統(tǒng)一基礎(chǔ)服務(wù)接口進(jìn)行應(yīng)用的迭代開發(fā),隱藏了不同車型配置下應(yīng)用軟件的差異,真正做到了整車級軟件接口的"標(biāo)準(zhǔn)"和"開放"。



  • 平臺架構(gòu)升級更便于實(shí)現(xiàn),通過服務(wù)設(shè)計的方式,能夠有效降低架構(gòu)升級帶來的復(fù)雜度;同時,由于操作系統(tǒng)跨平臺的難度大幅度降低,能夠大幅提升用戶體驗(yàn),能夠?qū)崿F(xiàn)更為便捷的聯(lián)網(wǎng)功能,實(shí)現(xiàn)不同平臺間的各種APP共享等功能;


  • 通過“服務(wù)Hub”區(qū)域控制器的引入,各種新功能能夠靈活地與其他域功能,乃至互聯(lián)網(wǎng)接口集成,而無需各個控制器各自進(jìn)行信號到服務(wù)的轉(zhuǎn)換;


  • ?一些相對獨(dú)立的域開發(fā)能夠打破界限,找到新的上限,例如自動駕駛功能不再是電子電氣架構(gòu)“孤島”,通過區(qū)域控制器進(jìn)行服務(wù)互通,可以輕松實(shí)現(xiàn)高清地圖的創(chuàng)建、更新及路線預(yù)測等功能,便于實(shí)現(xiàn)車輛信息的上傳及云端指令的下達(dá);


4. SOA 的應(yīng)用實(shí)例


正如上文提到的,一旦自動駕駛域不再成為電子電氣孤島,那么他的傳感器、雷達(dá)、攝像頭都能成為整車功能體驗(yàn)提升的利器。同時,由于區(qū)域控制器ZONE具有服務(wù)轉(zhuǎn)換能力,ADAS計算中心也不需要拖著大量的傳感器,雷達(dá)或攝像頭一一連接,只需要簡單從服務(wù)中間層直接發(fā)起調(diào)度請求即可。下面是一個潛在的開發(fā)實(shí)例:



第一階段

也就是目前90%的E/E架構(gòu)中所使用的平行式分布,由于ZONE在初期無法實(shí)現(xiàn)LVDS和攝像頭視頻的處理能力,所以暫時不會動AD的“孤島”。但是其他的比如車身等相關(guān)的會通過區(qū)域控制器的服務(wù)轉(zhuǎn)換能力,將信號打包成業(yè)務(wù)服務(wù)。


當(dāng)然,ZONE區(qū)域控制器并不是簡單的hub,在拆分和打包服務(wù)的同時,也會同步進(jìn)行原子服務(wù)的開發(fā)和豐富,后續(xù)隨著整車的FOTA更新,我們的原子服務(wù)越來越完善,同步也會有更多豐富的業(yè)務(wù)服務(wù)在互聯(lián)互通的大環(huán)境下呈現(xiàn)給用戶。

第二階段

在這個階段,隨著區(qū)域下一代產(chǎn)品的發(fā)展,會在硬件上具備一些特殊接口的集成能力,例如上圖中原來AD的專屬武器如雷達(dá)或分布式攝像頭等可以直接連接到區(qū)域控制器,這一步看上去僅僅是硬件兼容的一小步,但卻是E/E架構(gòu)升級的一大步。因?yàn)檫@意味著,環(huán)境感知服務(wù)的使用權(quán)被平等地交付到了每個域手中。


如果說過去的車身域是電子域,一旦環(huán)境感知信號的引入,會讓車身域真正地進(jìn)化出“眼睛”,燈光、雨刮、天窗、門鎖、防盜不再是冷冰冰的電子功能,他們會成為整車人工智能的新入口,從電子域進(jìn)化為智能域。一些過去只存在想象中的功能,例如視覺識別天氣自動調(diào)整雨刮、根據(jù)周圍行人和車輛自動調(diào)整燈光方向、單人使用車輛的時候僅解鎖離車主最近的一扇門,這些功能都不再是幻想。

第三階段

也是BOSCH體系定義的電子電氣架構(gòu)最終階段,區(qū)域控制器會“返璞歸真”,將所有特殊接口的能力打包成真正統(tǒng)一的虛擬服務(wù)接口,而這其中的關(guān)鍵條件則在于區(qū)域控制器是否具備了完整的原子服務(wù),例如,一旦區(qū)域能夠提供“視頻解析”的原子服務(wù),那么我們無需在區(qū)域上接入LVDS信號,直接通過千兆以太網(wǎng)將視頻服務(wù)“原封不動”地傳遞到區(qū)域上,然后在區(qū)域控制器里會有對應(yīng)的“解碼器”,將這些信號解析、解碼、重構(gòu)、并打包成服務(wù),以極低的延時和極高的保真率提供給不同的處理單元和控制模塊。


而這個階段一旦實(shí)現(xiàn),接口的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化會上升到新的高度,整車電子電氣架構(gòu)的成本也可以大幅度下降,主干網(wǎng)通過以太網(wǎng)傳遞服務(wù),支路通過CAN/LIN等傳統(tǒng)總線收集原子服務(wù)需要的信號流,所有的系統(tǒng)、軟件、硬件有條不紊地在自己的服務(wù)領(lǐng)域中開發(fā)。未來,一輛既便宜、又智能的“溫馨智能移動起居室”指日可待。



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