車載DDS協議測試的研究與分析

李志濤，耿偉峰

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000）

隨著汽車技術的發展，車輛向智能化、電動化、網聯化、共享化和自動化發展，汽車將面臨大量功能的增加與科技化的挑戰，如龐大的計算能力、高效的通信帶寬、靈活的兼容性、強大的擴展升級能力及安全特性等。面對日益增長的需求與挑戰，采用車載以太網為骨干網的電器架構與SOA開發理念，來滿足車輛高帶寬、低延遲通信特性與敏捷開發要求。尤其在自動駕駛領域，基于車載以太網應用DDS協議，傳輸多種異構傳感器（視覺、雷達、GPS、導航、控制等）采集的信息，實現高速和數據頻繁地交換，滿足面向高速、實時傳輸特性的場景。

1 DDS概述

DDS全稱Data Distribution Service（數據分發服務），是一個中間件協議，該協議以數據為中心，采用發布/訂閱方式，并匹配豐富的服務品質策略，進行數據實時高效的分發，滿足各種分布式實時通信應用需求。DDS在航空、工業、醫療、交通、能源、國防領域都有廣泛的應用，目前在汽車行業中也得到了應用，國外主機廠，如豐田、通用、大眾、奧迪、奔馳，國內相關新勢力主機廠等已實現車載DDS協議應用車型量產，諸多傳統主機廠也陸續開展了DDS的規劃與研發。

DDS位于操作系統和應用程序之間，支持多種編程語言以及多種底層協議，AUTOSAR組織于2018年將DDS正式采納到Adaptive Platform（AP）標準中，作為通信中間件之一，如圖1所示。

圖1 Adaptive Platform

通過AP AUTOSAR架構，使軟件功能之間的通信不再以循環突發的形式進行，實現應用程序之間松散耦合并通過DDS作為中間件進行面向服務的通信，底層使用車載以太網進行通信。DDS引入“全局數據空間”概念，滿足多種用戶需求，系統解耦合。其通信方式是完全端到端的，不需要代理，每一個節點包括數據發現機制，基于主題實現信息傳遞，通過發布/訂閱方式使應用加入數據總線，發布或者訂閱信息。

2 DDS協議解析

DDS通信協議規范，由技術標準聯盟組織——對象管理組（OMG）發布和維護，OMG工作組針對各種技術和行業制定技術標準，OMG制定的DDS技術規范包括一系列標準，其中核心標準包括4部分。第1部分：DDS標準主體[以數據為中心的發布訂閱DCPS（Data-CentricPublish-Subscribe）模型]；第2部分：DDSI-RTPS[DDS實時發布訂閱RTPS（Realtime Publish-Subscribe）協 議]；第3部 分：DDS-XTypes（DDS類型和數據序列化方法）；第4部分：DDS-Security（DDS安全模型）。DDS核心標準在OSI模型架構中的分布見圖2。

圖2 DDS核心標準在OSI模型架構中的分布

DDS作為中間件協議，為上層的車載應用程序提供平臺化的運行環境，屏蔽底層通信之間的接口差異，實現互操作，滿足實時通信需求，其核心標準中的DCPS模型與RTPS協議為核心中的基礎。

2.1 DCPS模型

DCPS全稱為Data-Centric Publish-Subscribe（以數據為中心的發布訂閱模型），DCPS層中主要包含域、參與者、發布者、訂閱者、數據寫入者、數據讀取者、主題、監聽器等通信實體。DDS基本結構是域（Domain），域表示一個通信平面，由域標識符唯一標識。網絡中的任意兩個實體通信都必須在同一個域內進行交互，而且只有在同一個域內的實體才可以通信。域內的參與者是服務的入口點，負責創建、刪除和管理實體（如發布者、訂閱者、主題等），主題（Topic）具有確定的數據類型，是實體相互通信時傳輸的信息。

DDS應用之間的通信，需先獲取參與者，然后通過參與者獲取其他服務，如發布者（publisher）、訂閱者（subscriber）、主題（topic）等。發布者作為發布方，至少包含一個DataWriter；訂閱者作為訂閱方，至少與一個DataReader關聯。主題是DataWriter和DataReader相互通信時約定的數據信息，每個DataWriter/DataReader必須與一個主題綁定。DDS通信時，數據發布者通過DataWriter把數據發送至綁定的主題，數據訂閱者通過DataReader從綁定的主題中獲取期望的數據信息，數據發布訂閱的同時匹配相應的QoS，從而實現數據信息的預期交互。DDS通信模型示意如圖3所示。

圖3 DDS通信模型

DCPS為通信節點之間創建了一個虛擬共享的全局數據空間。在全局數據空間中，分布式節點在網絡上以發布或訂閱的方式傳輸數據，節點之間通信方式可以靈活地實現一對一、一對多、多對多，并在QoS策略的控制下建立連接、數據交互等。

2.2 RTPS協議

DDSI-RTPS全稱Real-time Publish Subscribe Protocol DDS Interoperability Wire Protocol（實時發布訂閱協議DDS互操作網絡協議規范），是DDS實施互操作性（標準化）協議。其中，RTPS建立在傳輸層之上，包含平臺獨立模型PIM（Platform Independent Model）和平臺特定模型PSM（Platform-Specific Model）。

PIM包含4個模塊：結構、消息、行為和發現。①結構（Structure）模塊定義通信的實體如何表示；②消息（Messages）模 塊 定 義了通信實體之間的消息；③行為（Behavior）模塊定義實體之間的消息的交互及如何進行交互；④發 現（Discovery）模塊定義了端點間的自動發現和配置實體。PIM模型如圖4所示。

圖4 PIM模型

PSM負責提供PIM與UDP（若采用以太網）之間的映射，主要包括各種消息格式等。RTPS采用UDP/IP協議進行數據的封裝傳輸，有效結合了二者的特性優勢，使RTPS具有良好的性能和服務品質，以及相應的容錯和快速連接能力，其模塊化與可配置的屬性，使可擴展性和可伸縮性進一步提升，為車輛中的實時應用功能通信場景提供了best-effort和reliable的發布-訂閱通信，同時使得車輛網絡的兼容性和互操作性也更加靈活。

2.3 QoS服務品質

QoS全稱為Quality of Service（服務品質），是網絡通信的一種安全機制，用來解決通信過程中的網絡延遲和阻塞等問題，提供良好可靠的通信能力。DDS協議支持豐富的服務品質策略，對保證實時通信至關重要。其依據應用場景需求，選擇相應的QoS應用在數據發送方或數據訂閱方，而針對數據發送方或訂閱方，可單獨使用一種QoS，也可以組合使用多種QoS，來滿足通信要求。

DDS定義了靈活的QoS規則，包括數據可用性控制、數據的交付方式控制、數據的時效性控制、定義和分發用戶信息、網絡和數據資源的控制等。用戶可以通過設置QoS策略來控制數據在應用程序之間共享的方式，以滿足不同場景下應用程序對功能和性能的需求，能更好適用于車輛功能和性能需求場景的多樣性。DDS支持的服務品質策略見表1。

表1 QoS列表

DDS在進行數據信息傳輸時，可靈活匹配相應的服務品質策略，若數據信息不能確保到達預期的目的地，那么將在數據傳輸時實現可靠性策略。若當網絡系統發生變化時，DDS將動態地計算出發送數據的目的地及發送的數據，并預先通知參與者。如果總數據量很大，DDS會將發送的數據進行過濾，并只發送訂閱方需要的數據信息。同時，對于安全性至關重要的應用程序，DDS會控制訪問，強制數據流路徑并實時加密數據。總之，DDS豐富的QoS策略為車輛功能需求場景的實現提供了無限的空間。

3 DDS協議測試

車載以太網是一種交換網絡，與傳統的汽車CAN/LIN總線相比，采用交換機形式的局域網絡架構，可分為星型網絡拓撲、菊花鏈型網絡拓撲和樹形網絡拓撲3種網絡拓撲結構，因此在網絡設計方面具有很大的靈活性，同時對車載以太網測試也提出了更高的要求，目前車載以太網測試主要包括驗證車載以太網的物理性能、交換機性能、TCP/IP協議一致性、應用層通信協議一致性以及以太網通信功能等。DDS協議對于汽車行業來說，是一種新型中間件協議的應用，因此進行專業、全面的測試至關重要。

3.1 測試范圍

在汽車電子電氣領域，典型的V模型在OEM電子電器產品開發中廣泛應用。車載以太網的開發依據此V模型，左側為需求的開發設計工作，右側對應各階段的測試工作。

對于DDS協議測試，OEM在系統或整車集成階段，應側重于系統集成的正確性、性能指標及穩定性等方面的測試。目前行業內尚未發布相應的DDS協議測試標準，OEM主要結合DDS協議需求規范、通信模型、傳輸機制，并圍繞DDS在車載應用中的場景、關注點等制定相應的測試內容。因此，DDS主要測試內容可分為協議一致性測試、系統通信正確性測試、協議應用測試等。DDS測試內容概述列表見表2。

表2 DDS協議測試內容

協議一致性測試對RTPS協議進行測試，重點對DDS通信實體之間傳遞的消息、交互行為及機制策略的驗證，驗證DDS產品的互通性；系統通信正確性測試對DDS系統時序與通信矩陣要求的一致性，故障處理策略、協議配置、通信邏輯性能的測試，驗證系統層級通信的正確性與穩定性；協議應用測試主要圍繞DDS在不同的應用場景中所對應的功能或性能配置測試，此階段與所實現的相應車輛電器功能，用戶應用場景密切耦合，驗證協議應用的有效性、穩定性。

綜上，系統通信正確性測試與協議應用測試，是OEM的核心關注點之一，不僅要依據需求規范的要求，同樣要源自對網絡特性、對車輛使用場景的理解、與整車功能特性耦合度等方面考慮，開展充分有效的協議測試工作。另外，針對DDS-Security測試，可統籌歸納至車輛信息安全測試范疇，此處不再贅述。

3.2 測試環境

參照傳統總線測試流程，車載DDS協議測試首先依據協議開發需求和測試經驗，完成測試規范的開發。然后，結合需求規范、通信矩陣及功能需求等開發仿真模型，同時參照測試規范進行自動化測試用例設計，測試工程的開發、集成調試，實現自動化/半自動化測試。

針對DDS測試開發執行工具，可采用Vector工具鏈，如：CANoe、vTeststudio、VT等，同時匹配第三方編程語言實現DDS測試環境的搭建、測試工程設計、測試執行，滿足ECU級、系統集成級測試。測試環境架構示意如圖5所示。

圖5 測試環境示意圖

在整車電子電器開發中，由于各種因素影響，部分被測ECU難以在計劃時間內提交至OEM。結合ECU產品到達情況，開展增量式集成，未開發完成的ECU進行虛擬仿真，虛擬ECU匹配真實ECU，實現分布式測試環境搭建，以持續集成持續測試方式，滿足測試需求。

同時，為了保證被測ECU正常運行，需觸發ECU的某些行為，達到測試開展條件。可借助Vector提供的IO激勵和測量板卡、總線接口卡，仿真相關ECU的外圍IO信號或者總線信號，在半實物半虛擬測試環境中，虛擬ECU節點需要仿真DDS Writer或者Reader，來發布或訂閱ECU的DDS數據，以此來驗證真實被測ECU節點的變量范圍、非法值的錯誤處理機制等。CI/CT測試方式可貫穿于整個研發過程中，滿足了產品迭代開發的測試環境。

4 結束語

DDS協議作為通信中間件協議，在車輛電子電器通信系統中起著不可或缺的支撐作用，其向下支持多種傳輸層的通信協議，向上為應用層提供簡單、高效的發布/訂閱接口。建立全局數據空間，根據主題進行點對點數據傳送，有效地減少了不必要的網絡流量，通過提供應用級QoS，使用戶對發布／訂閱行為可控、可見，增加系統的靈活性、可靠性與可擴展性，滿足車輛功能場景需求。目前在汽車行業，DDS協議的相關標準與規范并不完善，因此對于DDS協議的車載應用、測試驗證，存在許多值得后續深入研究的問題。