基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法

技术领域

本发明属于车载通信技术领域，尤其是涉及一种基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法。

背景技术

随着汽车电动化、网联化、智能化和共享化的发展趋势，汽车在实现智能网联、自动驾驶、数据驱动的同时，越来越注重汽车服务和用户的个性化需求，车载电子器件和系统功能复杂性的提升也给汽车电子电气架构带来了巨大挑战。在面向服务的架构(Service-Oriented Architecture，SOA)中，所有功能都被定义成了独立的服务，应用间通过调用服务实现信息交互，使得上层应用专注其特定目的实现而不必关注底层硬件和网络实现。SOA架构通过服务平台结构化，服务通信标准化，能够解决传统架构中个别功能变更导致上下游模块都要跟随变更的问题，且松耦合、高内聚、可复用的特点，使得系统更加易于集成扩展。

与其他网络相比，汽车面向服务的通信有其特殊之处。车载系统非常复杂，软件系统可能分布在中央计算平台、域控制器、不同ECU以及同一个ECU的不同模块中，且使用不同的软件架构和操作系统，给应用之间数据交互带来很大困难。基于IP的可扩展面向服务的中间件(Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP，SOME/IP)是主要针对车内通信场景的一种面向服务通信的应用层协议，由宝马于2011年设计，2014年纳入AUTOSAR规范。SOME/IP可以适配不同规模的设备和多种操作系统，实现不同设备与应用的互操作。

不同车载应用的数据特点和通信质量要求不同，如安全相关的控制数据实时性要求高且不允许丢包，而影音娱乐系统的延迟要求就较低且允许丢包。为满足车载网络中不同类型数据的通信需求，链路层可采用时间敏感网络(Time Sensitive Networking，TSN)。TSN是由802.1工作组制定的一组协议族，包括时钟同步、流量调度、带宽预留、高可靠性等相关协议。特别是TSN中IEEE 802.1Qbv定义的门控机制可以用于车载网络中关键控制数据传输，IEEE 802.1Qav定义的基于信用整形机制可以用于音视频数据传输，以及严格优先级整形用于传输非实时数据，可以实现各类型流量的共网高效传输。

SOME/IP可通过服务实现应用程序的数据交互，但现有技术中基于SOME/IP的通信无法满足不同服务对网络通信质量的不同要求。而TSN处于底层通信，应用程序产生的数据包如果通过TSN传输，需要适配转发与调度策略且配置时间敏感网络参数。所以研究车载网络中多源异构应用层业务互联互通以及与底层通信网络的适配技术是必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法，以解决现有技术中基于SOME/IP的通信无法满足不同服务对网络通信质量不同要求的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法，包括以下步骤：

S1、启动车载系统，初始化网络；

S2、SOME/IP模块监听来自应用程序的消息，进行基于SOME/IP协议的封装，根据其通信目标选择系统内部通信或网络通信；

S3、系统内部通信的报文直接通过SOME/IP模块发送给目标应用；

S4、网络通信报文首先判断SOME/IP报文类型，当新增服务订阅或服务订阅停止时，SOME/IP模块通知网络管理模块并更新网络配置；

S5、SOME/IP模块封装后的网络通信报文进行基于传输层与网络层的协议封装，之后获取传输优先级，创建对应的VLAN标签，进行基于TSN协议的封装；

S6、传输端口根据gPTP同步时钟与网络配置参数，按优先级通道发送报文。

进一步的，在步骤S1中的初始化网络包括以下步骤：

S11、TSN集中式网络控制器进行拓扑发现，完成各网络节点参数导入，各TSN设备内网络参数配置为默认值；

S12、SOME/IP模块进入服务发现阶段，包括各客户端发送请求可用服务的报文，各服务端发送告知所提供服务的报文，基于服务匹配客户端与服务端。

进一步的，在步骤S4中的SOME/IP报文类型包括：SOME/IP报文与SOME/IP-SD报文。

SOME/IP报文类型包括：期待响应的请求、不期待响应的请求、事件通知、响应消息、报错消息。

SOME/IP-SD报文类型包括：上述服务发现阶段的请求服务与提供服务报文、服务端停止提供服务报文、客户端订阅服务报文、客户端取消订阅服务报文、服务端对订阅服务的应答报文(接受ACK或不接受NACK)。

进一步的，在步骤S4中的新增服务订阅具体为SOME/IP模块发送报文为服务端对订阅服务的接受(ACK)应答，在步骤S4中的服务订阅停止具体为SOME/IP模块发送报文为客户端取消订阅服务报文或服务端停止提供服务报文。

进一步的，在步骤S4中的网络管理模块重新进行配置管理包括以下步骤：

S41、当报文类型为服务端对订阅服务的接受(ACK)应答时，网络管理模块从SOME/IP模块获取该服务发布数据信息，发送增加流量通知(携带该服务发布数据信息)给集中式网络控制器。

S42、当报文类型为客户端取消订阅服务报文或服务端停止提供服务报文时，网络管理模块发送取消流量通知给集中式网络控制器。

S43、集中式网络控制器接收到各终端节点网络管理模块的增加或取消流量通知后，调整用户传输需求，重新进行网络资源计算与分配，生成配置参数下发到各网络交换设备与终端节点的网络管理模块。

进一步的，在步骤S41中的服务发布数据信息包括：优先级、是否为周期数据、数据大小、周期、最大延迟和抖动要求、是否允许丢失。

进一步的，在步骤S43中的网络资源计算与分配包括各流量传输路径上的预留带宽分配以及各网络节点端口内的门控队列发送时间调度表计算。

进一步的，在步骤S41、S42、S43中的网络管理模块与集中式网络控制器的交互通过UNI(User/network configuration information)接口通信。

进一步的，在步骤S5中的传输优先级具体为：优先级范围为0-7，可以预先在整个车载系统中根据流量特点和传输要求定义流量类型与优先级的对应关系。

优先级与传输端口队列选择与转发策略相关联，转发策略包括IEEE802.1Qbv定义的门控调度机制、IEEE 802.1Qav定义的基于信用整形以及严格优先级整形。

进一步的，在步骤S6中的gPTP同步时钟按IEEE 802.1AS协议进行TSN网络内的时钟同步。

进一步的，基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法，网络交换设备接收到报文后，依据集中式网络控制器下发的配置参数，按报文的VLAN标签信息进行实时转发。

进一步的，基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法，目标终端节点接收到网络通信报文后，依次进行TSN协议、网络层与传输层协议解析，经由SOME/IP模块发送给目标应用。

相对于现有技术，本发明所述的基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法具有以下优势：

本发明所述的基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法，可以适配SOME/IP协议与TSN协议，在车载网络中实现不同类型设备和数据基于服务的通信，对服务数据网络传输过程进行控制和管理，满足不同服务数据对网络通信质量的需求，实现应用间的高质量通信。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的终端节点内各模块关系示意图；

图2为本发明实施例所述的终端节点应用通信流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图2所示，基于SOME/IP协议的车载时间敏感网络通信方法，车载网络系统至少包括交换设备、集中式网络控制器和终端节点。

交换设备主要对TSN报文进行实时转发。

集中式网络控制器与所有交换设备和终端节点连通，获取网络和用户信息，进行网络资源计算与分配，生成配置参数，下发到各交换设备与终端节点中。

如图1所示，终端节点包括应用程序、SOME/IP模块、网络管理模块、传输层与网络层协议栈、TSN协议栈、gPTP时钟同步模块以及传输端口。

SOME/IP模块监听来自应用程序的消息，进行基于SOME/IP协议的封装，根据其通信目标进行系统内部通信或网络通信，并在网络通信服务中新增服务订阅或服务订阅停止时通知网络管理模块

网络管理模块收到新增服务订阅或服务订阅停止通知时，若报文类型为服务端对订阅服务的接受(ACK)应答，从SOME/IP模块获取该服务发布数据信息，发送增加流量通知(携带该服务发布数据信息)给集中式网络控制器；若报文类型为客户端取消订阅服务报文或服务端停止提供服务报文，发送取消流量通知给集中式网络控制器。接收到集中式网络控制器下发的配置参数后更新网络配置。

传输层与网络层协议栈进行传输层和网络层协议封装与解析。

TSN协议栈进行TSN协议封装与解析。

gPTP时钟同步模块按IEEE 802.1AS协议进行TSN网络内的时钟同步。

传输端口按优先级通道进行报文的发送和接收。

如图2所示，车载系统启动，TSN集中式网络控制器进行拓扑发现，完成各网络节点参数导入，各TSN设备内网络参数配置为默认值。SOME/IP模块进入服务发现阶段，包括各客户端发送请求可用服务的报文，各服务端发送告知所提供服务的报文，基于服务匹配客户端与服务端。

当应用程序根据需求订阅服务时，客户端发送订阅请求，服务端进行ACK或NACK的应答，订阅成功后服务端向客户端按照服务发布方式发送服务数据。服务发布方式有循环发送、更新后发送与大于特定的值发送三种。当客户端不再需要某订阅服务时，向服务端发送取消订阅服务报文。当服务端提供的服务因为意外关闭时，向客户端发送停止提供服务报文。

终端节点内SOME/IP模块监听来自应用程序的消息，进行基于SOME/IP协议的封装，根据其通信目标选择系统内部通信或网络通信。系统内部通信的报文直接通过SOME/IP模块发送给目标应用。网络通信的报文首先判断SOME/IP报文类型，当新增服务订阅或服务订阅停止时，SOME/IP模块通知网络管理模块并更新网络配置。SOME/IP模块封装后的网络通信报文进行基于传输层与网络层的协议封装，之后获取传输优先级，创建对应的VLAN标签，进行基于TSN协议的封装。传输端口根据gPTP同步时钟与网络配置参数，按优先级通道发送报文。

网络交换设备接收到报文后，依据集中式网络控制器下发的配置参数，按报文的VLAN标签信息进行实时转发。

目标终端节点接收到网络通信报文后，依次进行TSN协议、网络层与传输层协议解析，经由SOME/IP模块发送给目标应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。