车载DDS协议测试的研究与分析

李志涛，耿伟峰

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000）

随着汽车技术的发展，车辆向智能化、电动化、网联化、共享化和自动化发展，汽车将面临大量功能的增加与科技化的挑战，如庞大的计算能力、高效的通信带宽、灵活的兼容性、强大的扩展升级能力及安全特性等。面对日益增长的需求与挑战，采用车载以太网为骨干网的电器架构与SOA开发理念，来满足车辆高带宽、低延迟通信特性与敏捷开发要求。尤其在自动驾驶领域，基于车载以太网应用DDS协议，传输多种异构传感器（视觉、雷达、GPS、导航、控制等）采集的信息，实现高速和数据频繁地交换，满足面向高速、实时传输特性的场景。

1 DDS概述

DDS全称Data Distribution Service（数据分发服务），是一个中间件协议，该协议以数据为中心，采用发布/订阅方式，并匹配丰富的服务品质策略，进行数据实时高效的分发，满足各种分布式实时通信应用需求。DDS在航空、工业、医疗、交通、能源、国防领域都有广泛的应用，目前在汽车行业中也得到了应用，国外主机厂，如丰田、通用、大众、奥迪、奔驰，国内相关新势力主机厂等已实现车载DDS协议应用车型量产，诸多传统主机厂也陆续开展了DDS的规划与研发。

DDS位于操作系统和应用程序之间，支持多种编程语言以及多种底层协议，AUTOSAR组织于2018年将DDS正式采纳到Adaptive Platform（AP）标准中，作为通信中间件之一，如图1所示。

图1 Adaptive Platform

通过AP AUTOSAR架构，使软件功能之间的通信不再以循环突发的形式进行，实现应用程序之间松散耦合并通过DDS作为中间件进行面向服务的通信，底层使用车载以太网进行通信。DDS引入“全局数据空间”概念，满足多种用户需求，系统解耦合。其通信方式是完全端到端的，不需要代理，每一个节点包括数据发现机制，基于主题实现信息传递，通过发布/订阅方式使应用加入数据总线，发布或者订阅信息。

2 DDS协议解析

DDS通信协议规范，由技术标准联盟组织——对象管理组（OMG）发布和维护，OMG工作组针对各种技术和行业制定技术标准，OMG制定的DDS技术规范包括一系列标准，其中核心标准包括4部分。第1部分：DDS标准主体[以数据为中心的发布订阅DCPS（Data-CentricPublish-Subscribe）模型]；第2部分：DDSI-RTPS[DDS实时发布订阅RTPS（Realtime Publish-Subscribe）协 议]；第3部 分：DDS-XTypes（DDS类型和数据序列化方法）；第4部分：DDS-Security（DDS安全模型）。DDS核心标准在OSI模型架构中的分布见图2。

图2 DDS核心标准在OSI模型架构中的分布

DDS作为中间件协议，为上层的车载应用程序提供平台化的运行环境，屏蔽底层通信之间的接口差异，实现互操作，满足实时通信需求，其核心标准中的DCPS模型与RTPS协议为核心中的基础。

2.1 DCPS模型

DCPS全称为Data-Centric Publish-Subscribe（以数据为中心的发布订阅模型），DCPS层中主要包含域、参与者、发布者、订阅者、数据写入者、数据读取者、主题、监听器等通信实体。DDS基本结构是域（Domain），域表示一个通信平面，由域标识符唯一标识。网络中的任意两个实体通信都必须在同一个域内进行交互，而且只有在同一个域内的实体才可以通信。域内的参与者是服务的入口点，负责创建、删除和管理实体（如发布者、订阅者、主题等），主题（Topic）具有确定的数据类型，是实体相互通信时传输的信息。

DDS应用之间的通信，需先获取参与者，然后通过参与者获取其他服务，如发布者（publisher）、订阅者（subscriber）、主题（topic）等。发布者作为发布方，至少包含一个DataWriter；订阅者作为订阅方，至少与一个DataReader关联。主题是DataWriter和DataReader相互通信时约定的数据信息，每个DataWriter/DataReader必须与一个主题绑定。DDS通信时，数据发布者通过DataWriter把数据发送至绑定的主题，数据订阅者通过DataReader从绑定的主题中获取期望的数据信息，数据发布订阅的同时匹配相应的QoS，从而实现数据信息的预期交互。DDS通信模型示意如图3所示。

图3 DDS通信模型

DCPS为通信节点之间创建了一个虚拟共享的全局数据空间。在全局数据空间中，分布式节点在网络上以发布或订阅的方式传输数据，节点之间通信方式可以灵活地实现一对一、一对多、多对多，并在QoS策略的控制下建立连接、数据交互等。

2.2 RTPS协议

DDSI-RTPS全称Real-time Publish Subscribe Protocol DDS Interoperability Wire Protocol（实时发布订阅协议DDS互操作网络协议规范），是DDS实施互操作性（标准化）协议。其中，RTPS建立在传输层之上，包含平台独立模型PIM（Platform Independent Model）和平台特定模型PSM（Platform-Specific Model）。

PIM包含4个模块：结构、消息、行为和发现。①结构（Structure）模块定义通信的实体如何表示；②消息（Messages）模 块 定 义了通信实体之间的消息；③行为（Behavior）模块定义实体之间的消息的交互及如何进行交互；④发 现（Discovery）模块定义了端点间的自动发现和配置实体。PIM模型如图4所示。

图4 PIM模型

PSM负责提供PIM与UDP（若采用以太网）之间的映射，主要包括各种消息格式等。RTPS采用UDP/IP协议进行数据的封装传输，有效结合了二者的特性优势，使RTPS具有良好的性能和服务品质，以及相应的容错和快速连接能力，其模块化与可配置的属性，使可扩展性和可伸缩性进一步提升，为车辆中的实时应用功能通信场景提供了best-effort和reliable的发布-订阅通信，同时使得车辆网络的兼容性和互操作性也更加灵活。

2.3 QoS服务品质

QoS全称为Quality of Service（服务品质），是网络通信的一种安全机制，用来解决通信过程中的网络延迟和阻塞等问题，提供良好可靠的通信能力。DDS协议支持丰富的服务品质策略，对保证实时通信至关重要。其依据应用场景需求，选择相应的QoS应用在数据发送方或数据订阅方，而针对数据发送方或订阅方，可单独使用一种QoS，也可以组合使用多种QoS，来满足通信要求。

DDS定义了灵活的QoS规则，包括数据可用性控制、数据的交付方式控制、数据的时效性控制、定义和分发用户信息、网络和数据资源的控制等。用户可以通过设置QoS策略来控制数据在应用程序之间共享的方式，以满足不同场景下应用程序对功能和性能的需求，能更好适用于车辆功能和性能需求场景的多样性。DDS支持的服务品质策略见表1。

表1 QoS列表

DDS在进行数据信息传输时，可灵活匹配相应的服务品质策略，若数据信息不能确保到达预期的目的地，那么将在数据传输时实现可靠性策略。若当网络系统发生变化时，DDS将动态地计算出发送数据的目的地及发送的数据，并预先通知参与者。如果总数据量很大，DDS会将发送的数据进行过滤，并只发送订阅方需要的数据信息。同时，对于安全性至关重要的应用程序，DDS会控制访问，强制数据流路径并实时加密数据。总之，DDS丰富的QoS策略为车辆功能需求场景的实现提供了无限的空间。

3 DDS协议测试

车载以太网是一种交换网络，与传统的汽车CAN/LIN总线相比，采用交换机形式的局域网络架构，可分为星型网络拓扑、菊花链型网络拓扑和树形网络拓扑3种网络拓扑结构，因此在网络设计方面具有很大的灵活性，同时对车载以太网测试也提出了更高的要求，目前车载以太网测试主要包括验证车载以太网的物理性能、交换机性能、TCP/IP协议一致性、应用层通信协议一致性以及以太网通信功能等。DDS协议对于汽车行业来说，是一种新型中间件协议的应用，因此进行专业、全面的测试至关重要。

3.1 测试范围

在汽车电子电气领域，典型的V模型在OEM电子电器产品开发中广泛应用。车载以太网的开发依据此V模型，左侧为需求的开发设计工作，右侧对应各阶段的测试工作。

对于DDS协议测试，OEM在系统或整车集成阶段，应侧重于系统集成的正确性、性能指标及稳定性等方面的测试。目前行业内尚未发布相应的DDS协议测试标准，OEM主要结合DDS协议需求规范、通信模型、传输机制，并围绕DDS在车载应用中的场景、关注点等制定相应的测试内容。因此，DDS主要测试内容可分为协议一致性测试、系统通信正确性测试、协议应用测试等。DDS测试内容概述列表见表2。

表2 DDS协议测试内容

协议一致性测试对RTPS协议进行测试，重点对DDS通信实体之间传递的消息、交互行为及机制策略的验证，验证DDS产品的互通性；系统通信正确性测试对DDS系统时序与通信矩阵要求的一致性，故障处理策略、协议配置、通信逻辑性能的测试，验证系统层级通信的正确性与稳定性；协议应用测试主要围绕DDS在不同的应用场景中所对应的功能或性能配置测试，此阶段与所实现的相应车辆电器功能，用户应用场景密切耦合，验证协议应用的有效性、稳定性。

综上，系统通信正确性测试与协议应用测试，是OEM的核心关注点之一，不仅要依据需求规范的要求，同样要源自对网络特性、对车辆使用场景的理解、与整车功能特性耦合度等方面考虑，开展充分有效的协议测试工作。另外，针对DDS-Security测试，可统筹归纳至车辆信息安全测试范畴，此处不再赘述。

3.2 测试环境

参照传统总线测试流程，车载DDS协议测试首先依据协议开发需求和测试经验，完成测试规范的开发。然后，结合需求规范、通信矩阵及功能需求等开发仿真模型，同时参照测试规范进行自动化测试用例设计，测试工程的开发、集成调试，实现自动化/半自动化测试。

针对DDS测试开发执行工具，可采用Vector工具链，如：CANoe、vTeststudio、VT等，同时匹配第三方编程语言实现DDS测试环境的搭建、测试工程设计、测试执行，满足ECU级、系统集成级测试。测试环境架构示意如图5所示。

图5 测试环境示意图

在整车电子电器开发中，由于各种因素影响，部分被测ECU难以在计划时间内提交至OEM。结合ECU产品到达情况，开展增量式集成，未开发完成的ECU进行虚拟仿真，虚拟ECU匹配真实ECU，实现分布式测试环境搭建，以持续集成持续测试方式，满足测试需求。

同时，为了保证被测ECU正常运行，需触发ECU的某些行为，达到测试开展条件。可借助Vector提供的IO激励和测量板卡、总线接口卡，仿真相关ECU的外围IO信号或者总线信号，在半实物半虚拟测试环境中，虚拟ECU节点需要仿真DDS Writer或者Reader，来发布或订阅ECU的DDS数据，以此来验证真实被测ECU节点的变量范围、非法值的错误处理机制等。CI/CT测试方式可贯穿于整个研发过程中，满足了产品迭代开发的测试环境。

4 结束语

DDS协议作为通信中间件协议，在车辆电子电器通信系统中起着不可或缺的支撑作用，其向下支持多种传输层的通信协议，向上为应用层提供简单、高效的发布/订阅接口。建立全局数据空间，根据主题进行点对点数据传送，有效地减少了不必要的网络流量，通过提供应用级QoS，使用户对发布／订阅行为可控、可见，增加系统的灵活性、可靠性与可扩展性，满足车辆功能场景需求。目前在汽车行业，DDS协议的相关标准与规范并不完善，因此对于DDS协议的车载应用、测试验证，存在许多值得后续深入研究的问题。