联合电子车载DDS轻量化及算力共享研究

随着智能网联汽车的迅猛发展，车内通信系统正面临前所未有的挑战。海量传感器、执行器和计算单元之间需要进行实时、可靠、安全的数据交互，特别是在车载以太网逐渐成为主流的背景下，没有通信中间件的管理已难以满足这些需求。

目前，SOME/IP作为AUTOSAR定义的车载以太网通信中间件已被广泛采用，但其在实时性、可靠性等方面仍存在局限。而来自分布式计算领域的DDS（Data Distribution Service，数据分发服务）协议凭借其强大的功能和优势，已经在汽车自动驾驶通信中占有一席之地，并有望在更多车载网络领域取代SOME/IP。

DDS是一种以数据为中心的发布/订阅式通信协议，由对象管理组织（Object Management Group，OMG）在2003年制定。它专为实时性、高可靠性、可扩展性、安全性而设计，能够在复杂网络环境中高效地传输海量数据。DDS在车载以太网通信领域具有多项突出优势：

丰富的QoS(Quality of Service，服务质量)机制：DDS规范提供多达数十种QoS策略，包括可靠性、实时性、持久性、安全性等，用户可根据应用需求灵活配置，实现最佳通信效果。

零拷贝通信：DDS支持共享内存作为本地通信介质，实现零拷贝数据传输，显著降低CPU负载，提高通信效率，尤其适用于高带宽、低延迟的车载以太网环境。

原生安全机制：DDS内置安全插件，提供身份验证、访问控制、数据加密等功能，保障数据传输的机密性、完整性和可用性，满足智能汽车对信息安全的高要求。

开放标准：DDS是一个内容开放且持续更新的国际标准，得到了广泛的行业支持，有利于促进不同厂商之间的互操作性，推动智能汽车生态系统的建设。

特性	DDS	SOME/IP
数据模型	以数据为中心，发布/订阅模式	以服务为中心，RPC (Remote Procedure Call)和事件通知
QoS 控制	丰富灵活的 QoS 控制，支持实时性、可靠性、安全性等	仅提供可靠性，实时性等QoS需要应用逻辑实现
传输协议	支持TCP/UDP，共享内存等多种底层协议，灵活性强	依赖TCP/UDP特性，很难在其他底层协议部署
安全性	协议自身支持数据加密、访问控制等安全机制	基于TLS(Transport Layer Security，传输层安全协议)
调试环境	开发工具支持可视化界面进行仿真、调试、记录、QOS配置	抓包调试，需要分析者熟悉SOME/IP协议

图 DDS和SOME/IP协议对比

联合电子作为领先的汽车电子解决方案提供商，深刻理解智能网联汽车对通信系统的苛刻要求。我们基于DDS协议，结合自身在软件开发、系统集成等方面的丰富经验，推出全方位的车载DDS通信解决方案。该方案涵盖硬件适配、软件优化和应用场景构建等多个层面，旨在帮助汽车制造商构建高性能、高可靠性、高安全性的车载以太网通信网络，加速智能网联汽车的研发和落地。

轻量化：协议栈瘦身带来更多可能

DDS协议虽然功能强大，但其完整的实现需要消耗较多的系统资源，尤其在资源受限的MCU端，传统的DDS协议栈难以部署。为了解决这一问题，联合电子车载DDS通信解决方案采用了轻量化DDS协议栈，通过对DDS的QoS进行裁剪，保留必要的QoS，从而显著降低协议栈的资源消耗，使其能够在MCU等资源受限的设备上高效运行。

此外，我们还创新性地将DDS与TSN（Time-Sensitive Networking，时间敏感网络）技术融合，进一步提升通信效率和可靠性。更进一步，我们充分利用DDS的分层架构，在资源受限的环境中直接使用较为底层的接口进行通信，实现极致轻量化。

QoS优化：平衡功能与资源

DDS协议提供了丰富的QoS策略，但并非所有场景都需要用到全部QoS。在车载通信系统中，不同应用对QoS的需求存在差异。例如，自动驾驶系统可能更关注实时性和可靠性，而车身控制系统则对资源消耗更为敏感。通过对DDS的QoS进行裁剪，可以根据具体应用场景的需求，保留必要的QoS，去除冗余功能，从而实现协议栈的轻量化。

联合电子车载DDS通信解决方案在QoS裁剪方面进行了深入研究和优化，提供多种预定义的QoS配置方案，涵盖不同应用场景的需求。用户也可以根据实际需求，自定义QoS配置，实现功能和资源的最佳平衡。

DDS与TSN融合：提升可靠性与效率

TSN作为一种新兴的车载以太网技术，通过时间同步、流量调度、拥塞控制等机制，为实时通信提供了可靠保障。联合电子车载DDS通信解决方案创新性地将DDS与TSN技术融合，如：利用TSN 802.1CB帧复制和帧消除机制替换DDS原生的确认重传机制，实现可靠数据传输，从而减少CPU负载，提升通信效率。

直接调用底层接口：极致轻量化

DDS协议采用分层架构，分为DCPS（以数据为中心的发布-订阅）层和RTPS（实时发布-订阅协议）层。对于资源极其受限的MCU等设备，联合电子轻量化DDS通信解决方案支持直接采用RTPS层进行通信，省略DCPS层的部分功能，而必要的QOS功能可以通过RTPS层以及TSN协议功能替代。这种方式可以在保证基本通信功能的前提下，最大限度地降低协议栈的资源消耗。

DDS协议栈轻量化给DDS

在ECU上的部署带来显著优势：

降低资源消耗：通过QoS裁剪、TSN融合和直接采用RTPS层，轻量化DDS协议栈显著降低了内存占用和CPU负载，提升了时延性能，使其能够在MCU等资源受限的设备上高效运行。

提升性能：轻量化协议栈减少了不必要的数据处理和传输，TSN的加持则进一步提升了通信效率和实时性。

灵活配置：用户可以根据具体应用场景的需求，灵活选择和配置QoS，实现功能和资源的最佳平衡。

兼容性：轻量化DDS协议栈仍然兼容标准DDS协议，保证了与其他DDS设备的互操作性。

下图为联合电子轻量化DDS协议栈（LW-DDS）和开源DDS协议栈Cyclone DDS的性能对比。

图 MCU平台CPU负载对比（2ms发送间隔）

图 MCU平台轻量化DDS时延性能对比

算力共享：智能汽车的未来趋势

随着智能驾驶、车载娱乐等功能的日益复杂，对车载计算能力的需求呈指数级增长。然而，受限于成本、功耗等因素，简单地堆砌硬件并非长久之计。算力共享作为一种创新的解决方案，通过在不同ECU（电子控制单元）之间动态分配和共享计算资源，实现资源利用率的最大化，最大化“压榨”车载控制器的计算能力。

图 汽车不同处理器的算力

DDS如何实现算力共享

DDS以其数据为中心、发布/订阅的通信模式，为算力共享提供了天然的支撑。

算力需求发布：需要额外算力的ECU可以发布算力需求信息，包括所需的计算类型、数据量、实时性要求等。

算力资源发布：拥有空闲算力的ECU可以发布算力资源信息，包括可提供的计算类型、性能指标等。

任务接受决策：拥有空闲算力的ECU在收到请求后决策是否接受任务，并第一时间反馈任务状态。

数据传输与结果返回：任务相关的数据通过DDS高效、可靠地传输到执行ECU，计算结果再通过DDS返回给需求方。

DDS在算力共享中的优势

实时性：DDS的实时通信能力保证了算力需求和资源信息的及时传递，以及任务调度和数据传输的低延迟。

可靠性：DDS的可靠传输机制确保了任务数据和计算结果的完整性和正确性，避免因数据丢失或错误导致的计算错误。

可扩展性：DDS的分布式架构使其能够灵活地适应车内网络的变化，支持新增ECU的接入和算力资源的动态调整。

应用场景

自动驾驶：在复杂的驾驶场景中，自动驾驶系统需要处理海量传感器数据，进行实时感知、决策和控制。通过算力共享，可以将部分计算任务分配给其他ECU，减轻主控ECU的负担，提高系统的响应速度和稳定性。

车载娱乐：车载娱乐系统对图形处理、音视频解码等计算能力的需求越来越高。通过算力共享，可以充分利用车内其他ECU的空闲资源，提升娱乐系统的性能和用户体验。

OTA升级：在进行OTA（空中下载）升级时，需要对大量数据进行校验和更新，对计算能力的需求较高。通过算力共享，可以加快升级过程，减少车辆停机时间。