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vsomeip源码分析

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作者 匆匆那年 19 分钟阅读

什么是SOME/IP？

Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP，是指基于 IP 的可扩展的面向服务的中间件。

SOME/IP 协议采用 C/S（Client/Server）的通信架构，，我们把请求服务的 ECU 看成是 Client，而提供服务的 ECU 就是 Server。根据服务接口类型，使用远程服务调用（Remote Procedure Call）机制，通过数据序列化和反序列化（Serialization/Deserialization）使得数据得以在网络中传输。通过可用服务发现 SD（Service Discovery）机制来实现服务的动态配置。

由上可见，SOME/IP 主要可以提供以下功能：

  1. 数据序列化和反序列化（Serialization/Deserialization）：服务通信数据与二进制数据流之间的双向转换；
  2. 可用服务发现 SD（Service Discovery）：管理服务状态，发现和提供服务，动态配置 SOME/IP 报文发送；
  3. 服务发布与订阅（Publish/Subscribe）：管理服务的发布与订阅关系；
  4. 远程服务调用（Remote Procedure Call）：实现控制器（Client）使用网络内其他控制器（Server）提供的服务。

SOME/IP-SD （服务发现协议）

什么是SOME/IP-SD？

SOME/IP-SD 协议是 SOME/IP 协议的一种，其中 SD 是服务发现 Service Discovery 的简称。基于服务的通信需要由 Server 和 Client 共同完成，因此在服务创建并且可用之后，Server 和 Client 需要通过 SOME/IP-SD 动态创建两者之间的连接。Client 可以远程调用Server 提供的服务，或者订阅 Server 发布的内容，但是在 Client 调用服务或者订阅内容之前，需要知道 Server 提供哪些服务，这个过程就是通过服务发现来实现的。

SOME/IP-SD 是服务的信息清单及管理机制，主要实现服务寻址及事件订阅两种功能。对服务进行寻址时，服务提供者（Server 端）通过服务发现（SD）通知其他 ECU（Client 端）有哪些服务可用，并间接地通知该服务的地址信息（Server 端 IP 地址、端口号、协议），服务消费者（Client 端）了解到某服务的状态后，能够调用该服务的相关内容。

SOME/IP-SD 的主要功能

SOME/IP-SD 有两个主要功能：一是应用程序之间传达自己的服务或获取对方的服务是否可用。二是向其他应用程序订阅服务，也就是 Client 端通过 SOME/IP-SD 对服务进行订阅，然后 Server 端用 SOME/IP 里的 Notification 类型消息发布订阅内容。

SOME/IP-SD 报文主要有以下几类：

  1. OfferService：Server 的服务 Ready 并满足发布条件后，主动发出 OfferService报文，告知组播内其他节点该服务已经启动，可以创建连接。
  2. FindService：当 Client 在网络中未收到相关的 OfferService 报文，或者暂时未收到，而 Client 又需要访问该服务，那么 Client 就可以发送 FindService 报文主动寻找服务，如果 Server 服务 Ready，会回复 OfferService 报文。
  3. StopOffserService：当 Server 发现服务不可用，不满足服务发布条件时，会主动发送 StopOffserService 报文，告知组播内其他节点，该服务已不可用，停止服务支持。
  4. Subscribe：事件组的交互采用 “订阅 - 发布” 机制，当 Client 收到OfferService 报文之后，通过发送 Subscribe 报文主动跟 Server 订阅相关事件组。
  5. SubscribeACK/SubscribeNACK：当 Server 收到 Client 的订阅报文之后，需要先行判断该 Client 是否符合可订阅的条件，如果该 Client 满足事件组订阅条件，则发送SubscribeACK，告知 Client 订阅成功。此后当事件组内的事件准备就绪之后，Server 会以约定好的形式发送相关事件给成功订阅的 Client。而如果该 Client 不符合事件组订阅条件，Server 会直接回复 SubscribeNACK，告知订阅不成功。
  6. StopSubscribe：当 Client 订阅某个事件组之后，发现后续并不再需要该事件组的数据了，可发送 StopSubscribe 报文向 Server 取消订阅相应事件。

SOME/IP 可用在 TCP/UDP 协议上，但是 SOME/IP-SD 只能用在 UDP 上，因为SOME/IP-SD 只是为了发现服务，并不需要 TCP 的可靠性连接等特性。

SOME/IP-SD 协议报文格式

SOME/IP-SD 协议的报文格式如下：

SOMEIP-SD-Header-Format

从上表可知，你会发现字段 Message ID、Protocol Version、Interface Version、Message Type、Return Code 的值都是固定的，SOME/IP-SD 的 Service ID 是 0xFFFF，Method ID 是 0x8100 。另外，SOME/IP-SD 的 Client ID 必须是 0x0000，因为每个设备上只有一个 SD Instance；Session ID 则是从 1 开始，逐次累加，直到翻转后再次从 1 开始（Session ID 不能设为 0）。单播和组播，每种通信关系单独维护一个 Session ID，每组 发送-接收 关系组也单独维护一个 Session ID。

Flags 的各个 Field 描述

其中这个 8-bit Flags 的各个位段格式如下：

 Bit 7 （Reboot Flag）Bit 6（Unicast Flag）Bit 5（Explicit initialdata control flag）Bits[4:0]
Value & Description0 -> Session ID wraps around0 -> No Support1（Shall always set to 1？？？）0
 1 -> Reboot1 -> Support  

Entry Type and Format

存在 2 种类型的 Entry：Service 和 Eventgroup，这两种 Entry 的长度都是 16byte。

两种类型 Entry 的格式如下：

  • Service SOMEIP-SD-Service-Entry-Type
  • Eventgroup SOMEIP-SD-Eventgroup-Entry-Type

上表中的 X 是一个 1-bit 的标志 Initial data Requested Flag，如果需要 Server 发送初始数据，就需要将其置 1 。

两种类型 Entry 各个位段的赋值如下：

 ServiceEventgroup
Type0x00：FindService0x06：（Stop）SubscribeEventgroup
 0x01：（Stop）OfferService0x07：SubscribeEventgroupAck（NACK）
Service IDXX*
Instance IDXX*
Major VersionXX*
TTLX**X**
Minor VersionX-
Counter-X
Eventgroup ID-X*
  • *：All “F” are forbiden.
  • **：TTL = 0 for Stop and NACK.
  • Different Major Version are not compatible
  • Different Minor Version are compatible
  • Counter：Different Subscriptions

Options （选项的分类及其格式）

存在以下选项（Option）：

  • Configuration Option （0x01）

    用来传送配置字符串（configuration strings）。

  • Load Balancing Option （0x02）

    配合 Offer Service Entry 使用，用来给同一个服务（Service） 的多个实例（Instances）分配优先级（Prioriy）和权重（Weight）。优先级的值越小，代表优先级越高；权重值越大，代表在机会越大。

  • IPv4/IPv6 Endpoint Option （0x04/0x06）

    由 SOME/IP-SD Instance 用来配合 Offer Service Entry 使用，指明服务提供者（Server）的本地 Unicast IPv4/IPv6 Address、本 Service 使用的传输协议和端口号。

  • IPv4/IPv6 Multicast Option （0x14/0x16）

    由 SOME/IP-SD Instance 用来配合 Subscribe Eventgroup Ack Entry 使用，指明本服务（Service）使用的 Multicast IPv4/IPv6 Address、传输协议（只能是 UDP）和端口号。

  • IPv4/IPv6 SD Endpoint Option （0x24/0x26）

    当 SOME/IP-SD Instance 使用 Unicast IP Address 的时候，才会使用该 Option 来告诉对方本 SD Instance 的 Unicast IP Address，传输协议（只能是 UDP）和端口号（只能是 30490）。该 Option 需要放置在 Options Array 的第一个位置，不能被任何 SD Entry 引用（就是说能够在消息中附带该 Option，但不引用？），而且在所有的 SD Message 交互中，只能在某一条 SD Message 中附带该 Option 来发送一次（只能出现 1 次）。

各个类型的 SOME/IP-SD 协议报文都只能携带特定的选项（Option），如下表所示：

Entry typeEndpoint Options（IPv4 and IPv6）Multicast Options（IPv4 and IPv6）Configuration Option
FindService  Allowed
OfferServiceAllowed Allowed
StopOffserServiceAllowed Allowed
SubscribeEventgroupAllowed Allowed
StopSubscribeEventgroupAllowed Allowed
SubscribeEventgroupAck AllowedAllowed
SubscribeEventgroupNACK  Allowed

注意：以下 Entries 只能通过单播（Unicast）发送：

  • Subscribe Eventgroup
  • Stop Subscribe Eventgroup
  • Subscribe Eventgroup Ack
  • Subscribe Eventgroup Nack

各种类型选项的格式如下：

  1. Configuration Option SOMEIP-SD-Configuration-Option
    • Length = 16（0x0010）（其值是指本 option 除了 Length 和 type 字段以外，剩下的部分的长度）
    • Type = 0x01
    • [len]id=value （例如 “[5]abc=x”，其中 len = 5，代表后面表达式 “abc=5” 的字符长度）
    • Append a 0x00 uint8 at the end（在最后附上一个 0x00）

    示例如下：（其中的 [] 括号实际是不存在的，在此加上强调这个字节是个数字） SOMEIP-SD-Configuration-Option-Example

  2. Endpoint Option（IPv4） SOMEIP-SD-IPv4-Endpoint-Option
    • Length = 9（0x0009） （其值是指本 option 除了 Length 和 type 字段以外，剩下的部分的长度）
    • Type = 0x04
    • L4-Proto = Level 4 Protocol
      • 0x06：TCP
      • 0x11：UDP

SOME/IP-SD 各个阶段的通信行为

Server 服务端和 Client 客户端的通信行为包含几个阶段，如下图所示：

SOMEIP-SD-Behavior

Server 服务端各个阶段的通信行为

服务端的通信行为如下图所示：

SOMEIP-SD-Server-Behavior

  1. Down Phase

    在这个阶段，Service 是不可用的，即服务端无法提供服务。

  2. Initial Wait Phase

    当服务准备完毕（Available）后，进入此阶段。如果此阶段收到 FindService 报文，服务端忽略此消息，不做任何处理。如果服务不可用了，将返回进入 Down Phase。此阶段需要定义时间参数 INITIAL_DELAY_Min 和 INITIAL_DELAY_Max，初始化时间取其之间的随机值，当定时器超时后，发送第一帧 OfferService 报文，标志着进入下一个阶段。

  3. Repetition Phase

    为了让客户端快速找到有哪些 Service，此阶段重复发送 OfferService 报文，重复次数由 REPETITIONS_MAX 决定，而发送时间间隔以 REPETITIONS_BASE_DELAY 为基本时间，每发送一次，间隔时间是前一个间隔时间的 2 倍。

    如果收到某个客户端的 FindService 报文，不影响当前阶段的发送计数和计时，延迟一定时间（REQUEST_RESPONSE_DELAY）后，单独发送单播的 OfferService 给服务请求端。

    如果收到 SubscribeEventgroup 订阅事件组的报文，发送单播 Ack/Nack，启动此订阅Entry 的 TTL 计时器。如果收到 StopSubcribeEventgroup 停止订阅事件组的报文，停止此订阅 Entry 的 TTL计时器。

    如果收到 StopSubcribeEventgroup 停止订阅事件组的报文，停止此订阅 Entry 的 TTL

    计时器。

    如果服务不可用，离开此阶段进入到 Down Phase，并组播发送 StopOfferService 通知所有客户端。

  4. Main Phase

    此阶段将周期性地发送 OfferService，周期时间为 CYCLIC_OFFER_DELAY。

    如果收到某个客户端的 FindService 报文，不影响发送计数，延迟一定时间（REQUEST_RESPONSE_DELAY）后，发送单播的 OfferService 给服务请求端。

    如果收到 SubscribeEventgroup 订阅事件组的报文，发送单播 Ack/Nack，启动此订阅Entry 的 TTL 计时器。

    如果收到 StopSubcribeEventgroup 停止订阅事件组的报文，停止此订阅 Entry 的 TTL计时器。

    如果服务不可用，离开此阶段进入到 Down Phase，并组播发送 StopOfferService 通知所有客户端。

服务端状态机转换图如下所示：

SOMEIP-SD-Server-Behavior-State

Client 客户端各个阶段的通信行为

Client 客户端的通信行为如下图所示：

SOMEIP-SD-Client-Behavior

  1. Down Phase

    服务未被上层应用请求。

    收到 OfferService 报文，存储当前的服务实例状态，启动 TTL 计时器，此时服务若被

    上层应用请求，则直接进入 Main Phase。

  2. Initial Wait Phase

    服务被上层应用请求后，进入此阶段。

    等待 INITIAL_DELAY 时间（最大和最小值之间的随机值）。

    如果此时收到 OfferService 报文，则取消等待计时器，直接进入 Main Phase。

    如果服务请求被上层应用释放，则进入 Down Phase。（在进入 Down Phase

    前，应该先关停等待计时器）

    等待计时器超时后，发送第一个 FindService 报文，进入下一阶段。

  3. Repetition Phase

    重复发送 FindService 报文，重复次数由 REPETITIONS_MAX 决定，而发送时间间隔以REPETITIONS_BASE_DELAY 为基本时间，每发送一次，间隔时间是前一个间隔时间的 2倍。

    在重复发送 FindService 报文的过程中，一旦接收到了 OfferService 报文，则停止发送计数和计时器，立即进入 Main Phase，并在延迟一定时间后发送 SubscribeEventgroup 订阅事件组报文。

    如果在此阶段上层应用的服务请求被释放，则进入 Down Phase。若此时有订阅行为，则先发送 StopSubcribeEventgroup 报文后再进入 Down Phase 。（应该也需要停止 FindService 报文的发送计数和计时器。）

  4. Main Phase

    不再周期地发送 FindService 报文。

    如果收到 StopOfferService 报文，则停止所有的计时器。

    如果上层应用的服务请求被释放，则进入 Down Phase。若此时有订阅行为，则先发

    送 StopSubcribeEventgroup 报文后再进入 Down Phase 。

Client 客户端的状态机转化图如下图所示：

SOMEIP-SD-Client-Behavior-State

vsomeip – SOME/IP 的开源实现

vsomeip 是 GENIVI 实现的开源 SOME/IP 库，由 C++ 编写，目前主要实现了 SOME/IP的通信和服务发现功能，并在此基础上增加了少许的安全机制。

GENIVI 是一个联盟组织，由 BMW 倡导，是汽车信息娱乐领域系统软件标准的倡导者，创建基于 linux 系统的 IVI 软件平台和操作系统。GENIVI 倡导了很多开源软件项目，比如：DLT、CommonAPI C++、VSOMEIP。

vsomeip 概述

VSOMEIP-Framework

上图所示为 vsomeip 的基本框架。

如图所示，vsomeip 不仅涵盖了设备之间的 SOME/IP 通信（外部通信），还涵盖了内部进程间通信。两个设备通过 communication endpoints（通信端点）进行通信，endpoints确定传输使用的协议（TCP 或 UDP）及端口号或其他参数。所有这些参数都是可以在vsomeip 配置文件中设置的（配置文件是 json 格式）。内部通信是通过本地 endpoints 完成的，这些 endpoints 由 unix 域套接字使用 Boost.Asio 库实现。由于这种内部通信不是通过中心组件 (例如 D-Bus 守护进程) 路由的，所以它非常快。

中央 vsomeip 路由管理器（routing manager）只接收必须发送到外部设备的消息，并分发来自外部的消息。每个设备只有一个路由管理器，如果没有配置，那么第一个运行的 vsomeip 应用程序也会启动路由管理器。

vsomeip 的源码分析

sd模块源码分析

开源库, vsomeip
c++ someip autosar
本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权