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SOA通信中間件及其協(xié)議介紹

jf_EksNQtU6 ? 來源:智能汽車開發(fā)者平臺(tái) ? 2023-08-17 10:05 ? 次閱讀

前言

SOA(面向服務(wù)的架構(gòu))的軟件設(shè)計(jì)原則之一是模塊化。模塊化可以提高軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性和代碼重用性,并且能夠隔離故障。舉例來說,自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以分解為特定的任務(wù)模塊,如數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)和任務(wù)規(guī)劃等。為了完成各自的任務(wù),這些模塊需要相互交換信息。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中,將單個(gè)模塊映射到獨(dú)立的軟件進(jìn)程非常方便,這些進(jìn)程可以位于同一計(jì)算設(shè)備上,也可以位于物理上獨(dú)立的計(jì)算設(shè)備上。這使得進(jìn)程間通信成為一個(gè)深入研究的問題,因?yàn)樾畔⒔粨Q是通過進(jìn)程間的通信來實(shí)現(xiàn)的。

一.通信中間件

在軟件定義汽車中,應(yīng)用程序之間的跨進(jìn)程或跨核通信是一個(gè)需要解決的問題。模塊化架構(gòu)為開發(fā)人員提供了便利,但也引入了對(duì)通信中間件的需求。

在沒有使用通信中間件的情況下,開發(fā)人員需要自己定義數(shù)據(jù)的格式、發(fā)送方和接收方。然而,使用基于服務(wù)/數(shù)據(jù)的發(fā)布和訂閱模式(如SOME/IP和DDS),開發(fā)人員只需要明確需要什么樣的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)應(yīng)該傳遞到哪里,而無需關(guān)注數(shù)據(jù)的發(fā)送方和發(fā)送方式。

以數(shù)據(jù)為中心是相對(duì)于傳統(tǒng)的以消息為中心而言的,其本質(zhì)區(qū)別在于通信中間件知道存儲(chǔ)了什么數(shù)據(jù)并能夠控制如何共享這些數(shù)據(jù)。對(duì)于傳統(tǒng)的以消息為中心的中間件,程序員必須為發(fā)送消息編寫代碼,而對(duì)于以數(shù)據(jù)為中心的中間件,程序員只需為如何共享數(shù)據(jù)編寫代碼,然后可以直接共享數(shù)據(jù)值。

通信中間件可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、消息隊(duì)列和發(fā)布/訂閱三種工作模式,SOME/IP和DDS都采用了發(fā)布/訂閱模式。

在發(fā)布/訂閱模型中,發(fā)布者和訂閱者通過主題進(jìn)行關(guān)聯(lián),雙方不需要知道對(duì)方在何處,也不需要同時(shí)在線。這實(shí)現(xiàn)了通信雙方在時(shí)間、空間和數(shù)據(jù)通信上的多維松耦合

此外,與面向信號(hào)CAN相比,DDS和SOME/IP都是面向服務(wù)的通信協(xié)議。兩者的區(qū)別在于面向信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸始終循環(huán)發(fā)送,而面向服務(wù)的通信方式不同,只有在客戶端請(qǐng)求或服務(wù)器通知特定訂閱者時(shí),才在客戶端-服務(wù)器配置中交換數(shù)據(jù)。這確保了永遠(yuǎn)不會(huì)浪費(fèi)帶寬,并且僅在需要的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信/交換。因此,面向服務(wù)的通信協(xié)議可以大大減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,提高通信效率。

在軟件定義汽車時(shí)代,車內(nèi)的所有可調(diào)用功能都被視為服務(wù),并提供不同類型的調(diào)用接口,這些接口可以按以下方式分類:

1、API接口:提供各類函數(shù)的調(diào)用接口,使應(yīng)用程序能夠調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部的功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)。應(yīng)用程序可以通過調(diào)用相關(guān)的API接口來提供和使用功能服務(wù)。

2、文件方式:以配置文件或設(shè)備文件的形式提供系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)用能力。這些文件可以通過配置自動(dòng)生成,包含有效的配置信息,并且可以在運(yùn)行環(huán)境中被特定的程序讀取和識(shí)別,實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)。

3、系統(tǒng)原生服務(wù):操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)類庫提供的可操作能力,包括對(duì)系統(tǒng)CPU和內(nèi)存的監(jiān)測、應(yīng)用程序的監(jiān)控、系統(tǒng)資源的劃分等。此外,還可以調(diào)用C++、boost等基礎(chǔ)類庫。

4、IPC接口:各種IPC機(jī)制提供系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)程間的調(diào)用能力,包括使用套接字(socket)、共享內(nèi)存等進(jìn)程間通信方式,以及使用特定的跨核通信方式如IPCF。

5、協(xié)議棧接口:通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供跨平臺(tái)的調(diào)用能力,包括SOME/IP、DDS、MQTT、HTTP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的調(diào)度服務(wù)、接口封裝和協(xié)議轉(zhuǎn)換等。

盡管在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中SOA(面向服務(wù)的架構(gòu))已經(jīng)被應(yīng)用了很長時(shí)間,但在汽車行業(yè)中,它算是相對(duì)較新的概念。在Adaptive AutoSAR框架中,通信管理模塊包括進(jìn)程間通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

鑒于汽車應(yīng)用場景和通信需求的特殊性,許多互聯(lián)網(wǎng)的SOA技術(shù)并不能直接應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。一般來說,SOA通信中間件系統(tǒng)的各個(gè)層面需要滿足以下要求:

1、本地服務(wù)和遠(yuǎn)程服務(wù)之間的通信應(yīng)該使用統(tǒng)一的接口描述語言(IDL)定義的文件作為契約。IDL是一種中立的接口描述語言,與具體的操作系統(tǒng)和編程語言無關(guān)。

2、SOA框架的底層核心功能應(yīng)具備以下特點(diǎn):服務(wù)發(fā)現(xiàn)、消息序列化、內(nèi)部事件/消息處理和傳輸功能。應(yīng)用程序、服務(wù)和操作系統(tǒng)之間可以通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議或服務(wù)接口相互通信或訪問,特別是要滿足傳感數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)吞吐傳輸需求。必須支持典型的車內(nèi)通信協(xié)議,如SOME/IP協(xié)議、DDS規(guī)范等。服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能應(yīng)具備訪問控制功能,以防止未經(jīng)授權(quán)的用戶進(jìn)行竊聽和侵入;傳輸功能應(yīng)具備數(shù)據(jù)加密和簽名等功能,以確保通信數(shù)據(jù)的安全性。

在未來,汽車將與更多的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行連接,為了實(shí)現(xiàn)與它們的連接,將需要使用不同的通信協(xié)議。

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汽車SOA 通信架構(gòu)

HTTP、MQTT、SOME/IP和DDS等協(xié)議都用于實(shí)現(xiàn)SOA架構(gòu)中的通信,只是在不同的場景下承擔(dān)不同的責(zé)任。例如,SOME/IP協(xié)議用于車內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的服務(wù)通信,而HTTP和MQTT用于與互聯(lián)網(wǎng)模塊進(jìn)行通信。盡管它們?cè)趯?shí)現(xiàn)機(jī)制上有些許差異,但它們可以相互切換使用。

MQTT、DDS、AMQP、REST和CoAP等協(xié)議都已被廣泛應(yīng)用,并且每種協(xié)議都至少有10種不同的代碼實(shí)現(xiàn)。它們都宣稱支持實(shí)時(shí)的發(fā)布/訂閱物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。然而,在具體的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要考慮實(shí)際場景中的通信需求,并選擇適合的協(xié)議。各種協(xié)議的特點(diǎn)如表所示。

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二、SOME/IP 介紹

2011年,寶馬設(shè)計(jì)并提出了SOME/IP(Scalable Service-oriented Middleware over IP)協(xié)議。SOME/IP采用服務(wù)器-客戶端的服務(wù)通信模式,并且具備高度可擴(kuò)展性。SOME/IP協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議,運(yùn)行在TCP/UDP傳輸協(xié)議之上(車載以太網(wǎng)第四層以上)。它作為以太網(wǎng)通信的中間件,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與IP層之間的數(shù)據(jù)交互,使其不依賴于操作系統(tǒng),并且兼容AUTOSAR和非AUTOSAR平臺(tái)。因此,SOME/IP可以獨(dú)立于硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語言。

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SOME/IP 協(xié)議架構(gòu)

SOME/IP具備滿足車用需求的特性,主要包括以下幾個(gè)方面:基于服務(wù)的通信方式,占用空間小,與AUTOSAR兼容(其他中間件不具備兼容性),可伸縮性(適用于小型和大型平臺(tái)),以及兼容性(可適用于車輛使用的各種操作系統(tǒng),如AUTOSAR、OSEK、QNX和Linux)。

SOME/IP支持AUTOSAR CP、AUTOSAR AP以及非AUTOSAR平臺(tái)之間的通信交互。寶馬設(shè)計(jì)SOME/IP協(xié)議后,它被AUTOSAR納入正式標(biāo)準(zhǔn),并隨著CP規(guī)范的發(fā)布而被廣泛應(yīng)用于車載以太網(wǎng),因此可以說是AUTOSAR CP推動(dòng)了SOME/IP的廣泛使用。

在AUTOSAR架構(gòu)中,SOME/IP-SD模塊位于AUTOSAR BSW Mode Manager模塊(BswM)和AUTOSAR Socket Adaptor模塊(SoAd)之間。BswM模塊提供了通用模式請(qǐng)求和服務(wù)請(qǐng)求之間的連接,而SoAd模塊處理以太網(wǎng)堆棧和SD模塊之間的服務(wù)請(qǐng)求。通過配置SoAd中的Socket Connection表,可以接收其他ECU的SD模塊發(fā)送的單播和多播報(bào)文。

借助SOME/IP協(xié)議的高度平臺(tái)擴(kuò)展性,可以實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互,而統(tǒng)一的SOME/IP通信機(jī)制是不同平臺(tái)通信的前提。為了在不同軟件平臺(tái)上運(yùn)行SOME/IP,實(shí)現(xiàn)整車以太網(wǎng)上的SOA架構(gòu)通信機(jī)制,AP規(guī)范中也同步引入了SOME/IP,因此在AUTOSAR系統(tǒng)中,CP和AP之間實(shí)現(xiàn)SOME/IP通信相對(duì)容易。

為了促進(jìn)非AUTOSAR軟件平臺(tái)與車內(nèi)CP和APECU之間的交互,GENIVI系統(tǒng)同樣開發(fā)了一套開源的vSOME/IP軟件源碼,以便與CP/AP進(jìn)行交互。然而,由于vSOME/IP是開源的,性能可能略有差異,因此需要統(tǒng)一的規(guī)范進(jìn)行約束,以進(jìn)行深度的二次開發(fā)。目前,全球最大的商用SOME/IP產(chǎn)品供應(yīng)商是Vector,而開源版的vSOME/IP由GENIVI協(xié)會(huì)維護(hù)。

三、DDS 介紹

DDS(Data Distribution Service)是由OMG(Object Management Group)發(fā)布的分布式通信規(guī)范。OMG成立于1989年,是一個(gè)國際性、開放性、非營利性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟,由供應(yīng)商、終端用戶、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)推動(dòng)。OMG工作組致力于制定企業(yè)集成標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)可為數(shù)千個(gè)垂直行業(yè)提供現(xiàn)實(shí)價(jià)值的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其中包括統(tǒng)一建模語言SYSML、UML,以及中間件標(biāo)準(zhǔn)CORBA、DDS等。

DDS最早應(yīng)用于美國海軍系統(tǒng),用于解決在軍艦系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行大量軟件升級(jí)時(shí)的兼容性問題。隨著DDS被ROS2和AUTOSAR引入,目前它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、國防、金融、通信、汽車等領(lǐng)域。

DDS的特點(diǎn):

1、數(shù)據(jù)中心(Data Centricity)

DDS最重要的特性是以數(shù)據(jù)為中心,這與其他許多通信中間件不同。DDS的數(shù)據(jù)共享以Topic為單元,應(yīng)用程序能夠通過Topic判斷包含的數(shù)據(jù)類型,而不必依賴其他上下文信息。同時(shí),DDS能夠按照用戶定義的方式自動(dòng)地存儲(chǔ)、發(fā)布或訂閱數(shù)據(jù),使應(yīng)用程序能夠像訪問本地?cái)?shù)據(jù)一樣進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入或讀取。

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DDS 數(shù)據(jù)中心

2、全局?jǐn)?shù)據(jù)空間(Global Data space)

DDS實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享可以被理解為一個(gè)抽象的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間,無論應(yīng)用程序是用哪種開發(fā)語言編寫,或者在哪種操作系統(tǒng)上運(yùn)行,都可以以相同的方式訪問這個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)空間,就像訪問本地存儲(chǔ)空間一樣。當(dāng)然,全局?jǐn)?shù)據(jù)空間只是一個(gè)抽象概念,在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中,數(shù)據(jù)仍然被分別存儲(chǔ)在每個(gè)應(yīng)用程序的本地空間中。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),數(shù)據(jù)是按需傳輸或存儲(chǔ)的,數(shù)據(jù)的發(fā)布者只發(fā)送訂閱者需要的數(shù)據(jù),而訂閱者只接收并存儲(chǔ)本地應(yīng)用程序當(dāng)前所需的數(shù)據(jù)。

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全局?jǐn)?shù)據(jù)空間

3、服務(wù)質(zhì)量(Quality of service)

DDS還提供了高度靈活的QoS(Quality of Service)策略,以滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)共享方式的不同需求,例如可靠性和故障處理等。對(duì)于對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求較高的系統(tǒng),DDS還提供了精細(xì)的數(shù)據(jù)安全控制,包括應(yīng)用程序身份認(rèn)證、權(quán)限控制和數(shù)據(jù)加密等。

4、動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)(Dynamic Discovery)

類似于SOME/IP-SD,DDS提供了數(shù)據(jù)發(fā)布者和訂閱者的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)機(jī)制,這意味著用戶無需手動(dòng)配置通信節(jié)點(diǎn)的地址或其他屬性信息,因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)行過程中會(huì)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)對(duì)方并自動(dòng)完成相關(guān)配置,實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能。

5、可擴(kuò)展架構(gòu)(Scalable Architecture)

DDS可應(yīng)用于邊緣計(jì)算、霧計(jì)算和云計(jì)算領(lǐng)域。在邊緣計(jì)算中,DDS可以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的設(shè)備間通信。在中間系統(tǒng)中,DDS提供健壯可靠的QoS和內(nèi)容感知的信息流。DDS提供可擴(kuò)展的信息訪問和數(shù)據(jù)分發(fā)手段,用于集成信息系統(tǒng),將各系統(tǒng)接入云端。

OMG DDS的適用范圍廣泛,涵蓋了從小型設(shè)備到云計(jì)算系統(tǒng)等超大型系統(tǒng)。DDS能夠以超高速傳輸數(shù)據(jù)并同時(shí)管理數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象,提供極高的可用性和安全性,非常適用于物聯(lián)網(wǎng)。通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信層,DDS屏蔽了底層復(fù)雜性,簡化了分布式系統(tǒng)的開發(fā)。

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可擴(kuò)展架構(gòu)

6、安全(Security)

DDS為關(guān)鍵任務(wù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境提供了全面的安全保護(hù)機(jī)制,跨系統(tǒng)、跨供應(yīng)商,覆蓋從邊緣設(shè)備到云端的安全性需求。

DDS提供了身份驗(yàn)證、訪問控制、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)完整性等安全機(jī)制,以確保數(shù)據(jù)分發(fā)的安全性。這些安全機(jī)制是在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的,不會(huì)影響實(shí)時(shí)通信的性能。

目前,DDS已被多個(gè)車載中間件平臺(tái)引入。AUTOSAR AP已完整地集成了DDS標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)綁定。另外,雖然AUTOSAR CP的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范本身不支持DDS,但通過一些變通方法也可以在CP上集成DDS。ROS2和CyberRT的底層都使用了開源的DDS作為最重要的通信機(jī)制。針對(duì)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的SOC芯片,如Xavier和Orin,也都預(yù)留了DDS接口。RTI作為OMG組織董事會(huì)的成員,領(lǐng)導(dǎo)了DDS標(biāo)準(zhǔn)的制定,并開發(fā)了名為Connext的DDS品牌,因此也被稱為Connext DDS。

開源DDS相對(duì)于商用的RTI DDS等來說,是根據(jù)OMG官方標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的,但源代碼是開放的,主要包括Fast DDS和Open DDS等。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,由RTI原核心團(tuán)隊(duì)成員在歐洲創(chuàng)辦的eProsima公司推出了影響力較大的開源DDS,名為Fast DDS。在eProsima將Fast DDS的源代碼開放后,用戶可以直接在GitHub上免費(fèi)下載。使用Fast DDS需要向eProsima支付費(fèi)用以獲得支持。

Open DDS由位于圣路易斯和鳳凰城的Object Computing的ACE/TAO團(tuán)隊(duì)開發(fā),與Fast DDS有一定的相似性,兩者都基于RTPS實(shí)現(xiàn),都是面向數(shù)據(jù)的通信框架,并遵循同一標(biāo)準(zhǔn)。這類框架的典型特征是去中心化、支持QoS機(jī)制和實(shí)時(shí)通信,并通常與序列化工具如protobuf進(jìn)行綁定。

盡管開源DDS對(duì)RTI的商用DDS形成一定的競爭,但開源DDS也存在一些不足之處:開源DDS的使用門檻較高,例如RTI DDS的服務(wù)策略有50多個(gè),而開源DDS只有23個(gè),完整性遠(yuǎn)不及前者;RTI的DDS已通過了ASIL-D認(rèn)證,而開源DDS尚未達(dá)到這一認(rèn)證水平。

四、SOME/IP 與 DDS 對(duì)比

SOME/IP和DDS是目前在域控最常用的兩類通信中間件,它們都是面向服務(wù)的通信協(xié)議,并采用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模式。

然而,SOME/IP和DDS在許多方面也存在差異,主要區(qū)別如下:

1、主要應(yīng)用領(lǐng)域不同:SOME/IP專為汽車領(lǐng)域開發(fā),針對(duì)汽車領(lǐng)域的需求定義了一套通信標(biāo)準(zhǔn),并在汽車領(lǐng)域深耕已久;而DDS是一個(gè)工業(yè)級(jí)別的強(qiáng)實(shí)時(shí)通信標(biāo)準(zhǔn),適應(yīng)性較強(qiáng),但在應(yīng)用于汽車/自動(dòng)駕駛領(lǐng)域時(shí)需要進(jìn)行專門的裁剪。

2、靈活性和可伸縮性不同:相比SOME/IP,DDS引入了許多標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置特性,如基于內(nèi)容和時(shí)間的過濾、與傳輸無關(guān)的可靠性、持久性、存活性、延遲/截止時(shí)間監(jiān)視、可擴(kuò)展類型等。當(dāng)AUTOSAR AP與DDS一起構(gòu)建通信框架時(shí),該框架不僅與現(xiàn)有API和應(yīng)用程序兼容,還在可靠性、性能、靈活性和可伸縮性等方面提供重要的好處。

3、訂閱方和發(fā)布方的耦合程度不同:在SOME/IP中,訂閱方在正常數(shù)據(jù)傳輸之前需要與發(fā)布方建立網(wǎng)絡(luò)連接并詢問發(fā)布方是否提供所需服務(wù),從這個(gè)角度看,節(jié)點(diǎn)之間仍然存在一定的耦合性。而在DDS標(biāo)準(zhǔn)下,每個(gè)訂閱方或發(fā)布方只需要在自己的程序中訂閱或發(fā)布傳感器數(shù)據(jù),無需關(guān)心任何連接。因此,在DDS中,服務(wù)的訂閱方和發(fā)布方更加徹底地解耦。

4、服務(wù)策略不同:良好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)是DDS標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于SOME/IP最重要的特征。SOME/IP只有一個(gè)QoS,而RTI DDS和開源DDS分別提供了50多個(gè)和20多個(gè)QoS,這些QoS基本上涵蓋了大多數(shù)可預(yù)見的智能駕駛場景。

5、應(yīng)用場景不同:從應(yīng)用場景的角度來看,SOME/IP更適用于車載網(wǎng)絡(luò),并且只能在基于IP類型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用;而DDS在傳輸方式上沒有特別的限制,可以支持基于非IP類型的網(wǎng)絡(luò),例如共享內(nèi)存、跨核通信、PCIe等。此外,DDS還提供了完備的車聯(lián)網(wǎng)解決方案,其獨(dú)有的DDS Security和DDS Web功能為用戶提供了一站式的“車-云-移動(dòng)端”解決方案。

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在商業(yè)落地中,SOME/IP和DDS之間存在直接的競爭關(guān)系,但由于它們?cè)趹?yīng)用領(lǐng)域、靈活性和服務(wù)策略等方面存在差異,整車廠可以根據(jù)需求選擇適合的通信中間件,甚至可以同時(shí)使用二者。這也是為什么AUTOSAR AP既支持SOME/IP也支持DDS的原因。

來源:智能汽車開發(fā)者平臺(tái)

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:SOA通信中間件及其協(xié)議介紹

文章出處:【微信號(hào):談思實(shí)驗(yàn)室,微信公眾號(hào):談思實(shí)驗(yàn)室】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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