[论文解读] A QoS Aware Approach to Service-Oriented Communication in Future Automotive Networks

Mehmet Çakır, Timo Häckel+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2019

Service-Oriented Architecture and Web Services参考文献 20被引用 4

一句话总结

本文提出了一种面向未来车载网络的QoS感知服务化中间件，采用动态QoS协商协议和多协议栈，以支持异构的实时需求。基于OMNeT++的仿真评估表明，在高达70%的交叉流量下，连接建立时间仍保持在2 ms以内，满足非安全关键服务的车载QoS约束。

ABSTRACT

Service-Oriented Architecture (SOA) is about to enter automotive networks based on the SOME/IP middleware and an Ethernet high-bandwidth communication layer. It promises to meet the growing demands on connectivity and flexibility for software components in modern cars. Largely heterogeneous service requirements and time-sensitive network functions make Quality-of-Service (QoS) agreements a vital building block within future automobiles. Existing middleware solutions, however, do not allow for a dynamic selection of QoS. This paper presents a service-oriented middleware for QoS aware communication in future cars. We contribute a protocol for dynamic QoS negotiation along with a multi-protocol stack, which supports the different communication classes as derived from a thorough requirements analysis. We validate the feasibility of our approach in a case study and evaluate its performance in a simulation model of a realistic in-car network. Our findings indicate that QoS aware communication can indeed meet the requirements, while the impact of the service negotiations and setup times of the network remain acceptable provided the cross-traffic during negotiations stays below 70% of the available bandwidth.

研究动机与目标

• 解决现有车载中间件在服务化通信中缺乏动态QoS支持的问题。
• 在具有异构实时需求的未来车载网络中实现QoS感知通信。
• 基于严格的需求数分析，设计支持多种通信类别的协议栈。
• 评估QoS协商对真实车载网络场景中连接建立时间性能影响。
• 验证在真实交叉流量条件下动态QoS协商的可行性。

提出的方法

• 提出一种QoS协商协议（QoSNP），用于实现动态、服务级别的QoS协议协商。
• 设计支持四种不同QoS类别的多协议栈：尽力而为（Best-Effort）、速率约束（Rate-Constrained）、静态实时（Static Real-Time）和音频视频桥接（Audio-Video Bridging）。
• 将QoSNP与SOME/IP中间件及基于TSN的以太网集成，以实现QoS感知的服务通信。
• 采用基于量产车型原有基于CAN的架构构建的现实车载网络拓扑作为案例研究。
• 在OMNeT++中仿真网络，并使用真实的车载通信数据 trace 来测量连接建立时间和协议开销。
• 在不同交叉流量水平（0–1000 Mbit/s）下评估性能，以评估可扩展性和延迟影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态QoS协商协议能否有效支持车载服务化通信中的异构QoS需求？
• RQ2 在真实车载网络中，交叉流量对QoS协商连接建立时间有何影响？
• RQ3 在真实负载条件下，所提出的中间件能否保持可接受的连接延迟？
• RQ4 不同QoS类别（如RT、BE）在多协议栈中如何共存与互操作？
• RQ5 该系统能否满足非安全关键服务的车载实时需求（如150–200 ms）？

主要发现

• 所提出的QoS协商协议支持服务间动态QoS协议协商，涵盖四种不同的QoS类别。
• 在高达70%可用带宽的交叉流量下，连接建立时间保持在2 ms以下，这对大多数车载应用是可接受的。
• 在约60–70%交叉流量时，连接建立时间开始急剧增加，表明存在性能阈值。
• 最小连接建立时间基本保持不变，而平均值和最大值随交叉流量增加呈近乎指数增长。
• 系统符合非安全关键流量150–200 ms的车载QoS要求，协议延迟处于毫秒级。
• 对于安全关键流量，建议采用基于静态TDMA的类别，以避免协商引起的抖动。