基于SOA通信中间件和IWARP技术的车载高性能计算框架及实现方法与流程

基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架及实现方法
技术领域
1.本发明涉及自动驾驶技术，尤其涉及一种基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架及实现方法。


背景技术：

2.随着车载以太网技术的不断演进以及下一代汽车电子电气架构逐渐集中化，以域架构为基础的硬件架构大行其道。在软件架构层面上，面向服务的软件架构(soa)是实现集中化汽车e/e架构的必要条件。以dds、some/ip、mqtt组成的车载通信中间件均支持soa的编程模式。然而，这三类车载通信中间件运行在tcp/ip协议栈上，由于数据在系统内存、处理器缓存和网络控制器缓存之间来回进行赋值移动给处理器和内存造成了严重负担，更加剧了网络延迟效应。而延迟过高对于大部分车载应用场景如自动驾驶而言是难以接受的。
3.同时，自动驾驶分级标准下中高等级标准的实现依赖于mpu芯片的算力发展，这意味着芯片算力一旦遇到瓶颈无法提升则会反过来制约自动驾驶的技术等级。因此，如何设计分布式的车载高性能计算框架则显得尤为重要。基于soa软件架构的通信中间件和iwarp技术在车载环境下实现分布式高性能计算框架的技术则很好地弥补了上述两方面的空缺。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架及实现方法，在mcu/mpu对应的控制器或计算单元内铺设支持iwarp技术的网络控制器rnic，利用支持soa软件架构的通信中间件，实现车载分布式高性能计算框架。
5.为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架，包括中央运算单元，边缘计算单元和域控制器；
7.中央运算单元与边缘计算单元之间通过soa通信中间件相互通信，中央运算单元与域控制器之间通过soa通信中间件相互通信；
8.中央运算单元内置网络控制器rnic，边缘计算单元内置网络控制器rnic，发送并接收iwarp协议报文，中央运算单元与多个边缘计算单元组成分布式计算架构；
9.域控制器采集数据后发送给中央运算单元，中央运算单元将数据分割后发送给边缘计算单元进行分布式计算，然后接收返回的计算结果进行数据融合，得出最终结果并发送给相应的域控制器。
10.进一步地，域控制器之间通过soa通信中间件相互通信。
11.进一步地，soa通信中间件为some/ip、dds、mqtt三者中的一种。
12.进一步地，soa通信中间件适配iwarp技术，中央运算单元与边缘计算单元之间通过支持iwarp技术的soa通信中间件相互通信。
13.进一步地，中央运算单元与边缘计算单元之间通过request/response模型进行通信；具体为：
14.中央运算单元将分割后的数据作为数据源封装在request报文内，向边缘计算单元发送request；边缘计算单元接收到request报文后，提取数据源调用自身算力和相应的算法进行计算，输出计算结果；
15.边缘计算单元将计算结果作为数据源封装在response报文内，并向中央运算单元发送response报文；中央运算单元接收到response报文后，提取计算结果，并与其他边缘计算单元返回的计算结果一起，通过数据融合得到一个最终结果。
16.进一步地，中央计算单元与域控制器之间通过两类通信模型进行通信，soa中提供的notification模型，数据单向流通；或soa中提供的request/response模型，数据双向流通。
17.进一步地，域控制器采集数据，通过soa通信中间件的notification模式将数据发送给中央运算单元；中央运算单元通过分布式高性能计算框架计算数据后，再通过soa通信中间件的notification模式将计算结果发给域控制器。
18.进一步地，域控制器采集数据，通过soa通信中间件的notification模式将数据发送给中央运算单元；中央运算单元通过分布式高性能计算框架计算数据后，再通过soa通信中间件的request模式将计算结果发给域控制器；
19.域控制器收到请求后，将计算结果提取出来并进行二次分析，然后将分析结果通过soa通信中间件的response模式发送给中央运算单元。
20.一种基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架的实现方法，包括步骤：
21.1)域控制器进行数据采集后，将采集到的数据发送给中央运算单元；
22.2)中央运算单元根据当前边缘计算单元的总数进行数据分割，并依次编排序号，同时启动定时器，以避免边缘计算单元下线对数据计算造成影响；
23.3)中央运算单元根据编排的序号，封装相应的数据，并通过request模式发送给边缘计算单元；
24.4)边缘计算单元获取到数据后，调用自身驻留的算法模块进行数据计算，并输出计算结果；
25.5)边缘计算单元根据request报文中提供的序号以及计算结果，封装到response报文中，并且将报文发送给中央运算单元；
26.6)中央运算单元获取到对应边缘计算单元提供的response报文，提取出序号和计算结果，并持续等待其他边缘计算单元提交相应计算结果，直到定时器超时；如果定时器超时，则此次计算流程应返回失败；
27.7)中央运算单元判断是否收到所有边缘计算单元的response报文，如果全部收到则进入流程8)，如果尚未全部收到则返回流程6)；
28.8)中央运算单元将收集到的所有计算结果进行融合，得出最终结果，并发送给相应的域控制器。
29.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明利用集中化的e/e域架构，在车载中央运算单元和车载边缘计算单元之间增设iwarp技术所需的rnic，同时利用soa通信中
间件普遍提供的request/response通信模式和notification通信模式，构建了一套高可用、高性能、低延迟的车载分布式计算框架。
30.通过这套分布式计算框架，可以有效地通过增加芯片数量而并非提高芯片算力的方式来增强整车的整体算力，从而保证了自动驾驶应用场景技术等级的更快实现。
31.同时，借助互联网广域rdma协议技术，有效地满足了车载领域下某些应用场景要求对延迟要求苛刻的需求。通过iwarp技术可以快速融入车载以太网，并非替换车载以太网，本质上提供了一个低成本的解决方案。
32.本发明还利用soa的特性使得车载分布式计算框架可以保障紧急制动、adas、智能座舱等应用场景和环境下的高可靠性和低延迟，从而确保了整车运行过程中的安全性和舒适性。
附图说明
33.图1是本发明所述的基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架示意图；
34.图2是中央运算单元与边缘计算单元之间的soa通信交互示意图；
35.图3是中央运算单元与域控制器之间的soa通信交互示意图；
36.图4是分布式计算框架的具体执行流程。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
38.rdma是一种远程直接内存访问技术，可以使得计算机之间可以直接读取对端的内存，而不需要经过处理器处理，大大降低了处理器拷贝数据的开销。拷贝行为的存在是增大延迟的重要因素。
39.互联网广域rdma协议(iwarp)是rdma over tcp，允许通过tcp/ip协议栈执行rdma的网络协议，与其他rdma技术不同的是，iwarp技术只要求网卡是支持iwarp的rnic，而允许在标准以太网基础架构(交换机)上使用rdma。通过iwarp技术可以快速融入车载以太网，并非替换车载以太网，本质上提供了一个低成本的解决方案。
40.如图1所示，为一个典型的汽车e/e架构的硬件结构。其中，域控制器a与域控制器b、域控制器c之间通过soa通信中间件相互通信。soa通信中间件指的是some/ip、dds、mqtt这三者中的一种。soa通信中间件基于ip协议，无论其上的传输协议是tcp还是udp。
41.中央运算单元内置网络控制器rnic，用于发送并接收iwarp协议的报文，中央运算单元与域控制器a、域控制器b、域控制器c之间通过soa通信中间件相互通信。中央运算单元与4个边缘计算单元共同组成了分布式计算架构。每个边缘计算单元均内置rnic用于发送并接收iwarp协议的报文。
42.soa通信中间件需适配iwarp技术，在此基础之上，中央运算单元与边缘计算单元之间通过支持iwarp技术的soa通信中间件相互通信。
43.如图2所示，中央运算单元与边缘计算单元之间通过request/response模型进行通信。具体而言，1)中央运算单元将分割后的数据作为数据源封装在request报文内，向边
缘计算单元发送request；2)边缘计算单元接收到request报文后，提取出数据源，调用自身mpu的算力和相应的算法进行计算，然后输出计算结果；3)边缘计算单元将计算结果作为数据源封装在response报文内，并向中央运算单元发送response报文；4)中央运算单元接收到response报文后，提取出计算的结果，并与其他边缘计算单元返回的计算结果一起，通过数据融合得到一个最终的结果，然后将该结果作为数据源通过notification模式或者request/response模式与域控制器之间通信。
44.因此，边缘计算单元需驻留算法，而中央运算单元提供数据。
45.如图3所示，中央计算单元与域控制器之间通过两类通信模型进行通信，第一类是soa中提供的notification模型，数据单向流通。第二类是soa中提供的request/response模型，数据双向流通。图3提供了一个典型案例，具体而言有三种情况：
46.情况一，域控制器c进行数据采集，如激光雷达、摄像头视频等数据，通过soa通信中间件的notification模式将数据发送给中央运算单元。中央运算单元通过分布式高性能计算框架计算数据后，再通过soa通信中间件的notification模式将计算结果发给域控制器c。这种情况一般在adas应用场景中会出现。
47.情况二，域控制器c进行数据采集，如激光雷达、摄像头视频等数据，通过soa通信中间件的notification模式将数据发送给中央运算单元。中央运算单元通过分布式高性能计算框架计算数据后，再通过soa通信中间件的notification模式将计算结果发给域控制器a。这种情况域控制器a一般作为车身域或者动力域需要进行紧急制动时会发生。
48.情况三，域控制器c进行数据采集，如激光雷达、摄像头视频等数据，通过soa通信中间件的notification模式将数据发送给中央运算单元。中央运算单元通过分布式高性能计算框架计算数据后，再通过soa通信中间件的request模式将计算结果发给域控制器b。域控制器b收到请求后，将计算结果提取出来并进行二次分析，然后将分析结果通过soa通信中间件的response模式发送给中央运算单元。这种情况，域控制器b一般作为座舱域，需要反馈相应的座舱和仪表信息时会发生。
49.下面简述分布式计算框架的具体执行流程。如图4所示。
50.1)域控制器或者其他车载单元进行数据采集后，将采集到的数据发送给中央运算单元；
51.2)中央运算单元根据当前边缘计算单元的总数进行数据分割，并依次编排序号，同时启动定时器，以避免边缘计算单元下线对数据计算造成影响；
52.3)中央运算单元根据编排的序号，封装相应的数据，并通过request模式发送给边缘计算单元；
53.4)边缘计算单元获取到数据后，调用自身驻留的算法模块进行数据计算，并输出计算结果；
54.5)边缘计算单元根据request报文中提供的序号以及计算结果，封装到response报文中，并且将报文发送给中央运算单元；
55.6)中央运算单元获取到对应边缘计算单元提供的response报文，提取出序号和计算结果，并持续等待其他边缘计算单元提交相应计算结果，直到定时器超时。如果定时器超时，则此次计算流程应返回失败。
56.7)中央运算单元判断是否收到所有边缘计算单元的response报文，如果全部收到
则进入流程8)，如果尚未全部收到则返回流程6)。
57.8)中央运算单元将收集到的所有计算结果进行融合，得出最终结果，并发送给相应的域控制器。
58.综上所述，通过图1、图2、图3描述了基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架。通过图4描述了基于soa通信中间件和iwarp技术的车载高性能计算框架的实现方法。
59.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明利用集中化的e/e域架构，在车载中央运算单元和车载边缘计算单元之间增设iwarp技术所需的rnic，同时利用soa通信中间件普遍提供的request/response通信模式和notification通信模式，构建了一套高可用、高性能、低延迟的车载分布式计算框架。
60.通过这套分布式计算框架，可以有效地通过增加芯片数量而并非提高芯片算力的方式来增强整车的整体算力，从而保证了自动驾驶应用场景技术等级的更快实现。
61.同时，借助互联网广域rdma协议技术，有效地满足了车载领域下某些应用场景要求对延迟要求苛刻的需求。通过iwarp技术可以快速融入车载以太网，并非替换车载以太网，本质上提供了一个低成本的解决方案。
62.本发明还利用soa的特性使得车载分布式计算框架可以保障紧急制动、adas、智能座舱等应用场景和环境下的高可靠性和低延迟，从而确保了整车运行过程中的安全性和舒适性。
63.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。