A dynamic service-oriented software architecture for the automotive domain

Kampmann, Alexandru; Kowalewski, Stefan; Eckstein, Lutz

doi:42941

A dynamic service-oriented software architecture for the automotive domain

Kampmann, Alexandru^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexandru Kampmann, M.Sc.RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Informatik-Berichte (AIB) ; 2024,01

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024. - Weitere Reihe: Technical report / Department of Computer Science

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kowalewski, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Eckstein, Lutz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00864
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/977648/files/977648.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Architekturoptimierung (frei) ; Automobilsoftware (frei) ; Timing Optimierung (frei) ; architecture optimization (frei) ; automotive software (frei) ; dienste-orientierte Softwarearchitektur (frei) ; service-oriented software architecture (frei) ; system engineering (frei) ; timing optimization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Fast alle heute absehbaren Innovationsfelder im Automobilbereich sind Softwaregetrieben. Das wichtige Unterscheidungsmerkmal zwischen konkurrierenden OEMs wird daher die Fahrzeugsoftware sein, und nicht mehr unbedingt die Hardware selbst. Dieser Umstand hat zur Prägung des Begriffs Software-Defined Vehicle (SDV) geführt, einer Vision von maßgeblich durch Software geprägte Fahrzeuge. Um dieser Entwicklung gerecht zu werden, sind neuartige Architekturen in fast allen Bereichen des Automobils erforderlich. So ist beispielsweise erkennbar, dass zentralisierte Hochleistungsrechner, die über Echtzeit-Ethernet kommunizieren, die Vielzahl verteilter, maßgeschneiderter Steuergeräte in den heutigen Architekturen ersetzen werden. Vor allem aber erfordern SDV neuartige, modulare und aktualisierbare Softwarearchitekturen, die kurze Entwicklungszyklen und eine schnelle Markteinführung von Softwareinnovationen ermöglichen.Diese Arbeit stellt die Automotive Service-oriented Architecture (ASOA) vor, eine Softwarearchitektur für den Einsatz im Automobil. Während heutige Architekturen in einem frühen Stadium der Entwicklung starr integriert werden, verfolgt ASOA den Gedanken der dynamischen Laufzeitintegration. Hierbei wird das Zusammenspiel der Softwaredienste erst während der Ausführung des Systems bestimmt - also spät im Entwicklungszyklus. Einzelne Dienste sind agnostisch gegenüber dem Gesamtsystem, da die Architektur durch den Orchestrator kontrolliert wird, der systemspezifisches Wissen bündelt. Änderung der Gesamtarchitektur, oft notwendig bei Integration neuer Funktionen oder Softwareupdates, erfordern zwar eine Anpassung des Orchestrators, jedoch nicht mehr aller Dienste, da diese frei von Gesamtsystemwissen gehalten werden können.Die ASOA unterscheidet zwischen funktionaler Orchestrierung und Ressourcenorchestrierung. Die funktionale Orchestrierung ist zuständig für das dynamische Einstellen von Betriebsmodi, Datenflüssen und der Menge der aktiven Diensten. Hinzu kommen Möglichkeiten zur ad-hoc Erzeugung redundanter Dienstestrukturen, zur Rekonfiguration der Architektur sowie zur redundanten, fehlertoleranten Ausführung des Orchestrators selbst. Die nachgelagerte Ressourcenorchestrierung verteilt die Ressourcen auf die Softwaredienste mittels einer mehrkriteriellen Optimierung. Hierbei wird der Energieverbrauch sowie die Ausführungszeit von Wirkketten minimiert, die sich über mehrere Dienste und Steuergeräte verteilen. ASOA wird durch ein Werkzeug flankiert, welches mit einem pragmatischen Ansatz die Spezifikation diverser Architekturen während der Entwicklung ermöglicht.Die portable Implementierung der ASOA ermöglicht die transparente Ausführung von Diensten sowohl auf Linux-basierten Hochleistungsrechnern, als auch auf ressourcenbeschränkten Mikrocontroller mit minimalen Betriebssystemen. Die Implementierung erzwingt zudem die Sichtbarkeit von Kausalketten innerhalb von Diensten, die entscheidend für das Zeitverhalten der Software ist. Validiert wird die ASOA durch ihren Einsatz in dem Projekt UNICARagil, wo diese zur Umsetzung diverser Kernfunktionen in vier automatisierten Fahrzeugprotoypen eingesetzt wird.

Today, almost all foreseeable areas of innovation in the automotive domain are software-driven. This development has led to the coining of the term Software-Defined Vehicle (SDV), where software, rather than hardware, becomes the critical differentiator between competing OEMs. Critical to this vision is the ability of the OEM to continuously provide software updates throughout the vehicle’s lifetime.Implementing SDVs requires novel architectures in almost all technical domains. For example, it is foreseeable that centralized high-performance computers communicating via real-time Ethernet will replace the multitude of distributed, customized Electronic Control Units (ECUs) in today’s architectures. Most importantly, SDVs require novel, modular, and updatable software architectures to enable short development cycles and rapid time-to-market of software innovations. This thesis presents the Automotive Service-oriented Architecture (ASOA), a software architecture for the automotive domain. While today’s architectures are rigidly integrated at an early stage of development, ASOA follows the idea of dynamic runtime integration. The integration of software services in ASOA is dynamically established late in the development cycle - at the execution time of the system. Individual services are agnostic to the overall system, as an Orchestrator acts as the architecture controller that bundles system-specific knowledge. Continuous addition and modification of the software architecture are vital aspects of the SDV vision. This agility is difficult to achieve with traditional architectures, where modifications to large parts of the systems quickly lead to architectural adaptions. In ASOA, these adaptations affect the Orchestrator and not necessarily individual services, which can be kept free of the details about the system they are part of. ASOA distinguishes between functional orchestration and resource orchestration. Functional orchestration controls operating modes, data flow, and active services, allowing for dynamic architecture reconfiguration. In addition, functional orchestration also sup- ports the ad-hoc creation of redundant service structures and fault-tolerant execution of the Orchestrator. Resource orchestration provides methods for assigning compute cluster resources to the software services using multi-criteria optimization. Resource orchestration enables a reduction of the compute cluster power demand and of the execution times of causality chains distributed across multiple services and ECUs. ASOA also comes with a tool for system engineering that captures various views of the system architecture. The portable implementation of ASOA enables transparent, API-identical execution of services on both Linux-based high-performance computers and resource-constrained microcontrollers with minimal operating systems. The implementation also enforces explicit dependencies between the demand for computation time and data communication, both essential factors influencing the timing behavior of the software. Knowledge of these dependencies is critical to uncovering causality chains and functional dependencies. Various critical functions are implemented in full-scale vehicle prototypes using ASOA in the project UNICARagil.

OpenAccess:
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