Figure 7.1: TCP/IP Architecture Overview

1. Diagrammtyp & Architektur-Kontext

• Klassifikation: AUTOSAR-Schichten- und Komponentenarchitekturdiagramm (Blockdiagramm mit Trennung von Control-Plane und Data-Plane).
• Technischer Zweck: Spezifikation der Einbettung des AUTOSAR BSW-Moduls TcpIp (rot umrandete Systemgrenze) in den Ethernet-Kommunikationsstack nach AUTOSAR Classic Platform.
• Funktionale Einordnung (AUTOSAR Layer):
  • Communication Services: Beherbergt Management-Module (ComM, BswM, Nm, EthSM), Socket-basierte Netzwerkverwaltung (UdpNm), PDU-/Service-Nutzer (PDU Router, Sd, DoIP, HTTP, V2G), den Adaptierungs-Layer Socket Adaptor (SoAd) sowie das Kernmodul TcpIp.
  • Communication HW Abstraction: Beinhaltet das Modul Linklayer Sdu Routing zur Weiterleitung und Vermittlung von SDUs/Datagrammen sowie das Modul Eth Interface (EthIf) zur Entkopplung höherer Schichten von Controller-/Transceiver-Topologien und EthTrcv.
  • Communication Drivers: Hardwarenahe Treiber (Eth Driver) mit Register-/MII-Zugriff und Frame-Serialisierung auf den MAC-Controller.

2. Komponenten, Entitäten & Schnittstellen

Dargestellte BSW-Module & Subkomponenten

• TcpIp-Kernmodul (Systemgrenze: Rote Box, SWS_TCPIP_00052):
  • IPv4: Vermittlungsschicht-Kern für IPv4-Datagramm-Handling, Routing, Fragmentierung und Reassembly. Beinhaltet die Submodule ICMPv4 (Diagnose/Steuerung) und IPsec (Sicherheitsarchitektur auf IP-Ebene).
  • IPv6: Vermittlungsschicht-Kern für IPv6-Datagramm-Handling. Beinhaltet die Submodule ICMPv6, NDP (Neighbor Discovery Protocol) und IPsec.
  • ARP: Address Resolution Protocol zur IP-zu-MAC-Adressauflösung für IPv4.
  • UDP: Verbindungsloses Transportprotokoll (Paketschnittstelle Messages).
  • TCP: Verbindungsorientiertes Transportprotokoll mit Bytestromschnittstelle (Streams).
  • TLS: Transport Layer Security, integriert in das TCP-Subsystem zur gesicherten Stream-Kommunikation.
  • DHCPv4 / DHCPv6: Getrennte Client-Implementierungen zur dynamischen Adresskonfiguration für IPv4 bzw. IPv6.
• Obere Nachbarmodule & Vermittler:
  • Socket Adaptor (SoAd): Kernvermittler zwischen AUTOSAR I-PDU-Semantik und Socket-/Verbindungs-Semantik von TcpIp.
  • PDU Router (PduR), Sd (Service Discovery), DoIP (Diagnostics over IP), HTTP, V2G (Vehicle to Grid): Nutzer und Produzenten von I-PDUs.
  • UdpNm: UDP-basiertes Network Management, direkt mit Socket Adaptor gekoppelt.
• State- & Mode-Management:
  • ComM ↔ BswM: Globale Kommunikations- und Moduskoordination.
  • EthSM (Ethernet State Manager): Koordiniert Netzwerkzustände, Linklayer-Routing, Interface-Betrieb und IP-Adresszuweisung.
• Untere Schichten:
  • Linklayer Sdu Routing: Vermittlungsinstanz in der Hardware-Abstraktionsschicht zwischen Vermittlungsschicht (IPv4/IPv6) und Netzwerkinterface.
  • Eth Interface (EthIf): Abstrahiert Frames an Hardware-Treiber und steuert Transceiver-Zugriffe.
  • Eth Driver und EthTrcv: Hardwaretreiber für Ethernet-Controller und Transceiver.

Schnittstellen & Interaktionspfade

• Data-Plane (Schwarze Pfeile):
  • PDU Router ↔ DoIP, Socket Adaptor, HTTP, V2G: Austausch von I-PDUs.
  • Sd ↔ Socket Adaptor: I-PDU-Austausch.
  • DoIP / HTTP / V2G ↔ Socket Adaptor: I-PDU-Datenaustausch.
  • UdpNm ↔ Socket Adaptor: Bidirektionaler PDU-Austausch.
  • Socket Adaptor ↔ TcpIp:
    • Messages: Paketorientierter Datenaustausch mit UDP.
    • Streams: Bytestromorientierter Datenaustausch mit TCP / TLS.
  • Transport ↔ Network Layer: Vollvermaschte bidirektionale Kopplung (UDP ↔ IPv4, UDP ↔ IPv6, TCP ↔ IPv4, TCP ↔ IPv6).
  • IPv4 / IPv6 ↔ Linklayer Sdu Routing: Übergabe serialisierter Datagramme (Datagram).
  • Linklayer Sdu Routing ↔ Eth Interface: Weitergabe von Link-Layer-SDUs.
  • Eth Interface ↔ Eth Driver: Frame-Übergabe (Eth. Frame).
• Control-Plane (Gelbe Pfeile):
  • ComM ↔ BswM, ComM ↔ Nm, ComM ↔ EthSM.
  • Nm ↔ UdpNm: Propagierung von Netzwerkmanagement-Zuständen.
  • BswM → Sd: Modussteuerung für Service Discovery.
  • DoIP, HTTP, V2G → Socket Adaptor: Modulinterne Steuerbeziehungen.
  • Socket Adaptor ↔ TcpIp: Steuerpfad DHCPctrl zu DHCPv4 und DHCPv6.
  • EthSM → TcpIp, Linklayer Sdu Routing, Eth Interface: Zustands- und Adressierungssteuerung.
  • Eth Interface ↔ EthTrcv / Eth Driver: Transceiver-Status und MII-Zugriff (Mii Read/Write).

3. Dynamisches Verhalten & Sequenzablauf

Typische Betriebsphasen

1. Link-Up & IP-Adresszuweisung (Asynchron / Event-getrieben):
   • Transceiver meldet physikalischen Link an Eth Interface → EthSM registriert den Verbindungsaufbau.
   • EthSM steuert Zustände in Eth Interface, Linklayer Sdu Routing und fordert Adressvergabe im TcpIp-Modul an.
   • Je nach Adresskonfiguration initiieren DHCPv4 bzw. DHCPv6 über UDP die Adressaushandlung, oder es greifen statische Zuweisung bzw. IPv6 SLAAC via NDP/ICMPv6.
   • Statusänderungen der Adresszuweisung werden über DHCPctrl und Callbacks an Socket Adaptor und EthSM signalisiert.
2. Sende-Sequenz (Synchroner Request → Asynchroner Abruf/Bestätigung):
   • PDU-Quelle (PDU Router, DoIP, HTTP, V2G oder Sd) übergibt Daten an den Socket Adaptor.
   • Socket Adaptor ordnet die I-PDU der konfigurierten Socket-Verbindung zu.
   • Paketorientierte Daten laufen via Messages an UDP, Byteströme via Streams an TCP (bei gesicherten Kanälen unter Einbindung von TLS).
   • Transportprotokolle übergeben Segmente/Pakete an die zuständige Netzwerkschicht (IPv4 oder IPv6), wo Adressauflösung (ARP bzw. NDP) und optionale IPsec-Kapselung stattfinden.
   • Datagramme werden an Linklayer Sdu Routing übergeben, von dort an Eth Interface gereicht und als Ethernet-Frame über den Eth Driver auf das physikalische Medium übertragen.
3. Empfangs-Sequenz (Interrupt/Polling → Asynchroner Callback-Pfad):
   • Eth Driver nimmt Ethernet-Frames entgegen und reicht sie an Eth Interface weiter.
   • Linklayer Sdu Routing übernimmt die Demultiplexierung und SDU-Weiterleitung an die Vermittlungsschicht (IPv4 oder IPv6).
   • Die Netzwerkschicht validiert Prüfsummen, wickelt IPsec-Entschlüsselung/Authentifizierung ab und leitet die Nutzlast an UDP oder TCP weiter.
   • Socket Adaptor decodiert die Socket-Nutzlast und reicht die extrahierte I-PDU an das Zielmodul (PDU Router, DoIP, HTTP, V2G oder Sd) weiter.

4. Normative Relevanz & Entwickler-Hinweise

• Rolle des Socket Adaptors:
  • Der PDU Router agiert rein auf I-PDU-Ebene ohne Kenntnis von IP-Adressen oder Sockets. Sämtliche Kommunikation zwischen PDU-Ebene und IP-Stack wird über den Socket Adaptor vermittelt, der I-PDUs auf Sockets mappt.
• Separation von IPv4 und IPv6 (Dual-Stack-Architektur):
  • Die getrennte Ausführung von IPv4 und IPv6 erfordert voneinander unabhängige Puffer- und Tabellenstrukturen: ARP-Tabellen für IPv4 sowie Neighbor-Caches und SLAAC-Zustände via NDP/ICMPv6 für IPv6.
  • Beide Protokollinstanzen binden separat an Transportprotokolle (UDP/TCP) sowie an das unterlagerte Linklayer Sdu Routing an.
• IPsec-Sicherheitsintegration:
  • Die Integration von IPsec in IPv4 und IPv6 verlagert kryptografische Absicherung (Authentifizierung/Verschlüsselung) direkt in die Netzwerkschicht. Dies erfordert Sicherheitsassoziationen (Security Associations), Richtliniendatenbanken (Security Policy Databases) sowie deterministische Rechenzeit- und Pufferallokation für kryptografische Transformationen.
• Linklayer Sdu Routing:
  • Das Einfügen von Linklayer Sdu Routing in der Communication HW Abstraction entkoppelt die IP-Datagramme vom direkten Controller-Interface und ermöglicht gezieltes Routing und Weiterleitung von Link-Layer-SDUs vor der Frame-Generierung im Eth Interface.
• Prozess- und Concurrency-Anforderungen:
  • Zyklische Stack-Funktionen (TcpIp_MainFunctionHandling, Timer für TCP, ARP, NDP und IPsec) müssen konsistent mit den zyklischen Aufrufen von EthSM, EthIf und dem Hardware-Treiber im Taskplan des Betriebssystems orchestriert werden.