Figure 2: 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 (R4.2.2 / R4.3.1).
• Funktionale Einordnung (AUTOSAR Layer):
  • Communication Services: Beherbergt Management-Module (ComM, BswM, Nm, EthSM), Socket-basierte Netzwerkverwaltung (UdpNm), PDU-/Service-Nutzer (PduRouter, Sd, HTTP, DoIP, V2G), den Adaptierungs-Layer SoAd sowie das Kernmodul TcpIp.
  • Communication HW Abstraction: Modul EthIf (Ethernet Interface) zur Entkopplung höherer Schichten von Controller-/Transceiver-Topologien sowie 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):
  • IP v4/v6: Zentraler Vermittlungsschicht-Kern (Dual-Stack) für Datagramm-Routing, Fragmentierung und Reassembly.
  • ARP/NDP: Adressauflösungsprotokolle für IPv4 (Address Resolution Protocol) bzw. IPv6 (Neighbor Discovery Protocol).
  • ICMP: Kontroll- und Fehlerdiagnoseprotokoll (ICMPv4/ICMPv6).
  • UDP: Verbindungsloses Transportprotokoll (Paket-Interface).
  • TCP: Verbindungsorientiertes Transportprotokoll mit Fluss- und Überlastkontrolle (Bytestrom-Interface).
  • TLS: Optionale Schicht für Transport Layer Security (Secure Streams, gestrichelt dargestellt).
  • DHCP: Client-Implementierung für dynamische IPv4/IPv6-Adresskonfiguration (DHCPv4/DHCPv6).
  • DNS: Namensauflösungs-Client (Domain Name System, gestrichelt / optional).
• Obere Nachbarmodule & Vermittler:
  • SoAd (Socket Adaptor): Kernvermittler zwischen AUTOSAR I-PDU-Semantik (PduR, DoIP, Sd, HTTP, V2G) und Socket-/Verbindungs-Semantik (TcpIp).
  • Pdu Router (PduR), Sd (Service Discovery), HTTP, DoIP (Diagnostics over IP), V2G (Vehicle to Grid): Konsumenten und Produzenten von I-PDUs.
  • UdpNm: UDP-basiertes Network Management, kommuniziert direkt bidirektional mit SoAd.
• State- & Mode-Management:
  • ComM ↔ BswM: Globale Kommunikations- und Moduskoordination.
  • EthSM (Ethernet State Manager): Steuert Netzwerkzustände und koordiniert EthIf sowie TcpIp (IP-Adresszuweisung, Link-Up/Down).
• Untere Schichten:
  • EthIf: Abstrahiert Frames an TcpIp (Datagram) und steuert Eth Driver (Eth. Frame) sowie EthTrcv (Mii Read/Write).

Schnittstellen & Interaktionspfade

• Data-Plane (Dunkelgraue/Schwarze Pfeile):
  • PduR / Sd / HTTP / DoIP / V2G ↔ SoAd: Übergabe von I-PDUs via <User>_Transmit / SoAd_RxIndication / SoAd_TxConfirmation.
  • SoAd ↔ TcpIp:
    • Messages (UDP): Datagramm-/Paketaustausch via TcpIp_UdpTransmit / SoAd_RxIndication.
    • Streams (TCP): Bytestromorientierte Schnittstelle (TcpIp_TcpTransmit, SWS-Ringpuffer-/Segmentabruf).
    • Secure Streams (TLS): Verschlüsselte TCP-Payloads.
  • UDP / TCP ↔ IP v4/v6: Paket- bzw. Segmentübergabe.
  • IP v4/v6 ↔ EthIf: Serialisierte Datagramme (Payload in Ethernet-Frames kapseln).
  • EthIf ↔ Eth Driver: Übergabe vollständiger Ethernet-Frames (Eth_Transmit / Puffer-Deskriptoren).
• Control-Plane (Gelbe Pfeile):
  • EthSM → TcpIp: Triggert Request/Release von IP-Adressbereichen (TcpIp_RequestIpAddrAssignment, TcpIp_ReleaseIpAddrAssignment).
  • SoAd ↔ DNS / DHCP: DNSCtrl (Triggern von Hostnamen-Auflösungen) und DHCPctrl (Statusabfragen/Adressleases).
  • ComM ↔ Nm ↔ UdpNm: Propagierung von Netzwerkzuständen.
  • EthSM ↔ EthIf ↔ EthTrcv / Eth Driver: Transceiver-Link-Status-Handling und Controller-Moduswechsel.

3. Dynamisches Verhalten & Sequenzablauf

Typische Betriebsphasen

1. Link-Up & IP-Adresszuweisung (Asynchron / Event-getrieben):
   • Transceiver meldet physikalischen Link an EthIf → EthSM registriert Link-Up.
   • EthSM fordert über Steuerpfad Adressvergabe im TcpIp-Modul an.
   • Je nach Konfiguration triggert TcpIp intern statische Zuweisung, Auto-IP (IPv4 Link-Local), DHCP-Aushandlung (DHCP-Client über UDP via Broadcast) oder IPv6 Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC via NDP/ICMPv6).
   • Nach erfolgreicher Zuweisung meldet TcpIp den Status asynchron via Callback SoAd_LocalIpAddrAssignmentChg an SoAd und EthSM.
2. Sende-Sequenz (Synchroner Request → Asynchroner Abruf/Bestätigung):
   • PDU-Quelle (z. B. DoIP oder PduR) ruft SoAd_IfTransmit / SoAd_TpTransmit auf.
   • SoAd mappt die PDU auf die zugehörige Socket-Verbindung (Socket ID).
   • Bei UDP: Aufruf von TcpIp_UdpTransmit. Datenpuffer wird im Stack verpackt (IP-Header, ARP-Auflösung falls MAC unbekannt).
   • Bei TCP: Aufruf von TcpIp_TcpTransmit. Daten werden im TCP-Sendepuffer zwischengespeichert und bei Bestätigung freigegeben.
   • Frame-Übergabe an EthIf_ProvideTxBuffer / EthIf_Transmit → Weitergabe an Eth Driver.
3. Empfangs-Sequenz (Interrupt/Polling → Asynchroner Callback-Pfad):
   • Eth Driver empfängt Frame im Rx-Interrupt oder per Eth_MainFunctionRead.
   • EthIf_RxIndication prüft EtherType (IPv4: 0x0800, IPv6: 0x86DD, ARP: 0x0806) und übergibt an TcpIp_RxIndication.
   • IP v4/v6 verifiziert Prüfsummen/Header, behandelt ggf. Reassembly und routet payload-abhängig:
     • Port-Demultiplexing in UDP oder TCP.
     • Weiterleitung an SoAd_RxIndication.
     • SoAd decodiert Socket/PDU-Header und reicht I-PDU an PduR, Sd oder Zielmodul weiter.

4. Normative Relevanz & Entwickler-Hinweise

• PDU-Router vs. Socket-Paradigmenwechsel:
  • Der PduR beherrscht kein natives Socket-Handling (Verbindungsaufbau, IP-Adressen, Ports). Sämtliche Ethernet-Kommunikation oberhalb von Layer 4 muss zwingend über den SoAd geführt werden (SWS_TCPIP_00052), der Socket-Connections auf statische oder dynamische PDU-Routen mappt.
• Speicher- und Pufferarchitektur (Zero-Copy vs. Copy):
  • EthIf/Eth Driver stellen Hardware-Deskriptorpuffer bereit. Der TcpIp-Stack benötigt für TCP zwingend einen eigenen Retransmission-Puffer (Payload muss bis zum Empfang des ACK vorgehalten werden).
  • Bei UDP-Transfers muss der Treiber- oder Stack-Entwickler sicherstellen, ob Zero-Copy unterstützt wird; andernfalls führt Pufferübernahme vor Frame-Versand zu Speicherüberschreibungen.
• Dual-Stack & Ressourcenbedarf:
  • Bei simultaner Aktivierung von IPv4 und IPv6 (IP v4/v6) müssen ARP-Tabellen, Neighbor-Caches (NDP) und MTU-Größen separat dimensioniert werden. ICMPv6 ist für IPv6 normativ verpflichtend (SLAAC, Router Solicitations).
• Konfigurationsverträge (ARXML / BSW-Modell):
  • TcpIpGeneral: Bestimmt globale Schalter wie TcpIpIpV4Enabled, TcpIpIpV6Enabled, TcpIpTcpEnabled, TcpIpUdpEnabled.
  • TcpIpLocalAddr: Statische Zuordnung von IP-Adressen zu EthIf-Controllern.
  • SoAdConfig: Exakte Definition von SoAdSocketConnectionGroup und Zuordnung zu PduR-Routen.
• Reentrancy- und Concurrency-Restriktionen:
  • Datenpfade (*_Transmit, *_RxIndication) sind häufig reentrant pro Socket/Controller, aber die zyklischen Task-Aufrufe (TcpIp_MainFunctionHandling, Eth_MainFunctionRead/Write, EthSM_MainFunction) müssen deterministisch in OS-Tasks eingeplant werden, um TCP-Timer (Retransmit, Keep-Alive, 2MSL) präzise einzuhalten.