vsomeip如何进行跨网段通信

1. 说明

如图1所示，本次将演示vsomeip的跨设备跨网段实验。左边i.MX8M开发板将运行客户端程序，IP地址设置为192.168.100.60，子网掩码为255.255.255.0。相应的，右边开发板运行服务端程序，IP地址设置为192.168.90.60。使用一台搭载Ubuntu20.04系统的笔记本电脑作为网关，分别使用2个USB有线网卡连接开发板。众所周知，两个终端不在同一网段，无法直接通信，因此需要使用一台Linux系统作为网关，连接两台终端，借助网关的路由转发功能进行通信。笔记本电脑的eth0和eth1，IP地址分别为192.168.100.50和192.168.90.10。欲实现vsomeip跨设备跨网段通信，需要依次完成单播跨网段通信、多播转发等工作，以下将分步骤详细阐述。

图1 设备连接图

2. 单播通信设置

2.1 打开网关单播转发功能

出于安全考虑，Linux系统默认禁止数据包转发功能。所谓转发即根据数据包的IP地址将数据包从一块网卡发送到本机的另一块网卡的过程。打开Linux系统IP转发功能，需要配置Linux内核参数net.ipv4.ip_forward。该参数表征Linux系统当前对IP转发功能的支持情况，权限为可读可写，其值为0时表示禁止IP转发，其值为1则表示IP转发功能以打开，如图2所示。

图2 查看Linux系统IP转发功能是否打开

配置Linux内核中的net.ipv4.ip_forward参数存在两种方式。其一为临时设置，系统重启或者对系统网络服务重启后均失效。通过修改内核参数的映射文件即可，对应的指令为：

echo '1' > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

其二为永久设置，使用vi打开/etc/sysctl.conf文件，并取消如图3所示的红色方框处注释，保存后，使用sysctl -p指令进行刷新即可。

为了防止网关拦截或丢弃数据包，设置rp_filter参数为0。rp_filter参数用于控制内核是否开启对数据包源地址校验。其值0为不开启源地址校验，1为严格反向路径校验，2为松散反向路径校验。**(这一步必须做)**

另外，ubuntu系统需要关闭防火墙，关闭的指令为 sudo ufw disable。

图3 /etc/sysctl.conf文件

2.2 配置静态路由

配置静态路由需要用到route指令，常用的参数有add（增加路由）、del（删除路由）、-net（设置到某网段路由）、gw（出口网关IP地址）、dev（出口网关，物理设备名）等，不再赘述。分别在笔记本电脑和i.MX8M开发板上输入如下的指令：

#  i.MX8M开发板（192.168.100.60）
route add -net 192.168.90.0/24 gw 192.168.100.50
# i.MX8M开发板（192.168.90.60）
route add -net 192.168.100.0/24 gw 192.168.90.10

配置完成后，可使用route -n指令查看，如图4和5所示。

图4 i.MX8M开发板（192.168.100.60） 图5 i.MX8M开发板（192.168.90.60）

2.3单播跨网段通信测试

笔记本电脑的IP地址为192.168.90.50，i.MX8M开发板的IP地址为192.168.100.60，使用ping指令进行测试，如图6所示，结果表明，单播跨网段通信正常。

图6 单播跨网段通信测试

3. 路由组播转发设置

3.1 组播转发说明

vsomeip的服务发现需要使用到组播功能，而在跨网段通信过程中，如何通过S32G进行组播数据转发，是一个首先需要解决的问题。

查看Linux内核中的组播转发功能是否开启，可以使用指令：

cat /proc/sys/net/ipv4/conf/all/mc_forwarding

需要注意的是，mc_forwarding为只读文件，因此无法使用上文中操作单播路由转发的方式。只有在通过配置，正确打开了Linux组播转发功能，该参数才能变为1。如图7。

图7 mc_forwarding组播转发参数

IP组播模块提供了创建和删除转发缓存的基本功能，但只有通过组播路由协议守护进程（通常是mrouted），依靠路由协议（如静态路由、OSPF、RIP、PIM）来生成转发缓存，才能真正实现组播功能。组播较为复杂，具体实现原理等可自行查阅相关资料。具体到组播转发功能，简言之，需要具备的前提条件为组播转发缓存和组播路由协议守护进程。组播转发缓存（MFC）更新操作完全由与内核交互的外部用户模式进程提供服务。内核是否支持组播功能，可通过如图8和9所示的两种方式查看。本次测试使用PIM-SM协议，因此其对应的组播路由协议守护进程可为开源软件pimd。

图8 查看内核是否支持组播（方式一） 图9 查看内核是否支持组播（方式二）

3.2 pimd的交叉编译及应用

pimd是一个轻量级、独立的PIM-SM/SSM组播路由守护进程，该程序起源于mrouted。设置好交叉编译工具链后，参照如下指令进行交叉编译，编译好的程序如图10所示。若在ubuntu环境中，可直接 apt 安装pimd。

./configure --prefix=<.../your_install_dir>
make
sudo make install

注意事项：

在编译过程中，若提示找不到libite目录下的一些cpp文件，可下载libite，然后将libite/src文件放置到/pimd/libite。

图10 交叉编译成功的pimd程序

通过pimd -d可查看pimd运行信息，pimd -q停止pimd程序，整个通信过程，pimd持续运行。更多指令可通过pimd -h查看。

3.3 Linux组播相关指令

• ip_mr_vif

ip_mr_vif中列出了组播路由中涉及的两个网络接口（eth0和eth1），pimreg为组播管理代码注册的虚拟设备。指令：more /proc/net/ip_mr_vif

图11 PC ip_mr_vif参数

• ip mroute show

图12 PC 查看组播路由表

4. vsomeip源码修改与运行配置

4.1 vsomeip源码修改

vsomeip中没有对多播的生存时间（TTL,Time To Live）进行设置，跨网段通信中需要进行补充，参照图13修改vsomeip源代码，需修改源码的文件为:

<vsomeip_Dir>/implementation/endpoints/src/udp_server_endpoint_impl.cpp

图13 vsomeip源码修改

4.2启动pimd守护进程

在笔记本电脑（充当网关）上运行pimd守护进程，运行指令为：sudo pimd -d。运行成功后可通过指令：sudo pimd -r查看路由表，如图14所示。通过图15中的mc_forward参数可以看出，linux内核中的多播转发功能已启动。

图14 pimd路由表 图15 mc_forward参数

4.3 vsomeip运行配置

跨设备运行vsomeip程序需要修改配置文件以及在路由表中添加多播地址，以客户端为例，可参照下图进行设置。

# 运行, 自行修改
sudo sh ./run_client_request_fu.sh

图16 client.json配置文件 图17 run_client_request_fu.sh脚本文件

5. vsomeip跨网段实验结果

vsomeip跨网段跨设备运行结果如图18所示，由图可知，服务端与客户端已经成功建立通信。真实实验环境如图19，至此，实验结束。

图18 vsomeip跨网段跨设备运行结果 图19 真实实验设备

6. vsomeip跨网段通信问题分析与解决思路

6.1 网络TTL与vsomeip TTL区分

关于网络概念中的TTL，首先需要做出解释，并与vsomeip中的TTL区分。计算机网络概念中的TTL是指IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量（跨路由器数量）。数据包经过一次路由器，其值减一，当值减至0时，路由器将取消该数据包的转发。其单位可以理解为“跳”。

而vsomeip中的TTL，值得是服务发现的生存时间，其单位为秒。其值一般在配置文件中赋值，如图20所示。

图20 vsomeip 服务发现TTL

6.2 问题分析与解决思路

分析过程分为两个阶段，第一阶段的分析过程参照图21所示的系统设备连接图进行。其结论为：网关组播转发不成功。第二阶段继续探究组播转发不成功原因，并成功定位问题，其设备连接图参照图1。

图21 系统设备连接图

单播通信成功后，首先在服务端设置组播，命令为：

sudo route add 224.224.224.245 dev <网卡名称>

然后在S32G上运行pimd程序，笔记本电脑与i.MX8M开发板分别运行vsomeip服务端与客户端程序。如图21所示。由图22可知，vsomeip服务端与客户端没有通信成功。预期的结果应如图23所示。

图22 当前vsomeip跨网段通信实验结果 图23 预期vsomeip通信实验结果

由图24可知，S32G开发板内核的组播转发参数mc_forwarding已经置为1，说明内核组播转发已经打开。图25为组播路由协议守护进程pimd运行log，由图可知，pimd选择IP地址192.168.100.90作为组播汇聚点，并且客户端192.168.90.50（PC）已经加入组播组。不过，通过 ip_mr_vif已知，终端数据可以进入，但无法转发，如图26。查看组播路由表，如图27，可以看出Iif存在而Oifs未找到。目前可以得出的结论为S32G组播转发不成功。

图24 mc_forwarding组播转发参数 图25 pimd程序运行log 图26 ip_mr_vif结果 图27 ip mroute show结果

第二阶段继续探索组播转发不成功问题。首先使用wireshark工具进行网络抓包，抓取点如图28所示。如图29与30所示，由图可知，客户端的消息可以成功进入网关，而进一步分析其UDP包可知，其数据包的TTL为1。结合前文说明可知，数据包经过网关，TTL减至0，系统将数据丢弃。因此路由器另一端的开发板无法收到信息。

图28 wireshark进行网络抓包 图29 分析UDP数据包 图30 分析UDP数据包

在进行源码修改后，跨网段通信成功。从图31处进行抓包，并进行分析，如图32所示，其TTL值从5减到4。其结果表明确实是TTL的问题。

图31 wireshark进行网络抓包 图32 UDP数据包分析

6.3 错误排查思路

• 单播通信问题（这是前提）
• 多播TTL问题
• 系统防火墙问题
• linux rp_filter 网络包校验过滤问题
• PIMD RP（汇聚点）问题