呂 鴻，戶江民，付林強，楊 曉

(重慶金美通信有限責任公司，重慶400030)

0 引言

RTI DDS是由Real－Time Innovation公司開發(fā)實現的，這也是第一個支持DDS規(guī)范的商業(yè)產品。DDS針對實時系統(tǒng)的數據發(fā)布/訂閱需求設計，支持多種數據分發(fā)模式和數據分發(fā)策略，其前身為美國RTI公司的NDDS產品，由于美國軍方對裝備技術開放性的強制要求，RTI公司2003年將NDDS接口公開后提交到OMG組織，最終于2004年發(fā)布了DDS標準，同年6月，美國國防部信息技術標準局選定DDS作為GIG的強制性數據發(fā)布/訂閱規(guī)范，作為以數據為中心進行系統(tǒng)集成的實時數據總線標準。目前被廣泛應用于任務要求十分苛刻的場合，包括:作戰(zhàn)管理、航空航天、美國國家鐵路網、空中交通流量控制、交通流量監(jiān)控、金融交易處理以及工業(yè)自動化等。RTI DDS實現了完整的DCPS，不支持DLRL，它獨立于操作系統(tǒng)和編程語言，極大地方便了不同系統(tǒng)之間的通訊。系統(tǒng)設計者通過可擴展的傳輸框架結構連接多個物理端點，傳輸方式包括以太網絡、共享內存、背板或其他連接方式［1］。

1 DDS簡介

DDS標準規(guī)范了實時分布式系統(tǒng)中數據發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數據為中心的發(fā)布/訂閱機制。DDS規(guī)范使用UML語言描述服務，提供了一個與平臺無關的數據模型(這個模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言)［2］。DDS標準簡化了實時分布式系統(tǒng)中數據高效、可靠地發(fā)布，它主要應用在要求高性能、可預見性和對資源有效使用的關鍵任務領域［3］。

圖1 DDS 總線模型［4］Fig．1 DDSbus model

應用程序在處理以數據為中心的分布式系統(tǒng)時，DDS標準中間件可以幫助用戶使用更加簡單的編程模型［5］，不需要開發(fā)特定的事件/消息機制或手動創(chuàng)建封裝的CORBA對象來獲取遠程數據。應用程序可以使用一個簡單的主題(Topic)名稱來指定它想要讀或寫的數據，以及使用以數據為中心的API來直接讀寫數據。DDS中以數據為中心的發(fā)布/訂閱(DCPS)模型構建了一個共享的“全局數據空間”的概念，所有的數據對象都存在于此空間中，分布式節(jié)點通過簡單的讀、寫操作便可以訪問這些數據對象［6］。實際上，數據并非存在于所有計算機的地址空間中，它僅存在于那些對它感興趣的應用程序的本地緩存中。

本文通過對RTIDDS進行充分的分析研究，將其應用到業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)中，利用DDS的總線功能，將系統(tǒng)消息擴展到DDS總線上，本文對DDS的設計、實現原理、最終結果等進行了詳細介紹。

2 業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)

業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)是某戰(zhàn)術網絡中用來實現對當前戰(zhàn)術網絡的業(yè)務進行管理，并實時監(jiān)控網絡的資源利用情況，根據實際資源使用的使用情況，對網絡資源進行優(yōu)化。通信業(yè)務管理與資源優(yōu)化軟件采用模塊化設計架構，業(yè)務管理中心與界面視圖解耦。后臺通信服務與戰(zhàn)術網絡中的交換設備之間利用專用協議進行通信，從戰(zhàn)術網絡交換設備上收集設備當前的業(yè)務狀態(tài)和網絡資源利用狀態(tài)，并將收集到的數據通過定義好的端口推送給前臺界面。前臺界面為一圖形化操作界面，主要用來展現網絡當前的網絡資源利用情況，同時對網絡資源的利用進行調整命令的下發(fā)。其軟件模型如圖2所示。

圖2 業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)模型Fig．2 Business management and resource optimization system model

在該系統(tǒng)中，前臺模塊與后臺通信服務采用Socket進行通信，已經實現很好的解耦合，由于網絡資源利用情況是網絡中一個非常重要的信息，各使用終端都想及時掌握這一情況，并根據網絡信道資源利用情況來展開下一步的工作部署。但是由于目前的系統(tǒng)設計為單點對應設計，一個前臺模塊對應一個后臺服務，無法將結果同時展現給多個關注者，為了實現能夠同時將網絡資源使用結果展現給多個關注者，引入成熟的DDS中間件，利用DDS將消息拓展到多個前臺同時使用。

3 DDS拓展應用設計

3． 1 RTI DDS 的優(yōu)點

接口標準化:RTI DDS產品符合對象管理組織(OMG)的數據分發(fā)服務DDS標準，DDS提供了軟件應用編程接口的標準。

QoS保障:DDS在為實時系統(tǒng)應用開發(fā)者提供高級抽象的同時，還能控制部署實時系統(tǒng)所需的QoS(Quality of Service)策略。RTI DDS還允許應用預分配資源、提高可靠性和實時確定性。

3． 2 軟件拓展架構設計

軟件的前臺操作界面與后臺通信服務采用Socket進行通信，因此在操作界面和通信服務之間引入DDS。DDS數據服務總線同時對應一個后臺處理模塊和多個操作界面前臺操作界面，實現將后臺數據實時拓展同步到多前臺界面的功效。如果要在另一臺計算機平臺上實現前臺操作界面的部署，只需要在該計算機上配置好DDS拓展服務和前臺操作界面，前臺操作界面采用原有的通信方式與DDS之間進行信息交互，DDS拓展服務則與其它計算機上DDS拓展服務進行實時協作通信，形成一條可靠高效的信息數據總線，如圖3所示。

圖3 業(yè)務管理與資源優(yōu)化DDS拓展Fig．3 Business management and resource optimization of DDSdevelopment

從圖3的軟件架構圖可知，DDS利用自身的通信功能將特有的數據同步到所有已部署DDS拓展服務的計算機終端上。但從前臺界面與后臺處理服務的關系上看，為保證原有系統(tǒng)地完整性，在引入DDS拓展服務之后，前臺操作界面與后臺通信服務仍采用原來的通信方法和通信協議，不做任何業(yè)務代碼的修改，只需要在后臺通信服務模塊中修改通信的端口號，將其掛接到DDS服務上。如圖4所示，在加入DDS之前后臺通信服務利用9800端口發(fā)送信息給前臺操作界面，前臺操作界面利用9801端口發(fā)送信息給后臺通信服務;在加入DDS拓展服務之后，DDS拓展服務接替了原后臺通信服務的端口，利用9800端口發(fā)送信息給前臺操作界面，監(jiān)聽9801端口，截獲前臺發(fā)送給后臺通信服務的信息。另外新建立一個9803端口，用來監(jiān)聽后臺通信服務發(fā)送的信息，同時利用9802端口將前臺操作界面發(fā)送的信息轉發(fā)給后臺通信服務。DDS拓展服務的模塊設計如圖5所示。

圖4 DDS拓展接口Fig．4 DDSexpansion interface

圖5 DDS拓展服務模型Fig．5 DDSexpanded － service model

DDS模塊截取資源管理服務模塊的UDP信息，將該信息以數據流的方式直接公布到DDS總線上，在其他終端上的DDS參與者監(jiān)聽到該信息時，接收該信息，同時將該信息以數據流的方式通過Socket還原發(fā)送給前臺界面，保證了前臺模塊與資源服務模塊之間的原有通信方式。

DDS參與者設計時采用了兩個Socket，分別用于與前臺模塊通信和與資源管理服務模塊通信，當前臺Socket監(jiān)聽到前臺的UDP命令時，本模塊從Socket中收下所有的數據，利用前臺DDS發(fā)布者將該數據發(fā)布到DDS總線上，前臺DDS監(jiān)聽者如果從DDS總線上監(jiān)聽到消息，則將該消息利用Socket進行信息還原，發(fā)送給資源管理服務模塊;反之，當資源管理服務Socket監(jiān)聽到資源管理服務模塊的消息時，本模塊從Socket中收下所有數據，利用資源管理DDS發(fā)布者將該數據發(fā)布到DDS總線上，資源管理服務DDS監(jiān)聽者如果從DDS總線上監(jiān)聽到信息，則將該消息利用Socket進行信息還原，發(fā)送給前臺模塊。

DDS拓展服務的設計遵循獨立通用的原則。該模塊設計時屏蔽內部實現的賦值細節(jié)，對外提供了一個監(jiān)聽接口和一個發(fā)布接口。監(jiān)聽接口用于監(jiān)聽程序監(jiān)聽總線上所有感興趣的數據，一旦監(jiān)聽數據更新，DDS拓展服務會同步更新所有監(jiān)聽者的數據，監(jiān)聽程序即可實時自動更新人機界面顯示;發(fā)布接口用于終端軟件將自身的重要信息發(fā)布到數據總線上，供其他對該信息感興趣的終端使用。該模塊是一個通用的模塊，除了可用于本項目之外，還可以用于其它類似的軟件系統(tǒng)中，使一對一的信息通信輕松擴展為一對多、多對多的通信。

4 軟件應用效果

4． 1 測試環(huán)境搭建

利用一個試驗環(huán)境來測試驗證DDS拓展在業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)中的應用成效。網絡環(huán)境如圖6所示。該測試環(huán)境利用6臺戰(zhàn)術通信交換機進行搭建，在其中一臺戰(zhàn)術交換機上的用戶端口上配置一臺服務器(管理中心)，在該計算機終端使用網段內拓展連接了6臺客戶端，在核心IP為2．0．0．6的交換機下也掛6臺客戶端，由此來檢驗DDS拓展服務能否實時可靠地將網絡資源利用情況的數據同步到整個網系中的多個前臺操作界面。

圖6 戰(zhàn)術網絡測試環(huán)境Fig．6 Tactical network test environment

4． 2 軟件組成及部署

針對上述試驗環(huán)境，有1個服務器與12個客戶端需要部署。服務器與客戶端的軟件部署稍有不同，其具體部署如下:DDS拓展后，將該軟件的服務器部署在管理中心上，而其他終端上部署客戶端。實現一個服務，多個前臺界面的效果。

圖7 軟件組成Fig．7 Software composition

如圖7所示，本軟件分為三個部分，“業(yè)務管理與資源優(yōu)化服務”實現與交換網絡的業(yè)務配置和管理功能;“DDS拓展服務”用于將資源優(yōu)化服務和前臺界面的數據通過DDS數據總線進行拓展，保證多個前臺能夠和資源優(yōu)化服務通信;“前臺界面”實現對業(yè)務管理和資源優(yōu)化的所有功能的界面展現。服務器上需要部署所有部件，客戶端上只需部署“DDS拓展服務”和“前臺界面”。

如圖6所示試驗環(huán)境的域1與域2不在同一個局域網內，對于跨域通信需要做如下配置:首先在服務器端PC機所在環(huán)境變量中增加一個DDS的查找節(jié)點信息，變量名為 NDDS_DISCOVERY_PEERS，變量值為 1@builtin．udpv4://10．0．1．10，2@builtin．udpv4://127．0．0．1。其中 10．0．1．10 用于指向客服端7的IP地址，便于DDS在跨路由時與遠端節(jié)點通信［6］。其次，在客服端7的PC機上也要配置同樣一條環(huán)境變量，只是該項配置的IP地址指向服務器的計算機IP地址，其環(huán)境變量值為:1@builtin．udpv4://10．0．0．5，2@builtin．udpv4://127．0．0．1。

4． 3 試驗結果

在驗證時使用了13臺計算機，一臺計算機上運行服務端和客服端，在其它12臺機器上運行客服端。業(yè)務管理與資源優(yōu)化服務器端的后臺服務實時監(jiān)控搭建網絡中的信道資源利用情況，當檢測到網絡信道資源利用情況發(fā)生變化時，將該數據通過DDS拓展服務同步更新所有的前臺監(jiān)控界面，本實驗過程中通過人為調整網絡信道的資源利用率來觀察客戶端終端軟件界面上的結果顯示是否同步。

分別實現了多臺計算機在同一個局域網內、跨路由情景下的各種驗證，通過觀察比對所有客戶端終端上的資源數據能夠保持實時同步，其相關效果圖如圖8所示。

圖8 信道資源利用預警Fig．8 Signal warning map channel resource utilization

當從一個點 2．0．0．1 向另一個點2．0．0．2 發(fā)送指定大小的數據量時，使發(fā)送信到的資源利用達到50% ～70%之間，此時在12臺客戶端界面上能夠同時反映出該鏈路提示橙色預警。繼續(xù)加大點2．0．0．1向點 2．0．0．2 發(fā)送的數據量，使其信道占用提升到大于70%，讓其信道提示紅色預警，此時所有在線的12臺客戶端前臺程序也能夠實時同步告警信息，并正確顯示。

通過本試驗分析可以看出，DDS拓展服務能夠實時可靠地將數據擴展到數據總線上，各客戶端能夠實時從總線上提取數據并在人機界面上展現出來。

5 結語

業(yè)務管理與資源優(yōu)化服務系統(tǒng)是一套已運用于戰(zhàn)術網絡中的資源管理軟件，為了保證整個軟件的可靠性在原系統(tǒng)上進行設計升級是一個不明智的選擇。在本項目中可靠、高效地引入DDS拓展服務，既保留了原有系統(tǒng)完整性、可靠性，又在使用功能上進行了提升。這主要得益于DDS的諸多優(yōu)點:由于RTI DDS的發(fā)布/訂閱結構直接和易于理解，開發(fā)者可以將大量的時間集中用于他們的應用而不是在通訊結構上。由于RTI DDS的一致性，模塊化和開放的API接口，用戶可以快速入門使用，不需要對網絡編程。RTI DDS具有無與倫比的可靠性。它支持可掌控的數據傳輸并包括很多用戶可配置的QoS策略，這些策略使得設計者能夠更加靈活地應用。RTI對DDS規(guī)范的實現中選擇P2P的結構，消除了所有中心服務端可能的死機或崩潰，沒有單點失敗的可能。由于DDS實例不共享地址空間，應用程序之間相互隔離，可以避免內存崩潰。在業(yè)務管理與資源應用中引入DDS拓展服務只是牛刀小試，DDS能夠在更多的項目中展現其強大的功能。

［1］ OMG．Data Distribution Service for Real－ time Systems，version 1．2．［EB/OL］．(2007－1－1)［2014 －11 －3］．http://www．omg．org/spec/DDS/1．2．

［2］ OMG．Data Distribution Service for Real－time Systems Specification version 1．1［EB/OL］．(2005 － 12 － 4)［2014 －11 －5］．http://www．omg．org/spec/DDS/．

［3］ SCHNEIDER S，FARABAUGH B．Using the DDSStandard for High Reliability Applications［R］．Real－ Time Innovation，Inc．2004．

［4］ RTI．RTI DDS User Manual［EB/OL］．［2014 － 11 －13］．http://www．rti．org，2011．

［5］ 楊震，陽洋．基于DDS規(guī)范的戰(zhàn)場信息分發(fā)中間件平臺研究［J］．通信技術，2009，42(12):185 －187．

Yang Zhen，Yang Yang．Study On BattleField Information Distribution Middleware Platform Based on DDS．Communication technology．2009，42(12):185－187．

［6］ GERARDOPC．Data－Distribution Service(DDS):Architectural Update［R］．OMG．2004．