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基于軟件定義資源的實時控制CPS數(shù)據(jù)傳輸機制*

蔣俊，黃傳河，華超，胡海橋，彭暉

(武漢大學(xué)計算機學(xué)院地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072)

摘要：信息物理融合系統(tǒng)CPS是當前最前沿的交叉研究領(lǐng)域之一，具有廣泛的應(yīng)用前景，其研究和發(fā)展離不開數(shù)據(jù)傳輸與管理技術(shù)的支持。提出了一種基于軟件定義資源的CPS模型，通過采用映射資源描述文件的方式實現(xiàn)資源的分配與調(diào)度；在此模型的基礎(chǔ)上提出了一種實時控制CPS數(shù)據(jù)傳輸模式，這種數(shù)據(jù)傳輸模式以中間件形式實現(xiàn)，中間件對CPS的消息采用序列化與反序列化的機制傳輸，可以滿足CPS跨平臺、跨網(wǎng)絡(luò)、實時性的要求；設(shè)計了一種CPS消息傳輸?shù)穆窂?，以提高傳輸效率。實驗結(jié)果表明，所提出的數(shù)據(jù)傳輸序列化機制是可行的。

關(guān)鍵詞：信息物理融合系統(tǒng)；軟件定義資源；實時系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸機制；跨平臺

1引言

隨著計算技術(shù)、通信技術(shù)、新型傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，信息物理融合系統(tǒng)CPS(Cyber-Physical System)開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)并得到快速發(fā)展。CPS作為當前最前沿的交叉研究領(lǐng)域之一，是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理世界的復(fù)雜系統(tǒng)，通過計算技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)信息世界和物理世界的緊密融合[1,2]。

CPS是一種深度嵌入式實時系統(tǒng)，集傳感、控制、計算及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，是通過網(wǎng)絡(luò)將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接在一起而構(gòu)成的一種大型的、異構(gòu)的、分布式實時系統(tǒng)。在CPS中，所有計算模塊、通信模塊、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、物理實體、包括人自身都可以被視為系統(tǒng)中的物理組件，CPS實現(xiàn)對各物理組件的遠程控制和通信，是一個感知并控制的過程。同時，CPS組件間具有自主交互和自治能力，其目的是通過更廣泛的互聯(lián)互通、更透徹地認知物理世界，更有效地控制物理世界，使信息世界與物理世界緊密融合，實現(xiàn)對物理世界安全、可靠、高效、實時的感知和控制[3~5]。

CPS需要管理由不同感知設(shè)備產(chǎn)生的多模態(tài)數(shù)據(jù)[6]。目前，關(guān)于CPS數(shù)據(jù)管理的研究還很少，僅局限于傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸和存儲技術(shù)的研究[7]。由于CPS是一個異構(gòu)的、分布式實時系統(tǒng)，如何針對這個復(fù)雜的系統(tǒng)提出一個完善的通信模式，同時還要兼顧通信的實時性和準確性是一個重大挑戰(zhàn)。在這種背景下，本文提出一種基于軟件定義資源的CPS系統(tǒng)模型，旨在通過應(yīng)用程序來對CPS系統(tǒng)中的各種資源部件進行實時控制，同時在此基礎(chǔ)上定義了一種實時控制CPS數(shù)據(jù)傳輸機制，適應(yīng)CPS異構(gòu)、跨平臺的特點。

2軟件定義資源及實時CPS模型

軟件定義的概念在很多年前就已經(jīng)被提出，它衍生出許多不同領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)方法。繼軟件定義無線電的提出之后[8]，人們越來越傾向于在不修改硬件平臺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上僅僅通過改變軟件來改變系統(tǒng)的功能，這種靈活性帶來的影響是巨大的，軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN(Software Defined Network)、軟件定義數(shù)據(jù)中心SDDC(Software Defined Data Center)、軟件定義存儲SDS(Software Defined Storage)等技術(shù)也應(yīng)運而生。SDN是一種創(chuàng)新的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種技術(shù)能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制層面更好地分離開來，集中地控制網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，無論是研究人員還是網(wǎng)絡(luò)管理人員都可根據(jù)頂層服務(wù)或網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用構(gòu)建和呈現(xiàn)邏輯的全網(wǎng)視圖，完成網(wǎng)絡(luò)分片和底層網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，從而為形式各異的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供靈活的承載服務(wù)或協(xié)議[9,10]。

借助于SDN中控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、集中管控的思想，本文在CPS中采用一個決策中心管理單元域內(nèi)的所有資源部件，它負責單元域內(nèi)的控制與計算工作，并對全局資源進行集中管控；消息機作為轉(zhuǎn)發(fā)消息的部件，負責對消息進行轉(zhuǎn)發(fā)?；诖?，本文提出一種基于軟件定義資源的CPS系統(tǒng)模型，如圖1所示。

Figure 1　CPS model of real-time controlling圖1　實時控制CPS模型

信息世界與物理世界的相互作用通過如圖1所示的CPS模型完成。在這個模型內(nèi)包含以下幾個主要組成部分：

(1)傳感器、執(zhí)行器。傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點、傳感器與執(zhí)行器組合節(jié)點分布在物理世界，它們均可視為CPS系統(tǒng)中的資源部件。傳感器節(jié)點實現(xiàn)對物理世界直接感知，通過識別物體與采集信息，將用戶需要或者感興趣的數(shù)據(jù)傳遞給消息機，類似人類眼睛的作用；執(zhí)行器節(jié)點負責接收消息機發(fā)送過來的控制命令，并根據(jù)控制命令操控物理世界的對象，進而實時正確地控制物理世界，類似人類雙手的作用。

(2)消息機。消息機用來處理消息在CPS系統(tǒng)中的傳輸，類似于消息中轉(zhuǎn)站，具有四種處理消息的方式。第一種是接收物理世界中傳感器反饋過來的消息，并將這些消息傳遞給決策中心；第二種是接收物理世界中傳感器反饋過來的消息后，直接將其傳遞給其連接的某個執(zhí)行器；第三種是接收決策中心下發(fā)的控制命令，并將命令傳遞給物理世界中的某個執(zhí)行器或者某些執(zhí)行器，再由執(zhí)行器去執(zhí)行；第四種是將從物理世界或決策中心接收到的消息在消息機之間傳遞，根據(jù)各自傳輸?shù)穆窂綄⑦@些消息傳遞到相應(yīng)目的地，這樣做一方面可以減少消息機與決策中心的交互，一定程度上減輕通道的負載壓力，另一方面也可以更加迅速地傳遞消息。

(3)決策中心。作為單元域內(nèi)整個CPS模型的大腦，決策中心具有計算功能、控制功能、處理消息命令功能以及定制應(yīng)用的功能等。它是用戶與CPS系統(tǒng)交互的接口，通過決策中心，用戶可以查看物理世界的實時狀況、接收物理世界反饋的信息、發(fā)送調(diào)整控制命令等。決策中心是一個可編程的信息中心，當用戶不干涉時，決策中心會自主運行，自行按照既定的程序?qū)φ麄€CPS系統(tǒng)進行監(jiān)控與決策，并對發(fā)生的各種情況分類別地記錄日志。在決策中心自主運行時，如果發(fā)生異常情況，決策中心會對用戶發(fā)出報警信息；當用戶通過報警信息或者查看日志記錄的信息決定人為調(diào)整CPS的運行狀況時，可以在決策中心編寫程序，由決策中心內(nèi)部機制運行程序，加以調(diào)整。此外，用戶也可以在決策中心按需實時查詢物理世界的運行狀態(tài)，并做出相應(yīng)調(diào)整。

針對圖1所示的CPS單元域，本文將物理世界中的功能部件視為各種資源。這些部件均對應(yīng)有一個資源描述文件，內(nèi)含一個統(tǒng)一資源標識符URI(Uniform Resource Identifier)、一個功能描述符和一個占用描述符，每個資源描述文件包含的信息如表1所示。

Table 1　Resource description files

每個資源部件與一個資源描述文件一一對應(yīng)，這些資源描述文件存放在決策中心中，組成一個資源描述表。

由于CPS通常是應(yīng)用驅(qū)動的，在針對某個具體的應(yīng)用時，根據(jù)這個具體應(yīng)用自身的特點，開發(fā)人員可以通過算法綜合計算整個CPS系統(tǒng)的資源描述表，得到一個實時動態(tài)的資源分配表。應(yīng)用程序根據(jù)這個資源分配表實現(xiàn)對資源部件的實時調(diào)度。

在CPS系統(tǒng)中，根據(jù)客戶的業(yè)務(wù)需求和投資的一些條件定制應(yīng)用程序，并在決策中心實施，可以按需實現(xiàn)對全局資源的實時調(diào)度與分配。在CPS中對所需的業(yè)務(wù)進行自動快速的部署，能更好地提高資源的利用效率。這種僅僅是通過改變軟件來改變CPS運行方式與運行狀態(tài)的方式具有很好的適用性和靈活性，極大地提高了CPS系統(tǒng)對資源的可控性。此外，相較于傳統(tǒng)的由單個部件進行轉(zhuǎn)發(fā)消息和處理消息，這種模型實現(xiàn)了在物理部件中只保存最基本的運算處理能力，其余大部分計算功能由決策中心統(tǒng)一完成，并且路由功能也由單個部件協(xié)同完成轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓻Q策中心統(tǒng)一實現(xiàn)，消息機只具有消息的轉(zhuǎn)發(fā)功能，真正意義上實現(xiàn)了由軟件定義資源的部署分配。

同時，由于CPS中單個部件的存儲資源、計算資源、能源、數(shù)據(jù)傳輸帶寬等均十分有限，因此通過圖1這種CPS模型架構(gòu)，可以做到在決策中心集中控制，消息機作為傳輸中轉(zhuǎn)站，只負責接收和轉(zhuǎn)發(fā)消息命令，進而由指定的傳感器和執(zhí)行器在物理世界中根據(jù)消息命令協(xié)同運行，大大節(jié)約能源消耗，實現(xiàn)應(yīng)用層統(tǒng)一部署，資源層協(xié)同工作。

3數(shù)據(jù)傳輸模式

CPS是一個異構(gòu)的分布式實時系統(tǒng)，由異構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)的計算系統(tǒng)、異構(gòu)的物理部件組成，它的通信網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，由多種通信網(wǎng)絡(luò)組合而成，所以要定義一種協(xié)議適用于CPS是一件十分困難的事情。目前已經(jīng)出現(xiàn)一些針對CPS的通信協(xié)議棧，例如CPS-IP通信協(xié)議[11]和Ada-MAC通信協(xié)議[12]。但是，針對CPS的通信協(xié)議，還有大量技術(shù)問題有待進一步研究。本文從網(wǎng)絡(luò)底層及計算機系統(tǒng)底層出發(fā)，提出一種以中間件形式存在于CPS中的數(shù)據(jù)傳輸模式，這個中間件可以看作連接各種異構(gòu)物理部件、異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的橋梁，它們通過中間件可以實現(xiàn)相互通信與相互作用。該中間件的主要實現(xiàn)方法是采用網(wǎng)絡(luò)中傳輸消息的序列化機制。

3.1　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法

當兩個進程在進行遠程通信時，彼此可以發(fā)送各種類型的數(shù)據(jù)。無論是何種類型的數(shù)據(jù)，都會以二進制序列的形式在網(wǎng)絡(luò)上傳送。在本CPS模型中，決策中心、消息機以及執(zhí)行器和感知器等部件無時無刻不在進行相互通信，將重要數(shù)據(jù)傳遞給對方。本文設(shè)計的這種消息序列化機制，需要滿足兩個條件：

(1)在CPS系統(tǒng)中的每個單元域內(nèi)維護一張全局的序列化表，表中包含各個關(guān)鍵命令消息(類似于關(guān)鍵字)對應(yīng)的編碼號，同時含有一套基本數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的編碼號。

(2)用戶需要熟悉在決策中心進行編碼的規(guī)則，可以根據(jù)客戶需求實現(xiàn)相應(yīng)功能。

當消息在CPS部件之間的通道上傳輸時，均要轉(zhuǎn)化為二進制序列的形式。由于在CPS系統(tǒng)中的每個單元域內(nèi)維護了一張全局序列化表，當某個部件發(fā)出消息時，可以根據(jù)序列化表將消息轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的二進制序列，即消息的序列化，于是在通道上傳輸?shù)膬?nèi)容實際上就是這些二進制序列；對端的部件在接收到這些二進制序列后，再通過序列化表執(zhí)行一次消息的反序列化，將這些二進制字節(jié)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的可被正確識別的消息。在兩個相鄰部件之間傳遞消息的過程就是這樣，擴展到整個CPS系統(tǒng)，其運行原理也是如此。

在這個全局序列化表中，還內(nèi)置一套基本數(shù)據(jù)類型的ASCII碼編號，在CPS系統(tǒng)中傳遞的消息通常由命令消息和數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成，為了保持一致性，數(shù)據(jù)也需要根據(jù)其類型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二進制序列。如一個Int32類型的數(shù)值6和一個string類型的字符6，它們在CPS的通道中傳輸時應(yīng)具有不同的二進制序列。由于全局序列化表中含有各種數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的編碼值，所以在序列化和反序列化時可以相應(yīng)地根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同加以轉(zhuǎn)化和識別。消息序列化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法messageTransform如下所示:

Algorithm messageTransform

Input:type,contents

Output:buffer

Begin

i←lObjectNumber;j←lClassNumber;

Initialize(i←1,j←1,map〈type，number〉map_t,OIOBegin,ObjectBegin);

writeInitializationtobuffer;

map_t[type]=++number;

while(sendmessage)

i++;

if(map_t.count(type))

writeClassByNumber,map_t[type],typeandcontentstobuffer;

else

writeClassByNametobuffer;

map_t[type]=++j;

writemap_t[type],typeandcontentstobuffer;

end if

end while

writeObjectEndandOIOEndtobuffer;

End

發(fā)送消息時先將其轉(zhuǎn)化為ASCII碼再發(fā)送出去，接收消息時再將ASCII碼逆向轉(zhuǎn)化為消息，這種方式大大提高了消息傳輸和解析的效率，已經(jīng)有郵件傳輸采用這種方式實現(xiàn)。在CPS中采用這種序列化與反序列化的機制傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)消息命令的實時傳遞，而且由于這種數(shù)據(jù)傳輸機制是基于二進制的，所以在使用時與具體的平臺類型無關(guān)，可以適應(yīng)CPS跨平臺，在不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)奶攸c。

3.2　實時數(shù)據(jù)傳輸

根據(jù)用戶定制的某個應(yīng)用，決策中心通過處理后發(fā)出一系列消息命令，這些消息再根據(jù)目的地址傳遞到各自的執(zhí)行部件。例如從決策中心C發(fā)出一系列命令消息D，這些消息的目的地址是執(zhí)行器Pi，已知Pi從屬于消息機Mi，Mj為Mi的一跳距離消息機。如圖2所示。

Figure 2　CPS data transmission圖2　CPS數(shù)據(jù)傳輸

由于CPS系統(tǒng)對實時性要求很高，所以本文為消息設(shè)置一個優(yōu)先級屬性。根據(jù)消息的類型，設(shè)置其對應(yīng)的優(yōu)先級。這個優(yōu)先級屬性是隨時間變化的，開始時，消息越迫切得到傳輸，其優(yōu)先級就越高，隨著時間推移，如果其一直未得到傳輸，那么優(yōu)先級就會相應(yīng)增加，直到發(fā)送出去。優(yōu)先級越高的消息越會被優(yōu)先發(fā)送出去。

決策中心根據(jù)消息的優(yōu)先級順序發(fā)送消息，同時為其選擇合適的傳遞路徑。在決策中心選擇路徑的過程中，需要考慮到：

(1)由于消息通道的帶寬有限，當消息傳遞的速率足夠大時會造成決策中心與消息機之間的傳輸通道發(fā)生阻塞；

(2)消息在消息機之間的傳輸也需要時間，盡可能選擇與目的節(jié)點所屬消息機距離近的消息機作為中繼消息機，能有效縮短中繼傳輸時間，進而提高傳輸效率。考慮到這些因素，本文提出選擇路徑的過程如圖3所示。

Figure 3　Message sending transmission progress of the decision center圖3　決策中心發(fā)送消息傳輸過程

當所有消息機通道都達到最大帶寬后，向決策中心C反饋抑制信息，抑制C發(fā)送消息的速度。使用這種方式選擇消息的傳輸路徑，可以保證在最短的時間內(nèi)傳遞消息，具有很好的實時性。但是，這個選擇路徑的方法有一個很大的局限性，就是消息機與消息機之間的通道必須具有很大的帶寬，由于多條消息在傳輸過程中可能會經(jīng)過同一條消息機之間的通道，這樣就會造成消息機通道的阻塞，同樣會影響傳輸?shù)膶崟r性，在后面的工作中會針對這一局限性做出更大改進。

4實驗分析與結(jié)論

本文針對CPS數(shù)據(jù)傳輸機制的序列化與反序列化做相應(yīng)實驗，由于它們以中間件形式存在于CPS中，因此實驗的主要目的是驗證這種序列化機制的中間件可以實現(xiàn)跨平臺的消息通信。

本實驗采用兩類物理部件，一類是基于Windows平臺的，一類是基于Unix平臺的。不失一般性，將Windows平臺部件作為客戶端發(fā)送消息，將Unix平臺部件作為服務(wù)端接收消息。在兩端均含有一張序列化表，具體表示如表2所示。

首先，客戶端向服務(wù)端發(fā)送消息，如發(fā)送一個get類型的命令消息，其目的是請求得到對端部件的功能屬性。將get消息序列化，通過序列化表將消息轉(zhuǎn)化為二進制序列，經(jīng)過序列化之后的序列(十六進制表示)就是0 2 22 1 5 22 1 22 0 48 4 67 65 74 0 3 1。

其序列化的過程如表3所示。

發(fā)送消息時，它的序列化流內(nèi)部存在一定的規(guī)則?？梢钥闯?，OIOBegin和OIOEnd對應(yīng)，ObjectBegin和ObjectEnd對應(yīng)。針對get命令消息，先發(fā)送一個OIOBegin(0)，表明中間件序列化的開始，再發(fā)送一個ObjectBegin(2)，表明一個消息序列化的開始。后面接著22和1是一體的，22是一個Uint1LSB類型，表明后面一個字節(jié)的類型，1代表lObjectNumber，表明消息在本次序列化過程中的序號為1。后面接5代表ClassByName，表明當前發(fā)送的消息類型在本次序列化中是第一次出現(xiàn)。

Table 2　Serialization table

Table 3　Sample table of the serialization process

后面接22和1是一體的，1代表lClassNumber，表明當前發(fā)送的消息的類型在本次序列化中序號為1。lClassNumber和lObjectNumber的不同之處在于，lObjectNumber是一直增加的，只要發(fā)送一個消息就增加1；而lClassNumber不是一直增加的，當發(fā)送的消息類型不是第一次出現(xiàn)時(即同一消息類型在當前序列化中發(fā)送多次)，它的lClassNumber不會增加，而是第一次出現(xiàn)本消息類型的Number號，否則就增加1。后面接22和0是一體的，表明OIOsignature是0。后面接消息類型的說明符，這里是48 4 67 65 74 0，48代表BinBuf1LSB，說明后面是一個字節(jié)緩沖區(qū)，4代表這個緩沖區(qū)一共有4個字節(jié)，將67 65 74 0轉(zhuǎn)化為10進制再對照ASCII碼表可知對應(yīng)于get’