李　騰，孫志剛，賈　峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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實(shí)時(shí)發(fā)布/訂閱數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的模型分析

李騰，孫志剛，賈峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要為了探索數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件(DDS)在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的通信性能，深入研究了DDS的規(guī)范和特點(diǎn)，描述了DDS規(guī)范中以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱層(DCPS) 和數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層(DLRL)的2個(gè)接口內(nèi)容，闡述了DDS數(shù)據(jù)分發(fā)的基本思想，分析了DDS的服務(wù)質(zhì)量(QoS)策略。OMG DDS定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模式，對(duì)分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分發(fā)、傳遞和接收的接口行為進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，提供一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺(tái)和編程語(yǔ)言。以RTI公司的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)為例，對(duì)中間件模型的數(shù)據(jù)分發(fā)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)；中間件；實(shí)時(shí)發(fā)布訂閱；服務(wù)質(zhì)量策略

Analysis on Real-time Publish/Subscribe Data Distribution Service Model

LI Teng,SUN Zhi-gang,JIA Feng

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn order to explore the communication performance of Data Distribution Service (DDS) in mobile ad hoc networks,the specifications and characteristics of DDS are deeply studied.The two layers of DDS,DCPS and DLRL,are described.Then the basic idea of DDS data distribution is introduced.The QoS policy of DDS is analyzed.OMG DDS standardizes the API and behavior of data distribution,delivery and receiving in distributed real-time systems.It defines a data-centric publish/subscribe model,and provides a platform-independent data model,which can be mapped to a variety of programming languages.Taking RTI data distribution service as an example,the design and implementation of the middleware model are analyzed.

Key wordsdata distribution service;middleware;real-time publish/subscribe;quality of service policy

0引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)集成的難度和風(fēng)險(xiǎn)都在大幅度提高， 現(xiàn)在通信需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何將這些基于不同平臺(tái)的系統(tǒng)連接起來(lái)，使通信更為方便。中間件技術(shù)作為架構(gòu)在應(yīng)用層和底層操作系統(tǒng)之間的橋梁能夠很好地解決該問(wèn)題，保證了應(yīng)用軟件在不同平臺(tái)、不同操作系統(tǒng)之間的互連、互通和互操作。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)是一個(gè)用于實(shí)時(shí)分布式應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)中間件，傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)器(C/S)的數(shù)據(jù)傳輸方式存在低效和信息傳遞不及時(shí)的問(wèn)題[1]，DDS使用發(fā)布/訂閱通信模型，在數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中建立以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱模型，并能解決高效、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分發(fā)問(wèn)題，能夠使分布式應(yīng)用程序的參與者有效地分配數(shù)據(jù)服務(wù)，各種需要信息分發(fā)的應(yīng)用都能夠使用這種以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在2004年12月，OMG組織正式頒布了該規(guī)范，本文將對(duì)DDS的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論和相關(guān)研究,對(duì)DDS的QoS策略進(jìn)行可靠性配置，并試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性性能。通過(guò)分析提出了DDS在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的可行性觀點(diǎn)。

1數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)

以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(Data Centric Publish-Subscriber，DCPS) 是DDS的核心，它提供了一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)模型。使應(yīng)用程序能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行信息發(fā)布，并訂閱其需要的信息。作為網(wǎng)絡(luò)中間件層可以認(rèn)為是架構(gòu)在應(yīng)用層與傳輸層之間的橋梁，使系統(tǒng)集成從傳統(tǒng)的硬集成轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的軟集成，達(dá)到信息按需獲取、應(yīng)用功能即插即用和系統(tǒng)靈活重構(gòu)的目的[2]。

1.1DDS規(guī)范

DDS規(guī)范目的是為了簡(jiǎn)化分布式系統(tǒng)以能夠有效地發(fā)布數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用于要求可預(yù)見性、高性能和能有效使用資源的關(guān)鍵領(lǐng)域。DDS規(guī)范有2個(gè)層次的接口：

低層的DCPS：將數(shù)據(jù)發(fā)布者發(fā)布的信息高效準(zhǔn)確地傳送給數(shù)據(jù)訂閱者，DCPS層提供了數(shù)據(jù)發(fā)布的基礎(chǔ)架構(gòu)，是 DDS規(guī)范的核心。

可選的高層DLRL：允許將服務(wù)簡(jiǎn)單地集成到應(yīng)用層[3]。DLRL層建立在DCPS之上，主要規(guī)定應(yīng)用層和DCPS層之間的接口，該接口將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳遞給應(yīng)用層，經(jīng)由底層DCPS層提供服務(wù)，進(jìn)而簡(jiǎn)化編程工作。

1.2DDS特點(diǎn)

DDS是一種輕便的、能夠提供實(shí)時(shí)信息傳送的中間件產(chǎn)品。其特點(diǎn)整理如下:

① DDS是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)編程的一個(gè)公開標(biāo)準(zhǔn)；

② 是一套支持發(fā)布/訂閱設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用程序接口(API)；

③ 體現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法學(xué)；

④ 是專為高性能，實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信中間件；

⑤ 降低成本，用戶專注于自己的設(shè)計(jì)，沒(méi)有自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)中所有的組件，不需要DIY.；降低集成成本，減少首次設(shè)計(jì)和后繼測(cè)試等時(shí)間開銷；

⑥ 采用公開標(biāo)準(zhǔn)，減少了被供應(yīng)商特定技術(shù)禁錮的風(fēng)險(xiǎn)；

⑦ 可以同時(shí)使用多種傳輸途徑，如UDPv4、UDPv6、共享內(nèi)存、WAN和DTLS。

2以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱層

作為DDS 規(guī)范的核心，DCPS 層為應(yīng)用程序的發(fā)布/訂閱數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)架構(gòu)[4]。它允許：

① 發(fā)布者應(yīng)用程序識(shí)別即將發(fā)布的數(shù)據(jù)對(duì)象，并提供發(fā)布值給這些對(duì)象；

② 訂閱者應(yīng)用程序識(shí)別其感興趣的數(shù)據(jù)，并獲得這些對(duì)象值；

③ 應(yīng)用程序定義主題以及和主題關(guān)聯(lián)的類型信息，創(chuàng)建發(fā)布者和訂閱者實(shí)體并給這些實(shí)體關(guān)聯(lián) QoS 策略[5]，進(jìn)而創(chuàng)建并初始化所有實(shí)體。

2.1基本概念

DCPS的實(shí)體包括：域(Domain)、域參與者(Domain Participant)、數(shù)據(jù)寫入者(Data Writer)、發(fā)布者(Publisher)、數(shù)據(jù)讀取者(Data Reader)、訂閱者(Subscriber)和主題(Topic)。各個(gè)實(shí)體間的關(guān)系如圖 1所示。下面將詳細(xì)介紹這些實(shí)體的概念以及實(shí)體間的聯(lián)系[6]。

圖1　DDS發(fā)布/訂閱模型

域是DDS中特有的一個(gè)通信環(huán)境，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)互相通信的前提是在同一個(gè)域內(nèi)，這一約束對(duì)隔離優(yōu)化那些共享相同需求的通信有很大幫助。每個(gè)分布式系統(tǒng)可以由1個(gè)或多個(gè)域組成。

數(shù)據(jù)寫入者是發(fā)布者的類型化的接入器，數(shù)據(jù)寫入者將數(shù)據(jù)提供給發(fā)布者，由發(fā)布者完成數(shù)據(jù)分發(fā)，發(fā)布者根據(jù)其自身的 QoS策略和數(shù)據(jù)寫入者的相應(yīng)的QoS策略進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。

數(shù)據(jù)讀取者負(fù)責(zé)獲取訂閱者接收到的數(shù)據(jù)，并傳遞給應(yīng)用程序的DCPS層。而訂閱者負(fù)責(zé)接收來(lái)自發(fā)布者的數(shù)據(jù)，然后將接收到的數(shù)據(jù)傳給相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取者，從而使應(yīng)用程序獲得它所感興趣的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取者可以通過(guò)調(diào)用函數(shù)從DDS中獲取數(shù)據(jù)，這為開發(fā)人員程序的開發(fā)提供了靈活性。調(diào)用的函數(shù)有2種： take()函數(shù)和 read()函數(shù)。在獲取數(shù)據(jù)后take()函數(shù)會(huì)把數(shù)據(jù)刪除，而 read()在讀取數(shù)據(jù)后不刪除該數(shù)據(jù)，所以下一次依然可以讀取該數(shù)據(jù)。

主題作為發(fā)布者和訂閱者之間的基本連接點(diǎn)，2個(gè)節(jié)點(diǎn)上的發(fā)布者主題和訂閱者主題相匹配才能夠進(jìn)行通信[7]。一個(gè)主題由主題名稱(Topic Name)和主題類型(Topic Type)組成。在一個(gè)域中，Topic Name是能唯一標(biāo)識(shí)主題的字符串，而Topic Type則是對(duì)在主題中數(shù)據(jù)的定義。在一個(gè)特定的域中主題必須是唯一的。在 DDS 框架結(jié)構(gòu)中，即便2個(gè)主題是不同的Topic Name但是相同的Topic Type，也說(shuō)明這是2個(gè)不同的主題。此外，每個(gè)主題都可關(guān)聯(lián)其相應(yīng) QoS。

DDS的對(duì)稱架構(gòu)，使用戶應(yīng)用程序更加強(qiáng)健。沒(méi)有中央服務(wù)器和中心節(jié)點(diǎn)，這樣解決了斷點(diǎn)失效的問(wèn)題。這一點(diǎn)可以很好地適應(yīng)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。

2.2模塊描述

DDS提供的是一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型圖如圖2所示。它允許應(yīng)用程序?qū)ζ鋼碛械男畔⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)的發(fā)布，并可訂閱需要的信息，能夠較好地處理不可靠網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、冗余性和可靠性等問(wèn)題。DDS規(guī)范的關(guān)鍵之一就是使分布式應(yīng)用的底層通信模型和應(yīng)用程序接口(API)標(biāo)準(zhǔn)化。

圖2　DDS數(shù)據(jù)模型

以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模式清晰地定義了接口和模型信息。有了清晰的接口，各個(gè)部件很容易接入?？梢姡珼DS是模塊之間成為松耦合的方式，這使得集成各個(gè)系統(tǒng)成為可能。

DDS作為一個(gè)高性能、支持容錯(cuò)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，也適于需要高可靠性的系統(tǒng)。DDS中沒(méi)有任何特殊的節(jié)點(diǎn)。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，其他部分能照常繼續(xù)工作；同樣，如果有新的節(jié)點(diǎn)加入，也不會(huì)對(duì)原有的系統(tǒng)造成任何影響(這同時(shí)也反應(yīng)了可擴(kuò)展性)。DDS網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自愈，即使網(wǎng)絡(luò)被劈成兩半，每一半都能獨(dú)立的工作；如果網(wǎng)絡(luò)被修復(fù)，將會(huì)自動(dòng)重新連接，繼續(xù)提供服務(wù)。

DDS規(guī)范提出了全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的概念，它的發(fā)布/訂閱模型是通過(guò)主題將發(fā)布者和訂閱者相關(guān)聯(lián)的。當(dāng)訂閱與發(fā)布的主題相同并且相應(yīng)的QoS相匹配時(shí)，DCPS全局?jǐn)?shù)據(jù)空間通知發(fā)布者和訂閱者進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即DDS規(guī)范的核心。

2.3DDS的QoS策略

QoS是指一系列可控制 DDS 服務(wù)行為的特性集合，它由獨(dú)立的 QoS策略組成，DDS 的功能依賴于 QoS 的使用[8]。DDS 中的所有實(shí)體都可以與QoS 策略關(guān)聯(lián),QoS 策略是 DDS 規(guī)范的最大亮點(diǎn)，DDS 提供了包括數(shù)據(jù)可靠性、持久度、周期數(shù)據(jù)的超時(shí)、基于時(shí)間的過(guò)濾、數(shù)據(jù)的歷史記錄、數(shù)據(jù)的分區(qū)、所有權(quán)和資源限制等20多種 QoS 策略。每種QoS策略對(duì)應(yīng)一種功能，并且能在不同層次上進(jìn)行配置。因此，用戶可以按需求進(jìn)行不同的配置，只有當(dāng)發(fā)布者與訂閱者QoS 策略匹配成功，二者才能進(jìn)行通信。如：DEADLINE策略決定數(shù)據(jù)的有效期限，LATENCY_BUDGET策略用來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)訂閱者最大可接受時(shí)延，RELIABILITY策略用來(lái)保證接收數(shù)據(jù)的可靠性。TRANSPORT_PRIORITY、PRESENTATION和DESTINATION_ORDER策略可以解決優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題，DISCOVER、USERDATA和GROUPDATA等策略可以實(shí)現(xiàn)DDS的發(fā)現(xiàn)機(jī)制，使新接入的節(jié)點(diǎn)能夠被原組網(wǎng)內(nèi)成員識(shí)別并進(jìn)行通信。由此可以看出，DDS 規(guī)范只是定義了一系列的 QoS 策略和接口來(lái)控制實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換，但并沒(méi)有指定如何去實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)或DDS 資源的管理。因此，DDS開發(fā)者可以根據(jù)規(guī)范自由地發(fā)揮和創(chuàng)新[9,10]。

3RTPS DDS互操作協(xié)議

互操作是指一種能使分布的控制系統(tǒng)設(shè)備通過(guò)相關(guān)信息的交換，能夠協(xié)調(diào)工作，從而達(dá)到共同目標(biāo)的能力。也認(rèn)為是“不同平臺(tái)或編程與語(yǔ)言之間交換和共享數(shù)據(jù)的能力”。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)DDS規(guī)范使用模型驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)(MDA)方法來(lái)精確描述了以數(shù)據(jù)為中心的通信模型，該通信模型解決了如下問(wèn)題[11]:

① 應(yīng)用程序希望如何發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)模型；

② 應(yīng)用程序如何與DCPS中間件交互并指定它所希望發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)以及QoS需求；

③ 數(shù)據(jù)是如何被發(fā)送和接收；

④ 應(yīng)用程序如何訪問(wèn)數(shù)據(jù)；

⑤ 應(yīng)用層從中間件的狀態(tài)獲得的各種反饋。

DDS規(guī)范還包括一個(gè)映射到交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言(Interactive Data Language，IDL)特定的平臺(tái)。因此，應(yīng)用程序使用DDS能夠在DDS運(yùn)行和重編譯之間切換。DDS因此具有應(yīng)用程序的可移植性。

隨著在大型分布式系統(tǒng)采用DDS,定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“線協(xié)議”是可取的，以允許來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的DDS實(shí)現(xiàn)互操作。理想的 “DDS線協(xié)議”應(yīng)該有能力利用DDS的QoS可配置性，來(lái)優(yōu)化基礎(chǔ)傳輸功能。特別是,理想的線協(xié)議必須具備組播、高效，連接許多DDS QoS的設(shè)置的能力。

4應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以RTI公司為例，DDS中間件是執(zhí)行數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)典型代表。編寫好發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體IDL文件后，只需RTI Launcher中的Code Generator代碼生成器，即可生成相應(yīng)的發(fā)布/訂閱程序[12]。

使用Code Generator代碼生成器即可生成相應(yīng)的發(fā)布/訂閱程序，包括可以配置QoS的XML文件，可以在此XML文件中設(shè)置自己需要的服務(wù)質(zhì)量策略。高可靠傳輸?shù)牟呗栽O(shè)置如表1所示。這組策略配置了數(shù)據(jù)寫入者和數(shù)據(jù)讀取者的服務(wù)策略，能夠有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，避免丟包的發(fā)生。

表1　可靠性QoS設(shè)置

為了證明DDS的可靠性傳輸，用8臺(tái)計(jì)算機(jī)、交換機(jī)和路由器搭建了如圖3所示的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在100 M網(wǎng)域網(wǎng)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)背景流量占帶寬百分比分別為10%、50%和90%，數(shù)據(jù)包大小分別為32 bytes、1 024 bytes和8 192 bytes，總發(fā)包數(shù)為10 000個(gè)包情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證丟包數(shù)全部為零，可以認(rèn)為滿足可靠性傳輸。在不進(jìn)行可靠性設(shè)置下進(jìn)行相同條件試驗(yàn)則偶爾會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

圖3　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5結(jié)束語(yǔ)

DDS可以說(shuō)是目前相對(duì)較先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)中間件，它提供一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)手段，是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)的首選網(wǎng)絡(luò)中間件，并且專注于數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域；為數(shù)據(jù)通信提供良好的系統(tǒng)架構(gòu)和豐富的通信質(zhì)量服務(wù)策略，通過(guò)QoS設(shè)置可以使各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信方式變得容易，從而為整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)節(jié)省了大量的時(shí)間和資源；它高度的靈活性以及與生俱來(lái)的高性能就是為大系統(tǒng)而產(chǎn)生，提高了分布式系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，為后續(xù)復(fù)雜系統(tǒng)的搭建和實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

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李騰女，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通信技術(shù)。

孫志剛男，(1965—)，研究員。主要研究方向：航空測(cè)控與信息傳輸技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)02-0006-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)(2013AA122105)。

收稿日期：2015-11-12

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.02

引用格式：李騰，孫志剛，賈峰.實(shí)時(shí)發(fā)布/訂閱數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的模型分析[J].無(wú)線電工程，2016，46(2)：6-9，18.