任昊利 趙洪利

實時分布式系統(tǒng)是信息柵格、互聯(lián)網(wǎng)+和物聯(lián)網(wǎng)等信息系統(tǒng)的基本框架,這種框架在軍事領(lǐng)域應(yīng)用得更廣泛.隨著軍事信息系統(tǒng)聯(lián)合、集成需求的不斷提出,末端如何接入、如何實現(xiàn)動中通、如何保障實時性以及復(fù)雜數(shù)據(jù)流管控等問題已經(jīng)成為研究的熱門領(lǐng)域.美軍為解決上述問題在作戰(zhàn)信息系統(tǒng)及試驗鑒定信息系統(tǒng)集成方面投入了大量資金,支持研究開發(fā),提出了新的技術(shù),開發(fā)出了產(chǎn)品,其中比較有代表性的有試驗與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)(Test and Training Enabling Architecture,TENA)和數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(Data Distribution Service,DDS)技術(shù)[1].

為有效確保聯(lián)合部隊的訓(xùn)練和需要協(xié)作的聯(lián)合部隊的試驗?zāi)芰?以反映“要有戰(zhàn)斗的聯(lián)合,就必須有訓(xùn)練的聯(lián)合”的思想,美軍于2005年12月啟動聯(lián)合任務(wù)環(huán)境試驗?zāi)芰?Joint Mission Environment Test Capacity,JMETC)項目的各項課題.JMETC的目標是建設(shè)聯(lián)合試驗?zāi)芰?這種能力能夠?qū)⒎植际降恼鎸嵉?、虛擬的和構(gòu)造的(Live,Virtual,and Constructive,LVC)資源集成起來.它的開發(fā)及使用可以為相關(guān)部門在項目開發(fā)、研發(fā)測試、運行測試、互操作認證,包括在客戶特定的聯(lián)合任務(wù)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)完備性、關(guān)鍵性能參數(shù)(Key Performance Parameter,KPP)的仿真演示需求提供支持.JMETC項目采用了TENA來開發(fā)新的支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的元模型,為JMETC提供了一種已被國防部接受的技術(shù).TENA提供中間件和軟件部件,而JMETC虛擬專用網(wǎng)(VPN)提供硬件連接.目前TENA技術(shù)已經(jīng)普遍用于試驗鑒定和訓(xùn)練項目中,連接美國所有試驗訓(xùn)練靶場,提升了美軍的分布式試驗和訓(xùn)練能力[2?3].

DDS是OMG發(fā)布的有關(guān)分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€新的規(guī)范(2004年12月發(fā)布1.0版,2007年1月發(fā)布1.2版)[4].DDS為各種不同的分布式應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)通信模型,能促使數(shù)據(jù)實時、高效地分發(fā).DDS是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱通信模型,并針對強實時系統(tǒng)進行了優(yōu)化,提供低延遲、高吞吐量、以及對實時性能的控制等級,從而使DDS能夠廣泛用于航空航天、國防、分布式仿真、工作自動化、分布式控制、機器人、電信以及網(wǎng)絡(luò)化的消費電器等多個領(lǐng)域[5].美國國防部2006年已經(jīng)把DDS列為全球信息柵格(Global Information Grid,GIG)的數(shù)據(jù)分發(fā)標準,目前已在美國的軍方及其他各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用.

1 TENA技術(shù)架構(gòu)

1.1 TENA的目標

1)為試驗和訓(xùn)練靶場所使用的通信軟件提供互操作、可重用并且可組合的體系結(jié)構(gòu)；

2)提供一個穩(wěn)健的、可靠的且不易誤操作的軟件基礎(chǔ)設(shè)施,以便實現(xiàn)該結(jié)構(gòu).

1.2 TENA的基本框架

TENA的基本框架由TENA應(yīng)用、TENA工具和TENA公共基礎(chǔ)設(shè)施3部分構(gòu)成[6?9],如圖1所示.靶場資源應(yīng)用程序?qū)儆赥ENA應(yīng)用,由靶場開發(fā)者創(chuàng)建,并部署于每個靶場,以執(zhí)行每天試驗與訓(xùn)練中所有的任務(wù).這些應(yīng)用程序包含顯示系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、硬件在回路試驗臺及其他；可靠并可通用的靶場資源應(yīng)用程序,被指定為TENA工具；所有這些應(yīng)用程序,通過一個叫作“TENA中間件”的公共軟件基礎(chǔ)設(shè)施通信.TENA中間件負責整個系統(tǒng)運行期間邏輯靶場中應(yīng)用程序的內(nèi)部通信.通信的主體是每個邏輯靶場的“邏輯靶場對象模型(Logical Range Object Model,LROM)”定義的一系列對象.這些對象多數(shù)從標準的“TENA對象模型”中挑選使用.

圖1下半部是TENA功能程序,這些功能程序,使用戶更易于實施管理,并在靶場事件生命周期中更易于與TENA基礎(chǔ)設(shè)施交互.圖片的右下角,顯示了不同TENA網(wǎng)關(guān)所扮演的角色——完全遵從TENA的與那些不遵從TENA的(包含基于HLA的仿真)系統(tǒng)間的橋梁.網(wǎng)關(guān)負責執(zhí)行用于邏輯靶場的TENA對象與用于非TENA系統(tǒng)的其他標準和協(xié)議間的翻譯.網(wǎng)關(guān)具有雙重性:它們是TENA邏輯靶場與其他非TENA應(yīng)用程序“聯(lián)盟”二者的一部分.網(wǎng)關(guān)也可以提供TENA邏輯靶場與其他網(wǎng)絡(luò)之間的物理連通.

2 DDS技術(shù)架構(gòu)

2.1 DDS的目標

1)為解決國防和太空應(yīng)用中跨域異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)問題而設(shè)計；

2)實時、可信和高性能的發(fā)布/訂閱中間件,其語義可通過一組豐富的(Quality of Service,QoS)策略[5,10]進行控制.

2.2 DDS的基本框架

DDS是OMG關(guān)于分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱模型的一個規(guī)范.DDS規(guī)范為基于DDS構(gòu)建的軟件定義了規(guī)范的接口和結(jié)構(gòu).如果分層描述基于DDS的應(yīng)用系統(tǒng),DDS層將位于應(yīng)用層與通信層之間,如圖2所示.

基本的DDS結(jié)構(gòu)分為兩個層次:

1)底層是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱層(Data Centric Publish Subscribe,DCPS).DCPS層是DDS規(guī)范的核心層,提供有效的、可擴展的、能感知的數(shù)據(jù)訂閱分發(fā),可以按照數(shù)據(jù)主題、發(fā)布者和訂閱者的不同QoS策略來傳遞數(shù)據(jù).

圖1 TENA體系結(jié)構(gòu)

圖2 DDS層位置關(guān)系圖

2)數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層(Data Local Reconstruction Layer,DLRL).它構(gòu)建在DCPS層之上,可以選擇使用,提供可選擇的、面向?qū)ο蟮慕涌?能把主題映射到對象,建立起關(guān)聯(lián)關(guān)系,使分布式的數(shù)據(jù)可以為本地對象和遠程對象所共享.

在DDS架構(gòu)中,DCPS層是核心,提供了實現(xiàn)DDS的核心功能.DCPS構(gòu)建在“全局數(shù)據(jù)空間(Global Data Space,GDS)”概念的基礎(chǔ)上,所有相關(guān)應(yīng)用都可以訪問該全局數(shù)據(jù)空間.DCPS模型又分為平臺獨立模型(Platform Independent Model,PIM)和平臺專門模型(Platform Specific Model PSM),PSM是以PIM為基礎(chǔ)的OMG IDL平臺,應(yīng)用最多的是平臺獨立模型.向數(shù)據(jù)空間提供信息的應(yīng)用即為“發(fā)布者”,從數(shù)據(jù)空間中獲取數(shù)據(jù)的應(yīng)用即為“訂閱者”,同一個應(yīng)用可以兼有發(fā)布者和訂閱者的角色,而且分布式節(jié)點中也可以存在多個不同應(yīng)用.

在DDS規(guī)范中,定義DCPS層的核心實體有:域(Domain)、域參與者(Domain Participant)、主題 (Topic)、發(fā)布者 (Publisher)、數(shù)據(jù)寫入者(Data Writer)、訂閱者(Subscriber)、數(shù)據(jù)讀入者(Data Reader)等.這些實體完成了DDS的數(shù)據(jù)分發(fā)功能,它們之間的相互關(guān)系和主要動作如圖3所示.

圖3 實體概念圖

DDS規(guī)范的一個顯著特點是定義了多種QoS策略.這使得基于DDS的服務(wù)能夠充分利用系統(tǒng)資源,協(xié)調(diào)可預(yù)測性與執(zhí)行效率之間的平衡,支持復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)流需求.

3 對比分析

兩者解決的問題是相同的,它們都想把分布式的異構(gòu)的系統(tǒng)集成在一起達到系統(tǒng)無縫連接的目的,只是應(yīng)用的場合各自有所側(cè)重.

3.1 各自的優(yōu)勢

TENA和DDS各自優(yōu)勢對比情況如表1所示.

表1 TENA和DDS各自優(yōu)勢對比

3.2 層級關(guān)系

從數(shù)據(jù)分發(fā)、通信的角度看,它們都在操作系統(tǒng)之上,應(yīng)用層之下.TENA分兩層,一層是TENA中間件層,這層主要功能是通過事件運行期間為靶場資源應(yīng)用程序間提供高性能、低延遲的實時通信,主要負責在聯(lián)合試驗、訓(xùn)練時將邏輯靶場“束”在一起.這一層相當于DDS的DCPS層+Real-Time Publish/Subscribe Protocol(RTPS)+DDS Interoperability Wire Protocol層,如圖4所示,其中,RTPS層是OMG于2009年1月制定了以增強不同版本互操作性為目的的規(guī)范,在這個版本中,增加了實時發(fā)布訂閱RTPS層協(xié)議；另一層是代理/服務(wù)體層,它相當于DDS的DLRL層.

3.3 基本概念對比

TENA和DDS的基本概念對比如表2所示.

表2 TENA與DDS基本概念表

3.4 元模型對比

一個元模型,就是對可用于闡述對象模型的特征的描述說明.TENA對象模型必須支持3類服務(wù).這些服務(wù)針對不同類型的靶場信息提供基本功能,而這些信息需要編碼并標準化.這3類服務(wù)可以總結(jié)為:1)邏輯靶場(狀態(tài)分布式對象(Stateful Distributed Object,SDO))中,有一定壽命的對象；2)短暫的對象(消息)；3)流動信息(數(shù)據(jù)流).TENA元模型支持描述所有構(gòu)建對象模型的信息,這些信息是使用上述3種服務(wù)來傳送的.

“合成”是TENA元模型最重要的方面.構(gòu)造SDO的能力對創(chuàng)建可再用TENA對象定義的標準集合是關(guān)鍵的.因為TENA元模型準許合成,TENA對象模型開發(fā)者可關(guān)注小的、可再用的、“積木”式對象的標準化上,而不是一口氣定義整個對象模型.TENA元模型如圖5所示,說明了元模型的所有要素以及它們之間的關(guān)系.

類(Class):一個類,是一個狀態(tài)分布式對象服務(wù)體.

流緩沖器:流緩沖器是SDO類的一個特殊屬性,它提供了分發(fā)數(shù)據(jù)流的一個終點.數(shù)據(jù)流中信息本身分割到框架中,每個框架編碼成向量或是值類型.

接口:是指為描述數(shù)據(jù)類型而匯集在一起的連續(xù)的一個或多個操作(方法簽名).一個接口可以擴展(或繼承)多個其他接口(或從多個接口繼承).它可以由SDO類執(zhí)行,或由數(shù)值類型執(zhí)行.

操作:指的是方法簽名,包含了返回類型與一系列參數(shù).參數(shù)可以指定為“進”(只有輸入)、“出”(只有輸出),或“進出”(可輸入輸出).返回類型與參數(shù)可以是列舉、基本類型、參考、向量或數(shù)值類型.

列舉:表示用戶定義的類型,該類型可獲得幾個預(yù)定義值中的一個值.列舉包含于數(shù)值類型或向量中.列舉可以用作參數(shù),也可作為操作的返回值.

基本類型:一個基本類型是指信息中不可分割片斷的類型.基本類型可以包含于數(shù)值類型與向量中.基本類型可以當作參數(shù)與操作返回值來使用.

圖4 TENA和DDS層級對比關(guān)系圖

圖5 TENA元模型

引用:一個引用代表一個指向SDO類的分布式指針.使用對SDO的引用,用戶可以直接控制該SDO.當一個用戶使用(解除引用)一個引用時,它獲得一個對SDO的代理,包括SDO發(fā)布狀態(tài)的當前版本.引用可以包含于數(shù)值類型、向量.它們可以當作參數(shù)與操作返回值使用.

向量:向量是一個相同類型元素序列.一個包含其他向量的向量,是一個有效的構(gòu)造,所以向量支持邏輯靶場開發(fā)者期望的任何層次的合成.一個向量可以是一組相似類型的數(shù)值類型、基本類型、列舉或引用.一系列相似類型的SDO類向量,可以包含于其他類中.向量可以當作參數(shù)與操作返回值使用.向量可以包含在數(shù)值類型中.

數(shù)值類型:一個值類型,就是一個僅本地存在于給定進程空間的對象,但可以通過“數(shù)值”從一個進程傳送到另一個進程.最重要的數(shù)值類型隱式包含SDO類的發(fā)布狀態(tài).數(shù)值類型可當作消息體與數(shù)據(jù)流框架使用.

TENA與DDS原模型的基本要素對比如圖6所示.

4 結(jié)論

目前,有些單位提出,把TENA和DDS混合使用,取長補短.通過研究認為,可能會出現(xiàn)以下問題:

1)在兩個應(yīng)用程序中以相同名稱定義數(shù)據(jù)類型,但它們存在于在不同的結(jié)構(gòu)體定義中,DDS的主題監(jiān)聽器監(jiān)聽不到數(shù)據(jù)；

2)編譯器指令(例如為結(jié)構(gòu)體定義關(guān)鍵字)在供應(yīng)商間并未標準化,這使接口定義語言(IDL)文件不能標準化；

3)“主題”概念在TENA中沒有,將TENA中信息類型翻譯為主題需要新的方法來為數(shù)據(jù)建模；

4)DDS的應(yīng)用程序接口某種程度上過于復(fù)雜,使得編譯時容易出現(xiàn)異常；

5)DDS的某些供應(yīng)商不支持發(fā)送方過濾.

TENA是美國軍方支持的技術(shù),雖然聲稱公開部分軟件,但還存在一些壁壘；DDS源碼可以在OMG網(wǎng)站上下載.下一步的工作準備開發(fā)、完善DDS使用工具,希望通過工具降低DDS的使用門檻,取得事半功倍的效果,讓系統(tǒng)工程師借助工具很快搭建系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺,實現(xiàn)系統(tǒng)集成.

圖6 TENA與DDS原模型的基本要素對比圖