劉宏義

(解放軍邊防學(xué)院 戰(zhàn)斗實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710108)

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基于DDS通信模型的數(shù)據(jù)管理問題研究

劉宏義

(解放軍邊防學(xué)院 戰(zhàn)斗實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710108)

DDS實(shí)時(shí)發(fā)布-訂閱模型無(wú)中心，多備份特點(diǎn)給通信數(shù)據(jù)的管理帶來(lái)了完整性和一致性的問題。不同于P2P分布式存儲(chǔ)，DDS應(yīng)用具有硬實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)量較少的特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)處理的核心問題是在不明顯影響實(shí)時(shí)性的情況下，保證分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的完整性和一致性。文中基于DDS使用的通信模型，研究分析了在此種通信模型下引發(fā)的持久化數(shù)據(jù)管理問題，并給出了相應(yīng)的解決方案。

DDS；發(fā)布-訂閱；一致性；負(fù)載分配

隨著Internet技術(shù)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以網(wǎng)絡(luò)為中心的趨勢(shì)，這對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)靈活性提出了更高要求，同時(shí)要求分布式系統(tǒng)各參與者間采用一種具有松散耦合特性和通信服務(wù)質(zhì)量保障策略QoS(Quality of Service)支持的靈活通信模型和交互機(jī)制。OMG(Object Management Group)組織于2004年頒布的基于發(fā)布-訂閱通信模型的信息交換規(guī)范DDS(Data Distribution Service)，能夠有效地解決上述問題。

實(shí)時(shí)發(fā)布-訂閱通信模式具有無(wú)中心、數(shù)據(jù)多備份的特點(diǎn)。如何高效集約地管理和維護(hù)數(shù)據(jù)，使多個(gè)通信結(jié)點(diǎn)間保持歷史數(shù)據(jù)的一致，成為實(shí)時(shí)發(fā)布-訂閱通信系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)中必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。僅從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換角度來(lái)說，發(fā)布-訂閱模型無(wú)疑是最適用于松耦合數(shù)據(jù)交換的一種通信模式，但從靜態(tài)數(shù)據(jù)訪問角度來(lái)說，這種多數(shù)據(jù)源的通信方式存在潛在的數(shù)據(jù)一致性問題和負(fù)載分配問題。

1 DDS網(wǎng)絡(luò)通信模型的基本原理

如圖1所示[1]，DDS使用以數(shù)據(jù)為中心的通信模式，數(shù)據(jù)的存在與否并不依賴于某一個(gè)具體的物理結(jié)點(diǎn)。圍繞著一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，數(shù)據(jù)發(fā)送者、接收者被抽象成為這一類數(shù)據(jù)的發(fā)布者、訂閱者。應(yīng)用程序?qū)⒉挥弥苯雨P(guān)心目的地的具體網(wǎng)絡(luò)地址和端口，只要將需要共享的數(shù)據(jù)對(duì)象提交給DDS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，由DDS負(fù)責(zé)基于消息內(nèi)容進(jìn)行無(wú)中心的傳輸，送達(dá)數(shù)據(jù)訂閱端。

圖1 DDS網(wǎng)絡(luò)通信模型

相反，在以對(duì)象為中心的通信中，基本概念是應(yīng)用程序間的接口，接口由一組已知類型方法組成。以對(duì)象為中心的系統(tǒng)由接口服務(wù)器和客戶端組成，通信則基于客戶端在對(duì)應(yīng)服務(wù)器所服務(wù)的命名接口上調(diào)用方法。以數(shù)據(jù)為中心和以對(duì)象為中心的通信方式是分布式系統(tǒng)中互補(bǔ)的兩種模式，前者更適合實(shí)時(shí)通信，后者更適合應(yīng)用程序。

2 數(shù)據(jù)管理問題

DDS系統(tǒng)本質(zhì)上是將傳輸層協(xié)議進(jìn)行封裝，是一個(gè)典型的消息中間件。它直接提供給應(yīng)用層程序標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，讓應(yīng)用程序可以靈活地定義通信類型和通信質(zhì)量需求(QoS)，從根本上消除各種通信軟件之間數(shù)據(jù)交換的障礙。DDS采用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱模式可以良好地適應(yīng)松耦合、無(wú)中心的分布式消息交換應(yīng)用，數(shù)據(jù)發(fā)送、接收方可以自由加入和退出通信組。與有中心的SAFMQ(Store and Forward Message Queue)不同，DDS這種無(wú)中心的消息交換模型直接造成了對(duì)歷史數(shù)據(jù)維護(hù)的困難，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)一致性問題和負(fù)載分配問題兩方面。

2.1 數(shù)據(jù)一致性問題

由于DDS的通信模式是以數(shù)據(jù)為中心，許多結(jié)點(diǎn)都可以向同一個(gè)通信組寫入消息。在不考慮結(jié)點(diǎn)失敗的情況下，設(shè)在一個(gè)通信組內(nèi)總數(shù)據(jù)集合S={s1,s2,s3,…,sn}，S由n個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，并且分別由數(shù)據(jù)寫入者W={w1,w2,w3,…,wn}集合進(jìn)行發(fā)布并記錄在永久介質(zhì)中，即每個(gè)寫入者只維護(hù)編號(hào)與之相同的數(shù)據(jù)塊，讀取者集合R={r1,r2,r3,…,rm}，每一個(gè)訂閱者都擁有完備的數(shù)據(jù)集S。物理結(jié)點(diǎn)集合N={n1,n2,n3,…,nr}，所擁有的數(shù)據(jù)集{s1,s2,s3,…,sn}。設(shè)ni={Ri,Wi|Ri?R且Wi?W,1≤i≤r|}

Ri∪Wi≠?,ni∩nj=?(1≤j≤r且i≠j)

當(dāng)一個(gè)新的讀取者rm+1加入到讀取者集合中，請(qǐng)求歷史數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)提供結(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)擁有完整的數(shù)據(jù)集S(Si=S,1?i?r)。這樣的結(jié)點(diǎn)需要滿足條件1

ns={RS,WS|RS≠?,WS=W,1?s?r|}

由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定，滿足條件1的結(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)槟撤N原因不存在于系統(tǒng)，因此rm+1將不能獲得完整的數(shù)據(jù)集S，分布式結(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)視圖將發(fā)生在同一時(shí)間點(diǎn)上不一致的情況。

2.2 負(fù)載分配問題

解決數(shù)據(jù)訪問一致性問題的前提是在無(wú)中心的數(shù)據(jù)交換模型中選出一個(gè)保證具有完整數(shù)據(jù)集的結(jié)點(diǎn)(Master)，所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求全部由該結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳輸。數(shù)據(jù)源的唯一性是數(shù)據(jù)訪問一致性的必要保證。一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的訪問本質(zhì)上是跨結(jié)點(diǎn)的內(nèi)存訪問。隨著分布式系統(tǒng)的擴(kuò)展，這種跨結(jié)點(diǎn)內(nèi)存訪問將會(huì)遇到結(jié)點(diǎn)I/O瓶頸，嚴(yán)重時(shí)將破壞數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。因此，不僅需要選擇高效的存儲(chǔ)方案，而且需要給上層應(yīng)用程序提供負(fù)載分配的解決方案。

3 數(shù)據(jù)管理解決方案

基于DDS的應(yīng)用有其自身的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)、較小卻頻繁的數(shù)據(jù)交換、硬實(shí)時(shí)性都使其區(qū)別于P2P的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。依據(jù)某種策略在某個(gè)通信范圍內(nèi)找到一個(gè)統(tǒng)一的歷史數(shù)據(jù)維護(hù)結(jié)點(diǎn)(Master)，負(fù)責(zé)向各結(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，并保證Master結(jié)點(diǎn)的可替代性，將是問題的關(guān)鍵。

3.1 數(shù)據(jù)一致性解決方案

DDS通信模型的基本操作單元是通信組，只有同一個(gè)通信組內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入和讀取者才能相互交換同種數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)。因此DDS數(shù)據(jù)一致性問題的原子問題即某一個(gè)通信組下數(shù)據(jù)的一致性問題?？紤]到DDS應(yīng)用程序需要很高的容錯(cuò)性，需要通過增加不同結(jié)點(diǎn)中完整數(shù)據(jù)的備份個(gè)數(shù)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。

3.1.1 完整數(shù)據(jù)集獲取策略

滿足條件1的結(jié)點(diǎn)才會(huì)擁有完備的數(shù)據(jù)集S，Wi=W條件與DDS松耦合性質(zhì)沖突，應(yīng)當(dāng)通過滿足Ri≠?這個(gè)條件來(lái)獲取完整的數(shù)據(jù)集合S。Ri需要滿足另一個(gè)前提條件：Ri必須在S由空集變?yōu)榉强占熬痛嬖谟诮Y(jié)點(diǎn)ni中，并且在nm+1請(qǐng)求歷史數(shù)據(jù)之前沒有退出過系統(tǒng)，這樣才能保證最終Si=Sb。但這樣的條件是苛刻的，不能容忍結(jié)點(diǎn)失敗。因此需要引入數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的方式來(lái)將S進(jìn)行傳遞，從而打破對(duì)于苛刻條件的依賴。數(shù)據(jù)校準(zhǔn)步驟：(1) 通信域第1個(gè)結(jié)點(diǎn)1啟動(dòng)，將其選擇為Master結(jié)點(diǎn)，并由系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)R1專門訂閱通信組內(nèi)的數(shù)據(jù)，以滿足條件1，此時(shí)數(shù)據(jù)通信開始，Master結(jié)點(diǎn)中的W1開始生產(chǎn)數(shù)據(jù)；(2) 第2個(gè)結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，無(wú)論其上層應(yīng)用是否請(qǐng)求歷史數(shù)據(jù)，此結(jié)點(diǎn)都向Master結(jié)點(diǎn)請(qǐng)求其產(chǎn)生的所有歷史數(shù)據(jù)，將完整的歷史數(shù)據(jù)集復(fù)制于本地，同時(shí)由系統(tǒng)新建一個(gè)R2。這時(shí)結(jié)點(diǎn)2的W2向網(wǎng)絡(luò)寫入數(shù)據(jù)D《》2，由于Master具有R1，所以W2所寫的數(shù)據(jù)也將傳給Master一份加入到S中，此時(shí)結(jié)點(diǎn)1和2的數(shù)據(jù)集都為S={Di,D2}；(3) 第3個(gè)結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，同樣從Master處復(fù)制一份完整數(shù)據(jù)集S={D1,D2}到本地，同理建立W3和R3，寫入D3；(4) 通信系統(tǒng)中每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都擁有完整數(shù)據(jù)集S={D1,D2,D3}，當(dāng)結(jié)點(diǎn)1失效后，依然可以保證通信組中完整數(shù)據(jù)集的存在。校準(zhǔn)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)實(shí)例

數(shù)據(jù)校準(zhǔn)過程是為了避免數(shù)據(jù)集S的一致性隨結(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和退出而損壞，與上層應(yīng)用程序需要與否無(wú)關(guān)。通信數(shù)據(jù)是否需要進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，是可選的QoS保證之一，若一個(gè)數(shù)據(jù)不需要持久化，那么不會(huì)啟用校準(zhǔn)策略。

3.1.2 數(shù)據(jù)內(nèi)容一致性

Paxos算法較好地解決了分布式系統(tǒng)中多備份數(shù)據(jù)一致性問題[4]。Paxos算法提供了完整的理論證明，操作請(qǐng)求結(jié)點(diǎn)接收到超過一半結(jié)點(diǎn)的回應(yīng)后即可開始操作數(shù)據(jù)，并且不會(huì)破壞一致性。為避免Paxos算法的“活鎖”問題，將采用其改進(jìn)算法Fast Paxos[4]。

Paxos算法及其改進(jìn)算法直接適用于小規(guī)模數(shù)據(jù)(Zookeeper[5]建議<1 MB)一致性的達(dá)成。但DDS應(yīng)用程序所產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)量較大，不能直接使用Paxos算法去對(duì)所有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性維護(hù)，否則將會(huì)隨著數(shù)據(jù)量的增大嚴(yán)重影響到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。因此需要一種方案來(lái)對(duì)某些系統(tǒng)關(guān)鍵部分進(jìn)行一致性處理。

除去網(wǎng)絡(luò)傳輸差錯(cuò)影響，可以認(rèn)為從同一個(gè)結(jié)點(diǎn)獲取的完整數(shù)據(jù)集合是相同的。有了數(shù)據(jù)維護(hù)結(jié)點(diǎn)(Master)，數(shù)據(jù)內(nèi)容一致性問題就轉(zhuǎn)化為了Master選取的一致性問題。使用Paxos分布式一致性服務(wù)表現(xiàn)為將Master結(jié)點(diǎn)的ID號(hào)作為系統(tǒng)內(nèi)一致性的操作對(duì)象，由Fast Paxos中的Leader[4]來(lái)提交Master的建議值，并在通信系統(tǒng)各個(gè)結(jié)點(diǎn)中達(dá)成Master的最終一致。

網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟铄e(cuò)或者人為的篡改都會(huì)造成從同一結(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容不正確，將Master處的完整數(shù)據(jù)集使用MD5摘要算法生成一個(gè)唯一值，將這個(gè)值也作為一致性服務(wù)的操作對(duì)象，如果某個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)本身具有的數(shù)據(jù)集的摘要值與Master的摘要值不同，需要重新從Master處得到一份數(shù)據(jù)。保證自己維護(hù)的數(shù)據(jù)時(shí)刻與Master保持內(nèi)容上的一致。

3.1.3 數(shù)據(jù)操作一致性

DDS給上層應(yīng)用不僅要提供獲取數(shù)據(jù)的功能，還應(yīng)當(dāng)具備數(shù)據(jù)操作的接口。完整數(shù)據(jù)集S在整個(gè)分布式系統(tǒng)中將會(huì)有很多備份，多個(gè)備份之間必須保持一致才能保證歷史數(shù)據(jù)的一致。所有的數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求應(yīng)首先提交給Master結(jié)點(diǎn)，Master結(jié)點(diǎn)通知所有的結(jié)點(diǎn)按照此操作請(qǐng)求來(lái)操作數(shù)據(jù)。Master會(huì)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)操作進(jìn)行編號(hào)，其他結(jié)點(diǎn)若沒有收到值較小的操作則不會(huì)進(jìn)行較大編號(hào)操作，防止了操作命令亂序。Master會(huì)在每個(gè)校準(zhǔn)流程開始時(shí)給請(qǐng)求結(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，包括此數(shù)據(jù)副本的最近操作編號(hào)，結(jié)點(diǎn)校準(zhǔn)完畢后，不再接受小于此編號(hào)的操作命令。每次對(duì)數(shù)據(jù)集的操作都會(huì)通過Master進(jìn)行處理，這樣的策略給事務(wù)的提交和回滾提供了可能。

圖3 數(shù)據(jù)操作一致性實(shí)例

3.2 負(fù)載分配策略

隨著結(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，如果依然按照單個(gè)通信組的處理方式選舉出一個(gè)控制整個(gè)通信域的Master結(jié)點(diǎn)來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整和一致，將會(huì)造成通信域中Master結(jié)點(diǎn)的過載，造成系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，失去了實(shí)時(shí)性的保證。因此需要一種合理的方案來(lái)降低結(jié)點(diǎn)負(fù)載量。

3.2.1 兩種Master選舉方法

(1)全局唯一Master。全局Master為實(shí)現(xiàn)功能將會(huì)加入通信域中所有的通信組。這種策略在結(jié)點(diǎn)數(shù)量不多的情況下還能適用，但系統(tǒng)的可擴(kuò)展性將會(huì)很差。隨著DDS應(yīng)用結(jié)點(diǎn)的增多，通信域中任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)都無(wú)法達(dá)到需要的I/O速度，這就導(dǎo)致一個(gè)請(qǐng)求有可能很久后才得到回應(yīng)，破壞了實(shí)時(shí)性；

(2)每個(gè)通信組都包含一個(gè)Master。這樣的策略可以通過控制Master選舉過程來(lái)將不同通信組的Master分配到盡量分散的結(jié)點(diǎn)，從而降低具體Master結(jié)點(diǎn)的負(fù)載量。這樣的策略理論上較好地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，但在實(shí)際情況中卻并非如此。Master的選舉牽涉到通信域內(nèi)的一致性，所以當(dāng)通信組很多的情況下，選舉過程所耗費(fèi)的時(shí)間將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖4 不同Master的情況

Master的選舉范圍是問題的關(guān)鍵，應(yīng)使用一種折中的策略來(lái)劃分Master的選舉范圍，由使用DDS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)管理員靈活配置Master選舉范圍，從而使Master負(fù)載問題和Master選舉延時(shí)問題對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響降到最低。為了解決這個(gè)問題，需要引入命名空間的概念。

3.2.2 命名空間

設(shè)通信組的集合G={g1,g2,g3,…,gn}，命名空間集合P={p1,p2,p3,…,pm}，pi={Gi|G,1≤i≤m}，Gi∩Gj=?。一種DDS應(yīng)用或許會(huì)涉及到多個(gè)數(shù)據(jù)類型，每個(gè)數(shù)據(jù)類型都劃分出一個(gè)通信組，命名空間從數(shù)據(jù)相關(guān)性的角度對(duì)多個(gè)通信組再做出一個(gè)劃分，同一個(gè)命名空間下的通信組會(huì)選擇出同一個(gè)Master，擁有統(tǒng)一處理的數(shù)據(jù)集合。給上層應(yīng)用提供了這種手段后，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)具體需要來(lái)對(duì)通信組進(jìn)行劃分，找出實(shí)時(shí)性最好的劃分方案。

該方案應(yīng)用在了清華大學(xué)實(shí)時(shí)服務(wù)總線(RTSB)原型系統(tǒng)上。Master重選延遲和通信域結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及命名空間個(gè)數(shù)的關(guān)系如圖5所示。結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多或者同一時(shí)刻需要重選Master的命名空間越多，Master選舉完成的延遲越長(zhǎng)。因此命名空間的劃分原則應(yīng)當(dāng)是，在單一結(jié)點(diǎn)服務(wù)能力不會(huì)出現(xiàn)瓶頸的情況下，盡量少的劃分命名空間，才能保證系統(tǒng)的高可伸縮性。

圖5 Master重選延遲

在實(shí)際應(yīng)用中，就算引入了命名空間的概念，依然不能真正降低Master選舉的時(shí)間，這就給系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)時(shí)性帶來(lái)了隱患。命名空間中具有完整數(shù)據(jù)集的結(jié)點(diǎn)將會(huì)有很多，如果某結(jié)點(diǎn)僅為了獲取數(shù)據(jù)而不需要操作數(shù)據(jù)，那么任何一個(gè)具有完整數(shù)據(jù)集的結(jié)點(diǎn)都可以作為數(shù)據(jù)的提供者，而無(wú)需等到選出Master后才響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求。因此在一個(gè)命名空間中沒有Master時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選取一個(gè)具有命名空間完整數(shù)據(jù)集的結(jié)點(diǎn)來(lái)作為數(shù)據(jù)提供結(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱模型入手，研究分析了在這種通信模型下持久化數(shù)據(jù)的管理存在的問題，結(jié)合DDS通信模式，設(shè)計(jì)了靈活的數(shù)據(jù)管理域劃分機(jī)制，選取了合適的數(shù)據(jù)管理結(jié)點(diǎn)選擇策略，在不嚴(yán)重影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的情況下，應(yīng)用Paxos算法較好解決了DDS網(wǎng)絡(luò)通信中間件在網(wǎng)絡(luò)通信中歷史數(shù)據(jù)一致性問題。

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Research on Data Management Problems Based on DDS Communication Model

LIU Hongyi

(Battle Laboratory，College of the PLA Border，Xi’an 710108，China)

Non- center and multi-replica of this DDS real-time pub-sub model brings integrity and consistency challenges for data management. Different from P2P distributed storage problem, DDS applications has hard real-time/less data characteristics. Data management’s core problem is to ensure the integrity and consistency of the data in distributed systems under hard real-time environment. This paper starts from the communication model used by the DDS and then analyzes persistent data management problems caused by such model, given a kind of appropriate solutions.

DDS;pub-sub;consistency;load balancing

2016- 05- 11

劉宏義(1972-)，男，副教授。研究方向：作戰(zhàn)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.041

TN914

A

1007-7820(2016)11-146-04