鄭樹劍，華先亮，高 陽，楊 鑫

（1. 北京海蘭信數(shù)據(jù)科技股份有限公司，北京100095；2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203；3. 中船航?？萍加邢挢?zé)任公司，北京100070；4. 上海外高橋造船有限公司，上海200137）

0 前 言

船載設(shè)備、傳感器及交互場景多，信息量大，數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)環(huán)境復(fù)雜。實(shí)現(xiàn)船內(nèi)通信和船岸通信，保證低延時(shí)、高可靠性、高效率的通信協(xié)議成為客戶的迫切需要。 當(dāng)前船舶上的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式各異，通信協(xié)議不統(tǒng)一，需要制定出統(tǒng)一的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式以及相應(yīng)的硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，這樣各種信息才能做到互聯(lián)互通，對船載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展尤其是智能船的發(fā)展來說至關(guān)重要。

1 船載設(shè)備數(shù)據(jù)通信協(xié)議現(xiàn)狀

目前船舶上的設(shè)備和系統(tǒng)的物理接口形式多樣， 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞胶屯ㄐ艆f(xié)議也各有不同。 航行設(shè)備，比如GPS、羅經(jīng)、計(jì)程儀等的數(shù)據(jù)主要通過串口RS422/RS232/RS485 來接入到應(yīng)用系統(tǒng)中，通信協(xié)議主要采用的是NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn)。 NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association）為統(tǒng)一海洋導(dǎo)航規(guī)范而制定的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為國際通用的一種格式。 協(xié)議的內(nèi)容在兼容NMEA-0180 和NMEA-0182 的基礎(chǔ)上， 增加了GPS、測深儀、羅經(jīng)方位系統(tǒng)等多種設(shè)備接口和通信協(xié)議定義，同時(shí)還允許一些特定廠商對其設(shè)備通信自定協(xié)議。

機(jī)艙數(shù)據(jù)主要是來自于機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警設(shè)備，比如康士伯等廠家的設(shè)備。 監(jiān)測報(bào)警通信協(xié)議主要有3種：MODBUS、CANBUS 和OPC，接口主要通過串口或者RJ45 網(wǎng)口。 MODBUS 協(xié)議應(yīng)用于電子控制器，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信。 它已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 利用MODBUS，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控。 此協(xié)議定義了一種控制器能識(shí)別和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管信息是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。 它描述了控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，如何回應(yīng)來自其他設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯(cuò)誤并記錄。 它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

OPC UA（OPC Unified Architecture）是一個(gè)不依賴任何平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，借助此標(biāo)準(zhǔn)各種各樣的系統(tǒng)和設(shè)備能在不同的網(wǎng)絡(luò)中以C/S（Client/Server）的模式進(jìn)行通信。 OPC 統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)通過確認(rèn)客戶端和服務(wù)器的身份且自動(dòng)抵御攻擊來支持穩(wěn)定、安全的通信。 OPC 應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域已有很長的歷史了，不同的OPC 解決方案，提供多種通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)庫集成、串口設(shè)備通信、以及與基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集成。

IEC 61162-450：2018 通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了船上導(dǎo)航和無線電通信設(shè)備之間，以及需要與導(dǎo)航和無線電通信設(shè)備進(jìn)行通信的其他船舶系統(tǒng)之間的高速通信接口要求和試驗(yàn)方法。 IEC 61162-450 介紹了網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的要求，還有對網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層的規(guī)范。IEC 61162-450 支持UDP 和組播協(xié)議，不對協(xié)議進(jìn)行解析， 只是為IEC 61162-1 和IEC 61162-2標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)速度更快、容量更大的替代方案，同時(shí)保留了上述標(biāo)準(zhǔn)的基本數(shù)據(jù)格式。

在船舶以太網(wǎng)通信中，有多個(gè)分布的信息源，也分布著多個(gè)對這些信息源的信息感興趣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成異構(gòu)的分布式網(wǎng)絡(luò)［1］。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信解決方案往往不能很好地適用于分布式系統(tǒng)，尤其是對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)，而發(fā)布/訂閱網(wǎng)絡(luò)模型使得多種分布式系統(tǒng)能在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中高效地共享數(shù)據(jù)。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要訂閱它們想要的數(shù)據(jù)，或者發(fā)布它們能提供的信息，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸方式［2］。

2 船載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訂閱式通信協(xié)議介紹

船載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訂閱式通信協(xié)議DSCP（Data Subscription Communication Protocol for Shipborne Network）， 總結(jié)了多種傳輸協(xié)議和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)類型，借鑒了OPC UA 和對象管理組織（OMG）的DDS（Data Distribution Service）兩種成熟的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)的對象模型， 使用信息模型的方式封裝數(shù)據(jù)。 協(xié)議本身不僅包含數(shù)據(jù)內(nèi)容同時(shí)包含數(shù)據(jù)描述信息，同時(shí)支持文件、流媒體等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。通過按此標(biāo)準(zhǔn)制定的一個(gè)包含數(shù)據(jù)描述的通信協(xié)議，各個(gè)船端系統(tǒng)可以利用統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具備高效的信息傳輸效率，滿足信息傳輸?shù)牡脱訒r(shí)、 安全性要求。 協(xié)議同時(shí)支持多種QoS（Quality of Service）策略，實(shí)現(xiàn)在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)獲得正確的數(shù)據(jù)。 DSCP 與OSI （Open System Interconnection）以太網(wǎng)7 層參考模型對比如圖1 所示。

該圖中間是OSI 的7 層參考模型，右側(cè)是對應(yīng)的TCP/IP 5 層模型，左側(cè)是本協(xié)議在OSI 的每層上實(shí)現(xiàn)的協(xié)議。 左側(cè)的虛框代表DSCP 主要實(shí)現(xiàn)的工作。

DSCP 主要是在傳輸層以上通過多協(xié)議實(shí)現(xiàn)：

1） 在網(wǎng)絡(luò)層，構(gòu)建和管理多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，包括尋址、路由和流量控制。通過IP 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)底層各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)源IP 地址以及目標(biāo)IP 地址的尋址。

2） 在傳輸層，包含基于TCP、UDP 單播和組播的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了TLS1.3 協(xié)議保證數(shù)據(jù)安全。 傳輸層保證在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可靠地傳輸數(shù)據(jù)，包括分段、確認(rèn)和多路復(fù)用，支持無連接的協(xié)議UDP 以及面向連接的TCP。

圖1 DSCP 與OSI 以太網(wǎng)7 層參考模型對比

3）在會(huì)話層和表示層，實(shí)現(xiàn)了DDSI-RTPS（The Real-time Publish-Subscribe Protocol）協(xié)議，管理通信會(huì)話以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的多個(gè)往復(fù)傳輸?shù)男问竭B續(xù)交換信息，包括字符編碼、數(shù)據(jù)壓縮和加密/解密。

4） 在表示層和應(yīng)用層，基于ACE（Adaptive Communication Environment） 組件實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的通信環(huán)境，包括高并發(fā)、跨平臺(tái)和可移植性。

5） 在應(yīng)用層，設(shè)計(jì)了DSCP 的一套接口，除了支持OMG-DDS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 還加入了對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、請求/回復(fù)模型的支持，接口按平臺(tái)提供開發(fā)語言，目前包括C++、JAVA、Python 等3 種接口語言。

DSCP 以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱模型為所有的分布式節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建了一個(gè)虛擬共享的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。 對于應(yīng)用來說，DDS 通過發(fā)送消息來更新遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)存儲(chǔ)值， 訪問全局?jǐn)?shù)據(jù)空間與通過API 訪問內(nèi)存一樣［3］。

全局?jǐn)?shù)據(jù)空間由發(fā)布/訂閱登記表、發(fā)布數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等部分構(gòu)成。發(fā)布/訂閱登記表記錄了所有發(fā)布/訂閱消息主題、 發(fā)布者/訂閱者地址以及該類信息的主要特征，如數(shù)據(jù)有效期、消息優(yōu)先級、實(shí)時(shí)/可靠性要求等，所有主機(jī)上的發(fā)布/訂閱主題表保持一致并實(shí)時(shí)更新。 發(fā)布數(shù)據(jù)緩沖區(qū)保存了本主機(jī)發(fā)布且需要保存的發(fā)送數(shù)據(jù)，即發(fā)布后仍需要繼續(xù)保留一段時(shí)間，支持訂閱者在這段時(shí)間內(nèi)正確索取的數(shù)據(jù)，全局?jǐn)?shù)據(jù)空間根據(jù)數(shù)據(jù)有效期動(dòng)態(tài)刪除或更新數(shù)據(jù)。 接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是必不可少的，全局?jǐn)?shù)據(jù)空間為每一個(gè)訂閱進(jìn)程分配一個(gè)這樣的隊(duì)列用以緩沖其接收卻未能及時(shí)處理的消息。

每個(gè)DSCP 應(yīng)用僅在本地存儲(chǔ)它需要的數(shù)據(jù)，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何應(yīng)用需要他們時(shí)，通過全局?jǐn)?shù)據(jù)空間提供給對應(yīng)的應(yīng)用。 所有的數(shù)據(jù)分發(fā)工作全部都由DSCP 完成。全局?jǐn)?shù)據(jù)空間是一個(gè)虛擬概念，實(shí)際上是本地存儲(chǔ)的集合。 每個(gè)應(yīng)用，可以用幾乎任何一種語言編寫，運(yùn)行在任何系統(tǒng)上，可以在本地內(nèi)存上讀到最好的數(shù)據(jù)格式顯示的數(shù)據(jù)。 全局?jǐn)?shù)據(jù)空間可以在嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)和云應(yīng)用之間共享數(shù)據(jù)，采用任意的傳輸方式，無論語言和系統(tǒng)，保證極低的延遲。

DSCP 基本結(jié)構(gòu)是域（domain）， 由域號(hào)唯一標(biāo)識(shí)。 domain 將各個(gè)應(yīng)用程序綁定在一起進(jìn)行通信，只有在同一個(gè)域內(nèi)的通信實(shí)體才能通信，不同域內(nèi)的實(shí)體間無任何邏輯關(guān)系。

DSCP 由域、域參與者、主題、數(shù)據(jù)寫者、數(shù)據(jù)讀者組成，如圖2 所示。

1） 域：代表建立一個(gè)鏈接，包含所有加入它的應(yīng)用程序的虛擬網(wǎng)絡(luò)。 只有在同一域中的應(yīng)用程序才能通信。

2） 域參與者：應(yīng)用程序在某個(gè)域內(nèi)交互的入口點(diǎn)。 每個(gè)域參與者可以有一個(gè)或多個(gè)發(fā)布者或訂閱者。

3） 主題：主題是發(fā)布、訂閱應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)交互的根本手段，在一個(gè)域內(nèi)，每個(gè)主題有唯一的名字和特定的數(shù)據(jù)類型。 每個(gè)主題數(shù)據(jù)類型可以指定0 個(gè)或多個(gè)字段作為鍵，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)布時(shí)，發(fā)布端需要指定主題，訂閱端通過該主題訂閱數(shù)據(jù)。 主題由主題名、主題類型、一個(gè)或多個(gè)QoS 策略組成。 主題名稱是一個(gè)能在域中唯一標(biāo)識(shí)主題的字符串，主題類型是對主題數(shù)據(jù)的定義，每個(gè)主題都可以關(guān)聯(lián)相應(yīng)的QoS 策略。

圖2 DSCP 的組成

4） 數(shù)據(jù)寫者（datawriter）與數(shù)據(jù)發(fā)布者：每個(gè)數(shù)據(jù)寫者只關(guān)聯(lián)一個(gè)特定的主題，因此只具有一種數(shù)據(jù)類型。 應(yīng)用程序通過數(shù)據(jù)寫者的特定類型接口來發(fā)布所關(guān)聯(lián)主題的數(shù)據(jù)實(shí)例。 數(shù)據(jù)寫者負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳遞給發(fā)布者，發(fā)布者來分發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)布者會(huì)根據(jù)自身的QoS 以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫者的QoS 來分發(fā)數(shù)據(jù)。

5）數(shù)據(jù)讀者（datareader）與數(shù)據(jù)訂閱者：數(shù)據(jù)讀者是用來獲取由訂閱者所接收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序的DCPS 實(shí)體， 每個(gè)數(shù)據(jù)讀者被綁定到一個(gè)特定的主題，也就是每個(gè)數(shù)據(jù)讀者只關(guān)心它所感興趣的數(shù)據(jù)類型。 訂閱者負(fù)責(zé)接收來自發(fā)布者的數(shù)據(jù)， 然后將收到的數(shù)據(jù)傳給相應(yīng)的數(shù)據(jù)讀者，從而使應(yīng)用程序獲得它所感興趣的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀者可通過實(shí)時(shí)和延遲兩種方式來獲取它所訂閱的數(shù)據(jù)。

DSCP內(nèi)所有的成員都是實(shí)體（entity），DSCP 中任兩個(gè)實(shí)體通信都必須在同一個(gè)域內(nèi)進(jìn)行交互。 域內(nèi)的域參與者domain participant 是服務(wù)的入口點(diǎn)，任何DSCP 應(yīng)用都需首先獲取domain participant，然后通過（domain participant）獲取其他服務(wù)，如發(fā)布者（publisher），訂閱者（subscriber），主題（topic）等。 域參與者作為數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的入口點(diǎn)，包含若干發(fā)布者、訂閱者和注冊主題，負(fù)責(zé)創(chuàng)建、刪除和管理這些實(shí)體。 發(fā)布者角色，至少包含一個(gè)數(shù)據(jù)寫者，并負(fù)責(zé)創(chuàng)建、刪除和管理數(shù)據(jù)寫者。 同樣，訂閱者至少與一個(gè)數(shù)據(jù)讀者關(guān)聯(lián)。 數(shù)據(jù)發(fā)布者發(fā)布數(shù)據(jù)是通過發(fā)布者和Qos 綜合控制的。 數(shù)據(jù)讀者負(fù)責(zé)訂閱數(shù)據(jù)， 訂閱方式可采用異步方式、 同步方式和非阻塞方式等3種。

3 船載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訂閱式通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

每個(gè)主題都有對應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，這是在創(chuàng)建主題的時(shí)候就需要確定的。 發(fā)布方將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)通過某種方式轉(zhuǎn)化成創(chuàng)建主題時(shí)所設(shè)置數(shù)據(jù)類型的JSON［4］格式，然后發(fā)布出去。

3.1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)格式

表1 展示了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包的組成部分，JSON 格式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)描述是對應(yīng)關(guān)系，用戶應(yīng)用獲取數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)描述解析數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)描述是對數(shù)據(jù)的每個(gè)鍵值對進(jìn)行說明，包括鍵值的數(shù)據(jù)類型、名稱、單位、組成形式等［5］。數(shù)據(jù)類型包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型以及復(fù)雜數(shù)據(jù)類型，可以是某個(gè)通用協(xié)議名稱，也可以是事先約定好的對象名稱。

表1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)格式

3.2 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)格式

非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則或不完整、沒有預(yù)定義的數(shù)據(jù)模型，這是不方便用數(shù)據(jù)庫二維邏輯表來表現(xiàn)的數(shù)據(jù)。 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括所有格式的辦公文檔、文本、圖片、XML、HTML、報(bào)表、圖像和音頻/視頻信息等等，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)格式見表2。 如果發(fā)布的是幾百M(fèi)B 的大文件數(shù)據(jù)， 文件大小可以設(shè)置，通過FTP 中轉(zhuǎn)，發(fā)布文件路徑來通知用戶，用戶收到文件路徑變化消息， 自行訪問FTP 下載數(shù)據(jù)。小的數(shù)據(jù)文件，可以通過二進(jìn)制流的方式發(fā)布，用戶需要按照API 接口的要求，把文件序列化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，再調(diào)用相關(guān)的發(fā)送接口。

4 船載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訂閱式通信協(xié)議與現(xiàn)有協(xié)議區(qū)別

DSCP 主要借鑒了OPC UA 規(guī)范的Part 5 Information model 部分，模型部分對于對象的描述主要是數(shù)據(jù)類型的描述。 把模型部分融入到DSCP 之中。 除此之外兩者的區(qū)別示于表3。 DSCP 主要在國際對象組織OMG 的DDS 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充，與OMG 的DDS 區(qū)別如表4 所示。

表2 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)格式

表3 DSCP 與OPC UA 協(xié)議的區(qū)別

表4 DSCP 與OMG 的DDS 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別

5 結(jié) 語

DSCP協(xié)議提供了發(fā)布訂閱方式通信的API 接口規(guī)格和包含語義的數(shù)據(jù)協(xié)議，能夠提供低延時(shí)、可靠、高效的數(shù)據(jù)交互方案。 該協(xié)議適用于從船舶設(shè)備、傳感器、其他系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，以及船上各個(gè)系統(tǒng)間以安全和高效的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的分享和數(shù)據(jù)的交互，支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。 應(yīng)用此協(xié)議，各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)不用再去關(guān)注原始設(shè)備的數(shù)據(jù)協(xié)議，數(shù)據(jù)包包含描述信息，數(shù)據(jù)做到即拿即用，大大減少了各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)解析多家數(shù)據(jù)協(xié)議的繁重工作。DSCP 協(xié)議更能關(guān)注業(yè)務(wù)功能， 可以滿足智能船應(yīng)用發(fā)展的需要。

目前該協(xié)議已經(jīng)在智能船舶1.0 研發(fā)專項(xiàng)的4艘示范船上進(jìn)行示范應(yīng)用，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議將全船數(shù)據(jù)打通，進(jìn)行全船的數(shù)據(jù)采集和發(fā)布，保證了全船統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口。