◆湯學達 張媛 孫文俊

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210007）

隨著我軍信息化建設的蓬勃發(fā)展，實時信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以網(wǎng)絡為中心的趨勢，對信息交互能力的要求日益提高。因此，實時傳輸技術研究的目標是建立實時性強、可靠性高、安全性好的信息交換平臺，提高系統(tǒng)互聯(lián)能力，滿足系統(tǒng)內(nèi)各種信息交換和共享需求，并解決應用軟件之間的數(shù)據(jù)共享和集成問題。

目前，我軍的信息化系統(tǒng)中仍然大量采用端到端的面向連接的通信模式，當系統(tǒng)比較復雜時，該模式的維護性和擴展性都比較差。而在信息化系統(tǒng)中，除了發(fā)送的數(shù)據(jù)外，根據(jù)傳輸信道和使用場景的不同，用戶可能對于傳輸?shù)囊笠约瓣P注點也不盡相同。例如對于延時較長的傳輸信道，用戶可能更關注于怎樣才能保證收到的數(shù)據(jù)不過期。未來的信息化系統(tǒng)正在向著網(wǎng)絡化和服務化的方向發(fā)展，而類似于CORBA 或者RPC 等傳統(tǒng)的服務化通信模式可能無法滿足我軍實時信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸要求。針對上面的問題，參考DDS 規(guī)范，設計并實現(xiàn)了面向數(shù)據(jù)的實時網(wǎng)絡中間件，可以實現(xiàn)通信節(jié)點和傳輸構(gòu)件的即插即用；通過設計實時網(wǎng)絡中間件的服務質(zhì)量策略（Quality of ServicePolicies，QoS），優(yōu)化我軍實時信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，大幅提高系統(tǒng)設計和功能拓展的靈活性；通過對于全局數(shù)據(jù)空間的設計，使用“主題”來標識信息流，實現(xiàn)類似于“服務總線”的“數(shù)據(jù)總線”，為上層應用提供透明的應用接口。

1 DDS 規(guī)范

DDS 規(guī)范是OMG 的有關分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布的一個較新的規(guī)范[1-2]（2004 年12 月發(fā)布1.0 版，2007 年1 月發(fā)布1.2 版）。DDS 規(guī)范采用了發(fā)布/訂閱體系結(jié)構(gòu)，但對實時性要求提供更好的支持。DDS 是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱通信模型[3-5]，并針對強實時系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提供低延遲、高吞吐量、對實時性能的控制級別、從而使DDS 能夠廣泛地應用于軍事、航空、通信、交通運輸、工業(yè)自動化、金融等領域。DDS 規(guī)范了實時分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱機制。DDS規(guī)范使用UML 語言描述服務，提供了一個與平臺無關的數(shù)據(jù)模型。DDS 規(guī)范簡化了實時分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)高效、可靠地發(fā)布，它主要應用在要求高性能、可預見性和對資源有效使用的關鍵任務領域[6-7]。

圖1 DDS 協(xié)議基本過程

如圖1 所示，DDS 中以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模型建立了一個邏輯上統(tǒng)一的“全局數(shù)據(jù)空間”的概念[8]，通過全局數(shù)據(jù)空間來管理數(shù)據(jù)對象。“主題”提供了一個標志符，在全局數(shù)據(jù)空間中唯一地標識某些數(shù)據(jù)項，“數(shù)據(jù)發(fā)布者”和“數(shù)據(jù)訂閱者”通過“主題”進行關聯(lián)?！皵?shù)據(jù)發(fā)布者”為向數(shù)據(jù)空間發(fā)布主題信息的應用程序，“數(shù)據(jù)訂閱者”為從數(shù)據(jù)空間中獲取主題信息的應用程序。通過這種方式可以實現(xiàn)在“數(shù)據(jù)發(fā)布者”和“數(shù)據(jù)訂閱者”之間的松耦合。DDS 規(guī)范列舉并正式定義了一整套的QoS，能利用QoS 進行系統(tǒng)控制。每一個實體都有自身QoS 策略，而且在每一對發(fā)布者和訂閱者之間又都可以建立獨立的QoS 協(xié)定。這使得DDS 可以很好地配置和利用系統(tǒng)資源、協(xié)調(diào)可預言性與執(zhí)行效率間的平衡，以及能夠支持復雜多變的數(shù)據(jù)流需求。目前，DDS 規(guī)范已被廣泛應用于軍事系統(tǒng)中，包括作戰(zhàn)系統(tǒng)、船舶導航和控制系統(tǒng)、船舶防御系統(tǒng)、無人機駕駛系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)、裝甲車輛控制系統(tǒng)、仿真和培訓系統(tǒng)等，其典型應用系統(tǒng)包括美國海上作戰(zhàn)中心（NSWS）高性能分布式計算系統(tǒng)（HiPer-D）、美國海軍LPD-17 艦內(nèi)廣域網(wǎng)絡、洛馬美國海軍宙斯盾（Aegis）武器系統(tǒng)、Ⅰnsitu無人機等。

2 軟件設計

2.1 軍事信息化系統(tǒng)對實時網(wǎng)絡中間件的要求

由于在未來的軍事信息化系統(tǒng)中，大量實時信息存在于提供信息的各個成員系統(tǒng)中，它們以信息流和數(shù)據(jù)存儲的方式提供給信息用戶使用。這些信息的傳輸既需要實時網(wǎng)絡中間件實現(xiàn)網(wǎng)絡化與服務化系統(tǒng)中的即插即用與松耦合，又要求實時網(wǎng)絡中間件可以在極短的時間將消息傳輸給用戶實現(xiàn)強實時性。不僅要保證消息可以快速正確的傳遞給用戶，而且需要對信息的可靠性、持久性、丟報率、傳送優(yōu)先級等屬性進行保證。

2.2 實時網(wǎng)絡中間件理論建模

參考DDS 規(guī)范，將實時網(wǎng)絡中間件劃分為平臺無關模型和平臺相關模型。模平臺無關模型是對平臺無關部分進行的抽象，可以劃分為結(jié)構(gòu)模型，消息模型，行為模型和發(fā)現(xiàn)型等四個模型。其中，結(jié)構(gòu)模型定義了實時網(wǎng)絡中間件中的實體信息；消息模型定義了實時網(wǎng)絡中間件中的消息格式；行為模型定義了實體間的動態(tài)行為；而發(fā)現(xiàn)模型則定義了實體間的發(fā)現(xiàn)方法，而平臺相關模型則體現(xiàn)了每個平臺的差異性，例如傳輸模型和安全模型等。平臺無關模型和平臺相關模型共同構(gòu)成了實時網(wǎng)絡中間件的理論模型，如圖2 所示。

（1）結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型定義了DDS 規(guī)范中規(guī)定的一些核心實體，如圖3 所示。在實時網(wǎng)絡中間件模型中，實體之間在域內(nèi)進行通信，每個實體又代表了一個參與者的集合，參與者包含本地通信端點，其中，通信端點又包括兩種類型：數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者，數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者通過消息進行通信。其中，數(shù)據(jù)發(fā)布者在域內(nèi)發(fā)布數(shù)據(jù)而參與者可以根據(jù)自己的需求獲得數(shù)據(jù)。

圖2 實時網(wǎng)絡中間件理論模型圖

圖3 結(jié)構(gòu)模型的核心實體

除了核心實體以外，為了通信的方便，結(jié)構(gòu)模型還定義了一種數(shù)據(jù)對象——歷史緩存。歷史緩存主要用于緩存數(shù)據(jù)發(fā)布者發(fā)布以及數(shù)據(jù)訂閱者接收的歷史數(shù)據(jù)。歷史緩存并不包括全部數(shù)據(jù)，其緩存的具體內(nèi)容取決于QoS 的設置以及數(shù)據(jù)發(fā)布者與數(shù)據(jù)訂閱者的實體狀態(tài)。

（2）消息模型

消息模型定義了數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者交互的消息格式，按照不同類型，可以將消息分為控制消息，數(shù)據(jù)消息，心跳消息等。其中，每個消息都包括消息頭和消息體兩部分，消息頭中定義了協(xié)議號，驗證報頭等通用信息。消息格式按照標準的DDS 規(guī)范進行設計，可以很方便地支持標準協(xié)議以及進行相應擴展。

（3）行為模型

行為模型定義了實體間的動態(tài)行為。其中，數(shù)據(jù)發(fā)布者的行為包括創(chuàng)建主題，發(fā)布主題，發(fā)布數(shù)據(jù)，更改歷史緩存等，數(shù)據(jù)訂閱者的行為包括創(chuàng)建主題，訂閱主題，接收數(shù)據(jù)，從歷史緩存獲取數(shù)據(jù)等。

（4）發(fā)現(xiàn)模型

發(fā)現(xiàn)模型定義了實體間的發(fā)現(xiàn)方法，其目的是使每個參與者自動地發(fā)現(xiàn)相關的參與者以及其通信端點信息。發(fā)現(xiàn)之后，實體間就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)布訂閱規(guī)則進行通信。

而對于平臺相關模型，每個平臺的定義方式不同，在此不再進行介紹。

2.3 實時網(wǎng)絡中間件框架設計

基于上文需求，參照實時網(wǎng)絡中間件的理論模型，設計實時網(wǎng)絡中間件的框架如圖4 所示。其中，實時網(wǎng)絡中間件采用分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，每個主機的地位對等，保存與自身相關的發(fā)布/訂閱信息，“全局數(shù)據(jù)空間”作為邏輯概念存在于整個系統(tǒng)中。

如圖4 所示，參與的實體有數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者。數(shù)據(jù)發(fā)布者通過發(fā)布訂閱接口向發(fā)布訂閱代理發(fā)布主題，數(shù)據(jù)訂閱者則通過發(fā)布訂閱接口向發(fā)布訂閱代理訂閱主題。而發(fā)布訂閱代理則通過數(shù)據(jù)總線進行主題管理，消息匹配等功能，共同維護了一個邏輯上的全局數(shù)據(jù)空間。該設計方式有效避免了集中式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的信息交換瓶頸問題，簡化了信息發(fā)布/訂閱流程，任何網(wǎng)絡節(jié)點出現(xiàn)故障都不會影響其他節(jié)點的正常通信，因此具有相對更好的便捷性和可靠性。

圖4 實時網(wǎng)絡中間件框架圖

2.4 功能模塊劃分與實現(xiàn)

實時網(wǎng)絡中間件平臺處于應用系統(tǒng)和操作系統(tǒng)之間，分為發(fā)布訂閱代理和應用程序接口兩大部分，體系結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 中間件體系結(jié)構(gòu)

中間件的主要功能模塊可以劃分為Socket 傳輸層，網(wǎng)絡通信接口，QoS 配置模塊，發(fā)布訂閱接口以及發(fā)布訂閱代理。

其中Socket 傳輸層對應于上文的平臺相關模型，實現(xiàn)了對于操作系統(tǒng)的傳輸接口封裝，為上層提供了統(tǒng)一的傳輸接口。通信接口通過調(diào)用Socket 傳輸層的接口，針對不同QoS，對于傳輸方式以及傳輸信道進行了自適應的匹配。QoS 配置模塊通過發(fā)布訂閱代理實現(xiàn)了對于QoS 的管理以及QoS 的自動匹配。而發(fā)布訂閱接口則對下層接口進行了封裝，提供了統(tǒng)一的接口，使得用戶更加易用。發(fā)布訂閱代理則維護了邏輯上的全局數(shù)據(jù)空間，實現(xiàn)了主題數(shù)據(jù)以及QoS 數(shù)據(jù)的全局共享。網(wǎng)絡通信接口，QoS 配置模塊，發(fā)布訂閱接口以及發(fā)布訂閱代理則參考上文的平臺無關模型進行設計。

3 關鍵技術研究

3.1 全局數(shù)據(jù)空間

在實時網(wǎng)絡中間件中，全局數(shù)據(jù)空間是整個中間件實現(xiàn)的核心。全局數(shù)據(jù)空間是一個虛擬的空間，實現(xiàn)了公共數(shù)據(jù)總線的管理和驅(qū)動，所有實時信息交換平臺應用主機的地址空間均看作該空間的一部分；發(fā)布/訂閱模型中消息主題的管理與匹配、發(fā)布者和訂閱者連接事件通知、基于主題的消息交換等功能都基于全局數(shù)據(jù)空間完成[8]。其核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由參與者結(jié)構(gòu)，主題管理表，歷史緩存結(jié)構(gòu)以及主題同步結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

（1）參與者結(jié)構(gòu)

定義參與者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來保存參與者的狀態(tài)信息。其中，包括參與者標識，用來唯一的標識某一個參與者，參與者的端點信息，以及參與者的QoS 信息。

（2）主題管理表

定義主題數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來保存主題的狀態(tài)信息。其中，包括主題標識，用來標識某一個主題，主題名稱，主題的QoS 信息，以及該主題的本地發(fā)布者集合，本地訂閱者集合，遠程發(fā)布者集合，遠程訂閱者集合，這些集合的數(shù)據(jù)都為參與者類型。而主題管理表是用來管理主題的，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為主題數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的聚合，包括當前注冊的主題數(shù)目以及主題集合。

（3）主題同步結(jié)構(gòu)

定義主題同步結(jié)構(gòu)表示在一個主題需要同步時對外廣播的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括主題標識，用來標識某一個主題，主題名稱，主題的QoS信息，以及本地的發(fā)布者與訂閱者的集合。全局數(shù)據(jù)空間的主題管理表主要通過每個主機的發(fā)布訂閱代理進行同步，如圖6 所示，每個應用程序主要向本地的發(fā)布訂閱代理進行數(shù)據(jù)的訂閱與發(fā)布，本地節(jié)點的發(fā)布訂閱代理通過網(wǎng)絡和其他節(jié)點的發(fā)布訂閱代理進行數(shù)據(jù)同步，最終可實現(xiàn)每個發(fā)布訂閱代理都保存有整個網(wǎng)絡所有節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)布者與數(shù)據(jù)訂閱者信息。

圖6 數(shù)據(jù)同步方法

在整個過程中，有兩個時機需要進行數(shù)據(jù)同步，一個時機是在數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者發(fā)布或者訂閱數(shù)據(jù)的同時，發(fā)布訂閱代理立刻和其他代理進行同步，這樣可以保證每個訂閱發(fā)布代理的數(shù)據(jù)都能保持最新。另外一個時機是發(fā)布訂閱代理周期性的進行數(shù)據(jù)同步，這樣可以防止數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者的異常情況。在發(fā)布訂閱代理內(nèi)部存有主題信息表，包括這個網(wǎng)絡中所有發(fā)布和訂閱的主題列表。每個主題內(nèi)又有該主題對應的四個列表：本地發(fā)布者列表，本地訂閱者列表，發(fā)現(xiàn)的發(fā)布者列表和發(fā)現(xiàn)的訂閱者列表。主要的發(fā)布訂閱過程如圖7 所示。

圖7 實體發(fā)現(xiàn)流程

（1）數(shù)據(jù)發(fā)布者發(fā)布主題時將自身信息添加到發(fā)布訂閱代理對應主題的本地發(fā)布者列表中；

（2）數(shù)據(jù)訂閱者訂閱主題時將自身信息添加到發(fā)布訂閱代理對應主題的本地訂閱者列表中；

（3）發(fā)布訂閱代理同步主題時，將該主題對應的本地發(fā)布者和本地訂閱者列表通過廣播的方式發(fā)給其他網(wǎng)絡節(jié)點的發(fā)布訂閱代理；

（4）其他網(wǎng)絡節(jié)點的發(fā)布訂閱代理收到同步的主題數(shù)據(jù)時將收到的發(fā)布者和訂閱者列表添加到對應主題的發(fā)現(xiàn)列表中。

通過以上方法進行數(shù)據(jù)同步既可以實現(xiàn)每個發(fā)布訂閱代理都保存有完整的數(shù)據(jù)發(fā)布者與數(shù)據(jù)訂閱者信息，又保證了網(wǎng)絡中需要同步的數(shù)據(jù)量較少，最大限度地避免了同步數(shù)據(jù)的重復發(fā)送。

3.2 QoS 保障

QoS 為數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者提供了靈活的傳輸配置策略，發(fā)布者和訂閱者通過配置這些QoS 參數(shù)可以實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)分發(fā)策略，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸過程，而網(wǎng)絡中間件負責對這些QoS 參數(shù)進行匹配，這樣可以增加通信靈活性，減輕開發(fā)者的開發(fā)工作。DDS 規(guī)范中總共包括22 類QoS。針對實際需求，實時網(wǎng)絡中間件中將平常比較少用的QoS 進行精簡和修改，總共實現(xiàn)了15 類QoS 策略。其典型QoS 介紹如下：

（1）可靠性策略

在實時網(wǎng)絡中間件中，可靠性是可選的，并且是可配置的。使用者可以根據(jù)自身的需求選擇是最有效的還是最可靠的傳輸策略?？煽啃圆呗跃S護在數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失問題，對于高數(shù)據(jù)丟失率（超過20%）的實際應用是非常有效的。

（2）保鮮策略

接收方在收到數(shù)據(jù)但一直沒有處理的情況下，有新數(shù)據(jù)到來，設置緩沖區(qū)中是保留最新的，還是全部保留；如果只保留最新的，設置可最多保留多少條。保鮮策略主要用于高延時的應用中，可以避免在高延時的情況下由于緩沖區(qū)滿而導致接收方收到“過時”的數(shù)據(jù)。

（3）持久化策略

表示如果數(shù)據(jù)訂閱者在中途訂閱一個主題時，是否會收到之前已經(jīng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)生產(chǎn)者會緩存發(fā)出的數(shù)據(jù)多久，如不緩存，直到進程退出，一直保留（持久化）。通過持久化策略，使用者可以根據(jù)自己的需要對于之前發(fā)送的數(shù)據(jù)進行持久化，對于某些經(jīng)?！板礄C”的應用，該策略可以避免數(shù)據(jù)丟失，極大地增強應用的魯棒性。

4 結(jié)論

本文引入了DDS 規(guī)范，研究了其關鍵技術，設計并實現(xiàn)了實時網(wǎng)絡中間件。該中間件以數(shù)據(jù)為中心，有松耦合，高可用等特點，同時又可以通過對QoS 的設置優(yōu)化傳輸過程，增強傳輸?shù)撵`活性。該中間件可以為應用軟件系統(tǒng)提供了一個有組織的數(shù)據(jù)總線，使得應用軟件在開發(fā)、集成、維護、擴展等各個階段更加方便，使得應用軟件系統(tǒng)在需求變更、功能擴展等各方面的反應更加敏捷，提升指揮信息系統(tǒng)整體集成能力；并通過實時網(wǎng)絡中間件提供的信息傳輸QoS 策略保障實現(xiàn)應用對傳輸過程的最優(yōu)控制，從而更好地支撐多種業(yè)務的信息傳輸需求。