葉曉楓 楊志剛 楊培堯 張亞航 陳琦

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

當(dāng)前航天器軟件的進(jìn)程間通信過(guò)程主要依靠基于星內(nèi)路由的航天器軟件通信框架實(shí)現(xiàn)。該框架中最核心的部分是“路由進(jìn)程”，該進(jìn)程負(fù)責(zé)所有其他進(jìn)程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。該框架具體的通信方式是：發(fā)送進(jìn)程將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由進(jìn)程，路由進(jìn)程再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至接收進(jìn)程。路由進(jìn)程接管了所有的底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此解決了早期應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)嚴(yán)重依賴(lài)底層協(xié)議的問(wèn)題。例如，某衛(wèi)星平臺(tái)利用基于星內(nèi)路由的框架進(jìn)行進(jìn)程間通信，在星內(nèi)軟件建立了鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，通信過(guò)程通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的“軟總線(xiàn)”方式(路由方式)完成，即所有的數(shù)據(jù)包匯聚至路由進(jìn)程，路由進(jìn)程根據(jù)數(shù)據(jù)包的應(yīng)用過(guò)程標(biāo)識(shí)(APID)查找路由表，將其轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的接收進(jìn)程。該通信方式使得應(yīng)用程序與底層協(xié)議隔離，簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。

在這種基于星內(nèi)路由的星務(wù)軟件分層體系結(jié)構(gòu)中，遙測(cè)鏈路、遙控鏈路和1553B總線(xiàn)鏈路等鏈路層協(xié)議都由網(wǎng)絡(luò)層路由接管，并以軟件構(gòu)件的形式存在[1]。所有類(lèi)型的數(shù)據(jù)包均需要先發(fā)送至路由進(jìn)程，路由進(jìn)程再根據(jù)數(shù)據(jù)包的類(lèi)型選擇相應(yīng)的鏈路層協(xié)議，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的接收進(jìn)程，形成一種“沙漏式”的通信架構(gòu)。這種通信方式的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)者不需要關(guān)注與數(shù)據(jù)的接收方使用何種底層協(xié)議通信，只需調(diào)用一個(gè)統(tǒng)一的發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。該方式使軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程更簡(jiǎn)單，并減小了不同模塊之間的耦合度，同時(shí)提高了代碼的質(zhì)量和復(fù)用性，但是這種通信方式依然存在一些不足之處。

(1)目前基于星內(nèi)路由的軟件通信框架使用靜態(tài)路由表確定每種數(shù)據(jù)包的目的地，路由表需要在編碼階段固定在代碼中，程序運(yùn)行期間無(wú)法更改，并且每種數(shù)據(jù)的接收進(jìn)程數(shù)量不能超過(guò)一個(gè)固定值，所以通信過(guò)程缺乏靈活性；此外，路由表龐大而復(fù)雜，需要手動(dòng)配置，配置過(guò)程繁瑣且容易出錯(cuò)，這直接影響了軟件的開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量。

(2)基于星內(nèi)路由的軟件通信框架僅實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，無(wú)法對(duì)復(fù)雜的通信過(guò)程進(jìn)行配置，難以滿(mǎn)足未來(lái)高質(zhì)量復(fù)雜通信的需要，例如無(wú)法實(shí)現(xiàn)感知通信節(jié)點(diǎn)是否在線(xiàn)的心跳機(jī)制，以及數(shù)據(jù)的可靠傳輸?shù)取?/p>

針對(duì)這些不足，本文以數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(Data Distribution Service, DDS[2])為基礎(chǔ)，提出了一種基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(Satellite-based DDS，S-DDS)的航天器軟件通信框架。S-DDS框架利用DDS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分發(fā)能力和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)策略，在使航天器軟件的通信過(guò)程滿(mǎn)足了航天器軟件對(duì)高質(zhì)量復(fù)雜通信業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，更為靈活便捷。同時(shí)，S-DDS引入了動(dòng)態(tài)路由表，通過(guò)動(dòng)態(tài)路由算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)，各個(gè)進(jìn)程可以在運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)修改路由表內(nèi)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這優(yōu)化了軟件開(kāi)發(fā)方式，提高了軟件開(kāi)發(fā)效率和軟件質(zhì)量。

1 DDS技術(shù)概述

DDS是對(duì)象管理組織(Object Management Group, OMG)的有關(guān)分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布的一個(gè)規(guī)范，該規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化了分布式實(shí)時(shí)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(jī)制，提供了一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)模型[3]。目前DDS已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、民航、工業(yè)控制等領(lǐng)域，成為分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布-訂閱的標(biāo)準(zhǔn)解決方案[4]。

DDS包含兩層：底層的數(shù)據(jù)中心發(fā)布訂閱(Data-Centric Publish-Subscribe, DCPS)層和可選的高層數(shù)據(jù)本地重構(gòu)(Data Local Reconstruction Layer, DLRL)層。其中DCPS層負(fù)責(zé)高效地將數(shù)據(jù)發(fā)送到適當(dāng)?shù)慕邮照?；DLRL層將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單整合，使應(yīng)用程序能夠更容易地訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)[5]。DDS基于“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間(Global Data Space, GDS)”的概念，所有有關(guān)該空間中數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序都可以接入[6]，其通信模型如圖1所示[7]。

圖1 DDS通信模型Fig.1 Communications model of DDS

在DDS中，所有的數(shù)據(jù)都帶有一個(gè)主題(Topic)，主題用以區(qū)分各種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)發(fā)布應(yīng)用和訂閱應(yīng)用之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緟?shù)[8]，這些數(shù)據(jù)也稱(chēng)為消息(Message)，所有消息構(gòu)成了DDS的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間；所有的數(shù)據(jù)對(duì)象(消息)都存在于此空間中，分布式節(jié)點(diǎn)通過(guò)簡(jiǎn)單的讀、寫(xiě)操作便可以訪(fǎng)問(wèn)這些數(shù)據(jù)對(duì)象[9]。全局?jǐn)?shù)據(jù)空間是一個(gè)邏輯概念，并非存在于某個(gè)特定的中心節(jié)點(diǎn)中，實(shí)際上DDS常應(yīng)用于分布式場(chǎng)景，全局?jǐn)?shù)據(jù)空間往往分散于各個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)中。在通信網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)參與者(Participant)，其中發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為發(fā)布者(Publisher)，接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為訂閱者(Subscriber)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以既是發(fā)布者又是訂閱者。發(fā)布者(訂閱者)發(fā)布(訂閱)的消息都帶有主題，一個(gè)發(fā)布者(訂閱者)可以同時(shí)發(fā)布(訂閱)一個(gè)或多個(gè)主題的消息，一個(gè)主題的消息也可以被一個(gè)或多個(gè)發(fā)布者(訂閱者)發(fā)布(訂閱)。主題、參與者、發(fā)布者、訂閱者統(tǒng)稱(chēng)為實(shí)體(Entity)。此外，DDS規(guī)范還列舉并正式定義了一整套全面的QoS策略，利用QoS可以很好地配置和利用系統(tǒng)資源，支持復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)流要求[10]。

2 S-DDS框架設(shè)計(jì)

DDS本身只是解決分布式系統(tǒng)中通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)，它并沒(méi)有指明具體如何實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)DDS標(biāo)準(zhǔn)的各種DDS產(chǎn)品中，既有分布式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，也有聯(lián)邦式和集中式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品[11]?？紤]到集中式結(jié)構(gòu)能夠方便地對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行管理控制，且可以保證數(shù)據(jù)分發(fā)的正確性，同時(shí)能夠兼容目前的航天器軟件架構(gòu)，本文將S-DDS設(shè)計(jì)為集中式結(jié)構(gòu)，包括服務(wù)端和客戶(hù)端兩部分。其中服務(wù)端為S-DDS服務(wù)器進(jìn)程，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分發(fā)，并對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行管控；各個(gè)參與通信的應(yīng)用進(jìn)程為客戶(hù)端，客戶(hù)端使用S-DDS中間件(以構(gòu)件形式存在)參與通信。

本文依據(jù)DDS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的S-DDS架構(gòu)如圖2所示，整體架構(gòu)采用集中式的客戶(hù)-服務(wù)器模式設(shè)計(jì)。在S-DDS中，每個(gè)應(yīng)用進(jìn)程都是一個(gè)參加者，參與者可以創(chuàng)建發(fā)布者或訂閱者，用以發(fā)布或訂閱消息；每種類(lèi)型的消息都使用APID作為其主題，消息經(jīng)發(fā)布者發(fā)布后先傳輸至服務(wù)端，服務(wù)端再根據(jù)消息的主題和相關(guān)的QoS策略分發(fā)至相應(yīng)的訂閱者。

注：IO為輸入輸出。

在S-DDS框架中，S-DDS服務(wù)器取代了之前基于星內(nèi)路由架構(gòu)的路由進(jìn)程，作為消息傳遞的中心節(jié)點(diǎn)，發(fā)布者發(fā)布的所有消息都需要先發(fā)送至S-DDS服務(wù)器，再由S-DDS服務(wù)器分發(fā)至相應(yīng)的訂閱者。采用這種集中式結(jié)構(gòu)可以兼容當(dāng)前航天器的星載軟件架構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方便地管理。在這種方式下，對(duì)于全局信息(例如參與者、主題等)由于只有一份拷貝，因此不存在數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題[12]。同時(shí)集中式結(jié)構(gòu)也便于維護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诩惺浇Y(jié)構(gòu)中，只有服務(wù)端需要維護(hù)一個(gè)表示通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(例如路由表)，而客戶(hù)端則無(wú)需關(guān)心和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這大幅降低了開(kāi)發(fā)難度。

此外，S-DDS各種實(shí)體的創(chuàng)建和刪除均由服務(wù)端負(fù)責(zé)，客戶(hù)端只需調(diào)用相關(guān)接口，向服務(wù)端發(fā)送創(chuàng)建或刪除實(shí)體的數(shù)據(jù)包，服務(wù)端便在遠(yuǎn)端創(chuàng)建或刪除相應(yīng)的實(shí)體，并向客戶(hù)端返回操作結(jié)果。這樣設(shè)計(jì)的目的是方便對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中所有的實(shí)體進(jìn)行統(tǒng)一地管理，同時(shí)客戶(hù)端只需進(jìn)行接口調(diào)用、無(wú)需在本地創(chuàng)建實(shí)體，所以S-DDS可以運(yùn)行在性能極低的嵌入式設(shè)備上。

2.1 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端是S-DDS通信的核心，所有消息均需經(jīng)服務(wù)端分發(fā)。服務(wù)端在收到不同的消息時(shí)，需要根據(jù)消息的類(lèi)型采取不同的處理方式；在數(shù)據(jù)分發(fā)的過(guò)程中，服務(wù)端還需要保證數(shù)據(jù)分發(fā)的正確性和高效性，這是服務(wù)端設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

服務(wù)端采用動(dòng)態(tài)路由的方式確定每種數(shù)據(jù)的目的地，其內(nèi)部維護(hù)了一張動(dòng)態(tài)路由表，用以表示主題與訂閱者之間的邏輯關(guān)系。服務(wù)端在收到客戶(hù)端發(fā)送的消息之后，會(huì)根據(jù)消息的類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的處理，服務(wù)端處理一次消息的流程如圖3所示。服務(wù)端在接收到消息之后，先解析消息的主題和發(fā)布者，判斷消息的類(lèi)型，根據(jù)不同的類(lèi)型采取不同的操作。

(1)如果是創(chuàng)建實(shí)體類(lèi)型的消息，則在服務(wù)端創(chuàng)建相應(yīng)的實(shí)體(例如創(chuàng)建參與者)，如果創(chuàng)建成功則向發(fā)布者返回創(chuàng)建成功的信息，否則返回創(chuàng)建失敗的信息(例如參與者數(shù)量達(dá)到上限會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建失敗)。

(2)如果是刪除實(shí)體類(lèi)型的消息，服務(wù)端則刪除相應(yīng)的實(shí)體(例如刪除參與者)，如果刪除成功則向發(fā)布者返回刪除成功的信息，否則返回刪除失敗的信息(例如待刪除的實(shí)體未被創(chuàng)建則會(huì)導(dǎo)致刪除失敗)。

(3)如果是普通類(lèi)型的消息，服務(wù)端先查找路由表，判斷主題是否在路由表中(即主題是否已經(jīng)注冊(cè))，如果已經(jīng)注冊(cè)則根據(jù)路由表將消息分發(fā)至相應(yīng)的訂閱者，否則向發(fā)布者返回主題未注冊(cè)的錯(cuò)誤信息。

圖3 服務(wù)端處理消息的流程圖Fig.3 Flow chart of messages handling process of the server

在上述服務(wù)的處理消息流程中，最關(guān)鍵的是查找訂閱了某個(gè)主題的訂閱者的信息，如何根據(jù)消息主題快速查找相應(yīng)的訂閱者是本文的研究重點(diǎn)之一。本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)路由算法，它能夠快速地確定每個(gè)數(shù)據(jù)包的目的地，適應(yīng)嵌入式設(shè)備低性能的特點(diǎn)，該算法描述如下。

S-DDS服務(wù)器創(chuàng)建一個(gè)索引表IndexTable，其中的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)主題(即消息的APID)，例如0x64的主題對(duì)應(yīng)于IndexTable[100]；同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)主題表TopicTable，用于存儲(chǔ)已發(fā)布的主題和訂閱了該主題的訂閱者的信息，如圖4所示。初始時(shí)將IndexTable和TopicTable的每一項(xiàng)均設(shè)置為默認(rèn)值，表示無(wú)該主題的消息發(fā)布，也沒(méi)有相關(guān)的訂閱者。當(dāng)創(chuàng)建某個(gè)主題時(shí)，先在TopicTable中添加該主題(即APID)至一個(gè)值為默認(rèn)值的數(shù)組位置中，并在該位置創(chuàng)建一個(gè)空鏈表(鏈表用于存儲(chǔ)訂閱該主題的訂閱者的信息，包括服務(wù)類(lèi)型、進(jìn)程號(hào)、QoS策略等)，然后將IndexTable的對(duì)應(yīng)項(xiàng)設(shè)置為T(mén)opicTable中存儲(chǔ)該主題的項(xiàng)的索引；例如當(dāng)創(chuàng)建APID為0x64的主題時(shí)，假設(shè)此時(shí)已有10個(gè)主題發(fā)布，則將Router Table的第11項(xiàng)，即TopicTable[10]設(shè)置為0x64，并創(chuàng)建一個(gè)空鏈表，同時(shí)設(shè)置Index￣Table[100]為10。

圖4 動(dòng)態(tài)路由表示意圖Fig.4 Diagram of dynamic routing table

當(dāng)某一主題的消息到來(lái)時(shí)，該算法可以以O(shè)(1)的時(shí)間復(fù)雜度確定有哪些訂閱者訂閱了該主題的消息。例如，服務(wù)端在收到主題為0x12的消息時(shí)，先查找IndexTable[0x12]的值，發(fā)現(xiàn)其值為8，則直接查找TopicTable[8]即可獲取訂閱了0x12主題的消息的訂閱者，然后將消息分發(fā)至相應(yīng)的訂閱者即可。此外，動(dòng)態(tài)路由表可以在程序運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)地進(jìn)行修改，使得通信過(guò)程十分靈活；例如在程序運(yùn)行期間，如果某個(gè)訂閱者訂閱了某一主題的消息，則只需在主題表中相應(yīng)主題的訂閱者鏈表增加該訂閱者節(jié)點(diǎn)即可。與之前的靜態(tài)路由方式相比，動(dòng)態(tài)路由方式無(wú)需在編碼階段對(duì)主題與其訂閱者進(jìn)行硬編碼，可以很好地支持通信節(jié)點(diǎn)的增加和刪除，為各個(gè)應(yīng)用程序提供了動(dòng)態(tài)加入和退出通信網(wǎng)絡(luò)的能力。

2.2 客戶(hù)端設(shè)計(jì)

在S-DDS中，客戶(hù)端是實(shí)際參與通信的進(jìn)程，客戶(hù)端使用S-DDS中間件進(jìn)行通信，其中客戶(hù)端在調(diào)用創(chuàng)建實(shí)體的方法時(shí)，并不是在本地創(chuàng)建相應(yīng)的實(shí)體，而是向服務(wù)端發(fā)送創(chuàng)建實(shí)體的請(qǐng)求，實(shí)體由服務(wù)端創(chuàng)建，服務(wù)端在創(chuàng)建完成后向客戶(hù)端發(fā)送創(chuàng)建是否成功的響應(yīng)。這樣設(shè)計(jì)的目的是：①便于對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行管理；②減小客戶(hù)端的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，可以兼容低性能的設(shè)備。

S-DDS中間件以構(gòu)件化的方式設(shè)計(jì)，即將S-DDS的各種實(shí)體封裝為各種“類(lèi)”，并將各種“類(lèi)”統(tǒng)一在一個(gè)頭文件中供外部使用。S-DDS涉及的實(shí)體有參與者、主題、發(fā)布者、訂閱者等，這些實(shí)體的屬性、方法以及它們之間的關(guān)系如圖5所示。

注：圖中的線(xiàn)段表示實(shí)體間的關(guān)系，箭頭表示組合關(guān)系，箭頭旁的數(shù)字表示數(shù)量，例如Participant和ParticipantType的箭頭表示一個(gè)參與者包含一個(gè)參與者類(lèi)型，Participant和Publisher的箭頭表示一個(gè)參與者能夠創(chuàng)建多個(gè)發(fā)布者(*號(hào)表示多個(gè))。

客戶(hù)端使用S-DDS中間件進(jìn)行通信的步驟如下。

(1)創(chuàng)建參與者，并設(shè)置參與者的類(lèi)型(ParticipantType)和QoS。

(2)參與者調(diào)用CreatePublisher()方法創(chuàng)建發(fā)布者，或調(diào)用CreateSubscriber()方法創(chuàng)建訂閱者，同時(shí)將發(fā)布者或訂閱者與主題綁定。

(3)發(fā)布者調(diào)用SendData()方法發(fā)送數(shù)據(jù)。

(4)訂閱者調(diào)用ListenOn()方法監(jiān)聽(tīng)(接收)數(shù)據(jù)。

以上接口簡(jiǎn)單易用，適合于航天器的軟件開(kāi)發(fā)，并能滿(mǎn)足航天器軟件進(jìn)程間通信的需要，方便應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者學(xué)習(xí)使用。

2.3 QoS設(shè)計(jì)

S-DDS依照DDS標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了QoS策略，各個(gè)實(shí)體通過(guò)QoS策略的設(shè)置能夠滿(mǎn)足復(fù)雜的通信需要，從而解決當(dāng)前進(jìn)程間通信過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)單的問(wèn)題。QoS策略的設(shè)計(jì)并不是嚴(yán)格地從屬于服務(wù)端設(shè)計(jì)或客戶(hù)端設(shè)計(jì)，而是需要客戶(hù)端與服務(wù)端共同實(shí)現(xiàn)，以下是S-DDS提供的QoS策略。

(1)心跳機(jī)制。該QoS針對(duì)參與者，有兩種選擇，即使用心跳機(jī)制和不使用心跳機(jī)制。參與者如果選擇了使用心跳機(jī)制，則在實(shí)體被創(chuàng)建之后，便開(kāi)始周期性地向服務(wù)端發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包，服務(wù)端維護(hù)參與者的心跳計(jì)數(shù)，在收到心跳數(shù)據(jù)包后會(huì)根據(jù)其來(lái)源重置對(duì)應(yīng)參與者的心跳計(jì)數(shù)。一旦心跳計(jì)數(shù)為零則認(rèn)為該參與者已經(jīng)掉線(xiàn)，此時(shí)服務(wù)端會(huì)清空對(duì)應(yīng)參與者的所有信息，客戶(hù)端必須重新連線(xiàn)并創(chuàng)建參與者等實(shí)體才能繼續(xù)通信。

(2)可靠傳輸。該QoS針對(duì)主題，有兩種選擇，即不可靠傳輸與可靠傳輸。如果某一主題選擇了不可靠傳輸方式，則該主題的訂閱者在收到消息后不發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包；而如果該主題選擇了可靠傳輸方式，則相應(yīng)的訂閱者在收到消息后需要發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包；發(fā)布者如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為訂閱者未成功接收消息，需要重新發(fā)送消息。

3 S-DDS框架仿真與分析

本文對(duì)S-DDS框架進(jìn)行了仿真，模擬實(shí)際星載軟件的進(jìn)程間通信過(guò)程，結(jié)果表明：在S-DDS中應(yīng)用程序僅需編寫(xiě)少量的代碼就能實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，大幅簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，同時(shí)通信過(guò)程由靜態(tài)方式變?yōu)閯?dòng)態(tài)方式，更加靈活便捷。此外，S-DDS提供的QoS策略能夠滿(mǎn)足復(fù)雜的通信需要，提升了進(jìn)程間通信的可配置性。

3.1 動(dòng)態(tài)路由

本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)示例進(jìn)程(參與者)進(jìn)行通信，模擬實(shí)際的數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程；其中進(jìn)程1發(fā)送數(shù)據(jù)(發(fā)布者)，進(jìn)程2接收數(shù)據(jù)(訂閱者)；通信過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包以每個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)兩個(gè)十六進(jìn)制字符的形式輸出至屏幕上，結(jié)果如圖6所示(圖6標(biāo)明了部分具有重要含義的字節(jié))。仿真結(jié)果表明：各個(gè)數(shù)據(jù)包的出現(xiàn)順序與客戶(hù)端使用S-DDS中間件進(jìn)行通信的步驟相同，并且各個(gè)數(shù)據(jù)包的格式正確，發(fā)布與訂閱的數(shù)據(jù)內(nèi)容(即“AA”)一致，由此驗(yàn)證了S-DDS通信過(guò)程的正確性。

在目前基于星內(nèi)路由的航天器軟件通信框架中，通信過(guò)程需要在靜態(tài)路由表中配置，靜態(tài)路由表龐大復(fù)雜，配置繁瑣且易產(chǎn)生錯(cuò)誤，同時(shí)數(shù)據(jù)接收方在編碼階段即固定，不可動(dòng)態(tài)地更改，通信過(guò)程不靈活。而在S-DDS中應(yīng)用程序完全不需要配置路由表，僅需編寫(xiě)簡(jiǎn)單、少量的代碼即可實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的功能，且數(shù)據(jù)接收方(訂閱者)可以在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)變更。因此在S-DDS中，進(jìn)程間通信過(guò)程更加靈活便捷，并且S-DDS避免了繁瑣的配置路由表的過(guò)程，降低了開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性，并使軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程更簡(jiǎn)單高效。

圖6 S-DDS通信過(guò)程的數(shù)據(jù)包Fig.6 Data package of S-DDS communications process

3.2 心跳機(jī)制

針對(duì)心跳機(jī)制的驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)了2個(gè)進(jìn)程使用S-DDS通信，2個(gè)進(jìn)程均將QoS策略設(shè)置為使用心跳機(jī)制，定時(shí)向S-DDS服務(wù)端發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包，同時(shí)人為地使某個(gè)進(jìn)程在通信過(guò)程中掉線(xiàn)，模擬實(shí)際通信過(guò)程中進(jìn)程出現(xiàn)故障的情況；當(dāng)服務(wù)端檢測(cè)到有進(jìn)程掉線(xiàn)時(shí)，輸出進(jìn)程掉線(xiàn)的信息。本文抓取了與心跳機(jī)制相關(guān)的數(shù)據(jù)包，將每個(gè)數(shù)據(jù)包以十六進(jìn)制字符串的形式輸出至屏幕，數(shù)據(jù)包的每個(gè)字節(jié)的含義與3.1節(jié)相同，結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果表明：當(dāng)將參與者的QoS設(shè)置為使用心跳機(jī)制后，參與者會(huì)定期向S-DDS服務(wù)端發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包，表明自己在線(xiàn)，如果服務(wù)端長(zhǎng)時(shí)間未收到參與者的心跳數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為其掉線(xiàn)，這與方案設(shè)計(jì)相吻合。

目前基于星內(nèi)路由的航天器軟件框架并不提供心跳機(jī)制策略，路由進(jìn)程無(wú)法對(duì)其他參與通信的進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，難以感知進(jìn)程是否在線(xiàn)，而S-DDS提供了QoS策略支持心跳監(jiān)聽(tīng)的機(jī)制，當(dāng)需要對(duì)參與通信的進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)時(shí)，客戶(hù)端只需調(diào)用S-DDS中間件即可實(shí)現(xiàn)心跳監(jiān)聽(tīng)的功能,因此與基于星內(nèi)路由的航天器軟件框架相比，S-DDS能對(duì)復(fù)雜的進(jìn)程間通信過(guò)程進(jìn)行配置，滿(mǎn)足復(fù)雜的進(jìn)程間通信需要。

圖7 S-DDS心跳數(shù)據(jù)包Fig.7 Heartbeat data package of S-DDS

3.3 可靠傳輸

針對(duì)可靠傳輸機(jī)制的驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程使用S-DDS進(jìn)行通信，其中進(jìn)程1為發(fā)布者、進(jìn)程2為訂閱者，發(fā)布者(訂閱者)發(fā)布(訂閱)的主題的QoS策略設(shè)置為使用可靠傳輸機(jī)制。與3.1節(jié)類(lèi)似，本文以十六進(jìn)制字符串的形式在屏幕上輸出每個(gè)數(shù)據(jù)包的各個(gè)字節(jié)，且各個(gè)字節(jié)的含義與3.1節(jié)相同，其結(jié)果如圖8所示；在通信過(guò)程中，人為地使某次消息在被收到后不回復(fù)應(yīng)答，模擬實(shí)際通信過(guò)程中訂閱者未收到數(shù)據(jù)的情況。由圖8可以看出，當(dāng)QoS策略設(shè)置為可靠通信后，訂閱者在收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)回復(fù)確認(rèn)，當(dāng)訂閱者未收到數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)布者會(huì)重發(fā)數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)方案相符。

注：ack指確認(rèn)。

在目前的基于星內(nèi)路由的軟件框架中，路由進(jìn)程僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，并不提供對(duì)可靠通信的支持，如果需要實(shí)現(xiàn)消息的可靠傳輸，則各個(gè)相關(guān)的應(yīng)用程序均需實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)耐ㄐ胚壿嫞@造成了各個(gè)應(yīng)用程序出現(xiàn)重復(fù)功能的代碼，且各段代碼質(zhì)量參差不齊，難以對(duì)軟件質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一把控。而S-DDS通過(guò)QoS策略為可靠通信提供支持，客戶(hù)端僅需調(diào)用S-DDS中間件，編寫(xiě)少量代碼設(shè)置相關(guān)的QoS策略即可實(shí)現(xiàn)可靠通信的功能，這不僅能夠滿(mǎn)足復(fù)雜的通信需要，也降低了軟件開(kāi)發(fā)的工作量，提高了代碼的可復(fù)用性，有利于提升代碼質(zhì)量、提高軟件可靠性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有航天器星務(wù)軟件通信框架的不足之處，利用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS，提出了一種基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的航天器軟件通信框架S-DDS；同時(shí)對(duì)S-DDS進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，分析所得具體結(jié)論如下。

(1)S-DDS采用集中式的客戶(hù)-服務(wù)器模式實(shí)現(xiàn)，各應(yīng)用程序是客戶(hù)端，S-DDS服務(wù)器是服務(wù)端，客戶(hù)端使用S-DDS中間件進(jìn)行通信，采用集中式結(jié)構(gòu)可以兼容當(dāng)前航天器軟件通信框架，便于管理通信過(guò)程，同時(shí)能夠降低開(kāi)發(fā)難度。

(2)S-DDS實(shí)現(xiàn)了航天器軟件的進(jìn)程間通信功能，各進(jìn)程通過(guò)數(shù)據(jù)包交互，取代傳統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用方式通信，這減小了模塊之間的耦合度，使代碼更易于更改、升級(jí)和維護(hù)，為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)多變的衛(wèi)星應(yīng)用場(chǎng)景，提供更加實(shí)時(shí)的應(yīng)對(duì)手段。

(3)S-DDS采用動(dòng)態(tài)路由方式分發(fā)數(shù)據(jù)，與目前的靜態(tài)路由方式相比，進(jìn)程間通信的過(guò)程更加靈活便捷，并且無(wú)需對(duì)路由表進(jìn)行繁瑣的手工配置，減少了軟件開(kāi)發(fā)的工作量，同時(shí)減小了配置出錯(cuò)的可能性，提高了軟件質(zhì)量。

(4)S-DDS提供心跳機(jī)制、可靠傳輸?shù)萉oS策略，實(shí)現(xiàn)了更加強(qiáng)大的通信功能，應(yīng)用程序可以使用QoS對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行配置，從而滿(mǎn)足復(fù)雜的通信需要。