錢宏文，朱江偉，吳翼虎，楊 旭，方 海，陳顯舟

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214072；2.中國空間技術研究院西安分院，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著衛(wèi)星業(yè)務需求的不斷增長，對衛(wèi)星的靈活性提出了越來越高的要求，空間通信無線電系統(tǒng)（Space Telecommunication Radio System,STRS）架構標準采用開放式架構，軟件和硬件體系結構分離設計[1]?；赟TRS的衛(wèi)星任務系統(tǒng)能夠在衛(wèi)星發(fā)射后改變衛(wèi)星任務功能，使衛(wèi)星功能具備軟件定義能力，可以滿足衛(wèi)星多樣性的業(yè)務需求。

STRS 波形組件使用STRS 消息傳遞方法建立消息傳遞通道。STRS 基礎架構提供了兩種消息傳遞模式，一種是STRS 隊列，另一種是發(fā)布/訂閱模式[1]。分布式數(shù)據分發(fā)服務（Data Distribution Service，DDS）中間件遵循發(fā)布/訂閱設計模式[2]。本文利用DDS 的特點，將DDS 應用到STRS 架構中，實現(xiàn)STRS 系統(tǒng)通信中間件，滿足STRS 系統(tǒng)強實時性的要求，實現(xiàn)STRS 波形組件的分布式部署，很好地彌補了STRS 架構標準存在的不足。

1 STRS 概述

1.1 STRS 架構標準

STRS 架構標準采用模塊化和分層的設計思想，目的是提高波形應用設計的通用性和可移植性，分為硬件和軟件兩大體系結構[1]。

STRS 硬件架構如圖1 所示，由三大模塊組成，分別為通用處理模塊（General-purpose Processing Module，GPM）、信號處理模塊（Signal Processing Module，SPM）和射頻模塊（Radio Frequency Module，RFM）[1]。通用處理模塊是主要的控制模塊，信號處理模塊主要用于將接收到的數(shù)字信號轉換成數(shù)據分組或將數(shù)據分組轉換為數(shù)字信號并進行發(fā)送的信號處理，射頻模塊主要功能包括頻率轉換和增益控制、模數(shù)和數(shù)模轉換、輻射跟蹤等[3]。GPM、SPM 和RFM 3 個模塊共同組成了包括CPU、FPGA、DSP 等處理器的異構處理平臺。

圖1 STRS 硬件架構

STRS 軟件體系結構定義了運行時不同的波形應用程序軟件和操作環(huán)境之間的軟件接口層以及操作環(huán)境和硬件平臺之間的接口，由應用層、核心層和物理層組成[4]。

1.2 不采用通信中間件STRS 系統(tǒng)的不足之處

STRS 定義了統(tǒng)一的開發(fā)標準架構，使得軟硬件可分離，目的是：在不進行硬件平臺重新設計的情況下，在同一硬件平臺上加載不同的波形組件以實現(xiàn)不同的功能，也可根據特定的需求對系統(tǒng)進行局部或全局的動態(tài)重構，從而最大化地利用系統(tǒng)資源。從工程實踐來看，不采用通信中間件的STRS 存在以下不足：

（1）耦合度高：STRS 系統(tǒng)未明確說明如何實現(xiàn)消息傳遞，軟件開發(fā)人員大多數(shù)會首選手動編寫代碼的方式來實現(xiàn)波形組件應用程序間的數(shù)據交互，這樣每一個連接都需要開發(fā)人員來維護。每增加一個節(jié)點，系統(tǒng)的耦合性呈指數(shù)級增長。

（2）靈活性較差：STRS 要求所有的波形組件作為一個整體創(chuàng)建、運行，如果波形的某一個組件損壞，整個應用將不能正常運行，存在單點失敗的風險，必須要由管理員進行整套系統(tǒng)的卸載和重新部署。

（3）組件間同步耗時較長：為了建立組件之間的同步連接，當組件較多時，過程會更復雜，開銷更大，導致波形組件啟動較慢[5]。

2 基于DDS 的STRS 系統(tǒng)通信中間件的設計與實現(xiàn)

將DDS 引入STRS 系統(tǒng)，實現(xiàn)STRS 系統(tǒng)發(fā)布/訂閱方式的通信中間件。STRS 系統(tǒng)通信中間件屏蔽了底層傳輸控制協(xié)議/網際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），通過簡單的編程就可以構建一個以數(shù)據為中心、可擴展、與位置無關的分布式網絡平臺[5]，為STRS 系統(tǒng)各個波形組件提供了簡單、高效的消息傳遞服務。

2.1 基于STRS 硬件架構的DDS 設計實現(xiàn)

DDS 使用操作系統(tǒng)適配層和網絡適配層來實現(xiàn)多個平臺的支持，操作系統(tǒng)適配層為DDS 提供運行時所需的內存申請、定時器、多線程等功能接口。不同的操作系統(tǒng)實現(xiàn)DDS 操作系統(tǒng)適配層的接口均不相同，如Linux、SYS/BIOS。DDS 操作系統(tǒng)適配層默認支持可移植操作系統(tǒng)接口（Portable Operating System Interface，POSIX），在支持POSIX 接口的環(huán)境中，只需要做細小的修改就可以實現(xiàn)DDS 操作系統(tǒng)適配層[6]。DDS 網絡適配層基于不同的操作系統(tǒng)提供的網絡編程接口實現(xiàn)[7]，如Linux 操作系統(tǒng)下的Socket 接口、SYS/BIOS 操作系統(tǒng)下的網絡開發(fā)工具（Network Developer's Kit，NDK）等。

2.1.1 基于GPM 通用處理模塊的DDS 設計實現(xiàn)

GPM 模塊采用Xilinx 公司的系統(tǒng)級芯片（System on Chip，SoC）作為主處理器。在GPM 模塊運行Peta-Linux[8]，提供了DDS 運行所需的POSIX 接口和網絡套接字Socket 接口，DDS 基于POSIX 和Socket 接口實 現(xiàn)操作系統(tǒng)適配層和網絡適配層，完成DDS 在GPM Peta-Linux 環(huán)境中的實現(xiàn)?；贕PM 通用處理模塊的DDS軟件基礎結構如圖2 所示。

圖2 基于GPM 模塊的DDS 軟件基礎結構

2.1.2 基于SPM 信號處理模塊的DDS 設計實現(xiàn)

SPM 模塊主處理器采用TI 公司多核DSP，在SPM模塊上運行多核SYS/BIOS。SYS/BIOS 提供了DDS 運行所需 的POSIX 接 口[9]和NDK[10]，DDS 基 于POSIX 接口和NDK 組件實現(xiàn)操作系統(tǒng)適配層和網絡適配層，完成DDS 在SPM SYS/BIOS 中的實現(xiàn)[11]?；赟PM 模塊的DDS 軟件基礎結構如圖3 所示。

圖3 基于SPM 模塊的DDS 軟件基礎結構

2.1.3 基于RFM 射頻模塊的DDS 設計實現(xiàn)

RFM 模塊主要器件為Xilinx 公司的高端FPGA 芯片?；赗FM 模塊，使用FPGA 資源搭建MicroBlaze[12]軟核，PetaLinux 支持MicroBlaze，提供了對應的BSP[13]。PetaLinux 提供了DDS 運行所需的POSIX 接口和網絡套接 字Socket 接 口，DDS 基 于POSIX 和Socket 接口實現(xiàn)操作系統(tǒng)適配層和網絡適配層，完成DDS 在RFM 模塊PetaLinux 中的實現(xiàn)?；赗FM 模塊的DDS 軟件基礎結構如圖4 所示。

圖4 基于RFM 模塊的DDS 軟件基礎結構

2.2 基于DDS 的STRS 系統(tǒng)通信中間件的軟件設計

基于STRS 的波形組件應用程序的軟件設計包括STRS 核心框架設計和基于DDS 的STRS 系統(tǒng)通信中間件的接口設計兩部分。

2.2.1 STRS 核心框架設計

基于STRS 系統(tǒng)通信中間件，STRS 核心框架加載波形應用程序時只加載并運行各個波形組件，不需要建立波形之間的通信鏈路，也不需要處理波形之間的數(shù)據同步，包括消息傳遞在內的工作都交由DDS 來完成?；贒DS 的STRS 軟件架構如圖5 所示。

圖5 基于DDS 的STRS 軟件架構

2.2.2 STRS 系統(tǒng)通信中間件接口設計

DDS 接口設計對于實現(xiàn)STRS 系統(tǒng)中的發(fā)布/訂閱通信方式來說是一項至關重要的工作。STRS 核心框架只負責波形組件的加載、部署和運行，因此在STRS 消息接口設計中，需要完成STRS 消息接口定義、波形組件間的通信鏈路建立和波形組件間的數(shù)據同步這三方面的工作。

（1）STRS 系統(tǒng)通信中間件接口定義

DDS 使用接口定義語言(Interface Definition Language，IDL)[2]進行數(shù)據結構的定義。根據波組件需要傳輸?shù)臄?shù)據類型以及業(yè)務，使用IDL 定義數(shù)據結構和主題，并使用DDS 代碼自動生成工具加載IDL 文件生成處理數(shù)據結構相關的代碼，通過對生成代碼的封裝來實現(xiàn)STRS 消息接口，通過這種方式實現(xiàn)STRS 中所有用來進行數(shù)據傳輸?shù)慕涌?。由于基于DDS 定義的STRS 系統(tǒng)通信中間件接口只是實現(xiàn)了系統(tǒng)內部的消息傳輸，并且都在各個組件的代碼中實現(xiàn)，遵循STRS 架構標準，并不會影響到STRS 架構，完全兼容。

（2）波形組件間的通信鏈路建立

基于STRS 系統(tǒng)通信中間件實現(xiàn)的STRS 波形組件是位置無關的，波形組件之間的互聯(lián)互通通過“主題”+“數(shù)據結構”作為唯一標識。波形組件間的通信鏈路建立通過“發(fā)現(xiàn)”機制[14]來實現(xiàn)，使用周期性的“心跳”來保證參與者的存活性，參與者在網絡上通過“心跳”周期性地宣告他們的存在。一旦兩個參與者相互發(fā)現(xiàn)后，一個可靠的通信鏈路建立。在STRS 系統(tǒng)的開發(fā)過程中無需考慮組件間的連接建立問題。

（3）波形組件間的數(shù)據同步

在進行波形組件的開發(fā)過程中，會遇到這樣的問題，先啟動訂閱端，再啟動發(fā)布端，往往訂閱端無法收到第一包數(shù)據，這時就無法保證數(shù)據的完整性。針對上述問題，STRS 系統(tǒng)通信中間件提供了解決方案，發(fā)布端提供了一個接口on_publication_matched，通過這個接口可以獲得當前與發(fā)布端建立通信鏈路的訂閱端的個數(shù)，軟件開發(fā)者可以通過對與發(fā)布端建立通信鏈路的訂閱端的個數(shù)的判斷來決定是否開始發(fā)布數(shù)據，當訂閱端個數(shù)大于0 時開始發(fā)布數(shù)據，這樣訂閱端就會收到所有數(shù)據。這樣很容易地解決了波形組件間的數(shù)據同步問題，保證了數(shù)據的完整性。

2.2.3 STRS 系統(tǒng)通信中間件的性能測試

基于可重構綜合處理器平臺，使用STRS 系統(tǒng)通信中間件接口，在GPM 模塊和RFM 模塊之間進行STRS系統(tǒng)通信中間件接口的性能測試，包括：波形組件間的通信鏈路建立時間、丟包率和傳輸延時[15]，測試結果如下。

（1）波形組件間的通信鏈路建立時間測試

構建一對一發(fā)布-訂閱場景，發(fā)布端mainPublisher 一直循環(huán)發(fā)送數(shù)據，訂閱端mainSubscriber 記錄時間T1后馬上使能，接收到第一包數(shù)據記錄時間T2，波形組件間的通信鏈路建立時間為T2-T1，測試結果顯示通信鏈路建立時間為420 ms。

（2）丟包率測試

丟包率表示在Best-effort QoS[16]的配置下，STRS 系統(tǒng)通信中間件接口的丟包情況。構建一對一發(fā)布-訂閱場景，發(fā)布端循環(huán)n次發(fā)布數(shù)據，訂閱端每收到一包數(shù)據記錄一次，根據收到的數(shù)據情況統(tǒng)計丟包率。實驗中分別測試了單包大小分別為1 KB、4 KB、16 KB、32 KB、64 KB、1 MB 的丟包率，均未出現(xiàn)丟包情況。

（3）傳輸延時測試

測試傳輸延時是為了證明STRS 體系架構對消息接口實時性的要求。基于STRS 系統(tǒng)通信中間件接口構建一對一請求-回復場景，回環(huán)測試，每次發(fā)布和訂閱數(shù)據使用信號量進行同步。實驗中分別測試了單包大小分別為1 KB、4 KB、16 KB、32 KB、64 KB、1 MB 的傳輸延時，測試結果如表1 所示。

表1 STRS 消息接口傳輸延時測試結果（μs）

2.3 STRS 系統(tǒng)通信中間件的優(yōu)點

STRS 系統(tǒng)通信中間件有如下優(yōu)點：

（1）提高通信效率，降低網絡延遲：STRS 系統(tǒng)中的所有波形組件之間是一種對等網的關系，不需要中心服務器的連接，不存在單點失敗風險，而且底層協(xié)議棧并不復雜，不需要太大的軟件開銷，這大大提高了通信的效率和實時性。

（2）降低系統(tǒng)的冗余度，提高了靈活性：各個波形組件之間是松耦合的關系，參與通信的節(jié)點并不知道對方的信息，節(jié)點之間的通信僅僅需要一個主題就能完成。

（3）單個波形組件可重構：在STRS 系統(tǒng)中，每個波形組件的加入和退出均不會影響整個系統(tǒng)的功能和業(yè)務。波形組件啟動后，組件間只需通過“主題”就可以完成數(shù)據交互，當某一個波形組件故障時，可以通過顯控軟件完成單個波形組件的重啟，進而實現(xiàn)單個組件模塊的重構。

（4）減少了組件間同步時間：STRS 系統(tǒng)通信中間件接口的性能測試結果表明STRS 系統(tǒng)中的各個波形組件啟動后，在極短的時間內就可完成相互發(fā)現(xiàn)和同步，所以，使用STRS 系統(tǒng)通信中間件極大地減少了組件間的同步時間。

3 結論

本文首先介紹了STRS 架構標準，并根據工程實踐經驗總結出了目前不采用通信中間件STRS 系統(tǒng)中存在的問題，即耦合度高、實時性不強、靈活性較差、組件間同步耗時較長。重點介紹了基于DDS 的STRS 系統(tǒng)通信中間件的設計與實現(xiàn)，最后對STRS 系統(tǒng)通信中間件接口進行了性能測試，證明了STRS 系統(tǒng)通信中間件的優(yōu)點。本文的創(chuàng)新點在于：基于STRS 硬件體系架構，在GPM、SPM 和RFM 3 種異構處理器平臺上基于DDS 完成了STRS 系統(tǒng)通信中間件的設計與實現(xiàn)，并采用STRS系統(tǒng)通信中間件來實現(xiàn)波形組件間的通信，降低了系統(tǒng)的冗余度和復雜度，提高了系統(tǒng)的實時性、靈活性和可靠性。