張冬梅 王 磊

(黑龍江八一農墾大學信息技術學院1，黑龍江 大慶 163319;北京工業(yè)大學機電學院2，北京 100022)

0 引言

近年來，大量分布式應用的實現以基于發(fā)布/訂購機制的信息按需分發(fā)作為基本的通信集成基礎設施，如：用戶和軟件監(jiān)控、工作流管理系統(tǒng)等。許多分布式實時應用都需要將數據迅速高效地傳送到目的地，這就需要建立一個功能強大、融合多種處理機、健壯、高效的分布式實時通信網絡系統(tǒng)[1－2]。為此，對象管理組織(object management group，OMG)提出了數據分發(fā)服務標準 (data distribution service，DDS)。該標準主要針對用戶需要提供實時信息傳送的系統(tǒng)[3]。

數據分發(fā)服務(data distribution service，DDS)是專門為高性能的數據分發(fā)而設計的一項新規(guī)范，目的在于提供一個能夠清晰地定義數據分發(fā)服務的應用級接口，從而簡化開發(fā)者的網絡設計工作。2005年12月，修訂后的版本v1.1正式推出，它在原有基礎上做了進一步完善[4－5]。

1 按需分層分發(fā)體系結構

1.1 發(fā)布/訂購模型

DDS基于發(fā)布/訂購模型構建了一個共享“全局數據空間”的概念[6－7]，所有的數據對象都存儲在于此空間。分布式節(jié)點通過“發(fā)布”操作將數據發(fā)送到全局數據空間共享，通過“訂購”操作獲取自己感興趣的信息。

發(fā)布/訂購模型如圖1所示。

圖1 發(fā)布/訂購模型Fig.1 The publish/subscribing model

OMG-DDS規(guī)范中描述的以數據為中心的發(fā)布/訂購按需分發(fā)模型為許多實時應用提供了解決方案，從小規(guī)模的區(qū)域信息管理到大規(guī)模分布控制系統(tǒng)的各個領域，都可以實現信息的實時可用性[8－9]。

1.2 按需分層分發(fā)的框架

按各平臺在地理位置上的分散情況以及信息交互頻繁程度，分布式網絡系統(tǒng)可劃分成不同的信息分發(fā)區(qū)域。各區(qū)域由一個區(qū)域信息中心負責本區(qū)域內各平臺之間的信息交互。區(qū)域內平臺可以是發(fā)布信息平臺，也可以是訂購信息平臺，或同時兼具這兩種平臺的功能。各區(qū)域信息中心通過廣域網傳遞區(qū)域間的信息交互，由此構成了區(qū)域和全局的兩層按需分發(fā)框架。按需分層分發(fā)框架如圖2所示。

圖2 按需分層分發(fā)框架Fig.2 Framework of the on-demand hierarchical distribution

按需分層分發(fā)框架具體由以下幾部分構成。

①網絡基礎設施，它是由Internet骨干網和各種局域網組成，通過路由器互聯起來的分布式通信網絡。

②區(qū)域信息中心，它是按地域分布的上層信息分發(fā)系統(tǒng)，為分布式網絡提供信息分發(fā)服務;各區(qū)域信息中心間保持信息資源的共享和同步。當某個區(qū)域信息中心癱瘓時，不影響其他信息系統(tǒng)的信息分發(fā)和交互，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性和抗毀能力。

③信息中心代理，它位于信息發(fā)布平臺和訂購平臺，是發(fā)布平臺和訂購平臺的一個外殼，相當于一個本地應用系統(tǒng)和區(qū)域信息中心業(yè)務往來的中間服務，負責與信息中心交互。在以下內容中，均把信息中心代理作為信息發(fā)布和訂購平臺的一部分。

④信息發(fā)布平臺，首先，信息發(fā)布平臺接入本地區(qū)域信息中心獲得身份認證授權，然后注冊自己能提供的信息，包括能提供的信息類型、屬性和內容等。受理發(fā)布信息的區(qū)域信息中心將發(fā)布信息錄入信息發(fā)布表，作為與訂購信息相匹配的信息源。

⑤信息訂購平臺，它接入信息中心獲得身份認證授權后，就可向區(qū)域信息中心請求自己感興趣的訂購信息。受理此訂購信息的區(qū)域信息中心將及時進入訂購信息庫，并與已有注冊信息匹配。一旦匹配上(可與多個發(fā)布平臺區(qū)配上)，信息中心即向訂購平臺發(fā)送包括對方網絡地址等信息的通告信息，訂購平臺此時作為主動方可以隨時選擇匹配上的發(fā)布平臺發(fā)送請求信息，信息發(fā)送是“端對端”的。

2 分層信息交互策略

2.1 區(qū)域信息交互

區(qū)域信息交互是指區(qū)域信息中心和它所在區(qū)域的發(fā)布平臺、訂購平臺之間的信息分發(fā)，區(qū)域信息交互關系如圖3所示。

圖3 區(qū)域信息交互關系Fig.3 Area information interaction

由于發(fā)布平臺、訂購平臺和區(qū)域信息中心角色的不同，使其在信息分發(fā)系統(tǒng)中具有不同的作用。為了區(qū)分各平臺之間的關系，易于彼此間的信息傳遞，各平臺之間通過自身特定的分發(fā)行為進行交互。

①發(fā)布行為，它是發(fā)布平臺向區(qū)域信息中心發(fā)布信息時的交互方式，包括“注冊”新信息、“更新”已注冊信息和“取消”已注冊信息三種行為。

②訂購行為，它是訂購平臺向區(qū)域信息中心訂購信息的交互方式，分為持久、實時和退訂三種行為。“持久”訂購是對某信息的長期訂購行為，分為兩種情況，一種是周期性訂購消息，另一種是當信息發(fā)生變化時的訂購。

“實時”訂購是請求信息必須在規(guī)定的時間內送達到本平臺的訂購行為，若超出此時間限制，則信息中心自動取消此訂購信息?！巴擞啞笔钱斢嗁徠脚_不再需要某信息，取消已訂購信息的行為。當訂購平臺退訂信息以后，區(qū)域信息中心就不會再將退訂信息進行匹配。如果訂購平臺有多個訂購請求，其他訂購信息還是要進行匹配。

③響應行為，它是區(qū)域信息中心對發(fā)布行為和訂購行為的應答方式。對發(fā)布行為的響應行為是允許和回拒?！霸试S”行為是區(qū)域信息中心對發(fā)布平臺行為的許可，“回拒”則與之相反。對訂購行為的響應行為是成功和失敗?！俺晒Α睉鹗菂^(qū)域信息中心已匹配出滿足訂購信息條件的發(fā)布信息，當沒有符合訂購限制條件的發(fā)布信息時，發(fā)出訂購“失敗”應答。

2.2 全局信息交互

全局信息交互是指在不同區(qū)域內的發(fā)布和訂購平臺通過各自所在的區(qū)域信息中心進行的信息分發(fā)。全局信息交互關系如圖4所示。

圖4 全局信息交互關系Fig.4 Global information interaction

訂購平臺S向區(qū)域信息中心L-DC2發(fā)出訂購請求信息，當L-DC2無法在本區(qū)域內匹配出滿足條件的發(fā)布信息時，L-DC2就將此訂購信息傳遞到廣域網，并向其他區(qū)域信息中心訂購滿足條件的發(fā)布信息。此時，L-DC2相當于訂購平臺。一旦其他區(qū)域信息中心LDC1匹配出相應的發(fā)布信息，就向L-DC2回應匹配結果。最后，由訂購平臺S向發(fā)布平臺P請求信息發(fā)送，完成全局信息交互。

3 發(fā)布/訂購信息過濾方案

3.1 發(fā)布/訂購信息模型

發(fā)布和訂購信息的數據模型是一個類型屬性集合，屬性和屬性約束是一個四元組[10]，即：

Attribute|Constraint= ＜T，N，O，V＞發(fā)布信息和訂購信息實例如表1所示。

表1 信息實例Tab.1 Information examples

每個屬性包括的字段有屬性類型(Type)、屬性名稱(Name)、操作符(Operator)和屬性值(Value)。發(fā)布信息是屬性的集合，即PI=∪Attribute，訂購信息是屬性約束的集合，即SI=∪Constraint。對于訂購信息中的每一個屬性α，當發(fā)布信息中至少存在一個屬性β，使得α?β時，則稱訂購信息包含發(fā)布信息，即發(fā)布信息滿足訂購信息的訂購條件。

3.2 發(fā)布平臺過濾

發(fā)布平臺過濾(publisher filtering，PF)，PF表示發(fā)布者對發(fā)布信息的約束，簡稱發(fā)布過濾，其約束條件在通知分組中描述。某個發(fā)布過濾中可以有多個限定條件，發(fā)布信息的屬性個數不能多于發(fā)布過濾的屬性個數。

發(fā)布過濾PF是屬性過濾AF(attribute filtering，AF)的集合，即：

若發(fā)布信息的數據空間為D，發(fā)布過濾的數據空間為PF，則下列屬性條件成立：

式中：α?pf表示發(fā)布信息的屬性α滿足發(fā)布過濾中屬性pf。α?pf至少滿足：

式(1)～式(2)說明發(fā)布信息中的每一個屬性都滿足發(fā)布過濾中對應屬性的約束條件。

3.3 訂購平臺過濾

訂購平臺過濾(subscriber filtering，SF)表示訂購方對訂購信息的約束，簡稱訂購過濾。發(fā)布信息和訂購過濾相匹配的條件是當且僅當發(fā)布信息滿足訂購過濾中的所有屬性。

某個訂購信息中可以有兩個或多個限定屬性條件，發(fā)布信息可以比訂購過濾的屬性個數多。

訂購過濾SF是屬性約束(constraint filtering，CF)的集合，即：

如果在某個發(fā)布過濾中包含多個具有相同屬性名稱的屬性過濾，其操作符為 o1，o2，…，on，操作符對應的屬性值為 v1，v2，…，vn，則對該屬性來說，訂購過濾是這多個屬性過濾的交集。

當訂購平臺收到了發(fā)布平臺發(fā)來的發(fā)布信息時，判斷自己的訂購過濾是否滿足發(fā)布過濾的約束條件。判斷條件是：若訂購過濾的數據空間為SF，發(fā)布過濾的數據空間為PF，則下列屬性條件成立。

式中：sf?pf表示訂購過濾中的屬性sf滿足發(fā)布過濾中的屬性pf。sf?pf滿足：

式(4)～式(5)說明對于訂購過濾中的每一個屬性都滿足發(fā)布過濾中對應屬性的約束條件。

4 結束語

數據分發(fā)服務(DDS)為分布式網絡系統(tǒng)實現高效、可靠的信息分發(fā)提供了有效的解決方案。通過建立以數據為中心的發(fā)布/訂購模型，為大規(guī)模分布式網絡系統(tǒng)構建了兩層信息按需分發(fā)體系框架。同時，提出了區(qū)域和全局兩層信息交互策略，并設計了發(fā)布/訂購信息過濾方案。此框架的設計對于提高分布式系統(tǒng)的擴展性、解決系統(tǒng)的瓶頸問題提供了新的思路和方法。

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