呂 鴻，戶江民，付林強，楊 曉

(重慶金美通信有限責任公司，重慶400030)

0 引言

RTI DDS是由Real－Time Innovation公司開發(fā)實現(xiàn)的，這也是第一個支持DDS規(guī)范的商業(yè)產(chǎn)品。DDS針對實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱需求設計，支持多種數(shù)據(jù)分發(fā)模式和數(shù)據(jù)分發(fā)策略，其前身為美國RTI公司的NDDS產(chǎn)品，由于美國軍方對裝備技術(shù)開放性的強制要求，RTI公司2003年將NDDS接口公開后提交到OMG組織，最終于2004年發(fā)布了DDS標準，同年6月，美國國防部信息技術(shù)標準局選定DDS作為GIG的強制性數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱規(guī)范，作為以數(shù)據(jù)為中心進行系統(tǒng)集成的實時數(shù)據(jù)總線標準。目前被廣泛應用于任務要求十分苛刻的場合，包括:作戰(zhàn)管理、航空航天、美國國家鐵路網(wǎng)、空中交通流量控制、交通流量監(jiān)控、金融交易處理以及工業(yè)自動化等。RTI DDS實現(xiàn)了完整的DCPS，不支持DLRL，它獨立于操作系統(tǒng)和編程語言，極大地方便了不同系統(tǒng)之間的通訊。系統(tǒng)設計者通過可擴展的傳輸框架結(jié)構(gòu)連接多個物理端點，傳輸方式包括以太網(wǎng)絡、共享內(nèi)存、背板或其他連接方式［1］。

1 DDS簡介

DDS標準規(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(guān)的數(shù)據(jù)模型(這個模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言)［2］。DDS標準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(guān)鍵任務領(lǐng)域［3］。

圖1 DDS 總線模型［4］Fig．1 DDSbus model

應用程序在處理以數(shù)據(jù)為中心的分布式系統(tǒng)時，DDS標準中間件可以幫助用戶使用更加簡單的編程模型［5］，不需要開發(fā)特定的事件/消息機制或手動創(chuàng)建封裝的CORBA對象來獲取遠程數(shù)據(jù)。應用程序可以使用一個簡單的主題(Topic)名稱來指定它想要讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)，以及使用以數(shù)據(jù)為中心的API來直接讀寫數(shù)據(jù)。DDS中以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(DCPS)模型構(gòu)建了一個共享的“全局數(shù)據(jù)空間”的概念，所有的數(shù)據(jù)對象都存在于此空間中，分布式節(jié)點通過簡單的讀、寫操作便可以訪問這些數(shù)據(jù)對象［6］。實際上，數(shù)據(jù)并非存在于所有計算機的地址空間中，它僅存在于那些對它感興趣的應用程序的本地緩存中。

本文通過對RTIDDS進行充分的分析研究，將其應用到業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)中，利用DDS的總線功能，將系統(tǒng)消息擴展到DDS總線上，本文對DDS的設計、實現(xiàn)原理、最終結(jié)果等進行了詳細介紹。

2 業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)

業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)是某戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡中用來實現(xiàn)對當前戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡的業(yè)務進行管理，并實時監(jiān)控網(wǎng)絡的資源利用情況，根據(jù)實際資源使用的使用情況，對網(wǎng)絡資源進行優(yōu)化。通信業(yè)務管理與資源優(yōu)化軟件采用模塊化設計架構(gòu)，業(yè)務管理中心與界面視圖解耦。后臺通信服務與戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡中的交換設備之間利用專用協(xié)議進行通信，從戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡交換設備上收集設備當前的業(yè)務狀態(tài)和網(wǎng)絡資源利用狀態(tài)，并將收集到的數(shù)據(jù)通過定義好的端口推送給前臺界面。前臺界面為一圖形化操作界面，主要用來展現(xiàn)網(wǎng)絡當前的網(wǎng)絡資源利用情況，同時對網(wǎng)絡資源的利用進行調(diào)整命令的下發(fā)。其軟件模型如圖2所示。

圖2 業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)模型Fig．2 Business management and resource optimization system model

在該系統(tǒng)中，前臺模塊與后臺通信服務采用Socket進行通信，已經(jīng)實現(xiàn)很好的解耦合，由于網(wǎng)絡資源利用情況是網(wǎng)絡中一個非常重要的信息，各使用終端都想及時掌握這一情況，并根據(jù)網(wǎng)絡信道資源利用情況來展開下一步的工作部署。但是由于目前的系統(tǒng)設計為單點對應設計，一個前臺模塊對應一個后臺服務，無法將結(jié)果同時展現(xiàn)給多個關(guān)注者，為了實現(xiàn)能夠同時將網(wǎng)絡資源使用結(jié)果展現(xiàn)給多個關(guān)注者，引入成熟的DDS中間件，利用DDS將消息拓展到多個前臺同時使用。

3 DDS拓展應用設計

3． 1 RTI DDS 的優(yōu)點

接口標準化:RTI DDS產(chǎn)品符合對象管理組織(OMG)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務DDS標準，DDS提供了軟件應用編程接口的標準。

QoS保障:DDS在為實時系統(tǒng)應用開發(fā)者提供高級抽象的同時，還能控制部署實時系統(tǒng)所需的QoS(Quality of Service)策略。RTI DDS還允許應用預分配資源、提高可靠性和實時確定性。

3． 2 軟件拓展架構(gòu)設計

軟件的前臺操作界面與后臺通信服務采用Socket進行通信，因此在操作界面和通信服務之間引入DDS。DDS數(shù)據(jù)服務總線同時對應一個后臺處理模塊和多個操作界面前臺操作界面，實現(xiàn)將后臺數(shù)據(jù)實時拓展同步到多前臺界面的功效。如果要在另一臺計算機平臺上實現(xiàn)前臺操作界面的部署，只需要在該計算機上配置好DDS拓展服務和前臺操作界面，前臺操作界面采用原有的通信方式與DDS之間進行信息交互，DDS拓展服務則與其它計算機上DDS拓展服務進行實時協(xié)作通信，形成一條可靠高效的信息數(shù)據(jù)總線，如圖3所示。

圖3 業(yè)務管理與資源優(yōu)化DDS拓展Fig．3 Business management and resource optimization of DDSdevelopment

從圖3的軟件架構(gòu)圖可知，DDS利用自身的通信功能將特有的數(shù)據(jù)同步到所有已部署DDS拓展服務的計算機終端上。但從前臺界面與后臺處理服務的關(guān)系上看，為保證原有系統(tǒng)地完整性，在引入DDS拓展服務之后，前臺操作界面與后臺通信服務仍采用原來的通信方法和通信協(xié)議，不做任何業(yè)務代碼的修改，只需要在后臺通信服務模塊中修改通信的端口號，將其掛接到DDS服務上。如圖4所示，在加入DDS之前后臺通信服務利用9800端口發(fā)送信息給前臺操作界面，前臺操作界面利用9801端口發(fā)送信息給后臺通信服務;在加入DDS拓展服務之后，DDS拓展服務接替了原后臺通信服務的端口，利用9800端口發(fā)送信息給前臺操作界面，監(jiān)聽9801端口，截獲前臺發(fā)送給后臺通信服務的信息。另外新建立一個9803端口，用來監(jiān)聽后臺通信服務發(fā)送的信息，同時利用9802端口將前臺操作界面發(fā)送的信息轉(zhuǎn)發(fā)給后臺通信服務。DDS拓展服務的模塊設計如圖5所示。

圖4 DDS拓展接口Fig．4 DDSexpansion interface

圖5 DDS拓展服務模型Fig．5 DDSexpanded － service model

DDS模塊截取資源管理服務模塊的UDP信息，將該信息以數(shù)據(jù)流的方式直接公布到DDS總線上，在其他終端上的DDS參與者監(jiān)聽到該信息時，接收該信息，同時將該信息以數(shù)據(jù)流的方式通過Socket還原發(fā)送給前臺界面，保證了前臺模塊與資源服務模塊之間的原有通信方式。

DDS參與者設計時采用了兩個Socket，分別用于與前臺模塊通信和與資源管理服務模塊通信，當前臺Socket監(jiān)聽到前臺的UDP命令時，本模塊從Socket中收下所有的數(shù)據(jù)，利用前臺DDS發(fā)布者將該數(shù)據(jù)發(fā)布到DDS總線上，前臺DDS監(jiān)聽者如果從DDS總線上監(jiān)聽到消息，則將該消息利用Socket進行信息還原，發(fā)送給資源管理服務模塊;反之，當資源管理服務Socket監(jiān)聽到資源管理服務模塊的消息時，本模塊從Socket中收下所有數(shù)據(jù)，利用資源管理DDS發(fā)布者將該數(shù)據(jù)發(fā)布到DDS總線上，資源管理服務DDS監(jiān)聽者如果從DDS總線上監(jiān)聽到信息，則將該消息利用Socket進行信息還原，發(fā)送給前臺模塊。

DDS拓展服務的設計遵循獨立通用的原則。該模塊設計時屏蔽內(nèi)部實現(xiàn)的賦值細節(jié)，對外提供了一個監(jiān)聽接口和一個發(fā)布接口。監(jiān)聽接口用于監(jiān)聽程序監(jiān)聽總線上所有感興趣的數(shù)據(jù)，一旦監(jiān)聽數(shù)據(jù)更新，DDS拓展服務會同步更新所有監(jiān)聽者的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽程序即可實時自動更新人機界面顯示;發(fā)布接口用于終端軟件將自身的重要信息發(fā)布到數(shù)據(jù)總線上，供其他對該信息感興趣的終端使用。該模塊是一個通用的模塊，除了可用于本項目之外，還可以用于其它類似的軟件系統(tǒng)中，使一對一的信息通信輕松擴展為一對多、多對多的通信。

4 軟件應用效果

4． 1 測試環(huán)境搭建

利用一個試驗環(huán)境來測試驗證DDS拓展在業(yè)務管理與資源優(yōu)化系統(tǒng)中的應用成效。網(wǎng)絡環(huán)境如圖6所示。該測試環(huán)境利用6臺戰(zhàn)術(shù)通信交換機進行搭建，在其中一臺戰(zhàn)術(shù)交換機上的用戶端口上配置一臺服務器(管理中心)，在該計算機終端使用網(wǎng)段內(nèi)拓展連接了6臺客戶端，在核心IP為2．0．0．6的交換機下也掛6臺客戶端，由此來檢驗DDS拓展服務能否實時可靠地將網(wǎng)絡資源利用情況的數(shù)據(jù)同步到整個網(wǎng)系中的多個前臺操作界面。

圖6 戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡測試環(huán)境Fig．6 Tactical network test environment

4． 2 軟件組成及部署

針對上述試驗環(huán)境，有1個服務器與12個客戶端需要部署。服務器與客戶端的軟件部署稍有不同，其具體部署如下:DDS拓展后，將該軟件的服務器部署在管理中心上，而其他終端上部署客戶端。實現(xiàn)一個服務，多個前臺界面的效果。

圖7 軟件組成Fig．7 Software composition

如圖7所示，本軟件分為三個部分，“業(yè)務管理與資源優(yōu)化服務”實現(xiàn)與交換網(wǎng)絡的業(yè)務配置和管理功能;“DDS拓展服務”用于將資源優(yōu)化服務和前臺界面的數(shù)據(jù)通過DDS數(shù)據(jù)總線進行拓展，保證多個前臺能夠和資源優(yōu)化服務通信;“前臺界面”實現(xiàn)對業(yè)務管理和資源優(yōu)化的所有功能的界面展現(xiàn)。服務器上需要部署所有部件，客戶端上只需部署“DDS拓展服務”和“前臺界面”。

如圖6所示試驗環(huán)境的域1與域2不在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，對于跨域通信需要做如下配置:首先在服務器端PC機所在環(huán)境變量中增加一個DDS的查找節(jié)點信息，變量名為 NDDS_DISCOVERY_PEERS，變量值為 1@builtin．udpv4://10．0．1．10，2@builtin．udpv4://127．0．0．1。其中 10．0．1．10 用于指向客服端7的IP地址，便于DDS在跨路由時與遠端節(jié)點通信［6］。其次，在客服端7的PC機上也要配置同樣一條環(huán)境變量，只是該項配置的IP地址指向服務器的計算機IP地址，其環(huán)境變量值為:1@builtin．udpv4://10．0．0．5，2@builtin．udpv4://127．0．0．1。

4． 3 試驗結(jié)果

在驗證時使用了13臺計算機，一臺計算機上運行服務端和客服端，在其它12臺機器上運行客服端。業(yè)務管理與資源優(yōu)化服務器端的后臺服務實時監(jiān)控搭建網(wǎng)絡中的信道資源利用情況，當檢測到網(wǎng)絡信道資源利用情況發(fā)生變化時，將該數(shù)據(jù)通過DDS拓展服務同步更新所有的前臺監(jiān)控界面，本實驗過程中通過人為調(diào)整網(wǎng)絡信道的資源利用率來觀察客戶端終端軟件界面上的結(jié)果顯示是否同步。

分別實現(xiàn)了多臺計算機在同一個局域網(wǎng)內(nèi)、跨路由情景下的各種驗證，通過觀察比對所有客戶端終端上的資源數(shù)據(jù)能夠保持實時同步，其相關(guān)效果圖如圖8所示。

圖8 信道資源利用預警Fig．8 Signal warning map channel resource utilization

當從一個點 2．0．0．1 向另一個點2．0．0．2 發(fā)送指定大小的數(shù)據(jù)量時，使發(fā)送信到的資源利用達到50% ～70%之間，此時在12臺客戶端界面上能夠同時反映出該鏈路提示橙色預警。繼續(xù)加大點2．0．0．1向點 2．0．0．2 發(fā)送的數(shù)據(jù)量，使其信道占用提升到大于70%，讓其信道提示紅色預警，此時所有在線的12臺客戶端前臺程序也能夠?qū)崟r同步告警信息，并正確顯示。

通過本試驗分析可以看出，DDS拓展服務能夠?qū)崟r可靠地將數(shù)據(jù)擴展到數(shù)據(jù)總線上，各客戶端能夠?qū)崟r從總線上提取數(shù)據(jù)并在人機界面上展現(xiàn)出來。

5 結(jié)語

業(yè)務管理與資源優(yōu)化服務系統(tǒng)是一套已運用于戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡中的資源管理軟件，為了保證整個軟件的可靠性在原系統(tǒng)上進行設計升級是一個不明智的選擇。在本項目中可靠、高效地引入DDS拓展服務，既保留了原有系統(tǒng)完整性、可靠性，又在使用功能上進行了提升。這主要得益于DDS的諸多優(yōu)點:由于RTI DDS的發(fā)布/訂閱結(jié)構(gòu)直接和易于理解，開發(fā)者可以將大量的時間集中用于他們的應用而不是在通訊結(jié)構(gòu)上。由于RTI DDS的一致性，模塊化和開放的API接口，用戶可以快速入門使用，不需要對網(wǎng)絡編程。RTI DDS具有無與倫比的可靠性。它支持可掌控的數(shù)據(jù)傳輸并包括很多用戶可配置的QoS策略，這些策略使得設計者能夠更加靈活地應用。RTI對DDS規(guī)范的實現(xiàn)中選擇P2P的結(jié)構(gòu)，消除了所有中心服務端可能的死機或崩潰，沒有單點失敗的可能。由于DDS實例不共享地址空間，應用程序之間相互隔離，可以避免內(nèi)存崩潰。在業(yè)務管理與資源應用中引入DDS拓展服務只是牛刀小試，DDS能夠在更多的項目中展現(xiàn)其強大的功能。

［1］ OMG．Data Distribution Service for Real－ time Systems，version 1．2．［EB/OL］．(2007－1－1)［2014 －11 －3］．http://www．omg．org/spec/DDS/1．2．

［2］ OMG．Data Distribution Service for Real－time Systems Specification version 1．1［EB/OL］．(2005 － 12 － 4)［2014 －11 －5］．http://www．omg．org/spec/DDS/．

［3］ SCHNEIDER S，F(xiàn)ARABAUGH B．Using the DDSStandard for High Reliability Applications［R］．Real－ Time Innovation，Inc．2004．

［4］ RTI．RTI DDS User Manual［EB/OL］．［2014 － 11 －13］．http://www．rti．org，2011．

［5］ 楊震，陽洋．基于DDS規(guī)范的戰(zhàn)場信息分發(fā)中間件平臺研究［J］．通信技術(shù)，2009，42(12):185 －187．

Yang Zhen，Yang Yang．Study On BattleField Information Distribution Middleware Platform Based on DDS．Communication technology．2009，42(12):185－187．

［6］ GERARDOPC．Data－Distribution Service(DDS):Architectural Update［R］．OMG．2004．