DDS规范在我国舰船实时系统中的应用研究.pdf

工作与研究 船舶标准化与质量 2015 年第 6 期 14 DDS 规范在我国舰船实时系统中的应用研究 海装舰船办 洪伟宏 摘要：本文对数据分发服务（DDS） 规范进行了介绍，给出了 DDS 的两层框架结构，对 DDS 的 通信流程、QoS 策略进行了研究，并对 DDS 在舰船信息系统应用进行简要分析，提出了有关的工作 建议。 关键词：数据分发服务 服务质量策略 引言 随着舰船信息系统功能的日益复杂，系统对 实时信息传输要求也越来越高。目前舰船的通信模 式大多数仍采用传统的客户 / 服务器模式，基于远 程调用技术实现数据通信，这种数据通信机制较为 复杂，数据收发需要建立连接过程，使得系统存在 性能瓶颈和单点失效等问题，不能完全满足系统对 实时性能的需要。与传统模式不同，数据分发服务 （DDS） 则提供了灵活的异步消息通信机制，DDS 建 立了一个以数据为中心的发布 / 订阅机制，提供一 个与平台无关的数据模型，除了能处理复杂数据流 外，还可提供数据传输服务质量（QoS） 控制策略， 能把对更新速率、可靠性和带宽控制有不同要求的 单元模块很好地集成到同一系统中，较好地解决了 不可靠网络通信中数据的自动发现、可靠性和冗余 性等问题。因此，DDS 在实时消息分发方面具有很 大优势。 数据分发服务技术最早应用于美国海军，用于 解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问 题，目前已成为美国国防部的强制性标准。2003 年， DDS 被对象管理组织（OMG） 组织接受，并发布了 专门为实时系统设计的数据分发 / 订阅标准（2004 年发布 1.0 版，2007 年 1 月发布 1.2 版） 。DDS 目前 已在美国的陆、海、空、天各个领域得到了广泛应 用，成为分布式实时系统中数据发布 / 订阅的标准 解决方案。 1 DDS 规范概述 DDS 规范为 OMG 组织发布的，该规范规定了 分布式实时系统中数据发布、传递和接收的接口和 行为，定义了以数据为中心的发布 / 订阅机制，提 供了一个与平台无关的数据模型。该规范主要应用 在要求高性能、可预见性和对资源有效使用的关键 任务领域，目的在于简化分布式系统中数据的有效 发布。 该规范共分 8 个章节，第 1 章节范围规定了 DDS 的基本定义及主要用途，第 2、3、4、5、6 章 节分别规定了相关依据、引用文件、条款和定义、符 号以及附加信息，第 7 章节规定了以数据为中心的发 布 / 订阅层（Data-Centric Publish-Subscribe，DCPS）的 平台模型，第 8 章节规定了数据本地重构层（Data Local Reconstruction Layer，DLRL） 的平台模型。 2 DDS 基本架构 DDS 规范中第 7、8 章分别描述了 DDS 两个层 次的接口： 1） 低层 DCPS 层：该层提供了数据发布的基础 架构，通过该层可将数据发布者发布的信息高效准 确地传送给数据订阅者； 2） 高层 DLRL 层：该层为可选接口，允许将服 务简单地集成到应用层。 DCPS 层是 DDS 规范的核心，它提供了数据发 双月刊 / 总第 261 期15 布的基础架构。DLRL 层建立在 DCPS 基础之上， 主要规定了应用层和 DCPS 层之间的接口，该接口 将接收到的数据进行融合并传送给应用层，通过底 层的 DCPS 提供服务，简化了编程工作。 2.1 以数据为中心的发布 / 订阅层（DCPS） 通过对规范中第 7 章 DCPS 进行分析，可以看 出，DCPS 层建立了一个全局数据空间（Global Data Space） 的概念，发布者和订阅者在该全局空间中分 别发布和订阅自己需要的数据类型，通过中间件处 理后，再进行数据传送，将传统的 C/S 模式转为以 数据为中心的服务模式。DCPS 模型又分为平台独 立模型 PIM 和平台专门模型 PSM，PSM 是以 PIM 为基础的 OMG 接口定义语言（IDL） 平台。PIM 模 型总体框架结构如图 1 所示。 PIM 模型主要由数据写入者、数据读取者、发 布者、订阅者、领域以及数据对象等组成，其中领 域代表一个通信范围，只有同一领域的发布者和订 阅者才能交互。 每个发布者都有一个与之关联的数据写入者， 当数据通过适当的数据写入者与发布者通信时，发 布者负责发布数据写入者描述数据类型的数据，当 发布者与数据写入者关联时就形成了一个发布。订 阅者负责对发布的数据进行接收并使数据能被接收 数据对象 发布者 数据写人者 订阅者 数据读人者 订阅者 数据读人者 领域 数据 数据 数据 通过主题标识 通 过 主 题 标 识 图 1 PIM 模型总体架构图 应用程序（根据订阅者的 QoS）所使用，它能接收 并分发不同类型的数据。为了访问被接收到的数据， 应用程序必须使用和订阅者相关联的数据阅读者。 当订阅者与数据阅读者关联后就形成了订阅。 主题用于联系发布和订阅。发布方在中间件上 发布一个主题后，订阅方可以根据主题来查阅发布 方发布的信息。中间件服务检查发布方发布的主题 是否满足订阅方的要求，并检查其 QoS 策略是否兼 容，如果是就在发布方和订阅方建立连接，进行点 对点的数据传送。否则就提示异常。 2.2 数据本地重构层（DLRL） 在 DDS 的两层架构中，上层数据本地重构层 DLRL 是可选层，它建立在下层 DCPS 基础之上， 通过 DCPS 提供的服务，简化了编程实现工作，把 服务简单地整合到应用层，让用户能直接访问变更 的数据，达到与本地语言结构无缝连接的目的。在 DLRL 层通过将 DCPS 层提供的服务以类的形式进 行封装，建立每个类与 DCPS 层相应服务的映射 关系，然后用本地语言结构对该类进行操纵，让用 户能够方便快捷地访问数据。简单地说，相当于 在 DLRL 层建立了对 DCPS 层服务的一个索引表。 DLRL 层可以将更新后的本地数据自动重组，然后 中间件发消息给所有已经订阅过该数据的订阅者更 新本地的拷贝信息。 3 DDS 通信流程 为完成数据发布，DDS 中间件需要完成一系列 的动作，包括注册数据类型、生成主题、比较并设 置合理的 QoS、预分配资源（缓存区等） 、根据订阅 资源生成消息（包含订阅者的地址） 、通知 Listener 接口等等；还要根据 QoS 要求，在规定的时间发送 数据。DDS 在进行数据发布 / 订阅时的基本流程（如 图 2 所示 ) 为： 1）发布者在中间件上注册数据类型（Data- Type） ； 2） 返回 DataType； 3） 发布者通知中间件生成主题，中间件根据数 据类型 DataType 定义主题并设置 QoS；同样的订阅 洪伟宏 DDS 规范在我国舰船实时系统中的应用研究 工作与研究 船舶标准化与质量 2015 年第 6 期 16 者设置 QoS 也能建立主题； 4） 返回主题信息； 5） 某个时刻，某订阅者（比如指控系统某指挥 控制台） 向中间件发送请求，查找该主题； 6） 中间件向订阅者返回需要查找的主题； 7）订阅者订阅主题，中间件比较主题和订阅 者设定的 QoS，看是否满足订阅者要求，如果满足 则保存一个新的订阅信息（此订阅信息包含合成的 QoS） 并成功返回，否则拒绝订阅； 8） 中间件返回相应信息； 9） 发布者设置 QoS 并发布最新的数据； 10）中间件接收到数据，比较 QoS，适时将数 据传递给订阅者。 4 DDS 的 QoS 策略 DDS 规范在 7.1.3 节中定义了丰富的 QoS 策略。 QoS 是一种网络传输策略，用于解决网络延迟和阻 塞等问题，QoS 服务可以实现应用程序所需要的网 络传输质量行为，尽可能地满足客户对通信质量的 需求。DDS 定义的 QoS 策略使其对复杂网络环境的 适应性和鲁棒性大大增强，优化网络传输质量。 在 DDS 规范中定义了 22 种 QoS 参数，用于控 制 DDS 模型的各个方面以及底层的通信机制。下面 给出了几个重要的 QoS 参数： 1）Durability（持续性） ：如果创建发布者时 此属性被选中，那么所创建的发布者将在内存中保 存其发布数据的历史记录，要保留的数据总量由 发布者中间件订阅者 1、注册数据类型 2、返回 3、生成主题 4、返回 5、查找主题 6、返回 7、订阅主题 8、返回 10、传递数据 9、发布数据 图 2 DDS 通信流程时序图 History 属性来控制。Durability 允许后加入的订阅者 获得在订阅者创建之前已经发送过的数据。如果在 创建订阅者时属性被选中，那么订阅者会向发布者 请求获得在加入系统之前的数据，在发布者的历史 队列中的所有数据将会被发送给订阅者。为了缓存 这些历史数据，订阅者也应当设定 History 属性值， 这个值应当小于或等于发布者的值。 2）Reliability（可靠性） ：如果创建发布者时此 属性被选中，那么所创建的发布者会交付所有的数 据发送。如果由于通信错误导致订阅者不能接收到 数据，数据服务将会修复该错误并重新发送数据。 默认状态下，发布者不会重发丢失的数据。如果创 建发布者时 Reliability 属性被选中，那么订阅者将得 到所有数据的可靠更新。 3）History（历史记录） ：控制发送队列中的数 据总量，此属性的使用与 Durability 及 Reliability 属性 相关联。如果 Durability 属性被选中，那么 History 属 性决定有多少历史数据会被传送给后加入的订阅者。 4）Liveliness（活跃性） ：用于检测发布者的状 态，甚至当它没有活跃地发送数据时也可以检测。 创建发布者时设定的 Liveliness 间隔时间是发布者 发出活跃信号的最大间隔时间。创建订阅者时设定 Liveliness 间隔时间是订阅者希望确认发布者的存在 的最大时间间隔。订阅者的 Liveliness 间隔时间必须 大于等于发布者的 Liveliness。 5 DDS 在舰船作战系统中的应用研究及有关工作 建议 DDS 规范是专门为高性能数据分发而制定的一 项新规范，它提供了一个能够清晰定义数据分发服 务的应用级接口，在很大程度上简化开发者的网络 设计工作。目前，舰船作战系统在逻辑上一般有两 条数据总线，即实时和非实时应用数据，针对实时 应用可以使用 DDS 进行实时数据传输，DDS 能够处 理复杂数据流，可通过对 QoS 参数控制，能把对更 新速率、可靠性和带宽控制有不同要求的作战单元 模块很好的集成到同一系统中。DDS 还具有低时延 和高吞吐量优点，由于 DDS 不需要有中心服务器， 双月刊 / 总第 261 期17 作战系统中对传输速度有较高要求的实时应用， 可以使用直接点到点传输和事件驱动传输，消除 了由于网络中转而引起的时延，与 C/S 模型相比 大大提高了传输速度。此外，DDS 作为一个高性 能、支持容错的数据分发服务，也适于需要高可 靠性的系统，由于 DDS 没有任何特殊的节点，如 果某个节点发生故障，其他部分能照常继续工作； 同样，如果有新的节点加入，也不会对原有系统 造成任何影响。 DDS 能够满足很多领域的应用需求，国际上已 经对其开展了大量研究。美国海军正以 DDS 技术为 核心，建设一个统一的、全新的自动操作的分布式 DDS 网络结构，对其海军装备的作战系统进行综合 集成。美海军诸多型号如新型多任务驱逐舰 DDG- 1000 在其全舰计算环境（TSCE） 关键技术中也采用 OMG 的 DDS 规范进行数据分发服务，以满足低延 迟应用的消息传输需要。随着我国海军舰船装备的 快速发展，对系统信息传递的实时性、可靠性等性 能指标也提出了更高要求，有必要对 DDS 规范进行 深入研究，针对我国海军装备的技术特点建设全军 及海军的分布式网络结构，开发能够实现实时、可 靠、安全、跨语言和平台信息分发的 DDS 中间件产 品，并同步开展相关配套标准体系及标准规范的建 设工作，为提升装备信息化水平提供支撑