實時數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

楊傳順,錢幸存

(中國船舶重工集團(tuán)公司 江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

實時數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)指采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS(Data Distribution Service)中間件的實時分布式系統(tǒng)。OMG的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)正逐漸成為采用實時發(fā)布-訂閱RTPS(Real Time Publish-Subscribe)協(xié)議的分布式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供一種通用的應(yīng)用層接口,能夠清楚地定義數(shù)據(jù)分發(fā)的服務(wù)，提供一種在實時分布式計算環(huán)境中以數(shù)據(jù)為中心的通信規(guī)范，定義一個可擴(kuò)展、與平臺無關(guān)、與位置無關(guān)的基礎(chǔ)服務(wù)模型，以連接發(fā)布者和訂閱者，支持服務(wù)質(zhì)量（QoS）和屬性。該通信模型在空間上（節(jié)點可以在網(wǎng)絡(luò)中的任何地方）、時間上（發(fā)布后立即或稍微有些延遲后傳輸）、傳輸上（可根據(jù)帶寬流量控制可靠性，每個用戶可以管理自己數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)）、功能上（多源的數(shù)據(jù)可以很容易地添加和刪除）都是松散耦合的。

1 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)

OMG的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）的核心是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱 DCPS(Data-Centric Publish-Subscribe)，即發(fā)布者能高效地將正確的信息傳遞給適當(dāng)?shù)挠嗛喺?。DCPS定義了在實時分布式系統(tǒng)中運(yùn)行在異構(gòu)平臺上的標(biāo)準(zhǔn)接口的應(yīng)用程序能從系統(tǒng)的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間讀/寫數(shù)據(jù)。具有以下特點：

(1)強(qiáng)制類型的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間

DDS創(chuàng)建一個全局性的數(shù)據(jù)空間，任何參與者使用數(shù)據(jù)類型接口高效自然地讀/寫數(shù)據(jù)，讓每個訂閱者都可以訪問到“最新”的數(shù)據(jù)。它還建立了一個名稱空間，讓參與者查找和共享數(shù)據(jù)的對象。為了提高可擴(kuò)展性，主題（Topic）可以包含多個獨立的數(shù)據(jù)通道稱為“關(guān)鍵字”（key）。這使得節(jié)點可以一次性訂閱到很多，可能是數(shù)以千計的相似的數(shù)據(jù)流。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時，中間件根據(jù)關(guān)鍵字排序，提供有效的處理。

(2)每個數(shù)據(jù)流可控的服務(wù)質(zhì)量

DDS允許控制“每個數(shù)據(jù)流”的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。每對發(fā)布者——訂閱者之間可以建立獨立的QoS協(xié)議。DDS也具有獨特的允許應(yīng)用設(shè)計支持極其復(fù)雜的、靈活的數(shù)據(jù)流需求。QoS參數(shù)幾乎能控制DDS模型和基本的通信機(jī)制的每個方面。

(3)自動發(fā)現(xiàn)和管理數(shù)據(jù)流

DDS能設(shè)計成自動發(fā)現(xiàn)發(fā)布者和訂閱者的每一個主題，根據(jù)它們之間設(shè)置的QoS參數(shù)自動建立數(shù)據(jù)流。DDS模型提供了快速透明的定位。這使得它非常適合用于系統(tǒng)動態(tài)配置的變化。它能迅速發(fā)現(xiàn)新的節(jié)點，新的節(jié)點上的新的參與者，新參與者的新的數(shù)據(jù)主題。能及時地清除掉過時的、失敗的節(jié)點和數(shù)據(jù)流。

(4)不可靠的無連接傳輸

DDS以不可靠的傳輸方式工作,如UDP或無線網(wǎng)絡(luò)。沒有任何設(shè)備需要中央服務(wù)器或特殊節(jié)點。高效、直接、點對點的通信、甚至多播，可以實現(xiàn)模型的每一個功能。

2 DDS的對象模型

圖1顯示了典型的DDS分布式應(yīng)用的關(guān)鍵對象，域(Domain)、域成員(DomainParticipant)、數(shù)據(jù)發(fā)送器(Data writer)和發(fā)布者(publisher)、訂閱者(Subscriber)和數(shù)據(jù)接收器(Data reader)、主題(Topic)組成。域成員對象指的是域內(nèi)參與應(yīng)用的成員，參與者可以在同一個域上進(jìn)行通信。

圖1 DDS的對象模型

發(fā)布者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)布,可以發(fā)布不同類型的數(shù)據(jù)。域成員通過發(fā)布者的數(shù)據(jù)發(fā)送器交流數(shù)據(jù)和改變數(shù)據(jù)類型。一旦新的數(shù)據(jù)值傳達(dá)給發(fā)布者，就由發(fā)布者決定何時執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)布，實際數(shù)據(jù)發(fā)布的執(zhí)行取決于發(fā)布者的服務(wù)質(zhì)量。

訂閱者接收發(fā)布者的數(shù)據(jù)，并提供給域成員。訂閱者可接收和轉(zhuǎn)發(fā)不同的數(shù)據(jù)類型。要訪問接收到的數(shù)據(jù)，域成員必須通過和訂閱者相關(guān)的數(shù)據(jù)接收器。

數(shù)據(jù)發(fā)送器對象與數(shù)據(jù)接收器對象通過主題聯(lián)系。主題和數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)本身的服務(wù)質(zhì)量（QoS）關(guān)聯(lián)。DomainParticipantFactory（域成員廠）用于創(chuàng)建和刪除域成員，域成員通過 DomainParticipant::get_domain_id()綁定到域上，域成員可以創(chuàng)建和刪除主題、發(fā)布者和訂閱者；發(fā)布者用于強(qiáng)制創(chuàng)建和刪除數(shù)據(jù)發(fā)送器先前創(chuàng)建的主題的類型；訂閱者用于強(qiáng)制創(chuàng)建和刪除數(shù)據(jù)接收器先前創(chuàng)建的主題的類型；DataWriter::write()用來使應(yīng)用程序更新數(shù)據(jù)值；DataReader::take()用來從 DDS中間件中接收數(shù)據(jù)樣本。DDS的編程模型如圖2所示。

抽象的實體接口定義了域成員和域?qū)嶓w(DomainEntities)(即主題、發(fā)布者、數(shù)據(jù)發(fā)送器、訂閱者和數(shù)據(jù)接收器）支持的通用行為。get_qos()和set_qos()用來檢索和修改服務(wù)質(zhì)量；get_listener()可被DDS中間件用來探測和安裝用戶聽眾的具體地位的條件。確切的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)列表是針對每個具體的實體類型。

3 應(yīng)用軟件的設(shè)計和實現(xiàn)

RTI公司的DDS中間件是執(zhí)行數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的一個典型代表。下面采用該公司的DDS中間件并結(jié)合Demo程序(發(fā)布-訂閱的主題用圓形、三角形和方形的幾何圖形形象的表示)，研究實時數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計和實現(xiàn)。Demo程序的運(yùn)行界面如圖3所示。

3.1 應(yīng)用軟件的設(shè)計

一般情況下，一個應(yīng)用程序可以屬于多個域(如圖4所示),創(chuàng)建若干域成員，三個應(yīng)用程序在域A交流命令/控制數(shù)據(jù)，其他三個應(yīng)用程序在域B中交流狀態(tài)數(shù)據(jù)，其他兩個應(yīng)用程序是域C內(nèi)通信。創(chuàng)建多個域，可以提供有效的數(shù)據(jù)隔離。

DDS的主題是強(qiáng)制的數(shù)據(jù)類型。DDS中間件支持多語言的綁定，在 OMG的接口描述語言（IDL）中，定義類型TopicInfo。TopicInfo包含一個graphics變量——確定圖形的形狀和value變量——圖形的顏色。把graphics字段表記為關(guān)鍵字，讓DDS中間件區(qū)分不同圖形所更新的數(shù)據(jù)。

鑒于IDL類型定義，DDS的中間件提供的代碼生成器用來生成特定語言代碼來處理數(shù)據(jù)類型。生成的代碼將在目標(biāo)語言中包含類型定義 （在本文中使用C++語言）、特定標(biāo)準(zhǔn)類型的API、中間件執(zhí)行的特定代碼。對于TopicInfo數(shù)據(jù)類型，生成下列標(biāo)準(zhǔn)類：TopicInfoType-Support、TopicInfoDataWriter、TopicInfoDataReader。

3.2 應(yīng)用軟件的實現(xiàn)

(1)創(chuàng)建DomainParticipant綁定到域上

(2)注冊用戶的數(shù)據(jù)類型

TopicInfoTypeSupport::register_type()用來注冊數(shù)據(jù)類型，可以在DomainParticipant中使用。

(3)創(chuàng)建主題（Topics）

使用標(biāo)準(zhǔn)的DDS API創(chuàng)建命名主題綁定到注冊用戶的數(shù)據(jù)類型上。主題會自動地在DataWriters和DataReaders之間建立一個數(shù)據(jù)流。

(4)創(chuàng)建 Publishers和 DataWriters

在給定的DomainParticipant上，創(chuàng)建 Publisher。一個Publishr可以有不同主題的DataWriters。DataWriter提供發(fā)送數(shù)據(jù)樣本的方法，管理輸入數(shù)據(jù)通道的生命周期。

(5)發(fā)送數(shù)據(jù)更新

對于給定的writer，使用::write()方法將新的數(shù)據(jù)值發(fā)布給 subscribers。

(6)創(chuàng)建 Subscribers和 DataReaders

在給定的 DomainParticipant，創(chuàng)建 Subscriber，一個Subscriber可以有不同主題的DataReaders。通過調(diào)用on_data_available()方法處理接收到的數(shù)據(jù)樣本。

(7)接收數(shù)據(jù)樣本

當(dāng)應(yīng)用程序檢索到數(shù)據(jù)樣本時，調(diào)用::on_data_available()函數(shù)接收數(shù)據(jù)；接收到topic_info數(shù)據(jù)時，調(diào)用::take()函數(shù)匹配DDS中間件里的數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。接收完數(shù)據(jù)樣本后，應(yīng)用程序通過調(diào)用::return_loan()函數(shù)返回。

(8)調(diào)整服務(wù)質(zhì)量（QoS）

在DataReader和DataWriter對象之間調(diào)整數(shù)據(jù)流的QoS參數(shù)設(shè)置，也可以通過get_qos()/set_qos()指定參數(shù)設(shè)置。

DataReaders可以要求不同程度的可靠性交付，從快速但不可靠到高可靠性順序交付。這為每個數(shù)據(jù)流提供了可靠性控制。

中間件可以通過QoS的OwnershipStrength參數(shù)自動判斷多個DataWriters的同一主題所代表的信息。根據(jù)唯一性，一個通道上的一個主題只能由單一的DataWriter更新。DataReaders從DataWriter接收具有最高權(quán)值的數(shù)據(jù)，并提供了自動故障排除功能。如果一個高優(yōu)先級的DataWriter失敗，所有DataReaders立即接收較弱的備份DataWriter的更新數(shù)據(jù)。DataWriter也可以指定持續(xù)時間，通過QoS參數(shù)Lifespan（預(yù)期生存期限）標(biāo)示樣本是否過時。DDS可以定義許多QoS參數(shù)。每對相關(guān)的實體都可以在此基礎(chǔ)上調(diào)整各自的行為。

(9)狀態(tài)改變的響應(yīng)

每個DDS實體的狀態(tài)可以通過get_*_status()函數(shù)更新。使用偵聽者，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化后中間件會自動通知或等待條件變量觸發(fā)特定的狀態(tài)變化。

應(yīng)用程序可以對特定狀態(tài)的變化做出響應(yīng)。例如，應(yīng)用程序可以得到通知，當(dāng)DataWriter不再有效或其活力發(fā)生了變化；或當(dāng)另一具有相同名稱的主題存在，但具有不同的特征；或當(dāng)QoS參數(shù)不符合提供的數(shù)據(jù)；或當(dāng)錯過了生存期限；或者當(dāng)發(fā)現(xiàn)了一個新的與主題匹配的DataReader(或 DataWriter)；或當(dāng)數(shù)據(jù)有效；或當(dāng)數(shù)據(jù)樣本丟失或被拒絕。應(yīng)用程序響應(yīng)狀態(tài)變化可在每個實例的基礎(chǔ)上調(diào)整。

OMG的DDS創(chuàng)建了一個簡單的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了復(fù)雜的數(shù)據(jù)模式。采用DDS中間件發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，每個實體通過調(diào)整QoS參數(shù)支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信模式配置，減輕了開發(fā)者擔(dān)心的低層次的網(wǎng)絡(luò)編程任務(wù)。該中間件能夠跨平臺操作，便于應(yīng)用程序的移植和維護(hù)，易于組建和實現(xiàn)一個擴(kuò)展的、易維護(hù)的實時分布式系統(tǒng)。

[1]Middleware solutions for automation applications-case RTPS[R].Helsinki University of Technology Information and Computer Systems in Automation Espoo 2003.

[2]RTPS wire protocol specification[S].Version 1.0,November 2001,Real-Time Innovations.

[3]Interface for distributed automation architecture description and specification[S].Revision 1.1,November 2002.

[4]Data distribution service for real-time systems version 1.2[S].OMG Available Specification,January 2007.

[5]REVILL G.Designing and debugging real-time distributed systems[J].Safety Critical Embedded Systems,2008(2):27-31.