基于DDS的可靠通信方法的分析和研究

李海浩， 顧濱兵, 劉艷平

(91404部隊(duì)，秦皇島 066000)

0 引言

DDS(Data Distribution Service)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)是對象管理組織OMG對分布式實(shí)時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分布的一種規(guī)范，是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱數(shù)據(jù)通信模型[1-2]。應(yīng)用DDS進(jìn)行通信，具有低延遲、高吞吐量、可控通信性能、多種通信方式的優(yōu)點(diǎn)[3]，其中可靠性通信方式應(yīng)用最為廣泛，也是DDS應(yīng)用通信的優(yōu)勢所在[4]。怎樣應(yīng)用DDS進(jìn)行可靠性通信，是DDS應(yīng)用開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[5]。

1 DDS技術(shù)應(yīng)用

DDS技術(shù)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)機(jī)制，已經(jīng)在國外裝備軟件研發(fā)中廣泛，例如美國海上戰(zhàn)爭中心(NSWC)高性能分布式計(jì)算系統(tǒng)(HiPer-D)，美國海軍LPD-17艦內(nèi)廣域網(wǎng)絡(luò)，TACTICOS等等。隨著國內(nèi)的航空、國防、分布仿真、工業(yè)自動化等多個領(lǐng)域的快速發(fā)展，DDS技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)得到一定程度的應(yīng)用[6-7]。DDS技術(shù)較傳統(tǒng)的TCP、UDP通信技術(shù)和CORBA規(guī)范[8]具有較大的優(yōu)勢，因此DDS技術(shù)越來越多的應(yīng)用到各領(lǐng)域。不同通信方式在資源、應(yīng)用、效率等方面的對邊，如表1所示[9-10]。

與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比較，DDS技術(shù)具有高傳輸效率、網(wǎng)絡(luò)資源利用率，可靠傳輸Qos策略[11]，實(shí)時應(yīng)用場景等優(yōu)勢。雖然TCP和CORBA同樣具有可靠傳輸功能，但其可靠傳輸無法與網(wǎng)絡(luò)資源利用率、Qos策略相輔相成，達(dá)到最優(yōu)的利用效率。因此對DDS可靠通信方式的研究，能夠更加深入的了解和掌握該技術(shù)的原理和應(yīng)用[12]。

表1 不同通信方式的優(yōu)劣比較

2 可靠通信的概述

不同數(shù)據(jù)的通信對可靠性的要求不同，比如：信號數(shù)據(jù)的單獨(dú)樣本可以丟掉，因?yàn)楫?dāng)下一個值發(fā)送時前面的值就會消失；而命令數(shù)據(jù)的每個樣本必須被接收，并必須有次序的接收。DDS為了滿足不同需求，在可靠通信中提出了高效通信模式和可靠通信模式[13]。

2.1 高效通信模式

高效通信模式不對發(fā)送次序和重發(fā)丟失樣本進(jìn)行管理，忽略丟失的樣本數(shù)據(jù)以支持最新的樣本數(shù)據(jù)，不算真正意義的可靠通信[14]。

2.2 可靠通信模式

可靠通信模式是保證數(shù)據(jù)讀取者能夠按照數(shù)據(jù)寫入者發(fā)送數(shù)據(jù)的順序讀取所有數(shù)據(jù)[15]。為了實(shí)現(xiàn)可靠通信，用于臨時存儲樣本的發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列的設(shè)置是至關(guān)重要的。發(fā)送隊(duì)列用于存儲數(shù)據(jù)寫入者發(fā)送的最后X個樣本數(shù)據(jù)。當(dāng)樣本數(shù)據(jù)被所有可靠訂閱確認(rèn)后，DDS便從發(fā)送隊(duì)列中移除該樣本數(shù)據(jù)；當(dāng)樣本數(shù)據(jù)沒有被所有可靠訂閱確認(rèn)時，在堵塞周期(后面章節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)說明)結(jié)束后，DDS也會在發(fā)送隊(duì)列中移除該樣本。接收隊(duì)列用于存儲數(shù)據(jù)讀取者期望接收的X個樣本數(shù)據(jù)，當(dāng)一個無序的樣本數(shù)據(jù)達(dá)到后，DDS會將該樣本數(shù)據(jù)存儲到接收隊(duì)列中，等待樣本數(shù)據(jù)連續(xù)后，才會將連續(xù)的樣本數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)讀取者。

3 通信過程

DDS通過執(zhí)行一個可靠的協(xié)議來完成發(fā)布端和訂閱端之間的可靠通信，協(xié)議承認(rèn)應(yīng)用程序之間的水平信息，并能夠監(jiān)視連接的活躍性，該協(xié)議稱為實(shí)時發(fā)布訂閱協(xié)議，簡稱RTPS協(xié)議[16]。其通過相關(guān)參數(shù)信息的配置，調(diào)衡應(yīng)用程序之間的行為來平衡反應(yīng)時間、敏感度、活躍性、吞吐量和資源利用，相關(guān)參數(shù)信息主要包含數(shù)據(jù)信息(DATA)、心跳信息(HB)和承認(rèn)信息(ACKNACK)，下面對具體實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行簡要介紹。

數(shù)據(jù)信息包含數(shù)據(jù)對象的值快照和數(shù)據(jù)次序號，值快照為通信具體內(nèi)容，DDS應(yīng)用次序號來識別數(shù)據(jù)寫入者，每次數(shù)據(jù)寫入者的write()被調(diào)用時，次序號由數(shù)據(jù)寫入者重新賦值，數(shù)據(jù)信息使用DATA(，)表示。例如：DATA(A，1)，A代表數(shù)據(jù)對象的值快照，1表示次序號。

心跳信息包含應(yīng)接收數(shù)據(jù)的次序號信息，通過與數(shù)據(jù)讀取者通信，確認(rèn)數(shù)據(jù)讀取者是否接收到所有應(yīng)接收到的值快照，使用HB()表示。例如：HB(1)和HB(1-3)分別表示數(shù)據(jù)讀取者應(yīng)該接收到次序號為1和次序號為1、2、3的值快照，要求數(shù)據(jù)讀取者確認(rèn)。

承認(rèn)信息包含未接收到數(shù)據(jù)的次序號信息，向數(shù)據(jù)寫入者反饋數(shù)據(jù)讀取者應(yīng)接收但未接收到數(shù)據(jù)的次序號，使用ACKNACK()表示。例如：ACKNACK(1)和ACKNACK(1-3)分別表示數(shù)據(jù)讀取者應(yīng)接收但未接收到值快照的次序號為1和1、2、3，要求數(shù)據(jù)寫入者重新發(fā)送。

DDS可以使用一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包手機(jī)多個上述信息，以便提供更高性能的通信。該可靠協(xié)議的應(yīng)用原理，如圖1所示。

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用數(shù)據(jù)寫入者write()操作時，RTPS協(xié)議將多個子信息集合成為一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包包括數(shù)據(jù)值和指定的次序號，存儲在數(shù)據(jù)寫入者的發(fā)送隊(duì)列中。數(shù)據(jù)包接收后，放置在數(shù)據(jù)讀取者的接收隊(duì)列中，通過次序號，數(shù)據(jù)讀取者可以判斷是否錯過相關(guān)數(shù)據(jù)值，該數(shù)據(jù)值是否立即應(yīng)用。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取者確認(rèn)接收到HB(1)的相關(guān)數(shù)據(jù)后，以ACKNACK(2)回復(fù)，表示承認(rèn)接收到次序號為2以前的數(shù)據(jù)值。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入者接收到該承認(rèn)信息后，便將次序號為1數(shù)據(jù)進(jìn)行√標(biāo)記，表示該數(shù)據(jù)值已被承認(rèn)接收，并在發(fā)送隊(duì)列中刪除該數(shù)據(jù)。

圖1 RTPS可靠通信協(xié)議應(yīng)用原理

上述過程是數(shù)據(jù)未丟失的應(yīng)用原理，當(dāng)數(shù)據(jù)丟失時，RTPS可靠通信協(xié)議應(yīng)用原理，如圖2所示。

圖2 RTPS可靠通信協(xié)議應(yīng)用原理

具體流程如下所示：

(1)假定包含DATA(A,1)的信息被網(wǎng)絡(luò)丟棄，數(shù)據(jù)讀取者沒有接收到DATA(A,1)的承認(rèn)信息，所以繼續(xù)發(fā)送[DATA(B,2)；HB(1-2)]，表示數(shù)據(jù)讀取者應(yīng)該接收到DATA(A,1)和DATA(B,2)，并將DATA(A,1)和DATA(B,2)加入X標(biāo)簽，表示未收到承認(rèn)信息。

(2)數(shù)據(jù)讀取者接收到信息(DATA(B,2)；HB(1-2))后，會判斷到未接收到DATA(A,1)數(shù)據(jù)，在接收到隊(duì)列中將DATA(B,2)的數(shù)據(jù)加入X標(biāo)簽，標(biāo)記它沒有傳遞給應(yīng)用程序，然后發(fā)送ACKNACK(1)請求數(shù)據(jù)DATA(A,1)數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)寫入者收到ACKNACK(1)后，立即發(fā)送DATA(A,1)，并繼續(xù)發(fā)送[DATA(C,3)；HB(1-3)]。

(4)數(shù)據(jù)讀取者接收到DATA(A,1)后，將DATA(A,1)和DATA(B,2)提交給應(yīng)用程序，并發(fā)送ACKNACK(3)承認(rèn)信息；當(dāng)接收到[DATA(C,3)；HB(1-3)]后，立即發(fā)送ACKNACK(4)，并將DATA(C,3)提交給應(yīng)用程序。

(5)寫入者接收到ACKNACK(3)后，DATA(A,1)和DATA(B,2)在發(fā)送隊(duì)列中刪除。在準(zhǔn)備但未發(fā)出DATA(C,3)時，接收到ACKNACK(4)，讀取者便不再發(fā)送DATA(C,3)，并準(zhǔn)備發(fā)送其他數(shù)據(jù)，并將DATA(C,3)在發(fā)送隊(duì)列中刪除。

在這個過程中，寫入者確認(rèn)發(fā)送隊(duì)列最靠前的數(shù)據(jù)被接收后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行√標(biāo)注并在隊(duì)列中刪除；讀取者確認(rèn)接收隊(duì)列最靠前的數(shù)據(jù)都已接收后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行√標(biāo)注并在隊(duì)列中刪除。

RTPS協(xié)議中重要特征是ACKNACK信息只作為對HB信息的直接響應(yīng)而發(fā)送，方便寫入者更好的控制這些“管理”信息。如果寫入者了解它即將發(fā)送DATA的信息鏈，便可以收集它們，包含到一個HB中進(jìn)行發(fā)送，從而最小化了ACKNACK的傳輸。

4 可靠協(xié)議的設(shè)置

4.1 可靠協(xié)議的激活

成功部署DDS通信組件后，通過修正寫入者和讀取者的可靠傳輸?shù)腝os策略來實(shí)現(xiàn)可靠協(xié)議的激活，具體代碼如下：

DataWriter：

writer_qos.reliability.kind = DDS_RELIABLE_RELIABILITY_QOS；

DataReader：

writer_qos.reliability.kind = DDS_RELIABLE_RELIABILITY_QOS；

4.2 發(fā)送隊(duì)列

數(shù)據(jù)寫入者的發(fā)送隊(duì)列用于存儲它寫入的每個樣本，樣本將在它被所有可靠的數(shù)據(jù)讀取者承認(rèn)(通過ACKNACK)后移除。數(shù)據(jù)讀取者可以請求數(shù)據(jù)寫入者重發(fā)一個丟失的樣本，樣本仍然在發(fā)送隊(duì)列里可用，它將被重發(fā)，樣本不在發(fā)送隊(duì)列里時，寫入者會請求應(yīng)用程序重發(fā)該樣本。針對實(shí)時的ACKNACK請求，寫入者將定期向它的可靠讀取者發(fā)送心跳。

寫入者與讀取者進(jìn)行一對一通信時，發(fā)送隊(duì)列可以被該讀取者獨(dú)享。寫入者與讀取者進(jìn)行一對多或多對多通信時，發(fā)送隊(duì)列將同時處理多個讀取者的ACKNACK，當(dāng)一個或幾個讀取者獲取的數(shù)據(jù)丟包時，發(fā)送隊(duì)列會用于處理相關(guān)ACKNACK，導(dǎo)致占用較多的隊(duì)列資源，甚至出現(xiàn)發(fā)送隊(duì)列堵塞現(xiàn)象，影響寫入者與其他讀取者之間的通信。為了解決該問題，DDS提供了兩種模式：嚴(yán)格可靠和非嚴(yán)格可靠。兩種模式是通過歷史記錄策略(history Qos)中kind參數(shù)判斷，當(dāng)kind設(shè)置為keep_all時，采用嚴(yán)格可靠模式；設(shè)置為keep_last時，采用非嚴(yán)格可靠模式。嚴(yán)格可靠模式能夠保證數(shù)據(jù)通信的嚴(yán)格可靠，當(dāng)發(fā)送隊(duì)列堵塞后，寫入者不再發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送隊(duì)列中再次具有可用空間。非嚴(yán)格模式下在一定程度上能夠保障數(shù)據(jù)通信的可靠性，但嚴(yán)格的可靠無法保證，發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)的預(yù)期生命期限(由Lifespan策略決定)結(jié)束后，無論是否有對應(yīng)ACKNACK未處理，該數(shù)據(jù)都將被清除出發(fā)送隊(duì)列，會保證發(fā)送隊(duì)列不再堵塞。

發(fā)送隊(duì)列的深度一般受應(yīng)用程序參數(shù)(如發(fā)送速率)、頻道參數(shù)(如端到端延遲和數(shù)據(jù)包丟失的可能性)以及服務(wù)要求質(zhì)量(如樣本丟失的最大可接受的可能性)等因素影響。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，在假定單獨(dú)的數(shù)據(jù)丟失是不相關(guān)的情況下，可通過一個簡單模型對最小深度值進(jìn)行計(jì)算，如式(1)。

(1)

其中R表示發(fā)送樣本的速率；T表示來回的傳遞時間；p表示往返中樣本丟失的概率；Q表示最終被成功傳遞的要求概率。

下面列出一般情況下，發(fā)送隊(duì)列所要求的最小值，如表1所示。

表1 發(fā)送隊(duì)列在一般情況下的最小值列表

4.3 接收隊(duì)列

數(shù)據(jù)讀取者通過接收隊(duì)列存儲接收到的樣本，同時等待接收丟失的樣本，當(dāng)接收隊(duì)列空間不足時，數(shù)據(jù)讀取者便會拒絕無序樣本的接收，當(dāng)丟失樣本接收后，再次要求重發(fā)拒絕接收的樣本。

假定兩個數(shù)據(jù)讀取者與同一數(shù)據(jù)寫入者進(jìn)行交互，接收隊(duì)列大小的不同，在一定程度上影響了數(shù)據(jù)的傳輸效率，如圖3所示。

數(shù)據(jù)讀取者將以較少操作和較短時間接收所有樣本。

數(shù)據(jù)讀取者將以較多操作和較長時間實(shí)現(xiàn)同樣樣本的接收，特別是樣本4不在重新發(fā)送給其他具有較大接收隊(duì)列的數(shù)據(jù)讀取者。在可靠傳輸模式下，為了避免接收隊(duì)列較少而導(dǎo)致的多操作、低效率，DDS會自動動態(tài)調(diào)整接收隊(duì)列大小。如圖4所示。

當(dāng)傳輸過程為非可靠傳輸時，接收隊(duì)列中樣本數(shù)量達(dá)到隊(duì)列深度時，新的樣本將會替代最舊的樣本，即使被替換樣本還沒有被確認(rèn)。

圖3 數(shù)據(jù)接收效果(大接收隊(duì)列)

圖4 數(shù)據(jù)接收效果(小接收隊(duì)列)

4.4 消息風(fēng)暴

數(shù)據(jù)寫入者向數(shù)據(jù)讀取者發(fā)送DATA和HB，數(shù)據(jù)讀取者回饋DATA的接收和丟失的ACKNACK，當(dāng)一個數(shù)據(jù)寫入者與大量的數(shù)據(jù)讀取者進(jìn)行交互時，會出現(xiàn)大量的ACKNACK發(fā)送給同一數(shù)據(jù)寫入者，這樣便會產(chǎn)生信息風(fēng)暴。DDS通過數(shù)據(jù)讀取協(xié)議Qos策略解決該問題，通過設(shè)置數(shù)據(jù)讀取者的響應(yīng)時間區(qū)間，在一定程度上避免信息風(fēng)暴的產(chǎn)生。具體參數(shù)過程如下：

reader_qos.protocol.rtps_reliable_reader.min_heartbeat_response_delay.sec="minX"

reader_qos.protocol.rtps_reliable_reader.max_heartbeat_response_delay.sec="maxY"

其中：minX為延遲響應(yīng)最小時間；

maxY為延遲響應(yīng)最大時間。

響應(yīng)時間區(qū)間的設(shè)置，數(shù)據(jù)讀取者在區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選取時間進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)兩個參數(shù)都設(shè)置為0時，將迫使數(shù)據(jù)讀取者立即響應(yīng)，可應(yīng)用在需最快補(bǔ)充丟失樣本的數(shù)據(jù)讀取者。

5 總結(jié)

DDS作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及開放統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[17]，能夠很好的保障實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸和跨平臺的應(yīng)用，其在美國和歐洲的國防、民航等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。隨著我國大型水面艦艇和航空領(lǐng)域的快速發(fā)展，DDS技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)展開應(yīng)用，加強(qiáng)對該技術(shù)的研究，適應(yīng)當(dāng)今通信技術(shù)，可更好更快的完成相關(guān)裝備的研制和試驗(yàn)?？煽客ㄐ攀荄DS技術(shù)的核心技術(shù)，且在通信應(yīng)用中使用最為廣泛，最能體現(xiàn)DDS通信的優(yōu)勢和特點(diǎn)，對DDS可靠通信技術(shù)的研究，能夠更好地了解和掌握DDS通信技術(shù)。