基于天基信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)研究

雷超文,田文波,何 健,韋 杰,祝 婭

(1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109； 2.上海航天智能計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109)

0 引言

長期以來，各類國防系統(tǒng)均采用截然不同的通信網(wǎng)絡(luò)，如CAN總線，RS422總線等[1]。而隨著航天領(lǐng)域新概念新技術(shù)的不斷運(yùn)用和作戰(zhàn)理念的不斷更新，未來基于網(wǎng)絡(luò)信息體系的聯(lián)合作戰(zhàn)、跨域作戰(zhàn)將成為我國國防體系建設(shè)的必然要求，這也對我國海、陸、空、天各型設(shè)備的互聯(lián)互通互操作提出了更高要求。

天基平臺可以綜合利用星間、星地?cái)?shù)據(jù)鏈路傳輸信道，將從太空到空中、海面、陸地的察打一體能力實(shí)現(xiàn)無縫一體化、全覆蓋。星上傳感器處理生成的情報(bào)數(shù)據(jù)可以經(jīng)由天基平臺直接進(jìn)行跨域傳輸，地面指令信息也可通過天基平臺進(jìn)行直接回傳，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全域聯(lián)合作戰(zhàn)的指揮控制、情報(bào)偵查與武器協(xié)同[2]。

綜上所述，面對未來作戰(zhàn)空間急劇膨脹、戰(zhàn)場決策因素爆發(fā)式增長，天基平臺以其空間位置優(yōu)勢，可以將衛(wèi)星、地面指控中心與武器平臺更好、更快捷地聯(lián)合起來[3]。在和平時期，天基信息系統(tǒng)能夠在全球范圍內(nèi)綜合利用各類偵查衛(wèi)星形成情報(bào)信息，針對高威脅的戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行全天候監(jiān)控，并利用信息分發(fā)系統(tǒng)將信息及時回傳至地面，為地面指控平臺的決策提供依據(jù)[4]。在戰(zhàn)爭時期，天基多域信息分發(fā)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)海陸空天等多兵種數(shù)據(jù)的跨域傳輸。利用天基多域信息分發(fā)系統(tǒng)，情報(bào)偵查信息可以快速回傳至地面指控中心。而指控命令也可經(jīng)由本系統(tǒng)快速傳輸至武器平臺，引導(dǎo)武器系統(tǒng)精確打擊敵方目標(biāo)。

但由于各自采用的通信協(xié)議和硬件平臺不盡相同，目前各軍兵種武器平臺、指控中心與天基平臺無法做到互聯(lián)互通[5-6]。因此，如何打通各平臺間的通信壁壘將成為實(shí)現(xiàn)天基跨域數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹卮箅y題。隨著我國構(gòu)建覆蓋陸海空天的天地一體化異構(gòu)組網(wǎng)架構(gòu)，數(shù)據(jù)分發(fā)將跨多個作戰(zhàn)域、多個網(wǎng)絡(luò)形態(tài)、多種傳輸體制以及不同QoS(quality of service，服務(wù)質(zhì)量)用戶需求[7]。而DDS(data distribution service，數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù))技術(shù)以其數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模型特點(diǎn)，具備在跨域聯(lián)合多樣化、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)動態(tài)路由規(guī)劃與重規(guī)劃，自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)快速運(yùn)動與時變鏈路狀態(tài)的能力[8]。因而討論DDS技術(shù)應(yīng)用在天基多域信息分發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上并基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)進(jìn)行移植具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 DDS技術(shù)

DDS(data distribution service,數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù))分布式數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件協(xié)議，作為新一代分布式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，由美國海軍主導(dǎo)，2005年由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織OMG制定發(fā)布。它具備跨平臺、多態(tài)網(wǎng)絡(luò)、互操作性強(qiáng)和低時延等功能。

DDS中間件是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模型和數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)規(guī)范，可通過即插即用組件的方式完成相互間的通訊，不需要程序員手工編寫點(diǎn)到點(diǎn)的連接代碼。

DDS還允許系統(tǒng)操作者在系統(tǒng)運(yùn)行時根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)重新配置參數(shù)。此外，DDS還提供了大量的開發(fā)工具，可以方便用戶記錄、分析、測試各種數(shù)據(jù)，包括這些數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的分發(fā)狀況、各個數(shù)據(jù)的QoS策略的一致性。DDS還可在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)上方便靈活地增加、減少通信節(jié)點(diǎn)[9-10]。

DDS的發(fā)布/訂閱模型提供了一個以QoS控制的虛擬共享的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間[11]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該全局?jǐn)?shù)據(jù)空間當(dāng)中，用戶能夠以數(shù)據(jù)發(fā)布者的身份發(fā)布數(shù)據(jù)，或用數(shù)據(jù)訂閱者的身份訂閱數(shù)據(jù)。DDS允許節(jié)點(diǎn)在發(fā)布信息的同時實(shí)時地接收其所訂閱的信息[12]。

圖1 DDS全局?jǐn)?shù)據(jù)空間

DDS規(guī)范的核心是DCPS層(以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱層)[13]。DCPS層為節(jié)點(diǎn)發(fā)布和訂閱信息提供了基礎(chǔ)架構(gòu)。DCPS各實(shí)體包括域(Domain)、域參與者(Domain Participant)、數(shù)據(jù)寫者(Data Writer)、數(shù)據(jù)讀者(Data Reader)、訂閱者(Subscriber)、發(fā)布者(Publisher)。圖2顯示了各個部分之間的關(guān)系。其中，數(shù)據(jù)按照發(fā)送端的數(shù)據(jù)寫者(Data Writer)、發(fā)布者(Publisher)以及訂閱端的訂閱者(Subscriber)、數(shù)據(jù)讀者(Data Reader)的順序進(jìn)行傳輸[14]。

圖2 DCPS模型結(jié)構(gòu)

DDS中的每一個成員都是一個實(shí)體，DDS中，任意兩個實(shí)體之間的通信都必須通過同一個域來進(jìn)行交互。另外，在DDS中，所有的數(shù)據(jù)都帶有一個主題，主題用以區(qū)分各種不同類型的數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)發(fā)布者和訂閱者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緟?shù)[15]。主題也可稱之為數(shù)據(jù)，全部的這些數(shù)據(jù)共同組成了DDS的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。在全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中，分布式節(jié)點(diǎn)使用簡單的讀寫操作即可實(shí)現(xiàn)對這些主題數(shù)據(jù)的訪問。DDS的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間是一個邏輯的概念，并不是存在于某一個特定的中心節(jié)點(diǎn)中。事實(shí)上，由于DDS常應(yīng)用在分布式系統(tǒng)中，因此，其全局?jǐn)?shù)據(jù)空間往往分散在各個分布式節(jié)點(diǎn)之中。

此外，DDS規(guī)范還定義了23個QoS，用戶可以通過配置不同的Qos，能夠在不寫一行代碼的前提下實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)分發(fā)過程的控制，極大地減小了用戶的工作量[16]。如ResourceLimits策略描述了本地有多大存儲空間可用于DDS配置。TimeBasedFilter策略則描述了一種基于時間的數(shù)據(jù)過濾機(jī)制。

2 天基多域信息系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)平臺與操作系統(tǒng)

2.1 天基多域信息系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)平臺

對于以天地網(wǎng)絡(luò)一體化為背景的新一代天基多域信息系統(tǒng)來說，它要求以數(shù)據(jù)為中心，可以實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)自動交換。這意味著任何類型的設(shè)備必須能夠無縫、可靠地連接到通信網(wǎng)絡(luò)，隨后根據(jù)需要讀取和寫入數(shù)據(jù)，然后斷開連接[17]。

新一代天基信息系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為中心，這意味著同一個網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備能夠彼此通信，無需通過中心信息服務(wù)器。而將DDS技術(shù)應(yīng)用于天基多域信息系統(tǒng)綜合網(wǎng)關(guān)上可以解決這一難題。

綜合網(wǎng)關(guān)是天基多域信息系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。通過天基多域信息系統(tǒng)的綜合網(wǎng)關(guān)平臺，將不同的網(wǎng)絡(luò)連通起來，它通過信息轉(zhuǎn)化和信息傳輸，可以解決廣域范圍內(nèi)指揮所、作戰(zhàn)平臺和天基平臺之間不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、融合處理與路由分發(fā)等難題。由此可見，綜合網(wǎng)關(guān)需要具備高功能集成、自主數(shù)據(jù)交換和信息融合高效的能力，滿足天地網(wǎng)絡(luò)一體化背景下跨平臺信息傳輸與分發(fā)的需求。

基于DDS技術(shù)的綜合網(wǎng)關(guān)平臺可以簡化網(wǎng)絡(luò)中鏈路接入和節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，進(jìn)而使得設(shè)備接入與握手通信協(xié)議具備簡介、高效的特點(diǎn)和自主發(fā)現(xiàn)與交換能力[18-19]。

此外，DDS的發(fā)布/訂閱機(jī)制還可以解決跨平臺、跨操作系統(tǒng)間不同類型設(shè)備的相互通信和協(xié)作問題。

如圖3所示，在基于DDS技術(shù)的綜合網(wǎng)關(guān)之中，能夠以主題方式，讓接入用戶自動發(fā)布消息。主題可以統(tǒng)一制定，也可以由用戶進(jìn)行設(shè)置。此外，綜合網(wǎng)關(guān)還能夠以主題方式主動獲取多種信息，然后進(jìn)行多元信息融合處理，再將處理后消息以新主題發(fā)布。誰訂閱誰使用，裝訂成相應(yīng)消息數(shù)據(jù)格式即可。

圖3 以主題為核心的發(fā)布/訂閱自主數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)

利用DDS系統(tǒng)的優(yōu)勢，節(jié)點(diǎn)接入可主動更新。而以主題為核心的發(fā)布/訂閱方式以及不同鏈路自動接入的特點(diǎn)，能夠解決鏈路協(xié)議多樣化、不兼容等問題。在實(shí)現(xiàn)方式上可能存在多個處理器平臺或底層硬件平臺的差異，通過DDS與硬件無關(guān)的特性，屏蔽底層差異性。進(jìn)而滿足不同用戶的QoS需求。

主題可以統(tǒng)一制定，也可以由用戶關(guān)心的類型設(shè)置。一般設(shè)計(jì)的主題類型包括以下幾種：網(wǎng)絡(luò)管理；平臺參數(shù)；平臺狀況；目標(biāo)監(jiān)視；信息管理；指揮控制。

2.2 風(fēng)云翼輝操作系統(tǒng)

風(fēng)云翼輝(AIC-OS)嵌入式操作系統(tǒng)是有航天八院自主研制的專用于衛(wèi)星等航天器的國產(chǎn)操作系統(tǒng)。它具有高實(shí)時性的特點(diǎn)，能夠讓應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)度，提高軟件對衛(wèi)星各項(xiàng)功能控制的可靠性。而作為一款專用于航天器的操作系統(tǒng)，風(fēng)云翼輝操作系統(tǒng)還帶有豐富的航天專用組件，可以為星上應(yīng)用軟件提供基礎(chǔ)支撐。此外，風(fēng)云翼輝操作系統(tǒng)還兼容POSIX標(biāo)準(zhǔn)，方便不同操作系統(tǒng)軟件的移植，可以大大提高軟件的復(fù)用率。

AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 風(fēng)云翼輝系統(tǒng)架構(gòu)

AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)由內(nèi)核、驅(qū)動(BSP)、中間件及第三方庫、應(yīng)用程序和相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境組成。其內(nèi)核采用單內(nèi)核模式設(shè)計(jì)。在驅(qū)動層完成對信息管理平臺提供的外設(shè)的讀、寫訪問，中間件層提供對應(yīng)用開發(fā)有幫助的庫，如VxWorks和Qt等，集成開發(fā)環(huán)境提供開發(fā)者具體功能應(yīng)用的開發(fā)。

風(fēng)云翼輝(AIC-OS)嵌入式操作系統(tǒng)為支持不同體系結(jié)構(gòu)的處理器，對CPU底層接口進(jìn)行了抽象，這樣移植風(fēng)云翼輝到PowerPC P1022處理器時，只需要重新實(shí)現(xiàn)P1022底層接口即可。

3 平臺適配

3.1 基于AIC-OS的DDS移植

基于AIC-OS操作系統(tǒng)的DDS移植就是在PowerPC P1022平臺上基于AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)，將DDS源碼編譯成動態(tài)庫，作為中間件提供給上層應(yīng)用程序使用，實(shí)現(xiàn)基于AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)的DDS核心庫的移植適配，同時針對AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)通用DDS API接口。

基于AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)的DDS移植方法有以下幾種。

1)使用POSIX接口：DDS源碼中通過API接口適配層可以使用標(biāo)準(zhǔn)的POSIX接口，AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)完美支持POSIX接口，所以基于AIC-OS移植DDS通用API接口適配層時，直接采用POSIX接口。在編譯DDS通用API接口適配層的各個模塊時，使用POSIX接口進(jìn)行適配。

2)模塊實(shí)現(xiàn)接口選擇：AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)能夠很好的支持Linux接口，所以在編譯DDS核心層的模塊時，采用Linux的實(shí)現(xiàn)方式，將DDS源碼核心層的各個模塊分別按照Linux的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行編譯。

3)Makefile的編寫：AIC-OS嵌入式操作采用集成開發(fā)緩存，其中工程管理文件Makefile能夠自動生成，在編譯DDS源碼時需要手動修改Makefile文件，參照AIC-OS操作系統(tǒng)Makefile的編譯參數(shù)，編寫DDS的Makefile，將編譯的相關(guān)變量及參數(shù)按照AIC-OS操作系統(tǒng)的方式寫入DDS的Makefile中。

3.2 基于VxWorks操作系統(tǒng)的移植適配

VxWorks操作系統(tǒng)是實(shí)時操作系統(tǒng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時處理延遲低的特點(diǎn)，在武器領(lǐng)域，尤其是指控、火控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。針對基于x86架構(gòu)下的VxWorks6.8版本，通過對底層代碼進(jìn)行適配更改，并將DDS源碼進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性修改及重新編譯，完成了對DDS的移植[20]。移植成功后，VxWorks系統(tǒng)可以正常運(yùn)行DDS，并于其他節(jié)點(diǎn)通信。

3.3 基于Windows操作系統(tǒng)的移植適配

針對傳統(tǒng)x86架構(gòu)的windows7/10平臺，進(jìn)行多版本DDS產(chǎn)品的適配。在Windows系統(tǒng)下，通過設(shè)計(jì)的idl表，分別進(jìn)行C語言、C#語言、Java語言的接口適配。

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 DDS驗(yàn)證平臺搭建

搭建DDS測試驗(yàn)證系統(tǒng)，分別模擬衛(wèi)星、指控車和地面指揮中心大廳。測試系統(tǒng)包括1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，1臺P1022處理器板，4臺交換機(jī)，5臺計(jì)算機(jī)。分系統(tǒng)內(nèi)部有交換機(jī)連接，分系統(tǒng)之間通過一個交換機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，設(shè)備通過2級交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，通過千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送和載荷遙測數(shù)據(jù)的下行，系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖5所示。

圖5 多系統(tǒng)測試組成框圖

本系統(tǒng)包括1個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，2個鏈路節(jié)點(diǎn)。天基節(jié)點(diǎn)基于P1022處理器和國產(chǎn)操作系統(tǒng)，鏈路節(jié)點(diǎn)基于地面PC機(jī)和Windows操作系統(tǒng)。各個節(jié)點(diǎn)之間通過有線網(wǎng)絡(luò)互連。

系統(tǒng)組成如下：

1)數(shù)據(jù)服務(wù)器是基于P1022處理器的單機(jī)，基于風(fēng)云翼輝(AIC-OS)嵌入式操作系統(tǒng)，模擬衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的發(fā)布。

2)接口服務(wù)器是基于Windows平臺的武器業(yè)務(wù)接口軟件，實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的訂閱和解析后內(nèi)部數(shù)據(jù)的發(fā)布。

3)指揮軟件運(yùn)行VxWorks，用于模擬指揮車、主機(jī)軟件運(yùn)行Windows，用于模擬地面指揮中心。實(shí)現(xiàn)遙控命令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的訂閱。

4)通用瀏覽軟件運(yùn)行Windows，實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的訂閱和解析后的顯示。

本測試系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)均部署了DDS中間件。試驗(yàn)重點(diǎn)為在天基多域背景下對國產(chǎn)操作系統(tǒng)進(jìn)行DDS適配測試。其中天基衛(wèi)星采用風(fēng)云翼輝嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)。

4.2 試驗(yàn)場景

本試驗(yàn)的試驗(yàn)場景為在天地網(wǎng)絡(luò)一體化背景下的跨域信息流互通。

試驗(yàn)方案如下：

在多系統(tǒng)部署和聯(lián)通后，衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)源頭，首先啟動所有服務(wù)，并等待其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訂閱請求，運(yùn)載系統(tǒng)和武器系統(tǒng)隨后啟動軟件，根據(jù)需要向衛(wèi)星發(fā)送請求，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理。

運(yùn)載分系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)軟件，向衛(wèi)星發(fā)布訂閱請求，實(shí)時接收彈道信息并顯示；指揮軟件模擬導(dǎo)彈車、武器車，根據(jù)業(yè)務(wù)需要，向衛(wèi)星發(fā)布訂閱請求；衛(wèi)星根據(jù)訂閱請求，向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布不同的載荷信息。

根據(jù)場景應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)了通信的idl表，并設(shè)置了8個資源主題，分別如下顯示：

const string TOPIC_RESLIST=

“Resource List”; /*資源列表*/

const string TOPIC_PLATTM=

“Platform TM”; /*平臺遙測*/

const string TOPIC_RADERCON =

“Radar Reconna”; /*雷達(dá)偵查*/

const string TOPIC_COMMERCON =

“Communication Reconna”; /*通信偵查*/

const string TOPIC_AIS =

“AIS”; /*AIS數(shù)據(jù)*/

const string TOPIC_ADSB =

“ADS-B”; /*ADS-B數(shù)據(jù)*/

const string TOPIC_VDES =

“VDES”; /*VDES數(shù)據(jù)*/

const string TOPIC_IMAGE =

“Image”; /*圖像數(shù)據(jù)*/

const string TOPIC_INRSATE =

“Inter-satellite”; /*星間數(shù)據(jù)*/

通過設(shè)計(jì)的idl表和編寫的程序，衛(wèi)星分系統(tǒng)在啟動后，實(shí)時向外發(fā)布資源列表和資源情況，同時在界面上顯示連接信息，如圖6所示。

圖6 衛(wèi)星資源發(fā)布圖

顯示軟件根據(jù)收到的載荷信息，解析后在界面顯示。在測試大廳，運(yùn)載分系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)分系統(tǒng)都在網(wǎng)絡(luò)上收到了衛(wèi)星發(fā)布的資源列表，同時在資源列表中訂閱了自身需要的資源。

運(yùn)載分系統(tǒng)啟動了2個客戶端，都訂閱了Platform TM的資源，在衛(wèi)星資源發(fā)布圖中可以看到Platform TM資源的連接用戶為2，斷開1個客戶端后，Platform TM資源的連接用戶為1。

4.3 DDS技術(shù)指標(biāo)測試

在上述試驗(yàn)場景下，對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)通性試驗(yàn)、通信時延試驗(yàn)、傳輸安全性和誤碼率試驗(yàn)、在線狀態(tài)感知試驗(yàn)以及可靠性試驗(yàn)等多方面，全方位的實(shí)驗(yàn)測試。

4.3.1 聯(lián)通性試驗(yàn)

根據(jù)天基多域信息系統(tǒng)需要跨域、跨平臺傳輸信息的要求，對本系統(tǒng)進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)通性試驗(yàn)、點(diǎn)對多聯(lián)通性試驗(yàn)以及跨平臺聯(lián)通性試驗(yàn)。

1)點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)通性試驗(yàn)：在實(shí)際使用過程中，最多的應(yīng)用場景就是兩個終端之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信，傳統(tǒng)的方案是TCP傳輸或UDP應(yīng)答式傳輸，采用DDS中間件后，需要進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)壓力測試，驗(yàn)證其通信的可靠性。

2)點(diǎn)對多的聯(lián)通性試驗(yàn)：在實(shí)際的應(yīng)用場景中，存在一個終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源通過組播傳輸，多個終端同時接收并使用該數(shù)據(jù)的場景，傳統(tǒng)的方式是采用UDP組播方式，采用DDS中間件后，需要進(jìn)行點(diǎn)對多的壓力測試，驗(yàn)證在點(diǎn)對多模式下的通信可靠性。

3)跨平臺聯(lián)通性試驗(yàn)：在實(shí)際的天基多域信息系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的多個設(shè)備采用了不同的操作系統(tǒng)，有VxWorks、Windows、AIC-OS嵌入式操作系統(tǒng)等，這些設(shè)備需要進(jìn)行實(shí)時的通信，因此需要在各個設(shè)備上移植DDS中間件后進(jìn)行聯(lián)通性驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 聯(lián)通性試驗(yàn)結(jié)果

在聯(lián)通性試驗(yàn)時，通過開發(fā)的測試軟件，進(jìn)行了帶寬測試。

1)點(diǎn)對點(diǎn)通信帶寬測試：如圖7所示，設(shè)置輸入數(shù)據(jù)幀長度為1 024字節(jié)，總傳輸幀數(shù)為100 000，當(dāng)DDS發(fā)布者只發(fā)1個主題的幀數(shù)據(jù)，DDS訂閱者只接收1個主題幀數(shù)據(jù)時，在不丟包的前提下DDS的平均帶寬可達(dá)105 Mbps以上；

圖7 DDS單主題接收

2)點(diǎn)對多通信寬帶測試：如圖8所示，設(shè)置輸入數(shù)據(jù)幀長度為1 024字節(jié)，總傳輸幀數(shù)為100 000，當(dāng)DDS發(fā)布者同時發(fā)送3個主題的幀數(shù)據(jù)，DDS訂閱者同時接收3個主題時，在不丟包的前提下DDS的平均帶寬可達(dá)35 Mbps以上。

圖8 DDS多主題接收

4.3.2 通信時延試驗(yàn)

DDS技術(shù)相對于傳統(tǒng)的TCP、UDP方式，多了一層中間層，高速通信時，數(shù)據(jù)通過中間層時，相對于傳統(tǒng)方式，產(chǎn)生的時延是否增大，需要進(jìn)行測試，驗(yàn)證其時延量級，是否可以用在高速數(shù)據(jù)傳輸。

通過專用的網(wǎng)絡(luò)測試工具，分別進(jìn)行32、64、256、1 024、8 192、32 768、63 000字節(jié)長度的延時測試，測試結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以分析得到結(jié)果，采用DDS傳輸時，字節(jié)的傳輸延時都在ms級別以下，與不采用DDS直接傳輸?shù)那闆r沒有區(qū)別，可以得到結(jié)論，采用DDS并不會增加網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r。

圖9 通信時延試驗(yàn)

通過開發(fā)的應(yīng)用軟件，綜合采用DDS.waitset、DDS.StatusCondition、DDS.StatusMask等類來輔助計(jì)算時延，發(fā)布者在發(fā)送數(shù)據(jù)時記錄發(fā)送時間并進(jìn)入等待接收狀態(tài)，訂閱者接到數(shù)據(jù)后進(jìn)行回傳，發(fā)布者接收到訂閱者的回傳數(shù)據(jù)后記錄接收時間，通過多組幀數(shù)據(jù)傳輸計(jì)算平均時延，最后得到圖10，時延約為0.2 ms。

圖10 DDS時延測試

4.3.3 傳輸安全性和誤碼率試驗(yàn)

誤碼率是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾笜?biāo)，DDS中間件在部署完成后，需要進(jìn)行不同碼率下傳輸誤碼率的測試，驗(yàn)證其可靠性。

在進(jìn)行多系統(tǒng)聯(lián)合測試時，通過星載平臺進(jìn)行了多個主題(Topic)的發(fā)布，武器平臺和運(yùn)載平臺都對Topic進(jìn)行了訂閱，通過業(yè)務(wù)接收軟件進(jìn)行了實(shí)測，配置為可靠通信模式下，測試過程未發(fā)現(xiàn)誤碼或丟包現(xiàn)象。配置為不可靠通信模式下，測試過程發(fā)生丟包現(xiàn)象，丟包率約為萬分之一。

4.3.4 在線感知試驗(yàn)

在天際多域信息系統(tǒng)中，需要有一個顯示終端來顯示各個設(shè)備彼此之間的連接狀態(tài)，是否處于正確或斷開情況，傳統(tǒng)的方式是采用TCP連接或UDP心跳方式感知。而采用DDS技術(shù)之后，需要對系統(tǒng)中各個設(shè)備的連接狀態(tài)進(jìn)行感知驗(yàn)證。

在進(jìn)行多系統(tǒng)聯(lián)合測試時，通過DDS產(chǎn)品的測試工具，能夠查看到網(wǎng)絡(luò)上所有連接到Topic的設(shè)備。查看結(jié)果如圖11所示。

圖11 在線感知狀態(tài)1

如圖12所示，當(dāng)訂閱者接入到某Topic時候，可以通過可視化的監(jiān)測界面可以看到連接的設(shè)備增加。

圖12 在線狀態(tài)感知2

4.3.5 可靠性試驗(yàn)

1)可靠通信與不可靠通信實(shí)驗(yàn)：分別在可靠通信與不可靠性通信模式下進(jìn)行通信試驗(yàn)：通過編寫QoS配置文件，分別進(jìn)行了這兩項(xiàng)測試，結(jié)果顯示在可靠通信(RELIABLE_RELIABILITY_QOS)模式下，出現(xiàn)丟包會進(jìn)行重傳，在不可靠通信(BEST_EFFORT_RELIABILITY_QOS)模式下，出現(xiàn)丟包不會重傳。測試結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13 可靠通信試驗(yàn)

圖14 不可靠通信試驗(yàn)

4.4 測試結(jié)果分析

綜上所述，在聯(lián)通性試驗(yàn)中，驗(yàn)證了基于DDS技術(shù)的天基多域信息系統(tǒng)的跨平臺聯(lián)通能力，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)云翼輝(AIC-OS)、VxWorks和Windows等不同操作系統(tǒng)平臺之間的聯(lián)通。同時，經(jīng)過通信帶寬測試，驗(yàn)證了DDS中間件在點(diǎn)對點(diǎn)通信和點(diǎn)對多通信中均擁有較高的帶寬，可以有效滿足大數(shù)據(jù)量的傳輸需求。通信時延試驗(yàn)中，結(jié)果表明采用DDS傳輸時，其平均傳輸時延在毫秒級別以下，與不采用DDS傳輸沒有區(qū)別。因此可知采用DDS技術(shù)并不會增加網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r延。在傳輸安全性和誤碼率試驗(yàn)中，驗(yàn)證得知了在可靠通信的模式下，系統(tǒng)不會發(fā)生誤碼或丟包現(xiàn)象，而在配置為不可靠通信的模式下，系統(tǒng)會發(fā)生丟包現(xiàn)象，但丟包率較低，約為萬分之一。在線感知試驗(yàn)中，驗(yàn)證得知，本系統(tǒng)能夠自動感知系統(tǒng)中新增的設(shè)備。而在可靠性試驗(yàn)中，可知在可靠通信的模式下，系統(tǒng)在出現(xiàn)丟包時會進(jìn)行重傳，而在不可靠通信的模式下，出現(xiàn)丟包不會進(jìn)行重傳。

因此，基于DDS技術(shù)的天基多域信息系統(tǒng)能夠很好的完成對不同平臺通信鏈路的互聯(lián)互通，打通各平臺間的通信壁壘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨域傳輸。能夠很好的應(yīng)用在我國天地一體化異構(gòu)組網(wǎng)架構(gòu)的建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)天地一體化通信。

5 結(jié)束語

天基多領(lǐng)域信息互聯(lián)互通始終是一個難點(diǎn)，需要進(jìn)行大量的協(xié)調(diào)和對接工作，采用DDS技術(shù)，通過對天基多域信息系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的idl表制定以及維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域之間信息高效互聯(lián)互通，大幅度減少溝通協(xié)調(diào)對接時間，且該技術(shù)擁有高可靠性和高性能。本文通過對搭載AIC-OS操作系統(tǒng)的PowerPC P1022硬件平臺移植DDS系統(tǒng)，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)其能夠很好地支持星上跨域、跨平臺以數(shù)據(jù)處理為中心的新一代天基多域信息分發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以作為新一代天基多域信息分發(fā)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理的核心應(yīng)用，為未來解決平臺差異性情況下的消息自動交換問題提供了一個新思路。在下一階段的研究中，我們將對本系統(tǒng)在無線環(huán)境下的各項(xiàng)功能進(jìn)行測試和完善，以滿足未來實(shí)際需求。