數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉海燕，程郁文，楊健康

(裝甲兵工程學(xué)院信息工程系，北京100072)

目前，大型的信息系統(tǒng)正逐步向構(gòu)件化、服務(wù)化的體系結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，這種體系便于軟件的開發(fā)、部署和擴展，可以為應(yīng)用程序提供即插即用的功能。構(gòu)件化、服務(wù)化的軟件迫切需要研究分布式環(huán)境下的數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)。所謂數(shù)據(jù)分發(fā)，是指數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者通過各種方式將數(shù)據(jù)傳送到用戶的過程。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，建立基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)成為數(shù)據(jù)分發(fā)的發(fā)展趨勢。軍隊指揮信息系統(tǒng)是基于軍事通信網(wǎng)的大型分布式信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸是戰(zhàn)場偵察情報、指揮控制、維修保障業(yè)務(wù)軟件運行的基礎(chǔ)，因此目前基于分發(fā)服務(wù)的軟件體系結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，而信息分發(fā)服務(wù)也成為軍事信息系統(tǒng)體系中平臺性、支撐性軟件構(gòu)件。

對象管理組織(Object Management Group，OMG)為分布式實時系統(tǒng)制訂了一個數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)規(guī)范(Data Distribution Service，DDS)［1］。DDS 描述了2個層次的接口:低層的以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂購層(Data Centric Publish Subscribe，DCPS)，用于將數(shù)據(jù)發(fā)布者發(fā)布的信息高效準(zhǔn)確地傳送給數(shù)據(jù)訂購者，是DDS規(guī)范的核心;高層的數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層(Data Local Reconstruction Layer，DLRL)允許將服務(wù)簡單地集成到應(yīng)用層，該層是可選的。DDS還定義了一套服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)策略，能基于QoS進行數(shù)據(jù)的訂購和分發(fā)。OpenDDS軟件是OMG對DDS的DCPS層的一個開源實現(xiàn)。我國也制定了相關(guān)的數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)——數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)指南與規(guī)范［2］，該標(biāo)準(zhǔn)對基于因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)分發(fā)體系進行了描述，對相關(guān)的環(huán)節(jié)和內(nèi)容提出了要求。在我國，近些年一些科研機構(gòu)致力于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)技術(shù)的研究［3－4］，取得了一定的成果。在實際應(yīng)用中，有越來越多的大型軟件系統(tǒng)開始采用基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件的軟件體系結(jié)構(gòu)［5－6］。

盡管目前既有開源的分發(fā)系統(tǒng)，如OpenDDS，又有商用的分發(fā)中間件，但可能由于分發(fā)系統(tǒng)太復(fù)雜，或具體應(yīng)用有具體的傳輸環(huán)境和傳輸需求，因此許多系統(tǒng)都開發(fā)自己的分發(fā)中間件，在滿足自定義的信息格式、傳輸質(zhì)量需求的基礎(chǔ)上，提供一定范圍的通用性。為滿足局域網(wǎng)中的分布式系統(tǒng)各進程間消息交流的需求，筆者參考DDS中DCPS規(guī)范的內(nèi)容，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的環(huán)境和對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的要求，設(shè)計實現(xiàn)了一個基于消息的分發(fā)服務(wù)中間件。該中間件能提供進程間并發(fā)、異步、可靠、按序的消息傳輸功能，使上層的進程能專注于各自業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)。

1 數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)實現(xiàn)信息的訂購、發(fā)布機制，提供用戶按需訂購信息、消息按需推送的機制。按消息的分發(fā)機制劃分，數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件可以分為2大類:集中式分發(fā)系統(tǒng)和分布式分發(fā)系統(tǒng)。

1.1 集中式分發(fā)系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中存在一個分發(fā)服務(wù)器，這個服務(wù)器保存了各個節(jié)點間通信所必須的信息，如客戶端標(biāo)志、訂購信息等?？蛻舳藨?yīng)用程序通過客戶端分發(fā)中間件接入分發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)客戶的注冊、信息的訂購和發(fā)布。信息實際傳輸可以使用點到點方式直接送達，也可以通過服務(wù)器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。集中式數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集中式數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

集中式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是便于系統(tǒng)內(nèi)各應(yīng)用程序間的協(xié)調(diào)控制;缺點是存在單一故障點，一旦分發(fā)服務(wù)器癱瘓，則整個分發(fā)系統(tǒng)也隨之癱瘓。

1.2 分布式分發(fā)系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中所有節(jié)點都是對等的，每個節(jié)點都有一個發(fā)布/訂購信息的拷貝，節(jié)點的注冊和信息的訂購都在本地完成，由分發(fā)中間件完成信息的組播分發(fā)，以保證所有節(jié)點信息的一致性和完整性。在進行信息發(fā)布時，應(yīng)用程序首先寫到本地，再由分發(fā)服務(wù)中間件根據(jù)訂購信息將數(shù)據(jù)分發(fā)給訂購者。分布式分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)InfoSubDstrSys

2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

本分發(fā)系統(tǒng)的目的是為一類運行在局域網(wǎng)中的分布式協(xié)同系統(tǒng)提供進程間的消息分發(fā)中間件，在方便進程間協(xié)同的基礎(chǔ)上，使上層程序更專注于業(yè)務(wù)流程的設(shè)計。這類系統(tǒng)運行在局域網(wǎng)中，需要交流數(shù)據(jù)的進程數(shù)有數(shù)十個;進程間交流的多為一些協(xié)同和狀態(tài)消息，消息長度一般為幾十到幾百字節(jié);消息的傳輸需要有一定的可靠性和時序性;此外，各進程需要有并發(fā)和異步通信能力。為滿足上述需求，筆者設(shè)計了數(shù)據(jù)分發(fā)軟件InfoSubDstrSys。該分發(fā)系統(tǒng)采用集中式的結(jié)構(gòu)，一個分發(fā)服務(wù)器獨立運行，分發(fā)客戶端以動態(tài)鏈接庫的形式由上層應(yīng)用程序調(diào)用;客戶端與服務(wù)器間采用TCP傳輸協(xié)議，以消息號定義消息的類別，傳輸信息的格式為消息號、消息長度、消息體;采用IO端口映射技術(shù)支持多進程的并發(fā)通信;通過事件機制和回調(diào)函數(shù)技術(shù)為進程提供異步通信功能。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)InfoSubDstrSys由2部分組成:分發(fā)服務(wù)器InfoSubDstrSrv和客戶端分發(fā)中間件InfoS-ubDstrCli。二者底層通過TCP協(xié)議實現(xiàn)信息的傳輸。

分發(fā)服務(wù)器InfoSubDstrSrv采用IO端口映射套接字技術(shù)實現(xiàn)多套接字的并發(fā)通信。服務(wù)器主要由3個模塊組成:主控模塊、連接管理模塊和消息分發(fā)模塊。

1)主控模塊負責(zé)初始化套接字環(huán)境、線程池管理、服務(wù)器控制命令處理等任務(wù)。

2)連接管理模塊負責(zé)接收客戶端分發(fā)中間件的連接請求，建立并維護客戶連接套接字表以及套接字相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3)消息分發(fā)模塊是分發(fā)服務(wù)器的核心部分，由IO端口關(guān)聯(lián)的線程池中的線程執(zhí)行。它監(jiān)聽所有通信事件，接收客戶端發(fā)來的消息，對接收到的客戶端消息進行解析，根據(jù)消息類型進行相應(yīng)的處理。建立并維護客戶的訂購信息庫，完成消息的訂購、訂購的取消，根據(jù)訂購信息進行消息轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

客戶端分發(fā)中間件InfoSubDstrCli主要由2部分組成:消息分發(fā)模塊和應(yīng)用程序接口模塊。其中:消息分發(fā)模塊負責(zé)監(jiān)聽并接收分發(fā)服務(wù)器發(fā)來的消息;應(yīng)用程序接口模塊則提供用戶應(yīng)用程序使用分發(fā)系統(tǒng)的API函數(shù)。

客戶端分發(fā)中間件的主體是導(dǎo)出類CInfoSub-DistrbCli和回調(diào)函數(shù)_CallBackFun的定義?；卣{(diào)函數(shù)用于實現(xiàn)對接收消息的解析和處理，是一個全局函數(shù)，函數(shù)定義如下:

Typedef int_stdcall_CallBackFun(char*recvBuf，unsigned short recvLen)。

每個應(yīng)用都要根據(jù)自己的特定需求定義自己的回調(diào)函數(shù)。

導(dǎo)出類CInfoSubDistrbCli的定義如下。

友元函數(shù)msgHandler負責(zé)異步接收消息和回調(diào)函數(shù)的調(diào)度，從而實現(xiàn)消息的推送功能。

3 基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的應(yīng)用開發(fā)

3.1 基于InfoSubDstrSys的應(yīng)用開發(fā)步驟

分發(fā)服務(wù)器InfoSubDstrSys作為一個獨立的進程運行在一臺主機上，處理多個不同的客戶的注冊、消息訂購和信息的分發(fā)。

客戶端分發(fā)中間件以動態(tài)鏈接庫的形式存在，應(yīng)用程序通過動態(tài)鏈接庫提供的API接口接入分發(fā)系統(tǒng)。應(yīng)用程序使用分發(fā)系統(tǒng)的一般流程如下。

1)定義回調(diào)函數(shù)，可以對不同的消息定義不同的回調(diào)函數(shù)。

2)聲明客戶端對象。

CInfoSubDistrbCli client;

3)注冊客戶端。

client.registerCLi(SrvIP，SrvPort);∥參數(shù)為分發(fā)

服務(wù)器的IP地址和端口號

4)訂購消息或取消消息訂購。

client.MsgSubscribe(msgno，myCallBackFun);∥訂購消息，參數(shù)為消息號和回調(diào)函數(shù)

client.MsgSubscribeCancel(msgno);∥取消訂購，參數(shù)為消息號

5)發(fā)布消息。

client.sendMsg(msgno，m_sendBuf，m_sendLen);∥參數(shù)為消息號、消息緩沖區(qū)和消息長度

6)客戶端取消注冊。

client.unRegisterCli();

其中，消息以消息號來區(qū)分，消息號是一個整數(shù)，每個消息號對應(yīng)一種消息。每個客戶可以訂購0個或者多個消息。在訂購一個消息時，需指定接收該類消息時的回調(diào)函數(shù)。不同消息的回調(diào)函數(shù)可以相同也可以不同。客戶端程序在注冊成功之后，可以隨時訂購或取消訂購某種消息。

3.2 基于InfoSubDstrSys的應(yīng)用開發(fā)示例

圖3是一個基于InfoSubDstrSys實現(xiàn)的應(yīng)用程序示例。界面上分別顯示了分發(fā)系統(tǒng)的基本功能。注冊按鈕對應(yīng)客戶端的注冊，訂購、取消訂購按鈕分別對應(yīng)消息的訂購和取消，發(fā)送消息按鈕將消息發(fā)送到分發(fā)服務(wù)器。每個客戶端將收到的消息實時顯示在界面上。

圖3 基于分發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用示例

同時運行該程序的2個實例，如圖4、5所示。在圖4、5中，左端的應(yīng)用訂購了1號消息，右端應(yīng)用訂購了1號和2號消息。在圖4中，當(dāng)右端應(yīng)用發(fā)送2號消息“222”時，只有訂購了2號消息的應(yīng)用收到了該消息;在圖5中，右端應(yīng)用發(fā)送了1號消息“111”，可以看出2個應(yīng)用都收到了該消息。

本示例僅演示了字符消息根據(jù)訂購需求進行的并發(fā)、異步、按序的分發(fā)過程。實際上，由于TCP傳輸協(xié)議對消息的類型和長度并不限制，因此該分發(fā)平臺可以用于任何類型、任何長度數(shù)據(jù)的分發(fā)。

圖4 只有右端應(yīng)用收到2號消息

圖5 2個應(yīng)用都收到1號消息

4 結(jié)論

該數(shù)據(jù)分發(fā)中間件已經(jīng)用于某仿真系統(tǒng)中，為系統(tǒng)的多個進程提供數(shù)據(jù)交換和共享服務(wù)。由于開發(fā)者不必關(guān)心信息交換的實現(xiàn)細節(jié)，可以更專注于業(yè)務(wù)邏輯的開發(fā)，因而提高了開發(fā)效率。該系統(tǒng)的不足是應(yīng)用規(guī)模受限。因為該分發(fā)系統(tǒng)使用了集中式結(jié)構(gòu)，僅有一個服務(wù)器，所以一般只用于局域網(wǎng)內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)中。進一步的研究應(yīng)該關(guān)注如何設(shè)計多個協(xié)作的服務(wù)器，實現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)的分發(fā)系統(tǒng)，為大規(guī)模分布式系統(tǒng)提供信息分發(fā)服務(wù)。

［1］OMG.Data Distribution Service for Real-time Systems Version 1.2［EB/OL］.(2007-01-01)［2011-10-25］.http:∥www.omg.org

［2］SDS/T 2241_2004科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)指南與規(guī)范［S］.

［3］盧傳富，蔡志明，夏學(xué)知.數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2008，36(5):67-69.

［4］裘楷，沈棟，李娜，等.基于DCPS模型的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS的研究［J］.電子科技，2006(11):68-72.

［5］姚兵，蔡婷，李峻林，等.基于DDS模型的數(shù)據(jù)分發(fā)中間件的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與設(shè)計，2009，30(3):619-623.

［6］曹萬華，謝蓓，吳海昕，等.基于 DDS的發(fā)布/訂購中間件設(shè)計［J］.計算機工程，2007，33(18):78-80.