DDS在SCA系統(tǒng)中的應(yīng)用

李欣宇

（中國西南電子技術(shù)研究所 通信部，四川 成都610036）

0 引 言

SCA是一個基于CORBA的規(guī)范［1］，也是軟件無線電事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，基于SCA開發(fā)的通信系統(tǒng)具有可移植性好、互操作性強(qiáng)、易于重用等特點(diǎn)［2］。然而，在某個基于SCA的通信系統(tǒng)的研制過程中，基于CORBA的SCA架構(gòu)無法滿足實(shí)時性較高的應(yīng)用，同時也存在著冗余度大、單個軟件組件無法在運(yùn)行時故障重構(gòu)等問題。DDS是由對象管理組織發(fā)布的和CORBA處于同一層次且兼容的規(guī)范［3］，它可以滿足以數(shù)據(jù)為中心的實(shí)時系統(tǒng)的需求［4］。本文利用CORBA和DDS互補(bǔ)兼容的特點(diǎn)，提出了一種將DDS集成到SCA架構(gòu)中的方案，并通過工程實(shí)踐表明該方案能很好地彌補(bǔ)SCA架構(gòu)存在的不足。

1 SCA簡介及不足之處

2000年之前，美軍大多數(shù)舊電臺系統(tǒng)不具備可重用性，新波形的引進(jìn)常常導(dǎo)致舊設(shè)備的直接淘汰，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為了解決這個問題，美國的聯(lián)合編程辦公室 為 聯(lián) 合 戰(zhàn) 術(shù) 無 線 電 系 統(tǒng) （joint tactical radio system，JTRS）發(fā)布了軟件通信體系結(jié)構(gòu) （software communication architecture，SCA）規(guī)范。SCA通過公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu) （common object request broker architecture，CORBA）定義了一個統(tǒng)一的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)框架和通用結(jié)構(gòu)，使得通信系統(tǒng)開發(fā)的軟件和硬件可以分離，它的宗旨是：通過在同一硬件平臺上加載不同的波形組件以實(shí)現(xiàn)不同的功能，也可根據(jù)特定的需要對系統(tǒng)進(jìn)行部分升級，從而最大化地利用系統(tǒng)資源，目前最新的版本是2012年發(fā)布的4.0版本［5］。SCA將硬件描述為抽象的類，當(dāng)設(shè)備不斷變化時，也能對千差萬別的硬件進(jìn)行統(tǒng)一的描述；SCA將各種波形軟件模塊化，以組件的方式描述波形應(yīng)用中不同軟件的層次?？梢姡琒CA是一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)的平臺，隔離了底層硬件與波形組件，讓系統(tǒng)重用和升級變得簡單，減少了支持和操作成本。從理論上看起來一切都很美好，但是從我們工程實(shí)踐來看，基于SCA構(gòu)建的通信系統(tǒng)存在一些不足，讓我們從一個實(shí)例的介紹開始。

在基于SCA的通信系統(tǒng)中，雖然很多功能都是用軟件實(shí)現(xiàn)的，但也需要一個硬件平臺作為軟件的載體，當(dāng)然也包括了用于收、發(fā)信號的射頻前端。圖1為一個基于SCA的超短波數(shù)傳通信系統(tǒng)的架構(gòu)。在這個平臺上，通過加載不同的波形組件，可以實(shí)現(xiàn)最小頻移鍵控 （minimum shift keying，MSK）、直接序列擴(kuò)頻 （direct sequence spread spectrum，DS）和 跳 頻 （frequency－h(huán)opping spread spectrum，F(xiàn)H）3種波形應(yīng)用。發(fā)射信號時，數(shù)據(jù)源經(jīng)過編碼處理后，依次通過D／A轉(zhuǎn)換、上變頻，最后通過射頻前端發(fā)送；接收信號時，會先由射頻前端進(jìn)行射頻處理，依次經(jīng)過下變頻，中頻處理和A／D變換完成從模擬信號到數(shù)字信號的處理環(huán)節(jié)，最后進(jìn)行軟件部分的信號處理。SCA核心框架可以加載、部署波形組件的硬件平臺主要是現(xiàn)場可編程門陣列 （field－programmable gate array，F(xiàn)PGA）、數(shù)字信號處理器 （digital signal processor，DSP）和通用處理器 （general purpose processor，GPP）。在此平臺上用FPGA實(shí)現(xiàn)信號的處理，主要包括數(shù)字下變頻、擴(kuò)頻、解擴(kuò)等功能；運(yùn)算速率較大的一些組件，比如編解碼器和快速傅里葉變換等會被加載到DSP上；實(shí)現(xiàn)各個波形組件管理和控制功能的核心框架、協(xié)議處理以及人機(jī)界面等運(yùn)算量不大的組件則放在GPP上運(yùn)行。FPGA、DSP、GPP節(jié)點(diǎn)間通過帶寬為4G的RapidIO高速總線互聯(lián)，CORBA總線采用e＊ORB。

圖1 超短波通信系統(tǒng)架構(gòu)

以運(yùn)行FH波形應(yīng)用為例，F(xiàn)H波形一共有3個軟件組件，需要部署在FPGA、DSP、GPP上，名字分別為FNode，DNode，GNode。按照SCA的要求，這3個組件均實(shí)現(xiàn)了Resource接口，并且通過擴(kuò)展Port類實(shí)現(xiàn)了FH波形需要的API函數(shù)。根據(jù)SCA標(biāo)準(zhǔn)，波形組件的啟動是在ApplicationFactory的create函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，流程如圖2所示。

圖2 波形啟動流程

我們對FH波形的功能、性能以及系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了綜合評測，總結(jié)出基于SCA的通信系統(tǒng)有以下不足：

（1）系統(tǒng)耦合性高、冗余度大：SCA組件間的數(shù)據(jù)交互全部基于CORBA遠(yuǎn)程函數(shù)調(diào)用［6］，需要命名服務(wù)器才能完成通信，任何兩個節(jié)點(diǎn)之間在啟動通信之前均需要在命名服務(wù)器上去取得對方的對象引用并保存到本地程序空間，當(dāng)增加一個節(jié)點(diǎn)時，系統(tǒng)的耦合性呈指數(shù)級的增長。

（2）實(shí)時性不高：CORBA通信需要在硬件總線上實(shí)現(xiàn)GIOP （general inter－ORB protocol）和IIOP （internet inter－ORB protocol）的協(xié)議棧，這會占用較大的軟件開銷，在實(shí)時性要求較高的場合效果并不好。例如，在圖1所示的環(huán)境上測試，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)通信時延達(dá)到25ms，無法滿足FH波形的要求。

（3）無法運(yùn)行時重構(gòu)，靈活性較差：SCA要求所有的波形組件作為一個整體安裝、創(chuàng)建、運(yùn)行，如果一個波形的某一個組件損壞，整個應(yīng)用將不能正常運(yùn)行，必須要由操作員進(jìn)行釋放、卸載整個應(yīng)用，然后再安裝、創(chuàng)建新的應(yīng)用并啟動新應(yīng)用的邏輯處理［7］。

（4）組件之間同步耗費(fèi)較多的開銷：如圖2所示，核心框架調(diào)用getPort和connectPort均是為了建立組件之間的同步連接，當(dāng)組件較多時，過程會更復(fù)雜，開銷更大，拖慢波形啟動的速度。

有沒有解決這些問題的方法？在回答這個問題之前，我們先介紹一下 DDS （data distribution service）技術(shù)的特點(diǎn)，并與CORBA技術(shù)做一個比較。

2 關(guān)于DDS

2.1 DDS簡介

DDS是一套互聯(lián)、互通協(xié)議規(guī)范和應(yīng)用編程接口，它定義了一種以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布／訂閱機(jī)制，數(shù)據(jù)由應(yīng)用方發(fā)布，對該數(shù)據(jù)感興趣的遠(yuǎn)程應(yīng)用訂閱數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對象用“主題”進(jìn)行標(biāo)識，由接口定義語言 （interface definition language，IDL）定義，如圖3所示。通過這種發(fā)布／訂閱機(jī)制，DDS構(gòu)建了一個共享的 “全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”，系統(tǒng)中的各個節(jié)點(diǎn)都掛載在此 “全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”上，通過DDS規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)接口完成數(shù)據(jù)的交互，DDS有效的降低了系統(tǒng)各種組件之間的耦合性，很容易構(gòu)建一個以數(shù)據(jù)為中心、可擴(kuò)展、與平臺和位置無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。每一個發(fā)布者均有一個與之關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)寫入者，發(fā)布者的作用是發(fā)布寫入者寫入的數(shù)據(jù)。訂閱者主要負(fù)責(zé)接收發(fā)布的數(shù)據(jù)并使數(shù)據(jù)能被數(shù)據(jù)讀入者處理。主題用于聯(lián)系發(fā)布和訂閱，是通信雙方聯(lián)系的唯一紐帶。

圖3 DDS系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 DDS和CORBA的比較

通過比較分析，在數(shù)據(jù)通信這個層面上DDS相對于CORBA有以下優(yōu)勢：

（1）降低系統(tǒng)的冗余度，提高了靈活性：在CORBA結(jié)構(gòu)中，各個通信節(jié)點(diǎn)是一種緊耦合的結(jié)構(gòu)，任一通信節(jié)點(diǎn)均要保留遠(yuǎn)程通信對象的引用才能完成通信，使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而在DDS網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點(diǎn)之間是松耦合的關(guān)系，參與通信的節(jié)點(diǎn)并不知道對方的信息，節(jié)點(diǎn)之間的通信僅僅需要一個主題就能完成。

（2）提高通信效率，降低網(wǎng)絡(luò)延遲：CORBA是C／S（client／server）的通信模式，客戶端向服務(wù)器端請求數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)中需要一個數(shù)據(jù)中心服務(wù)器來處理并提供數(shù)據(jù)。在這種網(wǎng)絡(luò)方式下，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)需要同時發(fā)送數(shù)據(jù)時它們會并行的向服務(wù)器發(fā)起數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器需要耗費(fèi)較長的時間來處理這些請求，使系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)增加，造成了網(wǎng)絡(luò)延遲。DDS網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間是一種對等網(wǎng)的關(guān)系，不需要中心服務(wù)器的連接，而且DDS底層協(xié)議棧并不復(fù)雜，不需要太大的軟件開銷，這大大提高了通信的效率和實(shí)時性。

（3）提供質(zhì)量服務(wù) （quality of service，Qos）：CORBA僅有有限的定制能力，而DDS提供23個Qos。通過使用DDS的Qos可以在不產(chǎn)生額外工作的前提下實(shí)現(xiàn)對數(shù)傳過程以及對整個網(wǎng)絡(luò)的控制，為上層應(yīng)用提供極大的方便［8］。

3 用DDS擴(kuò)充SCA

簡而言之，SCA是一套接口，運(yùn)行規(guī)范和規(guī)則的定義，通過這些定義實(shí)現(xiàn)了軟件模塊化、可移植和可重用［9］。而DDS是一套在分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)，具有發(fā)布主題數(shù)據(jù)，訂閱主題數(shù)據(jù)等功能。SCA的特色是可以通過加載不同的軟件組件而在同一硬件平臺上實(shí)現(xiàn)不同的波形，但是因?yàn)槠浠贑ORBA，在數(shù)據(jù)通信這個層面上的效果并不好。而DDS正是為了解決數(shù)據(jù)通信問題而提出的一個規(guī)范，它屏蔽通信網(wǎng)絡(luò)的底層細(xì)節(jié)，提供一個平臺無關(guān)、位置無關(guān)、高效、靈活的模型。因此從本質(zhì)上講，SCA和DDS是兩項(xiàng)互補(bǔ)的技術(shù)。SCA提供在硬件平臺上加載、管理各個波形組件的方法，而DDS為各個波形組件提供了簡單、高效的數(shù)傳服務(wù)。它們解決的是系統(tǒng)中不同方面的問題，而兩者又都具有平臺無關(guān)、語言無關(guān)、接口用IDL描述等特點(diǎn)。因此新的軟件方案在保證SCA兼容的前提下，采用 “各取所長”的原則，用DDS的優(yōu)勢來彌補(bǔ)SCA的不足。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思路是：波形組件的部署、加載和運(yùn)行完全遵守SCA規(guī)范，各個波形組件之間的數(shù)據(jù)通信不用CORBA而采用DDS。為后續(xù)描述方便，簡稱引入DDS之前的方案為舊版方案，引入DDS之后的為新版方案。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

在舊版方案中，基于SCA的通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括核心框架設(shè)計(jì)和基于CORBA的波形組件API設(shè)計(jì)，在新版方案中變?yōu)楹诵目蚣茉O(shè)計(jì)和基于DDS的接口設(shè)計(jì)兩部分。

3.1.1 核心框架設(shè)計(jì)

新版方案保持了原有核心框架接口和域描述文件格式的不變，加載各個波形組件的流程和規(guī)則也與舊版方案一致。區(qū)別在于波形組件的構(gòu)成，各個繼承自Resource的波形組件不再實(shí)現(xiàn)getPort接口即不再對外提供實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能的Port對象，同時去掉SAD （software assembly descriptor）文件中描述各個波形組件間連接信息的內(nèi)容即刪除connection標(biāo)簽，因此，核心框架加載波形應(yīng)用時將只加載并運(yùn)行各個波形組件，不會去建立波形組件之間的連接，也不會處理波形組件之間的數(shù)據(jù)同步，和數(shù)傳相關(guān)的工作都由DDS完成，軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 新版方案架構(gòu)

3.1.2 DDS接口設(shè)計(jì)

組件的接口設(shè)計(jì)對于實(shí)現(xiàn)基于SCA的系統(tǒng)來說是一個比較關(guān)鍵的工作。新版方案的核心框架只負(fù)責(zé)軟件的加載和部署，因此在DDS接口設(shè)計(jì)中，需要完成接口定義、波形組件間的連接建立和數(shù)據(jù)同步這三方面的工作。

（1）接口定義

雖然SCA和DDS都是采用IDL來描述接口，但SCA的接口基于CORBA函數(shù)調(diào)用，而DDS是一種消息中間件，它只能定義消息結(jié)構(gòu)，無法定義組件之間的函數(shù)接口。新版方案采用主題＋I(xiàn)DL的方式解決了這個問題，函數(shù)接口是由 “函數(shù)名＋參數(shù)”定義的，CORBA函數(shù)名正好對應(yīng)到DDS的主題，CORBA函數(shù)的參數(shù)對應(yīng)到DDS主題標(biāo)識的IDL數(shù)據(jù)。以設(shè)置請求發(fā)送 （request to send，RTS）的CORBA接口為例，其定義為：

新版方案將這個接口的主題定義為 “setRts”，其對應(yīng)的IDL定義為：

在新版方案中，將舊版方案中所有用來數(shù)傳通信的CORBA接口全部以這種方式替換為DDS接口。因?yàn)檫@些DDS接口都是在各個組件的代碼中實(shí)現(xiàn)，并不牽涉到SCA架構(gòu)，所以這不會影響到系統(tǒng)的SCA兼容性。

（2）組件之間連接建立

DDS的組件之間是位置無關(guān)的，數(shù)據(jù)交互是用 “主題”這個紐帶來實(shí)現(xiàn)即組件間的連接是DDS中間件去完成的，因此新版方案不用考慮這個問題。

（3）組件之間數(shù)據(jù)同步

因?yàn)樾掳娣桨傅暮诵目蚣芾餂]有實(shí)現(xiàn)波形組件之間的數(shù)據(jù)同步，即有可能出現(xiàn)這種情況：當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送方先啟動，接收方隨后才啟動，這時就無法保證數(shù)傳過程的完整。DDS提供了一個質(zhì)量服務(wù)DurabilityQos解決了這個問題，它通過網(wǎng)絡(luò)存儲的方式保證后加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能接收到之前在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的數(shù)據(jù)。圖5描述了DurabilityQos的一個典型應(yīng)用，可見通過使用DurabilityQos可以很容易地解決組件間的數(shù)據(jù)同步的問題。

圖5 DurabilityQos

3.2 軟件方案對比

新版方案中啟動波形的流程如圖6所示。

相對于舊版方案，新版方案有以下幾方面的改進(jìn)：

（1）啟動波形的步驟減少：核心框架只需要完成波形組件加載、部署、啟動即可，無需花費(fèi)時間去完成波形組件之間連接的建立、數(shù)據(jù)的同步，這些事情都交給DDS中間件去完成了。

（2）冗余度降低：組件間采用DDS，可直接進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信，不需要開啟任何第三方服務(wù)器。相對于CORBA通信需要建立連接，開啟命名服務(wù)，新版方案降低了系統(tǒng)的冗余度。

圖6 新版方案波形加載

（3）單個波形組件可重構(gòu)：在新版方案中，波形組件和核心框架之間只有加載的接口。每個波形組件啟動后，組件只需通過 “主題”就可以完成通信功能，因此當(dāng)某一個波形組件故障時，可以通過人工重啟的方式完成重構(gòu)［10］。而在舊版方案中，無法實(shí)現(xiàn)單個組件模塊的重構(gòu)。

3.3 性能對比

在舊版方案環(huán)境的基礎(chǔ)上添加DDS中間件就構(gòu)成了新版方案的測試環(huán)境，DDS產(chǎn)品使用的是RTI－DDSv4.5。我們還是用FH波形作為測試用例，在波形加載速度、數(shù)傳時延、可重構(gòu)性等方面對新版方案和舊版方案進(jìn)行了綜合的評測和對比，其結(jié)果表明新版方案優(yōu)于舊版方案，見表1。

表1 對比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文首先說明了在工程實(shí)踐中基于SCA構(gòu)建的通信系統(tǒng)存在的不足之處，即冗余度大、實(shí)時性低、無法故障恢復(fù)。然后介紹了造成這些短板的原因是組件之間采用CORBA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。接著討論了DDS技術(shù)，并把DDS和CORBA做了詳細(xì)的比較，指出DDS在數(shù)據(jù)通信這個層面上優(yōu)于CORBA，分析了將DDS技術(shù)引入SCA框架的可行性。最后介紹了新版方案，并通過測試和比較證明了新版方案優(yōu)于舊版方案。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：在完全保持SCA規(guī)范兼容的前提下，用DDS來實(shí)現(xiàn)波形組件間的通信，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性、靈活性和可靠性。

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