數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)在多數(shù)據(jù)鏈集成中的應(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

多數(shù)據(jù)鏈集成 （以下簡稱多鏈集成）是指多個(gè)數(shù)據(jù)鏈通過共享控制與指揮處理器，構(gòu)建統(tǒng)一的聯(lián)合數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，為作戰(zhàn)體系提供統(tǒng)一的、完整的戰(zhàn)術(shù)信息[1]，它能最大程度地實(shí)現(xiàn)信息資源共享、加速指揮自動(dòng)化、提高快速反應(yīng)能力和協(xié)同能力[2]。然而，隨著數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的迅猛發(fā)展以及戰(zhàn)術(shù)需求的增加，需要接入的數(shù)據(jù)鏈的種類和數(shù)量也越來越多，傳統(tǒng)的多鏈集成系統(tǒng)在鏈間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和消息過濾器上的負(fù)擔(dān)也變得越來越大，同時(shí)存在系統(tǒng)擴(kuò)展性不高、冗余度較大的問題。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) （data distribution service，DDS）是由對象管理組織 （object management group，OMG）發(fā)布的一種以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布／訂閱標(biāo)準(zhǔn)，它可以滿足高擴(kuò)展性和高效的系統(tǒng)應(yīng)用需求[3]。本文根據(jù)DDS的特點(diǎn)，提出了一種將DDS應(yīng)用到多鏈集成系統(tǒng)中的方案，仿真測試結(jié)果表明，該方案能很好地解決傳統(tǒng)多鏈集成系統(tǒng)中存在的問題。目前，國內(nèi)還沒有將DDS技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的文獻(xiàn)報(bào)道，美國RTI公司為E－2預(yù)警機(jī)設(shè)計(jì)了將DDS應(yīng)用于其傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件升級方案，但其技術(shù)細(xì)節(jié)并未公開。

1 多鏈集成及其體系結(jié)構(gòu)簡介

隨著戰(zhàn)場信息化程度的不斷提高，數(shù)據(jù)鏈已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵要素。數(shù)據(jù)鏈技術(shù)經(jīng)過近50多年的迅猛發(fā)展，以美國為代表的很多西方國家已經(jīng)開發(fā)出多種類型的數(shù)據(jù)鏈[4]，同時(shí)很多面向未來應(yīng)用的數(shù)據(jù)鏈也在研制的進(jìn)程中。新型數(shù)據(jù)鏈的產(chǎn)生并不意味著舊數(shù)據(jù)鏈會(huì)被淘汰，因?yàn)楦餍蛿?shù)據(jù)鏈的功能和使用場合均不盡相同，每種數(shù)據(jù)鏈都被設(shè)計(jì)成僅僅滿足自己所承擔(dān)的任務(wù)需求，形成一種典型的 “煙囪式”的架構(gòu)。

在未來以網(wǎng)絡(luò)為中心的聯(lián)合作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)地域廣、參戰(zhàn)平臺(tái)多、交互信息量大，體系與體系的對抗是最重要的特征。諸多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)條件下數(shù)據(jù)鏈的運(yùn)用將呈現(xiàn)多信道、多網(wǎng)絡(luò)、多鏈路的特點(diǎn)。眾多數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)間的高效互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)、安全信息共享的首要條件，因此消除異構(gòu)數(shù)據(jù)鏈間的 “信息壁壘”，通過對多數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行妥善控制與管理，綜合調(diào)度和充分使用數(shù)據(jù)鏈資源，完成多種數(shù)據(jù)鏈的統(tǒng)一集成是提高作戰(zhàn)體系綜合效能的有效手段。

目前，多鏈集成水平最先進(jìn)的是美軍，它使用或正在研制的系統(tǒng)包括指揮控制處理器 （C2P），多戰(zhàn)術(shù)數(shù)字信息鏈路處理器 （MTP）、通用鏈路綜合處理器 （common link integration processor，CLIP）等，其中CLIP是功能最強(qiáng)大，支持任務(wù)最多，最先進(jìn)的多鏈集成平臺(tái)[5]，因此CLIP應(yīng)該是我國數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域研究和借鑒的重點(diǎn)。

CLIP的開發(fā)計(jì)劃是由美軍的 “數(shù)據(jù)鏈集成問題開發(fā)小組”于2004年提出并牽頭實(shí)施的，它能鏈接link－4A、link－11、Link16、Link22等傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈，也能接入通用寬帶數(shù)據(jù)鏈 （CDL）、綜合廣播系統(tǒng) （IBS），還可以支持IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為各種不同的作戰(zhàn)平臺(tái)提供網(wǎng)關(guān)功能。CLIP可以用于各種軍用的平臺(tái)和設(shè)備，包括陸地戰(zhàn)術(shù)單元、飛機(jī)、艦船、岸基指揮所等，它提供的功能包括:終端設(shè)備的初始化、鏈路選擇、網(wǎng)絡(luò)控制管理、接口處理、平臺(tái)和狀態(tài)維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、鏈間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。對于單個(gè)平臺(tái)，CLIP接入的鏈路類型和提供的功能是可以裁減和配置的。在進(jìn)行多鏈集成應(yīng)用時(shí)，CLIP即能以公共軟件的方式嵌入到主機(jī)的應(yīng)用框架中去，也可直接以獨(dú)立設(shè)備的方式安裝在目標(biāo)平臺(tái)上。目前CLIP已經(jīng)加裝在了美軍E－3預(yù)警機(jī)、E－8監(jiān)視機(jī)和全球鷹無人機(jī)等平臺(tái)上[6]。典型的CLIP體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型的CLIP集成方式

2 傳統(tǒng)多鏈集成系統(tǒng)的缺陷

CLIP為實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)鏈協(xié)同工作提供了強(qiáng)大的支持，并且已經(jīng)通過了美軍實(shí)裝環(huán)境的檢驗(yàn)，其設(shè)計(jì)思想理應(yīng)為我國所借鑒。但是，通過在某仿真平臺(tái)上對CLIP進(jìn)行仿真和評測，發(fā)現(xiàn)了以下問題:

（1）系統(tǒng)擴(kuò)展性不高:由圖1可知，終端I／O模塊完成了各型數(shù)據(jù)鏈終端的接入，它將總線不同、協(xié)議不同、數(shù)據(jù)精度不同、速率不同的設(shè)備集成在了一起。每增加一種數(shù)據(jù)鏈，都意味這要在終端I／O模塊內(nèi)添加相應(yīng)的總線API、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的代碼，并且對鏈路處理層的各個(gè)模塊提供訪問接口，隨著接入數(shù)據(jù)鏈種類的增加，軟件的復(fù)雜度呈指數(shù)級的膨脹，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展性的降低。

（2）鏈間消息轉(zhuǎn)換復(fù)雜、效率低:CLIP接入的數(shù)據(jù)鏈種類多，同時(shí)每種數(shù)據(jù)鏈均有眾多格式不同、類型不同、精度不同的消息，各型數(shù)據(jù)鏈消息均是面向BIT流的，因此用程序?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)鏈間的格式轉(zhuǎn)換會(huì)非常復(fù)雜且效率不高。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言 （eXtensible Markup Language，XML）進(jìn)行鏈間消息處理的靈活方法，但是在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，用DOM （document object model）進(jìn)行XML解析存在著資源耗費(fèi)多、效率低的現(xiàn)象，用SAX（Simple API for XML）進(jìn)行XML解析又有不能隨機(jī)的訪問和修改XML文檔的問題。

（3）系統(tǒng)冗余度高，不利于維護(hù):CLIP是一個(gè)功能繁多的系統(tǒng)，一個(gè)典型的CLIP包括終端設(shè)備的初始化、鏈路選擇、網(wǎng)絡(luò)控制管理、接口處理、平臺(tái)和狀態(tài)維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、鏈間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、主機(jī)I／O等模塊，而很多模塊之間均有互相使用的關(guān)系，這意味這每一個(gè)模塊內(nèi)部均要維護(hù)和其它模塊之間的連接，從而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得非常冗余，不利于維護(hù)和升級，圖2為某仿真平臺(tái)上一個(gè)典型的CLIP系統(tǒng)內(nèi)模塊間的交聯(lián)關(guān)系。

圖2 CLIP系統(tǒng)內(nèi)模塊交聯(lián)關(guān)系

（4）實(shí)現(xiàn)消息過濾器工作繁瑣:CLIP同時(shí)接入了多種不同的數(shù)據(jù)鏈，各種數(shù)據(jù)鏈在速率、戰(zhàn)術(shù)信息量等方面是不同的。CLIP一個(gè)重要的功能就是實(shí)現(xiàn)鏈間信息轉(zhuǎn)發(fā)，而當(dāng)速率高、信息量大的鏈路向速率低、信息量小的鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，很容易使低速的鏈路飽和，增加系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，因此系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)消息過濾器對消息進(jìn)行篩選。消息過濾器的判決規(guī)則都是基于消息等待時(shí)間和優(yōu)先級，傳統(tǒng)的處理方式均是程序周期主動(dòng)地對消息隊(duì)列中的所有消息的等待時(shí)間和優(yōu)先級進(jìn)行檢查，這是一個(gè)非常浩繁的工作，特別是消息過濾的規(guī)則需要修改的時(shí)候。

有沒有解決這些問題的辦法？在回答這個(gè)問題之前，先介紹一下DDS技術(shù)及其特點(diǎn)。

3 DDS介紹

DDS是由OMG頒布的一套互聯(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)對象由IDL（接口定義語言）定義，用 “主題”（Topic）進(jìn)行標(biāo)識，主題是通信雙方聯(lián)系的唯一紐帶[7]。通過這種發(fā)布／訂閱機(jī)制，DDS構(gòu)建了一個(gè)共享的 “全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”，系統(tǒng)中的各個(gè)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)各種構(gòu)件之間的耦合性，很容易構(gòu)建一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的、高效的、可擴(kuò)展的、與平臺(tái)和位置無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。目前DDS最新版本為2007年發(fā)布的1.2版，它支持幾乎所有的總線，同時(shí)提供23個(gè)質(zhì)量服務(wù) （quality of service，Qos）對數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)進(jìn)行控制，為上層應(yīng)用提供極大的方便[8]，如圖3所示。

圖3 DDS架構(gòu)

4 將DDS引入多鏈集成

相對于傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，使用DDS會(huì)給多鏈集成系統(tǒng)帶來以下好處:

（1）提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性:DDS采用統(tǒng)一的方式來定義接口，同時(shí)支持串口、以太網(wǎng)、光纖信道 （fiber channel，F(xiàn)C）等幾乎所有的常用總線，可以屏蔽因總線多樣性而帶來的復(fù)雜度。系統(tǒng)使用DDS以后，接入一種新的數(shù)據(jù)鏈終端將非常方便，只需完成終端到DDS的適配即可，靈活性較高。

（2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換簡單、效率高:DDS的接口均統(tǒng)一使用清晰而簡潔的IDL來定義，相對于傳統(tǒng)的面向BIT流的接口處理方式，鏈路之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換相當(dāng)高效和快速。

（3）提供松耦合的系統(tǒng)架構(gòu)，降低系統(tǒng)的冗余度:在DDS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是松耦合的關(guān)系，即參與交互的節(jié)點(diǎn)之間不需建立和維護(hù)連接，節(jié)點(diǎn)間的通信僅需要一個(gè)主題就能完成，在系統(tǒng)內(nèi)增加／刪除節(jié)點(diǎn)不會(huì)對其它節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生任何影響。

（4）提供Qos降低系統(tǒng)的工作量:DDS擁有23個(gè)Qos，用戶通過配置DDS的Qos可以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，為用戶提供了極大的方便，比如LifespanQos實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間的數(shù)據(jù)過濾機(jī)制、TransportPriorityQos實(shí)現(xiàn)了基于優(yōu)先級的數(shù)據(jù)過濾機(jī)制。

簡而言之，將DDS引入到多鏈集成系統(tǒng)中能屏蔽各種總線的差異從而提高擴(kuò)展性；為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)高效的鏈間數(shù)據(jù)消息轉(zhuǎn)換；通過松耦合的系統(tǒng)架構(gòu)降低系統(tǒng)冗余度；同時(shí)提供了Qos減少系統(tǒng)的工作量。因此，新的軟件方案采用DDS作為各個(gè)模塊間數(shù)據(jù)交互的手段來彌補(bǔ)傳統(tǒng)CLIP系統(tǒng)架構(gòu)的不足。為后續(xù)描述方便，簡稱引入DDS之前的為舊版方案，引入DDS以后的為新版方案。

4.1 軟件設(shè)計(jì)

新版CLIP的軟件方案采用和舊版方案一樣的結(jié)構(gòu)，還是分為終端I／O、鏈路處理、主機(jī)I／O這3個(gè)層次，對外接口不變，內(nèi)部采用DDS作為系統(tǒng)各個(gè)模塊間的軟總線，如圖4所示。

圖4 新版方案系統(tǒng)架構(gòu)

4.1.1 終端I／O層設(shè)計(jì)

終端I／O完成各個(gè)數(shù)據(jù)鏈終端的接入，是整個(gè)多鏈集成系統(tǒng)的核心和支柱。因?yàn)楦鱾€(gè)數(shù)據(jù)鏈終端以及和終端相連的總線是無法修改的，因此I／O層要以DDS的方式完成各個(gè)數(shù)據(jù)終端的接入。目前DDS支持幾乎所有數(shù)據(jù)鏈終端應(yīng)用的總線，因此要實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)鏈終端的接入不存在技術(shù)問題。以后需要接入新數(shù)據(jù)鏈時(shí)，只需修改I／O層，增加相應(yīng)的適配程序即可。

4.1.2 鏈路處理層設(shè)計(jì)

鏈路處理層完成多鏈集成處理的業(yè)務(wù)邏輯，包括終端初始化、鏈路選擇、網(wǎng)絡(luò)控制管理、平臺(tái)和狀態(tài)維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、鏈間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，它層采用構(gòu)件化、模塊化、通用化的設(shè)計(jì)思想。因?yàn)槭褂昧薉DS松耦合的系統(tǒng)架構(gòu)，每個(gè)模塊僅僅以主題和 “全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”交互，所以這種方式的組件支持熱插拔 （即插即用）且具有易于安裝／拆卸、功能獨(dú)立、接口開放、升級方便、二次開發(fā)簡單等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)各類指控系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)的集成需求，當(dāng)需求有變化時(shí)候也會(huì)使現(xiàn)有軟件改動(dòng)量最小。

其中鏈間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊中消息過濾器的功能用DDS提供的Qos來實(shí)現(xiàn)，用LifespanQos實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間的消息過濾功能、用TransportPriorityQos實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級的消息過濾功能。

4.1.3 主機(jī)I／O層設(shè)計(jì)

主機(jī)I／O層完成對頂層應(yīng)用的接口適配，根據(jù)不同的需求完成用戶接口到DDS接口的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將用戶對消息過濾規(guī)則的定制映射為Qos的對應(yīng)設(shè)置。當(dāng)頂層應(yīng)用的需求有變化時(shí)，只需要修改主機(jī)I／O層即可，讓軟件升級簡單而高效。

4.2 方案對比

我們基于某仿真平臺(tái)對新版方案和舊版方案的擴(kuò)展性、鏈間消息轉(zhuǎn)換的效率、系統(tǒng)內(nèi)部的冗余度、實(shí)現(xiàn)消息過濾器的工作量進(jìn)行了評測和對比。其中擴(kuò)展性、冗余度是系統(tǒng)架構(gòu)的一個(gè)定性屬性，無法給出量化的指標(biāo)，因此通過架構(gòu)的對比給出結(jié)論，消息過濾器的工作量通過代碼量的統(tǒng)計(jì)來進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的效率通過測試得出對比結(jié)果。

4.2.1 仿真測試環(huán)境介紹

新版方案和舊版方案軟件運(yùn)行的硬件環(huán)境采用Power－PC7448平臺(tái)，操作系統(tǒng)選用vxWorks5.5，新版方案使用的DDS產(chǎn)品是 RTI－DDSv4.5。仿真平臺(tái)外接 LINK16、LINK11、寬帶鏈模擬器和用戶界面模擬器，如圖5所示。

圖5 仿真測試環(huán)境

4.2.2 對比結(jié)論

（1）系統(tǒng)擴(kuò)展性:當(dāng)系統(tǒng)需要添加一種新型數(shù)據(jù)鏈時(shí)，舊版方案需要在終端I／O層上添加對應(yīng)的總線API，并實(shí)現(xiàn)BIT流到數(shù)據(jù)鏈消息報(bào)文格式的轉(zhuǎn)換，然后完成和終端初始化、網(wǎng)絡(luò)控制管理、平臺(tái)和狀態(tài)維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、鏈間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等模塊間的連接，還要在相應(yīng)的模塊添加對應(yīng)的處理邏輯，擴(kuò)展性不高。新版方案只需要在終端I／O層中添加將對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈引入到DDS全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的功能，并在鏈路處理層添加對應(yīng)主題數(shù)據(jù)的處理代碼即可，擴(kuò)展性較高。

（2）鏈間消息轉(zhuǎn)換效率:以LINK16的J序列消息轉(zhuǎn)換為LINK11的 M序列消息為樣本[9，10]，測試了25000次，舊版方案的平均轉(zhuǎn)換時(shí)間為15.3us，新版方案的平均轉(zhuǎn)換時(shí)間為4.3us。

（3）系統(tǒng)內(nèi)部的冗余度:對比圖2和圖4，舊版方案中各個(gè)模塊之間是一種多對多的緊耦合關(guān)系，各個(gè)模塊要耗費(fèi)較多資源去維護(hù)和其余模塊的連接，修改其中一個(gè)模塊會(huì)影響到其余很多模塊，是 “牽一發(fā)動(dòng)全身”的格局，冗余度較大。新版方案中各個(gè)模塊之間互相并不知道對方的任何信息，每個(gè)模塊只和全局?jǐn)?shù)據(jù)空間交互，修改一個(gè)模塊不會(huì)影響到其它模塊，冗余度小。

（4）消息過濾器的工作量:以LINK16的J序列消息轉(zhuǎn)換為LINK11的M序列的消息過濾器的代碼量為統(tǒng)計(jì)樣本，舊版方案在Tornado環(huán)境下用C＋＋語言實(shí)現(xiàn)，花費(fèi)了3300行左右的代碼 ；新版方案用DDS的Qos實(shí)現(xiàn)，代碼量為零。

5 結(jié)束語

本文基于某個(gè)仿真系統(tǒng)，首先論述了傳統(tǒng)的多鏈集成系統(tǒng)存在的問題，即擴(kuò)展性差、鏈間消息轉(zhuǎn)換效率低、系統(tǒng)冗余度大、實(shí)現(xiàn)消息過濾器工作繁瑣。接著討論了DDS技術(shù)，介紹了其技術(shù)特點(diǎn)，闡明了DDS給多鏈集成系統(tǒng)帶來的好處，分析了將DDS引入到多鏈集成系統(tǒng)中的可行性，最后介紹了基于DDS構(gòu)建的多鏈集成系統(tǒng)的新版方案，并通過測試和比較證明了新版方案解決了舊版方案存在的不足之處。

綜合一體化的多鏈集成系統(tǒng)是今后信息化戰(zhàn)爭的關(guān)鍵裝備，多鏈集成應(yīng)用技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法是值得我國認(rèn)真分析和研究的課題，本文提出的基于DDS的多鏈集成系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，增強(qiáng)了鏈間消息轉(zhuǎn)換的效率和靈活性，降低了系統(tǒng)的冗余度，解決了消息過濾器工作量大的問題，對開發(fā)多鏈集成系統(tǒng)和軟件有借鑒作用。

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