基于對象序列化技術(shù)的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)

朱建紅 陸保國

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 江蘇 210007）

0 引 言

當前C4I系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)正處在向構(gòu)件化、服務化的方向發(fā)展，隨著我軍新一代裝備的陸續(xù)加入、新型的網(wǎng)絡設(shè)施以及嶄新的軟件開發(fā)模式的應用都對分布式實時環(huán)境下的數(shù)據(jù)分發(fā)服務（Data Distribution Service，DDS）提出了更高的需求。隨著各種類型數(shù)據(jù)源的大量出現(xiàn)，信息處理系統(tǒng)需要將不同地點和不同時間的數(shù)據(jù)進行整合，數(shù)據(jù)分發(fā)過程隨著數(shù)據(jù)需求的多樣性而變得更加復雜，數(shù)據(jù)分發(fā)不僅需要建立兩者間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，還需要提供數(shù)據(jù)在時間、空間和功能上的擴展能力。目前，國外已經(jīng)有比較成熟的DDS產(chǎn)品，像美國RTI（Real -Time Innovations，Inc.）公司的 NDDS（Network Data Distribution Service）已經(jīng)廣泛應用到了美國海、陸、空、航天各個領(lǐng)域。而我國對分布式實時通信環(huán)境下數(shù)據(jù)分發(fā)服務的研究尚處于起步階段。

本文針對當前指揮控制系統(tǒng)中對分布式情況下結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實時傳輸和共享需求，提出了一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡中間件，采用發(fā)布/訂閱通信模式，結(jié)合輕量級的數(shù)據(jù)交換格式JSON（JavaScript Object Notation），提供了統(tǒng)一、一致的應用程序編程接口AP I，為實時環(huán)境下以數(shù)據(jù)為中心的分布式應用提供高效、有用的通信服務。

1 基于JSON的對象序列化算法

1.1 JSON 文法簡介

JSON是一種用于標記JavaScript對象的數(shù)據(jù)交換格式。不僅易于人類閱讀和編程，同時易于機器解析和生成。JSON是采用完全獨立于語言的文本格式，但是也使用了類似于各種語言的習慣（C，C++，Object-C，C#，JAVA，JavaScript，Python，Ruby等），這些特性使JSON成為理想的數(shù)據(jù)交換語言。

JSON是一個輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，和XML一樣是基于純文本的，但是JSON的數(shù)據(jù)格式非常簡單靈活，用之進行數(shù)據(jù)交換是一個很好的選擇。JSON和XML最大的不同在于XML是一個完整的標記語言，而JSON不是。XML在數(shù)據(jù)存儲，擴展性和高級檢索方面具備對JSON的優(yōu)勢，而JSON則比XML更加小巧，靈活，更容易解析，有著更好的序列化性能，更適合于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。

JSON協(xié)議中總共定義了6種數(shù)據(jù)格式：

①string，其格式為：“abc”；

②number，其格式為：12345（int），12.356（float）；

③boolean，其格式為：true或false（沒有雙引號，否則被視為一個string）；

④空字符，null（小寫）。

⑤array，使用[]包含所有元素，每個元素用逗號隔開，元素可以是任意的 value，其格式為：[“abc”，1234，false，null]；

⑥Object，使用{}包含的一系列無序的key-value鍵值對表示的，和JAVA中的Map類似。（key只能用string表示，而且不能包含特殊的字符），其格式為：{”city”：”BeiJing”，”street”：”ChaoYangRoad”，”postcode”：100025}。

1.2 基于JSON 的對象序列化算法的設(shè)計

本文需要將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)抽象成JSON的對象，這就需要在JSON的對象中包含數(shù)據(jù)對象名稱，數(shù)據(jù)條數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述，數(shù)據(jù)內(nèi)容等四個方面，結(jié)合JSON提供的6種數(shù)據(jù)格式我們采用array和object兩種數(shù)據(jù)格式和表達結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

首先用一個名稱為”root”的object表示整個結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；

再分別用名稱為"objname"和"rowcnt"的 object表示數(shù)據(jù)對象名稱和數(shù)據(jù)條數(shù)；

再用一個名稱為”struct”的 array表示數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，其中包含字段名稱，字段類型和字段大小，在該array中每個字段都用相應的item表示，以便和下面描述的數(shù)據(jù)內(nèi)容映射；

最后用一個名稱為”content”的array來表示數(shù)據(jù)內(nèi)容，每行數(shù)據(jù)分別用一個 object作為該 array的元素，而在每個 object中用一個object來描述該數(shù)據(jù)行的行號，并用相應的item來表示關(guān)聯(lián)字段的值。

至此我們就可以將一個結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)抽象為JSON對象的數(shù)據(jù)格式，然后可以通用JSON協(xié)議提供的序列化函數(shù)將JSON對象序列化為二進制數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡傳輸。以下是抽象的 JSON對象：

“root”

{

"objname"："機場數(shù)據(jù)"，

"rowcnt"："3"，

"struct"

[

"item1"："機場，varchar，200"，

"item2"："地區(qū)，varchar，50"，

"item3"："經(jīng)度，number，（5，2）"，

"item4"："緯度，number，（5，2）"，

]

"content"

[

{

"contentno"："1"，

"item1"："楊村"，

"item2"："北京"，

"item3"："117.05"，

"item4"："39.22"

}，

{

"contentno"："2"，

"item1"："濰坊"，

"item2"："山東"，

"item3"："119.07"，

"item4"："36.38"

}

]

}

2 數(shù)據(jù)分發(fā)架構(gòu)

數(shù)據(jù)分發(fā)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實時共享，通過分布式的共享關(guān)系管理確定特定數(shù)據(jù)對象的分發(fā)方向，當數(shù)據(jù)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)時觸發(fā)分發(fā)事件，將帶結(jié)構(gòu)元信息的數(shù)據(jù)包發(fā)到數(shù)據(jù)用戶，數(shù)據(jù)用戶根據(jù)接收到數(shù)據(jù)包的內(nèi)容觸發(fā)相應的處理流程。數(shù)據(jù)用戶可按需執(zhí)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)入庫等操作。

3 數(shù)據(jù)分發(fā)方案設(shè)計

信息流程包含注冊階段和分發(fā)階段。注冊階段為數(shù)據(jù)源系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)用戶系統(tǒng)訂閱數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)共享關(guān)系；分發(fā)階段為數(shù)據(jù)源系統(tǒng)提交數(shù)據(jù)、觸發(fā)數(shù)據(jù)分發(fā)，數(shù)據(jù)用戶系統(tǒng)獲取并使用數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)共享過程。詳細流程如下：

3.1 數(shù)據(jù)發(fā)布（數(shù)據(jù)源系統(tǒng)）

（1）數(shù)據(jù)發(fā)布：作戰(zhàn)應用通過數(shù)據(jù)分發(fā)接口提交數(shù)據(jù)發(fā)布請求。

（2）數(shù)據(jù)源注冊：數(shù)據(jù)分發(fā)服務接到請求后，驗證合法性，并向數(shù)據(jù)中心注冊該數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)源系統(tǒng)信息存入數(shù)據(jù)目錄。

3.2 數(shù)據(jù)訂閱（數(shù)據(jù)用戶系統(tǒng)）

（1）數(shù)據(jù)訂閱：數(shù)據(jù)用戶系統(tǒng)的應用通過數(shù)據(jù)分發(fā)接口提交數(shù)據(jù)訂閱請求。

（2）數(shù)據(jù)用戶注冊：數(shù)據(jù)分發(fā)服務接到請求后，驗證合法性，并向數(shù)據(jù)中心注冊該數(shù)據(jù)用戶，數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)訂閱信息存入數(shù)據(jù)目錄，并向數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的分發(fā)服務部署訂閱信息；注冊成功后，數(shù)據(jù)用戶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務在本系統(tǒng)部署數(shù)據(jù)訂閱信息，將訂閱進程和數(shù)據(jù)類型進行綁定。

數(shù)據(jù)的發(fā)布和訂閱除了上述的由應用調(diào)用API的方式外，還應支持管理員注冊模式。通過數(shù)據(jù)中心的管理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)用戶的添加，進行數(shù)據(jù)發(fā)布的集中管理。

3.3 數(shù)據(jù)推送（數(shù)據(jù)源系統(tǒng)）

（1）數(shù)據(jù)提交：業(yè)務應用通過數(shù)據(jù)分發(fā)接口，向方法服務提交數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸：根據(jù)數(shù)據(jù)分發(fā)的配置信息，處理接收到的數(shù)據(jù)提交請求，按照（元數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容）的格式進行數(shù)據(jù)包組織，并發(fā)送到對應的數(shù)據(jù)分發(fā)目的端。

3.4 數(shù)據(jù)使用（數(shù)據(jù)用戶系統(tǒng)）

（1）數(shù)據(jù)通知：目的端的數(shù)據(jù)分發(fā)服務接收到結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)包后，根據(jù)數(shù)據(jù)分發(fā)配置信息確定接收和使用數(shù)據(jù)的業(yè)務應用，通知到業(yè)務應用，由業(yè)務應用通過封裝號的數(shù)據(jù)查詢接口進行數(shù)據(jù)查詢。通知的方式包括網(wǎng)絡消息和回調(diào)函數(shù)兩種。

（2）數(shù)據(jù)入庫：業(yè)務應用可按實際需求通過數(shù)據(jù)庫的訪問接口進行數(shù)據(jù)的本地入庫。也可有分發(fā)服務自動入庫，但目的端的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)定義必須與發(fā)布的數(shù)據(jù)對象的結(jié)構(gòu)定義一致。

下圖是數(shù)據(jù)分發(fā)工作流程圖：

圖2 數(shù)據(jù)分發(fā)流程圖

4 結(jié)論

本文以我軍指控系統(tǒng)為研究背景，以數(shù)據(jù)的實時共享為目標，以對象序列化技術(shù)為基礎(chǔ)，基于核心支撐平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)用戶的有機融合，提供系統(tǒng)間基于數(shù)據(jù)的聯(lián)動機制。主要有以下特點：

①實時的數(shù)據(jù)傳送。基于網(wǎng)絡底層傳輸機制、消息隊列等，實時地傳送需要共享的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)共享的時效性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)保鮮。

②服務化的共享關(guān)系管理。基于數(shù)據(jù)發(fā)布、訂閱、通知等服務化機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)用戶的解耦。

③結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的深層共享。遵循數(shù)據(jù)分類和數(shù)據(jù)標準，以帶自解析能力的格式在網(wǎng)絡上發(fā)布和傳輸，使用者可根據(jù)共享數(shù)據(jù)本身理解數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。

[1]李軍，“數(shù)據(jù)分發(fā)服務中的全局數(shù)據(jù)空間（GDS）的研究與設(shè)計”，船舶電子工程，Vol.30，No.4，2010.

[2]張濤，黃強，毛雅磊，“一個基于JSON的對象序列化算法”，計算機工程與應用，Vol.43，No.15，1970.

[3]馬衛(wèi)東，李幼平，“數(shù)據(jù)分發(fā)軟件設(shè)計分發(fā)”計算機應用，vol.55，no.4，pp.913–918，2005.

[4]李策，金建中，“陸軍作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)分發(fā)研究”指揮控制和仿真，vol.32，no.2，pp.29–34，2010.

[5]魯杰，王永斌，劉宏波，“基于XML 的報務系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)機制研究”計算機工程與設(shè)計，vol.31，no.12，pp.2707–2709，2010.

[6]溫水生，周琪云，江接寶，張任龍，胡斌“面向服務的數(shù)據(jù)分發(fā)機制的研究與實現(xiàn)”計算機與現(xiàn)代化，pp.128–135，2012.