基于通信中間件的雷達數據傳輸

朱佳麗，王靜嬌

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷達信息處理平臺數據傳輸系統(tǒng)目前存在以下情況：(1) 同一種軟硬件平臺下，不同的傳輸協(xié)議有不同的實現方式，多種傳輸協(xié)議之間沒有統(tǒng)一的、標準的傳輸接口；(2) 不同軟硬件平臺下，相同的傳輸協(xié)議實現也會有所不同，同一種傳輸協(xié)議在不同軟硬件平臺之間沒有統(tǒng)一的使用方式；(3) 異構軟硬件平臺之間通信時，應用軟件通信接口復雜而難以維護；(4) 進行數據傳輸須預先知曉通信對端的存在情況和位置信息。

在上述情況下，應用軟件在程序設計和實現時須考慮多種傳輸協(xié)議之間的差異，分別實現不同的傳輸協(xié)議和傳輸接口；應用程序使用傳輸接口通信時，須預先設置通信對端的位置，無法實現數據透明傳輸；應用軟件進行跨平臺移植時，須要考慮平臺軟硬件之間的差異，進行傳輸相關接口的適配和修改。傳輸接口作為應用軟件之間、應用軟件內部模塊之間的交互接口，上述情況不利于應用軟件的標準化、通用化、可擴展性和可移植性。

通信中間件可以屏蔽不同軟硬件環(huán)境的差異，為雷達數據傳輸提供一套標準的、統(tǒng)一的傳輸接口，縮短雷達應用軟件開發(fā)周期，提高雷達應用軟件的可維護性、可移植性和互聯(lián)互通性。諸多文獻都對此做了研究：通信中間件是實現異構系統(tǒng)間透明訪問的關鍵技術，目前已成為軍用電子設備開放式架構的關鍵組成部分[1]；多兵種、多層次、多系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)模式已廣泛應用于現代戰(zhàn)爭中，將通信中間件應用于雷達軟件，可提高雷達系統(tǒng)的魯棒性，為雷達系統(tǒng)進一步融入戰(zhàn)區(qū)指揮系統(tǒng)打下基礎[2]；通信中間件具有跨平臺性，可用于X86+40G網+LINUX和PPC+RapidIO+Vxworks等多種軟硬件平臺[3]；在雷達軟件設計中運用開放式軟件架構、軟件中間件技術、實時重構技術，可提高雷達軟件的可維護性[4]。

本文提出一種基于數據分發(fā)服務(Data Distribution Service，DDS)通信中間件作為傳輸接口的應用配置方法來解決上述問題。本方法通過一種配置通信節(jié)點的傳輸協(xié)議、發(fā)布、訂閱模式、接口和服務質量(Quality of Service，QoS)等信息的應用實例，實現為不同的傳輸協(xié)議提供統(tǒng)一的接口實現和傳輸配置方式，為應用軟件的擴展和重構提供支撐。

1 通信中間件模型

通信中間件采用圖1所示的發(fā)布/訂閱模型，主要由域、域參與者、發(fā)布者、訂閱者、服務質量等構成。域是物理網絡從邏輯上劃分形成域，只有同一個域內的應用程序之間才能進行數據交互。參與通信的節(jié)點被分成產生數據的發(fā)布者和使用數據的訂閱者，發(fā)布者和訂閱者之間通過主題通信，只有擁有相同主題的讀者和寫者之間才能通信，一個節(jié)點可以既是發(fā)布者又是訂閱者。對于用戶而言，僅僅需要標識自己所需求的通信類型，并以特定格式描述所使用的數據格式就能與其他節(jié)點建立通信，所有的通信細節(jié)都由通信中間件進行管理。通信中間件按主題組織系統(tǒng)中的所有數據，發(fā)布者通過數據寫者發(fā)布需要分享的主題數據，訂閱者通過數據讀者訂閱自己感興趣的主題數據，無需其他應用程序的存在性以及位置信息，實現空間、時間上解耦合。DDS通信中間件通過豐富的通信服務質量QoS配置功能，支持多種通信協(xié)議和通信行為配置，提供雷達數據通信行為定制能力。

圖1 發(fā)布/訂閱通信模型

2 基于通信中間件的雷達數據傳輸

2.1 基于通信中間件的傳輸接口

對于不同的軟硬件平臺和不同的傳輸協(xié)議，通信中間件提供標準的、統(tǒng)一的傳輸接口，接口主要包括DDS初始化接口、創(chuàng)建域參與者接口、主題發(fā)布接口、主題訂閱接口、寫數據接口、監(jiān)聽數據接口、資源回收接口，具體如表1所示。通信中間件提供不同軟硬件平臺下的庫文件和頭文件，包括X86+Windows、X86+Linux、飛騰+Linux等，并通過QoS配置來實現通信協(xié)議的選擇，使用戶在設計通信接口時不需要考慮軟硬件平臺以及傳輸協(xié)議之間的接口差異。

表1 通信中間件傳輸接口

2.2 雷達數據傳輸QoS配置

在使用通信中間件進行雷達數據通信時，通過QoS配置實現通信協(xié)議的選擇以及通信行為的定制。QoS可以理解為雷達數據提供者和數據接收者之間的“合約”，通信兩端的QoS配置要保持一致。DDS通信中間件以數據為中心，雷達設備數據業(yè)務類型多樣，從中頻數據、視頻數據到點航跡類數據、控制信息等，其帶寬、實時性、拓撲、協(xié)議等均大相徑庭，通信中間件通過QoS服務配置來滿足各種應用場景需求。

QoS配置作用的通信中間件實體包括域參與者、數據讀者、數據寫者等，其中域參與者的QoS配置對于其對應的所有數據讀者和數據寫者均有效。通過QoS配置可以設置傳輸協(xié)議、傳輸方式、傳輸模式。傳輸協(xié)議主要包括SRIO、TCP、UDP等，傳輸方式包括點播、組播，傳輸模式包括可靠傳輸和盡力而為傳輸模式，QoS配置具體如表2所示。

表2 通信中間件QoS配置與實現

通信中間件采用XML文件描述QoS配置信息，一個XML文件中可以包含應用所需的所有QoS配置。用戶只需在表1標準接口中引用XML文件中的實體QoS，即可實現傳輸協(xié)議、傳輸方式、傳輸模式等配置。采用XML文件描述QoS可使配置信息與應用軟件松耦合，實現配置信息的跨平臺移植。圖2是一個包含Rapido、TCP、UDP等傳輸協(xié)議的QoS配置。

圖2 XML文件描述QoS信息

2.3 基于通信中間件的雷達數據通信設計

雷達數字后端傳輸數據有點航跡數據、視頻數據、控制信息等，根據數據傳輸帶寬要求會涉及SRIO、UDP、TCP等多種通信協(xié)議，不同通信協(xié)議有不同的通信處理流程和通信接口實現。采用DDS通信中間件進行數據通信時，可以屏蔽軟硬件平臺和通信協(xié)議之間的差別， 提供標準的統(tǒng)一的通信處理流程和通信接口。在不同的軟硬件平臺下，基于通信中間件的雷達數據通信實現流程如圖3所示，具體如下：

圖3 基于通信中間件的數據傳輸實現流程

(1) 設計通信的數據類型；

(2) 根據數據傳輸需求設計各實體的QoS配置；

(3) 初始化DDS通信接口；

(4) 創(chuàng)建域參與者，并設置通信域ID；

(5) 在數據發(fā)送端創(chuàng)建數據寫者，配置相關主題、數據類型和QoS服務類型，并通過數據寫者進行數據發(fā)布；

(6) 在數據接收端創(chuàng)建數據讀者，配置相關主題、數據類型、QoS服務類型以及數據監(jiān)聽器，通過數據讀者進行數據訂閱，并在回調接口中處理數據；

(7) 清理回收資源。

使用通信中間件進行雷達數據傳輸時，通過表1標準接口、表2和圖2的QoS配置就能實現不同傳輸協(xié)議下接口的統(tǒng)一。一個同時包含了UDP協(xié)議和RapidIO協(xié)議的基于通信中間件的傳輸接口實現如下：

(1) 調用Init()接口進行DDS初始化；

(2) 分別創(chuàng)建UDP協(xié)議下的域參與者udpDp和RapidIO協(xié)議下的域參與者rioDp；

(3) 調用DDS_PubTopic()接口創(chuàng)建用于主題發(fā)布的數據寫者，通過參數設置傳輸協(xié)議、主題信息、支持的數據類型、傳輸模式；

(4) 調用DDS_SubTopic()接口創(chuàng)建用于主題訂閱的數據讀者，通過參數設置傳輸協(xié)議、主題信息、支持的數據類型、傳輸模式和數據監(jiān)聽器，通過監(jiān)聽函數監(jiān)聽主題數據的到來，并對數據進行接收處理；

(5) 調用write接口用于主題數據的發(fā)送；

(6) 調用DDS_Finalize()接口進行DDS資源回收。對于不同的軟硬件平臺，通信中間件分別提供了對應的庫文件和頭文件，通過引用對應的庫文件和頭文件，就能實現通信中間件接口軟件的跨平臺移植和代碼重用。對于異構平臺之間的通信，比如X86+Windows和飛騰+Linux平臺，通過使用不同平臺下對應的庫文件和頭文件，以及通信中間件標準的通信處理流程和統(tǒng)一的通信接口就可以實現異構平臺之間的通信。

從圖3可以看出，在同一軟硬件平臺下，通信中間件可以提供不同傳輸協(xié)議下標準的數據傳輸處理流程以及統(tǒng)一的傳輸接口實現；不同軟硬件平臺下，通過引用不同軟硬件平臺下的庫文件和頭文件，就能實現通信中間件接口軟件的移植和重用。通信中間件采用基于主題發(fā)布/訂閱的方式進行數據通信，通信中間件按主題組織系統(tǒng)中的所有數據。應用軟件使用通信中間件進行數據傳輸時，發(fā)布者通過數據寫者發(fā)布需要分享的主題數據，訂閱者通過數據讀者訂閱自己感興趣的主題數據，無需知道其他應用程序的存在性以及位置信息，可實現空間、時間上解耦合。

3 結束語

雷達信息處理平臺數據傳輸涉及多種軟硬件平臺和多種傳輸協(xié)議，本文提出一種基于DDS通信中間件作為傳輸接口的應用配置方法，通過一種配置通信節(jié)點的傳輸協(xié)議、發(fā)布、訂閱模式、接口和QoS等信息應用實例，實現為不同的傳輸協(xié)議提供統(tǒng)一的接口實現和傳輸配置方式，為應用軟件的擴展和重構提供支撐，實現應用軟件空間、時間上解耦合。