面向資源有限設(shè)備的DDS通信中間件設(shè)計(jì)

代江濤，高 博，萬嘉駿

(戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院,河南 鄭州 450000)

在工業(yè)4.0的大背景下，物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算等技術(shù)迅速發(fā)展。隨著應(yīng)用場景的多元化，單一的設(shè)備或者系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足生產(chǎn)生活的需求，各個(gè)分布式的功能單元之間需要協(xié)同合作來完成復(fù)雜的任務(wù)[1]。在開發(fā)分布式應(yīng)用的過程中，由于設(shè)備平臺軟硬件環(huán)境的差異，用戶需要根據(jù)平臺特性通過平臺相關(guān)的專有化編程接口進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。應(yīng)用與底層運(yùn)行環(huán)境緊密耦合，導(dǎo)致分布式系統(tǒng)整體開發(fā)難度增加，應(yīng)用可移植性較差[2-3]。

通信中間件屏蔽了底層復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)編程操作和平臺相關(guān)的應(yīng)用編程接口，使用標(biāo)準(zhǔn)的編程接口為應(yīng)用提供統(tǒng)一的編程模型，降低了分布式應(yīng)用的開發(fā)難度[4]。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)提出的一種以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱式實(shí)時(shí)通信中間件規(guī)范，定義了分布式應(yīng)用之間數(shù)據(jù)交換、行為交互和服務(wù)質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)，被稱為新一代的系統(tǒng)集成中間件標(biāo)準(zhǔn)[5]。DDS以數(shù)據(jù)為中心的思想，適用于對數(shù)據(jù)處理能力要求較高的物聯(lián)網(wǎng)場景，同時(shí)其擁有較高的實(shí)時(shí)性和靈活性，能夠按照實(shí)際需求自定義用戶數(shù)據(jù)格式或消息、擴(kuò)展或刪減功能。當(dāng)前市場中大部分的DDS通信中間件專門為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)[6]，系統(tǒng)較為龐大，而針對資源有限的嵌入式場景方面的研究較少。

eProsima公司遵循OMG組織的XRCE-DDS(eXtremely Resource Constrained Environments DDS)規(guī)范[7]，面向資源有限的設(shè)備提出了Micro XRCE-DDS解決方案。該方案采用客戶端/服務(wù)端的通信模型，在資源有限的設(shè)備上運(yùn)行定制的輕量級Micro XRCE-DDS客戶端應(yīng)用，在資源比較充足的設(shè)備上運(yùn)行Micro XRCE-DDS代理應(yīng)用，客戶端和代理之間通過XRCE協(xié)議進(jìn)行通信。Micro XRCE-DDS代理接收到客戶端的數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RTPS協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的DDS應(yīng)用的交互。各個(gè)客戶端之間的發(fā)現(xiàn)、連接、通信均由代理應(yīng)用完成。該方案通過將DDS的部分功能遷移到代理端，降低了客戶端的資源需求，實(shí)現(xiàn)了DDS應(yīng)用在嵌入式設(shè)備上的部署。但是代理的引入增加了額外的通信時(shí)間開銷，降低了應(yīng)用的實(shí)時(shí)性。此外，隨著接入設(shè)備的增加，代理節(jié)點(diǎn)的負(fù)載也會(huì)不斷增加，增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性。

TinyDDS是專為無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor and Actor Network，WSAN)設(shè)計(jì)的輕量化DDS通信中間件，符合OMG DDS的標(biāo)準(zhǔn)。面向MCU設(shè)備的TinyDDS依賴于TinyOS，使用nesC語言作為實(shí)現(xiàn)語言，能夠?yàn)橛脩籼峁┛膳渲玫?、基于任?wù)和硬件事件的并發(fā)處理模型，適用于多節(jié)點(diǎn)的嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)[8]。TinyDDS采用中心化的通信模型，各客戶端的發(fā)現(xiàn)、通信必須經(jīng)由代理進(jìn)行中轉(zhuǎn)，易造成代理節(jié)點(diǎn)繁忙，增加了丟包的可能性。此外，其與TinyOS深度耦合，可移植性較差。針對TinyDDS中心化的通信模型產(chǎn)生的問題，文獻(xiàn)[9]基于TinyDDS設(shè)計(jì)了一種去中心化的DDS中間件，該中間件被稱為Bloker-Less TinyDDS(BLTDSS)中間件。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，不再經(jīng)由代理，直接在本地獲取路由信息，增加了通信的響應(yīng)速度，同時(shí)去中心化的通信模型也將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，增加了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。但是由于采用了泛洪式的發(fā)現(xiàn)機(jī)制，導(dǎo)致在發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)過程中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載較高，導(dǎo)致各個(gè)節(jié)點(diǎn)間建立連接的過程較為緩慢。因此，文獻(xiàn)[10]提出了Hybrid TinyDDS(HyTDDS)中間件。該中間件采用混合式的通信模型。在節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過程中，使用中心化的通信模型，降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，各個(gè)客戶端通過代理獲取與本節(jié)點(diǎn)有通信需求的其它客戶端的訂閱信息和網(wǎng)絡(luò)位置信息，并保存到本地路由表中。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用去中心化的通信模型，各個(gè)發(fā)布/訂閱節(jié)點(diǎn)使用本地路由信息與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)通信。BLTDDS和HyTDDS均是基于TinyDDS改良后的中間件。雖然兩者都解決了TinyDDS的通信模型引入的部分問題，但是無法解決其跨平臺能力不足的問題。

為了能夠在嵌入式設(shè)備上部署DDS通信中間件，文獻(xiàn)[11]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)功能的DDS裁剪策略。當(dāng)節(jié)點(diǎn)為發(fā)布者時(shí)，DDS中間件僅包含發(fā)布相關(guān)功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)為訂閱者時(shí)，DDS中間件僅包含訂閱相關(guān)功能，從而降低了DDS中間件對資源的需求量，并提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是，這也造成了節(jié)點(diǎn)之間的不對稱性，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)后期升級比較復(fù)雜。

從上文的分析中可以看出，當(dāng)前針對嵌入式場景中的DDS通信中間件的研究主要從通信模型、功能裁剪等方面入手，有效解決了嵌入式設(shè)備計(jì)算、存儲資源不足的問題，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但目前針對通信資源方面的研究較少，而其也是嵌入式設(shè)備受限資源之一。因此，本文基于DDS規(guī)范，結(jié)合嵌入式設(shè)備資源受限的特點(diǎn)，對其功能和傳輸協(xié)議進(jìn)行精簡化，并特別針對通信資源有限的問題，提出了一種基于卡爾曼濾波模型的對稱式發(fā)布訂閱通信機(jī)制，有效降低了通信資源的消耗。本文設(shè)計(jì)的DDS通信中間件使用C語言進(jìn)行開發(fā)，具有良好的可移植性，并已經(jīng)在STM32 + RT-Thread平臺和X86 + Linux平臺進(jìn)行了測試驗(yàn)證。測試結(jié)果證明，本通信中間件能夠在按照DDS規(guī)范為分布式應(yīng)用提供基本交互服務(wù)的同時(shí)，提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少通信帶寬的占用。

1 DDS

1.1 分層架構(gòu)

OMG制定的DDS規(guī)范詳細(xì)描述了底層數(shù)據(jù)交互細(xì)節(jié)和應(yīng)用編程接口(Application Programming Interface，API)信息[12]，并將其分為了如圖1所示的兩個(gè)層次：(1) 以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱層(Data-Centric Publish-Subscribe，DCPS)。該層是DDS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)層，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的訂閱、發(fā)布，按照約定的協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建或解析；(2) 本地?cái)?shù)據(jù)重構(gòu)層(Data Local Reconstruction Layer，DLRL)。該層是可選層，用于將DCPS層提交的字節(jié)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定格式的數(shù)據(jù)，方便用戶訪問。同時(shí)，對DCPS層的部分功能進(jìn)行了封裝，為用戶提供了更加簡易的操作接口。

圖1 DDS分層架構(gòu)Figure 1. DDS layered architecture

1.2 以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱模型

DDS規(guī)范描述的各種成員對象被稱為實(shí)體(Entity)。DDS以數(shù)據(jù)為中心的訂閱-發(fā)布模型為分布式的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)引入了全局?jǐn)?shù)據(jù)空間(Global Data Space，GDS)的概念。系統(tǒng)中對該空間中數(shù)據(jù)感興趣的應(yīng)用都可以接入其中。

DDS使用域(Domain)將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的邏輯分組，同一個(gè)域內(nèi)的實(shí)體對象可以相互通信，不同域之間相互獨(dú)立。DDS參與者(Participant)是承載其它實(shí)體對象的容器。每個(gè)參與者由發(fā)布者(Publisher)、訂閱者(Subscriber)和主題(Topic)組成，并負(fù)責(zé)對這些實(shí)體的創(chuàng)建、刪除和管理[13]。每個(gè)發(fā)布者至少與一個(gè)數(shù)據(jù)寫入者(Data Writer)相關(guān)聯(lián)，并負(fù)責(zé)創(chuàng)建、刪除和管理數(shù)據(jù)寫入者。相應(yīng)地，每個(gè)訂閱者至少與一個(gè)數(shù)據(jù)讀取者(Data Reader)相關(guān)聯(lián)，并負(fù)責(zé)創(chuàng)建、刪除和管理數(shù)據(jù)讀取者。數(shù)據(jù)寫入者是數(shù)據(jù)發(fā)送的直接交互實(shí)體，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中，供其它實(shí)體使用。數(shù)據(jù)讀取者是數(shù)據(jù)接收的直接交互實(shí)體，負(fù)責(zé)在全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中獲取所需數(shù)據(jù)。為了區(qū)分系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)體對象，使用全局唯一標(biāo)識(Globally Unique Indentifier，GUID)對各個(gè)實(shí)體對象進(jìn)行標(biāo)記，該標(biāo)識格式為{前綴，實(shí)體ID}，同一個(gè)參與者內(nèi)部的各個(gè)實(shí)體擁有相同的前綴。DDS 中各個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系及數(shù)據(jù)收發(fā)過程如圖2所示。

圖2 DDS數(shù)據(jù)分發(fā)模型Figure 2. DDS data distribution model

2 輕量級 DDS 設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

分層式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方式能夠保證各層次內(nèi)部高度耦合，層與層之間實(shí)現(xiàn)解耦[14]。軟件在迭代過程中，只需要替換相應(yīng)層級內(nèi)容即可，無需對其它層級內(nèi)容更改，與嵌入式場景中應(yīng)用需求多變的特點(diǎn)較為匹配。

如圖3所示，在實(shí)際應(yīng)用場景中，可以將引入本通信中間件的系統(tǒng)自下而上劃分為4個(gè)層次：硬件層、支撐軟件層、通信中間件層、應(yīng)用層。硬件層包括處理器、通信總線、存儲設(shè)備和其它片上控制器外設(shè)。支撐軟件是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)和軟件包等與設(shè)備密切相關(guān)的軟件環(huán)境。通信中間件層是本文設(shè)計(jì)的核心，基于DDS規(guī)范的通信中間件，簡化了通信細(xì)節(jié)，解耦了應(yīng)用與底層軟件環(huán)境的同時(shí)，向應(yīng)用提供了統(tǒng)一的編程接口，方便應(yīng)用的開發(fā)和遷移。應(yīng)用層是用戶需求功能的具體實(shí)現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)分層架構(gòu)Figure 3. Hierarchical system architecture

通信中間件層是本文設(shè)計(jì)的核心，其按功能可化分為5個(gè)主要模塊：

(1)消息報(bào)文管理模塊。負(fù)責(zé)將用戶數(shù)據(jù)封裝為UDP-RTPS協(xié)議類型的消息包，并解析接收到的UDP-RTPS消息包；

(2)動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)模塊。在節(jié)點(diǎn)應(yīng)用運(yùn)行過程中，周期性地發(fā)送動(dòng)態(tài)加入報(bào)文，將本節(jié)點(diǎn)的位置信息和實(shí)體信息告知其它節(jié)點(diǎn)；

(3)節(jié)點(diǎn)信息管理模塊。維護(hù)本節(jié)點(diǎn)訂閱者、發(fā)布者信息和位置相關(guān)信息等；維護(hù)與本節(jié)點(diǎn)有通信需求的訂閱者及其位置信息等；

(4)事件處理模塊。解耦各個(gè)功能模塊，處理各個(gè)模塊產(chǎn)生的事件，并協(xié)調(diào)各模塊之間的交互；

(5)數(shù)據(jù)模型庫模塊。用戶根據(jù)實(shí)際場景，對數(shù)據(jù)建模后的模型庫，通過模型預(yù)測更新數(shù)據(jù)，減少發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)量。

2.2 功能裁剪

完整的DDS規(guī)范對通信協(xié)議和API接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，從通信層面的發(fā)現(xiàn)、連接、QoS、交互等到軟件層面的實(shí)體對象、消息構(gòu)建和接口定義等，均有較為詳細(xì)地說明。因此完整的DDS通信中間件對資源有較高的要求。

為了能夠在資源有限的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)DDS中間件的部署，必須對其功能和協(xié)議進(jìn)行裁剪。在深入研究DDS規(guī)范和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型后，將QoS策略和RTPS協(xié)議作為主要優(yōu)化對象。

DDS支持多達(dá)22種QoS策略，除了基于傳輸可靠性的策略，還有基于優(yōu)先級、傳輸時(shí)間和資源限制等高級策略。多樣化的QoS支持提高了應(yīng)用的靈活性[15]，但同時(shí)也增加了應(yīng)用程序?qū)τ?jì)算、存儲資源的需求。在一般的中小型區(qū)域化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，嵌入式設(shè)備是主要的組成節(jié)點(diǎn)，基于可靠性的QoS策略可以滿足大部分的應(yīng)用需求。因此，本文針對嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的DDS通信中間件僅實(shí)現(xiàn)基于可靠性的QoS策略。

DDS使用RTPS協(xié)議進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)報(bào)文被稱為消息。消息由各種子消息組成，包括數(shù)據(jù)子消息、心跳子消息、時(shí)間戳子消息和數(shù)據(jù)分段子消息等。在嵌入式場景中，大部分節(jié)點(diǎn)發(fā)送的是通過傳感器獲取的短數(shù)據(jù)，僅需一個(gè)消息就可以完成傳輸，對于少量較長的數(shù)據(jù)，用戶可以通過簡單的分段機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。因此，將RTPS中與數(shù)據(jù)分段相關(guān)的數(shù)據(jù)段子消息、數(shù)據(jù)段NACK子消息和數(shù)據(jù)段心跳子消息略去，可減少協(xié)議棧處理過程中的分支判斷次數(shù)，同時(shí)也減少了代碼體積。

2.3 基于卡爾曼濾波模型的數(shù)據(jù)分發(fā)

2.3.1 數(shù)據(jù)分類

在嵌入式系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)類型可以簡單分為3類：傳感器數(shù)據(jù)、控制命令數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)。各種數(shù)據(jù)特性如下：

(1)傳感器數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的某些物理量(溫度、濕度等)經(jīng)由專門的轉(zhuǎn)換芯片處理后得到的數(shù)值表示，與現(xiàn)實(shí)環(huán)境有較強(qiáng)的相關(guān)性。該類數(shù)據(jù)一般為周期性數(shù)據(jù)，且相鄰數(shù)據(jù)間存在聯(lián)系，具有可預(yù)測性；

(2)控制命令數(shù)據(jù)。由于某些事件或中斷的發(fā)生，應(yīng)用產(chǎn)生的控制指令信息的數(shù)值表示，例如燈開關(guān)、舵機(jī)轉(zhuǎn)速等。該類數(shù)據(jù)需要較強(qiáng)的可靠性，以保證控制命令及時(shí)、準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，調(diào)整目標(biāo)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，確保整個(gè)系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行；

(3)流數(shù)據(jù)。需要順序、連續(xù)到達(dá)的大批量數(shù)據(jù)序列，例如視頻、音頻等。該類數(shù)據(jù)的傳輸要求盡快到達(dá)，并且允許一定的丟包率。

通過對嵌入式系統(tǒng)中3類數(shù)據(jù)特征的分析，可以看出3類數(shù)據(jù)在QoS要求、可預(yù)測性和連續(xù)性方面存在差異。對于控制命令數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)，其不存在可預(yù)測性，僅對QoS具有特定要求，因此使用一般的發(fā)布/訂閱方式即能夠滿足需求。對于傳感器數(shù)據(jù)，由于其存在可預(yù)測性，因此可以使用某種模型來描述數(shù)據(jù)，這也是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.3.2 卡爾曼濾波

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物理量一般為隨時(shí)間變化的連續(xù)值。在實(shí)際環(huán)境中，傳感器由于其自身的測量誤差，測量得到的環(huán)境數(shù)據(jù)與真實(shí)的數(shù)據(jù)存在偏差，因此通常需要額外的數(shù)據(jù)處理算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到較為準(zhǔn)確的最優(yōu)估計(jì)值?？柭鼮V波算法由于實(shí)現(xiàn)簡單和良好的估計(jì)性能，被廣泛用作嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)修正算法[16]。

卡爾曼濾波算法適合用于對線性系統(tǒng)的估計(jì)，其狀態(tài)空間模型可由預(yù)測方程和觀測方程進(jìn)行描述。對于離散數(shù)據(jù)，一般表示形式如式(1)和式(2)所示。

x(k)=F(k,k-1)x(k-1)+

B(k,k-1)u(k-1)+q(k)

(1)

z(k)=H(k)x(k)+r(k)

(2)

其中，x(k)表示第k個(gè)樣本的狀態(tài)；F(k,k-1)為從k-1到k時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；x(k-1)為第k-1個(gè)樣本的狀態(tài)；B(k,k-1)為k-1到k時(shí)刻的輸入增益矩陣；u(k-1)為k-1時(shí)刻的輸入向量；q(k)為k時(shí)刻的系統(tǒng)過程噪聲；z(k)為k時(shí)刻的觀測狀態(tài)；H(k)為k時(shí)刻的轉(zhuǎn)換矩陣；r(k)為k時(shí)刻的觀測噪聲。

在嵌入式系統(tǒng)中，傳感器數(shù)據(jù)一般為周期性的離散數(shù)據(jù)，且具有較好的線性，適合由卡爾曼算法進(jìn)行處理。同時(shí)，為了進(jìn)一步簡化模型，可以將式(1)中的輸入相關(guān)項(xiàng)略去，之后由卡爾曼濾波算法相關(guān)理論[17]可得到如下方程：

(1)預(yù)測方程為

x(k|k-1)=F(k,k-1)x(k-1|k-1)

(3)

P(k|k-1)=F(k,k-1)P(k-1|k-1)FT(k,k-1)+Q(k)

(4)

(2)更新方程

(5)

x(k|k)=x(k|k-1)+K(k)(z(k)-H(k)·

x(k|k-1))

(6)

P(k|k)=(I-K(k)H(k))P(k|k-1)

(7)

其中，x(k|k-1)為根據(jù)k-1時(shí)刻的狀態(tài)得到的k時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)；x(k|k)為k時(shí)刻的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)；P(k|k-1)為k-1時(shí)刻到k時(shí)刻的預(yù)測誤差協(xié)方差矩陣；Q(k)為過程誤差協(xié)方差矩陣；P(k|k)為k時(shí)刻的濾波預(yù)測誤差協(xié)方差矩陣；R(k)為觀測誤差協(xié)方差矩陣；I為單位矩陣。上述方程在卡爾曼濾波算法的執(zhí)行過程中不斷迭代，每次迭代后獲得當(dāng)前樣本的最優(yōu)估計(jì)值并更新模型。

2.3.3 基于卡爾曼濾波模型的發(fā)布/訂閱

由式(3)可知，卡爾曼算法可以根據(jù)上一時(shí)刻樣本狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)x(k-1|k-1)獲得當(dāng)前時(shí)刻樣本的先驗(yàn)估計(jì)x(k|k-1)。若某傳感器數(shù)據(jù)允許δ的誤差，即k時(shí)刻樣本的最優(yōu)估計(jì)x(k|k)與當(dāng)前時(shí)刻樣本的先驗(yàn)估計(jì)x(k|k-1)存在如下關(guān)系

|x(k|k)-x(k|k-1)|≤δ

(8)

此時(shí)，可以將當(dāng)前樣本的最優(yōu)估計(jì)值近似等價(jià)于當(dāng)前時(shí)刻樣本的先驗(yàn)估計(jì)，即

x(k|k)=x(k|k-1)=

F(k,k-1)x(k-1|k-1)

(9)

由式(9)可以看出，當(dāng)允許存在δ的誤差時(shí)，當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)僅與上一時(shí)刻的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣有關(guān)，不再與觀測值相關(guān)。

在基于DDS的通信系統(tǒng)中，發(fā)布者負(fù)責(zé)觀測傳感器數(shù)據(jù)，并將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送至訂閱者。結(jié)合上文的分析，若某時(shí)刻訂閱者本地存儲有上一時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)允許一定的偏差，則當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)可直接由上一時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)數(shù)據(jù)得出，無需觀測數(shù)據(jù)信息，即當(dāng)前時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)間可以不進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這樣操作不僅節(jié)約了通信帶寬，還降低了設(shè)備的能耗。

基于以上推論，本文在DDS中間件中，引入了一種基于卡爾曼濾波模型的發(fā)布訂閱機(jī)制，在保證數(shù)據(jù)更新率的同時(shí)，降低了數(shù)據(jù)的傳輸量。

為了保證訂閱者和發(fā)布者數(shù)據(jù)的同步更新，需要在兩端部署相同的卡爾曼模型。發(fā)布者每次獲得觀測數(shù)據(jù)后，通過檢驗(yàn)當(dāng)前模型預(yù)測誤差是否在允許范圍內(nèi)，決定是否向訂閱者傳送數(shù)據(jù)，算法偽代碼如下所示：

Input:x:當(dāng)前時(shí)刻傳感器觀測值

Input:δ:傳感器數(shù)據(jù)容錯(cuò)門限

1:x′=由模型估計(jì)得到的傳感器預(yù)測值；

2: if |x-x′| ≤δthen

3: 丟棄當(dāng)前時(shí)刻傳感器觀測值x；

4: else

5: 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻傳感器觀測值x更新模型；

6: 將當(dāng)前傳感器觀測值x傳送至訂閱端；

7: end if

訂閱者一般通過預(yù)測模型得到的預(yù)測值更新傳感器數(shù)據(jù)。如果接收到發(fā)布者發(fā)送的新數(shù)據(jù)，代表當(dāng)前模型預(yù)測精度不夠，需要使用新數(shù)據(jù)更新模型，偽代碼如下所示：

Input: flag:發(fā)布端數(shù)據(jù)到達(dá)標(biāo)志

Input:x:訂閱端收到的當(dāng)前時(shí)刻傳感器觀測值

1: if flag == true then

2: 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻傳感器觀測值x更新模型；

3: else

4: 由模型估計(jì)得到的傳感器預(yù)測值x′；

5: 將傳感器當(dāng)前值更新為x′；

6: end if

2.4 基于QoS的單隊(duì)列模型

在通信網(wǎng)絡(luò)中，為了保證發(fā)送方和接收方數(shù)據(jù)的正常交互，通常需要在雙方引入緩存隊(duì)列。常見的緩存隊(duì)列模型有多對列和單隊(duì)列模型。從文獻(xiàn)[18～19]中對多隊(duì)列調(diào)度算法的分析可以看出，多隊(duì)列模型需要較多的存儲資源，而且調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜，不適合在計(jì)算能力較差的設(shè)備上部署。因此，本文基于精簡后的兩種DDS QoS策略，提出了一種基于QoS策略的單隊(duì)列模型。該模型能夠在占用較少內(nèi)存資源和計(jì)算資源的情況下，最大程度地保證可靠類消息的傳輸，該算法的詳細(xì)偽代碼如下所示：

Input: msg:用戶消息

Input:msgLen: 用戶消息

Input:msgQoS: 用戶消息QoS

1: Queue =發(fā)送隊(duì)列；

2: ReplacedNode = 隊(duì)列中被新消息替換的非可靠消息節(jié)點(diǎn)；

3: if msgQoS == Reliable then

4: if Queue已滿 then

5: repeat

6: 從隊(duì)列頭部遍歷非可靠消息節(jié)點(diǎn)ReplacedNode；

7: until ReplacedNode能夠容納msg；

8: 將ReplacedNode替換為msg；

9: else

10: 將msg插入Queue尾部；

11: end if

12: else

13: if Queue已滿 then

14: 丟棄當(dāng)前消息；

15: else

16: 將msg插入Queue尾部；

17: end if

18: end if

在基于QoS策略的單隊(duì)列模型中，當(dāng)發(fā)送緩沖空間充足時(shí)，新產(chǎn)生的所有用戶消息按照順序插入隊(duì)列。一旦發(fā)送緩沖空間不足時(shí)，該算法將隊(duì)列中的非可靠消息替換為新的可靠類消息，并將新的非可靠消息直接丟棄，避免因隊(duì)列空間不足而導(dǎo)致可靠類消息丟失的情況發(fā)生。

3 測試驗(yàn)證

3.1 測試平臺搭建

為了測試本文設(shè)計(jì)的輕量級DDS通信中間件的基本功能，搭建了由一臺PC和一塊STM32組成的硬件平臺，兩者之間通過網(wǎng)線直接連接。由于STM32使用百兆網(wǎng)連接PC，因此兩者之間的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbit·s-1。其具體軟硬件環(huán)境信息如表1所示。

表1 測試平臺環(huán)境

本文在PC上運(yùn)行Ubuntu18.04操作系統(tǒng)，其上部署了一個(gè)發(fā)布者應(yīng)用A和一個(gè)訂閱者應(yīng)用B。此外，本文在STM32開發(fā)板上運(yùn)行RT-Thread微內(nèi)核操作系統(tǒng)，其上部署了一個(gè)發(fā)布者應(yīng)用C和一個(gè)訂閱者應(yīng)用D。所有應(yīng)用均使用本文設(shè)計(jì)的通信中間件進(jìn)行交互，應(yīng)用部署情況如圖4所示。

圖4 測試應(yīng)用部署Figure 4. Test application deployment

3.2 基本功能測試

3.2.1 發(fā)布訂閱功能測試

應(yīng)用A發(fā)布“ubuntu_topic”主題，應(yīng)用C發(fā)布“stm32_topic”主題，應(yīng)用B同時(shí)訂閱“ubuntu_topic”和“stm32_topic”主題，應(yīng)用D訂閱“ubuntu_topic”主題。該測試能夠驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和節(jié)點(diǎn)間的基本收發(fā)功能是否正常。測試步驟如下：

步驟1啟動(dòng)應(yīng)用B，訂閱 “ubuntu_topic”和“stm32_topic”主題；

步驟2啟動(dòng)應(yīng)用D，訂閱“ubuntu_topic”主題；

步驟3應(yīng)用C，發(fā)布主題“stm32_topic”主題；

步驟4最后啟動(dòng)應(yīng)用B，發(fā)布“ubuntu_topic”主題；

步驟5觀察應(yīng)用B和應(yīng)用D窗口輸出信息，確認(rèn)應(yīng)用之間是否正確建立連接并通信。

由表2可以看出，本文提出的輕量級DDS通信中間件能夠?yàn)橥O(shè)備節(jié)點(diǎn)和不同設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的分布式應(yīng)用提供自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)連接和正常通信服務(wù)。

表2 節(jié)點(diǎn)通信測試結(jié)果

3.2.2 WireShark抓包分析

在Ubuntu18.04中運(yùn)行WireShark網(wǎng)絡(luò)抓包工具，獲取應(yīng)用運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，驗(yàn)證 RTPS 消息格式是否滿足規(guī)范要求。本通信中間件對RTPS協(xié)議進(jìn)行了裁剪，主要支持4種類型子消息的編解碼，分別是數(shù)據(jù)子消息、心跳包子消息、AckNack 子消息和時(shí)間戳子消息。實(shí)際應(yīng)用中通過4種子消息的組合，可以實(shí)現(xiàn)SPDP消息包、SEDP消息包、數(shù)據(jù)確認(rèn)數(shù)據(jù)包和用戶消息數(shù)據(jù)包等，能夠滿足嵌入式領(lǐng)域中的基本通信需求。

表3 WireShark抓包解析結(jié)果

從表3結(jié)果可知，WireShark能夠正確識別出RTPS協(xié)議類型，表明RTPS消息報(bào)文頭構(gòu)建正常，同時(shí)可以看到各消息內(nèi)部子消息均正常列出，說明子消息構(gòu)建符合RTPS規(guī)范，本通信中間件能夠與標(biāo)準(zhǔn)的DDS通信中間件進(jìn)行交互。

3.3 基本指標(biāo)分析

3.3.1 資源占用情況

圖5展示了在STM32+RT-Thread微內(nèi)核操作系統(tǒng)的軟件環(huán)境下，內(nèi)存占用和發(fā)布/訂閱實(shí)體數(shù)量之間的關(guān)系。當(dāng)發(fā)布/訂閱實(shí)體數(shù)量為0時(shí)，代表RT-Thread及基礎(chǔ)支持軟件占用的內(nèi)存量。從圖5可以看出，當(dāng)引入通信中間件后，內(nèi)存占用增加了約50 kB。之后隨著通信實(shí)體數(shù)目的不斷增加，內(nèi)存占用呈線性增加，且可估算出每增加一個(gè)通信實(shí)體，內(nèi)存占用增加約5 kB，表明該中間件具有較好的內(nèi)存可預(yù)測性，能夠根據(jù)實(shí)際設(shè)備的資源情況指定通信實(shí)體數(shù)目，充分利用內(nèi)存資源。

圖5 內(nèi)存占用與發(fā)布/訂閱實(shí)體數(shù)量關(guān)系Figure 5. Relationship between memory consumption and the number of publish/subscribe entities

3.3.2 額外通信開銷

為了評估本文設(shè)計(jì)的DDS中間件引入的額外通信開銷，以傳統(tǒng)的UDP作為比較項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)中PC端發(fā)布者A發(fā)送2 000次固定長度的消息，STM32端訂閱者D接收到每接收一次完整消息后，由STM32端發(fā)布者C將接收到的消息回傳到PC端的訂閱者B，并記錄其回環(huán)時(shí)間。之后將消息長度變?yōu)樵瓉淼?倍，并重復(fù)上述步驟。本系列實(shí)驗(yàn)的消息長度范圍為 2 ～ 32 768 Byte，QoS配置為盡力而為策略。

圖6 UDP 和 DDS 不同長度消息回環(huán)測試Figure 6. Different length message loopback test of UDP and DDS

由圖6可以看出，使用本文設(shè)計(jì)的輕量級DDS中間件的在各種長度數(shù)據(jù)包下的回環(huán)時(shí)間和使用傳統(tǒng)的UDP方式的回環(huán)時(shí)間差距相近，具有較低的額外時(shí)間開銷，能夠滿足上層應(yīng)用的實(shí)時(shí)性需求。

3.4 性能對比評估

為了更加全面的分析本文設(shè)計(jì)的輕量級DDS通信中間件的優(yōu)缺點(diǎn)，并為后續(xù)研究提供指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)中將Micro XRCE-DDS和Cyclone DDS作為比較對象，兩者均為開源輕量級DDS項(xiàng)目。

3.4.1 端到端延遲

端到端延時(shí)是評估系統(tǒng)響應(yīng)速度的重要依據(jù)。在本實(shí)驗(yàn)中采用測量延時(shí)的經(jīng)典方法。

E2E_delay=RTT/2

(10)

其中，RTT為從本節(jié)點(diǎn)發(fā)布者將數(shù)據(jù)提交到中間件開始，到本節(jié)點(diǎn)訂閱者接收到遠(yuǎn)端發(fā)布者回傳的數(shù)據(jù)為止所經(jīng)過的時(shí)間。

在本實(shí)驗(yàn)中，所有的DDS測試流程如下：PC端發(fā)布者發(fā)送2 000次固定長度的消息。STM32端訂閱者接收到每接收一次完整消息后，由STM32端發(fā)布者將接收到的消息回傳到PC端的訂閱者，并記錄其回環(huán)時(shí)間。之后將消息長度變?yōu)樵瓉淼?倍，并重復(fù)上述步驟。本系列實(shí)驗(yàn)的消息長度范圍為 2 ～ 16 384 Byte，QoS配置為盡力而為策略。

圖7 不同DDS端到端延時(shí)對比Figure 7. End to end delay comparison of different DDS

由圖7可以看出，Micro XRCE-DDS的端到端延時(shí)較高，主要原因是其基于代理的通信方式，使得所有數(shù)據(jù)的傳輸均需經(jīng)過額外的數(shù)據(jù)通路和處理，增加了整體延時(shí)。Cyclone和本文設(shè)計(jì)的DDS均采用去中心化的設(shè)計(jì)方法，在短消息傳輸階段，延時(shí)相近。此時(shí)的延時(shí)主要為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度和處理器開銷帶來的延時(shí)。隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，由于本文設(shè)計(jì)的DDS經(jīng)過了功能裁剪，在協(xié)議解析過程中更加快捷，因此擁有更低的延時(shí)。

3.4.2 可建模數(shù)據(jù)傳輸

為了測試本文提出的基于卡爾曼濾波模型的對稱式發(fā)布訂閱機(jī)制對通信數(shù)據(jù)量的影響，設(shè)定如下場景及模型：

(1)場景為溫度采集系統(tǒng)。溫度保持在約25 ℃，發(fā)布端作為數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，以1 Hz的頻率更新本地?cái)?shù)據(jù)；訂閱端負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的收集和檢測，數(shù)據(jù)更新率也為1 Hz，系統(tǒng)允許的最大數(shù)據(jù)誤差為0.3 ℃，測試時(shí)間120 s；

(2)模型為卡爾曼模型，即F(k,k-1) = 1，H(k)= 1，Q(k) = 0.01，R(k) = 0.36，z(0)=

x(0|0) = 22.5。

測試結(jié)果如圖8所示，X軸代表時(shí)間，Y主坐標(biāo)軸代表當(dāng)前溫度的最優(yōu)估計(jì)值，次坐標(biāo)軸表代表通信信事件是否發(fā)生。在Y=1上的標(biāo)記，代表發(fā)生了通信事件。由圖8中可以看出，訂閱者和發(fā)布者的最優(yōu)估計(jì)值具有相同的變化趨勢，且訂閱端的誤差在允許范圍內(nèi)，滿足用戶的數(shù)據(jù)精度需求。同時(shí)也可以看到，在120 s的測試時(shí)間內(nèi)，共發(fā)生了56次的通信事件，降低了對通信帶寬的需求。

圖8 可建模數(shù)據(jù)更新及通信Figure 8. Updating and communication of modelable data

在該場景中，對于Micro XRCE-DDS和Cyclone DDS通信中間件，訂閱者的數(shù)據(jù)更新均依賴于發(fā)布者發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此在120 s的測試時(shí)間內(nèi)共需觸發(fā)120次通信事件。

綜上所述，在該測試場景下，本文提出的基于模型的數(shù)據(jù)傳輸方式能夠在保證數(shù)據(jù)精度的情況下，降低約50%的數(shù)據(jù)傳輸量。

4 結(jié)束語

本文在深入分析了DDS通信中間件的通信模型和交互消息格式后，結(jié)合嵌入式設(shè)備特點(diǎn)，對標(biāo)準(zhǔn)DDS功能進(jìn)行了裁剪優(yōu)化，使用C語言實(shí)現(xiàn)了一種可移植的、輕量化DDS通信中間件。該通信中間件引入了一種基于卡爾曼濾波模型的發(fā)布訂閱機(jī)制，有效降低了通信中的冗余數(shù)據(jù)，節(jié)約了通信帶寬資源。此外，使用基于QoS的單隊(duì)列發(fā)送模型，降低了因?yàn)榫彺婵臻g不足導(dǎo)致可靠消息丟失的概率。經(jīng)過在ARM和X86組成的異構(gòu)平臺上的部署測試，結(jié)構(gòu)表明該通信中間件能夠?yàn)榉植际綉?yīng)用提供基本的DDS服務(wù)，支持自動(dòng)組網(wǎng)、發(fā)布/訂閱式數(shù)據(jù)傳輸、心跳檢測和數(shù)據(jù)包確認(rèn)機(jī)制，具有良好的響應(yīng)速度且可以降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量，滿足嵌入式應(yīng)用通信的基本需求，為跨平臺實(shí)時(shí)通信中間件的研究提供參考。在后續(xù)的研究中，將繼續(xù)完善該通信中間件的功能，引入更加準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)建模算法，并逐步擴(kuò)展QoS策略，以滿足嵌入式環(huán)境中對通信質(zhì)量的多樣化需求。