航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件設計

李 康，閆 妍，吳曉斌

（航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 陜西 西安 710065）

0 引言

目前機載航電系統(tǒng)已經(jīng)從分立式、聯(lián)合式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃C合核心處理機（integrated core processor，ICP）為核心的綜合化模塊化航空電子結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)由單一傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N傳輸介質(zhì)的集成，處于不同功能單元上的分布式機載軟件之間的通信關(guān)系變得越來越復雜，系統(tǒng)復雜度越來越高［1-2］。 傳統(tǒng)的機載通信中間件大多針對某一特定類型的傳輸介質(zhì)，例如光纖、1394 總線等，這些傳輸介質(zhì)可能是由多個廠商提供的硬件設備，采用不同的操作系統(tǒng)，具有特定的數(shù)據(jù)傳輸標準，提供給應用軟件的接口也各不相同，無法做到傳輸介質(zhì)對應用軟件的透明化，而且通信關(guān)系大多需要靜態(tài)配置，嚴重缺乏靈活性。

對象管理組織（object management group， OMG）制定的數(shù)據(jù)分發(fā)服務（data distribution service，DDS）標準定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布／訂閱機制，提供了一個與平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)通信模型，并且支持豐富的服務質(zhì)量策略（quality of service，QoS）控制發(fā)布／訂閱通信，指定所需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量行為，能最大化滿足用戶對通信質(zhì)量的需求［3］。 DDS 具有低時延、高吞吐量、松耦合等優(yōu)點，主要應用在要求高性能、強實時、資源限制的關(guān)鍵領(lǐng)域［5-6］。因此，本文以DDS 為基礎(chǔ)，結(jié)合機載分布式應用軟件的實際需求，設計并實現(xiàn)出一種數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件，并在航電系統(tǒng)仿真環(huán)境下對軟件進行系統(tǒng)的功能和性能驗證。

1 總體設計

如圖1 所示，數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件架構(gòu)分為接口層、核心層、適配層［7-9］。

圖1 軟件架構(gòu)

接口層向應用軟件提供統(tǒng)一的滿足未來機載能力環(huán)境（future airborne capacity environment， FACE）中間件標準v2.1 的傳輸服務段（transport services segment， TSS）接口，包括初始化、創(chuàng)建連接、刪除連接、獲取連接參數(shù)、發(fā)送消息、接收消息和注冊回調(diào)函數(shù)，以支持應用軟件以輪詢和回調(diào)兩種方式接收數(shù)據(jù)。

核心層提供以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布／訂閱通信，支持基于主題進行數(shù)據(jù)通信，并支持多種QoS 策略，包括有效性、截止期、基于時間過濾、歷史數(shù)據(jù)、資源限制、可靠性、持久化、所有權(quán)和所有權(quán)強度。 此外，核心層支持自發(fā)現(xiàn)機制，用于發(fā)布／訂閱通信時寫者和讀者的動態(tài)組網(wǎng)。

操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡適配分別屏蔽操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡環(huán)境的差異，向應用軟件提供統(tǒng)一的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡通信接口，支持常用的Windows、Linux 以及國產(chǎn)天脈操作系統(tǒng)，支持機載常用的光纖總線、1394 總線以及用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（user datagram protocol，UDP）網(wǎng)絡，同時支持用戶自行擴展操作系統(tǒng)適配和網(wǎng)絡插件。

2 配置數(shù)據(jù)設計

對機載航電系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)通信通常采用靜態(tài)配置方式，即相關(guān)的配置數(shù)據(jù)在軟件實際部署前已經(jīng)由系統(tǒng)綜合人員預先確定下來。 數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件根據(jù)用戶提供的配置數(shù)據(jù)完成發(fā)布／訂閱服務初始化，如圖2 所示，配置數(shù)據(jù)包括傳輸服務配置、連接配置以及QoS 配置。

圖2 配置結(jié)構(gòu)圖

傳輸服務配置：處于不同功能單元上的分布式應用節(jié)點對應一份傳輸服務配置，由節(jié)點ID 唯一標識；發(fā)布／訂閱服務需要對每種發(fā)布／訂閱消息建立虛擬的連接，由用戶指定所有需要處理的發(fā)布／訂閱消息對應的連接信息，包括連接的總個數(shù)和每個連接具體的配置。

連接配置：航電系統(tǒng)基于主題進行數(shù)據(jù)傳輸，每個連接處理一種基于主題的發(fā)布／訂閱消息，通過主題ID 唯一標識，根據(jù)連接方向確定該主題為發(fā)布主題還是訂閱主題；由用戶確定該連接對應的消息類型、能夠傳輸?shù)淖畲笙㈤L度，以及本條消息相關(guān)的QoS 配置。

QoS 配置：設置本條發(fā)布／訂閱消息具體的QoS 策略，包括9 種具體的策略，用戶根據(jù)網(wǎng)絡帶寬、可靠傳輸、等待時間、資源配置等進行個性化配置。

3 發(fā)布／訂閱服務設計

3.1 發(fā)布／訂閱模型

DDS 標準定義了6 類實體對象完成發(fā)布／訂閱通信，包括域參與者、發(fā)布者、訂閱者、主題、數(shù)據(jù)寫者和數(shù)據(jù)讀者。 域參與者屬于某個通信域，包括若干個發(fā)布者、訂閱者和主題，負責創(chuàng)建、刪除和管理這些實體；發(fā)布者負責發(fā)送數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建、刪除和管理數(shù)據(jù)寫者；訂閱者負責接收數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建、刪除和管理數(shù)據(jù)讀者；主題定義數(shù)據(jù)寫者和數(shù)據(jù)讀者相互通信時消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個數(shù)據(jù)寫者和數(shù)據(jù)讀者必須與一個主題綁定。 數(shù)據(jù)寫者為應用軟件提供發(fā)送接口，負責將應用數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)；數(shù)據(jù)讀者為應用軟件提供接收接口，負責從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)；基于DDS 通信，只有處于同一個域的實體才可以通過主題進行通信，不同域的實體不能通信。 此外，6 類實體對象都具有各自的QoS 策略，共計22 種QoS 策略。

由于機載嵌入式環(huán)境下的計算資源、網(wǎng)絡帶寬等限制以及具體的使用場景，對DDS 標準進行裁剪和自主化定制：

（1）機載嵌入式環(huán)境下不再區(qū)分通信域，所有分布式應用均默認處于一個域，可以直接通過主題進行數(shù)據(jù)傳輸；

（2）主題不再作為實體對象，只作為消息的標識，且不再由主題定義消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由系統(tǒng)綜合人員通過接口控制文件（interface control document，ICD）進行定義；

（3）將DDS 標準規(guī)定的6 類實體裁剪到3 類，包括參與者、寫者和讀者。 每個寫者和讀者必須與一個主題綁定。 參與者與機載分布式應用一一對應，負責創(chuàng)建、刪除和管理寫者和讀者；寫者為應用軟件提供發(fā)送接口，維護發(fā)送緩沖區(qū)，負責將應用數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)并發(fā)送主題數(shù)據(jù)；讀者為應用軟件提供接收接口，維護接收緩沖區(qū)，負責接收主題數(shù)據(jù)并放入接收緩沖區(qū)。

（4）將QoS 策略裁剪到9 種，且只與寫者／讀者綁定，每個寫者／讀者均需要配置自身的QoS 策略，用來對寫者和讀者之間的發(fā)布／訂閱通信進行控制。

裁剪和自主化定制后的發(fā)布／訂閱模型圖如圖3 所示，該模型相比于DDS 標準的發(fā)布／訂閱模型具有以下優(yōu)點：

圖3 基于主題的發(fā)布／訂閱模型圖

（1）將主題與ICD 綁定，大幅度提高航電系統(tǒng)集成人員的可操作性，減少應用軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的冗余；

（2）簡化數(shù)據(jù)發(fā)送和接收涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，縮短DDS協(xié)議包頭長度，減少軟件自身及網(wǎng)絡傳輸占用的內(nèi)存；

（3）優(yōu)化發(fā)送、接收和自發(fā)現(xiàn)流程，減少內(nèi)存拷貝次數(shù)，縮減數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的協(xié)議處理時間，提高動態(tài)組網(wǎng)效率。

3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換設計

數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件狀態(tài)包括初始化、就緒、匹配及停止4 種，各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4 所示。

圖4 軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

（1）系統(tǒng)上電，操作系統(tǒng)啟動后，軟件處于初始化狀態(tài)；

（2）根據(jù)應用軟件傳入的傳輸服務配置進行初始化，記錄配置數(shù)據(jù)并申請所需的系統(tǒng)資源，如果初始化成功則軟件處于就緒狀態(tài)，此時等待遠程主題上線；如果初始化失敗則軟件轉(zhuǎn)入停止狀態(tài)；

（3）如果通過自發(fā)現(xiàn)完成主題發(fā)現(xiàn)，判斷遠程主題上線，則軟件處于匹配狀態(tài)，此時已建立數(shù)據(jù)傳輸通道，用戶可以通過寫者和讀者發(fā)送和接收消息；

（4）如果連接中斷導致遠程主題下線，則軟件回到就緒狀態(tài)，此時需要重新等待遠程主題上線；

（5）如果初始化失敗或者運行過程中系統(tǒng)掉電或崩潰，軟件停止工作，不再提供服務。

3.3 發(fā)送／接收過程

3.3.1 航電系統(tǒng)應用軟件發(fā)送主題消息的詳細流程如下：

（1）應用軟件調(diào)用初始化接口完成數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務初始化，并調(diào)用創(chuàng)建連接接口創(chuàng)建主題對應的寫者／讀者，此后參與者開始接收消息；

（2）數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件在航電系統(tǒng)內(nèi)通過自發(fā)現(xiàn)機制動態(tài)組網(wǎng)，完成參與者和主題的自發(fā)現(xiàn)；

（3）應用軟件調(diào)用獲取連接參數(shù)接口獲取連接id，此時根據(jù)連接對應的主題id 檢索參與者的本地寫者表，如果不存在該主題返回錯誤；如果存在該主題返回其對應的連接id；

（4）應用軟件調(diào)用發(fā)送消息接口，由主題對應的寫者發(fā)送消息；

（5）編者將用戶消息放入發(fā)送緩沖區(qū)，并檢索遠程讀者表，如果存在已經(jīng)建立自發(fā)現(xiàn)的遠程讀者，則通過網(wǎng)絡向這些遠程讀者發(fā)送用戶消息，否則，忽略本條主題消息。

3.3.2 航電系統(tǒng)應用軟件接收主題消息的詳細流程如下：

（1）應用軟件調(diào)用初始化接口完成數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務初始化，并調(diào)用創(chuàng)建連接接口創(chuàng)建主題對應的寫者／讀者，此后參與者開始接收消息；

（2）數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件在航電系統(tǒng)內(nèi)通過自發(fā)現(xiàn)機制動態(tài)組網(wǎng)，完成參與者和主題的自發(fā)現(xiàn)；

（3）參與者收到主題消息，首先檢索參與者的本地讀者表，如果不存在該主題，直接忽略本條主題消息；如果存在該主題，再檢索該主題的遠程寫者表，若存在且遠程寫者已上線，則放入接收緩沖區(qū)，否則，忽略本條主題消息；

（4）應用軟件調(diào)用獲取連接參數(shù)接口獲取連接id，此時根據(jù)連接對應的主題id 檢索參與者的本地讀者表，如果不存在該主題返回錯誤；如果存在該主題返回其對應的連接id；

（5）應用軟件調(diào)用接收消息接口，從主題對應的讀者接收緩沖區(qū)讀取消息。

4 功能及性能測試

數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件已經(jīng)在航電系統(tǒng)地面仿真環(huán)境下完成系統(tǒng)集成和功能、性能測試。 硬件環(huán)境為ICP 的通用輸入輸出（general process input／output， GPIO）模塊，軟件環(huán)境包括國產(chǎn)天脈1、天脈3 嵌入式操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡環(huán)境包括光纖通道（fibre channel，F(xiàn)C）總線和UDP 網(wǎng)絡，測試情況如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件測試

通過以上測試結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件發(fā)布／訂閱功能正常，時延及吞吐量性能滿足要求，且長時間運行仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，充分證明設計方案的可行性。

5 結(jié)語

本文在DDS 的基礎(chǔ)上，根據(jù)機載嵌入式環(huán)境限制及需求，設計了一種航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱服務軟件，支持以數(shù)據(jù)為中心的基于主題的發(fā)布／訂閱通信，為應用軟件屏蔽操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡差異，提供統(tǒng)一的傳輸服務端接口，大大提高了機載分布式應用軟件的可移植性。 同時基于主題的發(fā)布／訂閱服務增加了機載分布式節(jié)點的網(wǎng)絡靈活性，滿足機載分布式應用的低時延、高可靠性、松耦合的要求。 在下一步研究工作中，將進一步擴展支持的QoS 策略，優(yōu)化數(shù)據(jù)通信過程，同時擴展傳輸服務以支持其他通信模式。