RTIDDS在业务管理与资源优化系统中的拓展应用*

吕 鸿，户江民，付林强，杨 晓

(重庆金美通信有限责任公司，重庆400030)

0 引言

RTI DDS是由Real－Time Innovation公司开发实现的，这也是第一个支持DDS规范的商业产品。DDS针对实时系统的数据发布/订阅需求设计，支持多种数据分发模式和数据分发策略，其前身为美国RTI公司的NDDS产品，由于美国军方对装备技术开放性的强制要求，RTI公司2003年将NDDS接口公开后提交到OMG组织，最终于2004年发布了DDS标准，同年6月，美国国防部信息技术标准局选定DDS作为GIG的强制性数据发布/订阅规范，作为以数据为中心进行系统集成的实时数据总线标准。目前被广泛应用于任务要求十分苛刻的场合，包括:作战管理、航空航天、美国国家铁路网、空中交通流量控制、交通流量监控、金融交易处理以及工业自动化等。RTI DDS实现了完整的DCPS，不支持DLRL，它独立于操作系统和编程语言，极大地方便了不同系统之间的通讯。系统设计者通过可扩展的传输框架结构连接多个物理端点，传输方式包括以太网络、共享内存、背板或其他连接方式［1］。

1 DDS简介

DDS标准规范了实时分布式系统中数据发布、传递和接收的接口和行为，定义了以数据为中心的发布/订阅机制。DDS规范使用UML语言描述服务，提供了一个与平台无关的数据模型(这个模型能够映射到各种具体的平台和编程语言)［2］。DDS标准简化了实时分布式系统中数据高效、可靠地发布，它主要应用在要求高性能、可预见性和对资源有效使用的关键任务领域［3］。

图1 DDS 总线模型［4］Fig．1 DDSbus model

应用程序在处理以数据为中心的分布式系统时，DDS标准中间件可以帮助用户使用更加简单的编程模型［5］，不需要开发特定的事件/消息机制或手动创建封装的CORBA对象来获取远程数据。应用程序可以使用一个简单的主题(Topic)名称来指定它想要读或写的数据，以及使用以数据为中心的API来直接读写数据。DDS中以数据为中心的发布/订阅(DCPS)模型构建了一个共享的“全局数据空间”的概念，所有的数据对象都存在于此空间中，分布式节点通过简单的读、写操作便可以访问这些数据对象［6］。实际上，数据并非存在于所有计算机的地址空间中，它仅存在于那些对它感兴趣的应用程序的本地缓存中。

本文通过对RTIDDS进行充分的分析研究，将其应用到业务管理与资源优化系统中，利用DDS的总线功能，将系统消息扩展到DDS总线上，本文对DDS的设计、实现原理、最终结果等进行了详细介绍。

2 业务管理与资源优化系统

业务管理与资源优化系统是某战术网络中用来实现对当前战术网络的业务进行管理，并实时监控网络的资源利用情况，根据实际资源使用的使用情况，对网络资源进行优化。通信业务管理与资源优化软件采用模块化设计架构，业务管理中心与界面视图解耦。后台通信服务与战术网络中的交换设备之间利用专用协议进行通信，从战术网络交换设备上收集设备当前的业务状态和网络资源利用状态，并将收集到的数据通过定义好的端口推送给前台界面。前台界面为一图形化操作界面，主要用来展现网络当前的网络资源利用情况，同时对网络资源的利用进行调整命令的下发。其软件模型如图2所示。

图2 业务管理与资源优化系统模型Fig．2 Business management and resource optimization system model

在该系统中，前台模块与后台通信服务采用Socket进行通信，已经实现很好的解耦合，由于网络资源利用情况是网络中一个非常重要的信息，各使用终端都想及时掌握这一情况，并根据网络信道资源利用情况来展开下一步的工作部署。但是由于目前的系统设计为单点对应设计，一个前台模块对应一个后台服务，无法将结果同时展现给多个关注者，为了实现能够同时将网络资源使用结果展现给多个关注者，引入成熟的DDS中间件，利用DDS将消息拓展到多个前台同时使用。

3 DDS拓展应用设计

3． 1 RTI DDS 的优点

接口标准化:RTI DDS产品符合对象管理组织(OMG)的数据分发服务DDS标准，DDS提供了软件应用编程接口的标准。

QoS保障:DDS在为实时系统应用开发者提供高级抽象的同时，还能控制部署实时系统所需的QoS(Quality of Service)策略。RTI DDS还允许应用预分配资源、提高可靠性和实时确定性。

3． 2 软件拓展架构设计

软件的前台操作界面与后台通信服务采用Socket进行通信，因此在操作界面和通信服务之间引入DDS。DDS数据服务总线同时对应一个后台处理模块和多个操作界面前台操作界面，实现将后台数据实时拓展同步到多前台界面的功效。如果要在另一台计算机平台上实现前台操作界面的部署，只需要在该计算机上配置好DDS拓展服务和前台操作界面，前台操作界面采用原有的通信方式与DDS之间进行信息交互，DDS拓展服务则与其它计算机上DDS拓展服务进行实时协作通信，形成一条可靠高效的信息数据总线，如图3所示。

图3 业务管理与资源优化DDS拓展Fig．3 Business management and resource optimization of DDSdevelopment

从图3的软件架构图可知，DDS利用自身的通信功能将特有的数据同步到所有已部署DDS拓展服务的计算机终端上。但从前台界面与后台处理服务的关系上看，为保证原有系统地完整性，在引入DDS拓展服务之后，前台操作界面与后台通信服务仍采用原来的通信方法和通信协议，不做任何业务代码的修改，只需要在后台通信服务模块中修改通信的端口号，将其挂接到DDS服务上。如图4所示，在加入DDS之前后台通信服务利用9800端口发送信息给前台操作界面，前台操作界面利用9801端口发送信息给后台通信服务;在加入DDS拓展服务之后，DDS拓展服务接替了原后台通信服务的端口，利用9800端口发送信息给前台操作界面，监听9801端口，截获前台发送给后台通信服务的信息。另外新建立一个9803端口，用来监听后台通信服务发送的信息，同时利用9802端口将前台操作界面发送的信息转发给后台通信服务。DDS拓展服务的模块设计如图5所示。

图4 DDS拓展接口Fig．4 DDSexpansion interface

图5 DDS拓展服务模型Fig．5 DDSexpanded － service model

DDS模块截取资源管理服务模块的UDP信息，将该信息以数据流的方式直接公布到DDS总线上，在其他终端上的DDS参与者监听到该信息时，接收该信息，同时将该信息以数据流的方式通过Socket还原发送给前台界面，保证了前台模块与资源服务模块之间的原有通信方式。

DDS参与者设计时采用了两个Socket，分别用于与前台模块通信和与资源管理服务模块通信，当前台Socket监听到前台的UDP命令时，本模块从Socket中收下所有的数据，利用前台DDS发布者将该数据发布到DDS总线上，前台DDS监听者如果从DDS总线上监听到消息，则将该消息利用Socket进行信息还原，发送给资源管理服务模块;反之，当资源管理服务Socket监听到资源管理服务模块的消息时，本模块从Socket中收下所有数据，利用资源管理DDS发布者将该数据发布到DDS总线上，资源管理服务DDS监听者如果从DDS总线上监听到信息，则将该消息利用Socket进行信息还原，发送给前台模块。

DDS拓展服务的设计遵循独立通用的原则。该模块设计时屏蔽内部实现的赋值细节，对外提供了一个监听接口和一个发布接口。监听接口用于监听程序监听总线上所有感兴趣的数据，一旦监听数据更新，DDS拓展服务会同步更新所有监听者的数据，监听程序即可实时自动更新人机界面显示;发布接口用于终端软件将自身的重要信息发布到数据总线上，供其他对该信息感兴趣的终端使用。该模块是一个通用的模块，除了可用于本项目之外，还可以用于其它类似的软件系统中，使一对一的信息通信轻松扩展为一对多、多对多的通信。

4 软件应用效果

4． 1 测试环境搭建

利用一个试验环境来测试验证DDS拓展在业务管理与资源优化系统中的应用成效。网络环境如图6所示。该测试环境利用6台战术通信交换机进行搭建，在其中一台战术交换机上的用户端口上配置一台服务器(管理中心)，在该计算机终端使用网段内拓展连接了6台客户端，在核心IP为2．0．0．6的交换机下也挂6台客户端，由此来检验DDS拓展服务能否实时可靠地将网络资源利用情况的数据同步到整个网系中的多个前台操作界面。

图6 战术网络测试环境Fig．6 Tactical network test environment

4． 2 软件组成及部署

针对上述试验环境，有1个服务器与12个客户端需要部署。服务器与客户端的软件部署稍有不同，其具体部署如下:DDS拓展后，将该软件的服务器部署在管理中心上，而其他终端上部署客户端。实现一个服务，多个前台界面的效果。

图7 软件组成Fig．7 Software composition

如图7所示，本软件分为三个部分，“业务管理与资源优化服务”实现与交换网络的业务配置和管理功能;“DDS拓展服务”用于将资源优化服务和前台界面的数据通过DDS数据总线进行拓展，保证多个前台能够和资源优化服务通信;“前台界面”实现对业务管理和资源优化的所有功能的界面展现。服务器上需要部署所有部件，客户端上只需部署“DDS拓展服务”和“前台界面”。

如图6所示试验环境的域1与域2不在同一个局域网内，对于跨域通信需要做如下配置:首先在服务器端PC机所在环境变量中增加一个DDS的查找节点信息，变量名为 NDDS_DISCOVERY_PEERS，变量值为 1@builtin．udpv4://10．0．1．10，2@builtin．udpv4://127．0．0．1。其中 10．0．1．10 用于指向客服端7的IP地址，便于DDS在跨路由时与远端节点通信［6］。其次，在客服端7的PC机上也要配置同样一条环境变量，只是该项配置的IP地址指向服务器的计算机IP地址，其环境变量值为:1@builtin．udpv4://10．0．0．5，2@builtin．udpv4://127．0．0．1。

4． 3 试验结果

在验证时使用了13台计算机，一台计算机上运行服务端和客服端，在其它12台机器上运行客服端。业务管理与资源优化服务器端的后台服务实时监控搭建网络中的信道资源利用情况，当检测到网络信道资源利用情况发生变化时，将该数据通过DDS拓展服务同步更新所有的前台监控界面，本实验过程中通过人为调整网络信道的资源利用率来观察客户端终端软件界面上的结果显示是否同步。

分别实现了多台计算机在同一个局域网内、跨路由情景下的各种验证，通过观察比对所有客户端终端上的资源数据能够保持实时同步，其相关效果图如图8所示。

图8 信道资源利用预警Fig．8 Signal warning map channel resource utilization

当从一个点 2．0．0．1 向另一个点2．0．0．2 发送指定大小的数据量时，使发送信到的资源利用达到50% ～70%之间，此时在12台客户端界面上能够同时反映出该链路提示橙色预警。继续加大点2．0．0．1向点 2．0．0．2 发送的数据量，使其信道占用提升到大于70%，让其信道提示红色预警，此时所有在线的12台客户端前台程序也能够实时同步告警信息，并正确显示。

通过本试验分析可以看出，DDS拓展服务能够实时可靠地将数据扩展到数据总线上，各客户端能够实时从总线上提取数据并在人机界面上展现出来。

5 结语

业务管理与资源优化服务系统是一套已运用于战术网络中的资源管理软件，为了保证整个软件的可靠性在原系统上进行设计升级是一个不明智的选择。在本项目中可靠、高效地引入DDS拓展服务，既保留了原有系统完整性、可靠性，又在使用功能上进行了提升。这主要得益于DDS的诸多优点:由于RTI DDS的发布/订阅结构直接和易于理解，开发者可以将大量的时间集中用于他们的应用而不是在通讯结构上。由于RTI DDS的一致性，模块化和开放的API接口，用户可以快速入门使用，不需要对网络编程。RTI DDS具有无与伦比的可靠性。它支持可掌控的数据传输并包括很多用户可配置的QoS策略，这些策略使得设计者能够更加灵活地应用。RTI对DDS规范的实现中选择P2P的结构，消除了所有中心服务端可能的死机或崩溃，没有单点失败的可能。由于DDS实例不共享地址空间，应用程序之间相互隔离，可以避免内存崩溃。在业务管理与资源应用中引入DDS拓展服务只是牛刀小试，DDS能够在更多的项目中展现其强大的功能。

［1］ OMG．Data Distribution Service for Real－ time Systems，version 1．2．［EB/OL］．(2007－1－1)［2014 －11 －3］．http://www．omg．org/spec/DDS/1．2．

［2］ OMG．Data Distribution Service for Real－time Systems Specification version 1．1［EB/OL］．(2005 － 12 － 4)［2014 －11 －5］．http://www．omg．org/spec/DDS/．

［3］ SCHNEIDER S，FARABAUGH B．Using the DDSStandard for High Reliability Applications［R］．Real－ Time Innovation，Inc．2004．

［4］ RTI．RTI DDS User Manual［EB/OL］．［2014 － 11 －13］．http://www．rti．org，2011．

［5］ 杨震，阳洋．基于DDS规范的战场信息分发中间件平台研究［J］．通信技术，2009，42(12):185 －187．

Yang Zhen，Yang Yang．Study On BattleField Information Distribution Middleware Platform Based on DDS．Communication technology．2009，42(12):185－187．

［6］ GERARDOPC．Data－Distribution Service(DDS):Architectural Update［R］．OMG．2004．