DDS在SCA系統中的應用

李欣宇

（中國西南電子技術研究所 通信部，四川 成都610036）

0 引 言

SCA是一個基于CORBA的規范［1］，也是軟件無線電事實上的標準，基于SCA開發的通信系統具有可移植性好、互操作性強、易于重用等特點［2］。然而，在某個基于SCA的通信系統的研制過程中，基于CORBA的SCA架構無法滿足實時性較高的應用，同時也存在著冗余度大、單個軟件組件無法在運行時故障重構等問題。DDS是由對象管理組織發布的和CORBA處于同一層次且兼容的規范［3］，它可以滿足以數據為中心的實時系統的需求［4］。本文利用CORBA和DDS互補兼容的特點，提出了一種將DDS集成到SCA架構中的方案，并通過工程實踐表明該方案能很好地彌補SCA架構存在的不足。

1 SCA簡介及不足之處

2000年之前，美軍大多數舊電臺系統不具備可重用性，新波形的引進常常導致舊設備的直接淘汰，造成了資源的嚴重浪費。為了解決這個問題，美國的聯合編程辦公室 為 聯 合 戰 術 無 線 電 系 統 （joint tactical radio system，JTRS）發布了軟件通信體系結構 （software communication architecture，SCA）規范。SCA通過公共對象請求代理體系結構 （common object request broker architecture，CORBA）定義了一個統一的開發標準框架和通用結構，使得通信系統開發的軟件和硬件可以分離，它的宗旨是：通過在同一硬件平臺上加載不同的波形組件以實現不同的功能，也可根據特定的需要對系統進行部分升級，從而最大化地利用系統資源，目前最新的版本是2012年發布的4.0版本［5］。SCA將硬件描述為抽象的類，當設備不斷變化時，也能對千差萬別的硬件進行統一的描述；SCA將各種波形軟件模塊化，以組件的方式描述波形應用中不同軟件的層次。可見，SCA是一個開放的、標準的平臺，隔離了底層硬件與波形組件，讓系統重用和升級變得簡單，減少了支持和操作成本。從理論上看起來一切都很美好，但是從我們工程實踐來看，基于SCA構建的通信系統存在一些不足，讓我們從一個實例的介紹開始。

在基于SCA的通信系統中，雖然很多功能都是用軟件實現的，但也需要一個硬件平臺作為軟件的載體，當然也包括了用于收、發信號的射頻前端。圖1為一個基于SCA的超短波數傳通信系統的架構。在這個平臺上，通過加載不同的波形組件，可以實現最小頻移鍵控 （minimum shift keying，MSK）、直接序列擴頻 （direct sequence spread spectrum，DS）和 跳 頻 （frequency－hopping spread spectrum，FH）3種波形應用。發射信號時，數據源經過編碼處理后，依次通過D／A轉換、上變頻，最后通過射頻前端發送；接收信號時，會先由射頻前端進行射頻處理，依次經過下變頻，中頻處理和A／D變換完成從模擬信號到數字信號的處理環節，最后進行軟件部分的信號處理。SCA核心框架可以加載、部署波形組件的硬件平臺主要是現場可編程門陣列 （field－programmable gate array，FPGA）、數字信號處理器 （digital signal processor，DSP）和通用處理器 （general purpose processor，GPP）。在此平臺上用FPGA實現信號的處理，主要包括數字下變頻、擴頻、解擴等功能；運算速率較大的一些組件，比如編解碼器和快速傅里葉變換等會被加載到DSP上；實現各個波形組件管理和控制功能的核心框架、協議處理以及人機界面等運算量不大的組件則放在GPP上運行。FPGA、DSP、GPP節點間通過帶寬為4G的RapidIO高速總線互聯，CORBA總線采用e＊ORB。

圖1 超短波通信系統架構

以運行FH波形應用為例，FH波形一共有3個軟件組件，需要部署在FPGA、DSP、GPP上，名字分別為FNode，DNode，GNode。按照SCA的要求，這3個組件均實現了Resource接口，并且通過擴展Port類實現了FH波形需要的API函數。根據SCA標準，波形組件的啟動是在ApplicationFactory的create函數中實現，流程如圖2所示。

圖2 波形啟動流程

我們對FH波形的功能、性能以及系統架構進行了綜合評測，總結出基于SCA的通信系統有以下不足：

（1）系統耦合性高、冗余度大：SCA組件間的數據交互全部基于CORBA遠程函數調用［6］，需要命名服務器才能完成通信，任何兩個節點之間在啟動通信之前均需要在命名服務器上去取得對方的對象引用并保存到本地程序空間，當增加一個節點時，系統的耦合性呈指數級的增長。

（2）實時性不高：CORBA通信需要在硬件總線上實現GIOP （general inter－ORB protocol）和IIOP （internet inter－ORB protocol）的協議棧，這會占用較大的軟件開銷，在實時性要求較高的場合效果并不好。例如，在圖1所示的環境上測試，發現其數據通信時延達到25ms，無法滿足FH波形的要求。

（3）無法運行時重構，靈活性較差：SCA要求所有的波形組件作為一個整體安裝、創建、運行，如果一個波形的某一個組件損壞，整個應用將不能正常運行，必須要由操作員進行釋放、卸載整個應用，然后再安裝、創建新的應用并啟動新應用的邏輯處理［7］。

（4）組件之間同步耗費較多的開銷：如圖2所示，核心框架調用getPort和connectPort均是為了建立組件之間的同步連接，當組件較多時，過程會更復雜，開銷更大，拖慢波形啟動的速度。

有沒有解決這些問題的方法？在回答這個問題之前，我們先介紹一下 DDS （data distribution service）技術的特點，并與CORBA技術做一個比較。

2 關于DDS

2.1 DDS簡介

DDS是一套互聯、互通協議規范和應用編程接口，它定義了一種以數據為中心的發布／訂閱機制，數據由應用方發布，對該數據感興趣的遠程應用訂閱數據。數據對象用“主題”進行標識，由接口定義語言 （interface definition language，IDL）定義，如圖3所示。通過這種發布／訂閱機制，DDS構建了一個共享的 “全局數據空間”，系統中的各個節點都掛載在此 “全局數據空間”上，通過DDS規定的標準接口完成數據的交互，DDS有效的降低了系統各種組件之間的耦合性，很容易構建一個以數據為中心、可擴展、與平臺和位置無關的網絡。每一個發布者均有一個與之關聯的數據寫入者，發布者的作用是發布寫入者寫入的數據。訂閱者主要負責接收發布的數據并使數據能被數據讀入者處理。主題用于聯系發布和訂閱，是通信雙方聯系的唯一紐帶。

圖3 DDS系統架構

2.2 DDS和CORBA的比較

通過比較分析，在數據通信這個層面上DDS相對于CORBA有以下優勢：

（1）降低系統的冗余度，提高了靈活性：在CORBA結構中，各個通信節點是一種緊耦合的結構，任一通信節點均要保留遠程通信對象的引用才能完成通信，使得整個系統結構比較復雜。而在DDS網絡中，各個節點之間是松耦合的關系，參與通信的節點并不知道對方的信息，節點之間的通信僅僅需要一個主題就能完成。

（2）提高通信效率，降低網絡延遲：CORBA是C／S（client／server）的通信模式，客戶端向服務器端請求數據，在網絡中需要一個數據中心服務器來處理并提供數據。在這種網絡方式下，當多個節點需要同時發送數據時它們會并行的向服務器發起數據請求，服務器需要耗費較長的時間來處理這些請求，使系統的負擔增加，造成了網絡延遲。DDS網絡的節點之間是一種對等網的關系，不需要中心服務器的連接，而且DDS底層協議棧并不復雜，不需要太大的軟件開銷，這大大提高了通信的效率和實時性。

（3）提供質量服務 （quality of service，Qos）：CORBA僅有有限的定制能力，而DDS提供23個Qos。通過使用DDS的Qos可以在不產生額外工作的前提下實現對數傳過程以及對整個網絡的控制，為上層應用提供極大的方便［8］。

3 用DDS擴充SCA

簡而言之，SCA是一套接口，運行規范和規則的定義，通過這些定義實現了軟件模塊化、可移植和可重用［9］。而DDS是一套在分布式系統中數據交互的標準，具有發布主題數據，訂閱主題數據等功能。SCA的特色是可以通過加載不同的軟件組件而在同一硬件平臺上實現不同的波形，但是因為其基于CORBA，在數據通信這個層面上的效果并不好。而DDS正是為了解決數據通信問題而提出的一個規范，它屏蔽通信網絡的底層細節，提供一個平臺無關、位置無關、高效、靈活的模型。因此從本質上講，SCA和DDS是兩項互補的技術。SCA提供在硬件平臺上加載、管理各個波形組件的方法，而DDS為各個波形組件提供了簡單、高效的數傳服務。它們解決的是系統中不同方面的問題，而兩者又都具有平臺無關、語言無關、接口用IDL描述等特點。因此新的軟件方案在保證SCA兼容的前提下，采用 “各取所長”的原則，用DDS的優勢來彌補SCA的不足。系統軟件設計的總體思路是：波形組件的部署、加載和運行完全遵守SCA規范，各個波形組件之間的數據通信不用CORBA而采用DDS。為后續描述方便，簡稱引入DDS之前的方案為舊版方案，引入DDS之后的為新版方案。

3.1 軟件設計

在舊版方案中，基于SCA的通信系統的軟件設計包括核心框架設計和基于CORBA的波形組件API設計，在新版方案中變為核心框架設計和基于DDS的接口設計兩部分。

3.1.1 核心框架設計

新版方案保持了原有核心框架接口和域描述文件格式的不變，加載各個波形組件的流程和規則也與舊版方案一致。區別在于波形組件的構成，各個繼承自Resource的波形組件不再實現getPort接口即不再對外提供實現數據交互功能的Port對象，同時去掉SAD （software assembly descriptor）文件中描述各個波形組件間連接信息的內容即刪除connection標簽，因此，核心框架加載波形應用時將只加載并運行各個波形組件，不會去建立波形組件之間的連接，也不會處理波形組件之間的數據同步，和數傳相關的工作都由DDS完成，軟件架構如圖4所示。

圖4 新版方案架構

3.1.2 DDS接口設計

組件的接口設計對于實現基于SCA的系統來說是一個比較關鍵的工作。新版方案的核心框架只負責軟件的加載和部署，因此在DDS接口設計中，需要完成接口定義、波形組件間的連接建立和數據同步這三方面的工作。

（1）接口定義

雖然SCA和DDS都是采用IDL來描述接口，但SCA的接口基于CORBA函數調用，而DDS是一種消息中間件，它只能定義消息結構，無法定義組件之間的函數接口。新版方案采用主題＋IDL的方式解決了這個問題，函數接口是由 “函數名＋參數”定義的，CORBA函數名正好對應到DDS的主題，CORBA函數的參數對應到DDS主題標識的IDL數據。以設置請求發送 （request to send，RTS）的CORBA接口為例，其定義為：

新版方案將這個接口的主題定義為 “setRts”，其對應的IDL定義為：

在新版方案中，將舊版方案中所有用來數傳通信的CORBA接口全部以這種方式替換為DDS接口。因為這些DDS接口都是在各個組件的代碼中實現，并不牽涉到SCA架構，所以這不會影響到系統的SCA兼容性。

（2）組件之間連接建立

DDS的組件之間是位置無關的，數據交互是用 “主題”這個紐帶來實現即組件間的連接是DDS中間件去完成的，因此新版方案不用考慮這個問題。

（3）組件之間數據同步

因為新版方案的核心框架里沒有實現波形組件之間的數據同步，即有可能出現這種情況：當數據發送方先啟動，接收方隨后才啟動，這時就無法保證數傳過程的完整。DDS提供了一個質量服務DurabilityQos解決了這個問題，它通過網絡存儲的方式保證后加入網絡的節點能接收到之前在網絡中發送的數據。圖5描述了DurabilityQos的一個典型應用，可見通過使用DurabilityQos可以很容易地解決組件間的數據同步的問題。

圖5 DurabilityQos

3.2 軟件方案對比

新版方案中啟動波形的流程如圖6所示。

相對于舊版方案，新版方案有以下幾方面的改進：

（1）啟動波形的步驟減少：核心框架只需要完成波形組件加載、部署、啟動即可，無需花費時間去完成波形組件之間連接的建立、數據的同步，這些事情都交給DDS中間件去完成了。

（2）冗余度降低：組件間采用DDS，可直接進行點到點的通信，不需要開啟任何第三方服務器。相對于CORBA通信需要建立連接，開啟命名服務，新版方案降低了系統的冗余度。

圖6 新版方案波形加載

（3）單個波形組件可重構：在新版方案中，波形組件和核心框架之間只有加載的接口。每個波形組件啟動后，組件只需通過 “主題”就可以完成通信功能，因此當某一個波形組件故障時，可以通過人工重啟的方式完成重構［10］。而在舊版方案中，無法實現單個組件模塊的重構。

3.3 性能對比

在舊版方案環境的基礎上添加DDS中間件就構成了新版方案的測試環境，DDS產品使用的是RTI－DDSv4.5。我們還是用FH波形作為測試用例，在波形加載速度、數傳時延、可重構性等方面對新版方案和舊版方案進行了綜合的評測和對比，其結果表明新版方案優于舊版方案，見表1。

表1 對比結果

4 結束語

本文首先說明了在工程實踐中基于SCA構建的通信系統存在的不足之處，即冗余度大、實時性低、無法故障恢復。然后介紹了造成這些短板的原因是組件之間采用CORBA進行數據通信。接著討論了DDS技術，并把DDS和CORBA做了詳細的比較，指出DDS在數據通信這個層面上優于CORBA，分析了將DDS技術引入SCA框架的可行性。最后介紹了新版方案，并通過測試和比較證明了新版方案優于舊版方案。

本文的創新點在于：在完全保持SCA規范兼容的前提下，用DDS來實現波形組件間的通信，提高了系統的實時性、靈活性和可靠性。

：

［1］Modular software－programmable radio consortium ［R］.Software Communication Architecture （Version2.2.2）. Washington，JTRS Joint Program Office，2006.

［2］CHENG Feifei.Development of DSSS waveform based on software communication architecture ［J］.Telecommunication Engineer，2008，49 （4），65－69 （in Chinese）. ［陳飛飛.基于SCA的直接序列擴頻通信波形的設計與實現 ［J］.電訊技術，2009，49 （4）：65－69.］

［3］Object Management Group （OMG）.Data distribution service for real－time system specification ［S］.Version1.2，2007.

［4］YAO Bin.Design and implementation of data distribution service based on DDS ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30（3）：619－625 （in Chinese）.［姚兵.基于 DDS模型的數據分發中間件的設計與實現 ［J］.計算機工程與設計，2009，30（3）：619－625.］

［5］Modular software－programmable radio consortium.software communication architecture （version4.0）［R］.Washington，JTRS Joint Program Office，2012.

［6］LI Yaping.Application of CORBA technology for SCA system［J］.Computer Engineering and Design，2008，29 （16），4200－4203 （in Chinese）.［李雅萍.CORBA技術在SCA系統中的 應 用 ［J］. 計 算 機 工 程 與 設 計，2008，29 （16）：4200－4203.］

［7］ZHONG Pengfei.A runtime self－refactoring and compatible extension solution of SCA reference ［J］.Micro Computer Information，2009，25 （1－3）：116－118 （in Chinese）. ［鐘鵬飛.一種運行時可重構的SCA規范兼容擴展方案 ［J］.微計算機信息，2009，25 （1－3）：116－118.］

［8］YANG Chuanshun.Research on quality of service of real－time data distribution system ［J］.Computer Technology and Development，2011，21 （5）：231－234 （in Chinese）.［楊傳順.實時數據分發系統的服務質量控制的研究 ［J］.計算機技術與發展，2011，21 （5）：231－234.］

［9］ZHAO Qiuming.Study of minimum core framework based on software communication architecture ［J］.Computer Measurement ＆ Control，2010，18 （5）：1145－1147 （in Chinese）.［趙秋明.基于SCA的小型化核心框架研究 ［J］.計算機測量與控制，2010，18 （5）：1145－1147.］

［10］YANG Shuhui.Research on correctness preservation during system reconfiguration in data distribution service for real－time system（DDS）［J］.Ship Electronic Engineering，2009，29 （1）：5－8（in Chinese）.［楊曙輝.實時數據分發服務系統重構正確性保證研究 ［J］.艦船電子工程，2009，29 （1）：5－8.］