基于數據實體的DDS在嵌入式系統中的應用

杜會盈 毛洪川 胡爭爭 段永杰

摘 要 發布/訂閱通信模型—數據分發服務（DDS）是以數據為中心的通信模型，可以實現數據實時高效地傳輸。文章研究了DDS規范的通信機制，分析了其發布和訂閱匹配的方法，提出了基于數據實體的DDS通信方式，該方式既能提高發布/訂閱的匹配能力，又能保證數據發送和接收的完整性、正確性及一致性。

關鍵詞 數據分發服務（DDS）；發布；訂閱；數據實體

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）213-0090-03

隨著信息技術水平的高速發展，高速數據通信技術也不斷地進行著信息化和數據化，從而帶來了海量信息數據的處理問題。傳統的網絡數據傳輸方式，已滿足不了高速數據通信需要的實時性和和可靠性。為了保證數據傳輸的實時高效性，對象管理組織（OMG）[1-3]于2004年發布了第一個以數據為中心思想的發布/訂閱通信模型—數據分發服務（DDS）規范[4]，提供了一個與平臺無關的數據模型。

文中在研究DDS規范的基礎上，分析了DDS發布/訂閱常用機制，提出基于數據實體的DDS數據分發方法，既保證了數據快速高效地分發，又能保證發送和接收數據的正確性及完整性。

1 DDS數據分發服務

數據分發服務（Data Distribution Service），簡稱DDS。它的目標在于實現分布式系統中數據可以高效、可靠地分發傳輸。DDS規范標準化了分布式實時系統中數據發布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數據為核心的發布訂閱機制，并且提供了一個與平臺無關的數據模型。它包含兩層接口：底層的數據訂閱/發布層DCPS（DataCentric Publish-Subscribe）和可選的數據重構層DLRL（Data Local ReconstructionLayer）[5-6]。數據重構層DLRL是可選層，其主要負責將數據轉換為本地對象類型，以使用戶應用層可以更方便地訪問/處理數據。而數據發布/訂閱層DCPS是必須具備的，應用層通過調用它來實現數據的發布和訂閱，實現應用層數據的發送和接收。

發布/訂閱模型具體內容包括DDS域（Domain）、信息主題（Topic）、發布者（Publisher）、數據寫入者（DataWriter）、數據讀取者（DataReader）、訂閱者（Subscriber）。域是建立通信聯系的基本結構，只有同一域內的組件才能夠進行相互通信。每個域參與者里面可以有一個或多個發布者（Publisher）或訂閱者（Subscriber）。發布者是負責發布主題數據的組件，通過數據寫入者將要發送數據內容發布至數據空間。訂閱者是負責訂閱主題數據的組件，通過數據讀取者獲取所訂閱的主題數據內容。DDS數據模型如圖1。

隨著發布/訂閱系統技術的不斷發展，在此過程中出現了各種各具特色的系統，其表達能力也越來越強。發布/訂閱系統按照事件模型和訂閱模型可以分為基于通道、主題、內容等模式。

基于通道和基于主題的發布/訂閱都是一種靜態的模式，僅提供了有限的表達能力。在基于通道的模式中，訂閱者不能指定接收通道中的部分事件；基于主題中，所有事件的內部對訂閱者來說都是黑盒子，訂閱者不能更細粒度地表達它只接收主題下的一部分事件。基于內容的發布/訂閱系統[7-10]中，系統并不會先對事件進行分類，而是根據事件本身的屬性進行分類，系統需要根據訂閱條件來匹配大量事件，帶來很大負擔。

2 基于數據實體的DDS數據分發

2.1 數據實體

由于高速數據通信涉及的傳輸報文數據種類繁多及頻率高，故采用DDS數據分發服務。為了保證數據收發的高效性及正確性，提出了基于數據實體的DDS數據分發技術。

對需要經過DDS進行分發的的每一幀通信報文，定義一個數據結構，對該報文的數據結構進行重構后的數據類，稱為數據實體。

針對要進行傳輸的報文內容，采用數據結構的定義方式。定義方式如下。

針對數據結構內容，重構出通信數據對應的DDS數據類實體，數據類實體中包含針對傳送數據內容長度及數據類型校驗的類。數據實體類定義如下。

數據訂閱者和發布者針對發送的不同報文數據，分別構建對應的數據實體。

2.2 發布和訂閱

針對上述要發送的數據實體，創建對應的數據實體的發布者和訂閱者。創建發布者和訂閱者時，需指定數據發送的目的域、主題名、結構體名、數據實體長度。通過上述參數創建的發布者和訂閱者，可以實現發布者和訂閱者之間的最終快速匹配。基于數據實體的DDS通信示意圖如圖2。

發布者填寫完善需要發送的數據結構體對象，調用數據發送接口，經過DDS中間件[11]時，會對發送的長度加以驗證，保證發送數據的完整性。如果數據長度不正確，則向發布者返回數據發送失敗信息。如果數據完整，則通過網絡發送數據。

訂閱者的DDS中間件接收到網絡數據信息時，首先根據發布者和訂閱者匹配時的注冊信息對接收到的信息進行完整性確認。若接受長度與匹配信息中的長度參數一致，則向訂閱者轉發數據。否則丟棄該信息內容。

3 結論

針對上述方法，在嵌入式Linux系統平臺項目中得以應用，實現了以數據為中心，快速、高效、正確傳輸數據的目的。

文中提出了基于數據實體的DDS數據分發服務，該方法提升了系統中的有效匹配數量，減小無用信息的交互，提高了發布者和訂閱者之間的匹配效率，同時又實現了對發布端和訂閱端數據完整性的校驗，確保了發送和接收數據的正確性、完整性和一致性。

參考文獻

[1]OMG，Data Distribution Service for Real-time System Specification 1.0[S]，2004.

[2]OMG，Data Distribution Service for Real-time System Specification 1.1[S]，2005.

[3]OMG，Data Distribution Service for Real-time System Specification 1.2[S]，2007.

[ 4 ] O M G . C O R B A n o t i f i c a t i o n s e r v i c e specificationversion[EB]. 2002.10.1.

[5]謝蓓，劉毅，曹萬華，等.實時系統數據分布服務DDS技術綜述[J].艦船電子工程，2006，26（2）：16-19，122.

[6]羅亞軍.數據分發服務DDS技術研究[J].電子編程技巧與維護，2013（8）：62-63，66.

[7]G. Muhl. Generic constrains of content-based publish/subscribe system[C]. In Proceedings of the 6th International Conference on Cooperative Information Systems（CoopIS）， pages 211-225. Springer，2001.

[8]薛濤，馮博琴.內容發布/訂閱系統路由算法和自配置策略研究[J].軟件學報，2005，16（2）：251-259.

[9]GeroMuhl， LudgerFiege， and Alejandro P. Buchmann. Filter Similarities in Content-Based Publish/Subscribe Systems. In Proceedings of the International Conference on Architecture of Computing Systems（ARCS02）， volume 2299 of LNCS[C]. BERLIN， GERMANY： Springer Verlag， 2002.

[10]薛濤，馮博琴.使用Gossip算法實現可靠的基于內容的發布訂閱系統[J].小型衛星計算機系統，2006，27（1）：185-189.

[11]MichiHenning，SteveVinoski.基于C++ CORBA高級編程[M].徐金梧，等，譯.北京：清華出版社，2000.