基于DDS 的衛星站監控系統北向接口設計

李 杰，祝頌東

（1.海軍裝備部駐南京地區第四軍事代表室，南京 210014；2.陸軍裝備部駐南京地區軍事代表局駐南京地區第一軍事代表室，南京 210014）

1 研究背景

衛星地球站監控系統作為衛星通信網綜合管理系統的監控子系統，對地球站（包含車載、艦載、機載等類型）內所有天線設備、饋電設備、通信設備、輔助設備等進行實時的集中監控（即南向接口管理），另外還需提供對外的北向接口服務等。其中，北向服務是指為上層管理系統提供接入和管理衛星通信子網的接口，該接口起到上層管理系統和通信子系統之間的承上啟下作用。衛星地球站監控系統作為數據生產者，而上層管理系統是數據消費者，生產和消費關系錯綜復雜，需要實時、可靠、標準傳輸等要求，而數據分發服務（DDS）可以滿足以上要求。提供低延遲、高吞吐量實時性能控制。它定義了實時分布式系統中數據發布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數據為中心的發布/訂閱機制。

本文依托Open DDS 的消息中間件實現，Open DDS 是一種C++語言的開源實現。它遵循OMG 的DDS 標準，位于網絡協議棧最上層，屏蔽了應用程序對數據傳輸細節，通過應用程序接口（API）完成數據通信。DDS 負責處理所有的網絡輸入輸出，管理可靠和透明的數據傳輸，如消息尋址、數據組合和分散、流控制、重試等。使軟件開發者可以將精力集中在應用程序設計上，而不是底層傳輸上。

2 數據分發服務

實時數據傳遞主要包括點到點、消息隊列和發布/訂閱三種模式。點到點模式具有很強的時間和空間耦合性，使通信靈活性受到很大限制。消息隊列模式通過一個消息隊列來傳遞消息，解決了通信雙方時間和空間松耦合的問題，但不能實現消息到消費者通信的異步，并且還存在服務器瓶頸和單點失效的問題，可靠性得不到保障。發布/訂閱模型中發布者和訂閱者通過主題相關聯，雙方不必知道對方在何處，也不必同時在線，實現了通信雙方時間、空間和數據通信的多維松耦合。

圖1 DDS數據分發圖

數據分發服務（DDS）標準是OMG（對象管理組織）有關分布式實時系統中數據發布的一個較新規范。DDS 標準規范采用了發布/訂閱體系結構，對實時性要求提供支持。DDS 是以數據為中心的發布/訂閱通信模型，針對強實時系統進行了優化，

3 系統結構與功能

3.1 體系結構

圖2 系統結構圖

3.2 主要功能

（1）數據適配服務。被管設備的通信接口豐富多樣，涵蓋以太網、RapidIO、串口、SNMP 等，數據適配主要自動適配不同接口種類，形成規則、統一、模型化的數據表格信息，并進行入庫操作。

（2）綜合監視服務。綜合監視服務是根據設定的規則，對適配數據進行監測、管理、告警等數據監測服務，并對數據監測后的結果進行入庫操作。

（3）安全管理服務。安全管理服務作為貫穿整個系統的功能模塊，它具有最高級別的管理和過濾功能。用戶的任何操作，都要進行權限管理、數據安全、操作日志等操作判定。

（4）綜合展示服務。綜合展示服務是通過Web 訪問的形式，對用戶提供的數據、狀態、告警、報表、日志等展示，該展示服務具有個性化定制、內容豐富直觀等特點。

（5）北向接口服務。北向接口服務遵循OMG 的DDS 標準，采用基于C++語言的Open DDS 接口，使用戶關心應用層的數據傳輸服務，通過發布/訂閱模式的接口（API）來完成數據通信。

4 系統設計

4.1 數據庫設計

數據適配層通過網絡TCP/IP、串口、SNMP 等通信接口協議對天線、變頻器、功放、合路器、信道五類通信設備（簡稱設備）進行數據歸一化處理，并入庫。當某一設備的關鍵性參數小于預設閾值時，判斷發生某種故障，此時，系統自動記錄天線、變頻器、功放、合路器、信道等設備的關鍵參數，并錄入關系數據庫。

本文中主要關系數據庫包括配置數據庫、信息數據庫、告警數據庫和業務數據庫等，分別設計為表1、表2、表3、表4。

表1 設備列表

表1為本站內衛星信道的設備總和，包括天線、變頻器、功放、合路器、信道五種類型，但是每個設備都有站內唯一的編號，即設備ID。

表2 狀態參數表

表2為站內每個設備的參數模型表，主要包括狀態參數ID、時間、參數名、參數值、量化值（特征參數按照特征參數量化表4來進行量化，其他一般狀態參數值正常設為1，異常設為0）、設備ID（外鍵對應表1中的設備ID）。需要注意的是，表2中存放的是影響通信質量的關鍵性狀態參數，例如，天線的含接收電平、接收機狀態、通信狀態、伺服電機狀態、碼盤狀態，功放溫度、增益狀態，信道的通信信噪比、信道工作狀態、鏈路狀態等，狀態參數的編號和個數根據站型和廠家進行摘取。

表3 故障狀態表

表4為本站內當前衛星信道通信網絡質量及鏈路狀態等關鍵參數。當某通信網絡開通后，主要用于展示、上報和人工干預某一條具體的衛星通信信道鏈路。

表4 業務參數表

4.2 DDS 數據結構定義

由于不同系統、平臺、版本之間數據庫存在差異，導致上層系統不能直接訪問綜合監視系統的數據庫。為了使不同系統的耦合度降低，通信管理服務器與設備間采用標準DDS 進行數據通信，主要利用DDS 的強實時，松耦合等特性。為了更加突出表現松耦合特性，定義DDS 的idl 數據結構如下：

DDS 按照該結構傳遞數據，通過Topic 定義綜合監控子系統下的子功能分類，通過數據結構中的cmd 定義功能分類的具體功能名稱，data 為國際通用文本標記語言XML 明文格式。通過Topic 和cmd 進行判定，數據消費者即可知道data 中描述的數據是否是本設備或系統需要的數據。當數據消費者需要時，由消費者理解數據的業務含義并按格式進行數據解析。

4.3 DDS 接口模塊設計

4.3.1 配置管理訂購模塊

表5 配置管理接口定義表

按照DDS 數據結構定義，上層管理系統（即數據生產者）使用Topic 為NetMgrBaseConfig 進行數據發布和生產，綜合監視系統（即數據消費者）可以訂購該Topic 的數據進行訪問接口，通過比對所需的cmd，進行相應的data 數據解析。相反，當綜合監視系統要響應某一詢問時，可以使用Topic 為StatMoniConfig進行數據發布和生產。此時，上層管理系統就應該作為數據消費者進行數據訂購。

配置管理訂購模塊可以使上層管理系統和綜合監視系統之間進行基礎配置的信息交互。

4.3.2 數據管理訂購模塊

表6 數據管理接口定義表

數據管理訂購模塊可以使上層管理系統和綜合監視系統之間進行設備參數、信息交互，上層用戶系統可以通過訂購綜合監視系統發布的數據服務，達到訪問下層數據的功能。

4.3.3 告警管理訂購模塊

表7 告警管理接口定義表

告警管理訂購模塊可以使上層管理系統和綜合監視系統之間進行告警信息的交互，上層用戶系統可以通過訂購綜合監視系統發布的告警服務，達到訪問下層設備告警信息的功能。

4.3.4 通信管理訂購模塊

表8 通信管理接口定義表

通信管理訂購模塊可以使上層管理系統和綜合監視系統之間進行通信網絡交互和鏈路操作。上層用戶系統可以通過訂購綜合監視系統發布的通信服務，達到訪問下層通信網絡狀態，并操作相應通信鏈路的功能。

5 結束語

基于數據分發服務DDS 的衛星地球站監控北向接口，采用以數據為中心的發布/訂閱通信模型，數據的生產者和消費者之間通過主題Topic 可進行數據共享和分發，為上層管理系統提供接入和管理衛星通信子網的接口。通過該接口，數據生產者和消費者之間能夠進行異步數據傳輸，實現了通信雙方時間、空間和數據通信的多維松耦合。