基于天基信息系統的數據分發技術研究

雷超文,田文波,何 健,韋 杰,祝 婭

(1.上海航天電子技術研究所，上海 201109； 2.上海航天智能計算技術重點實驗室，上海 201109)

0 引言

長期以來，各類國防系統均采用截然不同的通信網絡，如CAN總線，RS422總線等[1]。而隨著航天領域新概念新技術的不斷運用和作戰理念的不斷更新，未來基于網絡信息體系的聯合作戰、跨域作戰將成為我國國防體系建設的必然要求，這也對我國海、陸、空、天各型設備的互聯互通互操作提出了更高要求。

天基平臺可以綜合利用星間、星地數據鏈路傳輸信道，將從太空到空中、海面、陸地的察打一體能力實現無縫一體化、全覆蓋。星上傳感器處理生成的情報數據可以經由天基平臺直接進行跨域傳輸，地面指令信息也可通過天基平臺進行直接回傳，進而實現全域聯合作戰的指揮控制、情報偵查與武器協同[2]。

綜上所述，面對未來作戰空間急劇膨脹、戰場決策因素爆發式增長，天基平臺以其空間位置優勢，可以將衛星、地面指控中心與武器平臺更好、更快捷地聯合起來[3]。在和平時期，天基信息系統能夠在全球范圍內綜合利用各類偵查衛星形成情報信息，針對高威脅的戰略目標進行全天候監控，并利用信息分發系統將信息及時回傳至地面，為地面指控平臺的決策提供依據[4]。在戰爭時期，天基多域信息分發系統可以實現海陸空天等多兵種數據的跨域傳輸。利用天基多域信息分發系統，情報偵查信息可以快速回傳至地面指控中心。而指控命令也可經由本系統快速傳輸至武器平臺，引導武器系統精確打擊敵方目標。

但由于各自采用的通信協議和硬件平臺不盡相同，目前各軍兵種武器平臺、指控中心與天基平臺無法做到互聯互通[5-6]。因此，如何打通各平臺間的通信壁壘將成為實現天基跨域數據傳輸的重大難題。隨著我國構建覆蓋陸海空天的天地一體化異構組網架構，數據分發將跨多個作戰域、多個網絡形態、多種傳輸體制以及不同QoS(quality of service，服務質量)用戶需求[7]。而DDS(data distribution service，數據分發服務)技術以其數據為中心的發布/訂閱模型特點，具備在跨域聯合多樣化、異構網絡架構環境下實現動態路由規劃與重規劃，自適應節點快速運動與時變鏈路狀態的能力[8]。因而討論DDS技術應用在天基多域信息分發系統網關上并基于國產操作系統進行移植具有重要的戰略意義。

1 DDS技術

DDS(data distribution service,數據分發服務)分布式數據分發服務中間件協議，作為新一代分布式網絡標準協議，由美國海軍主導，2005年由國際標準化組織OMG制定發布。它具備跨平臺、多態網絡、互操作性強和低時延等功能。

DDS中間件是以數據為中心的發布/訂閱模型和數據分發服務規范，可通過即插即用組件的方式完成相互間的通訊，不需要程序員手工編寫點到點的連接代碼。

DDS還允許系統操作者在系統運行時根據系統運行狀態重新配置參數。此外，DDS還提供了大量的開發工具，可以方便用戶記錄、分析、測試各種數據，包括這些數據在網絡中的分發狀況、各個數據的QoS策略的一致性。DDS還可在現有通信網絡上方便靈活地增加、減少通信節點[9-10]。

DDS的發布/訂閱模型提供了一個以QoS控制的虛擬共享的全局數據空間[11]，其結構如圖1所示。在該全局數據空間當中，用戶能夠以數據發布者的身份發布數據，或用數據訂閱者的身份訂閱數據。DDS允許節點在發布信息的同時實時地接收其所訂閱的信息[12]。

圖1 DDS全局數據空間

DDS規范的核心是DCPS層(以數據為中心的發布訂閱層)[13]。DCPS層為節點發布和訂閱信息提供了基礎架構。DCPS各實體包括域(Domain)、域參與者(Domain Participant)、數據寫者(Data Writer)、數據讀者(Data Reader)、訂閱者(Subscriber)、發布者(Publisher)。圖2顯示了各個部分之間的關系。其中，數據按照發送端的數據寫者(Data Writer)、發布者(Publisher)以及訂閱端的訂閱者(Subscriber)、數據讀者(Data Reader)的順序進行傳輸[14]。

圖2 DCPS模型結構

DDS中的每一個成員都是一個實體，DDS中，任意兩個實體之間的通信都必須通過同一個域來進行交互。另外，在DDS中，所有的數據都帶有一個主題，主題用以區分各種不同類型的數據，是實現發布者和訂閱者之間數據傳輸的基本參數[15]。主題也可稱之為數據，全部的這些數據共同組成了DDS的全局數據空間。在全局數據空間中，分布式節點使用簡單的讀寫操作即可實現對這些主題數據的訪問。DDS的全局數據空間是一個邏輯的概念，并不是存在于某一個特定的中心節點中。事實上，由于DDS常應用在分布式系統中，因此，其全局數據空間往往分散在各個分布式節點之中。

此外，DDS規范還定義了23個QoS，用戶可以通過配置不同的Qos，能夠在不寫一行代碼的前提下實現對數據分發過程的控制，極大地減小了用戶的工作量[16]。如ResourceLimits策略描述了本地有多大存儲空間可用于DDS配置。TimeBasedFilter策略則描述了一種基于時間的數據過濾機制。

2 天基多域信息系統網關平臺與操作系統

2.1 天基多域信息系統網關平臺

對于以天地網絡一體化為背景的新一代天基多域信息系統來說，它要求以數據為中心，可以實現有效的數據自動交換。這意味著任何類型的設備必須能夠無縫、可靠地連接到通信網絡，隨后根據需要讀取和寫入數據，然后斷開連接[17]。

新一代天基信息系統以數據為中心，這意味著同一個網絡上的設備能夠彼此通信，無需通過中心信息服務器。而將DDS技術應用于天基多域信息系統綜合網關上可以解決這一難題。

綜合網關是天基多域信息系統的核心設備之一。通過天基多域信息系統的綜合網關平臺，將不同的網絡連通起來，它通過信息轉化和信息傳輸，可以解決廣域范圍內指揮所、作戰平臺和天基平臺之間不同格式的數據轉化、融合處理與路由分發等難題。由此可見，綜合網關需要具備高功能集成、自主數據交換和信息融合高效的能力，滿足天地網絡一體化背景下跨平臺信息傳輸與分發的需求。

基于DDS技術的綜合網關平臺可以簡化網絡中鏈路接入和節點發現機制，進而使得設備接入與握手通信協議具備簡介、高效的特點和自主發現與交換能力[18-19]。

此外，DDS的發布/訂閱機制還可以解決跨平臺、跨操作系統間不同類型設備的相互通信和協作問題。

如圖3所示，在基于DDS技術的綜合網關之中，能夠以主題方式，讓接入用戶自動發布消息。主題可以統一制定，也可以由用戶進行設置。此外，綜合網關還能夠以主題方式主動獲取多種信息，然后進行多元信息融合處理，再將處理后消息以新主題發布。誰訂閱誰使用，裝訂成相應消息數據格式即可。

圖3 以主題為核心的發布/訂閱自主數據交換系統

利用DDS系統的優勢，節點接入可主動更新。而以主題為核心的發布/訂閱方式以及不同鏈路自動接入的特點，能夠解決鏈路協議多樣化、不兼容等問題。在實現方式上可能存在多個處理器平臺或底層硬件平臺的差異，通過DDS與硬件無關的特性，屏蔽底層差異性。進而滿足不同用戶的QoS需求。

主題可以統一制定，也可以由用戶關心的類型設置。一般設計的主題類型包括以下幾種：網絡管理；平臺參數；平臺狀況；目標監視；信息管理；指揮控制。

2.2 風云翼輝操作系統

風云翼輝(AIC-OS)嵌入式操作系統是有航天八院自主研制的專用于衛星等航天器的國產操作系統。它具有高實時性的特點，能夠讓應用軟件實現高精度調度，提高軟件對衛星各項功能控制的可靠性。而作為一款專用于航天器的操作系統，風云翼輝操作系統還帶有豐富的航天專用組件，可以為星上應用軟件提供基礎支撐。此外，風云翼輝操作系統還兼容POSIX標準，方便不同操作系統軟件的移植，可以大大提高軟件的復用率。

AIC-OS嵌入式操作系統的系統架構如圖4所示。

圖4 風云翼輝系統架構

AIC-OS嵌入式操作系統由內核、驅動(BSP)、中間件及第三方庫、應用程序和相應的開發環境組成。其內核采用單內核模式設計。在驅動層完成對信息管理平臺提供的外設的讀、寫訪問，中間件層提供對應用開發有幫助的庫，如VxWorks和Qt等，集成開發環境提供開發者具體功能應用的開發。

風云翼輝(AIC-OS)嵌入式操作系統為支持不同體系結構的處理器，對CPU底層接口進行了抽象，這樣移植風云翼輝到PowerPC P1022處理器時，只需要重新實現P1022底層接口即可。

3 平臺適配

3.1 基于AIC-OS的DDS移植

基于AIC-OS操作系統的DDS移植就是在PowerPC P1022平臺上基于AIC-OS嵌入式操作系統，將DDS源碼編譯成動態庫，作為中間件提供給上層應用程序使用，實現基于AIC-OS嵌入式操作系統的DDS核心庫的移植適配，同時針對AIC-OS嵌入式操作系統的應用設計通用DDS API接口。

基于AIC-OS嵌入式操作系統的DDS移植方法有以下幾種。

1)使用POSIX接口：DDS源碼中通過API接口適配層可以使用標準的POSIX接口，AIC-OS嵌入式操作系統完美支持POSIX接口，所以基于AIC-OS移植DDS通用API接口適配層時，直接采用POSIX接口。在編譯DDS通用API接口適配層的各個模塊時，使用POSIX接口進行適配。

2)模塊實現接口選擇：AIC-OS嵌入式操作系統能夠很好的支持Linux接口，所以在編譯DDS核心層的模塊時，采用Linux的實現方式，將DDS源碼核心層的各個模塊分別按照Linux的實現方式進行編譯。

3)Makefile的編寫：AIC-OS嵌入式操作采用集成開發緩存，其中工程管理文件Makefile能夠自動生成，在編譯DDS源碼時需要手動修改Makefile文件，參照AIC-OS操作系統Makefile的編譯參數，編寫DDS的Makefile，將編譯的相關變量及參數按照AIC-OS操作系統的方式寫入DDS的Makefile中。

3.2 基于VxWorks操作系統的移植適配

VxWorks操作系統是實時操作系統，具有運行穩定、實時處理延遲低的特點，在武器領域，尤其是指控、火控領域有著廣泛的應用。針對基于x86架構下的VxWorks6.8版本，通過對底層代碼進行適配更改，并將DDS源碼進行環境適應性修改及重新編譯，完成了對DDS的移植[20]。移植成功后，VxWorks系統可以正常運行DDS，并于其他節點通信。

3.3 基于Windows操作系統的移植適配

針對傳統x86架構的windows7/10平臺，進行多版本DDS產品的適配。在Windows系統下，通過設計的idl表，分別進行C語言、C#語言、Java語言的接口適配。

4 實驗測試

4.1 DDS驗證平臺搭建

搭建DDS測試驗證系統，分別模擬衛星、指控車和地面指揮中心大廳。測試系統包括1臺數據服務器，1臺P1022處理器板，4臺交換機，5臺計算機。分系統內部有交換機連接，分系統之間通過一個交換機實現連接，設備通過2級交換機實現互聯，通過千兆以太網實現控制命令的發送和載荷遙測數據的下行，系統組成架構如圖5所示。

圖5 多系統測試組成框圖

本系統包括1個衛星節點，2個鏈路節點。天基節點基于P1022處理器和國產操作系統，鏈路節點基于地面PC機和Windows操作系統。各個節點之間通過有線網絡互連。

系統組成如下：

1)數據服務器是基于P1022處理器的單機，基于風云翼輝(AIC-OS)嵌入式操作系統，模擬衛星載荷數據源，實現載荷數據的發布。

2)接口服務器是基于Windows平臺的武器業務接口軟件，實現載荷數據的訂閱和解析后內部數據的發布。

3)指揮軟件運行VxWorks，用于模擬指揮車、主機軟件運行Windows，用于模擬地面指揮中心。實現遙控命令的發送，實現載荷數據的訂閱。

4)通用瀏覽軟件運行Windows，實現載荷數據的訂閱和解析后的顯示。

本測試系統中的每個節點均部署了DDS中間件。試驗重點為在天基多域背景下對國產操作系統進行DDS適配測試。其中天基衛星采用風云翼輝嵌入式操作系統進行軟件開發。

4.2 試驗場景

本試驗的試驗場景為在天地網絡一體化背景下的跨域信息流互通。

試驗方案如下：

在多系統部署和聯通后，衛星作為數據源頭，首先啟動所有服務，并等待其它系統的數據訂閱請求，運載系統和武器系統隨后啟動軟件，根據需要向衛星發送請求，根據收到的數據進行實時處理。

運載分系統，數據處理與轉發軟件，向衛星發布訂閱請求，實時接收彈道信息并顯示；指揮軟件模擬導彈車、武器車，根據業務需要，向衛星發布訂閱請求；衛星根據訂閱請求，向網絡上發布不同的載荷信息。

根據場景應用的需求，設計了通信的idl表，并設置了8個資源主題，分別如下顯示：

const string TOPIC_RESLIST=

“Resource List”; /*資源列表*/

const string TOPIC_PLATTM=

“Platform TM”; /*平臺遙測*/

const string TOPIC_RADERCON =

“Radar Reconna”; /*雷達偵查*/

const string TOPIC_COMMERCON =

“Communication Reconna”; /*通信偵查*/

const string TOPIC_AIS =

“AIS”; /*AIS數據*/

const string TOPIC_ADSB =

“ADS-B”; /*ADS-B數據*/

const string TOPIC_VDES =

“VDES”; /*VDES數據*/

const string TOPIC_IMAGE =

“Image”; /*圖像數據*/

const string TOPIC_INRSATE =

“Inter-satellite”; /*星間數據*/

通過設計的idl表和編寫的程序，衛星分系統在啟動后，實時向外發布資源列表和資源情況，同時在界面上顯示連接信息，如圖6所示。

圖6 衛星資源發布圖

顯示軟件根據收到的載荷信息，解析后在界面顯示。在測試大廳，運載分系統和戰術分系統都在網絡上收到了衛星發布的資源列表，同時在資源列表中訂閱了自身需要的資源。

運載分系統啟動了2個客戶端，都訂閱了Platform TM的資源，在衛星資源發布圖中可以看到Platform TM資源的連接用戶為2，斷開1個客戶端后，Platform TM資源的連接用戶為1。

4.3 DDS技術指標測試

在上述試驗場景下，對系統進行聯通性試驗、通信時延試驗、傳輸安全性和誤碼率試驗、在線狀態感知試驗以及可靠性試驗等多方面，全方位的實驗測試。

4.3.1 聯通性試驗

根據天基多域信息系統需要跨域、跨平臺傳輸信息的要求，對本系統進行了點對點聯通性試驗、點對多聯通性試驗以及跨平臺聯通性試驗。

1)點對點聯通性試驗：在實際使用過程中，最多的應用場景就是兩個終端之間的點對點通信，傳統的方案是TCP傳輸或UDP應答式傳輸，采用DDS中間件后，需要進行點對點壓力測試，驗證其通信的可靠性。

2)點對多的聯通性試驗：在實際的應用場景中，存在一個終端產生的數據源通過組播傳輸，多個終端同時接收并使用該數據的場景，傳統的方式是采用UDP組播方式，采用DDS中間件后，需要進行點對多的壓力測試，驗證在點對多模式下的通信可靠性。

3)跨平臺聯通性試驗：在實際的天基多域信息系統中，系統中的多個設備采用了不同的操作系統，有VxWorks、Windows、AIC-OS嵌入式操作系統等，這些設備需要進行實時的通信，因此需要在各個設備上移植DDS中間件后進行聯通性驗證。

實驗結果如表1所示。

表1 聯通性試驗結果

在聯通性試驗時，通過開發的測試軟件，進行了帶寬測試。

1)點對點通信帶寬測試：如圖7所示，設置輸入數據幀長度為1 024字節，總傳輸幀數為100 000，當DDS發布者只發1個主題的幀數據，DDS訂閱者只接收1個主題幀數據時，在不丟包的前提下DDS的平均帶寬可達105 Mbps以上；

圖7 DDS單主題接收

2)點對多通信寬帶測試：如圖8所示，設置輸入數據幀長度為1 024字節，總傳輸幀數為100 000，當DDS發布者同時發送3個主題的幀數據，DDS訂閱者同時接收3個主題時，在不丟包的前提下DDS的平均帶寬可達35 Mbps以上。

圖8 DDS多主題接收

4.3.2 通信時延試驗

DDS技術相對于傳統的TCP、UDP方式，多了一層中間層，高速通信時，數據通過中間層時，相對于傳統方式，產生的時延是否增大，需要進行測試，驗證其時延量級，是否可以用在高速數據傳輸。

通過專用的網絡測試工具，分別進行32、64、256、1 024、8 192、32 768、63 000字節長度的延時測試，測試結果如圖9所示。從圖9中可以分析得到結果，采用DDS傳輸時，字節的傳輸延時都在ms級別以下，與不采用DDS直接傳輸的情況沒有區別，可以得到結論，采用DDS并不會增加網絡傳輸的延時。

圖9 通信時延試驗

通過開發的應用軟件，綜合采用DDS.waitset、DDS.StatusCondition、DDS.StatusMask等類來輔助計算時延，發布者在發送數據時記錄發送時間并進入等待接收狀態，訂閱者接到數據后進行回傳，發布者接收到訂閱者的回傳數據后記錄接收時間，通過多組幀數據傳輸計算平均時延，最后得到圖10，時延約為0.2 ms。

圖10 DDS時延測試

4.3.3 傳輸安全性和誤碼率試驗

誤碼率是數據傳輸的重要指標，DDS中間件在部署完成后，需要進行不同碼率下傳輸誤碼率的測試，驗證其可靠性。

在進行多系統聯合測試時，通過星載平臺進行了多個主題(Topic)的發布，武器平臺和運載平臺都對Topic進行了訂閱，通過業務接收軟件進行了實測，配置為可靠通信模式下，測試過程未發現誤碼或丟包現象。配置為不可靠通信模式下，測試過程發生丟包現象，丟包率約為萬分之一。

4.3.4 在線感知試驗

在天際多域信息系統中，需要有一個顯示終端來顯示各個設備彼此之間的連接狀態，是否處于正確或斷開情況，傳統的方式是采用TCP連接或UDP心跳方式感知。而采用DDS技術之后，需要對系統中各個設備的連接狀態進行感知驗證。

在進行多系統聯合測試時，通過DDS產品的測試工具，能夠查看到網絡上所有連接到Topic的設備。查看結果如圖11所示。

圖11 在線感知狀態1

如圖12所示，當訂閱者接入到某Topic時候，可以通過可視化的監測界面可以看到連接的設備增加。

圖12 在線狀態感知2

4.3.5 可靠性試驗

1)可靠通信與不可靠通信實驗：分別在可靠通信與不可靠性通信模式下進行通信試驗：通過編寫QoS配置文件，分別進行了這兩項測試，結果顯示在可靠通信(RELIABLE_RELIABILITY_QOS)模式下，出現丟包會進行重傳，在不可靠通信(BEST_EFFORT_RELIABILITY_QOS)模式下，出現丟包不會重傳。測試結果如圖13和圖14所示。

圖13 可靠通信試驗

圖14 不可靠通信試驗

4.4 測試結果分析

綜上所述，在聯通性試驗中，驗證了基于DDS技術的天基多域信息系統的跨平臺聯通能力，實現了風云翼輝(AIC-OS)、VxWorks和Windows等不同操作系統平臺之間的聯通。同時，經過通信帶寬測試，驗證了DDS中間件在點對點通信和點對多通信中均擁有較高的帶寬，可以有效滿足大數據量的傳輸需求。通信時延試驗中，結果表明采用DDS傳輸時，其平均傳輸時延在毫秒級別以下，與不采用DDS傳輸沒有區別。因此可知采用DDS技術并不會增加網絡傳輸的時延。在傳輸安全性和誤碼率試驗中，驗證得知了在可靠通信的模式下，系統不會發生誤碼或丟包現象，而在配置為不可靠通信的模式下，系統會發生丟包現象，但丟包率較低，約為萬分之一。在線感知試驗中，驗證得知，本系統能夠自動感知系統中新增的設備。而在可靠性試驗中，可知在可靠通信的模式下，系統在出現丟包時會進行重傳，而在不可靠通信的模式下，出現丟包不會進行重傳。

因此，基于DDS技術的天基多域信息系統能夠很好的完成對不同平臺通信鏈路的互聯互通，打通各平臺間的通信壁壘，實現數據的跨域傳輸。能夠很好的應用在我國天地一體化異構組網架構的建設中，實現天地一體化通信。

5 結束語

天基多領域信息互聯互通始終是一個難點，需要進行大量的協調和對接工作，采用DDS技術，通過對天基多域信息系統網關進行標準的idl表制定以及維護，可以實現多領域之間信息高效互聯互通，大幅度減少溝通協調對接時間，且該技術擁有高可靠性和高性能。本文通過對搭載AIC-OS操作系統的PowerPC P1022硬件平臺移植DDS系統，驗證發現其能夠很好地支持星上跨域、跨平臺以數據處理為中心的新一代天基多域信息分發系統的應用，可以作為新一代天基多域信息分發系統中數據管理的核心應用，為未來解決平臺差異性情況下的消息自動交換問題提供了一個新思路。在下一階段的研究中，我們將對本系統在無線環境下的各項功能進行測試和完善，以滿足未來實際需求。