摘  要： 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)指使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件的分布式系統(tǒng),。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件采用實(shí)時(shí)發(fā)布-訂閱協(xié)議,，通過在數(shù)據(jù)發(fā)布方和訂閱方之間配置的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)需求和傳輸方式,。該中間件能夠跨平臺(tái)操作,，屏蔽底層操作系統(tǒng)的差異，這有利于系統(tǒng)靈活動(dòng)態(tài)地?cái)U(kuò)展和升級(jí),。文中闡述了數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的思想和模型,，以RTI公司的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)中間件DDS為例，具體研究了該中間件的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),。
關(guān)鍵詞： 發(fā)布-訂閱協(xié)議; 實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng); 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)

    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)指采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS(Data Distribution Service)中間件的實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng),。OMG的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)正逐漸成為采用實(shí)時(shí)發(fā)布-訂閱RTPS(Real Time Publish-Subscribe)協(xié)議的分布式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供一種通用的應(yīng)用層接口,能夠清楚地定義數(shù)據(jù)分發(fā)的服務(wù),，提供一種在實(shí)時(shí)分布式計(jì)算環(huán)境中以數(shù)據(jù)為中心的通信規(guī)范,，定義一個(gè)可擴(kuò)展、與平臺(tái)無關(guān),、與位置無關(guān)的基礎(chǔ)服務(wù)模型,，以連接發(fā)布者和訂閱者，支持服務(wù)質(zhì)量（QoS）和屬性,。該通信模型在空間上（節(jié)點(diǎn)可以在網(wǎng)絡(luò)中的任何地方）,、時(shí)間上（發(fā)布后立即或稍微有些延遲后傳輸）、傳輸上（可根據(jù)帶寬流量控制可靠性,，每個(gè)用戶可以管理自己數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)）,、功能上（多源的數(shù)據(jù)可以很容易地添加和刪除）都是松散耦合的。
1 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)
    OMG的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）的核心是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱DCPS(Data-Centric Publish-Subscribe),，即發(fā)布者能高效地將正確的信息傳遞給適當(dāng)?shù)挠嗛喺?。DCPS定義了在實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)中運(yùn)行在異構(gòu)平臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)接口的應(yīng)用程序能從系統(tǒng)的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間讀/寫數(shù)據(jù)。具有以下特點(diǎn)：
    (1)強(qiáng)制類型的全局?jǐn)?shù)據(jù)空間
    DDS創(chuàng)建一個(gè)全局性的數(shù)據(jù)空間,，任何參與者使用數(shù)據(jù)類型接口高效自然地讀/寫數(shù)據(jù),，讓每個(gè)訂閱者都可以訪問到“最新”的數(shù)據(jù)。它還建立了一個(gè)名稱空間,，讓參與者查找和共享數(shù)據(jù)的對(duì)象,。為了提高可擴(kuò)展性,，主題（Topic）可以包含多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道稱為“關(guān)鍵字”（key）。這使得節(jié)點(diǎn)可以一次性訂閱到很多,，可能是數(shù)以千計(jì)的相似的數(shù)據(jù)流,。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，中間件根據(jù)關(guān)鍵字排序,，提供有效的處理,。
　 (2)每個(gè)數(shù)據(jù)流可控的服務(wù)質(zhì)量
    DDS允許控制“每個(gè)數(shù)據(jù)流”的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。每對(duì)發(fā)布者——訂閱者之間可以建立獨(dú)立的QoS協(xié)議,。 DDS也具有獨(dú)特的允許應(yīng)用設(shè)計(jì)支持極其復(fù)雜的,、靈活的數(shù)據(jù)流需求。QoS參數(shù)幾乎能控制DDS模型和基本的通信機(jī)制的每個(gè)方面,。
　(3)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和管理數(shù)據(jù)流
　DDS能設(shè)計(jì)成自動(dòng)發(fā)現(xiàn)發(fā)布者和訂閱者的每一個(gè)主題,，根據(jù)它們之間設(shè)置的QoS參數(shù)自動(dòng)建立數(shù)據(jù)流。DDS模型提供了快速透明的定位,。這使得它非常適合用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配置的變化,。它能迅速發(fā)現(xiàn)新的節(jié)點(diǎn)，新的節(jié)點(diǎn)上的新的參與者,，新參與者的新的數(shù)據(jù)主題,。能及時(shí)地清除掉過時(shí)的、失敗的節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)流,。
    (4)不可靠的無連接傳輸
    DDS以不可靠的傳輸方式工作,如UDP或無線網(wǎng)絡(luò),。沒有任何設(shè)備需要中央服務(wù)器或特殊節(jié)點(diǎn)。高效,、直接,、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信、甚至多播,，可以實(shí)現(xiàn)模型的每一個(gè)功能,。
2 DDS的對(duì)象模型
　 圖1顯示了典型的DDS分布式應(yīng)用的關(guān)鍵對(duì)象，域(Domain),、域成員(DomainParticipant),、數(shù)據(jù)發(fā)送器(Data writer) 和發(fā)布者(publisher)、 訂閱者(Subscriber)和數(shù)據(jù)接收器(Data reader),、主題(Topic) 組成,。域成員對(duì)象指的是域內(nèi)參與應(yīng)用的成員，參與者可以在同一個(gè)域上進(jìn)行通信,。

　 發(fā)布者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)布,可以發(fā)布不同類型的數(shù)據(jù),。域成員通過發(fā)布者的數(shù)據(jù)發(fā)送器交流數(shù)據(jù)和改變數(shù)據(jù)類型。一旦新的數(shù)據(jù)值傳達(dá)給發(fā)布者，就由發(fā)布者決定何時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)布,，實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)布的執(zhí)行取決于發(fā)布者的服務(wù)質(zhì)量,。
    訂閱者接收發(fā)布者的數(shù)據(jù)，并提供給域成員,。訂閱者可接收和轉(zhuǎn)發(fā)不同的數(shù)據(jù)類型,。要訪問接收到的數(shù)據(jù)，域成員必須通過和訂閱者相關(guān)的數(shù)據(jù)接收器,。
    數(shù)據(jù)發(fā)送器對(duì)象與數(shù)據(jù)接收器對(duì)象通過主題聯(lián)系,。主題和數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)本身的服務(wù)質(zhì)量（QoS）關(guān)聯(lián),。DomainParticipantFactory（域成員廠）用于創(chuàng)建和刪除域成員,，域成員通過DomainParticipant::get_domain_id()綁定到域上，域成員可以創(chuàng)建和刪除主題,、發(fā)布者和訂閱者,；發(fā)布者用于強(qiáng)制創(chuàng)建和刪除數(shù)據(jù)發(fā)送器先前創(chuàng)建的主題的類型；訂閱者用于強(qiáng)制創(chuàng)建和刪除數(shù)據(jù)接收器先前創(chuàng)建的主題的類型,； DataWriter::write() 用來使應(yīng)用程序更新數(shù)據(jù)值,；DataReader::take()用來從DDS中間件中接收數(shù)據(jù)樣本。DDS的編程模型如圖2所示,。

    抽象的實(shí)體接口定義了域成員和域?qū)嶓w(DomainEntities)(即主題,、發(fā)布者、數(shù)據(jù)發(fā)送器,、訂閱者和數(shù)據(jù)接收器）支持的通用行為,。get_qos() 和set_qos()用來檢索和修改服務(wù)質(zhì)量；get_listener()可被DDS中間件用來探測(cè)和安裝用戶聽眾的具體地位的條件,。確切的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)列表是針對(duì)每個(gè)具體的實(shí)體類型,。 
3 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
    RTI公司的DDS中間件是執(zhí)行數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)典型代表。下面采用該公司的DDS中間件并結(jié)合Demo程序(發(fā)布-訂閱的主題用圓形,、三角形和方形的幾何圖形形象的表示),，研究實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。Demo程序的運(yùn)行界面如圖3所示,。

3.1 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)
    一般情況下,，一個(gè)應(yīng)用程序可以屬于多個(gè)域(如圖4所示),創(chuàng)建若干域成員，三個(gè)應(yīng)用程序在域A交流命令/控制數(shù)據(jù),，其他三個(gè)應(yīng)用程序在域B中交流狀態(tài)數(shù)據(jù),，其他兩個(gè)應(yīng)用程序是域C內(nèi)通信。創(chuàng)建多個(gè)域,，可以提供有效的數(shù)據(jù)隔離,。

    DDS的主題是強(qiáng)制的數(shù)據(jù)類型。DDS中間件支持多語言的綁定,，在OMG的接口描述語言（IDL）中,，定義類型TopicInfo,。TopicInfo包含一個(gè)graphics變量——確定圖形的形狀和value變量——圖形的顏色。把graphics字段表記為關(guān)鍵字,，讓DDS中間件區(qū)分不同圖形所更新的數(shù)據(jù),。
    struct TopicInfo {
　　int  graphics; //key
　　int  value;};
　    鑒于IDL類型定義，DDS的中間件提供的代碼生成器用來生成特定語言代碼來處理數(shù)據(jù)類型,。生成的代碼將在目標(biāo)語言中包含類型定義（在本文中使用C++語言）,、特定標(biāo)準(zhǔn)類型的API、中間件執(zhí)行的特定代碼,。對(duì)于TopicInfo數(shù)據(jù)類型,，生成下列標(biāo)準(zhǔn)類：TopicInfoTypeSupport、TopicInfoDataWriter,、TopicInfoDataReader,。
3.2 應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)
    (1)創(chuàng)建DomainParticipant綁定到域上
    factory = DDSDomainParticipantFactory::get_instance();
　 factory->get_default_participant_qos(participant_qos);
    participant = factory->create_participant(domain_id, participant_qos, NULL /* participant_listener*/);
    (2)注冊(cè)用戶的數(shù)據(jù)類型
　 TopicInfoTypeSupport::register_type()用來注冊(cè)數(shù)據(jù)類型，可以在DomainParticipant中使用,。
    (3)創(chuàng)建主題（Topics）
　 使用標(biāo)準(zhǔn)的DDS API創(chuàng)建命名主題綁定到注冊(cè)用戶的數(shù)據(jù)類型上,。主題會(huì)自動(dòng)地在DataWriters和DataReaders之間建立一個(gè)數(shù)據(jù)流。
　    participant->get_default_topic_qos(topic_qos);
　    participant->create_topic("Square","TopicInfo",topic_qos, NULL/* topic_listener*/);
    (4)創(chuàng)建Publishers和DataWriters
　    在給定的DomainParticipant上,，創(chuàng)建Publisher,。一個(gè)Publishr可以有不同主題的DataWriters。DataWriter提供發(fā)送數(shù)據(jù)樣本的方法,，管理輸入數(shù)據(jù)通道的生命周期,。
    participant->get_default_publisher_qos(publisher_qos);
　    publisher=participant->create_publisher( publisher_qos,NULL /* publisher_listener */);
　    publisher->get_default_datawriter_qos(writer_qos);
　　writer = publisher->create_datawriter( topic, writer_qos,NULL /* writer_listener */);
    (5)發(fā)送數(shù)據(jù)更新
　　對(duì)于給定的writer，使用::write()方法將新的數(shù)據(jù)值發(fā)布給subscribers,。
　　while (1) {
　　retcode = writer->write(topic_info, topic _instance_handle);}
    (6)創(chuàng)建Subscribers和DataReaders
　    在給定的DomainParticipant,，創(chuàng)建Subscriber，一個(gè)Subscriber可以有不同主題的DataReaders,。通過調(diào)用on_data_available()方法處理接收到的數(shù)據(jù)樣本,。
　    participant->get_default_subscriber_qos(subscriber_qos);
　    subscriber=participant->create_subscriber(subscriber_qos,NULL /* subscriber_listener*/);
　    DDSDataReaderListener* reader_listener = new MyReaderListener();
　    subscriber->get_default_datareader_qos(reader_qos);
　　reader = subscriber->create_datareader(topic,  reader_qos,  reader_listener);
    (7)接收數(shù)據(jù)樣本
　　當(dāng)應(yīng)用程序檢索到數(shù)據(jù)樣本時(shí)，調(diào)用::on_data_available()函數(shù)接收數(shù)據(jù),；接收到topic_info數(shù)據(jù)時(shí),，調(diào)用::take()函數(shù)匹配DDS中間件里的數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。接收完數(shù)據(jù)樣本后,，應(yīng)用程序通過調(diào)用::return_loan()函數(shù)返回,。
    void MyReaderListener::on_data_available(DDSDataReader* reader)  {
    TopicInfoDataReader *myReader = (TopicInfoDataReader *)reader;
    retcode = myReader->take( data_seq, info_seq,
　　　　　　　　　　　　　　　DDS_LENGTH_UNLIMITED,
　　　　　　　　　　　　　　　DDS_ANY_SAMPLE_STATE,
　　　　　　　　　　　　　　　DDS_ANY_VIEW_STATE,  
                                        DDS_ANY_INSTANCE_STATE);
         for (int  i = 0; i < data_seq.length(); ++i) { 
　    /* display_ graphics _measurement(&data_seq[i]); */ }
　　    myReader->return_loan(data_seq, info_seq);}
    (8)調(diào)整服務(wù)質(zhì)量（QoS）
    在DataReader和DataWriter對(duì)象之間調(diào)整數(shù)據(jù)流的QoS參數(shù)設(shè)置，也可以通過get_qos()/set_qos()指定參數(shù)設(shè)置,。
    DataReaders可以要求不同程度的可靠性交付,，從快速但不可靠到高可靠性順序交付。這為每個(gè)數(shù)據(jù)流提供了可靠性控制。
    中間件可以通過QoS的OwnershipStrength參數(shù)自動(dòng)判斷多個(gè)DataWriters的同一主題所代表的信息,。根據(jù)唯一性,，一個(gè)通道上的一個(gè)主題只能由單一的DataWriter更新。DataReaders從DataWriter接收具有最高權(quán)值的數(shù)據(jù),，并提供了自動(dòng)故障排除功能,。如果一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的DataWriter失敗，所有DataReaders立即接收較弱的備份 DataWriter的更新數(shù)據(jù),。DataWriter也可以指定持續(xù)時(shí)間,，通過QoS參數(shù)Lifespan（預(yù)期生存期限）標(biāo)示樣本是否過時(shí)。DDS可以定義許多QoS參數(shù),。每對(duì)相關(guān)的實(shí)體都可以在此基礎(chǔ)上調(diào)整各自的行為,。
    (9)狀態(tài)改變的響應(yīng)
    每個(gè)DDS實(shí)體的狀態(tài)可以通過get_*_status()函數(shù)更新。使用偵聽者,，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化后中間件會(huì)自動(dòng)通知或等待條件變量觸發(fā)特定的狀態(tài)變化,。
    應(yīng)用程序可以對(duì)特定狀態(tài)的變化做出響應(yīng),。例如,，應(yīng)用程序可以得到通知，當(dāng)DataWriter不再有效或其活力發(fā)生了變化,；或當(dāng)另一具有相同名稱的主題存在,，但具有不同的特征；或當(dāng)QoS參數(shù)不符合提供的數(shù)據(jù),；或當(dāng)錯(cuò)過了生存期限,；或者當(dāng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的與主題匹配的DataReader(或DataWriter)；或當(dāng)數(shù)據(jù)有效,；或當(dāng)數(shù)據(jù)樣本丟失或被拒絕,。應(yīng)用程序響應(yīng)狀態(tài)變化可在每個(gè)實(shí)例的基礎(chǔ)上調(diào)整。
    OMG的DDS創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的數(shù)據(jù)模式,。采用DDS中間件發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，每個(gè)實(shí)體通過調(diào)整QoS參數(shù)支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信模式配置,，減輕了開發(fā)者擔(dān)心的低層次的網(wǎng)絡(luò)編程任務(wù),。該中間件能夠跨平臺(tái)操作，便于應(yīng)用程序的移植和維護(hù),，易于組建和實(shí)現(xiàn)一個(gè)擴(kuò)展的,、易維護(hù)的實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)。
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