面向分布式網絡的信息按需分層分發系統框架

張冬梅 王 磊

(黑龍江八一農墾大學信息技術學院1，黑龍江 大慶 163319;北京工業大學機電學院2，北京 100022)

0 引言

近年來，大量分布式應用的實現以基于發布/訂購機制的信息按需分發作為基本的通信集成基礎設施，如：用戶和軟件監控、工作流管理系統等。許多分布式實時應用都需要將數據迅速高效地傳送到目的地，這就需要建立一個功能強大、融合多種處理機、健壯、高效的分布式實時通信網絡系統[1－2]。為此，對象管理組織(object management group，OMG)提出了數據分發服務標準 (data distribution service，DDS)。該標準主要針對用戶需要提供實時信息傳送的系統[3]。

數據分發服務(data distribution service，DDS)是專門為高性能的數據分發而設計的一項新規范，目的在于提供一個能夠清晰地定義數據分發服務的應用級接口，從而簡化開發者的網絡設計工作。2005年12月，修訂后的版本v1.1正式推出，它在原有基礎上做了進一步完善[4－5]。

1 按需分層分發體系結構

1.1 發布/訂購模型

DDS基于發布/訂購模型構建了一個共享“全局數據空間”的概念[6－7]，所有的數據對象都存儲在于此空間。分布式節點通過“發布”操作將數據發送到全局數據空間共享，通過“訂購”操作獲取自己感興趣的信息。

發布/訂購模型如圖1所示。

圖1 發布/訂購模型Fig.1 The publish/subscribing model

OMG-DDS規范中描述的以數據為中心的發布/訂購按需分發模型為許多實時應用提供了解決方案，從小規模的區域信息管理到大規模分布控制系統的各個領域，都可以實現信息的實時可用性[8－9]。

1.2 按需分層分發的框架

按各平臺在地理位置上的分散情況以及信息交互頻繁程度，分布式網絡系統可劃分成不同的信息分發區域。各區域由一個區域信息中心負責本區域內各平臺之間的信息交互。區域內平臺可以是發布信息平臺，也可以是訂購信息平臺，或同時兼具這兩種平臺的功能。各區域信息中心通過廣域網傳遞區域間的信息交互，由此構成了區域和全局的兩層按需分發框架。按需分層分發框架如圖2所示。

圖2 按需分層分發框架Fig.2 Framework of the on-demand hierarchical distribution

按需分層分發框架具體由以下幾部分構成。

①網絡基礎設施，它是由Internet骨干網和各種局域網組成，通過路由器互聯起來的分布式通信網絡。

②區域信息中心，它是按地域分布的上層信息分發系統，為分布式網絡提供信息分發服務;各區域信息中心間保持信息資源的共享和同步。當某個區域信息中心癱瘓時，不影響其他信息系統的信息分發和交互，從而提高了整個系統的可靠性和抗毀能力。

③信息中心代理，它位于信息發布平臺和訂購平臺，是發布平臺和訂購平臺的一個外殼，相當于一個本地應用系統和區域信息中心業務往來的中間服務，負責與信息中心交互。在以下內容中，均把信息中心代理作為信息發布和訂購平臺的一部分。

④信息發布平臺，首先，信息發布平臺接入本地區域信息中心獲得身份認證授權，然后注冊自己能提供的信息，包括能提供的信息類型、屬性和內容等。受理發布信息的區域信息中心將發布信息錄入信息發布表，作為與訂購信息相匹配的信息源。

⑤信息訂購平臺，它接入信息中心獲得身份認證授權后，就可向區域信息中心請求自己感興趣的訂購信息。受理此訂購信息的區域信息中心將及時進入訂購信息庫，并與已有注冊信息匹配。一旦匹配上(可與多個發布平臺區配上)，信息中心即向訂購平臺發送包括對方網絡地址等信息的通告信息，訂購平臺此時作為主動方可以隨時選擇匹配上的發布平臺發送請求信息，信息發送是“端對端”的。

2 分層信息交互策略

2.1 區域信息交互

區域信息交互是指區域信息中心和它所在區域的發布平臺、訂購平臺之間的信息分發，區域信息交互關系如圖3所示。

圖3 區域信息交互關系Fig.3 Area information interaction

由于發布平臺、訂購平臺和區域信息中心角色的不同，使其在信息分發系統中具有不同的作用。為了區分各平臺之間的關系，易于彼此間的信息傳遞，各平臺之間通過自身特定的分發行為進行交互。

①發布行為，它是發布平臺向區域信息中心發布信息時的交互方式，包括“注冊”新信息、“更新”已注冊信息和“取消”已注冊信息三種行為。

②訂購行為，它是訂購平臺向區域信息中心訂購信息的交互方式，分為持久、實時和退訂三種行為。“持久”訂購是對某信息的長期訂購行為，分為兩種情況，一種是周期性訂購消息，另一種是當信息發生變化時的訂購。

“實時”訂購是請求信息必須在規定的時間內送達到本平臺的訂購行為，若超出此時間限制，則信息中心自動取消此訂購信息。“退訂”是當訂購平臺不再需要某信息，取消已訂購信息的行為。當訂購平臺退訂信息以后，區域信息中心就不會再將退訂信息進行匹配。如果訂購平臺有多個訂購請求，其他訂購信息還是要進行匹配。

③響應行為，它是區域信息中心對發布行為和訂購行為的應答方式。對發布行為的響應行為是允許和回拒。“允許”行為是區域信息中心對發布平臺行為的許可，“回拒”則與之相反。對訂購行為的響應行為是成功和失敗。“成功”應答是區域信息中心已匹配出滿足訂購信息條件的發布信息，當沒有符合訂購限制條件的發布信息時，發出訂購“失敗”應答。

2.2 全局信息交互

全局信息交互是指在不同區域內的發布和訂購平臺通過各自所在的區域信息中心進行的信息分發。全局信息交互關系如圖4所示。

圖4 全局信息交互關系Fig.4 Global information interaction

訂購平臺S向區域信息中心L-DC2發出訂購請求信息，當L-DC2無法在本區域內匹配出滿足條件的發布信息時，L-DC2就將此訂購信息傳遞到廣域網，并向其他區域信息中心訂購滿足條件的發布信息。此時，L-DC2相當于訂購平臺。一旦其他區域信息中心LDC1匹配出相應的發布信息，就向L-DC2回應匹配結果。最后，由訂購平臺S向發布平臺P請求信息發送，完成全局信息交互。

3 發布/訂購信息過濾方案

3.1 發布/訂購信息模型

發布和訂購信息的數據模型是一個類型屬性集合，屬性和屬性約束是一個四元組[10]，即：

Attribute|Constraint= ＜T，N，O，V＞發布信息和訂購信息實例如表1所示。

表1 信息實例Tab.1 Information examples

每個屬性包括的字段有屬性類型(Type)、屬性名稱(Name)、操作符(Operator)和屬性值(Value)。發布信息是屬性的集合，即PI=∪Attribute，訂購信息是屬性約束的集合，即SI=∪Constraint。對于訂購信息中的每一個屬性α，當發布信息中至少存在一個屬性β，使得α?β時，則稱訂購信息包含發布信息，即發布信息滿足訂購信息的訂購條件。

3.2 發布平臺過濾

發布平臺過濾(publisher filtering，PF)，PF表示發布者對發布信息的約束，簡稱發布過濾，其約束條件在通知分組中描述。某個發布過濾中可以有多個限定條件，發布信息的屬性個數不能多于發布過濾的屬性個數。

發布過濾PF是屬性過濾AF(attribute filtering，AF)的集合，即：

若發布信息的數據空間為D，發布過濾的數據空間為PF，則下列屬性條件成立：

式中：α?pf表示發布信息的屬性α滿足發布過濾中屬性pf。α?pf至少滿足：

式(1)～式(2)說明發布信息中的每一個屬性都滿足發布過濾中對應屬性的約束條件。

3.3 訂購平臺過濾

訂購平臺過濾(subscriber filtering，SF)表示訂購方對訂購信息的約束，簡稱訂購過濾。發布信息和訂購過濾相匹配的條件是當且僅當發布信息滿足訂購過濾中的所有屬性。

某個訂購信息中可以有兩個或多個限定屬性條件，發布信息可以比訂購過濾的屬性個數多。

訂購過濾SF是屬性約束(constraint filtering，CF)的集合，即：

如果在某個發布過濾中包含多個具有相同屬性名稱的屬性過濾，其操作符為 o1，o2，…，on，操作符對應的屬性值為 v1，v2，…，vn，則對該屬性來說，訂購過濾是這多個屬性過濾的交集。

當訂購平臺收到了發布平臺發來的發布信息時，判斷自己的訂購過濾是否滿足發布過濾的約束條件。判斷條件是：若訂購過濾的數據空間為SF，發布過濾的數據空間為PF，則下列屬性條件成立。

式中：sf?pf表示訂購過濾中的屬性sf滿足發布過濾中的屬性pf。sf?pf滿足：

式(4)～式(5)說明對于訂購過濾中的每一個屬性都滿足發布過濾中對應屬性的約束條件。

4 結束語

數據分發服務(DDS)為分布式網絡系統實現高效、可靠的信息分發提供了有效的解決方案。通過建立以數據為中心的發布/訂購模型，為大規模分布式網絡系統構建了兩層信息按需分發體系框架。同時，提出了區域和全局兩層信息交互策略，并設計了發布/訂購信息過濾方案。此框架的設計對于提高分布式系統的擴展性、解決系統的瓶頸問題提供了新的思路和方法。

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