基于發(fā)布/訂閱機制的指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)設計

沈祉怡,孫艷英

(92941部隊96分隊，遼寧葫蘆島， 125001)

0 引言

隨著海上靶場參試的裝備與日俱增，指控信息的內(nèi)容不斷豐富，傳統(tǒng)的指揮信息轉(zhuǎn)發(fā)軟 件配置復雜，維護困難。這就需要一種操作簡便，并且能夠?qū)Ａ康脑囼炐畔⑦M行靈活、高 效轉(zhuǎn)發(fā)的指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)階段靶場需求。對于試驗指揮員和各設備操作手， 不僅期望能夠快速、準確的獲取所需信息，還要及時的將信息傳遞出去。在不同的試驗任務 中，參試的指揮部位不同，對試驗任務相關的信息需求也不同。這就需要一種方便、靈活、 可擴展的交互機制和通信模型來適應靶場試驗任務中裝設備動態(tài)變化和松耦合的特點。發(fā)布 /訂閱機制具有異步以及松散耦合的特點，可以使信息的發(fā)布者和訂閱者在時間、空間和控 制流等方面完全解耦，適應目前靶場外場裝設備站點和分指揮所動態(tài)多變、有線/無線的指 揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)的需求。綜上，本文針對現(xiàn)階段靶場試驗中的問題，如網(wǎng)絡帶寬不夠， 連接不穩(wěn)，動態(tài)可擴展性差等，結合未來靶場需求進行探討，設計靈活、動態(tài)、可擴展、易 操作的指顯信息分發(fā)系統(tǒng)。

1 發(fā)布/訂閱機制

1.1 發(fā)布/訂閱模型

發(fā)布/訂閱是一種消息范式，主要包括發(fā)布者，是信息的生產(chǎn)者；訂閱者，是信息的消費者；消息代理，是發(fā)布者和訂購者的紐帶。在信息的生產(chǎn)者和消費者之間所交互的信息稱 為事件或者消息。發(fā)布者發(fā)布不同類別的消息，訂閱者對一種或多種消息表達興趣，接收感興趣的消息。消息代理根據(jù)訂閱信息將發(fā)布的消息以異步的通知形式發(fā)送給相應的訂閱者。發(fā)布/訂閱模型結構如圖l所示。

圖l發(fā)布/訂閱模型結構

1.2 發(fā)布/訂閱系統(tǒng)特點

發(fā)布/訂閱系統(tǒng)主要具備交互性和解稿性的特點。

(1)交互性:發(fā)布/訂閱系統(tǒng)具有很強的交互性。訂閱者提出訂閱需求，而發(fā)布者通過將事件 發(fā)送給分發(fā)代理滿足訂閱者的需求。

(2)解耦性:解耦性主要表現(xiàn)在空間解耦—消息的發(fā)布者和訂閱者不必互相知道彼此。時間解 耦一消息的發(fā)布和訂閱條件不需要同時產(chǎn)生。控制流解耦一事件的發(fā)布和訂閱不是在發(fā)布者或者訂閱者的主控流程里發(fā)生。

2 指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)設計

2.1 需求分析

靶場在進行試驗任務過程中，各測控站點、分指揮所和指控中心都需要發(fā)送和獲取試驗 任務相關的信息。現(xiàn)階段靶場試驗任務信息的傳輸主要是各測控設備將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心，由 中心處理后再向外部的測控站點和分指揮所以及中心內(nèi)部進行發(fā)布。不僅傳輸和處理過程復雜，而且各外部測控設備之間共享能力差，很難滿足試驗任務中個性化的需求。

面對日益增長的指揮顯示信息，指顯信息分發(fā)系統(tǒng)應能夠及時的獲取相關任務信息，并能夠快速轉(zhuǎn)發(fā)給各站位；各站位不需要獲取所有的指顯信息，而是按需滿足個性化的定制， 以便有效的利用網(wǎng)絡帶寬資源；并且針對任務情況可以隨時動態(tài)加入新的測控設備或分指揮 所，也可以隨時與該系統(tǒng)斷開，具備動態(tài)可擴展功能，更好地滿足未來靶場轉(zhuǎn)型需求。

2.2 基本架構

指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)為實現(xiàn)靶場試驗信息的高度共享，適應以網(wǎng)絡為中心的未來靶場 需求，利用訂閱/發(fā)布機制的松耦合、交互性、異步性的特點構建了指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)架構。該系統(tǒng)的基本框架如圖2所示。

圖2 指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)基本框架

該基本框架主要通過試驗IP網(wǎng)、衛(wèi)星等通信方式在終端設備與指顯信息分發(fā)服務器之 間架構網(wǎng)絡橋梁。終端設備用戶將自己獲取的指顯信息通過指顯信息分發(fā)接口的轉(zhuǎn)換發(fā)布到 指顯信息分發(fā)服務器上，然后經(jīng)過一系列的全局數(shù)據(jù)的處理，將信息發(fā)布到發(fā)布列表中，就 可以在整個系統(tǒng)中共享指顯信息。用戶訂購信息，首先要發(fā)送訂閱需求，在信息管理節(jié)點處 進行注冊后，發(fā)送訂閱請求，在注冊表中查找匹配信息進行發(fā)送信息。

2.3 指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)的工作流程

指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。在整個系統(tǒng)中，信息的發(fā)布者，通過指 揮顯示接口將任務信息發(fā)送到指顯信息分發(fā)系統(tǒng)中，創(chuàng)建相應的發(fā)布主題并將主題和服務質(zhì) 量參數(shù)（QoS參數(shù))提交給數(shù)據(jù)寫入者，并在信息管理節(jié)點處將發(fā)布的信息進行注冊便于訪 問和查詢信息。信息的訂閱者，通過指揮顯示分發(fā)系統(tǒng)接口將訂閱需求發(fā)送到指顯信息分發(fā) 系統(tǒng)中，創(chuàng)建相應的訂閱主題和QoS要求，通過數(shù)據(jù)訂閱者向系統(tǒng)提交請求，等待接收數(shù)據(jù)，并在信息管理節(jié)點處將訂閱的信息進行注冊。在信息管理節(jié)點處創(chuàng)建訂閱和發(fā)布的索引表里，通過信息匹配找到相應的發(fā)布者和訂購者，并將兩者建立連接，將實時的數(shù)據(jù)發(fā)送給訂閱者，同時將匹配結果發(fā)布到發(fā)布節(jié)點上。

3 關鍵技術

3.1 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型是發(fā)布/訂閱系統(tǒng)的基礎，其他技術都是依賴于數(shù)據(jù)模型進行研究的。通常，發(fā)布/訂閱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型主要由事件模型和訂閱模型組成。用來描述發(fā)布者所提供的事件 被稱為事件模型；用來描述訂閱者提交的訂閱條件被稱為訂閱模型。目前發(fā)布/訂閱系統(tǒng)所 采用的數(shù)據(jù)模型主要是基于Map的數(shù)據(jù)模型和基于XML的數(shù)據(jù)模型等。

在基于Map的數(shù)據(jù)模型中，通常把事件描述成屬性名和屬性值的形式，它把時間表述成多個屬性，每個屬性可以對應一個或多個值，既一個“屬性=值”的集合，而這個集合就叫做一個Map。對于訂閱者提出的訂閱條件，一般是由各個屬性的“與”運算組成，訂閱條件可能只涉及事件的一個屬性，也可能涉及到多個屬性。

在基于XML的數(shù)據(jù)模型中，每個事件被描述成為一個XML文檔，而訂閱條件一般被描述成為一個XPath表達式，其中既包括對XML文檔結構的約束，又包括對某些元素和屬性的約束。雖然XML具有很強的表達能力，但是訂閱者必須預先知道被發(fā)布的XML文檔所遵從的XMLSchema，才能根據(jù)該Schema定義出相應的訂閱條件。

在本系統(tǒng)中，擬采用基于Map的數(shù)據(jù)模型。把事件描述成屬性名-屬性值的二元組形式； 對于訂閱條件，通常用屬性名，關系操作符，屬性值三元組來表示。

3.2 匹配技術

在發(fā)布/訂閱系統(tǒng)中，事件實時更新，訂閱需求不斷發(fā)送，如何快速、高效、準確的進行匹配是匹配算法需要解決的問題。常用的匹配方法有暴力法、匹配樹法和多級索引法等。

本系統(tǒng)設計在多級索引法的基礎上進行調(diào)整改進。所有訂閱條件被建立成一張多級索 引表，其中事件的主題是一級索引，關系操作符是二級索引，事件的屬性名是三級索引，屬 性值是四級索引。索引表的建立過程:對于新發(fā)布的訂閱條件，首先，在一級索引處進行主題區(qū)分，找到對應主題后進入下一索引；其次，在二級索引中查找符合條件的關系操作符， 然后進入第二級索引；再次，到三級索引中查找訂閱條件的屬性名，匹配后進入第四級索引； 最后，在四級索引中找到滿足條件的屬性值后，找到符合條件的事件，結束索引。

3.3 路由協(xié)議

在發(fā)布/訂閱系統(tǒng)中，一般由分布在不同地點的多臺服務器作為事件代理，并由這些事 件代理構成一個網(wǎng)絡系統(tǒng)。為保障信息傳輸順利進行，路由協(xié)議負責為分發(fā)服務器選擇合適 的路徑，將事件從發(fā)布者高效、可靠地傳送給訂閱者，并使分發(fā)代理節(jié)點可以靈活配置、動 態(tài)的擴展。所以，路由協(xié)議對整個系統(tǒng)的效率和可靠程度起著至關重要的作用。常見的發(fā)布 /訂閱系統(tǒng)的路由算法主要包括生成樹算法、逆向路徑算法等。

生成樹算法中，所有事件代理組成樹型結構。當某事件代理收到訂閱者發(fā)來的訂閱請求 時，訂閱消息由當前節(jié)點逐級向根節(jié)點發(fā)送，并利用過濾條件的覆蓋關系對消息轉(zhuǎn)發(fā)進行優(yōu) 化。但是，由于處于上層的節(jié)點保存其子節(jié)點所有的訂閱信息，所以越是上層的節(jié)點保存的 信息就越多，負擔也就越重，各個節(jié)點就會出現(xiàn)負載不均現(xiàn)象。

逆向路徑算法中，訂閱消息的傳播采用“基于源轉(zhuǎn)發(fā)”廣播算法，事件消息的傳播采用 “逆向路徑轉(zhuǎn)發(fā)”廣播算法。每個事件代理都預先知道一棵以自己為根的生成樹。訂閱者將 訂閱消息發(fā)送給它的事件代理，然后事件代理將訂閱的事件按這棵生成樹轉(zhuǎn)發(fā)給其它各事件 代理，并利用過濾條件的覆蓋關系對轉(zhuǎn)發(fā)的消息進行優(yōu)化。當每個事件代理收到其客戶發(fā)布 的事件時，該事件即按照各訂閱消息的逆向路徑被轉(zhuǎn)發(fā)到其它事件代理。這種路由協(xié)議的優(yōu) 點在于各事件代理的負載較為均衡。它的缺點在于，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都同時處在多棵事件 分發(fā)樹之中，其中包含的路由信息難以被其他節(jié)點所替代。一旦某節(jié)點失效，整個系統(tǒng)的路由重配工作將是很困難的。

已有的路由算法采用的協(xié)議都是在某種廣播協(xié)議基礎上進行優(yōu)化，以避免不必要的消息 轉(zhuǎn)發(fā)。對于本系統(tǒng)的路由算法，通過檢測各分代理服務器中是否有對本事件感興趣的訂閱者， 來設置過濾條件的覆蓋關系，從而降低信息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量，提高事件轉(zhuǎn)發(fā)效率、訂閱維護效率和 系統(tǒng)容錯能力，實現(xiàn)系統(tǒng)的負載均衡，降低系統(tǒng)的資源消耗。

4 結束語

基于發(fā)布/訂閱機制的指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)利用發(fā)布/訂閱模型的交互性、異步通信和 松耦合性的特點，使指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)不僅能夠更加快速、準確的獲取實時的試驗信息， 又能靈活、動態(tài)擴展系統(tǒng)，滿足未來靶場繁重的試驗任務需求。

圖3 指揮顯示信息分發(fā)系統(tǒng)工作流程