基于DDS 的衛(wèi)星站監(jiān)控系統(tǒng)北向接口設計

李 杰，祝頌東

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

1 研究背景

衛(wèi)星地球站監(jiān)控系統(tǒng)作為衛(wèi)星通信網綜合管理系統(tǒng)的監(jiān)控子系統(tǒng)，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(jiān)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(tǒng)提供接入和管理衛(wèi)星通信子網的接口，該接口起到上層管理系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)之間的承上啟下作用。衛(wèi)星地球站監(jiān)控系統(tǒng)作為數據生產者，而上層管理系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)中數據發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數據為中心的發(fā)布/訂閱機制。

本文依托Open DDS 的消息中間件實現(xiàn)，Open DDS 是一種C++語言的開源實現(xiàn)。它遵循OMG 的DDS 標準，位于網絡協(xié)議棧最上層，屏蔽了應用程序對數據傳輸細節(jié)，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(fā)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(fā)服務

實時數據傳遞主要包括點到點、消息隊列和發(fā)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(xiàn)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(fā)布/訂閱模型中發(fā)布者和訂閱者通過主題相關聯(lián)，雙方不必知道對方在何處，也不必同時在線，實現(xiàn)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(fā)圖

數據分發(fā)服務（DDS）標準是OMG（對象管理組織）有關分布式實時系統(tǒng)中數據發(fā)布的一個較新規(guī)范。DDS 標準規(guī)范采用了發(fā)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(fā)布/訂閱通信模型，針對強實時系統(tǒng)進行了優(yōu)化，

3 系統(tǒng)結構與功能

3.1 體系結構

圖2 系統(tǒng)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(guī)則、統(tǒng)一、模型化的數據表格信息，并進行入庫操作。

（2）綜合監(jiān)視服務。綜合監(jiān)視服務是根據設定的規(guī)則，對適配數據進行監(jiān)測、管理、告警等數據監(jiān)測服務，并對數據監(jiān)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(tǒng)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(tài)、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(fā)布/訂閱模式的接口（API）來完成數據通信。

4 系統(tǒng)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(xié)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(fā)生某種故障，此時，系統(tǒng)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(yè)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(wèi)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(tài)參數表

表2為站內每個設備的參數模型表，主要包括狀態(tài)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(tài)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(tài)參數，例如，天線的含接收電平、接收機狀態(tài)、通信狀態(tài)、伺服電機狀態(tài)、碼盤狀態(tài)，功放溫度、增益狀態(tài)，信道的通信信噪比、信道工作狀態(tài)、鏈路狀態(tài)等，狀態(tài)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(tài)表

表4為本站內當前衛(wèi)星信道通信網絡質量及鏈路狀態(tài)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(wèi)星通信信道鏈路。

表4 業(yè)務參數表

4.2 DDS 數據結構定義

由于不同系統(tǒng)、平臺、版本之間數據庫存在差異，導致上層系統(tǒng)不能直接訪問綜合監(jiān)視系統(tǒng)的數據庫。為了使不同系統(tǒng)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(xiàn)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(jiān)控子系統(tǒng)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(tǒng)需要的數據。當數據消費者需要時，由消費者理解數據的業(yè)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(tǒng)（即數據生產者）使用Topic 為NetMgrBaseConfig 進行數據發(fā)布和生產，綜合監(jiān)視系統(tǒng)（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(jiān)視系統(tǒng)要響應某一詢問時，可以使用Topic 為StatMoniConfig進行數據發(fā)布和生產。此時，上層管理系統(tǒng)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(tǒng)和綜合監(jiān)視系統(tǒng)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(tǒng)和綜合監(jiān)視系統(tǒng)之間進行設備參數、信息交互，上層用戶系統(tǒng)可以通過訂購綜合監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)和綜合監(jiān)視系統(tǒng)之間進行告警信息的交互，上層用戶系統(tǒng)可以通過訂購綜合監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)和綜合監(jiān)視系統(tǒng)之間進行通信網絡交互和鏈路操作。上層用戶系統(tǒng)可以通過訂購綜合監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)布的通信服務，達到訪問下層通信網絡狀態(tài)，并操作相應通信鏈路的功能。

5 結束語

基于數據分發(fā)服務DDS 的衛(wèi)星地球站監(jiān)控北向接口，采用以數據為中心的發(fā)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(fā)，為上層管理系統(tǒng)提供接入和管理衛(wèi)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(xiàn)了通信雙方時間、空間和數據通信的多維松耦合。