一種CORBA中間件通信時延性能優(yōu)化方法

呂 浩，劉文科

一種CORBA中間件通信時延性能優(yōu)化方法

呂 浩，劉文科

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

CORBA是一種廣泛應(yīng)用于軟件無線電系統(tǒng)的中間件。為了滿足軟件無線電系統(tǒng)高實時性要求，本文提出基于oneway關(guān)鍵字的中間件通信時延性能優(yōu)化方法。利用該方法，通信時延降低近60%。

CORBA；軟件無線電；oneway；通信時延

0 引言

在分布式互聯(lián)互通技術(shù)領(lǐng)域中，公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）中間件憑借著強大的跨語言、跨操作系統(tǒng)和跨異構(gòu)平臺的能力被廣泛應(yīng)用。隨著CORBA被SCA規(guī)范所采用，越來越多的軟件無線電研究者開始關(guān)注和研究CORBA，并且開始將CORBA的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到軟件無線電系統(tǒng)中，然而軟件無線電系統(tǒng)具有很多不同于傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)的特點，包括嚴(yán)格的實時性要求和靈活的通信機制等[1]。因此，為了滿足高實時性的要求，降低中間件通信時延，提高傳輸效率顯得尤為重要。

本文提出一種基于oneway的中間件通信時延性能優(yōu)化方法，并以omniORB為例進行測試，結(jié)果表明該方法能夠大幅度降低CORBA中間件的通信時延。

1 CORBA中間件

CORBA[2]是對象管理組織（Object Management Group，OMG）提出的一種面向?qū)ο蟮闹虚g件標(biāo)準(zhǔn)，能屏蔽底層硬件平臺和操作系統(tǒng)的差異性，實現(xiàn)分布式環(huán)境下客戶端與服務(wù)端的通信。

1.1 CORBA體系結(jié)構(gòu)

圖1 CORBA體系架構(gòu)

CORBA對象代理請求體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，由對象請求代管者（Object Request Broker，ORB）核心及其接口、客戶端碼根（Stub）、服務(wù)器端框架（Skeleton）、動態(tài)調(diào)用接口（Dynamic Invocation Interface，DII）、動態(tài)框架接口（Dynamic Skeleton Interface，DSI）、接口庫（Interface Repository）、實現(xiàn)庫（Implementation Repository）和對象適配器（Object Adapter）等組成[3]。

（1）ORB核心

ORB是CORBA的核心部分，提供客戶端與對象實現(xiàn)之間透明通信的機制，它的基本任務(wù)是把客戶端的請求傳遞到被激活的對象實現(xiàn)中去。

（2）接口定義語言（Interface Description Language，IDL）和語言映射

IDL用來描述對象接口，定義對象通信的操作和數(shù)據(jù)類型。IDL的語法與C++類似，同時它也增加了一些支持分布式處理的關(guān)鍵字如in、out和inout等。一個IDL說明可以包含一個或多個接口，也可以包含模塊說明。

IDL語法是一種描述性語言而非一種具體實現(xiàn)語言，利用IDL語言進行應(yīng)用程序開發(fā)時，需要將IDL語言映射為具體的編程語言，包括C++和C。IDL語言映射是CORBA應(yīng)用程序開發(fā)的關(guān)鍵，它提供了CORBA中抽象概念和模型的具體實現(xiàn)方法。

（3）碼根（Stub）和框架（Skeleton）

碼根和框架都是由IDL文件編譯生成的，且特定的框架接受特定的、對某個接口的請求。因此，通過碼根和框架的調(diào)用被通稱為靜態(tài)調(diào)用。碼根的作用是代表客戶創(chuàng)建并發(fā)請求；框架的作用則是把請求交給CORBA對象實現(xiàn)。

（4）動態(tài)調(diào)用接口DII

提供動態(tài)調(diào)用和實現(xiàn)方式。在動態(tài)方式下，客戶端或?qū)ο髮崿F(xiàn)需要查詢由接口庫提供的相應(yīng)對象接口的描述信息。在使用DII時，用戶必須自定義請求信息，包括相應(yīng)的操作及有關(guān)參數(shù)等。

（5）對象適配器

根據(jù)CORBA規(guī)范的定義，對象適配器的功能主要是完成對象引用的生成與解釋、根據(jù)對象引用找到對應(yīng)的對象實現(xiàn)、對象與實現(xiàn)的激活和終止激活、對象實現(xiàn)的注冊等。

（6）接口庫

接口庫作為一個對象而存在。應(yīng)用程序可以像調(diào)用其他CORBA對象所提供的操作一樣，來調(diào)用接口庫的操作。接口庫允許應(yīng)用程序在運行時訪問OMG IDL類型系統(tǒng)。

（7）實現(xiàn)庫

實現(xiàn)庫存儲有關(guān)服務(wù)器的信息，如服務(wù)器的名字以及相關(guān)可執(zhí)行程序的路徑。它所完成的功能與接口庫類似，只不過它存儲的是對象實現(xiàn)的信息。

（8）通用對象請求代理間通信協(xié)議（General Inter-ORB Protocol，GIOP）

OMG定義了兩個ORB之間的通信協(xié)議，即GIOP協(xié)議[2]。GIOP規(guī)范包含以下兩個元素：

1）公共數(shù)據(jù)表示（Common Data Representation，CDR）

公共數(shù)據(jù)表示是一種傳送語法，將IDL定義的數(shù)據(jù)類型映射為二進制形式。所有的IDL數(shù)據(jù)類型都使用統(tǒng)一的CDR語法編碼，保證不同的ORB實現(xiàn)之間能夠通信。它描述了如何編碼/解碼操作中的數(shù)據(jù)，以便所有可能的服務(wù)端都可以抽取參數(shù)并調(diào)用遠程操作，且數(shù)據(jù)交換不會產(chǎn)生多義性。

2）GIOP消息類型

GIOP定義8種消息類型：請求消息（Request）、應(yīng)答消息（Reply）、取消請求（Cancel Request）、定位請求（Locate Request）、定位應(yīng)答（Locate Reply）、關(guān)閉連接（Close Connection）、錯誤消息（Message Error）以及分段消息（Fragment），支持ORB之間的通信。

3）GIOP消息傳輸

GIOP是一個抽象的協(xié)議，并不能進行具體的數(shù)據(jù)傳輸，它必須要被映射為具體的傳輸協(xié)議。目前應(yīng)用最廣泛的Internet上的GIOP協(xié)議就是GIOP消息到TCP/IP的映射，稱為互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部對象請求代理協(xié)議（Inter Inter-ORB Protocol，IIOP）。

1.2 中間件通信過程及通信時延

圖2 通信時延示意圖

中間件通信過程是指客戶端與服務(wù)端的不同域之間或者相同域內(nèi)的ORB之間使用GIOP/IIOP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互的過程，其中中間件通信時延是指為完成一次通信過程所需要的時間，如圖2所示。為保證準(zhǔn)確性，應(yīng)多次測試取平均值。

2 oneway及單向調(diào)用

本文提出一種基于oneway的中間件通信時延優(yōu)化方法，并以omniORB為例測試驗證。

oneway是IDL規(guī)范中定義的一個關(guān)鍵字，表明該操作是單向的。與雙向調(diào)用相比，單向調(diào)用的客戶端發(fā)出請求后，CORBA中間件將調(diào)用請求轉(zhuǎn)發(fā)給合適的服務(wù)端應(yīng)用進行處理，而客戶端不需要等服務(wù)器端的應(yīng)答，立即返回執(zhí)行后續(xù)處理，客戶端并不清楚該操作是否被正常調(diào)用[4]。單向調(diào)用以及雙向調(diào)用示意圖如圖3～圖4所示。

圖3 單向調(diào)用示意圖

圖4 雙向調(diào)用示意圖

因此，利用oneway關(guān)鍵字修飾操作，可以提高操作的傳輸效率。

3 基于oneway操作的通信時延測試

本文首先對oneway操作的實現(xiàn)及其可靠性進行測試，并在可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上，測試基于oneway操作的中間件通信時延。

3.1 測試環(huán)境

以Zynq7015處理器作為測試硬件平臺，其操作系統(tǒng)為Linux，構(gòu)建兩個組件通信的C/S場景，LLC作為客戶端，Net作為服務(wù)端，基于以太網(wǎng)的omniORB中間件完成通信，IP地址為192.168.10.20，測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 測試環(huán)境示意圖

3.2 測試項及測試方法

3.2.1 oneway操作實現(xiàn)可行性及其可靠性

本文測試定義簡單接口，接口中設(shè)計一個包含單向操作的函數(shù)，不具備其他功能，其參數(shù)則作為傳輸測試數(shù)據(jù)。該接口非oneway操作的IDL如下。

module Packet

const PushError PPKT_ERROR_BAD_SIZE = 1;

exception UnableToComplete

{

PushError errorCode;

};

interface OctetStream : PayloadStatus

{

void pushPacket( in StreamControlType control, in SRTF::OctetSequence payload )

雖然信息設(shè)備和信息技術(shù)的廣泛使用，為油田企業(yè)的檔案管理帶來了諸多便利，但是這些設(shè)備歸根到底還是要由人來操作。因此，檔案管理隊伍的信息素養(yǎng)的高低，就成為決定信息化數(shù)據(jù)運行管理技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢的核心要素。一直以來，油田企業(yè)人力資源管理的重點都是放在油田開采、技術(shù)創(chuàng)新等方面，而對于檔案管理人才隊伍的建設(shè)則缺乏足夠的重視。部分檔案管理人員甚至是從其他部門借調(diào)過來，沒有接受專業(yè)培訓(xùn)。由于專業(yè)水平和信息素養(yǎng)不高，即便是油田企業(yè)采購了信息設(shè)備，由于檔案管理人員不能熟練操作，也會影響檔案信息化數(shù)據(jù)運行管理的工作成效。

raises( UnableToComplete );

};

};

按照IDL規(guī)范將void pushPacket前添加oneway關(guān)鍵字，并刪除自定義的異常，得到oneway操作的IDL，如下所示。

module Packet

{

interface OctetStream : PayloadStatus

{

oneway void pushPacket( in StreamControlType control, in SRTF::OctetSequence payload );

};

};

因為刪去自定義異常ERROR_BAD_SIZE，本文統(tǒng)計錯包率和丟包率來判斷該接口是否收到BAD_SIZE數(shù)據(jù)包，進而判斷該接口的可靠性。

（1）測試項1：oneway操作實現(xiàn)可行性。測試步驟如下所示：

1）利用IDL-C++接口生成器將IDL翻譯生成根碼和框架，并在根碼和框架中添加測試代碼，編譯生成可執(zhí)行文件；

2）在oneway情況下，LLC中啟動測試線程，調(diào)用pushPacket發(fā)送1 kB長度數(shù)據(jù)包Oneway:LLC2NetTest----；

3）記錄客戶端和服務(wù)端發(fā)送的GIOP消息內(nèi)容；

4）在twoway情況下，LLC中啟動測試線程，調(diào)用pushPacket發(fā)送1 kB長度數(shù)據(jù)包Twoway:LLC2NetTest----；

5）記錄客戶端和服務(wù)端發(fā)送的GIOP消息交互流程及內(nèi)容。

如果客戶端與服務(wù)端GIOP消息交互流程以及內(nèi)容符合oneway定義，表明該實現(xiàn)可行，執(zhí)行測試項2，否則執(zhí)行測試項1。

（2）測試項2：oneway操作可靠性，包括丟包率和錯包率。

丟包率測試步驟如下所示：

1）在LLC中啟動測試線程，調(diào)用pushPacket發(fā)送10000次數(shù)據(jù)包；

2）在Net中統(tǒng)計調(diào)用pushPacket次數(shù)Time；

3）比較Time是否等于10000，如果相等，則無丟包；否則，有丟包，統(tǒng)計丟包個數(shù)，統(tǒng)計丟包率；

4）改變發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)長度，重復(fù)步驟1）至步驟3）。

錯包率測試步驟如下所示：

1）在LLC中啟動測試線程，調(diào)用pushPacket發(fā)送10000次數(shù)據(jù)包；

2）在Net保存每次收到的數(shù)據(jù)包；

3）比較收到的數(shù)據(jù)包與發(fā)送的數(shù)據(jù)包，如果發(fā)送數(shù)據(jù)包長度與接收數(shù)據(jù)包長度相等，同時發(fā)送數(shù)據(jù)包內(nèi)容與接收數(shù)據(jù)包內(nèi)容相同，則無錯包；否則，有錯包，統(tǒng)計錯包次數(shù)，計算錯包率；

4）改變發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)長度，重復(fù)步驟1）至步驟3）。

如果丟包率為0%且錯包率為0%，表明該實現(xiàn)可靠，執(zhí)行測試項3，否則執(zhí)行測試項1。

3.2.2 oneway操作通信時延

本文將完成一次LLC到Net的pushPacket接口調(diào)用所需要的時間作為中間件的通信時延。

（3）測試項3：通信時延。測試步驟如下所示：

1）在LLC組件中啟動測試線程，利用系統(tǒng)函數(shù)獲取接口開始調(diào)用的起始時間；

2）調(diào)用10000次接口函數(shù)pushPacket發(fā)送數(shù)據(jù)包；

3）利用系統(tǒng)函數(shù)獲取接口調(diào)用結(jié)束的截止時間；

4）通過起始和截止時間計算差值；

5）計算時間差值的平均值作為通信時延；

6）改變發(fā)送數(shù)據(jù)包長度，重復(fù)步驟1）至步驟5）。

4 測試結(jié)果及分析

4.1 oneway操作實現(xiàn)可行性及其可靠性結(jié)果

oneway和twoway操作通信過程涉及到的GIOP消息如圖6～圖7所示，結(jié)合GIOP消息幀格式[4]可知，twoway通信過程如下所示：

（1）客戶端向服務(wù)端發(fā)送Locate Request消息；

（2）服務(wù)端收到Locate Request消息后向客戶端發(fā)送Locate Reply消息，確認接受所指定的對象請求；

（3）客戶端向服務(wù)端發(fā)送Request消息，調(diào)用接口，開始通信；

（4）服務(wù)端向客戶端發(fā)送Response消息。

與twoway操作相比，oneway操作客戶端與服務(wù)端通信涉及Locate Request消息、Locate Reply消息以及Response消息的流程與twoway完全相同，但oneway操作服務(wù)端不向客戶端發(fā)送Response消息，符合oneway操作單項調(diào)用的含義。

圖6 oneway操作客戶端與服務(wù)端GIOP消息交互示意圖

oneway操作客戶端和服務(wù)端之間通信的Locate Request和Locate Reply消息與twoway完全相同；Request消息如圖8～圖9所示，根據(jù)幀格式可知，該消息的response_flags字段表示該操作是否是一個oneway操作[4]。oneway操作為00，twoway操作為03，符合幀格式要求。結(jié)果表明，本文采用的oneway操作實現(xiàn)方法是可行的。

圖7 twoway操作客戶端與服務(wù)端GIOP消息交互示意圖

圖8 oneway操作Request消息

圖9 twoway操作Request消息

調(diào)用10000次pushPacket接口，選取發(fā)送數(shù)據(jù)包長度分別為1 kB、3 kB、5 kB、7 kB，結(jié)果表明，在不同發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的情況下，該操作丟包率均為0%且錯包率均為0%，表明該方法實現(xiàn)的oneway操作是可靠的，這是因為底層采用TCP/IP的通信協(xié)議，保證了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.2 oneway操作通信時延測試結(jié)果

oneway與twoway通信時延對比如圖10所示，調(diào)用10000次pushPacket接口，與twoway操作相比，oneway操作時延降低近60%，這是因為oneway操作服務(wù)端不向客戶端發(fā)送Response消息，簡化通信流程，降低通信時延。

圖10 調(diào)用10000次接口oneway與twoway時延對比圖

5 總結(jié)

本文提出基于oneway的中間件通信時延優(yōu)化方法，并以omniORB中間件為例在實際硬件平臺測試，該方法可簡化通信流程，并在保證可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將中間件通信時延可降低近60%。

[1] 軟件無線電系統(tǒng)中CORBA中間件關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)[D]. 長沙：湖南師范大學(xué)，2016.

[2] 李方，張虹. GIOP協(xié)議和CORBA的性能優(yōu)化[J]. 微計算機信息，2006，22（21）：7-10.

[3] 鞏方浩. 移動環(huán)境下CORBA應(yīng)用開發(fā)原理的分析和比較[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[4] 朱其亮，鄭斌. CORBA原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

Method to Optimize Communication Latency of CORBA

LV Hao, LIU Wenke

CORBA is a kind of middleware which is widely used in software defined radio system. In order to meet the demand of high real-time for the software defined radio system, an optimization method based on the key word oneway is proposed in the paper. By this way, 60% decrease of the communication latency of CORBA is obtained.

CORBA; Software Defined Radio; Oneway; Communication Latency

TP311

A

1674-7976-(2021)-03-227-05

2021-04-12。呂浩（1990.07-），山西呂梁人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為軟件無線電。