基于通信中間件的雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸

朱佳麗，王靜嬌

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷達(dá)信息處理平臺數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)目前存在以下情況：(1) 同一種軟硬件平臺下，不同的傳輸協(xié)議有不同的實(shí)現(xiàn)方式，多種傳輸協(xié)議之間沒有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的傳輸接口；(2) 不同軟硬件平臺下，相同的傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)也會有所不同，同一種傳輸協(xié)議在不同軟硬件平臺之間沒有統(tǒng)一的使用方式；(3) 異構(gòu)軟硬件平臺之間通信時，應(yīng)用軟件通信接口復(fù)雜而難以維護(hù)；(4) 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸須預(yù)先知曉通信對端的存在情況和位置信息。

在上述情況下，應(yīng)用軟件在程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時須考慮多種傳輸協(xié)議之間的差異，分別實(shí)現(xiàn)不同的傳輸協(xié)議和傳輸接口；應(yīng)用程序使用傳輸接口通信時，須預(yù)先設(shè)置通信對端的位置，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸；應(yīng)用軟件進(jìn)行跨平臺移植時，須要考慮平臺軟硬件之間的差異，進(jìn)行傳輸相關(guān)接口的適配和修改。傳輸接口作為應(yīng)用軟件之間、應(yīng)用軟件內(nèi)部模塊之間的交互接口，上述情況不利于應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、可擴(kuò)展性和可移植性。

通信中間件可以屏蔽不同軟硬件環(huán)境的差異，為雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸提供一套標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的傳輸接口，縮短雷達(dá)應(yīng)用軟件開發(fā)周期，提高雷達(dá)應(yīng)用軟件的可維護(hù)性、可移植性和互聯(lián)互通性。諸多文獻(xiàn)都對此做了研究：通信中間件是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間透明訪問的關(guān)鍵技術(shù)，目前已成為軍用電子設(shè)備開放式架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分[1]；多兵種、多層次、多系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)模式已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，將通信中間件應(yīng)用于雷達(dá)軟件，可提高雷達(dá)系統(tǒng)的魯棒性，為雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)一步融入戰(zhàn)區(qū)指揮系統(tǒng)打下基礎(chǔ)[2]；通信中間件具有跨平臺性，可用于X86+40G網(wǎng)+LINUX和PPC+RapidIO+Vxworks等多種軟硬件平臺[3]；在雷達(dá)軟件設(shè)計(jì)中運(yùn)用開放式軟件架構(gòu)、軟件中間件技術(shù)、實(shí)時重構(gòu)技術(shù)，可提高雷達(dá)軟件的可維護(hù)性[4]。

本文提出一種基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(Data Distribution Service，DDS)通信中間件作為傳輸接口的應(yīng)用配置方法來解決上述問題。本方法通過一種配置通信節(jié)點(diǎn)的傳輸協(xié)議、發(fā)布、訂閱模式、接口和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)等信息的應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)為不同的傳輸協(xié)議提供統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)和傳輸配置方式，為應(yīng)用軟件的擴(kuò)展和重構(gòu)提供支撐。

1 通信中間件模型

通信中間件采用圖1所示的發(fā)布/訂閱模型，主要由域、域參與者、發(fā)布者、訂閱者、服務(wù)質(zhì)量等構(gòu)成。域是物理網(wǎng)絡(luò)從邏輯上劃分形成域，只有同一個域內(nèi)的應(yīng)用程序之間才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。參與通信的節(jié)點(diǎn)被分成產(chǎn)生數(shù)據(jù)的發(fā)布者和使用數(shù)據(jù)的訂閱者，發(fā)布者和訂閱者之間通過主題通信，只有擁有相同主題的讀者和寫者之間才能通信，一個節(jié)點(diǎn)可以既是發(fā)布者又是訂閱者。對于用戶而言，僅僅需要標(biāo)識自己所需求的通信類型，并以特定格式描述所使用的數(shù)據(jù)格式就能與其他節(jié)點(diǎn)建立通信，所有的通信細(xì)節(jié)都由通信中間件進(jìn)行管理。通信中間件按主題組織系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)，發(fā)布者通過數(shù)據(jù)寫者發(fā)布需要分享的主題數(shù)據(jù)，訂閱者通過數(shù)據(jù)讀者訂閱自己感興趣的主題數(shù)據(jù)，無需其他應(yīng)用程序的存在性以及位置信息，實(shí)現(xiàn)空間、時間上解耦合。DDS通信中間件通過豐富的通信服務(wù)質(zhì)量QoS配置功能，支持多種通信協(xié)議和通信行為配置，提供雷達(dá)數(shù)據(jù)通信行為定制能力。

圖1 發(fā)布/訂閱通信模型

2 基于通信中間件的雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸

2.1 基于通信中間件的傳輸接口

對于不同的軟硬件平臺和不同的傳輸協(xié)議，通信中間件提供標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的傳輸接口，接口主要包括DDS初始化接口、創(chuàng)建域參與者接口、主題發(fā)布接口、主題訂閱接口、寫數(shù)據(jù)接口、監(jiān)聽數(shù)據(jù)接口、資源回收接口，具體如表1所示。通信中間件提供不同軟硬件平臺下的庫文件和頭文件，包括X86+Windows、X86+Linux、飛騰+Linux等，并通過QoS配置來實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的選擇，使用戶在設(shè)計(jì)通信接口時不需要考慮軟硬件平臺以及傳輸協(xié)議之間的接口差異。

表1 通信中間件傳輸接口

2.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸QoS配置

在使用通信中間件進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)通信時，通過QoS配置實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的選擇以及通信行為的定制。QoS可以理解為雷達(dá)數(shù)據(jù)提供者和數(shù)據(jù)接收者之間的“合約”，通信兩端的QoS配置要保持一致。DDS通信中間件以數(shù)據(jù)為中心，雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型多樣，從中頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)到點(diǎn)航跡類數(shù)據(jù)、控制信息等，其帶寬、實(shí)時性、拓?fù)洹f(xié)議等均大相徑庭，通信中間件通過QoS服務(wù)配置來滿足各種應(yīng)用場景需求。

QoS配置作用的通信中間件實(shí)體包括域參與者、數(shù)據(jù)讀者、數(shù)據(jù)寫者等，其中域參與者的QoS配置對于其對應(yīng)的所有數(shù)據(jù)讀者和數(shù)據(jù)寫者均有效。通過QoS配置可以設(shè)置傳輸協(xié)議、傳輸方式、傳輸模式。傳輸協(xié)議主要包括SRIO、TCP、UDP等，傳輸方式包括點(diǎn)播、組播，傳輸模式包括可靠傳輸和盡力而為傳輸模式，QoS配置具體如表2所示。

表2 通信中間件QoS配置與實(shí)現(xiàn)

通信中間件采用XML文件描述QoS配置信息，一個XML文件中可以包含應(yīng)用所需的所有QoS配置。用戶只需在表1標(biāo)準(zhǔn)接口中引用XML文件中的實(shí)體QoS，即可實(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議、傳輸方式、傳輸模式等配置。采用XML文件描述QoS可使配置信息與應(yīng)用軟件松耦合，實(shí)現(xiàn)配置信息的跨平臺移植。圖2是一個包含Rapido、TCP、UDP等傳輸協(xié)議的QoS配置。

圖2 XML文件描述QoS信息

2.3 基于通信中間件的雷達(dá)數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

雷達(dá)數(shù)字后端傳輸數(shù)據(jù)有點(diǎn)航跡數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、控制信息等，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求會涉及SRIO、UDP、TCP等多種通信協(xié)議，不同通信協(xié)議有不同的通信處理流程和通信接口實(shí)現(xiàn)。采用DDS通信中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，可以屏蔽軟硬件平臺和通信協(xié)議之間的差別， 提供標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的通信處理流程和通信接口。在不同的軟硬件平臺下，基于通信中間件的雷達(dá)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示，具體如下：

圖3 基于通信中間件的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)流程

(1) 設(shè)計(jì)通信的數(shù)據(jù)類型；

(2) 根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需求設(shè)計(jì)各實(shí)體的QoS配置；

(3) 初始化DDS通信接口；

(4) 創(chuàng)建域參與者，并設(shè)置通信域ID；

(5) 在數(shù)據(jù)發(fā)送端創(chuàng)建數(shù)據(jù)寫者，配置相關(guān)主題、數(shù)據(jù)類型和QoS服務(wù)類型，并通過數(shù)據(jù)寫者進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布；

(6) 在數(shù)據(jù)接收端創(chuàng)建數(shù)據(jù)讀者，配置相關(guān)主題、數(shù)據(jù)類型、QoS服務(wù)類型以及數(shù)據(jù)監(jiān)聽器，通過數(shù)據(jù)讀者進(jìn)行數(shù)據(jù)訂閱，并在回調(diào)接口中處理數(shù)據(jù)；

(7) 清理回收資源。

使用通信中間件進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸時，通過表1標(biāo)準(zhǔn)接口、表2和圖2的QoS配置就能實(shí)現(xiàn)不同傳輸協(xié)議下接口的統(tǒng)一。一個同時包含了UDP協(xié)議和RapidIO協(xié)議的基于通信中間件的傳輸接口實(shí)現(xiàn)如下：

(1) 調(diào)用Init()接口進(jìn)行DDS初始化；

(2) 分別創(chuàng)建UDP協(xié)議下的域參與者udpDp和RapidIO協(xié)議下的域參與者rioDp；

(3) 調(diào)用DDS_PubTopic()接口創(chuàng)建用于主題發(fā)布的數(shù)據(jù)寫者，通過參數(shù)設(shè)置傳輸協(xié)議、主題信息、支持的數(shù)據(jù)類型、傳輸模式；

(4) 調(diào)用DDS_SubTopic()接口創(chuàng)建用于主題訂閱的數(shù)據(jù)讀者，通過參數(shù)設(shè)置傳輸協(xié)議、主題信息、支持的數(shù)據(jù)類型、傳輸模式和數(shù)據(jù)監(jiān)聽器，通過監(jiān)聽函數(shù)監(jiān)聽主題數(shù)據(jù)的到來，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理；

(5) 調(diào)用write接口用于主題數(shù)據(jù)的發(fā)送；

(6) 調(diào)用DDS_Finalize()接口進(jìn)行DDS資源回收。對于不同的軟硬件平臺，通信中間件分別提供了對應(yīng)的庫文件和頭文件，通過引用對應(yīng)的庫文件和頭文件，就能實(shí)現(xiàn)通信中間件接口軟件的跨平臺移植和代碼重用。對于異構(gòu)平臺之間的通信，比如X86+Windows和飛騰+Linux平臺，通過使用不同平臺下對應(yīng)的庫文件和頭文件，以及通信中間件標(biāo)準(zhǔn)的通信處理流程和統(tǒng)一的通信接口就可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺之間的通信。

從圖3可以看出，在同一軟硬件平臺下，通信中間件可以提供不同傳輸協(xié)議下標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸處理流程以及統(tǒng)一的傳輸接口實(shí)現(xiàn)；不同軟硬件平臺下，通過引用不同軟硬件平臺下的庫文件和頭文件，就能實(shí)現(xiàn)通信中間件接口軟件的移植和重用。通信中間件采用基于主題發(fā)布/訂閱的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信中間件按主題組織系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)。應(yīng)用軟件使用通信中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)布者通過數(shù)據(jù)寫者發(fā)布需要分享的主題數(shù)據(jù)，訂閱者通過數(shù)據(jù)讀者訂閱自己感興趣的主題數(shù)據(jù)，無需知道其他應(yīng)用程序的存在性以及位置信息，可實(shí)現(xiàn)空間、時間上解耦合。

3 結(jié)束語

雷達(dá)信息處理平臺數(shù)據(jù)傳輸涉及多種軟硬件平臺和多種傳輸協(xié)議，本文提出一種基于DDS通信中間件作為傳輸接口的應(yīng)用配置方法，通過一種配置通信節(jié)點(diǎn)的傳輸協(xié)議、發(fā)布、訂閱模式、接口和QoS等信息應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)為不同的傳輸協(xié)議提供統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)和傳輸配置方式，為應(yīng)用軟件的擴(kuò)展和重構(gòu)提供支撐，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件空間、時間上解耦合。