歐陽(yáng)軍 蔡志明 王希敏

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著Internet技術(shù)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出以網(wǎng)絡(luò)為中心的趨勢(shì)，這對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)靈活性提出了更高要求，同時(shí)要求分布式系統(tǒng)各參與者間采用一種具有松散耦合特性和QoS（Quality of Service）支持的靈活通信模型和交互機(jī)制。因此需一種能為實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者提供高級(jí)抽象接口的同時(shí)還能有效合理地控制部署實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的QoS策略的系統(tǒng)要來(lái)滿足分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。

在 CORBA[1]基礎(chǔ)上制定的 DDS[2]（Data Distribution Service）數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)規(guī)范解決了分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)“在正確的時(shí)間、正確的位置獲取正確的數(shù)據(jù)”的需求，該規(guī)范描述了分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布－訂閱（Data Centric Publish Subscriber，DCPS）機(jī)制，提供了一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)模型。而DDS信息分發(fā)中間件是一種輕便的、能夠提供實(shí)時(shí)信息傳送的中間件技術(shù)。目前，成熟的DDS中間件產(chǎn)品有多種，其中由PrismTech公司開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的OpenSplice DDS，實(shí)現(xiàn)了完整的DDS規(guī)范（包括DCPS和DLRL）。針對(duì)分布式系統(tǒng)的需求，本文將著重對(duì)OpenSplice DDS中間件的實(shí)時(shí)和吞吐性能進(jìn)行第三方測(cè)試。

2 OpenSplice DDS簡(jiǎn)介

OpenSplice DDS獨(dú)立于操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，極大地方便了不同系統(tǒng)之間的通訊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通過(guò)可擴(kuò)展的傳輸框架結(jié)構(gòu)連接多個(gè)物理端點(diǎn)。傳輸方式包括以太網(wǎng)絡(luò)、共享內(nèi)存或其他連接方式。具有多種服務(wù)質(zhì)量策略（QoS）參數(shù)可供調(diào)整，方便設(shè)計(jì)者調(diào)整其應(yīng)用程序達(dá)到性能和資源使用的最佳組合。OpenSplice DDS是位于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧最上層的軟件，它屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)代碼，代之以通用的、基于標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口（API）。通過(guò)API提供易于理解的基于發(fā)布／訂閱的通訊模式。這種模式定義了兩種基本的角色：

·發(fā)布者：創(chuàng)建數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)命名（稱為主題Topic），并將數(shù)據(jù)分發(fā)給感興趣的訂閱者；

·訂閱者：注冊(cè)感興趣的主題，并在主題數(shù)據(jù)有變化時(shí)接收數(shù)據(jù)。

任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以成為發(fā)布者、訂閱者或兩者皆是，并可擁有多個(gè)主題。DDS處理所有的網(wǎng)絡(luò)輸入輸出，管理可靠和透明的傳輸：消息尋址、數(shù)據(jù)組合和分散、流控制、重試等等。所有這些都不需要應(yīng)用程序干預(yù)，大大降低了用戶的工作量，用戶可以把精力花在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)等。

OpenSplice DDS為設(shè)計(jì)者提供了運(yùn)行平臺(tái)和DDS開(kāi)發(fā)調(diào)試工具[3]，前者用于設(shè)計(jì)者編程實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的通訊，后者用于調(diào)試分布式通訊中出現(xiàn)的問(wèn)題，這些工具及其所具有的功能分別如下：

·IDL Preprocessor[4]：產(chǎn)生類型指定的主題，類型指定的數(shù)據(jù)寫入者和讀取者。

·OpenSplice Tuner[5]：用于檢測(cè)和控制 DDS域。

·OpenSplice Configurator：可簡(jiǎn)化服務(wù)配置過(guò)程。

·OpenSplice DDS Power Tools[6]：為設(shè)計(jì)者提供了操作簡(jiǎn)便的、可動(dòng)態(tài)圖形化建模的環(huán)境。

3 OpenSplice DDS通信過(guò)程

OpenSplice DDS實(shí)現(xiàn)了DDS規(guī)范的兩層，分別是數(shù)據(jù)本地重構(gòu)層DLRL[7]和以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布－訂閱層 DCPS[8]。DLRL層將 DCPS層提供的服務(wù)進(jìn)行了抽象，在DLRL層建立了與底層服務(wù)的映射關(guān)系，DCPS層則是DDS的核心和基礎(chǔ)，提供了通信的基本服務(wù)。

DCPS層建立了一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的概念，發(fā)布者和訂閱者在該全局空間中分別發(fā)布和訂閱自己需要的數(shù)據(jù)類型，通過(guò)中間件處理后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。DCPS層將用戶對(duì)資源的需求情況和資源的可用情況都轉(zhuǎn)化為服務(wù)質(zhì)量QoS參數(shù)。

每個(gè)發(fā)布者都有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)寫入者。當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)寫入者與發(fā)布者通信時(shí)，發(fā)布者負(fù)責(zé)發(fā)布數(shù)據(jù)寫入者描述的數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)（發(fā)布者將根據(jù)它自己的QoS來(lái)完成，或根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入者的QoS）。當(dāng)發(fā)布者與數(shù)據(jù)寫入者關(guān)聯(lián)時(shí)就形成了一個(gè)發(fā)布。

訂閱者負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并使數(shù)據(jù)能被接收應(yīng)用程序（根據(jù)訂閱者的QoS）所使用。它能接收并分發(fā)不同類型的數(shù)據(jù)。為了訪問(wèn)被接收到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序必須使用和訂閱者相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)閱讀者。當(dāng)訂閱者與數(shù)據(jù)閱讀者關(guān)聯(lián)后就形成了訂閱。

訂閱獲取信息有兩種模式：異步方式和同步方式。異步模式下，DDS提供監(jiān)聽(tīng)（Listener）接口，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)布或狀態(tài)改變時(shí)，中間件通知Listener接口，Listener通過(guò)相應(yīng)的回調(diào)（callback）獲取信息。同步模式下，應(yīng)用調(diào)用 WaitSet阻塞調(diào)用線程，一旦與WaitSet關(guān)聯(lián)的條件（如readcondition、querycondition、statuscondition、guardcondition）之一被滿足時(shí)停止阻塞，應(yīng)用程序就可通過(guò)數(shù)據(jù)讀取者獲取最新的數(shù)據(jù)信息。

主題用于聯(lián)系發(fā)布和訂閱。發(fā)布方在中間件上發(fā)布一個(gè)主題后，訂閱方根據(jù)主題來(lái)查閱發(fā)布方發(fā)布的信息。中間件負(fù)責(zé)檢查發(fā)布方發(fā)布的主題是否滿足訂閱方的要求，并檢查其QoS策略是否兼容。訂閱方對(duì)相關(guān)服務(wù)質(zhì)量策略指定一個(gè)申請(qǐng)值，而發(fā)布方則對(duì)該服務(wù)質(zhì)量策略指定一個(gè)供應(yīng)值，系統(tǒng)確定發(fā)布方的供應(yīng)值和訂閱方的申請(qǐng)值是否一致，如果雙方QoS策略一致，則通信正常建立；如果不一致，則系統(tǒng)服務(wù)不會(huì)在這兩個(gè)實(shí)體對(duì)象之間建立通信，并會(huì)通知發(fā)送方和接收方。

4 基于OpenSplice DDS的應(yīng)用

開(kāi)發(fā)OpenSplice DDS應(yīng)用有幾個(gè)主要步驟：從Prismtech公司下載評(píng)估版的相關(guān)軟件；安裝OpenSplice DDS和Power Tools；運(yùn)行守護(hù)程序，通過(guò)Power Tools設(shè)計(jì)發(fā)布／訂閱應(yīng)用程序。

Power Tools為設(shè)計(jì)者提供了便于操作、可圖形化建模的環(huán)境，該工具具有開(kāi)發(fā)指導(dǎo)、集成簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)檢查錯(cuò)誤、自動(dòng)連接生成代碼的功能。

利用Power Tools進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的具體步驟如下：

s1：打開(kāi)Create an OpenSplice Project向?qū)В?/p>

s2：在Project Name文本框內(nèi)輸入工程名，可用默認(rèn)路徑也可自定義路徑，再點(diǎn)擊Finish；

s3：添加DDS應(yīng)用所需的DDS實(shí)體，Power Tools組件和資源；

s4：設(shè)置DDS實(shí)體的屬性和所需的QoS策略值；

s5：創(chuàng)建Diagram組件，通過(guò)Diagram Editor可創(chuàng)建新的DDS實(shí)體并可將相應(yīng)的DDS實(shí)體連接起來(lái)，進(jìn)行圖形化建模；

s6：對(duì)建立好的OpenSplice工程產(chǎn)生DDS源代碼；

s7：使用相應(yīng)的編譯器對(duì)應(yīng)用進(jìn)行編譯，如VS2005、VS2008等。

Power Tools為初學(xué)者提供教學(xué)用開(kāi)發(fā)示例：聊天室應(yīng)用[9]，并介紹了具體的操作步驟和源代碼，如圖1所示。

圖1 聊天室應(yīng)用示例

對(duì)源代碼進(jìn)行編譯后，運(yùn)行效果如圖2所示。

圖2 聊天室運(yùn)行效果圖

5 性能測(cè)試

基于OpenSplice DDS的發(fā)布／訂閱系統(tǒng)性能無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算得到，因此需實(shí)驗(yàn)測(cè)量，才能驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否滿足應(yīng)用需求。

選取端到端時(shí)延和吞吐量這兩個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試[10]，時(shí)延構(gòu)成通常為處理時(shí)延、傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延等，實(shí)際為應(yīng)用層時(shí)延；吞吐量亦為應(yīng)用層的吞吐量。

5.1 測(cè)試環(huán)境

DDS的點(diǎn)到點(diǎn)傳播特性決定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，只需在網(wǎng)絡(luò)上的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)就可建立發(fā)布訂閱系統(tǒng)，因此實(shí)驗(yàn)可在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成，計(jì)算機(jī)配置如表1所示。

表1 測(cè)試環(huán)境軟硬件配置

5.2 時(shí)延測(cè)試方案

本文采用單端計(jì)時(shí)的方法測(cè)試往返時(shí)延，取往返時(shí)延值的一半為端到端時(shí)延值。采用的測(cè)試模型如圖3，每一端既是發(fā)布者又是訂閱者，訂閱者端采用WaitSet阻塞方式獲取發(fā)布的數(shù)據(jù)信息，假設(shè)兩端分別為A和B，測(cè)試的過(guò)程如下：

圖3 端到端往返時(shí)延測(cè)試模型

B端先作為訂閱者被阻塞，等待接收事件，A端作為發(fā)布者發(fā)布事件，B先于A運(yùn)行，即事件接收在事件發(fā)送之前。當(dāng)A發(fā)送完畢一個(gè)信息，立即轉(zhuǎn)換為訂閱者并阻塞；同時(shí)B接收完畢一個(gè)事件，立即轉(zhuǎn)換為發(fā)布者，并發(fā)送事件。在B發(fā)送事件前，A已經(jīng)被阻塞并準(zhǔn)備接收事件，因此同樣B發(fā)送事件后，A將接收到事件。這樣，相當(dāng)于同樣的發(fā)布／訂閱事件發(fā)生兩次，端到端的時(shí)延計(jì)算公式為：

吞吐量采用訂閱者端計(jì)時(shí)的方式，測(cè)試模型如圖4所示。一端為發(fā)布者端，另一端為訂閱者端，訂閱者端采用WaitSet阻塞方式獲取事件，發(fā)布者端不斷發(fā)布事件，訂閱者端從接收事件時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到接收10000次事件后停止計(jì)時(shí)。這樣，吞吐量計(jì)算公式為：

Buffer為事件大小，count為計(jì)數(shù)次數(shù)。

圖4 吞吐量測(cè)試模型

5.3 測(cè)試結(jié)果

圖5 端到端時(shí)延

圖6 不同事件大小下的吞吐量

時(shí)延測(cè)試時(shí)事件大小固定為16384B，共進(jìn)行10個(gè)批次，每批次事件被往返發(fā)送10000次，測(cè)試結(jié)果包括平均值、最大值和最小值。如圖5所示，平均值在4000μs附近擺動(dòng)，最大值為18924.5μs，最小值為1840μs。

吞吐量測(cè)試時(shí)按照事件大小分別進(jìn)行測(cè)量：128B，256B，512B，1024B，4096B，8192B，16384B，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可見(jiàn)吞吐量隨著事件的增大呈近似線性增加趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

OpenSplice DDS是DDS規(guī)范的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，采用發(fā)布／訂閱通信機(jī)制，建立全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，根據(jù)主題進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送，有效地減少了不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，通過(guò)提供應(yīng)用級(jí)QoS，使用戶對(duì)發(fā)布／訂閱行為可控、可見(jiàn)，并且具有應(yīng)用規(guī)定語(yǔ)義下的可靠性。本文通過(guò)實(shí)例對(duì)實(shí)時(shí)和吞吐性能進(jìn)行了測(cè)試，今后的工作是深入研究其提供的QoS策略及DLRL層，并逐步應(yīng)用到分布式實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（DRE）中。

[1]OMG.Real－time CORBA Specification[R].Version1.2，Jan.2005

[2]OMG.Data Distribution Service for Real－time Systems Specification[R].Version1.1，Nov.2005

[3]Prismtech.OpenSplice DDS Version 5.x Getting Started Guide[R].Doc Issue 39，8October 2010：5～6

[4]Prismtech.OpenSplice DDS Version 5.x IDL Pre－processor Guide[R].Doc Issue 22，25October 2010

[5]Prismtech.OpenSplice DDS Version 5.x Tuner Guide[R].Doc Issue 21，11May 2010

[6]Prismtech.OpenSplice DDS Version 2.2DDS Power Tools[R].Doc Issue 38，22September 2009：71～94

[7]Prismtech.OpenSplice DDS Version 5.x DLRL Code Generator Guide[R].Doc Issue 14，11May 2010

[8]Prismtech.OpenSplice DDS Version 5.x C Reference Guide[R].Doc Issue 30，6January 2011

[9]Prismtech.OpenSplice DDS Version 5.x C Tutorial Guide[R].Doc Issue 23，11May 2010

[10]胡鈺銑，王希敏.基于實(shí)時(shí)CORBA與DDS的發(fā)布／訂閱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：海軍工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007：78～87