CN101656749A - 一种实时系统下无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实时系统下无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法，属于网络通信技术领域。本发明是利用基于IP网络的多播技术，在发布者/订阅者加入或退出(或非正常消失)时，将携带特定内容的数据，向一些特定的IP网络多播地址和点播地址发送(这些多播地址和点播地址经过发布者/订阅者协商后，可自行变化)。本方法针对实时系统中要求反应时间短，通常采用无连接的网络协议，以及网络带宽有限制等特点，提出了一种方法，采用无中心服务节点的系统架构与无连接的网络协议，来解决发布者/订阅者的实时互发现问题，从而支持可缩放的体系结构，以及即插即用的通信模式，提高了系统的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及分布式网络通信技术领域，具体涉及了一种无中心服务节点的、面向实时应用中的、发布者与订阅者互发现方法。
背景技术
随着网络技术、中间件技术和面向服务技术的发展，IT计算模式也进入了面向端对端和服务的分布式计算模式，在这种计算模式下，促进了信息共享的范围和便捷，对信息共享提出了更高的要求。
相对于传统的数据共享，分布式计算模式下的数据共享呈现以下特点：
1)信息资源地理分布广。在现在的分布式计算模式下，最大特点之一就是地理范围和空间的扩展，信息共享由局域网范围内的共享扩展至广域网范围内的共享。
(2)信息资源数量大。随着信息处理技术的发展，信息数量呈指数级的增长，所涉及的信息的种类和数量都是T级的，共享的数据量巨大。信息共享呈现“多对多”的信息共享模式，同一信息需要在多个用户和应用系统之间进行共享。而以往的信息共享大都是“点对点”的信息共享模式，信息只在两个用户和应用系统之间进行交互。
(3)数据共享的动态性。在分布式计算模式下，往往需要将不同系统临时集成在一起进行数据交换，这些系统可能就没有事先定义好系统之间的接口来实现信息的共享。传统情况下系统进行信息共享时，往往需要通过在开发阶段定义系统之间的接口来实现，信息共享呈现静态性。
针对数据共享的特点，分布式系统中目前常采用发布/订阅模型(Publish/Subscribe Model)。发布/订阅模型的特征是主题、发布者和订阅者。发布者和订阅者在网络中发现并标识彼此以后，当有新的数据产生时，发布者会将数据“推”给订阅者，而无需订阅者发送请求。
然而，在成千上万的发布者和订阅者间，如何彼此发现，成为一个关键问题。发布者和订阅者如何彼此发现，目前的实时系统使用的是利用中心服务节点协助管理发布者和订阅者互发现的技术方案。
在有中心服务节点协助管理的发布/订阅系统中，存在一个或若干中心服务节点。这些中心服务节点提供了一个统一的数据服务目录，来协调各个参与活动的发布者/订阅者。发布者和订阅者之间的彼此发现行为，必须通过中心服务节点进行。发布者在进行发布前，需要向中心服务节点注册欲发布的数据主题，而订阅者欲发现提供所需数据的相应发布者时，需要到中心服务节点的数据服务目录进行主题查询。通过中心服务节点的协调和管理，发布者/订阅者实现彼此发现，相互配合，最终形成一对多、或多对多的发布/订阅关系。如果同一个数据主题存在多个冗余的发布者，由中心服务节点对发布者/订阅者的生存周期进行管理，在合适的时候，协调管理发布者的切换。对于以信息资源交换为目的的P2P系统(如文件共享、视频下载等)，则由中心服务节点协调各个发布者的资源，各自传输不同的部分到相应的订阅者。
现有的有中心服务节点协助参与的发布者/订阅者互发现技术方案，是一个典型的C/S架构应用，使用这种方案建立高可靠性实时系统应用时，缺点有；中心服务节点引入了性能瓶颈和潜在的关键节点故障；中心服务节点增加了系统的耦合程度，使系统可缩放性受到限制，并导致系统更复杂和性能降低；在每次互发现过程中，发布/订阅端需得到中心服务节点的协助，往返通信增加了网络带宽负担和处理延迟；同时，由于所有的发布/订阅请求都需在中心服务节点处理队列中排队等待处理，严重的影响了实时响应；由于发布者/订阅者的状态静态登记在中心服务节点中，状态异常时不能及时处理，不能迅速切换。
综上所述，要实现发布者/订阅者间松散的互通互连，同时兼顾实时系统下柔性重组，即插即用等目标，就需要解决多个发布者/订阅者间的相互发现，以及彼此的管理问题。目前在针对高可靠实时系统这一方面，还没有很好的解决方案，也没有针对实时系统特定的背景，进行相应的优化。
发明内容
本发明的目的，就是针对高可靠实时系统中要求反应时间短，通常采用无连接的网络协议，以及网络带宽有限制的特点，提出了一种新的技术方案，采用无中心服务节点的系统架构与无连接的网络协议，来解决高可靠的发布者/订阅者的实时互发现问题、发布者/订阅者/数据主题之间的关系的一种无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法。
本发明的工作原理，是在无中心服务节点的情况下，各自治的发布者/订阅者节点，利用基于IP网络的多播技术，在发布者/订阅者加入或退出或非正常消失时，将携带特定内容的数据，向一些特定的IP网络多播地址和点播地址发送，这些多播地址和点播地址经过发布者/订阅者协商后，可自行变化，已适应网络拓扑变化。每个发布者/订阅者收到携带特定内容的数据报后，判别该内容是否与自己相关(依赖于数据主题、服务质量策略等)。若相关则处理，若无关，则忽略；同时，判断自己是否参与转发，参与则向可能的“下一跳多播地址”转发；不参与则抛弃该数据。在向可能的“下一跳多播地址”转发时，修改“下一跳”跳数值；超过规定值，则停止转发。
(1)在发布者/订阅者加入时的实现，步骤如下：
①每个新加入的发布者/订阅者，首先加入事先约定的IP网络多播组；在准备好处理外来响应后，立即使用UDP数据报搭载“新参与者加入”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，报文内容见图2所示，主要包括了参与者的角色与类型、所能提供/请求的数据的QoS服务策略值、主题值、新参与者的定位信息(通常包括IP地址、端口、路由等)和预设定的允许转发跳数等内容；
②每个发布者/订阅者在收到“新参与者加入”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，判断自己是否能提供/请求相应的主题数据。如果匹配，就立即使用UDP数据报搭载“新参与者加入回应”报文回应，格式和“新参与者加入”报文一致；如果不匹配，则判断自己是否是作为一个跨段网关，如果为跨段网关，则向其它网段转发“新参与者加入”报文，并将转发跳数值减一；转发跳数值为负，则停止转发。
③每个发布者/订阅者在收到“新参与者加入回应”报文后，登记回应者相关信息，建立发布/订阅关系。
(2)在发布者/订阅者正常退出时的实现，步骤如下：
①每个发布者/订阅者欲退出时，立即使用UDP数据报搭载“参与者退出”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，格式和“新参与者加入”报文一致；
②每个发布者/订阅者在收到“参与者退出”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，判断自己是否正在提供/使用相应的主题数据，如果本节点正在提供/使用相应的主题数据，则解除发布/订阅关系(如是发布者，不再向退出的订阅者发送数据，如是订阅者，则等待新的发布者向其发送数据)。
(3)在发布者/订阅者异常退出时的实现，步骤如下：
①每个新加入的发布者/订阅者，在使用UDP数据报搭载“新参与者加入”报文后，就开始周期性组织“参与者活跃”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，报文内容见图3所示；主要包括了参与者的角色与类型、主题值、参与者的定位信息(通常包括IP地址、端口、路由等)和下次“参与者活跃”报文可能到达的时间等内容
②每个发布者/订阅者在收到“参与者活跃”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，为该主题值设置一个定时器(若已经设置，则重新开始计时)，定时器的定时时间应大于发送N次“参与者活跃”报文的时间间隔；
③主题值定时器超时后，即表明提供/使用该主题值的发布者/订阅者异常退出，其后的处理流程，则与“在发布者/订阅者正常退出时的实现”中②流程一致。
本发明所涉及的对象，包括所发布/订阅的数据主题，发布者和订阅者。
基于无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法有如下优点：
1)取消了无中心服务节点，消除了系统瓶颈和关键节点，单个节点失效不影响整个系统的继续运行，使利用该方案构造的发布/订阅系统的可靠性和安全性很高。
2)无中心服务节点的方案增加了每个节点的自治能力，降低了系统的耦合程度，使系统的缩放不依赖于中心服务节点的性能，使系统支持的节点数可在数十个到数万个间的任意变化，且不相互影响。
3)采用全分布式架构，能让发布者/订阅者随时、任意的加入/退出系统，而与其它节点无关，做到与加入/退出时间无关的异步数据通信。
4)由于无中心服务节点，且使用无连接的网络协议，消除了中心服务节点的处理响应时延，发布者/订阅者间的互发现响应时延只这两个节点相关，响应十分迅速，解决了实时系统在确定时段内响应的问题。
附图说明
图1发布者/订阅者/主题关系示意图；
图2“新参与者加入”报文内容示意图；
图3“参与者活跃”报文内容示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方案做进一步的说明：
本发明的工作原理，是在无中心服务节点的情况下，各自治的发布者/订阅者节点，利用基于IP网络的多播技术，在发布者/订阅者加入或退出或非正常消失时，将携带特定内容的数据，向一些特定的IP网络多播地址和点播地址发送，这些多播地址和点播地址经过发布者/订阅者协商后，可自行变化，已适应网络拓扑变化。每个发布者/订阅者收到携带特定内容的数据报后，判别该内容是否与自己相关(依赖于数据主题、服务质量策略等)。若相关则处理，若无关，则忽略；同时，判断自己是否参与转发，参与则向可能的“下一跳多播地址”转发；不参与则抛弃该数据。在向可能的“下一跳多播地址”转发时，修改“下一跳”跳数值；超过规定值，则停止转发。
(1)在发布者/订阅者加入时的实现，步骤如下：
①每个新加入的发布者/订阅者，首先加入事先约定的IP网络多播组；在准备好处理外来响应后，立即使用UDP数据报搭载“新参与者加入”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，报文内容见图2所示，主要包括了参与者的角色与类型、所能提供/请求的数据的QoS服务策略值、主题值、新参与者的定位信息(通常包括IP地址、端口、路由等)和预设定的允许转发跳数等内容；
②每个发布者/订阅者在收到“新参与者加入”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，判断自己是否能提供/请求相应的主题数据。如果匹配，就立即使用UDP数据报搭载“新参与者加入回应”报文回应，格式和“新参与者加入”报文一致；如果不匹配，则判断自己是否是作为一个跨段网关，如果为跨段网关，则向其它网段转发“新参与者加入”报文，并将转发跳数值减一；转发跳数值为负，则停止转发。
③每个发布者/订阅者在收到“新参与者加入回应”报文后，登记回应者相关信息，建立发布/订阅关系。
(2)在发布者/订阅者正常退出时的实现，步骤如下：
①每个发布者/订阅者欲退出时，立即使用UDP数据报搭载“参与者退出”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，格式和“新参与者加入”报文一致；
②每个发布者/订阅者在收到“参与者退出”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，判断自己是否正在提供/使用相应的主题数据，如果本节点正在提供/使用相应的主题数据，则解除发布/订阅关系(如是发布者，不再向退出的订阅者发送数据，如是订阅者，则等待新的发布者向其发送数据)。
(3)在发布者/订阅者异常退出时的实现，步骤如下：
①每个新加入的发布者/订阅者，在使用UDP数据报搭载“新参与者加入”报文后，就开始周期性组织“参与者活跃”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，报文内容见图3所示；主要包括了参与者的角色与类型、主题值、参与者的定位信息(通常包括IP地址、端口、路由等)和下次“参与者活跃”报文可能到达的时间等内容
②每个发布者/订阅者在收到“参与者活跃”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，为该主题值设置一个定时器(若已经设置，则重新开始计时)，定时器的定时时间应大于发送N次“参与者活跃”报文的时间间隔；
③主题值定时器超时后，即表明提供/使用该主题值的发布者/订阅者异常退出，其后的处理流程，则与“在发布者/订阅者正常退出时的实现”中②流程一致。
Claims (4)
1、一种实时系统下无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法，其特征在于：在无中心服务节点的情况下，各自治的实时发布者/订阅者节点，利用基于IP网络的多播技术，在发布者/订阅者加入或退出或非正常消失时，将携带特定内容的数据，向一些特定的IP网络多播地址和点播地址发送，这些多播地址和点播地址经过发布者/订阅者协商后，可自行变化，以适应网络拓扑变化；每个发布者/订阅者收到携带特定内容的数据报后，判别该内容是否与自己相关；若相关则处理，若无关，则忽略；同时，判断自己是否参与转发，参与则向可能的“下一跳多播地址”转发；不参与则抛弃该数据；在向可能的“下一跳多播地址”转发时，修改“下一跳”跳数值；超过规定值，则停止转发。
2、根据权利要求1所述的一种实时系统下无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法，其特征在于：在每个发布者/订阅者加入时的实现，步骤如下：
①每个新加入的发布者/订阅者，首先加入事先约定的IP网络多播组；在准备好处理外来响应后，立即使用UDP数据报搭载“新参与者加入”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，报文内容见图2所示，主要包括了参与者的域、角色与类型、所能提供/请求的数据的QoS服务策略值、主题值、新参与者的定位信息和预设定的允许转发跳数等内容；
②每个发布者/订阅者在收到“新参与者加入”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，判断自己是否能提供/请求相应的主题数据和QoS；如果匹配，就立即使用UDP数据报搭载“新参与者加入回应”报文回应，格式和“新参与者加入”报文一致；如果不匹配，则判断自己是否是作为一个跨段网关，如果为跨段网关，则向其它网段转发“新参与者加入”报文，并将转发跳数值减一；转发跳数值为负，则停止转发；
③每个发布者/订阅者在收到“新参与者加入回应”报文后，登记回应者相关信息，建立发布/订阅关系。
3、根据权利要求1所述的一种实时系统下无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法，其特征在于：在每个发布者/订阅者正常退出时的实现，步骤如下：
①每个发布者/订阅者欲退出时，立即使用UDP数据报搭载“参与者退出”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，格式和“新参与者加入”报文一致；
②每个发布者/订阅者在收到“参与者退出”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，判断自己是否正在提供/使用相应的主题数据，如果本节点正在提供/使用相应的主题数据，则解除发布/订阅关系。
4、根据权利要求1所述的一种实时系统下无中心节点的发布者/订阅者实时互发现方法，其特征在于：在发布者/订阅者异常退出时的实现，步骤如下：
①每个新加入的发布者/订阅者，在使用UDP数据报搭载“新参与者加入”报文后，就开始周期性组织“参与者活跃”报文，向事先约定的IP网络多播地址和点播地址发送，报文内容见图3所示；主要包括了参与者的角色与类型、主题值、参与者的定位信息和下次“参与者活跃”报文可能到达的时间等内容
②每个发布者/订阅者在收到“参与者活跃”报文后，剔除自身发送的报文后，检查主题值，为该主题值设置一个定时器，定时器的定时时间应大于发送N次“参与者活跃”报文的时间间隔；
③主题值定时器超时后，即表明提供/使用该主题值的发布者/订阅者异常退出，其后的处理流程，则与“在发布者/订阅者正常退出时的实现”中②流程一致。
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