CN107959709A - 基于通信中间件数据解耦交互结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中间件解耦的通信系统内数据交互结构和方法，利用本发明可以解决通信系统模块间数据交互总线差异大对软件设计带来的复杂度和难度。本发明通过下述技术方案予以实现：将通信系统内数据交互结构分层为驱动层、中间件层和应用层，依据通信对象地址定义表、通信物理端口定义表以及各个模块的通信连接关系，构建通信系统内各个通信节点的路由表和数据传输链路；在处理器上构建统一的应用程序接口；通信中间件与驱动层分离，将应用层软件与底层物理传输媒介进行解耦，并在通信中间件中利用路由表实现通信应用软件对外数据的收发，上层业务功能通信应用软件调用中间件层提供的统一服务接口，实现通信应用软件间的数据交互和信令传输。

Description

基于通信中间件数据解耦交互结构的方法

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，是关于实现综合化通信系统整机内各模块间数据灵活交互和应用层软件与物理媒介解耦设计的通信系统内数据交互结构和方法，特别涉及一种基于应用中间件来对应用层软件和物理媒介进行解耦的灵活数据交互运行结构和方法。

背景技术

当代通信领域主要内容包括了经典通信基础知识、数字通信、程控交换、光纤通信、微波通信、移动通信、卫星通信、图像通信和多媒体通信。当今，世界电信总的发展趋势是在电信网数字化、综合化的基础上，向智能化、移动化、宽带化和个人化方向发展。传统的航电系统中，通信、导航等功能都是以分离式的单一设备完成其相应的功能。而近几年出现的综合化航电系统是将通信、导航等功能作为整体进行设计，其特点是系统架构开放化，软硬件模块化、通用化，通过采用开放式系统架构和模块化通用设计标准，达到降低研制和生产成本。

综合化通信系统中间件作为整个综合化通信系统应用的核心服务模块，它将网络连接、信令交互、数据传输、业务逻辑等经过抽象独立出来，成为一个独立的易于重用、易于扩展、访问透明、使用简单、稳定性更高的软件模块。该软件模块在简化综合化通信系统复杂环境的同时，也负责完成整个综合化通信应用的底层复杂网络交互和相关的业务处理逻辑，充分解耦和综合化通信应用的核心服务模块和业务功能模块，进一步提高综合化通信应用的稳定性、重用性和可扩展性。综合化通信系统中间件的这些功能特点，使得综合化通信应用的后台核心模块与业务功能模块能够以服务与被服务的形式相互协作，共同完成整个综合化通信应用的产品服务功能。解耦合综合化通信应用的核心服务模块与业务数据展示模块，需要构建一个能够在综合化通信系统上持久稳定运行的综合化通信系统独立后台服务，该后台服务模块通过简化底层复杂的基础通信和相关的业务处理逻辑，对应用程序界面模块提供简洁透明的业务数据通信核心服务。

中间件是伴随着网络应用的发展而逐渐成长起来的技术体系。最初的中间件发展驱动力是需要有一个公共的标准的应用开发平台来屏蔽不同操作系统之间的环境和API差异，也就是所谓操作系统与应用程序之间“中间”的这一层叫中间件。中间件是一种独立的软件，它能使应用程序在异构的平台(操作系统、通信协议、系统结构等不相同)上进行协同工作，并为应用层软件提供服务。中间件处于操作系统和应用层软件之间，它屏蔽了底层硬件平台差异性和操作系统的异构性，为应用层程序提供了统一的应用编程接口(API)。中间件技术的应用非常广泛。在不同的应用领域，中间件所提供的功能不尽相同。中间件的种类繁多，在各个应用领域都出现了各种各样的中间件产品。由于中间件的定义到现在仍然比较模糊，因此，中间件的分类也由于角度和层次的不同而有所差异。目前对中间件仍没有一个比较精确的定义，但为了满足不同的应用需求目前出现了多种中间件产品。由于中间件定义的广泛性，因此从不同的角度或者不同层次上考虑，中间件的分类也会相应的不同。从中间件的功能性外延来看，中间件主要包括交易中间件、消息中间件、集成中间件等功能性中间件技术和产品。从中间件在软件支撑和架构的定位来看，基本上可以分为三大类产品：应用服务类中间件、应用集成类中间件、业务架构类中间件。随着中间件的不断发展和衍生，中间件技术和产品也逐渐的从早起传统的应用服务类中间件向业务架构类中间件发展。中间件作为共性的抽象和凝练，其不仅可以从底层的实现技术出发，将技术的共性特征提炼到中间层，也可以将更多的抽象焦点汇聚到具体的业务层面上来，根据特定的业务类型，促使业务功能的不断抽象和凝聚。随着中间件的不断发展，中间件也从最初的技术服务逐渐的向业务服务方向发展，许多特定领域和类型的业务功能和应用模式在经过不断的凝练后，最终会被抽象到中间件层次，如业务模型、业务流程、业务规则、业务安全和业务应用环境等，中间件的业务化和领域化趋势愈发明显。伴随着即时通信应用系统的迅速发展和广泛应用，即时通信中间件以其自身特有的网络通信和业务服务功能需求特点，使其成为了典型的专有领域的业务架构类中间件。即时通信中间件不仅要对其底层网络通信技术进行抽象，更需要进一步的对整个即时通信的业务处理流程和规则进行凝练。尤其是在当前移动平台环境下，即时通信中间件还需要完成对相关移动网络环境和应用运行平台环境特性的抽象和凝练，最终完成将底层网络通信、相关的业务流程、移动平台的复杂环境和平台特性抽象至中间件，使其成为一个独立的软件模块，进而解耦和即时通信应用的核心服务模块和界面交互模块。传统的客户端中间件平台一般都是以底层代码模块接口的形式为上层提供服务的。从中间件平台的发布应用形式上考虑，中间件模块代码最终是和上层应用程序耦合打包到一起进行发布的。中间件是软件产业不断发展过程中自然产生的。中间件是一种独立的系统软件或服务程序。现代中间件是以服务为核心，如WebService，SCA/SDO等。通过服务，或者服务组件来实现更高层次的复用、解耦和互操作，即SOA架构中间件。在软件的互操作方面，传统中间件只是实现了访问互操作，即通过标准化的API实现了同类系统之间的互操作，而连接互操作还是依赖于特定的访问协议，如JAVA使用RMI，CORBA使用IIOP等。而SOA通过标准的、支持Internet、与操作系统无关的SOAP协议实现了连接互操作。而且，服务的封装是采用XML协议，具有自解析和自定义的特性，这样，基于SOA的中间件还可以实现语义互操作。SOA架构在松耦合，将中间件的解耦过程也发展到了最后的境界。时间解耦、空间解耦和流程解耦是实现异步通信的三要素。

现有技术综合化通信设备往往由许多独立模块互联构成，每个模块实现特定的功能，模块间通过各种类型的通信总线进行连接，构成完整的通信整机系统。鉴于模块间数据传输的特殊需求，往往采用了不同物理媒介、不同类型和协议的通信总线，如SPI(SerialPeripheralInterface)总线、UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)总线、RapidIO总线、CAN(ControllerAreaNetwork)总线等等，使得每个模块的应用层软件需要兼顾各种总线的差异，加大了应用层软件开发负担，影响了软件的可移植性，降低了通信整机系统内各模块间数据交互的稳健性。对于具有操作系统的处理器软件，操作系统为运行个体，其所依赖的一个或多个处理器环境为一个运行环境；对于不具有操作系统的处理器软件，往往只运行在一个处理器环境中，其所依赖的一个处理器环境为一个运行环境。到目前为止，通信系统的整机系统内仍然采用了粗放式的开发方式，针对不同模块间的不同总线，重新开发相关的通信机制。而且当某个模块的端口故障时，不能够自主的寻找其他端口进行通信，使得现代通信系统中的数据交互变得固定、低可靠性和难以复用设计。对于通信的维护，也缺乏统一的机制，使得系统之间的数据交互设计不统一，需要重新设计，增大了开发周期。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够降低通信系统开发难度和复杂度，并能提高通信系统可移植性、稳定性和易于扩展的基于通信中间件解耦数据交互结构的方法，以解决通信系统模块间数据交互总线差异大对软件设计带来的复杂度和难度。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于包括如下步骤：将通信系统内数据交互结构分层为驱动层、中间件层和应用层，并在通信系统的各个模块内，依据运行个体模块所依赖的处理器环境定义每一个的运行环境的通信节点，并对通信节点及其通信节点上的通信应用软件和用于通信的通信物理端口进行编号，形成通信对象地址定义表、通信物理端口定义表；依据通信对象地址定义表、通信物理端口定义表以及通信系统内各个模块直接的通信连接关系，构建通信系统内各个通信节点的路由表，建立数据传输链路；在处理器上构建统一的应用程序接口，通信中间件层对应用程序接口驱动进行管理；通信中间件与驱动层分离，将应用层软件与底层物理传输媒介进行解耦，并在通信中间件中利用路由表实现通信应用软件对外数据的收发和维护，上层业务功能通信应用软件调用中间件层提供的统一服务接口，实现整个综合化系统整机内各个业务功能通信应用软件间的数据交互和信令传输。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

1)减小了通信系统设计难度。本发明在处理器上构建统一的应用程序接口，通信中间件层对应用程序接口驱动进行管理，将应用层软件和物理传输媒介进行解耦，并在通信中间件中利用路由表实现应用层软件对外数据的收发和维护，使得应用层软件开发人员无需关心通信的具体实现，降低了设计难度，减小了软件开发难度，降低了开发时间。支持各种通信系统设备内数据交互的实现，通过复用设计结构，去掉了通信系统中对数据交互的设计，减轻了设计难度，使得系统设计人员能够更多的关注系统功能的实现。

2)提高了通信系统可移植性。本发明在通信系统的各个模块内，依据运行个体模块所依赖的处理器环境定义每一个的运行环境的通信节点，并对通信节点及其通信节点上的通信应用软件和用于通信的通信物理端口进行编号，形成通信对象地址定义表、通信物理端口定义表；依据通信对象地址定义表、通信物理端口定义表以及通信系统内各个模块直接的通信连接关系，构建通信系统内各个通信节点的路由表，为应用层软件提供统一的通信接口；在通信系统内各个模块中定义不同的运行环境，通过对其进行编号，实现数据传输链路建立；通过结构分层，实现驱动层、中间件层和应用层，将应用层与物理传输媒介进行解耦合；为每个运行环境所连接的通信端口定义不同的编号，从而构建出数据交互路由表，实现数据在多个模块间的接力传递；中间件层提供统一的应用程序接口函数，使得应用层软件可以具有更好的可移植性。通过通信中间件将应用层软件与底层物理通信进行解耦，上层业务功能通信应用软件只需要调用中间件层提供的统一服务接口，实现整个综合化系统整机内各个业务功能通信应用软件间的数据交互和信令传输等，免除了业务功能应用对下层具体通信链路的关心，减少应用层软件与具体物理结构的依赖性，提高通信应用软件在不同综合化通信系统之间的可移植性，从而达到解耦的目的。

3)提高了通信系统的稳定性。本发明将通信系统内数据交互结构分层为驱动层、中间件层和应用层，并在通信系统的各个模块内，依据运行个体模块所依赖的处理器环境定义每一个的运行环境的通信节点，通过统一的数据交互架构设计和通信中间件负责通信数据的有效性、完整性、可靠性。避免了模块间设计的差异性，提高了模块间交互数据的稳定性和数据交互的一致性。

4)易于扩展。本发明采用通信中间件与驱动层分离，将应用层软件与底层物理传输媒介进行解耦，并在通信中间件中利用路由表实现应用层软件对外数据的收发和维护，通过通信中间件与驱动层的分离，使得通信中间件更加容易的支持不同驱动，能够在具有不同通信总线接口的模块上应用。

附图说明

图1是本发明通信系统内模块互联示意图。

图2是图1通信节点初始化流程示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在通信系统的各个模块内，依据运行个体所依赖的处理器环境定义各个运行环境，每一个的运行环境称之为通信节点，并对其进行编号；对每一个通信节点上的通信软件进行编号，形成通信对象地址定义表；对每个通信节点上用于通信的通信物理端口进行编号，形成端口定义表；依据通信对象地址定义表、端口定义表以及通信系统内各个模块直接的通信连接关系，构建系统内各个通信节点的路由表；依据通信对象地址定义表、通信物理端口定义表以及通信系统内各个模块直接的通信连接关系，构建通信系统内各个通信节点的路由表，建立数据传输链路；在处理器上构建统一的应用程序接口，通信中间件层对应用程序接口驱动进行管理；通信中间件与驱动层分离，将应用层软件与底层物理传输媒介进行解耦，并在通信中间件中利用路由表实现通信应用软件对外数据的收发和维护，上层业务功能通信应用软件调用中间件层提供的统一服务接口，实现整个综合化系统整机内各个业务功能通信应用软件间的数据交互和信令传输。

每个通信节点的路由表可以存放在自己的存储器中，也可以在整个系统中选择一个通信节点作为主控节点，将所有通信节点的路由表存放在主控节点的存储器中，在系统启动后进行路由表分发。

路由表至少由目的节点地址、下一跳节点地址、通信物理端口号和有效性等信息构成。该路由表在通信系统设计时确定，存放在存储器中，每一个通信节点存在一张与自己相关的路由表，其中节点地址为通信节点编号。对通信节点进行编号时，其数值在整个通信系统内所有模块的运行环境中是唯一的；对通信节点上的通信物理端口进行编号时，其数值在该通信节点内是唯一的；通信节点上的通信应用软件即通信对象，对通信应用软件进行编号时，其数值在整个系统内所有通信对象中是唯一的。

整个基于通信中间件解耦通信系统内数据交互实施过程共分为三部分：信息构建过程、初始化过程、通信过程。

1)信息构建过程

假设某通信系统中，如图1所示，其数据交互结构内部具有5个以虚线框表示的模块1、模块2、…模块5，其中，模块1具有一个PowerPC处理器，模块2具有一个ARM处理器，模块3具有一个在线可编程逻辑门阵列FPGA作为处理器，模块4具有两个数字信号处理器DSP，模块5具有一个ARM处理器。每个模块中均具有至少一个处理器，且每个处理器运行一个通信应用软件个体。在该通信系统中，定义对应6个通信节点的6个运行环境，将所有通信节点编号为1-6，得到CN-1到CN-6。每个通信节点可以运行有多个通信应用软件实体，每个通信应用软件实体处理定义为通信对象的消息数据，同样的，对每个通信节点上的通信对象进行编号，并将通信节点编号与通信对象编号合并组成通信对象地址。通信对象地址定义为16比特位宽，其构成为：通信节点编号+通信对象编号，其中通信节点编号占12比特位宽，通信对象编号占4比特位宽。

假设CN-1上有2个通信对象，CN-2上有1个通信对象，CN-3上有3个通信对象，CN-4上有2个通信对象，CN-5上有4个通信对象，CN-6上有1个通信对象，则可以构建出如下表所示的通信地址定义表，并为每个通信对象定义一个字符串名称。

表1通信对象名称及地址

在定义了上面所述的通信节点编号之后，下一步需要对每个通信节点的通信物理端口进行定义。在图1中，各个通信节点之间具有一条或多条不同类型的通信路径，串行外设接口总线SPI、控制器局域网总线CAN、异步通信总线RS485，以及模块1中PPC处理器对外通信所使用的以太网Ethernet。对图1中的通信节点的通信物理端口进行定义，可以得到如下表所示的端口定义表，图1中的通信物理端口编号以#符号进行标识。

表2通信物理端口定义表

按照图1模块间通信结构，构建每个通信节点的路由表。构建的方法是，寻找两个节点之间通信的所有路径。例如，通信节点CN-2的路由表如下表所示，其中有效性表明了该通信链路是否畅通，其状态在运行时确定。

表3通信节点CN-2路由表

选取图1某个通信节点作为主控节点。假设选取通信节点CN-1作为主控节点。可以预先将各个通信节点的路由表存储在通信节点CN-1的存储器中，或者存储在本通信节点的存储器中。每个通信节点，均应预先将上述表1的内容存储在本通信节点的存储器中。

2)初始化过程

参阅图2。通信系统上电后，每个通信节点中的通信中间件尚不知道主控节点的通信节点编号，应当等待。主控节点CN-1启动后，开始依据路由表内的定义，逐条向目的通信节点发送链路建立请求消息。链路建立请求消息的内容包括：目的通信节点编号、主控通信节点编号等信息。当目的通信节点CN-2接收到该消息后，返回链路建立应答消息进行回应。链路建立应答消息的内容包括：目的通信节点编号、主控通信节点编号、是否存在路由表等信息。当主控节点接收到该消息后，如果发现通信节点CN-2没有路由表，且通信节点CN-2与通信节点CN-1之间存在直接连接，则负责向通信节点CN-2发送属于通信节点CN-2的路由表数据。

当通信节点CN-2被通信节点CN-1初始化成功后，通信节点CN-2拥有了自己的路由表，并且知道了主控节点通信节点CN-1的编号。在上述两个条件同时满足后，开始启动通信节点CN-2的通信中间件初始化过程，与通信节点CN-1类似，开始依据路由表内的定义，逐条向目的通信节点发送链路建立请求消息。当图2所示通信节点CN-2向通信节点CN-4发送链路建立请求消息后,通信节点CN-4向通信节点CN-2返回链路建立应答消息进行回应。通信节点CN-2发现通信节点CN-4无路由表，而且通信节点CN-2与通信节点CN-4直接存在直接连接，则负责向通信节点CN-4发送属于通信节点CN-4的路由表数据。但因属于通信节点CN-4的路由表数据只可能存储在通信节点CN-4中或主控节点CN-1中，因此通信节点CN-2应向通信节点CN-1发送路由表请求，然后将从通信节点CN-1接收到的路由表下发给通信节点CN-4，完成与通信节点CN-4的链路建立过程。

在每个通信节点拥有了路由表，且知道了主控节点的编号后，即可开始链路建立过程，其过程与通信节点CN-4过程相同。在链路建立过程中，如果向目的通信节点发送了链路建立请求消息后，没有接收到链路建立应答消息，则认为该通信链路故障，并在表3所示的信息中，将其有效性置为无效。

3)通信过程

在所有通信节点完成初始化过程后，进入正常的通信过程。应用层通信应用软件向通信中间件申请创建逻辑端口，并告诉通信中间件希望的通信对象的名称。通信中间件依据通信对象的名称，在表1的信息中查找该通信对象的通信对象地址，并返回应用层通信应用软件一个标志该逻辑端口的标识，该标志可以为内部记录该端口信息的变量的地址。

应用层通信应用软件发送数据时，将逻辑端口标识和待发送数据送入通信中间件，通信中间件按照通信对象地址由“通信节点编号+通信对象编号”构成的原则，获取目的通信节点编号，并本通信节点的路由表中获取下一跳通信对象编号和通信物理端口编号。若查找不到有效的路由信息，则返回失败；若查找到有效的路由信息，则在待发送数据前加入源地址和目的地址，并进行发送。其中，源地址为希望发送数据的通信对象地址，目的地址为希望接收数据的通信对象地址。应用层通信应用软件接收数据时，将逻辑端口标识和接收缓冲区送入通信中间件。如果通信中间件发现该逻辑端口有接收数据，则将接收数据写入接收缓冲区，否则返回错误。

Claims (10)

1.一种基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于包括如下步骤：将通信系统内数据交互结构分层为驱动层、中间件层和应用层，并在通信系统的各个模块内，依据运行个体模块所依赖的处理器环境定义每一个的运行环境的通信节点，并对通信节点及其通信节点上的通信应用软件和用于通信的通信物理端口进行编号，形成通信对象地址定义表、通信物理端口定义表；依据通信对象地址定义表、通信物理端口定义表以及通信系统内各个模块直接的通信连接关系，构建通信系统内各个通信节点的路由表，建立数据传输链路；在处理器上构建统一的应用程序接口，通信中间件层对应用程序接口驱动进行管理；通信中间件与驱动层分离，将应用层软件与底层物理传输媒介进行解耦，并在通信中间件中利用路由表实现通信应用软件对外数据的收发和维护，上层业务功能通信应用软件调用中间件层提供的统一服务接口，实现整个综合化系统整机内各个业务功能通信应用软件间的数据交互和信令传输。

2.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：每个通信节点的路由表存放在自己的存储器中，或在整个系统中选择一个通信节点作为主控节点，将所有通信节点的路由表存放在主控节点的存储器中，在系统启动后进行路由表分发。

3.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：路由表至少由目的节点地址、下一跳节点地址、通信物理端口号和有效性信息构成。

4.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：对通信节点进行编号时，其数值在整个通信系统内所有模块的运行环境中是唯一的；对通信节点上的通信物理端口进行编号时，其数值在该通信节点内是唯一的；对通信应用软件进行编号时，其数值在整个系统内所有通信对象中是唯一的。

5.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：每个模块中均具有至少一个处理器，且每个处理器运行一个通信应用软件个体；每个通信节点运行有多个通信应用软件实体，每个通信应用软件实体处理定义为通信对象的消息数据，同样的，对每个通信节点上的通信对象进行编号，并将通信节点编号与通信对象编号合并组成通信对象地址。

6.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：各个通信节点之间具有一条或多条不同类型的通信路径，串行外设接口总线SPI、控制器局域网总线CAN、异步通信总线RS485，以及模块1中PPC处理器对外通信所使用的以太网Ethernet。

7.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：主控节点CN-1启动后，依据路由表内的定义，逐条向目的通信节点发送链路建立目的通信节点编号、主控通信节点编号信息的请求消息。

8.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：当目的通信节点CN-2接收到该消息后，返回链路建立目的通信节点编号、主控通信节点编号、是否存在路由表信息的应答消息进行回应；当主控节点接收到该消息后，若发现通信节点CN-2没有路由表，且通信节点CN-2与通信节点CN-1之间存在直接连接，则负责向通信节点CN-2发送属于通信节点CN-2的路由表数据。

9.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：当通信节点CN-2被通信节点CN-1初始化成功后，通信节点CN-2拥有了自己的路由表和主控节点通信节点CN-1的编号；在上述两个条件同时满足后，开始启动通信节点CN-2的通信中间件初始化过程，与通信节点CN-1类似，开始依据路由表内的定义，逐条向目的通信节点发送链路建立请求消息；当通信节点CN-2向通信节点CN-4发送链路建立请求消息后,通信节点CN-4向通信节点CN-2返回链路建立应答消息进行回应；通信节点CN-2发现通信节点CN-4无路由表，而且通信节点CN-2与通信节点CN-4直接存在直接连接，则负责向通信节点CN-4发送属于通信节点CN-4的路由表数据；然后从通信节点CN-1接收到的路由表下发给通信节点CN-4，完成与通信节点CN-4的链路建立过程。

10.如权利要求1所述的基于通信中间件解耦通信系统内数据交互结构的方法，其特征在于：应用层通信应用软件发送数据时，将逻辑端口标识和待发送数据送入通信中间件，通信中间件按照通信对象地址由“通信节点编号+通信对象编号”构成的原则，获取目的通信节点编号，并本通信节点的路由表中获取下一跳通信对象编号和通信物理端口编号。