CN108040034A - 分布式实时通信中间件 - Google Patents

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王冠
高忠杰
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Abstract

本发明揭示了一种分布式实时通信中间件，包括信息库处理模块、通信应用端、数据报文传输协议模块和心跳检测模块，其中信息库处理模块保存各通信应用端节点间通信所必须的信息，包括数据类型信息、主题信息及发布/订阅信息，各通信应用端可以通过信息库处理模块提供的服务注册主题信息及关联Qos策略，信息库处理模块会将发布者和订阅者的注册主题信息和Qos策略进行匹配，如匹配则通知发布者通信应用端，并由发布者通信应用端向匹配的订阅者通信应用端发起数据传输，它们之间通过数据报文传输协议模块提供的数据报文传输协议进行传输，心跳检测模块采用加速推拉模型的心跳检测机制，对通信节点之间的健康状态进行实时监测。

Description

分布式实时通信中间件
【技术领域】
本发明涉及计算机通讯领域设计技术，特别涉及到分布式航电系统中异构平台之间的数据互联与互通方法。
【背景技术】
随着综合模块化航空电子(Integrated Modular Avionics――IMA)在A380、A400M和B787等飞机上的成功应用，航空电子系统综合化的程度不断增强，针对目前IMA存在的使用相同硬件资源的不同功能之间的故障扩散问题和动态资源管理，分布式综合模块化航空电子(DIMA)已成为航空电子系统结构发展的方向。DIMA综合了联合式航电和IMA两种结构设计特点，基于核心处理模块(CPM)的计算资源，通过通用网络来连接CPM与外围输入输出资源，构成一个通用分布式综合模块化平台。DIMA通过物理分布获得了故障隔离，同时由于共享了计算能力和接口，减少了硬件需求。另一方面，DIMA对分布式节点之间的通信提出了更高的要求。
综上分析，可以看出对于综合化航空电子的发展，迫切需要一个高可靠分布式实时通信中间件来满足分布式综合模块化航空电子架构下的机内与机外数据通信需求。通信中间件是当前实现异构系统之间透明访问的一项主要技术，它屏蔽了分布式系统的各个组成部分之间的硬件环境、操作系统以及编程语言等差异，为实现软件模块在分布式系统中的即插即用奠定了坚实的基础。通过使用中间件，可以将通信分系统中的设备/模块无缝地集成到一起，从而达到系统的各个组成部分在物理上分布、逻辑上统一的目的。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有高可靠的分布式实时通信中间件，从而满足分布式航电系统容错与重构需求和网络化作战环境数据通信的需求。
为实现上述目的，实施本发明的分布式实时通信中间件包括信息库处理模块、通信应用端、数据报文传输协议模块和心跳检测模块，其中信息库处理模块保存各通信应用端节点间通信所必须的信息，包括数据类型信息、主题信息及发布/订阅信息，各通信应用端可以通过信息库处理模块提供的服务注册主题信息及关联Qos策略，信息库处理模块会将发布者和订阅者的注册主题信息和Qos策略进行匹配，如匹配则通知发布者通信应用端，并由发布者通信应用端向匹配的订阅者通信应用端发起数据传输，它们之间通过数据报文传输协议模块提供的数据报文传输协议进行传输，心跳检测模块采用加速推拉模型的心跳检测机制，对通信节点之间的健康状态进行实时监测。
较佳地，信息库处理模块包括主题记录表管理模块、接收处理模块、发送处理模块、网络接口层以及硬件接口层，其中主题记录表管理模块负责管理各通信应用端发布声明与订阅请求的相关信息记录表，具体包括发布主题记录表、订阅主题记录表、订阅成功记录表以及失效节点记录表，接收处理模块通过简单可靠的数据报文协议接收来自各个通信应用端的发布或订阅请求，并将信息记录到相应的主题记录表中，发送处理模块根据来自各通信应用端的发布或订阅请求的匹配情况通知各通信应用端进行主题发布或者订阅，网络接口层主要负责实现简单可靠的数据报文传输协议，保证与各通信应用端之间的可靠数据传输，硬件接口层主要负责硬件网卡的驱动适配功能。
较佳地，所述通信应用端包括域参与者管理模块、主题订阅处理模块、主题发布处理模块、数据读者处理模块、数据写者处理模块、网络接口层以及硬件接口层，其中域参与者管理模块作为通信应用端的基础，负责创建主题以及相关主题订阅者或发布者，并且设置相应的Qos策略，同时，域参与者管理模块通过DomainId将通信应用端按不同的域进行划分，只有相同DomainId的通信应用端才可以进行数据通信，主题订阅处理模块负责创建数据读者以及设置该数据读者相关的Qos策略，主题发布处理模块负责创建数据写者以及设置该数据写者相关的Qos策略，数据读者处理模块只关联一个特定主题，负责该主题的监听及接收，数据写者处理模块也只关联一个特定主题，负责该主题的发送。
较佳地，数据报文传输协议模块包括数据报文接收模块、数据报文发送模块、数据封装与拆装处理模块、数据校验处理模块、超时重传处理模块以及乱序重传处理模块，数据报文接收模块通过UDP/IP协议实现数据报文分片的接收功能，数据报文发送模块通过UDP/IP协议实现数据报文分片的发送功能，数据封装与拆装处理模块负责在发送前将过长的数据帧进行分片处理，同时，在接收数据帧分片之后，对分片进行重新组合，数据校验处理模块负责检查接收端接收到报文的校验和，判断计算后的校验和是否与报文头中的校验和字段一致，如果相等则表示传输正确，如果不相等则表示接收错误，直接丢弃该报文，超时重传处理模块通过预设的超时最大次数以及超时定时器来规范数据报文传输的有效性，如果数据报文传输超时，则启动重传机制，如果重传次数大于超时最大次数，则抛出异常，清空缓存区中的报文分片，重置定时器，否则，表示本次传输成功，准备下一个数据报文的传输。乱序重传处理模块通过顺序记录本次的报文分片号以及期望的下一个分片号来判断接收到分片的有效性，如果接收到的分片号与期望值不同，则启动分片重传机制，否则表示本次分片传输成功，准备一下数据报文分片的传输。
较佳地，该心跳检测模块包括心跳包发送模块及反馈信息接收处理模块，心跳包发送模块通过周期性的给其它通信端节点发送心跳包并等待响应的方式来检查系统中各个通信端节点的状态，反馈信息接收处理模块接收到信息库处理模块的反馈信息后马上重发心跳包，并继续等待接收信息库处理模块的反馈信息，反馈信息接收处理模块根据接收到的各个通信应用端的心跳情况，判断各通信应用端的状况并做出相对应的操作。
与现有技术相比较，本发明为分布式综合模块化的航空电子系统提供了一种实时、可靠的数据分发服务实现方法，对现有数据通讯中间件从动态服务发现和容错两个角度进行了改进，并在传统心跳检测模型的基础上，提出了加速推拉模型，提高通信中间件的实时性、容错性，使其能够满足网络战争环境下的自适应要求。
【附图说明】
图1是本发明分布式实时通信中间件体系结构图。
图2是信息库接收“发布/订阅”主题流程图。
图3是通信中间件发布/订阅工作流程图。
图4是数据报文传输协议发送流程图。
图5是数据报文传输协议接收流程图。
图6是加速推拉模型的心跳检测模块结构示意图。
图7是加速推拉模型的心跳检测模块工作流程示意图。
【具体实施方式】
图1是本发明分布式实时通信中间件的组织架构的逻辑框图，该分布式实时通信中间件包括信息库处理模块、通信应用端、数据报文传输协议模块和心跳检测模块。其中信息库处理模块保存各通信应用端节点间通信所必须的信息，包括数据类型信息、主题信息、发布/订阅信息等，各通信应用端可以通过信息库处理模块提供的服务注册主题信息及关联Qos策略，Qos策略是一系列可控制数据分发服务行为的特性集合，通信中间件中所有的实体(包括域参与者、主题、主题发布/订阅者以及数据读者/数据写者)都可以关联对应的Qos策略。信息库处理模块会将发布者和订阅者的注册主题信息和Qos策略进行匹配，如匹配则通知发布者通信应用端，并由发布者通信应用端向匹配的订阅者通信应用端发起数据传输，它们之间通过数据报文传输协议模块提供的数据报文传输协议进行传输。心跳检测模块采用加速推拉模型的心跳检测机制，对通信节点之间的健康状态进行实时监测。
其中，信息库处理模块包括主题记录表管理模块、接收处理模块、发送处理模块、网络接口层以及硬件接口层。其中主题记录表管理模块负责管理各通信应用端发布声明与订阅请求的相关信息记录表，具体包括发布主题记录表、订阅主题记录表、订阅成功记录表以及失效节点记录表。接收处理模块通过简单可靠的数据报文协议接收来自各个通信应用端的发布或订阅请求，并将信息记录到相应的主题记录表中。发送处理模块根据来自各通信应用端的发布或订阅请求的匹配情况通知各通信应用端进行主题发布或者订阅。网络接口层主要负责实现简单可靠的数据报文传输协议，保证与各通信应用端之间的可靠数据传输。硬件接口层主要负责硬件网卡的驱动适配功能。
通信应用端实现各通信节点之间的数据主题发布和订阅，通信应用端包括域参与者管理模块、主题订阅处理模块、主题发布处理模块、数据读者处理模块、数据写者处理模块、网络接口层以及硬件接口层。其中域参与者管理模块作为通信应用端的基础，负责创建主题以及相关主题订阅者或发布者，并且设置相应的Qos策略。同时，域参与者管理模块通过DomainId将通信应用端按不同的域进行划分，只有相同DomainId的通信应用端才可以进行数据通信。主题订阅处理模块负责创建数据读者以及设置该数据读者相关的Qos策略。主题发布处理模块负责创建数据写者以及设置该数据写者相关的Qos策略。数据读者处理模块只关联一个特定主题，负责该主题的监听及接收。数据写者处理模块也只关联一个特定主题，负责该主题的发送。网络接口层及硬件接口层的功能与信息库处理模块的网络接口层及硬件接口层的功能相同，此处不再详细说明。
数据报文传输协议模块实现各通信应用端之间以及通信应用端与信息库处理模块之间的数据传输功能，包括数据报文接收模块、数据报文发送模块、数据封装与拆装处理模块、数据校验处理模块、超时重传处理模块以及乱序重传处理模块。数据报文接收模块通过UDP/IP协议实现数据报文分片的接收功能。数据报文发送模块通过UDP/IP协议实现数据报文分片的发送功能。数据封装与拆装处理模块负责在发送前将过长的数据帧进行“分片”处理，同时，在接收数据帧“分片”之后，对“分片”进行重新组合。数据校验处理模块负责检查接收端接收到报文的“校验和”，判断计算后的“校验和”是否与报文头中的“校验和”字段一致，如果相等则表示传输正确，如果不相等则表示接收错误，直接丢弃该报文。超时重传处理模块是实现可靠传输的保证手段之一，它通过预设的超时最大次数以及超时定时器来规范数据报文传输的有效性，如果数据报文传输超时，则启动重传机制，如果重传次数大于超时最大次数，则抛出异常，清空缓存区中的报文分片，重置定时器。否则，表示本次传输成功，准备下一个数据报文的传输。乱序重传处理模块也是可靠传输的保证之一，它通过顺序记录本次的报文分片号以及期望的下一个分片号来判断接收到分片的有效性，如果接收到的分片号与期望值不同，则启动分片重传机制，否则表示本次分片传输成功，准备一下数据报文分片的传输。
心跳检测模块负责监控系统中各个通信应用端以及信息库处理模块的“健康状态”，包括心跳包发送模块、反馈信息接收处理模块、适配层以及通讯层。心跳包发送模块通过周期性的给其它通信端节点发送心跳包并等待响应的方式来检查系统中各个通信端节点的状态。反馈信息接收处理模块接收到信息库处理模块的反馈信息后马上重发心跳包，并继续等待接收信息库处理模块的反馈信息，反馈信息接收处理模块根据接收到的各个通信应用端的心跳情况，判断各通信应用端的“健康状况”并做出相对应的操作。适配层是上层应用与心跳层(容后详述)之间的连接桥梁，负责应用层与心跳层之间的信息传递，如配置参数、状态信息等。通讯层是心跳包传递所依赖的底层通信平台。
图2是信息库处理模块接收“发布/订阅”主题过程的处理流程图，信息库接收线程等待接收发布/订阅主题信息，当发布通信应用端/订阅通信应用端有新的主题发布/订阅时，接收处理模块负责接收发布/订阅主题信息，当接收到的是发布通信应用端Pi发布的发布主题信息Nij时，主题记录表管理模块组装成一条PublishTopicRecord记录，并插入PTR_Table中，如果主题及相应的Qos策略匹配时，则构成一条Pub_Sub_Record记录并插入PSR_Table，同时发送匹配的订阅通信应用端信息给该发布通信应用端Pi，继续等待接收发布/订阅主题信息；当接收到的是订阅通信应用端Sj订阅的订阅主题信息Mjk时，主题记录表管理模块组装成一条SubscribeTopicRecord记录，并插入STR_Table，如果主题及相应的Qos策略匹配时，则构成一条Pub_Sub_Record记录并插入PSR_Table，同时通知发布通信应用端Pi有订阅通信应用端Sj希望订阅Pi的主题信息。另外，当系统中某个通信应用端节点从失效状态又重新“活”过来时，该线程还负责通知相关通信应用端节点。其中“重生节点”是指由于某种原因失效后又重新“活”过来的节点，此时则需要通知原先已建立连接的通信应用端节点重新建立连接。
图3是分布式实时通信中间件发布/订阅工作流程图，发布过程如下：当发布通信应用端通过域参与者管理模块创建一个域参与者时会同时启动心跳包发送线程，该线程会周期性的向信息库发送心跳包，以告诉信息库处理模块它还“活着”。之后创建主题发布者Pi和主题Tm，再由Pi创建一个数据写者DWij,并向信息库处理模块发送发布主题信息nij(包含主题Tm和QoS)，信息库收到nij之后将其构建成一条发布主题记录，并将该记录插入PTR_Table。当接收到的订阅主题mjk和Qos策略匹配时，则构建订阅成功记录并插入PSR_Table，然后将mjk所对应的订阅通信应用端地址发送给发布通信应用端。此时发布通信应用端激活数据写者并等待发送数据，当有数据实例dijk需要发送时则与订阅通信应用端进行数据传输。
订阅过程如下：和发布过程类似，当订阅通信应用端通过域参与者管理模块创建一个域参与者时会同时启动心跳包发送线程，该线程会周期性的向信息库处理模块发送心跳包，以告诉信息库处理模块它还“活着”。之后创建主题订阅者Sj和主题Tn，再由Sj创建一个数据读者DRjk，并向信息库处理模块发送订阅主题信息mjk(包含主题和QoS)。然后数据读者DRjk进入“等待接收数据”的状态，当有数据dijk到达时，则去读取数据。
图4是数据报文传输协议模块发送信息的流程图，是数据报文发送模块的工作过程，该过程的参与者就是发送者。具体的方法如下：首先获取需要发送的数据，并判断该数据的长度是否大于最大值，如果大于则要做分片处理。分片处理过程由数据封装与拆装处理模块来完成，之后将分片存入发送缓存区中。数据报文发送模块从缓存区中获取需要发送的分片，若缓存区为空，则继续等待获取数据；若不为空则将分片发送出去，并设置定时器等待接收端的确认信息。如果等待超时，则启动超时重传机制重新发送，否则解析收到的确认报文。若该报文不含丢失的分片，则说明接收端已经正常接收到用户数据，此时清空缓存区中相应的数据并等待获取并发送下一个用户数据。否则，根据确认信息从缓存区中寻找相应的分片，并按要求重新发送给接收端。
图5是数据报文传输协议模块接收信息的流程图，是通信应用接收端数据处理的整个工作过程，而该过程的参与者就是接收者，首先等待接收发送端的数据(分片)到达，当有数据到达时，则接收数据，数据校验处理模块检查校验和是否正确。当校验和不正确时丢弃该分片，并发送确认信息给发送端，告之需要重发的分片，之后等待接收发送端数据。当校验和无差错时，检查该分片是否按序到达，即是否是所期望的分片。如果是乱序的，则将该分片存入乱序缓存区中，并发送确认信息给发送端，告之需要重发的分片，然后继续等待接收发送端数据。如果是有序到达的，则检查是否是重复数据，可能出现重复数据的原因是发送端给接收端传输数据的过程中可能出现网络延迟等现象，导致传输数据延迟到达接收端，而此时发送端的定时器却已超时，并启动乱序重传处理机制重发该分片。所以，接收端可能接收到重复的数据。若是重复数据，则不做任何操作，直接丢弃并等待接收发送端数据。若不是重复数据，则存入有序缓存区。之后，接收端程序会检查该分片是否是发送端重传的分片。如果是，则循环检查当前分片的下一个分片是否在乱序缓存区中，只要条件成立就将乱序缓存区中的这个分片转移到有序缓存区中，直到条件不成立。之后的处理和非丢失重发数据的处理过程一样。检查是否已经顺序接收完最后一个分片，如果是，则给发送端发送确认消息，然后组装用户数据并清空缓存区相关数据，否则等待接收下一个分片数据。
图6是加速推拉模型的心跳检测模块结构图，整个体系结构可分为三层：适配层、心跳层及通信层。适配层是心跳层与应用层的一个连接桥梁。一方面，它负责将应用层的信息(配置参数等信息)传递到心跳层，以供应用层使用，如心跳周期就可以在应用层设置并通过适配层传递给心跳层；另一方面，它又负责将心跳层的信息传递给应用层。当心跳层检测到某个节点的状态信息发生变化时，就通过适配层将状态信息转换成应用层需要的信息格式并将它传递给应用层。
通讯层是心跳包传递所依赖的底层通信平台，它封装了ACE的UDP通信机制，提供了简单方便的调用接口，并且能很好的支持跨平台。通讯层由一个发送端和一个接收端组成。
心跳层是整个心跳模块的核心层，包括发布/订阅客户端、信息库服务器端及处理两者之间心跳包的信息处理子模块。
图7是加速推拉模型的心跳检测模块工程流程图，在发布/订阅通信应用端，心跳包发送线程的“初始化参数”是指设置心跳包的发送周期，应用客户端通过定时器超时机制来实现周期性的发送心跳包。当反馈信息接收线程接收到信息库处理模块的反馈信息之后就马上重发心跳包，并继续等待接收信息库处理模块的反馈信息。当反馈信息中要求客户端重发心跳包时，客户端重新发送心跳包。否则，继续等待接收反馈信息。
在信息库处理模块一端，启动主控线程之后由主控线程创建并启动心跳包接收反馈线程，“初始化参数”是指设置周期的最小值，当定时器超时则周期减半并判断此时的周期是否小于该最小值，若是则可判定节点无效，否则给客户端发送反馈信息要求其重发心跳包。主控线程循环地访问心跳信息缓存区检查各个节点的状态，并将状态写入节点信息缓存区。当发现节点状态有变化时，则通知适配层，并做相应的处理。
本发明为分布式综合模块化的航空电子系统提供了一种实时、可靠的数据分发服务实现方法，对现有数据通讯中间件从动态服务发现和容错两个角度进行了改进，并在传统心跳检测模型的基础上，提出了加速推拉模型，提高通信中间件的实时性、容错性，使其能够满足网络战争环境下的自适应要求。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种分布式实时通信中间件，包括信息库处理模块、通信应用端、数据报文传输协议模块和心跳检测模块，其中信息库处理模块保存各通信应用端节点间通信所必须的信息，包括数据类型信息、主题信息及发布/订阅信息，各通信应用端可以通过信息库处理模块提供的服务注册主题信息及关联Qos策略，信息库处理模块会将发布者和订阅者的注册主题信息和Qos策略进行匹配，如匹配则通知发布者通信应用端，并由发布者通信应用端向匹配的订阅者通信应用端发起数据传输，它们之间通过数据报文传输协议模块提供的数据报文传输协议进行传输，心跳检测模块采用加速推拉模型的心跳检测机制，对通信节点之间的健康状态进行实时监测。
2.如权利要求1所述的分布式实时通信中间件，其特征在于：信息库处理模块包括主题记录表管理模块、接收处理模块、发送处理模块、网络接口层以及硬件接口层，其中主题记录表管理模块负责管理各通信应用端发布声明与订阅请求的相关信息记录表，具体包括发布主题记录表、订阅主题记录表、订阅成功记录表以及失效节点记录表，接收处理模块通过简单可靠的数据报文协议接收来自各个通信应用端的发布或订阅请求，并将信息记录到相应的主题记录表中，发送处理模块根据来自各通信应用端的发布或订阅请求的匹配情况通知各通信应用端进行主题发布或者订阅，网络接口层主要负责实现简单可靠的数据报文传输协议，保证与各通信应用端之间的可靠数据传输，硬件接口层主要负责硬件网卡的驱动适配功能。
3.如权利要求1所述的分布式实时通信中间件，其特征在于：所述通信应用端包括域参与者管理模块、主题订阅处理模块、主题发布处理模块、数据读者处理模块、数据写者处理模块、网络接口层以及硬件接口层，其中域参与者管理模块作为通信应用端的基础，负责创建主题以及相关主题订阅者或发布者，并且设置相应的Qos策略，同时，域参与者管理模块通过DomainId将通信应用端按不同的域进行划分，只有相同DomainId的通信应用端才可以进行数据通信，主题订阅处理模块负责创建数据读者以及设置该数据读者相关的Qos策略，主题发布处理模块负责创建数据写者以及设置该数据写者相关的Qos策略，数据读者处理模块只关联一个特定主题，负责该主题的监听及接收，数据写者处理模块也只关联一个特定主题，负责该主题的发送。
4.如权利要求1所述的分布式实时通信中间件，其特征在于：数据报文传输协议模块包括数据报文接收模块、数据报文发送模块、数据封装与拆装处理模块、数据校验处理模块、超时重传处理模块以及乱序重传处理模块，数据报文接收模块通过UDP/IP协议实现数据报文分片的接收功能，数据报文发送模块通过UDP/IP协议实现数据报文分片的发送功能，数据封装与拆装处理模块负责在发送前将过长的数据帧进行分片处理，同时，在接收数据帧分片之后，对分片进行重新组合，数据校验处理模块负责检查接收端接收到报文的校验和，判断计算后的校验和是否与报文头中的校验和字段一致，如果相等则表示传输正确，如果不相等则表示接收错误，直接丢弃该报文，超时重传处理模块通过预设的超时最大次数以及超时定时器来规范数据报文传输的有效性，如果数据报文传输超时，则启动重传机制，如果重传次数大于超时最大次数，则抛出异常，清空缓存区中的报文分片，重置定时器，否则，表示本次传输成功，准备下一个数据报文的传输。乱序重传处理模块通过顺序记录本次的报文分片号以及期望的下一个分片号来判断接收到分片的有效性，如果接收到的分片号与期望值不同，则启动分片重传机制，否则表示本次分片传输成功，准备一下数据报文分片的传输。
5.如权利要求1所述的分布式实时通信中间件，其特征在于：该心跳检测模块包括心跳包发送模块及反馈信息接收处理模块，心跳包发送模块通过周期性的给其它通信端节点发送心跳包并等待响应的方式来检查系统中各个通信端节点的状态，反馈信息接收处理模块接收到信息库处理模块的反馈信息后马上重发心跳包，并继续等待接收信息库处理模块的反馈信息，反馈信息接收处理模块根据接收到的各个通信应用端的心跳情况，判断各通信应用端的状况并做出相对应的操作。
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