CN109756559B - 面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法。该方法实现不依赖与具体的网络结构，支持节点动态加入和退出，并且不需要中心节点，完全分布式部署，支持冗余服务，具备高可用性的分布式数据分发服务。该方法主要步骤如下：【1】构建数据分发服务；【2】对数据分发服务进行分布式部署：【3】使用数据分发服务。

Description

面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法

技术领域

本发明属于机载嵌入式软件技术，具体涉及一种面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法。

背景技术

分布式数据分发服务(Data Distribution Service，DDS)是对象管理组织(OMG)发布的关于分布式系统中实时数据分发的一个规范，其定义了一个与平台无关的分布式数据分发模型，以数据为中心，在网络上以发布/订阅方式来传送数据，可满足较高的实时性要求。DDS规范了接口与数据格式，具备数据共享能力，可随时将节点加入到网络中来，具有较好的灵活性和扩展性。DDS对复杂网络具有良好的适应性，可应用于大多数异构网络。

DDS强调以数据为中心，用数据对象的主题(Topic)做标识，使用发布/订阅方式实现数据传递。发布者或订阅者在全局数据空间内订阅或者发布需要的主题，在QoS控制下进行连接，各个网络节点之间通过点对点、点对多、多对多方式进行通信，其通信模型如图1所示。

目前实现DDS规范的主要有开源Open DDS项目和以RTI DDS为代表的商业产品。

目前DDS已得到广泛应用，但在航空嵌入式领域尚未普及，因为目前已有的DDS软件(Open DDS、RTI DDS等)要么规模庞大、依赖复杂、交叉编译困难，要么架构昂贵、平台限制严重，因此需要一种低成本、轻量级的分布式数据发布系统。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，本发明提出一种轻量级、代码规模小、对环境依赖少的适用于航空嵌入式环境的面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法。该方法实现不依赖与具体的网络结构，支持节点动态加入和退出；并且不需要中心节点，完全分布式部署，支持冗余服务，具备高可用性的分布式数据分发服务。

本发明的具体技术方案：

本发明提供了一种面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法，包括以下步骤：

【1】构建数据分发服务；

【1.1】定义服务发现协议；

【1.1.1】定义服务标识；

服务标识包括：服务类型、服务名称、服务I P和服务端口；

【1.1.2】定义查询命令；

查询命令包括：命令编码、服务类型、服务名称、客户端I P和客户端端口；

【1.2】基于ZMQ软件构建数据分发服务；

【1.2.1】定义消息格式；

【1.2.2】根据所述消息格式对ZMQ软件的API(应用编程接口)进行封装，形成数据分发服务；

【2】对数据分发服务进行分布式部署：

a、配置系统C语言运行环境库；

b、配置系统service文件，增加“ldds数据分发服务端口:UDP”；

c、设置数据分发服务随系统自动启动；

【3】使用数据分发服务；

【3.1】启动服务发现协议和数据分发服务；

【3.2】使用服务发现协议查询需要的数据分发服务：

服务发现协议接收find命令，如果服务主题和服务类型不符合则丢弃find命令，继续侦听；如果服务主题和服务类型符合，则解析find命令，获取客户端IP地址和端口，并向客户端发送数据服务连接信息；

find命令包括客户端IP、接收响应端口、查询的服务主题和服务类型；

【3.3】使用数据分发服务实现数据发布或数据订阅；

【3.3.1】数据发布具体流程如下：

【3.3.1.1】创建发布类型的ZMQ句柄；

【3.3.1.2】绑定服务IP(Well Know Name，WKN)和服务端口(Well Know Service，WKS)；

【3.3.1.3】设置数据主题，拼装数据消息；

【3.3.1.4】调用ZMQ软件发布数据消息；

【3.4】数据订阅具体流程如下：

【3.4.1】创建订阅类型的ZMQ句柄；

【3.4.2】通过服务发现协议获取服务连接信息，并使用服务连接信息与服务端建立连接；

【3.4.3】调用ZMQ API设置订阅数据的主题；

【3.4.4】调用ZMQ API接收数据消息；

【3.4.5】如果收到消息，首先对时间戳、消息状态进行判断，丢弃包含非法时间戳的消息或包含无效数据的消息；

【3.4.6】对于合法有效的消息，按照数据长度提取数据段，计算32位CRC并与消息中的CRC值比较，如果不一致则丢弃；

【3.4.7】分发有效、完整的数据给相应的业务任务。

进一步地，上述步骤【1.2.1】中的消息格式包括：

A、用于订阅/发布时对数据进行过滤和检索的主题信息；

B、用于对数据的时效性进行校验的时间戳和状态信息；

C、用于对数据的完整性进行校验的CRC信息；

D、用于消息解析的数据长度和数据信息。

进一步地，上述步骤【1.2.2】中的封装包括：

A、connect函数取消服务地址参数，增加服务主题参数，由函数内部自动调用服务查询协议确定相应主题的服务地址，并连接服务；

B、bind函数增加服务主题参数，函数内部自动向服务查询协议发布服务主题和服务地址；

C、subscribe函数替换原先的过滤器参数为数据主题参数，主题参数格式为不超过50长度的字符串，实现相应主题参数的订阅。

进一步地，上述步骤【3.4.4】中的数据消息：

主题：字符类型，不超过50个字节，不足补0；

时间戳：无符号整型，4个字节，由系统自动产生；

数据长度：无符号整型，4个字节，不包含消息中数据段以外的其它字段；

数据段：字节数组类型，变长，具体的数据内容；

CRC值：无符号整型，4个字节，仅对数据段进行32位CRC计算的结果，用于校验数据的完整性；

消息状态：枚举类型，2个字节，包含正常、无效和测试3种状态。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够实现机载嵌入式环境下的分布式数据分发功能，通过服务发现协议获取服务地址，基于数据发布和数据订阅，摆脱数据通信对网络结构和物理部署的依赖，具备更高的灵活性和可扩展性，为未来空地一体化信息网络提供了有效的数据通信手段。

2、本发明不依赖与具体的网络结构，支持节点动态加入和退出，并且不需要中心节点，完全分布式部署，支持冗余服务，提高可用性。本发明代码规模小，属于轻量级分布式数据分发系统，适用与嵌入式系统。

3、本发明代码规模小，属于轻量级分布式数据分发系统，适用与嵌入式系统。

附图说明

图1为现有的DDS通信模型。

图2为分布式数据分发服务的基本架构。

图3为服务发现协议。

图4为数据发布流程框图。

图5为数据订阅流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法作进一步的描述：

ZMQ软件介绍

本发明的实现基础是采用了ZMQ软件，ZMQ(Zero Message Queen)是一种消息队列中间件，部署简单，性能强大。

与同类产品相比，ZMQ的优势主要体现在以下几个方面:

1、支持多种通信模式；包括信号模式、请求回应模式、发布订阅模式和管道模式，支持1∶N、N∶M的通信；

2、支持多种通信环境，包括线程间通信、进程间通信、多节点广播通信以及跨主机通信；

3、支持多种语言、多种操作系统平台。支持超过20种的编程语言，如C++、Java、.NET、Python等，支持多种操作系统，如Windows、Linux；

4、通信性能高，ZMQ是一种轻量级消息队列，不需要消息服务器来存储和转发消息，对使用者屏蔽了异常处理、缓冲区、异步操作等细节，使用更加灵活高效。

但是ZMQ还是属于socket的通信，依赖于网络架构和物理部署，当环境发生变化或有新的节点加入时，原有系统需要做相应的更改，灵活性和可扩展性不高。利用组播技术开发服务自发现协议，则弥补了ZMQ的这个缺陷，二者配合可以实现本发明的方法。

基本介绍

(一)基本定义

服务连接信息：用于连接ZMQ数据服务的信息，包括协议、IP地址和服务端口，例如：udp：//172.20.1.3:9000。

服务类型：支持PUB、RES和PUSH三种服务类型。

服务主题：用于标识服务的字符串，用于服务发现协议。

数据主题：用于标识数据的字符串，用于发布和订阅，客户端可根据数据主题进行过滤。

命令码：目前只支持find命令，今后可以扩展。

(二)基本架构

基于ZMQ的自发现服务的轻量级分布式数据分发系统由数据服务端和客户端组成，数据服务端分布在以太网络中，以服务主题区别不同的服务。一个网络中同一个主题的服务可重复部署在不同的网络节点，起到冗余热备作用，避免单点故障。基本架构如图2所示。

客户端通过发现协议寻找指定服务类型和服务主题的数据服务，获取服务连接信息，连接数据服务端，通过ZMQ数据发布协议订阅或发布数据。

服务端启动ZMQ数据服务，侦听find命令，收到find命令后返回服务连接信息。多个相同服务返回各自的服务连接信息，客户端以最先收到的为准。

(三)服务发现协议

服务发现协议如图3所示：

1、数据服务端启动数据服务和侦听服务；

2、客户端以组播方式发送find命令，包含客户端IP、接收响应端口、查询的服务主题和服务类型；

find命令示例：

命令 服务类型 服务主题 客户端IP 客户端端口

----------------------------------------------------

Find PUB publish1 172.20.1.3 60001

3、服务端收到find命令，如果服务主题和服务类型不符合则丢弃find命令，继续侦听；如果服务主题和服务类型符合则解析find命令，获取客户端IP地址和端口；

4、向客户端发送响应消息，包含数据服务连接信息；

例如：服务连接信息

-------------------------------

Udp：//172.20.1.4:9000

5、客户端收到服务连接信息，调用ZMQ组件连接服务端，获取数据服务；

6、客户端收到其他的响应则丢弃。

具体实现方法

基于上述基本介绍，现对本发明的具体方法进行描述

步骤【1】构建数据分发服务；

步骤【1.1】定义服务发现协议；

步骤【1.1.1】定义服务标识；

服务标识包括：服务类型、服务名称、服务IP和服务端口；

步骤【1.1.2】定义查询命令；

查询命令包括：命令编码、服务类型、服务名称、客户端IP和客户端端口；

步骤【1.2】基于ZMQ软件构建数据分发服务；

步骤【1.2.1】定义消息格式；

消息格式包括：

A、用于订阅/发布时对数据进行过滤和检索的主题信息；

B、用于对数据的时效性进行校验的时间戳和状态信息；

C、用于对数据的完整性进行校验的CRC信息；

D、用于消息解析的数据长度和数据信息；

步骤【1.2.2】根据所述消息格式对ZMQ软件的API(应用编程接口)进行封装，形成数据分发服务；封装包括：

A、connect函数取消服务地址参数，增加服务主题参数，由函数内部自动调用服务查询协议确定相应主题的服务地址，并连接服务；

B、bind函数增加服务主题参数，函数内部自动向服务查询协议发布服务主题和服务地址；

C、subscribe函数替换原先的过滤器参数为数据主题参数，主题参数格式为不超过50长度的字符串，实现相应主题参数的订阅；

步骤【2】对数据分发服务进行分布式部署：

a、配置系统C语言运行环境库；

b、配置系统service文件，增加“ldds数据分发服务端口:UDP”；

c、设置数据分发服务随系统自动启动；

步骤【3】使用数据分发服务；

步骤【3.1】启动服务发现协议和数据分发服务；

步骤【3.2】使用服务发现协议查询需要的数据分发服务：

服务发现协议接收find命令，如果服务主题和服务类型不符合则丢弃find命令，继续侦听；如果服务主题和服务类型符合，则解析find命令，获取客户端IP地址和端口，并向客户端发送数据服务连接信息；

find命令包括客户端IP、接收响应端口、查询的服务主题和服务类型；

步骤【3.3】使用数据分发服务实现数据发布或数据订阅；

步骤【3.3.1】数据发布具体流程如下，如图4所示：

步骤【3.3.1.1】创建发布类型的ZMQ句柄；

步骤【3.3.1.2】绑定服务IP(Well Know Name，WKN)和服务端口(Well KnowService，WKS)；

步骤【3.3.1.3】设置数据主题，拼装数据消息；

步骤【3.3.1.4】调用ZMQ软件发布数据消息；

步骤【3.4】数据订阅具体流程如下，如图5所示：

步骤【3.4.1】创建订阅类型的ZMQ句柄；

步骤【3.4.2】通过服务发现协议获取服务连接信息，并使用服务连接信息与服务端建立连接；

步骤【3.4.3】调用ZMQ API设置订阅数据的主题；

步骤【3.4.4】调用ZMQ API接收数据消息；

数据消息包括：

主题：字符类型，不超过50个字节，不足补0；

时间戳：无符号整型，4个字节，由系统自动产生；

数据长度：无符号整型，4个字节，不包含消息中数据段以外的其它字段；

数据段：字节数组类型，变长，具体的数据内容；

CRC值：无符号整型，4个字节，仅对数据段进行32位CRC计算的结果，用于校验数据的完整性；

消息状态：枚举类型，2个字节，包含正常、无效和测试3种状态。

步骤【3.4.5】如果收到消息，首先对时间戳、消息状态进行判断，丢弃包含非法时间戳的消息或包含无效数据的消息；

步骤【3.4.6】对于合法有效的消息，按照数据长度提取数据段，计算32位CRC并与消息中的CRC值比较，如果不一致则丢弃；

步骤【3.4.7】分发有效、完整的数据给相应的业务任务。

基于ZMQ和自发现服务的轻量级分布式数据分发系统具备以下特点：

1、没有中心节点，分布式部署，允许部署多个副本，提高数据服务的可用性；

2、定义了数据主题的概念，客户端数据范围更加集中，减少处理不需要的数据消耗和网络负担；

3、增加了时间戳、CRC和消息状态等校验，确保了数据的有效性和完整性，满足机载系统对数据安全的要求；

4、对运行环境依赖少，适合机载嵌入式系统；

5、以开源ZMQ为基础，开发成本和技术风险远远低于货架商品；

6、部署和使用方便，运维简单。

Claims (4)

1.一种面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】构建数据分发服务；

【1.1】定义服务发现协议；

【1.1.1】定义服务标识；

服务标识包括：服务类型、服务名称、服务IP和服务端口；

【1.1.2】定义查询命令；

查询命令包括：命令编码、服务类型、服务名称、客户端I P和客户端端口；

【1.2】基于ZMQ软件构建数据分发服务；

【1.2.1】定义消息格式；

【1.2.2】根据所述消息格式对ZMQ软件的API进行封装，形成数据分发服务；

【2】对数据分发服务进行分布式部署：

a、配置系统C语言运行环境库；

b、配置系统service文件，增加“ldds数据分发服务端口:UDP”；

c、设置数据分发服务随系统自动启动；

【3】使用数据分发服务；

【3.1】启动服务发现协议和数据分发服务；

【3.2】使用服务发现协议查询需要的数据分发服务：

服务发现协议接收find命令，如果服务主题和服务类型不符合则丢弃find命令，继续侦听；如果服务主题和服务类型符合，则解析find命令，获取客户端IP地址和端口，并向客户端发送数据服务连接信息；

find命令包括客户端IP、接收响应端口、查询的服务主题和服务类型；

【3.3】使用数据分发服务实现数据发布或数据订阅；

【3.3.1】数据发布具体流程如下：

【3.3.1.1】创建发布类型的ZMQ句柄；

【3.3.1.2】绑定服务IP和服务端口；

【3.3.1.3】设置数据主题，拼装数据消息；

【3.3.1.4】调用ZMQ软件发布数据消息；

【3.4】数据订阅具体流程如下：

【3.4.1】创建订阅类型的ZMQ句柄；

【3.4.2】通过服务发现协议获取服务连接信息，并使用服务连接信息与服务端建立连接；

【3.4.3】调用ZMQ API设置订阅数据的主题；

【3.4.4】调用ZMQ API接收数据消息；

【3.4.5】如果收到消息，首先对时间戳、消息状态进行判断，丢弃包含非法时间戳的消息或包含无效数据的消息；

【3.4.6】对于合法有效的消息，按照数据长度提取数据段，计算32位CRC并与消息中的CRC值比较，如果不一致则丢弃；

【3.4.7】分发有效、完整的数据给相应的业务任务。

2.根据权利要求1所述的一种面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法，其特征在于：所述步骤【1.2.1】中的消息格式包括：

A、用于订阅/发布时对数据进行过滤和检索的主题信息；

B、用于对数据的时效性进行校验的时间戳和状态信息；

C、用于对数据的完整性进行校验的CRC信息；

D、用于消息解析的数据长度和数据信息。

3.根据权利要求1所述的一种面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法，其特征在于：所述步骤【1.2.2】中的封装包括：

A、connect函数取消服务地址参数，增加服务主题参数，由函数内部自动调用服务查询协议确定相应主题的服务地址，并连接服务；

B、bind函数增加服务主题参数，函数内部自动向服务查询协议发布服务主题和服务地址；

C、subscribe函数替换原先的过滤器参数为数据主题参数，主题参数格式为不超过50长度的字符串，实现相应主题参数的订阅。

4.根据权利要求1所述的一种面向嵌入式机载系统分布式数据分发服务的构建及使用方法，其特征在于：

所述步骤【3.4.4】中的数据消息：

主题：字符类型，不超过50个字节，不足补0；

时间戳：无符号整型，4个字节，由系统自动产生；

数据长度：无符号整型，4个字节，不包含消息中数据段以外的其它字段；

数据段：字节数组类型，变长，具体的数据内容；

CRC值：无符号整型，4个字节，仅对数据段进行32位CRC计算的结果，用于校验数据的完整性；

消息状态：枚举类型，2个字节，包含正常、无效和测试3种状态。

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