CN111698217B - 一种软件化雷达通用通信中间件 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决目前雷达通信设备的五花八门，出厂定制终身，维护成本高，升级难等缺陷，提出一种软件化雷达通用通信中间件，通过一个层次化的体系结构进行设计，主要包括：1)发布/订阅接口层，为服务化应用软件层提供统一的API接口；2)实时信息交换层，完成消息的解析和转换；3)传输控制层，为实时信息交换层提供标准简单的通信链路接口。各层之间定义了统一开放的接口，层与层之间相互独立，每层的设计、升级、更新均不会影响其它层的运行，大大提高了开发效率并且降低了维护成本。且支持不同的通信协议，支持雷达节点内不同组件之间的通信、不同计算节点的分布式系统通信、板间、核间、进程间、线程间等通信。

Description

一种软件化雷达通用通信中间件

技术领域

本发明专利涉及软件化雷达领域，具体的说是一种软件化雷达分布式通用通信技术。

背景技术

随着当前战场电磁环境日趋复杂，电子战装备日趋增多，无线通信技术的快速发展，通信产品样式多种多样，传统的以硬件为主的通信方式已经不能满足现在以及未来市场的需求，因此研究一种能够在不同设备上实现统一数据分发的模型具有重要的意义。软件化雷达通信中间件的设计就是为了解决目前通信方式的多样性，推动高性能处理平台的发展。

航空电子系统技术是集综合化、信息化、技术化、模块化及智能化于一体的综合性分布式通信应用系统，随着科技技术的快速发展，机载软件的日趋复杂，各机载软件之间的差异性日趋显现，为增强各机载系统中的可移植性、可维护性、可靠性以及各机载之间的互联互通，软件化雷达中间件的引入被用到新一代航电系统软件的设计中，屏蔽了各系统中的底层硬件平台和操作系统平台，提高了开发效率，增强了可移植性，统一了通信方式，为新一代航电系统的开发、升级奠定了基础。

协同作战已经成为现在乃至未来作战的必由之路，现代信息化战争已经由传统的单一平台向系统化体系转变，雷达作为现在战争必要部分，担负着远距离近距离信息的发送和接收任务，现在雷达性能的好坏决定现在乃至未来战争的成败，为了获取到战场的全方位信息，需要多部雷达及其它设备协同作战，并且能进行灵活的组合，以最低的成本完成高效的任务，因此各部雷达之间的通信成为当前急需解决的问题，由此通用通信中间件的产生使得分布式雷达之间可以灵活的进行实时通信。

现有通信中间件实现方案如下：

1)公开号为CN102271167A的发明专利提出了一种适用于分布式通信中间件的代理器并行处理方法及结构，其设计的方法是将Agent集和资源库之间的联合关系映射到几何图论中。此方法中使用的Agent集且不同的厂商采用不同的实现语言，比如IBM厂商采用效率不太高的JAVA，对主机系统的资源占用比较大，因此对于用户来说在使用过程中不统一，导致开发的难度大。

2)公开号为CN110704070A的发明专利提出了一种区分实时操作系统下DDS通信中间件的构建方法，其设计的方法是使用VxWorks653-Linux GNU工具，编译适配DDS链接库：使用Wind River开发工作台，实现区分实时嵌入式操作系统通过数据分法服务于其它设备联网通信。此方法仅使用了某一个操作系统，不具备跨平台操作的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种软件化雷达通用的通信中间件。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种软件化雷达通用通信中间件，包括发布/订阅接口层、实时信息交换层和传输控制层；

发布/订阅接口层位于通信中间件的最上层，是服务化软件应用层与通信中间件层交互的入口，用于提供一套标准开放的函数接口供用户调用；发布/订阅接口层接收用户调用的函数接口传入的参数实现发布/订阅的通信模式；所述函数接口包括通信初始化接口、实际数据的接收和发送接口；通信初始化接口供应用服务化软件组件调用完成数据传输前的初始化工作；实际数据的接收和发送接口用于完成实际数据的收发工作；

实时信息交换层位于发布/订阅接口层和传输控制层之间，用于完成信息的解析和交换，实现节点注册、信息存储、新节点发现和匹配，建立信息过滤机制；通过调用发布/订阅层提供的注册接口注册新的服务组件所在的节点信息；接收用户通过实际数据的接收和发送接口传输数据信息，再通过信息过滤机制实现发送方和订阅方的信息匹配，使得发送方和订阅方能够实现端到端的数据传输；

传输控制层位于实时信息交换层之下操作系统之上，支持多种通信方式，可以根据用户的需求对待传输的数据按其特性选择不同的数据传输协议进行封装，为实时信息交换层提供了标准通信链路接口。

本文中节点之间的通信是指的是节点与节点之间其内部组件的通信，在注册信息时是注册节点信息(节点信息包含该节点内部的组件以及每个组件提供的功能，有了这些注册信息才能在实时信息交换层中进行解析和匹配。

具体的，实时信息交换层包括注册信息库、存活判断信息库、发布数据库、订阅数据库、订阅成功信息库、订阅失败信息库以及发送接收数据的存储库；

注册信息库用于，负责接收并存储新加入节点的注册信息以及已注册节点开机时的信息；

存活判断信息库用于，负责检查通信域中各节点的存活状况；

发布数据库用于，负责存储各发布节点的匹配信息；

订阅数据库用于，负责存储各订阅节点的匹配信息；

订阅成功信息库用于，存储订阅方订阅匹配成功的信息；

订阅失败信息库用于，存储订阅方订阅失匹配失败的信息；

发送接收数据的存储库用于，存储发布方和订阅方想要发送和接收的数据。

针对各通信节点之间彼此不了解其位置的问题，本发明中节点通过向实时信息交换层中发送各自所需的数据信息，建立和其它节点的联系，使得各通信节点之间互不影响，耦合度低。

本发明支持不同的数据传输协议，用户可以根据不同的数据特征，选择不同的数据传输协议，并且通过端到端的数据传输方式，支持高实时性的数据传输。对不同的数据传输协议进行封装，且不需要对底层数据协议进行设计以及不需要接触底层复杂的硬件设备和操作系统的多样性，简化了开发难度，提高了开发效率，降低了维护的成本。

本发明的有益效果是：

通过设置实时信息交换层，注册所有互不了解的节点信息，本层可以转换和解析所有的节点信息和数据信息，可以完成一对一、一对多、多对一和多对多之间的信息解析和数据传输，并且可以实时监控通信域中的每个节点，当某节点自动退出或失效时不影响其余节点的正常工作，使得各节点之间松耦合。

通过设置传输控制层，将各种不同的数据传输协议进行封装，统一了复杂的数据传输协议接口，用户可以根据数据的特征以及自身需求，选择不同的数据传输协议传输数据，使得用户可以灵活的使用不同的数据传输协议，提高了此架构的灵活性。

附图说明

图1为本发明的整体框架示意图；

图2为实时信息交换示意图；

图3为判断通信节点是否正常工作的流程图；

图4为匹配信息的流程图；

图5注册信息的流程图；

图6为分布式通信实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例的设计遵循POSIX接口规范，使得中间件架构可以在不同的操作系统上运行，提高了此架构的跨平台功能。其采用的部分函数表1所示：

表1部分线程函数

函数接口	功能
		pthread_create()	在当前应用程序中创建一个线程
Pthread_exit()	退出单个线程
		Pthread_cancel()	杀死一个线程
Pthread_join()	回收子线程
		Pthread_detach()	实现线程的分离
Pthread_attr_init()	线程初始化
		Pthread_attr_setdetachstate()	设置线程的分离状态
Pthread_attr_getdetachstate()	获取线程的分离状态
		Pthread_attr_destory()	删除线程的属性

如图1所示，通信中间件层主要包括，发布/订阅接口层，实时信息交换层以及传输控制层。其中发布/订阅接口层是通用通信中间件的最上层，是服务化应用层与中间件层交互的入口，它定义了一套标准开放的函数接口，分为两类，一类是通信初始化接口，主要是用来完成设置节点信息以及发送方和接收方的匹配信息；另一类是实际的数据收发工作，主要是用来完成在发送方和接收方信息匹配之后的实际数据传输工作，并且接口统一，用户无需关心底层复杂的硬件设备和操作系统的多样性，提高开发效率。

如图2所示，实时信息交换层位于发布/订阅接口层和传输控制层之间，是此架构的核心部分。实时信息交换层主要完成节点信息的注册工作，以及信息的转换和解析、信息存储、发现和匹配工作。主要包括注册信息库、存活判断信息库、发布数据库、订阅数据库、订阅成功信息库、订阅失败信息库以及发送接收数据的存储库等，当要进行实际的数据收发时，发布方和订阅方将自己的节点信息发送到实时信息交换层，实时信息交换层将通过多种过滤机制实现发送方和订阅方的信息匹配，当匹配之上的发送方和订阅方会进行端到端之间数据的传输，不需要第三方节点的参与，提高数据传输的效率。

实时信息交换层中每个库的介绍以及设计如下：

注册信息库：主要负责存储节点的注册信息(针对新加入的节点)以及节点开机时的信息(针对已有节点)，其设计主要分为三部分：注册信息的设置、接收注册信息的流程设计以及注册信息表的设计。

注册信息设置：由于注册信息只是一个提示作用，为了保证注册时的实时性，因此注册信息值只需发布一个字节的数据即可，即注册信息是一个数字“1”，节点的开机信息是一个数字“2”。

注册信息的流程设计：注册信息库使用多线程进行处理，其中接收节点注册信息的线程主要负责等待接收注册信息节点的开机信息，当有节点加入通信域中时，该线程接收到此节点的注册信息就立刻反馈给该节点一个唯一的端口号，用来处理后续的存活判断，与此同时在开启一个处理存活信息的线程等待接收此存活信息。其流程如图5所示。

注册信息表的设计：其函数接口为RM_Table(IP,RM)，保存所有节点的注册信息以及节点的开机信息，其中IP为节点的IP地址；RM为节点的注册信息或者节点的开机信息“1”或者“2”。注册信息表采用的关联容器map以键值对的形式进行存储，其中键对应的是IP，值对应的是RM。

存活判断信息库：主要负责检查通信域中各节点的“健康状况”，其设计主要分为三部分：存活信息的设置、存活算法的设计以及存活信息表的设计。

存活信息的设置：存活信息和注册信息一样均是一个提示的作用，主要是通过该模块检测域中各节点的“健康状况”，因此为了满足数据传输的实时性，存活信息的设置不宜太大。因此存活数据的设置只需一个字节的数据。即存活数据是为一个字节的数据“3”。

存活算法的设计：存活算法的设计如描述的流程图3所示。

存活信息表的设计：函数接口BM_Table(IP,BM)，保存域中所有节点的存活信息，其中IP为节点的IP地址；BM为节点的存活信息“3”。存活判断表采用关联容器multimap以键值对的形式进行存储，此关联容器是关键字可以重复出现的map，其中键对应的是节点的IP地址，值对应存活数据BM。

发布数据库：主要负责存储各发布节点的匹配信息，其设计主要分为两部分：发布节点的函数接口和发布节点存储信息库。

发布节点的函数接口：PT_Table(ID,T_Name,P_IP,T_QoS,P_Flag)保存各发布节点的匹配状态信息，其中ID为域ID，只有处于同一域的节点之间才能进行数据的交换；T_Name发布匹配信息的名称，是一个唯一的标识；P_IP为发布节点的IP地址；T_QoS表示发布方所提供给匹配信息的服务质量策略，P_Flag表示一个标志位，如果此值为1表示是发布匹配信息，如果为2表示订阅匹配信息。

发布节点存储表：发布匹配信息表采用关联容器map以键值对的形式进行存储，其中键对应的是发布节点的IP地址，值对应的是PT_Table中的所有参数以结构体的形式呈现。

订阅数据库：主要负责存储各订阅节点的匹配信息，其设计主要分为两部分：订阅节点的函数接口和订阅节点存储信息库。

订阅成功信息库：主要用来存储订阅方订阅匹配成功的信息，其设计主要分为两部分，订阅成功匹配信息的函数接口以及订阅成功信息存储库。

订阅失败表：主要用来存储订阅方订阅匹配失败的信息，其设计主要分为两部分，订阅失败信息的函数接口以及订阅失败信息存储库。

发送接收数据的存储库：主要用来存储发布方和订阅方想要发送和接收的数据，其设计主要分为两部分，发布/订阅的函数接口和发布/订阅数据的存储库。

如图3所示，判断通信域中所有节点是否正常工作，以此来使得工作效率的最大化以及资源消耗的最小化。此过程分为两种，一种是节点的正常退出，另一种是节点的偶然失效。

1)节点的偶然失效，首先开启处理判断节点是否正常工作的线程，并且初始化相关的数据，其中一个参数为T表示周期，也就是说每隔T秒每个节点向所节点广播一个字节的数据证明自己还“存活”，其它节点将在自己的存活信息库中查找是否有此节点的存活信息，如果有此节点的存活信息则将此信息插入到节点存活信息库中，如果没有则主动向此节点发送一个字节的询问信息，在等待T/2秒，如果收到了此节点的存活信息，则将此节点的存活信息插入到节点存活信息库中，如果没有此节点的存活信息，继续主动向此节点发送询问信息，在等待T/4秒，如果收到了，则将此节点的存活信息插入到节点的存活信息库中，如果没有则继续询问，如此往复，每询问一次周期减半，询问三次后如果依然没有此节点的存活信息则证明此节点已经失效，接着开启通知线程，在集中式的模式中给其它节点广播该此节点已经失效的信息，其余节点将终止与此节点的信息交换，并删除与此节点相关的信息，最后其余节点将重新组成一个通信域继续工作；在分布式的模式中每个节点将删除此节点的相关信息，并断开与此节点的发布和订阅过程。

2)节点的自动退出，当某一节点自动退出前，将广播一个自动退出的信息，当通信域中的其余节点接收到此节点的自动退出消息时，将回复一个收到的信息，此节点收到此信息之后将删除与其他节点的交换的信息，如果没有收到会给此节点发送一个询问请求，其原理和1)类似。

如图4所示，是进行信息的匹配，用来确定发送方和接收方，首先开启处理发布/订阅匹配信息的线程，并初始化相关的数据，等待接收发布/订阅的匹配信息，判断是发布方或者是订阅方的匹配信息到来，如果标志位是1则表示是发布方的匹配信息，则将此信息插入到发布匹配信息库中，否则将此信息插入到订阅匹配信息库中，接着将发布信息库中的信息和订阅信息库中的信息进行匹配，如果匹配上将订阅方的信息插入到订阅成功表中，如果没有匹配上将订阅方的信息插入到订阅失败表中，等待新节点的加入在进行匹配，最后此线程将订阅成功表中的订阅节点的信息发送到对应的发布方的节点上，此初始化工作完成。

如图6所示，是一个分布式通信的实例，所有节点既可以充当发送方也可以充当订阅方以及两者可以同时充当，此图是通过一个发布方和一个接收方所测试的通信延迟，且所有节点之间不了解彼此的位置，其工作互不影响，每个节点均通过此架构完成实时的数据传递。

Claims (6)

1.一种软件化雷达通用通信中间件，其特征在于，包括发布/订阅接口层、实时信息交换层和传输控制层；

发布/订阅接口层位于通信中间件的最上层，是服务化软件应用层与通信中间件层交互的入口，用于提供一套标准开放的函数接口供用户调用；发布/订阅接口层接收用户调用的函数接口传入的参数实现发布/订阅的通信模式；所述函数接口包括通信初始化接口、实际数据的接收和发送接口；通信初始化接口供服务化应用软件组件调用完成数据传输前的初始化工作；实际数据的接收和发送接口用于完成实际数据的收发工作；

实时信息交换层位于发布/订阅接口层和传输控制层之间，用于完成信息的解析和交换，实现服务化应用软件组件所在节点信息的注册、信息存储、新节点发现和通信节点的连接，建立信息过滤机制；通过调用发布/订阅层提供的注册接口，注册新的服务组件所在的节点信息；并且接收用户通过实际数据的接收和发送接口传输数据信息，支持信息过滤机制实现发送方和订阅方的信息匹配，使得发送方和订阅方能够实现端到端进行数据传输；

传输控制层位于实时信息交换层之下操作系统之上，支持多种通信方式，可以根据用户的需求对待传输的数据按其特性选择不同的数据传输协议进行封装，为实时信息交换层提供了标准通用的通信链路接口；

实时信息交换层还用于判断通信域中所有节点是否正常工作，此过程分为两种，一种是节点的正常退出，另一种是节点的偶然失效；

1)节点的偶然失效，首先开启处理判断节点是否正常工作的线程，并且初始化相关的数据，其中一个参数为T表示周期，也就是说每隔T秒每个节点向所节点广播一个字节的数据证明自己还“存活”，其它节点将在自己的存活信息库中查找是否有此节点的存活信息，如果有此节点的存活信息则将此信息插入到节点存活信息库中，如果没有则主动向此节点发送一个字节的询问信息，在等待T/2秒，如果收到了此节点的存活信息，则将此节点的存活信息插入到节点存活信息库中，如果没有此节点的存活信息，继续主动向此节点发送询问信息，在等待T/4秒，如果收到了，则将此节点的存活信息插入到节点的存活信息库中，如果没有则继续询问，如此往复，每询问一次周期减半，询问三次后如果依然没有此节点的存活信息则证明此节点已经失效，接着开启通知线程，在集中式的模式中给其它节点广播该此节点已经失效的信息，其余节点将终止与此节点的信息交换，并删除与此节点相关的信息，最后其余节点将重新组成一个通信域继续工作；在分布式的模式中每个节点将删除此节点的相关信息，并断开与此节点的发布和订阅过程；

2)节点的自动退出，当节点自动退出前，将广播一个自动退出的信息，当通信域中的其余节点接收到此节点的自动退出消息时，将回复一个收到的信息，此节点收到此信息之后将删除与其他节点的交换的信息，如果没有收到会给此节点发送一个询问请求。

2.如权利要求1所述中间件，其特征在于，实时信息交换层包括注册信息库、存活判断信息库、发布数据库、订阅数据库、订阅成功信息库、订阅失败信息库以及发送接收数据的存储库；

注册信息库用于，负责接收并存储新加入节点的注册信息以及已注册节点开机时的信息；

存活判断信息库用于，负责检查通信域中各节点的存活状况；

发布数据库用于，负责存储各发布节点的匹配信息；

订阅数据库用于，负责存储各订阅节点的匹配信息；

订阅成功信息库用于，存储订阅方订阅匹配成功的信息；

订阅失败信息库用于，存储订阅方订阅失匹配失败的信息；

发送接收数据的存储库用于，存储发布方和订阅方想要发送和接收的数据。

3.如权利要求2所述中间件，其特征在于，注册信息库还用于，接收并存储新加入节点的注册信息之后，向节点返回一个成功注册的信息以及一个唯一的端口号；存活判断信息库具体通过端口号检查通信域中各节点的存活状况。

4.如权利要求1所述中间件，其特征在于，实时信息交换层采用集中式模式，在一个通信域中仅有一个实时信息交换层。

5.如权利要求1所述中间件，其特征在于，实时信息交换层采用分布式模式，在一通信域当中每个节点均有一个实时信息交换层。

6.如权利要求1所述中间件，其特征在于，传输控制层支持的通信方式包括：传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP、高速互连RapidI/O、直接存储器访问DMA、共享内存以及进程间通信。

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