CN115720236B - 一种基于异构网络的轻量化通信中间件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于异构网络的轻量化通信中间件，中间件的软件框架包括：应用层、应用接口层、核心层、系统模拟层、设备支持层；其中：设备支持层，用于提供当前设备原始的硬件平台和软件平台的API；系统模拟层，用于提供基础构件和对设备支持层的封装，不同设备下系统模拟层对上提供统一API；核心层，用于提供核心逻辑，核心逻辑均与软硬件平台无关；应用接口层，用于根据当前的软件开发平台对核心层进行封装，对应用层提供统一接口；应用层，用于提供用户根据实际需求进行开发的应用程序。

Description

一种基于异构网络的轻量化通信中间件

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于异构网络的轻量化通信中间件。

背景技术

车辆车控系统是一个通过CAN、以太网及EPA总线等异构网络组成的分布式系统，系统中的多个设备通过异构网络进行实时信息交换，配合完成车控系统的功能。

随着微处理器和网络技术的发展，微处理器和网络技术的分类更加精细化，车控系统受到功耗、性能及成本等约束，往往会根据实际需求选取不同的微处理器和网络构成，使得整个车控系统性能达到最优。但是不同硬件平台及网络通信的通信API、通信协议均不同，并且系统信息流转也需要定制在软件内部，增大了软件设计和集成的难度及工作量。

通信中间件是一种介于应用软件和底层软件之间的软件，主要用于屏蔽底层的通信细节，为上层应用软件提供统一的编程接口，可降低分布式应用软件的设计和集成难度。目前较为成熟的通信中间件如CORBA、DDS、MQTT等一开始都是面向互联网场景设计的，适用于PC机及处理性能更加强大的设备，并且底层网络往往是单一的以太网协议(UDP、TCP)，对于包含大量低性能的嵌入式设备和网络异构的车控系统不适用。

发明内容

本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于异构网络的轻量化通信中间件。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种基于异构网络的轻量化通信中间件，中间件的软件框架包括：应用层、应用接口层、核心层、系统模拟层、设备支持层；其中：设备支持层，用于提供当前设备原始的硬件平台和软件平台的API；系统模拟层，用于提供基础构件和对设备支持层的封装，不同设备下系统模拟层对上提供统一API；核心层，用于提供核心逻辑，核心逻辑均与软硬件平台无关；应用接口层，用于根据当前的软件开发平台对核心层进行封装，对应用层提供统一接口；应用层，用于提供用户根据实际需求进行开发的应用程序；中间件采用C/S结构设计，包括：客户端和服务端，对于有操作系统设备，服务端作为独立软件运行，客户端以库文件形式嵌入应用软件，通过套接字进行通信；对于无操作系统设备，服务端和客户端作为一个模块嵌入应用软件；服务端，用于收到消息后进行订阅匹配获取订阅该信息的订阅者，将消息放入订阅者对应的队列进行缓存，进行路由检索，获取通往订阅者的路由，并进行协议封装发送；服务端，用于将本单机的订阅信息周期在网络中广播，并在收到其他单机发送的订阅信息后更新订阅表，当确定某单机的订阅信息一定时间内没有更新后，老化删除某单机的订阅信息；服务端，还用于通过心跳获取外围直连的网络及设备通信情况，生成网络拓扑公告在网络中广播，并在收到其他单机发送的网络拓扑公告后更新网络拓扑表，生成路由表；当一定时间内收不到某单机发送的网络拓扑通告时，删除某单机发送的网络拓扑通告，并重新计算路由表。

其中，服务端通过如下方式生成路由表：

获取邻接矩阵，根据Dijkstra算法生成路由表。

其中，基础构件包括：链表、内存堆和队列。

其中，对设备支持层的封装包括：对通信设备驱动的封装和对系统API的封装。

其中，核心逻辑包括：订阅管理、路由管理、协议管理和消息分发。

其中，中间件的应用协议包括：消息协议和传输协议；

其中，消息协议包括：CAN消息协议和基本消息协议，CAN消息中的有效载荷不超过8，并且包含CAN帧的通信信息；传输协议负载中包含一个或多个消息协议，在以太网和EPA总线上传输，CAN总线上只传输CAN消息。

其中，传输协议的帧头格式包括：协议头、源地址、目的地址、网关地址、消息类型、消息序号、长度、预留和校验位；基本消息协议的帧格式包括：消息标识、长度、预留、消息序号和消息载荷；CAN消息协议的帧格式包括：网络地址、CAN标识、长度和CAN负载数据。

其中，中间件的软件的核心层由C语言编写。

其中，消息协议的传输采用二级制编码。

其中，中间件采用散列表+红黑树的方法进行表的查找，采用引用的方式进行复制。

由此可见，通过本发明提供的基于异构网络的轻量化通信中间件，采用了一种分布式结构的发布/订阅模式的软件通信方法，设计了简单可靠的协议机制，具有松耦合互连、异构网络协议转换、动态路由，软硬件扩展性强，轻量化的特点，实现了异构网络下各设备之间简单可靠通信，不同网络协议的转换，路由的动态更新功能，解决了通信节点强耦合问题、提高了软件设计和集成的效率，提高了通信的可靠性和冗余性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件的软件框架示意图；

图2为本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件的使用模式示意图；

图3为本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件的发布/订阅模式示意图；

图4为本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件的传输协议结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件的路由生成方法示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

以下，结合图1至图5，对本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件进行说明，本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件，其中：

中间件的软件框架包括：应用层、应用接口层、核心层、系统模拟层、设备支持层；其中：

设备支持层，用于提供当前设备原始的硬件平台和软件平台的API；

系统模拟层，用于提供基础构件和对设备支持层的封装，不同设备下系统模拟层对上提供统一API；

核心层，用于提供核心逻辑，核心逻辑均与软硬件平台无关；

应用接口层，用于根据当前的软件开发平台对核心层进行封装，对应用层提供统一接口；

应用层，用于提供用户根据实际需求进行开发的应用程序；

中间件采用C/S结构设计，包括：客户端和服务端，对于有操作系统设备，服务端作为独立软件运行，客户端以库文件形式嵌入应用软件，通过套接字进行通信；对于无操作系统设备，服务端和客户端作为一个模块嵌入应用软件；

服务端，用于收到消息后进行订阅匹配获取订阅该信息的订阅者，将消息放入订阅者对应的队列进行缓存，进行路由检索，获取通往订阅者的路由，并进行协议封装发送；

服务端，用于将本单机的订阅信息周期在网络中广播，并在收到其他单机发送的订阅信息后更新订阅表，当确定某单机的订阅信息一定时间内没有更新后，老化删除某单机的订阅信息；

服务端，还用于通过心跳获取外围直连的网络及设备通信情况，生成网络拓扑公告在网络中广播，并在收到其他单机发送的网络拓扑公告后更新网络拓扑表，生成路由表；当一定时间内收不到某单机发送的网络拓扑通告时，删除某单机发送的网络拓扑通告，并重新计算路由表。

其中：

作为本发明实施例的一个可选实施方式，基础构件包括：链表、内存堆和队列；对设备支持层的封装包括：对通信设备驱动的封装和对系统API的封装；核心逻辑包括：订阅管理、路由管理、协议管理和消息分发。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，中间件的应用协议包括：消息协议和传输协议；其中，消息协议包括：CAN消息协议和基本消息协议，CAN消息中的有效载荷不超过8，并且包含CAN帧的通信信息；传输协议负载中包含一个或多个消息协议，在以太网和EPA总线上传输，CAN总线上只传输CAN消息。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，传输协议的帧头格式包括：协议头、源地址、目的地址、网关地址、消息类型、消息序号、长度、预留和校验位；基本消息协议的帧格式包括：消息标识、长度、预留、消息序号和消息载荷；CAN消息协议的帧格式包括：网络地址、CAN标识、长度和CAN负载数据。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，服务端通过如下方式生成路由表：获取邻接矩阵，根据Dijkstra算法生成路由表。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，中间件的软件的核心层由C语言编写。消息协议的传输采用二级制编码。中间件采用散列表+红黑树的方法进行表的查找，采用引用的方式进行复制。

具体实现时，本发明实施例提供的基于异构网络的轻量化通信中间件可以执行员以下操作：

1、初始化

1)读取XML配置文档，将通信中间件参数及通讯参数读入。

2)根据配置参数初始化通信中间件；

3)启动通信中间件的多个线程。

4)接收到网络中的订阅信息，形成订阅表。

5)接收到网络中的网络拓扑公告，形成路由表。

2、消息的接收

1)接收线程接收到原始数据，放入接收队列中。

2)主线程从接收队列中取出原始数据，按照传输协议格式进行解析获得消息。

3、消息的处理

1)根据消息的ID，查找订阅表，获得订阅该消息的订阅者。

2)将该消息放入订阅者对应的消息队列。

3)查找路由表，获取发到该订阅者的路径，将消息队列中的消息取出拼帧，并发往该路径。

具体地，本发明的中间件具有如下设计：

1、可扩展软件框架设计。其中：车控系统中各设备的硬件平台、软件平台不同，对中间件的扩展性有较高要求。软件框架自上而下可以分为5层：分别是应用层、应用接口层、核心层、系统模拟层、设备支持层，如附图1所示。其中设备支持层表示当前设备原始的硬件平台和软件平台所提供的API；系统模拟层用于提供链表、内存堆、队列等基础构件和对设备支持层的封装，主要是对通信设备驱动、系统API的封装，保证不同设备下系统模拟层对上提供统一API；核心层则提供了中间件的所有核心逻辑，如订阅管理、路由管理、协议管理、消息分发等，这些逻辑均与软硬件平台无关；应用接口层需要根据当前的软件开发平台对核心层进行封装，对应用层提供统一接口；应用层则是用户根据实际需求进行开发的。在不同类的软硬件平台下、只需要对应用接口层和系统模拟层进行修改就能很好适配，具有很强的软硬件扩展性。

2、中间件使用模式设计。车控系统设备可分为有操作系统设备和无操作系统设备两类，采用不同使用模式，如附图2所示。中间件采用C/S结构进行设计，分为客户端和服务端两部分，对于有操作系统设备，服务端作为独立软件运行，客户端以库文件形式嵌入应用软件，两者间通过套接字进行通信，这种方式便于多个应用软件在同一个设备中运行；对于无操作系统设备，设备中只能运行一个软件，服务端和客户端合一，作为一个模块嵌入应用软件。

3、通信模型的设计。通信模型采用发布/订阅模式机制，如附图3所示。中间件服务端作为代理者，收到消息后首先进行订阅匹配获取订阅该信息的订阅者，随后将消息放入订阅者对应的队列进行缓存，然后进行路由检索，获取通往订阅者的路由，最后进行协议封装发送。

4、应用协议设计。这里应用协议主要针对CAN、以太网、EPA总线组成的异构网络进行协议设计，对于类似于以太网和EPA总线的其他网络可以进行扩展。应用协议分为两层，分别为消息层和传输层，结构如附图4所示。消息是模型处理的基本单元，为了兼容CAN总线MTU最大不能超过8的限制。这里将消息分为CAN消息和基本消息两类，主要区别在于CAN消息中的有效载荷不能超过8，并且包含CAN帧的通信信息。传输协议负载中可包含一个或多个消息协议，在以太网和EPA总线上传输，CAN总线上只能传输CAN消息。传输协议的帧头格式见附表1，基本消息协议的帧格式见附表2，CAN消息协议的帧格式见附表3。

表1

表2

表3

5、订阅管理。各设备中间件服务端将会把本单机的订阅信息周期在网络中广播，各中间件服务端收到其他单机发送的订阅信息后将会更新订阅表，当某单机的订阅信息一定时间内没有更新后，将会老化删除，来实现订阅表的动态维护。

6、动态路由。各设备中间件服务端会通过心跳获取外围直连的网络及设备通信情况，并将这些信息组织成一条网络拓扑公告在网络中广播，各中间件服务端收到其他单机发送的网络拓扑公告后会更新网络拓扑表，并生成路由表，路由生成方法见附图5。当一定时间内收不到某单机的通告时，将会删除该通告，并重新计算路由表。因此当网络拓扑发生变化时，消息可通过其他路径发送给订阅者，实现冗余。

7、轻量化设计。从语言选取、协议设计、实现三个方面进行轻量化设计，语言选取方面：为了提高软件运行效率和兼容性，软件的核心层由C语言编写，C语言运行效率最高，应用环境最广。协议设计方面：减少不必要的设计，专注于消息的发布订阅，订阅管理，路由管理等核心功能，另外消息协议的传输采用二级制编码，而不是文本编码等。实现方面：中间件中会有大量查找和复制的操作，采用散列表+红黑树的方法实现表的查找，采用引用的方式减少复制的操作，通过这些措施减少内存使用，提高性能。

由此可见，本发明设计了一种基于CAN、以太网及EPA总线异构网络的轻量化通信中间件，采用了一种分布式结构的发布/订阅模式的软件通信方法，设计了简单可靠的协议机制，具有松耦合互连、异构网络协议转换、动态路由，软硬件扩展性强，轻量化的特点。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于异构网络的轻量化通信中间件，其特征在于，

所述中间件的软件框架包括：应用层、应用接口层、核心层、系统模拟层、设备支持层；其中：

所述设备支持层，用于提供当前设备原始的硬件平台和软件平台的API；

所述系统模拟层，用于提供基础构件和对所述设备支持层的封装，不同设备下所述系统模拟层对上提供统一API；

所述核心层，用于提供核心逻辑，所述核心逻辑均与软硬件平台无关；

所述应用接口层，用于根据当前的软件开发平台对所述核心层进行封装，对所述应用层提供统一接口；

所述应用层，用于提供用户根据实际需求进行开发的应用程序；

所述中间件采用C/S结构设计，包括：客户端和服务端，对于有操作系统设备，所述服务端作为独立软件运行，所述客户端以库文件形式嵌入应用软件，通过套接字进行通信；对于无操作系统设备，所述服务端和所述客户端作为一个模块嵌入应用软件；

所述服务端，用于收到消息后进行订阅匹配获取订阅该消息的订阅者，将消息放入订阅者对应的队列进行缓存，进行路由检索，获取通往订阅者的路由，并进行协议封装发送；

所述服务端，用于将本单机的订阅信息周期在网络中广播，并在收到其他单机发送的订阅信息后更新订阅表，当确定某单机的订阅信息一定时间内没有更新后，老化删除所述某单机的订阅信息；

所述服务端，还用于通过心跳获取外围直连的网络及设备通信情况，生成网络拓扑公告在网络中广播，并在收到其他单机发送的网络拓扑公告后更新网络拓扑表，生成路由表；当一定时间内收不到某单机发送的网络拓扑通告时，删除所述某单机发送的网络拓扑通告，并重新计算路由表；

其中：

所述基础构件包括：链表、内存堆和队列；

所述核心逻辑包括：订阅管理、路由管理、协议管理和消息分发；

所述中间件的应用协议包括：消息协议和传输协议；

其中，所述消息协议包括：CAN消息协议和基本消息协议，所述CAN消息中的有效载荷不超过8，并且包含CAN帧的通信信息；

所述传输协议负载中包含一个或多个消息协议，在以太网和EPA总线上传输，CAN总线上只传输CAN消息；

所述传输协议的帧头格式包括：协议头、源地址、目的地址、网关地址、消息类型、消息序号、长度、预留和校验位；

所述基本消息协议的帧格式包括：消息标识、长度、预留、消息序号和消息载荷；

所述CAN消息协议的帧格式包括：网络地址、CAN标识、长度和CAN负载数据。

2.根据权利要求1所述的基于异构网络的轻量化通信中间件，其特征在于，所述服务端通过如下方式生成路由表：

获取邻接矩阵，根据Dijkstra算法生成路由表。

3.根据权利要求1所述的基于异构网络的轻量化通信中间件，其特征在于，对所述设备支持层的封装包括：对通信设备驱动的封装和对系统API的封装。

4.根据权利要求1所述的基于异构网络的轻量化通信中间件，其特征在于，所述中间件的软件的核心层由C语言编写。

5.根据权利要求1所述的基于异构网络的轻量化通信中间件，其特征在于，所述消息协议的传输采用二级制编码。

6.根据权利要求1所述的基于异构网络的轻量化通信中间件，其特征在于，所述中间件采用散列表＋红黑树的方法进行表的查找，采用引用的方式进行复制。