CN116489225A - 一种数据分发服务通信中间件的服务质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数据分发服务通信中间件的服务质量策略作用方法，针对传统通信中间件通信节点的难以控制数据交付、数据生命周期等通信中的问题，基于数据分发服务技术规范，设计了数据分发服务服务质量策略作用流程，设计了针对不同服务质量策略需求的QOS模块，发布订阅过程中实现了实体分区、分组、用户识别等功能；数据传输过程中实现样本数据到达顺序、重发历史数据、不同优先级实体数据发送、样本数据的存储、实体状态的监听、基于时间的样本过滤、所有权实体过滤、数据交付等功能。本发明克服传统通信模型的传输模式单一，耦合性强等困难，简化了上层分布式应用的设计工作，为分布式实时数据传输提供良好的通信控制。

Description

一种数据分发服务通信中间件的服务质量控制方法

技术领域

本发明专利涉及通信中间件技术，是一种软件化通信中间件中的数据分发服务技术。

背景技术

数据分发服务已在众多领域中得到认可并投入使用。发布订阅模型下的数据分发服务能为系统带来实时性、灵活性与可扩展性的优点，而在此基础上进行的分布式设计也能为系统带来一致性与高可用性。数据分发服务的可插拔的传输层为通信层的自定义协议的实现也带来了一定的便利，随着互联网的不断发展，网络中的设备数量和带宽每年都有着较大幅度的上升，而新的传输协议也在这种背景下不断出现。通信中间件作为众多应用的核心部分，对简化系统设计、降低维护成本、提高开发效率、保证系统的可靠性与实时性等方面有着重要的作用。本发明为了解决分布式系统的数据分发服务需要可靠的性能，在这种情况下，需要一种为开发人员提供了高度可配置的中间件，通过广泛的属性来控制应用程序端到端的服务质量策略。

现有通信中间件实现方案如下：

1)公开号为CN115150454A的发明专利提出了一种跨操作系统的中心化发布订阅通信中间件，设计了发布订阅层，通信链路层、操作系统适配层，实现了数据分发服务的实体匹配与数据传输，在此基础上实现了通信中间件跨操作系统适配。此方法实现了数据分发服务通信中间件，侧重于实现通信中间件具备跨操作系统功能，没有节点内部的通信数据控制功能，无法实现数据通信过程中对数据的灵活控制。

2)公开号为CN111698217B的发明专利提出了一种软件化雷达通信中间件，通过层次化体系结构进行设计，设计了发布订阅接口层，实时信息交换层，传输控制层，支持雷达系统中不同组件之间的通信、不同计算节点的分布式通信。此方法中侧重实现数据分发服务的发布订阅功能，封装了常用的通信协议接口，但无法在数据分发服务内部过程对数据控制。

3)公开号为CN111400228A的发明专利提出了一种DDS通信中间件集成RapidIO传输的方法及系统，基于DDS-RTPS协议实现RapidIO的描述模型。该方法将DDS-RTPS协议所支持的UDP与RapidIO相结合，实现了在DDS通信中间件中基于RapidIO和UDP协议的数据传输。该方法中的DDS通信中间件基于RTPS协议，验证了在RapidIO以及UDP协议下能够提升通信效率，但该通信中间件系统仅实现了在传输层中的数据传输，未实现在中间件内部对传输数据的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在数据分发服务通信中间件中的服务质量策略作用方法。实现在应用层的交付数据流程中各种服务质量策略的作用方法。

本发明为解决上述技术方案是一种数据分发服务通信中间件的服务质量控制方法，包括步骤：

(一)数据分发服务发布订阅阶段的服务质量控制：用于控制数据分发服务通信中间件的实体匹配，实体匹配包括完成信息的解析和交换，实现节点注册、新节点发现和匹配；数据分发服务发布订阅阶段的服务质量控制具体包括：组数据、主题数据、用户数据和分区的服务质量控制；

(二)数据传输阶段的服务质量控制用于发布方订阅方数据传输，发布方数据传输包括发布方创建数据写者进行数据传输通信时实体数据匹配和身份验证，订阅方数据传输包括订阅方创建数据读者进行数据传输通信时实体数据匹配和身份验证；数据传输阶段的服务质量控制具体包括：实体工厂、资源限制、读者数据生命周期、写者数据生命周期、活性、寿命、截止期限、目标顺序、持久性和持久性服务、历史传输优先级和时延预算、可靠性、基于时间过滤、所有权和所有权强度以及呈现。

具体的，通信中间件的数据分发服务实体包括域参与者、发布方、订阅方、数据写者、数据读者和主题。

数据分发服务为以数据为中心。

操作系统为linux操作系统，编程实现语言为C++。

支持的通信方式包括：传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP、以及其他扩展的传输层通信协议。

本发明的有益效果是：

通过发布订阅模块的服务质量控制能完成更细粒度的匹配规则和身份验证。

通过数据传输模块的服务质量控制能实现对应用层交付的数据的个性化控制，通过资源限制和实体监听模块，限制实体内部系统资源使用，删除过期数据，监控实体活性。通过数据传输模块，使用不同方式控制样本数据排序，控制不同数据写者传输优先级，过滤冗余样本数据，决定订阅方接受样本对象。

附图说明

图1为本发明数据分发服务通信中间件的发布订阅和数据传输整体流程图；

图2为本发明数据传输模块发送方实施例流程图；

图3为本发明数据传输模块接收方实施例流程图；

图4为本发明qos配置图；

图5为本发明信息库实验结果图；

图6为本发明发布方实验结果图。

具体实施方式

数据分发服务通信中间件的服务质量控制方法包括步骤：

(一)数据分发服务发布订阅阶段的服务质量控制：用于控制数据分发服务通信中间件的实体匹配，实体匹配包括完成信息的解析和交换，实现节点注册、新节点发现和匹配；数据分发服务发布订阅阶段的服务质量控制具体包括：组数据、主题数据、用户数据和分区的服务质量控制；

其中：

用户数据的服务质量控制用于提供实体的身份信息，进行身份验证，执行发布订阅许可；

主题数据的服务质量控制用于提供实体的主题与主题信息，进行匹配；仅主题数据相同的实体才能匹配；

分区的服务质量控制用于在域内从逻辑上分离主题，发布者与订阅者仅接受有相同分区字符串的实体对象；

(二)数据传输阶段的服务质量控制用于发布方订阅方数据传输，发布方数据传输包括发布方创建数据写者进行数据传输通信时实体数据匹配和身份验证，订阅方数据传输包括订阅方创建数据读者进行数据传输通信时实体数据匹配和身份验证；数据传输阶段的服务质量控制具体包括：实体工厂、资源限制、读者数据生命周期、写者数据生命周期、活性、寿命、截止期限、目标顺序、持久性和持久性服务、历史传输优先级和时延预算、可靠性、基于时间过滤、所有权和所有权强度以及呈现；

其中，

实体工厂的服务质量控制用于创建实体，控制实体在创建时自动得到启用；

资源限制的服务质量控制用于控制本地有多少存储可用于DDS基础设施，控制实例、数据样本以及每个实例数据样本数量的最大值；

读者数据生命周期的服务质量控制用于订阅方中控制对应数据写者的数据在缓冲队列中的持续性，若对应数据写者注销，则删除在队列中对应数据写者的样本数据；

写者数据生命周期的服务质量控制用于，控制不同应用层组件的数据生命周期，组件注销则删除队列中对应应用层交付而来的数据；

寿命的服务质量控制用于控制实体所有队列中的数据样本存活时间，超过了存活时间的样本数据则会被丢弃；

活性的服务质量控制用于监听对应实体的活性，对应实体失活则会进行所有权强度的更改和停止数据发送与接收；

截止期限的服务质量控制用于监听对应实体的状态，对应实体截止期限超时则会进行所有权强度的更改、通知应用层实体截止期限超时；

目标顺序的服务质量控制用于控制接收不同顺序发送的样本，通过在发送方增加源时间戳、接收方增加接收时间戳，订阅方设置排序数据结构，根据不同规则对样本数据进行排序；

持久性和持久性服务的服务质量控制用于控制通信中间件将之前可用的数据样本作用于系统新加入的数据读取者，根据策略不同存储在不同层级的存储结构中；

历史的服务质量控制用于决定持久性服务质量策略中可发送的历史数据样本数量多少；

传输优先级和时延预算的服务质量控制用于区分不同紧迫程度的数据读者/订阅方有不同优先级的样本数据传输顺序，在资源有限的情况下的线程优先级顺序；

可靠性的服务质量控制用于在应用层层面上的数据重发，为数据传输的可靠性提供保障，在非可靠通信时也能提供可靠通信；

基于时间过滤的服务质量控制用于为数据读者提供一种最小间隔的时间过滤方法，根据最小时间间隔对样本数据进行过滤；

所有权与所有权强度的服务质量控制用于，多个数据写入者对一个订阅方中的数据读者写入数据时，订阅方可以根据对象权值大小对样本数据进行筛选，权值最高的数据写者的数据才会被接收；数据写者权值也会随实体对象活性与截止期限服务质量策略变化；

呈现的服务质量控制用于一个订阅者有一组与之关联的数据读取者，用不同的次序把样本数据呈现给应用层组件。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

数据分发服务通信中间件流程图如图1所示，分为发布订阅阶段和数据传输阶段，发布订阅阶段实现了实体之间的解耦合、可插拔等特性。数据传输阶段实现了多种用户可设置的服务质量策略对传输数据的控制，以便适应不同用户层传输的需求，先执行发布订阅流程，匹配成功后执行数据传输流程。

数据分发服务的特点是以数据为中心，其发布订阅流程是，发布方发送自身欲发送的主题与主题数据类型至全局数据空间中，订阅方发送自身欲接收的主题与主题数据类型至全局数据空间中，全局数据空间中的数据处理流程是，监听主题-主题匹配-反馈成功匹配主题信息。

主题匹配需要进行的步骤图如图2所示，包括：

步骤S1，发布方订阅方的发布主题数据和订阅主题数据分别放在全局数据空间的发布数据结构体、订阅数据结构体中，发布方数据到来之时则对所有订阅主题匹配，订阅方到来之时则对所有订阅主题匹配。

步骤S2，进行UserData(用户数据)验证，UserDataQOS是用户身份验证，取决于全局数据空间的用户数据表，仅有在用户数据表中的发布方订阅方(用户)可以相互通信。

步骤S3，匹配过程中，首先进行TopicData(主题数据)匹配。TopicDataQOS中包含主题名字段与主题数据字段，需要主题名与主题数据完全一致。匹配成功则进行PARTITION验证。

步骤S4，主题数据匹配之后，侧重在域内进行Partion(分区)验证，PartitionQOS中设置从逻辑上分离主题方法，值为字符串，需要发布方订阅方设置了完全相同字符串则算匹配成功，进行GROUPDATA验证。

步骤S5，主题数据匹配之后，侧重对发布者和订阅者进行GroupData(分组)验证，GroupData QOS进一步利用主题间的附加分段进行的信息过滤。

经历过发布订阅阶段成功匹配数据之后。开始数据写者向数据读者的数据传输阶段，数据传输阶段中可以进行对数据传输数据的数据控制功能。通过设置不同QOS参数控制不同QOS模块对数据的控制行为，达到再数据传输阶段对数据控制。

以数据为中心，数据传输阶段流程如图2、图3所示，具体步骤包括：

步骤S1，通信中间件初始化，实体工厂模块创建实体，资源限制模块初始化，确定实例、数据样本以及每个实例数据样本数量的最大值。应用层开始交付数据之后，开启生命周期模块、寿命模块、实体监听模块。根据历史参数设置历史环形队列深度。

步骤S2，应用层组件开始交付数据，数据样本进入中间件后执行目标顺序模块，为样本数据增加源时间戳，所得数据经过持久性模块，拷贝样本数据至历史环形队列中，同时数据发送给所有已创建的数据写者。若有新加入的数据写者，则将历史环形队列中的所有数据发送给新数据写者。

步骤S3，数据交入到发送缓冲区中，根据传输优先级模块确定数据写者线程的线程优先级，特别紧急可采用SCHED_RR实时线程优先级，传入可靠性模块中，根据应用层选择的数据传输模式进行数据传输，若选用RUDP模式则在可靠协议模块中进行数据分包与增加协议头，数据进入通信链路中。

步骤S4，数据经过通信链路，在接收方中进入数据读者，执行可靠协议模块，反馈ACK和远端窗口大小。接收合包后的数据根据时间过滤模块过滤，一段时间仅接收其中一个样本，并对接收到的数据执行目标顺序模块。样本放入接收缓冲区中。样本数据依次传入订阅方中。

步骤S5，经过数据读者中服务质量策略处理，不同数据读者需经过所有权模块判断。所有权模块中仅接收所有权强度最高的数据读者的样本数据。通过实体监听模块判断数据读者中对应数据写者的活性与截止期限参数，所有权强度动态变化。

步骤S6，数据存入目标顺序模块的数据结构中，根据时间戳从小到大进行排序，排序之后使用呈现模块交付给应用层组件。

现对本发明提供的数据分发服务qos作用方法进行实验验证，验证上述服务质量策略作用流程与步骤能使用多种qos模块在通信过程中对数据的不同控制，达到为开发人员提供高度可配置的中间件，能通过广泛的数据来控制相应通信过程中的效果。

实验验证：

验证方案：配置3台通用PC，以以太网链路连接，PC上运行的系统为Ubuntu20.04的linux系统。三个节点分别开启发布方程序，订阅方程序，信息库程序，配置xml格式的QOS参数列表如图4所示。

实验过程：信息库节点中信息库程序持续开启，监听发布方和订阅方，分别设置不同节点中的QOS参数，设置不同功能模块模式，观察传输过程中的功能实现，实验结果中，信息库节点如图5所示。发布方节点如图6所示。

实验结果分析：

如图5所示，首先，信息库节点时进行信息库节点初始化，在信息库中持续监听发布方订阅方请求。node1节点进入信息库节点后，被识别为发布方并加入发布方表中，然后去订阅方表中匹配订阅方节点，每两个节点以实体匹配模块进行匹配，目前订阅方表中无订阅节点，匹配不成功，信息库进行持续监听。经过一段时间后，node3节点进入信息库节点，被识别为订阅方节点，加入订阅方节点表中，在发布方表中匹配发布方节点，经过实体匹配模块匹配后，匹配成功，反馈双方的IP地址与端口号。图中结果验证了信息库流程与实体匹配模块的作用。

如图6所示，首先，发布方实体初始化发布方节点，初始化各个功能模块，经过发布订阅阶段，进入数据传输过程。开始时有两个订阅方node1，node2在连接中，在中间件层接收到应用层数据后，样本数据经过目标顺序目标模块增加源时间戳，经过持久性、历史模块加入历史环形队列。然后，交付到数据写者中，数据写者中样本数据放入发送缓冲区，由传输优先级模块决定发送的线程顺序，最后，由可靠协议模块决定使用何种传输协议，经过以太网传输给订阅方node1，node2。经过一段时间后，有新订阅者加入连接，触发历史服务质量策略发送历史样本，循环队列中历史样本数据发送给新加入订阅者。实验实现了发布方的各种服务质量策略功能，验证了发布方使用服务质量策略的数据传输的控制过程。

发布方实体初始化发布方节点，初始化各个功能模块，经过发布订阅阶段，进入数据传输过程。开始时有三个发布方node1，node2，node3在连接中。首先，对于每个数据读者，样本数据经过以太网传入到数据读者中，经过可靠协议模块保证数据可靠性，进行数据确认与重传。样本数据经过基于时间过滤模块过滤冗余数据，目标顺序模块对数据进行排序。其次，样本数据经过数据读者交付到订阅方中，所有权模块决定接收数据读者对象，图中可知，最开始node2节点的所有权强度值为8，所有权强度最高，为唯一接收实体为node2。经过一段时间后，node2节点状态改变，被订阅方标记为失活状态，重新决定所有权强度最高实体为node1，其所有权强度为6，当前唯一接收实体为node1。最后，由呈现模块交付到应用层中。实验实现了订阅方的各种服务质量策略功能，验证了订阅方使用服务质量策略的数据传输的控制过程。

Claims (3)

1.一种数据分发服务通信中间件的服务质量控制方法，其特征在于，包括步骤：

数据分发服务发布订阅阶段的服务质量控制：用于控制数据分发服务通信中间件的实体匹配，实体匹配包括完成信息的解析和交换，实现节点注册、新节点发现和匹配；数据分发服务发布订阅阶段的服务质量控制具体包括：组数据、主题数据、用户数据和分区的服务质量控制；

数据传输阶段的服务质量控制用于发布方订阅方数据传输，发布方数据传输包括发布方创建数据写者进行数据传输通信时实体数据匹配和身份验证，订阅方数据传输包括订阅方创建数据读者进行数据传输通信时实体数据匹配和身份验证；数据传输阶段的服务质量控制具体包括：实体工厂、资源限制、读者数据生命周期、写者数据生命周期、活性、寿命、截止期限、目标顺序、持久性和持久性服务、历史传输优先级和时延预算、可靠性、基于时间过滤、所有权和所有权强度以及呈现。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，数据分发服务发布订阅阶段中：

用户数据的服务质量控制用于提供实体的身份信息，进行身份验证，执行发布订阅许可；

主题数据的服务质量控制用于提供实体的主题与主题信息，进行匹配；仅主题数据相同的实体才能匹配；

分区的服务质量控制用于在域内从逻辑上分离主题，发布者与订阅者仅接受有相同分区字符串的实体对象。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，数据传输阶段中：

实体工厂的服务质量控制用于创建实体，控制实体在创建时自动得到启用；

资源限制的服务质量控制用于控制本地有多少存储可用于DDS基础设施，控制实例、数据样本以及每个实例数据样本数量的最大值；

读者数据生命周期的服务质量控制用于订阅方中控制对应数据写者的数据在缓冲队列中的持续性，若对应数据写者注销，则删除在队列中对应数据写者的样本数据；

写者数据生命周期的服务质量控制用于，控制不同应用层组件的数据生命周期，组件注销则删除队列中对应应用层交付而来的数据；

寿命的服务质量控制用于控制实体所有队列中的数据样本存活时间，超过了存活时间的样本数据则会被丢弃；

活性的服务质量控制用于监听对应实体的活性，对应实体失活则会进行所有权强度的更改和停止数据发送与接收；

截止期限的服务质量控制用于监听对应实体的状态，对应实体截止期限超时则会进行所有权强度的更改、通知应用层实体截止期限超时；

目标顺序的服务质量控制用于控制接收不同顺序发送的样本，通过在发送方增加源时间戳、接收方增加接收时间戳，订阅方设置排序数据结构，根据不同规则对样本数据进行排序；

持久性和持久性服务的服务质量控制用于控制通信中间件将之前可用的数据样本作用于系统新加入的数据读取者，根据策略不同存储在不同层级的存储结构中；

历史的服务质量控制用于决定持久性服务质量策略中可发送的历史数据样本数量多少；

传输优先级和时延预算的服务质量控制用于区分不同紧迫程度的数据读者/订阅方有不同优先级的样本数据传输顺序，在资源有限的情况下的线程优先级顺序；

可靠性的服务质量控制用于在应用层层面上的数据重发，为数据传输的可靠性提供保障，在非可靠通信时也能提供可靠通信；

基于时间过滤的服务质量控制用于为数据读者提供一种最小间隔的时间过滤方法，根据最小时间间隔对样本数据进行过滤；

所有权与所有权强度的服务质量控制用于，多个数据写入者对一个订阅方中的数据读者写入数据时，订阅方可以根据对象权值大小对样本数据进行筛选，权值最高的数据写者的数据才会被接收；数据写者权值也会随实体对象活性与截止期限服务质量策略变化；

呈现的服务质量控制用于一个订阅者有一组与之关联的数据读取者，用不同的次序把样本数据呈现给应用层组件。