CN117873758B - 一种基于消息总线的dcs系统站间通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，属于DCS系统的应用开发技术领域，包括：所述消息总线独立于DCS系统中的站点程序，用于提供站间程序/进程间可解耦的信息交流通道，每个DCS站点均通过建立一个与消息总线连接的访问点来处理所有的站间通信需求；DCS站点中所有应用程序/进程对外通信的数据都被打包成固定格式的消息队列，并根据所传输数据的性质划分为不同的类型进行消息传递。本发明以简化的处理方式实现站间的协调通信，减轻了DCS系统站点的资源消耗，提高了站间通信的效率和站点的运行效率。

Description

一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法

技术领域

本发明涉及DCS系统的应用开发领域，具体涉及一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法。

背景技术

在DCS系统的各类站点上运行了大量的应用程序，完成控制、采样、计算、存储及通信等各种功能，它们相互作用共同实现了完整的分布式控制系统。每个应用程序通常都需要与本地的其他应用程序以及其他节点上的应用程序进行通信。在传统的DCS系统中，通信方式通常采用点对点通信（如图1所示），例如通信双方建立点对点的TCP/IP套接字实现通信。因此，在一个典型的DCS系统中，将产生大量的套接字，增加了系统处理和网络通信的开销，每个应用程序都必须关心诸如通信连接的建立和关闭、通信对端的消失和重现、大消息的分割等细节问题。这样的软件工作模式及通信处理模式使得站间应用程序（进程）间的通信受到限制，建立的点对点通信链路越多，系统消耗的资源及维护成本就越多，系统的工作效率会显著降低。为了避免大量点对点通信消耗系统资源，有部分厂商采取人为的手段，即通过发放许可证的形式对其DCS系统站间应用程序（进程）间通信作出连接数量上的限制。

另一方面，在大型分布式数据库系统中，针对大规模、高并发、高可靠的数据处理和通信场景，往往采用消息总线的方式来解决分布式应用程序之间的通信问题，实现不同节点之间的数据共享和协作。消息总线可以认为是分布式系统中所有节点均可共享的全局的消息通道，避免了应用程序（进程）单独建立及维护各类节点间的点对点通信连接。它以消息队列为核心，以消息中间件的形式运行，同时定义了相关的数据结构、通用方法，共同构成了面向企业级应用的服务总线。诸如RabbitMQ，Kafka，RocketMQ等各种消息队列都已经应用到大型分布式数据库系统中，满足了异步处理、应用解耦、流量削峰及消息通信等重要场景应用。例如现有技术中，公开号为CN111722941A，名称为“一种兼容异构处理器的监控系统及方法”，其技术方案为：系统包括消息总线、总线适配器和若干个相互独立的消息队列；各消息队列均与所述消息总线相连；所述总线适配器与所述消息总线相连，用于兼容不同处理器以及不同操作系统，向消息总线提供统一的通信服务；所述消息总线基于所述总线适配器接收到来自不同应用的数据请求，并根据所述数据请求的不同消息特性，向符合要求的消息队列写入或读取数据，并将读取到的数据反馈至对应的应用进行消息处理。

但是，上述消息队列针对的场景并不适用于工业控制领域，这些消息队列对工业控制中出现的硬实时数据的可靠投递缺乏对应的机制，而其数据处理上的大规模和高并发特性在工业控制系统中的需求又不是那么紧急。此外，要维护此类消息总线的运行需要一套复杂的协调系统，比如ZooKeeper之类的分布式服务框架，提供统一的节点注册与发现、故障检测与恢复、集群配置管理等功能，最终实现消息总线的高可用性，但在分布式控制系统中，大量的工业测控功能的实现依赖于简单、灵活的小型化现场设备，站点间的通信绝大多数是有序的数据交互，站点及站点间的计算、存储和通信资源无法满足复杂服务协调框架的工作要求。

因此，针对工业测控场景，本发明提出了一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法。

发明内容

本发明旨在解决消息总线在工业测控场景中应用时存在的上述问题，提出了一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，该通信方法以简化的处理方式实现站间的协调通信，减轻了DCS系统站点的资源消耗，提高了站间通信的效率和站点的运行效率。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，所述消息总线独立于DCS系统中的站点程序，用于提供站间程序/进程间可解耦的信息交流通道，每个DCS站点均通过建立一个与消息总线连接的访问点来处理所有的站间通信需求；DCS站点中所有应用程序/进程对外通信的数据都被打包成固定格式的消息队列，并根据所传输数据的性质划分为不同的类型进行消息传递。

进一步的，参与消息总线的DCS站点通过所述的访问点进程向DCS系统的服务器注册中心发起注册申请，服务器进行注册确认后，为该DCS站点分配唯一的ID号，并将注册的站点的相关信息保存到数据库，并返回注册成功消息给该站点。

进一步的，将有数据发送需求的DCS站点定义为“数据发布者”，有数据接收需求的DCS站点定义 “数据订阅者”，当某个DCS站点存在数据发送需求时，按照如下流程进行：

首先，该DCS站点创建一个针对所发送数据的Topic，Topic信息包括主题名、服务器名字、端口号、数据类型、数据大小以及是否开放订阅；

然后，该DCS站点指定已经在服务器注册的目标DCS站点作为“数据订阅者”；

其次，“数据发布者”向DCS系统服务器提交Topic申请，相关的主题信息和订阅者信息均存入数据库中，并同时将指定的“数据订阅者”加入到该Topic下的订阅列表中；

最后，当数据被发布到Topic中时，订阅了该Topic的DCS站点自动获取其中的数据。

进一步的，在通信过程中，一个数据订阅者可以订阅多个Topic的信息，或者多个数据订阅者可以订阅同一个Topic的信息；一个Topic连接的队列可以容纳多条未读消息，订阅了该Topic的应用程序/进程按照自己的速度依次读取队列中消息。

进一步的，消息队列根据所传输数据的性质划分为：专用队列、转发队列、广播队列和紧急队列，各DCS站点应用程序对每类数据头部附加一个字节的标识符以区分数据类型，消息总线访问点收到这些数据后，通过标识符判断该数据类型，剥离掉标识符信息后将其分别加入到消息总线的专用队列、转发队列、广播队列或紧急队列中，并将紧急类型数据作为最高优先级先进行处理，之后再处理常规数据。

进一步的，专用队列用于DCS站点间常规的数据通信需求，DCS站点的应用程序/进程为自己创建专用队列，其他DCS站点要发送给自己的站间日常交互消息、周期性的通知信息都进入到该专用队列中，专用队列的拥有者按照自己的速度来读取该队列中的消息；一个应用程序/进程对应一个或多个专用队列。

进一步的，转发队列用于DCS站点间一对多的数据通信需求，数据发送方创建自己的转发队列，希望接收到消息的应用程序/进程将自己的一个或多个专用队列绑定到该转发队列，此时，所有写入到转发队列中的消息将被转发到绑定的专用队列中；广播队列用于DCS站点间的广播数据通信需求，类似于转发队列，但除了在所有绑定队列上转发的消息之外，还将消息转发到所有其他已知节点。

进一步的，紧急队列用于DCS站点间的紧急事件数据通信需求，紧急事件包括硬实时数据、报警信息和事件信号的同步。

进一步的，消息队列采用双指针实现队列数据的指向，通过移动两个指针的指向实现访问队列中的头部数据和尾部数据，避免数据出列和入列后的内部数据移动。

进一步的，当队列长期不用或Topic撤销时，删除该队列以降低系统资源消耗。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明中，消息总线依靠现有的DCS系统网络，作为一种进程间的消息路由机制，为所有接入消息总线的站点提供公共服务，实现站点间的消息分发；提高了站间通信的效率和站点的运行效率；

2、本发明中，多种类型消息队列的划分及并行的方式为处理工业控制系统中的硬实时通信提供了实现机制，消息总线可以同时维护多个消息队列，分别对应控制系统站间通信数据的类型；

3、本发明中，通过消息总线实现站间通信，可以不考虑应用程序（进程）间通信的建立及维护等细节，而只需要考虑如何连接到对应的消息总线中的指定队列、如何向消息总线递交数据发送或者接收需求，如此轻量级的设计提供了简洁的消息总线事务处理框架，减轻了DCS系统站点的资源消耗。

附图说明

图1为现有技术中点对点通信模式的示意图；

图2为本发明采用的消息总线通信模式示意图；

图3为本发明中的发布订阅模式。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提出了一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法。其中，消息总线的运行机制依赖运行在DCS系统数据服务器上的守护程序，守护进程的主要功能为：节点发现、注册及注销；队列注册、管理及注销；站点状态同步等。从硬件实现上，消息总线使用DCS系统本身的通信链路；从协议实现上，消息总线的数据通信底层采用TCP协议，以实现可靠数据通信。

本实施例中，消息总线提供了一种跨进程的通信机制，但又并不是进程间单独建立的点对点信道，通常被理解为是一个消息中心。不同站点的进程都可以连接到消息总线上，通过消息总线发送或者接收信息，如图2所示为本发明采用的消息总线通信模式示意图。

消息总线作为一种软件组件，它独立于DCS系统中的站点程序，提供了站间程序（进程）间对等的信息交流通道。每个站点均需要建立一个连接到消息总线的访问点（一个专门用来与消息总线进行交互的进程），所有的站间通信需求均通过该访问点进行处理。站点中所有应用程序（进程）对外通信的数据都被打包成固定格式的消息（通常的消息类型、数据大小、数据指针等），并根据用户定义的类型进行消息分类以方便管理。

作为一种物理上及逻辑上均可实现解耦的通信服务机制，消息总线的参与者以“发布者”或“订阅者”两种身份出现。消息总线运行的参与者包括“数据发布者”、“数据订阅者”、broker和“总线维护者”，发布者和订阅者可理解为有具体数据发送或者接收需求的站点进程，维护者是运行于服务器上的管理程序以及数据库系统，broker是发布订阅模式中的数据代理，通常是服务器上管理程序的一部分功能。

消息总线上的传输的数据为DCS系统中服务器和各类站点间的交换信息，其实现形式为各类消息队列。本实施例中，消息队列根据所传输数据的性质划分了四种类型，分别为专用队列、转发队列、广播队列、紧急队列。

本发明中，消息总线的启动与站点注册过程为：

DCS系统启动后，服务器运行“消息总线参与者注册中心”任务，开发注册端口并等待DCS系统内各站点的注册；站点上线后，通过上文所述的访问点进程向服务器注册中心发起注册申请；服务器进行注册确认后，为该站点分配唯一的ID号，并将注册的站点的相关信息保存到数据库，然后返回注册成功消息给该站点。

本发明中，基于消息总线的数据发布和接收过程为：

DCS系统中有发送数据需求的站点被定义为“数据发布者”（此站点也可同时被定义为“数据订阅者”），当某个DCS站点存在数据发送需求时，首先，该站点创建一个针对所发送数据的主题（Topic），包括主题名、服务器（broker）名字及端口号、数据类型、数据大小、是否开放订阅等，之后指定已经在服务器注册的目标站点作为“数据订阅者”。“数据发布者”向服务器提交主题申请后，相关的主题信息和订阅者信息会被存入数据库中，并将指定的“数据订阅者”加入到该Topic的订阅列表中。最后，当数据被发布到Topic中时，订阅了该Topic的站点会自动获取到其中的数据。

一个发布的Topic可对应多个订阅者，所以为了保持数据的有序发布，通常一个Topic的数据会装入一个队列中，不同的Topic有不同的队列，如图3所示。“数据发布者”通过其应用程序（进程）可以同一个或多个队列（这些队列依附于不同的Topic）建立连接，而“数据订阅者”的应用程序（进程）可以通过订阅关系接收不同Topic的信息，这种订阅关系可以理解为：一个订阅者可以订阅多个Topic的信息，或者多个订阅者可以订阅同一个Topic的信息。一个Topic连接的队列可以容纳多条未读消息，订阅了该Topic的应用程序（进程）可以按自己的速度依次读取队列中消息。

例如：假设A站点是前端的采样设备，它读取现场电机的工作电流，站点B需要获取此现场电机的工作电流。那么A站点可以作为发布者将工作电流数据发布到专用队列中，站点B订阅该队列的Topic就可以自动获得站点A发布的数据。

同理，假设除了站点B，站点C和站点D都需要获取此现场电机的工作电流，那么A站点可以将数据发布到转发队列中，站点BCD均订阅该Topic，则三个站点都可以自动获得站点A发布的数据。

由于DCS系统中存在较多的硬实时数据，数据紧急但数据量不大，并不需要商业运行的消息总线所要求的大规模和高并发。因此，本发明有针对性地建立了符合工业控制系统需求的队列来实现不同类型的消息传递，消息总线中的队列根据应用的常规需求，分为如下几类：

1）专用队列，满足常规的DCS站点间数据通信需求；

应用程序（进程）可以为自己创建专用队列，其他站点要发送给自己的消息都进入到该专用队列，如前所述，专用队列的拥有者可以按自己的速度来读取该队列中的消息；应用程序（进程）可以有许多专用队列。

2）转发队列，满足DCS站点间一对多数据通信需求；

转发队列提供了向一组应用程序发送一条消息的方式，可以认为是一种选择性广播。数据发送方可以创建自己的转发队列，希望接收到消息的应用程序（进程）将自己的专用队列绑定到该转发队列（可以将多个专用队列绑定到一个转发队列），此时，所有写入到转发队列中的消息将被转发到绑定的专用队列中。

3）广播队列，满足DCS站点间广播数据通信需求；

类似于转发队列，但除了在所有绑定队列上转发的消息之外，还将消息转发到所有其他已知节点。

4）紧急队列，用于DCS站点间紧急事件数据通信需求。

用于同步站点间应用程序（进程）间的紧急事件，其工作机制同转发队列。紧急队列主要处理包括硬实时数据、报警信息和事件信号的同步。

进一步的，当产生站间通信需求时，各站点的应用程序对应于上述四类通信队列的划分，对拟通信数据进行分类，以便连接到目标队列中。站点应用程序对每类数据头部附加一个字节的标识符以区分数据类型。

具体操作时，数据发布的处理流程如下：

1）针对站间日常交互的信息（比如现场采样值、开关状态信号、命令下发等）、周期性的通知信息等，这类信息是站点应用程序认定的常规数据，并可以通过附加数据标识符来进一步细分为专用数据、转发数据和广播数据。将此类数据提交给本地的消息总线访问点时，消息总线访问点收到这些数据后，通过标识符判断该数据类型，剥离掉标识符信息后将其分别加入到消息总线的专用队列、转发队列和广播队列中。

2）针对站间需要立刻交互的信息（比如硬实时数据、报警信息和事件信号的同步等操作），这类信息是站点应用程序认定的紧急数据，该数据会立刻提交给本地的消息总线访问点。消息总线访问点收到这些数据后，通过标识符判断该数据类型，剥离掉标识符信息后将其分别加入到消息总线的紧急队列中。

3）当站点的消息总线访问点在收到站点应用程序发来的各类消息时，将紧急类型数据作为最高优先级先进行处理，将其填入紧急队列；之后再处理常规数据。

进一步的，关于消息队列的管理如下：为提高队列使用效率，避免队列中数据在出列后内部数据的移动过程所产生的资源消耗，本消息队列采用双指针（头指针和尾指针）实现队列数据的指向，通过移动两个指针的指向实现访问队列中的头部数据和尾部数据，避免数据出列和入列后的内部数据移动，进一步实现了系统的轻量化。

进一步的，当队列长期不用或topic撤销时，删除该队列以降低系统资源消耗。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，其特征在于，所述消息总线独立于DCS系统中的站点程序，用于提供站间程序/进程间可解耦的信息交流通道，每个DCS站点均通过建立一个与消息总线连接的访问点来处理所有的站间通信需求；DCS站点中所有应用程序/进程对外通信的数据都被打包成固定格式的消息队列，并根据所传输数据的性质划分为不同的类型进行消息传递；消息队列根据所传输数据的性质划分为：专用队列、转发队列、广播队列和紧急队列，各DCS站点应用程序对每类数据头部附加一个字节的标识符以区分数据类型，消息总线访问点收到这些数据后，通过标识符判断该数据类型，剥离掉标识符信息后将其分别加入到消息总线的专用队列、转发队列、广播队列或紧急队列中，并将紧急类型数据作为最高优先级先进行处理，之后再处理常规数据；

专用队列用于DCS站点间常规的数据通信需求，DCS站点的应用程序/进程为自己创建专用队列，其他DCS站点要发送给自己的站间日常交互消息、周期性的通知信息都进入到该专用队列中，专用队列的拥有者按照自己的速度来读取该队列中的消息；一个应用程序/进程对应一个或多个专用队列；转发队列用于DCS站点间一对多的数据通信需求，数据发送方创建自己的转发队列，参与接收消息的应用程序/进程将自己的一个或多个专用队列绑定到该转发队列，此时，所有写入到转发队列中的消息将被转发到绑定的专用队列中；广播队列用于DCS站点间的广播数据通信需求，除了在所有绑定队列上转发的消息之外，还将消息转发到所有其他已知节点；紧急队列用于DCS站点间的紧急事件数据通信需求，紧急事件包括硬实时数据、报警信息和事件信号的同步；

将有数据发送需求的DCS站点定义为“数据发布者”，有数据接收需求的DCS站点定义“数据订阅者”，当某个DCS站点存在数据发送需求时，按照如下流程进行：

首先，该DCS站点创建一个针对所发送数据的Topic，Topic信息包括主题名、服务器名字、端口号、数据类型、数据大小以及是否开放订阅；

然后，该DCS站点指定已经在服务器注册的目标DCS站点作为“数据订阅者”；

其次，“数据发布者”向DCS系统服务器提交Topic申请，相关的主题信息和订阅者信息均存入数据库中，并同时将指定的“数据订阅者”加入到该Topic下的订阅列表中；

最后，当数据被发布到Topic中时，订阅了该Topic的DCS站点自动获取其中的数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，其特征在于，参与消息总线的DCS站点通过所述的访问点进程向DCS系统的服务器注册中心发起注册申请，服务器进行注册确认后，为该DCS站点分配唯一的ID号，并将注册的站点的相关信息保存到数据库，并返回注册成功消息给该站点。

3.根据权利要求1所述的一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，其特征在于，在通信过程中，一个数据订阅者可以订阅多个Topic的信息，或者多个数据订阅者可以订阅同一个Topic的信息；一个Topic连接的队列可以容纳多条未读消息，订阅了该Topic的应用程序/进程按照自己的速度依次读取队列中消息。

4.根据权利要求1所述的一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，其特征在于，消息队列采用双指针实现队列数据的指向，通过移动两个指针的指向实现访问队列中的头部数据和尾部数据，避免数据出列和入列后的内部数据移动。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种基于消息总线的DCS系统站间通信方法，其特征在于，当队列长期不用或Topic撤销时，删除该队列以降低系统资源消耗。