基于数据分发服务动态发现的通信监控设计.pdf

DO1:10.121XAVIONICSTECHNOLOGYVol.54 No.2第54卷第2 期航空电子技术June.20232023年0 6 月基于数据分发服务动态发现的通信监控设计张志涛，张涛，张丽（中国航空无线电电子研究所，上海2 0 0 2 41）【摘要】数据分发服务（DDS）在复杂航电系统中的应用越来越广泛，其以数据为中心的发布订阅机制，解决了复杂系统异构、分布式、动态扩展、互操作和可移植的问题，同时也带来了系统描述和通信监控的困难。基于DDS实体动态发现的原理，提出了一种能够动态构建应用主题类型化接口，实现对网络中DDS实体间通信进行监控的通用设计方法。该方法能够满足基于DDS网络的通信监控需求，提高复杂系统快速集成和联调排故的效率。【关键词】数据分发服务（DDS）；发布订阅；动态发现；通信监控；中图分类号】TP311.52文献标识码A文章编号J1006-141X(2023)02-0012-09Design of Communication Monitoring Based On Dynamic Discoveryof Data Distribution ServiceZHANG Zhi-tao,ZHANG Tao,ZHANG Li(China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute,Shanghai 200241,China)Abstract:The data distribution service(DDS)with data-centric publish/subscribe mechanisms is widely used in com-plex avionics system,which can solve the problems of heterogeneous,distributed,dynamic expansion,interoperabilityand portability of complex systems.However,it causes the difficulty of system description and communication moni-toring.Based on the principle of dynamic discovery of DDS,a common design method is proposed to construct the typeinterface of application topic dynamically to implement the communication monitoring of DDS entities in the network.This method can meet the requirements of communication monitoring based on DDS network,and improve the efficien-cy of rapid integration and fault checking of complex system.Key words:DDS;publish/subscribe;dynamic discovery;communication monitoring数据分发服务（DDS：D a t a D is t r ib u t io n Se r-vice）采用以数据为中心的发布订阅机制，实现了信息发布者和信息订阅者的灵活解耦。DDS通过数据分发服务互操作（DDSI-RTPS，简称RTPS）协议来管理DDS系统中的边界保持和无连接“尽力而为”的传输，系统只需提供传输层中最小集合的服务，就能充分保证传输层为复杂系统提供实时、可靠、安全的通信服务，解决系统适应分布式、异构环境下的动态可扩展性、互操作性和可移植性问题2 1。传统的复杂航电系统通信监控通常依赖于网络交换机的特殊设计，将所有硬件端口的交换数据汇聚于特定端口，并由额外的定制设备来完成数据记收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 7引用格式：张志涛，张涛，张丽.基于数据分发服务动态发现的通信监控设计.航空电子技术,2 0 2 3,54(2)：12-20.13第2 期张志涛，等：基于数据分发服务动态发现的通信监控设计录以及事后解析，且数据解析的前提是ICD（接口控制文件）的预先标记；既增加了额外的特定设备成本、人员开发成本和时间成本，也增加了整个系统的网络负载。DDS实体的灵活扩展特性和动态发现模型，以及RTPS协议消息结构动态扩展，使得传统的通信监控方法难以实现对基于DDS的复杂系统通信网络模型的描述和应用自定义数据的采集及分析；特别是对处于稳态的网络开始记录的数据，根本无法解析和识别出相应的主题数据。本文利用DDS实体动态发现的原理，设计了基于DDS的复杂航电系统的通用通信监控方法；该监控方式具有通用性和可插拔性，无需改变现有系统的设计方案，部署灵活，易于实现，能够即时动态描述网络通信模型、订阅主题数据和主题实体间的QoS分析，极大提高了复杂系统快速集成和联调排故的效率。1DDS实体动态发现DDS的发布订阅模型采用分布式体系结构，将系统划分为逻辑独立的通信域（Domain），每个域包含若干实体（Entity），由实体完成数据的发布和订阅；核心的实体包括域参与者（DomainParticipant）、发布者（Publisher）、订阅者（Subscriber）、数据写者（DataWriter）、数据读者（DataReader）和主题（T o p i c），主题的发布和订阅通过服务质量策略（QoS）来配置相应的通信行为发布/订阅模型如图1所示。应用软件应用软件应用软件QoSQoS主题主题主题QoS域参与者域参与者域参与者DRDWDWDRDRDW订阅者发布者订阅者发布者通信域图1DDS的发布订阅模型DDS实现主题间发布和订阅关系匹配的关键技术是通信实体的发现。OMG关于DDS的互操作协议规范（DDSI-RTPS）规定中间件的实现可以支持特定于供应商的参与者发现协议（PDP：Pa r t i c i p a n tDiscoveryProtocol）和端点发现协议（EDP：En d-point Discovery Protocol），但是实现必须至少提供以下发现协议：简单参与者动态发现协议（SPDP：SimpleParticipantDiscoveryProtocol）和简单发布/订阅端点动态发现协议（SEDP：Si m p l e En d p o i n tDiscovery Protocol）2 141,，其相应的域参与者发现过程和发布订阅端点发现过程如图2 所示。DomainParticipantparticipantDATA通告本地参与者内置DataWriter域参与者“DCPSParticipant发现过程participant DATA发现远程参与者内置DataReader“DCPSParticipant通告本地参与者内置DataWriterpublication DATA网络“DCPSPublication的DataWriter和subscriptionDATADataReader内置DataWriter发布/订阅端点“DCPSSubscription发现过程publication DATA发现远程参与者内置DataReader“DCPSPublication的DataWriter和subscriptionDATADataReader内置DataReader“DCPSSubscription图2 DDS的内置动态发现过程142023年航空电子技术1.1域参与者动态发现过程域参与者动态发现通过DDS的内置主题（“D CPSPa r t i c i p a n t”），实现域参与者描述信息（“p a r t i c i p a n t D A T A”）的交换，从而为每个域参与者构建可能与其具有通信关系的其他远程域参与者的拓扑结构。participantDATA信息包含参与者的全局唯一标识符（GUID）、网络地址、附属QoS策略等信息，由DDS内置专门订阅和发布此主题数据的Dataead-er和DataWriter完成信息交互；这两个实体与普通Dataeader和DataWriter的主要区别在于，其对用户是隐匿的，由DDS内部来管理。动态发现过程如图3所示。节点A节点B参与者创建participantDATA通告自己的participantDATA参与者创建通告自己的participantDATA新的远程节点Aparticipant DATA加入节点B的关系库响应时间由QoS确定participant DATA新的远程节点B加入节点A的关系库时间和次数由QoS确定participant DATA周期发送，时间由QoS确定participant DATA节点A已存在于节点B的关系库，更新节点A的活跃度participant DATA周期发送，时间由QoS确定节点B已存在于节点A的关系库，更新节点B的活跃度participantDATA节点A已存在于节点B的关系库，更新节点A的活跃度图3域参与者动态发现1.2发布订阅端点动态发现过程发布/订阅端点动态发现只有在域参与者发现过程完成之后才开始进行，通过发现发布订阅端点的匹配关系，构建主题的虚拟连接关系。发布/订阅端点动态发现过程是通过两对DDS内置Dataeader和DataWriter以可靠的传输服务策略交换彼此的订阅描述信息（“subscriptionDATA”）和发布描述信息（“publicationDATA”），使用的内置主题分别为“DCPSSubscription”和“DCPS-Publication”。发布和订阅描述信息分别包含发布订阅实体的全局唯一标识符（GUID）、主题、主题结构类型、附属主题的QoS策略等信息5。上述两对实体与普通Dataeader和DataWriter的主要区别在于，其对用户是隐匿的，由DDS内部来管理。动态发现过程如图4所示。15张志涛，等：基于数据分发服务动态发现的通信监控设计第2 期节点A节点B主题T的DataWriter创建主题T的DataReader创建publicationDATA周期HEATBEAT包通知B有新的信息样本更新周期HB(F=0)主题T发布端被发现，写入订阅端关系数据库，建立虚拟连接收到应答包，不再周期发送HEATBEAT通知B：否则重新发送ACKNACKsubscriptionDATA周期HEATBEAT包通知A新的信息样本更新主题T订阅端被发现，写入发布端关系数据周期HB(F=0)库，建立虚拟连接收到应答包，不再周期发送HEATBEAT通知A：否则重新发送ACKNACK图4发布订阅端点动态发现2通信监控的设计对DDS通信监控的设计正是基于DDS实体动态发现的原理机制，通过参与到需要监控的通信网络中，实现对整个网络中通信实体拓扑的描述和交互信息的采集与分析。2.1DDS实体监控DDS用于实体动态发现的三个内置主题对应的DataReader由一个统一的内置Subscriber来管理，通过该内置Subscriber来获取相应的DataReader操作句柄，对其设置相应的监听器，即可获取网络内的域参与者描述信息、发布描述信息和订阅描述信息。其运行逻辑流程如图5所示。监听器（Listener）是DDS提供的一种可以异步向应用程序发出相关状态更改通告的机制。内置主题对应内置DataReader的监听器能够感知网络中远程DDS实体的状态变化，并通知应用程序获取相应的实体描述信息，其运行逻辑如图6 所示。开始创建指定通信域DomainParticipant获取内置Subscriber查询内置DataReader设置Participant监听器设置Publisher监听器设置Subscriber监听器获取participantDATA获取publicationDATA获取subscriptionDATA数据相关处理结束图5DDS实体描述信息获取流程20233年16航空电子技术开始on_data_available()不可用一Delete()DATA样本?可用新实体否一Updata()DATA?是一Add()DDS实体描述信息库结束图6!监听器执行逻辑数据相关处理是对域参与者描述信息和发布/订阅描述信息的融合处理，根据实体的GUID信息，构建系统的网络拓扑结构。GUID由四部分信息组成，其组成结构如图7 所示。HostldAppldInstanceldEntityld图7 GUID组成其中：（a）H o s t Id：实体所在的节点标识信息；（b）A p p l d：实体所在的进程标识信息；（c）In s t a n c e l d：参与者的实例表示信息；（d）En t i t y l d：具体实体的标识信息。HostId、A p p l d 和Instanceld构成GUID的前缀标识信息，即同一域参与者管理的所有实体GUID的前缀信息相同。通过对publicationDATA和sub-scription DATA中的participant_key成员与partici-pantDATA中的key成员关联，构建出通信系统的网络拓扑关系。成员对应关系如图8 所示。publication DATAsubscription DATA*1participant DATA+key+key+participant key+key+participantkey+publisherkey+property+subscriptionkey1*+publicationname+rtps_protocol_version+subscription name+topic_name+rtps_ vendor_id+topic_name+type_name+dds_builtin_ endpoints+type_name+QosPolicy+product version+QosPolicy+participantname十，+.+domain_id+transport info+QosPolicy+.key：相应实体的GUID图8 实实体描述信息的关系2.22主题数据监控主题的监控是在监控端创建相同主题的DataReader实体基础上来实现的，让该实体订阅发布的主题，实现主题数据的监控。该过程包括以下两方面的内容：（1）主题类型化的构建DDS主题的发布和订阅使用主题数据结构的类型化接口，只有发布方和订阅方的主题名称（topicname）、主题类型名称（type_name）和类型化接口一致时才可能建立主题间的订阅关系。对于一些校对比较严格的DDS中间件还会把主题数据结构的类型编码（TypeCode）信息扩展到publication DATA和subscription DATA的参数描述信息中，只有类型编码信息同样一致时才能匹配。主题数据结构的类型编码中包含数据成员的类型、名称以及关键成员的标识（Key）。对其信息的解析和构造能够更直观的了解到待监控主题的详细信息。对于不包含主题数据结构类型编码的中间件，本设计根据publicationDATA和subscriptionDATA参数描述信息中的主题名称和类型名称，统一构建为可变长字节流结构的类型化接口，实现对主题数据的订阅。主题的具体成员信息则以事先配置的主题结构信息为依据，把订阅的字节流信息类型化为具体的成员数据。主题类型化构建的逻辑流程如图9 所示。17张志涛，等：基于数据分发服务动态发现的通信监控设计第2 期开始获取publicationDATA获取获取TypeCode不可用topic_nametype_name信息？可用新建动态数据读者(DynamicDataReader)新建可变字节流数据读者(FooDataReader)监听监听字节流数据DynamicData有预配置成员信息？解析数据成员信息无结束图9 主题类型化构建逻辑（2）主题QoS策略兼容性的构建主题数据订阅监控的必要条件是建立与待监控主题发布方的发布订阅匹配关系，创建相同类型或者兼容类型的类型化操作接口是一方面，其相应的实体同样应该具备QoS策略的兼容性。兼容性的总体原则是订阅端比发布端“宽松”，所谓“宽松”即数据性限制条件更低更容易达到/对系统要求更宽松更容易实现，通常来讲QoS兼容性相关方之间的策略匹配与否具有以下三个状态：（a）匹配（match）：指该策略双方完全一致，不会有兼容性问题，不会导致发布订阅失败；（b）相异匹配（Partlymatch）：指该策略双方不完全一致，但由于逻辑上兼容或者处于符合真值表内，仍不会有兼容性问题，不会导致发布订阅失败；（c）不匹配：指该策略双方不一致，且由于不在符合真值表内，有逻辑兼容性问题，将会导致发布/订阅失败。订阅方对于发布方QoS策略的兼容性主要体现在对域参与者QoS、发布者QoS、主题QoS、数据写者QoS中影响双方通信的QoS项的兼容性分析状态为匹配或者相异匹配的状态。对于这类影响双方建立发布订阅关系的QoS信息，在动态发现的过程中，附属于域参与者描述信息（participantDATA）和发布描述信息（publicationDATA）。可通过该信息的解析获取需要兼容的QoS项。以下是监控订阅的主要QoS项兼容性设置应遵循的原则：（a）可靠性（Reliablity）：当且仅当不等式“提供的kind请求的kind”的关系值为“TRUE”时，认为提供的值与请求的值兼容，kind的值按照以下顺序排序：BESTEFFORTRELIABLE；建议监控DataReader请求设置为“BEST_EFFORT”，不额外增加发布方的负载；（b）截止期限（Deadline）：当不等式“提供的DEADLINEperiod请求的kind”的条件为“TRUE”时，认为提供的值与请求的值兼容，该策略成员“kind”的值按照以下顺序排序：VOLATILETRANSIENTLOCALTRANSIENTPERSISTENT;（d）所有权（Ownership）：设置一致时认为提供的值与请求的值兼容；（e）活跃度（Liveness）：不等式“提供的kind请求的kind”的关系值为“TRUE”，k in d 的182023年航空电子技术值按照以下顺序排序：AUTOMATICMANUALBY_PARTICIPANT MANUAL_BY_TOPIC；不等式“提供的lease_duration请求的lease_duration”的关系值为TRUE；两个不等式都满足认为提供的值与请求的值兼容；（f）分区（Partition）：设置一致时认为提供的值与请求的值兼容；（g）目标顺序（Destination_order）：当且仅当不等式“提供的kind请求的kind”的关系值为“TRUE”时，认为提供的值与请求的值兼容；DESTINATION_ORDER策略kind值排序为BYRECEPTION_TIMESTAMP BY_SOURCE_TIME-STAMP;(h）对于 participant DATA 和 publication DATA中未涉及的QoS项均采用默认设置。对于其他扩展QoS策略的兼容性可通过下相关规范和手册来查询，在监控实体的创建时按照兼容性需求来设置。3测试验证基于数据分发服务的动态发现原理和上述的设计方法，采用Qt实现DDS通信监控软件，软件界面如图10 所示。可以直观展示复杂系统的网络拓扑、主题的发布订阅状态以及通信数据信息，并能够实时监听相应实体的QoS策略变化，对于DDS开发者调试、复杂系统快速集成和故障问题排查都会带来积极的促进作用，从而提高应用开发和调试效率。DDS_监视工具Ver1.0设置视图帮助图Q心structDockwidgetdataTpyeDockridgetPhysical ViewXDatalype View区ItQoS ViewDomainostructUniTimelRJB_P208（h o s t l d=17 2.16.2 0.2 0 8）longyear;ilIDoParticipant:hostld=172.16.20.208,appld=4468.in.shortmonth;llID1publisher:hostld=172.16.20.208,appld=4468.short day;lID2short hour;liID3Writer(ASDP_DDS_STRUCT:ASDP_DDS_STR.shortminute;llID4Subscriber:hostld=172.16.20.208,appld=446.shortsecond;lID560Reader(ASDP_DDS_STRUCT:ASDP_DDS_ST.；Participant:hostld=172.16.20.208,appid=7200,in.Publisher:hostld=172.16.20.208,appld=7200,.Writer(OrgData:UniTime):hostld=172.16.2.Participant:hostld=172.16.20.208,appld=6532.in.Participant:hostld=172.16.20.208,appld=6532,in.Subscriber:hostld=172.16.20.208,appld=653.osReader(OrgData:UniTime);hostld=172.16.subDataDockwidgetllSubData View主题时间P数据OrgData10:29:05.741172.16.20.208year=2019month=10day=22hour=10minute=29second=5OrgData10:29:04.727172.16.20.208year=2019month=10 day=22 hour=10minute=29 second=4OrgData10:29:03.713172.16.20.208year=2019 month=10 day=22 hour=10 minute=29 second=3OrgData10:29:02.700172.16.20.208year=2019 month=10 day=22 hour=10 minute=29 second=2OrgData10:29:01.686172.16.20.208year=2019 month=10 day=22 hour=10 minute=29 second=1OrgData10:29:00.671172.16.20.208year=2019month=10 day=22 hour=10 minute=29 second=0ASDP_DDS_ST.10:29:00.142172.16.20.208payload=0 xe3 Ox07Ox00 0 x00 0 x0a Ox00 0 x160 x000 x0a0 x00 0 x1d0 x00 Ox00 0.ASDP_DDS_ST.10:28:59.128172.16.20.208payload=Oxe3 0 x07Ox00 0 x00 0 x0a Ox00 0 x16Ox00 Ox0a 0 x00 0 x1c 0 x00 Ox3b 0.ASDP_DDS_ST.10:28:58.114172.16.20.208payload=0 xe3 0 x07Ox000 x00 Ox0a Ox000 x160 x00Ox0a 0 x00 0 x1c 0 x000 x3a 0.图10 DDS通信监控软件考虑到主题类型化的两种形式，采用具备和不具备主题类型编码（TypeCode）信息的两类DDS中间件，分别在相同的通信域中创建主题为Org-Date:UniTime 和 ASDP_DDS_STRUCT:ASDP_DDSSTRUCT的发布和订阅程序，以独立进程的方式运行在同一PC环境里；DDS通信监控软件所在的PC接入到运行发布和订阅程序PC所在的同一通信网络中，部署方式如图11所示。19第2 期张志涛，等：基于数据分发服务动态发现的通信监控设计PC1PC2应用软件应用软件应用软件ASDP_DDS_STRUCTOrgDate主题主题域参与者域参与者域参与者DDS通信监控软件DRDWDRDW订阅者发布者订阅者发布者以太网图11通信实体的测试部署方式执行DDS通信监控软件，获取的监控结果如下：（1）能够获取到网络中参与通信实体的partic-ipant DATA、p u b l i c a t i o n D A T A 和 subscription DATA参数描述信息，通过信息的相关处理，清晰直观的展示出图12 所示的参与通信实体的物理关系视图，描述出系统网络拓扑结构；此处监控到的通信实体物理关系与部署方式一致，主题ASDP_DDSSTRUCT的发布者、数据写者、订阅者和数据读者同属于一个域参与者，运行于同一进程（HostId、Appld和Instanceld均相同）；主题OrgData的发布者和订阅者归属于不同的域参与者，运行于同一个节点的不同进程（HostId相同，AppId不相同）；（2）能够解析 participant DATA、p u b l i c a t i o nDATA和subscriptionDATA参数描述信息中相应通信实体的QoS策略，如图13所示。上述参数信息中仅包含影响发布/订阅匹配关系建立的QoS项；Physical ViewXDomainoRJB_P208（h o s t I d=17 2.16.2 0.2 0 8)Participant:hostld=172.16.20.208,appld=4468,in.Publisher:hostld=172.16.20.208,appld=4468,.Writer(ASDP_DDS_STRUCT:ASDP_DDS_STR.Subscriber:hostld=172.16.20.208,appld=446.6Reader(ASDP_DDS_STRUCT:ASDP_DDS_ST.Participant:hostld=172.16.20.208,appld=7200,in.Publisher:hostld=172.16.20.208,appld=7200,.Writer(OrgData:UniTime):hostld=172.16.2.Participant:hostld=172.16.20.208,appld=6532,in.Participant:hostld=172.16.20.208,appld=6532,in.Subscriber:hostld=172.16.20.208,appld=653.Reader(OrgData:UniTime):hostld=172.16.图12 通信实体物理关系DataTypeViewtQos ViewXTopicQoS(OrgData:UniTime):hostld=172.16.20.208,appld=7200,instanceld=1,entityld=0 x80000003deadlineperiodsecDDSDURATIONINFINITESECnanosecDDS_DURATION_INFINITE_NSECdestination_orderkindDDS_BY_RECEPTION_TIMESTAMP_DESTINATIONORDER_QOSsource_timestamp_tolerancesec0nanosec100000000disable_positive_acksfalsedurabilitykindDDS_VOLATILE_DURABILITY_QOSdirect_communicationtruedurability_serviceservice_cleanup_delaysec0nanosec0history_kindDDS_KEEP_LAST_HISTORY_QOShistory_depth1max_samples-1max_instances-1图13通信实体QoS策略202023年航空电子技术（3）对于具有主题类型编码（TypeCode）信息的中间件，能够解析如图14所示的相应主题数据结构信息，包括主题名称、类型名称、主题数据结构的成员变量类型和名称；DataTypeViewtotQosViewstructUniTimeflongyear;liDoshortmonth;llID1shortday;llID2shorthour;IID3shortminute;JlID4shortsecond;1ID5；图14主主题数据结构信息（4）能够监控到图15所示的相应主题通信数据信息；对于有主题数据成员描述信息的DDS中间件，则能够监控到主题每个成员的数据，如主题OrgData的成员变量名称及相应的值；对于没有主题数据成员描述信息的DDS中间件，则以字节数据流的形式展示，如主题ASDP_DDS_STRUCT的数据负载信息，若提前在监控软件预配置相应的主题成员信息，则可对字节流进行类型化输出，此处需注意不同平台字节序的转换；（5）能够在任意时刻加入到待监控通信网络，并获取相同的监控结果，不需要特定的额外通信参数和网络配置。lo SubData View主题时间IP数据OrgData10:29:05.741172.16.20.208year=2019 month=10 day=22 hour=10 minute=29 second=5OrgData10:29:04.727172.16.20.208year=2019month=10day=22hour=10minute=29second=4OrgData10:29:03.713172.16.20.208year=2019 month=10 day=22 hour=10 minute=29 second=3OrgData10:29:02.700172.16.20.208year=2019month=10day=22hour=10minute=29second=2OrgData10:29:01.686172.16.20.208year=2019month=10 day=22 hour=10minute=29 second=1OrgData10:29:00.671172.16.20.208year=2019month=10day=22hour=10minute=29second=0ASDP_DDS_ST.10:29:00.142172.16.20.208payload=Oxe3Ox07Ox00Ox000 x0aOx000 x16Ox00Ox0a0 x000 x1dOx00Ox000.ASDP_DDS_ST.10:28:59.128172.16.20.208payload=Oxe3 0 x07 Ox00 Ox00 0 x0a Ox00 0 x16 0 x00 0 x0a 0 x00 0 x1c 0 x00 0 x3b 0.ASDP_DDS_ST.10:28:58.114172.16.20.208payload=Oxe30 x070 x00 Ox000 x0a Ox000 x160 x00 Ox0a Ox000 x1c0 x000 x3a 0.图15主题数据信息4总结基于数据分发服务动态发现的通用通信监控设计方法能够对使用DDS的复杂系统实现网络拓扑的展示和通信数据的监控。该设计方法简单、易于实现；且无需改变现有系统设计和增加设备，即插即用，部署灵活；极大地提高了大型系统集成的联试和通信故障排查效率，提供了对于配置网络参数、优化系统集成和动态扩展系统的全局网络拓扑视角。后续在网络拓扑结构的图形化展示，以及通信实体QoS策略的兼容性分析方面进一步优化设计。参考文献1JObject Management Goup.Data 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