摘 要： 對(duì)象管理組織（Object Management Group，OMG）頒布的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（Data Distribution Service，DDS）規(guī)范有兩種發(fā)送模式，一種為盡量發(fā)送，一種為可靠發(fā)送。在艦載信息系統(tǒng)中，DDS通常默認(rèn)為盡量發(fā)送模式，這并不能保證系統(tǒng)的可靠性。因此，針對(duì)DDS規(guī)范中可靠發(fā)送模型進(jìn)行深入研究，分析可靠協(xié)議在正常狀況下及丟包狀況下的工作流程。根據(jù)可靠性的要求，通過(guò)配置相關(guān)QoS策略調(diào)整發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列的長(zhǎng)度以及心跳檢測(cè)信號(hào)的發(fā)送頻率。最后，通過(guò)盡量發(fā)送和可靠發(fā)送兩種模式的性能測(cè)試比較說(shuō)明各自所適用的情況。
關(guān)鍵詞： DDS規(guī)范；可靠發(fā)送；可靠協(xié)議；QoS策略
0 引言
對(duì)象管理組織（Object Management Group，OMG）于2004年12月發(fā)布了面向分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（Data Distribution Service，DDS）規(guī)范[1]。DDS有兩種發(fā)送模式：盡量發(fā)送和可靠發(fā)送[2]。在艦載信息系統(tǒng)中，盡量發(fā)送通常為默認(rèn)方式，這種方式無(wú)需確定樣本是否按順序傳遞也不需要重新發(fā)送樣本，而當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)樣本正確性要求較高時(shí)，這種方式并不再適用，此時(shí)需使用可靠發(fā)送模式。可靠發(fā)送模式確保所有的樣本都被有序接收。本文將對(duì)可靠發(fā)送機(jī)制所使用的方法以及過(guò)程進(jìn)行研究。
1 可靠發(fā)送模型
可靠發(fā)送意味著樣本確定到達(dá)并且按序發(fā)布。發(fā)送和接收隊(duì)列用來(lái)臨時(shí)緩存樣本，直到DDS確認(rèn)樣本已經(jīng)成功傳遞。在樣本已經(jīng)被所有可靠的訂閱者接收之后，DDS將發(fā)布隊(duì)列中的樣本移除。如果無(wú)序樣本到達(dá)，那么DDS將其緩存到數(shù)據(jù)讀取者（DR）的接收隊(duì)列中。
在發(fā)送樣本時(shí)，數(shù)據(jù)寫入者（DW）設(shè)置為等待空間狀態(tài)，即當(dāng)發(fā)送隊(duì)列沒(méi)有可用的空間時(shí)，DW一直等待直到有可用的隊(duì)列空間。而如果將DW設(shè)置為非等待空間狀態(tài)，即不論隊(duì)列溢出與否都一直發(fā)送數(shù)據(jù)，那么舊的緩存樣本將會(huì)被推出隊(duì)列，DR將無(wú)法接收。
2 可靠協(xié)議
為了保證可靠發(fā)送，DDS執(zhí)行實(shí)時(shí)發(fā)布訂閱（Real-Time Publish-Subscribe，RTPS）協(xié)議。
可靠協(xié)議使用以下幾種類型的消息[3]：數(shù)據(jù)信息（Data）、心跳檢測(cè)信息（HB）、反饋信息（ACK/NACK）。
（1）數(shù)據(jù)信息。格式為DATA（<樣本值>，<序列號(hào)>），例如DATA（A，1），表示樣本值為A，序列號(hào)為1。
（2）心跳檢測(cè)信息。HB信息通知DR應(yīng)該接收了某序列號(hào)范圍內(nèi)的信息，要求DR發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)信息。
（3）反饋信息。反饋信息用于向DW表明特定的信息已經(jīng)成功存儲(chǔ)到該DR的歷史中。DW可以通過(guò)反饋信息得知DR哪些信息丟失了。
2.1 正常狀況下的可靠協(xié)議
在樣本未丟失的情況下，當(dāng)調(diào)用寫函數(shù)（write（））時(shí)，可靠協(xié)議工作流程如圖1所示。
在樣本被發(fā)送之前，將會(huì)在DW的發(fā)送序列中加上序列號(hào)（此例中為1）。一旦樣本被DR接收，DR就將信息存放于其接收隊(duì)列中，標(biāo)記為√。DR接收到的心跳檢測(cè)信號(hào)HB（1）為確認(rèn)自己是否已經(jīng)成功接收樣本（1，A），本例中為成功接收。DW接收到DR發(fā)的ACKNACK（2）信息后，確認(rèn)樣本（1，A）已經(jīng)被成功接收，也以√標(biāo)記。
2.2 丟包狀況下的可靠協(xié)議
假設(shè)樣本DATA（A，1）在發(fā)送過(guò)程中發(fā)生了丟包情況，當(dāng)DR收到下一個(gè)信號(hào)包（DATA（B，2）；HB（1-2））時(shí)，由于心跳檢測(cè)HB（1-2）表明DR應(yīng)該已經(jīng)收到序列號(hào)為1-2的樣本，于是DR將會(huì)自檢是否已經(jīng)成功接收這些樣本，會(huì)發(fā)現(xiàn)序列號(hào)為1的樣本并沒(méi)有被成功接收。此時(shí)，DR將會(huì)發(fā)送ACKNACK（1）給DW，要求其重新發(fā)送樣本DATA（A，1）。該過(guò)程如圖2所示。
DR發(fā)送反饋信息ACKNACK（1）給DW之后，DW首先發(fā)送丟包的樣本A，然后發(fā)送樣本包C以及心跳包HB（1-3）。此時(shí)，DR自檢確認(rèn)之后，發(fā)送反饋信息。
實(shí)時(shí)發(fā)布訂閱協(xié)議中的確認(rèn)機(jī)制使得DW接收到相關(guān)的丟包信息，這樣使得每一個(gè)樣本都能成功被DR有序接收。
3 相關(guān)QoS策略
QoS是指一系列可控制DDS服務(wù)行為的特性集合，它由獨(dú)立的QoS策略組成，是DDS規(guī)范的最大亮點(diǎn)[4-5]。可以通過(guò)某些QoS策略的設(shè)置增加系統(tǒng)的可靠性。這里僅對(duì)發(fā)送隊(duì)列長(zhǎng)度和接收隊(duì)列長(zhǎng)度的相關(guān)QoS策略進(jìn)行設(shè)置。
3.1發(fā)送隊(duì)列長(zhǎng)度
設(shè)置歷史QoS策略可以調(diào)整DW發(fā)送隊(duì)列保存的樣本數(shù)以及DR接收隊(duì)列保存的樣本數(shù)[6]。
若DW沒(méi)有接收到DR發(fā)送的反饋信號(hào)，那么DW的發(fā)送隊(duì)列將會(huì)滿。此時(shí)，如果需要強(qiáng)可靠性數(shù)據(jù)通信，那么歷史策略的類型應(yīng)設(shè)置為“保留所有”，發(fā)送端需阻塞線程，等待直到發(fā)送隊(duì)列有空間再繼續(xù)寫樣本。如果歷史策略類型設(shè)置為“保留最新”，強(qiáng)可靠性通信將不能被保證。
若給出可靠性的要求，那么發(fā)送隊(duì)列的最小長(zhǎng)度設(shè)置如下：
其中，R是發(fā)送樣本的速率，T是數(shù)據(jù)傳輸一周的時(shí)間，P是傳遞樣本過(guò)程中丟包的概率，Q是樣本成功發(fā)送的需求概率。
根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)狀況，所得到的發(fā)送隊(duì)列最小長(zhǎng)度如表1所示。
3.2 接收隊(duì)列長(zhǎng)度
DR接收樣本時(shí)，樣本被保存在接收隊(duì)列中，只有當(dāng)操作“取”（take（））將其取走后，樣本才會(huì)被移除出接收隊(duì)列[7]。DR的接收隊(duì)列長(zhǎng)度應(yīng)大于DW發(fā)送隊(duì)列的長(zhǎng)度，主要由資源限制QoS策略中的“隊(duì)列最大樣本數(shù)（max_samples，ms）”控制。一個(gè)DR可以與多個(gè)DW保持通信，DW的無(wú)序樣本也保存在DR的接收隊(duì)列中。為了防止某個(gè)DW的無(wú)序樣本占用過(guò)多的接收隊(duì)列資源，可以在DR的資源限制QoS策略中設(shè)置參數(shù)“DW最大樣本數(shù)（max_samples_per_remote_writer，mw）”，mw<=ms。
4 可靠發(fā)送與盡量發(fā)送性能測(cè)試
本測(cè)試采用由發(fā)布者發(fā)送數(shù)據(jù)，在訂閱者接收到數(shù)據(jù)后立即返回?cái)?shù)據(jù)，再由發(fā)布者本身接收回告，取接收到回告時(shí)間與剛開(kāi)始發(fā)送的時(shí)間差。
表2和表3分別表示盡量發(fā)送和可靠發(fā)送兩種模式下傳輸數(shù)據(jù)所需時(shí)間，表4為兩種發(fā)送模式丟包率的對(duì)比。
從以上結(jié)果可以看出，盡量發(fā)送模式比可靠發(fā)送模式傳輸數(shù)據(jù)所需的平均時(shí)間短，但是會(huì)產(chǎn)生丟包的情況；而可靠發(fā)送模式傳輸數(shù)據(jù)所需的平均時(shí)間較長(zhǎng)，但是不會(huì)產(chǎn)生丟包的情況，確保每個(gè)數(shù)據(jù)樣本都能成功傳輸。
在實(shí)際應(yīng)用中，以艦載信息系統(tǒng)為例，二者應(yīng)相互結(jié)合使用。傳輸實(shí)時(shí)性較高以及周期性發(fā)送的數(shù)據(jù)（如武器傳感器數(shù)據(jù)）時(shí)，發(fā)送模式應(yīng)為盡量發(fā)送；而對(duì)于控制命令（如開(kāi)關(guān)機(jī)等一次性指令）則需要可靠發(fā)送。
5 結(jié)論
本文分析了可靠發(fā)送模型以及協(xié)議，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相關(guān)的QoS策略，通過(guò)盡量發(fā)送和可靠發(fā)送兩種模式的性能測(cè)試，分析了兩種發(fā)送模式所適用的情況。在進(jìn)一步的工作中，將分析探討DDS在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用及其他QoS策略的配置。
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