文章编号:16711742(2011)01007205
苏伟，杨斌
(西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都610031)
摘要：分布式系统越来越广泛地应用于嵌入式设备，尤其是在航空航天事业、交通控制等方面。而这些应用场
合嵌入式系统的体系结构呈现以网络为中心的趋势，这便对通信的实时性、动态灵活性提出更高要求，同时要求分
布式嵌入式系统各参与者之间采用一种具有松散耦合特性和灵活的通信模式和交互机制。针对此问题，介绍R TI
公司推出的一套支持出版/订阅设计思想的应用程序接口；同时设计并搭建了一个解决此分布异构问题的平台，该
钝化膏
平台为应用程序设计人员提供了一个更高层次的设计空间，允许应用程序的程序员通过即插即用组件的方式编程
完成各个参与者相互间的通讯；而且整个系统的设计更满足高效和实时性的要求。
关键词：计算机应用技术；嵌入式与分布式；分布异构；数据分发服务；中间件；分布式通信;VxWorks
中图分类号:TP316.4
文献标识码:A 收稿日期31引言
随着Internet 技术的广泛应用和计算机技术的飞速发展，嵌入式系统趋向复杂化和多样性，分布式系统越来越广泛的应用于工业中，由于工业设备本身和控制保护设备的要求更为严格和更为复杂，大多数的设备底层都使用复杂的操作系统，这样不仅使工业控制程序变得更加复杂，也使应用软件程序开发人员面对各种各样的开发环境，不能将注意力集中在自己的业务上，程序在不同系统软件上的移植做大量的重复工作，增加了技术负担。这样不但开发过程复杂，开发周期也增大了，对系统的维护，运行和管理也要花费大量的工作，增加了大量的开发成本[1]。
另外，计算机技术的高速发展和更新换代也导致系统处理器的更新换代，以及不同处理器结构的硬件
环境对通信介质的要求也是不相同的，软件开发人员不仅要面临不同硬件开发环境的烦恼，还要面对不同通信介质数据规范的不同而在软件设计时要进行复杂的重复性工作，甚至在系统需要增加新的应用时，对原来的工作就会有很大影响，甚至以前的大量工作都需要重新进行设计。 针对以上问题，讨论了分布异构系统的通信问题，同时设计一种基于PowerPC 处理器的解决通信问题的平台，平台利用RTI 公司推出的数据分发服务(Data Distribution Service,DDS)中间件程序库进行分布式网络节点通信设计，并移植实时性较高的操作系统VxWorks；搭建一个分布式系统，并利用DDS 程序库进行分布式节点通信设计。
2
DDS 在分布式系统的应用模型2.1DDS 介绍
DDS 是分布式实时系统支持出版/订阅设计思想的网络中间件，遵循对象管理组织(OMG)中实时系统数据分发服务DDS 的标准[2]，是专为高性能，实时系统设计的，使DDS 能够广泛应用于航空、国防、分布仿真、工业自动化、分布控制、机器人、电及网络化消费电器等多个领域。体现了以数据为中心进行结构设计的方法学，采用公开标准，并没有设计系统中所有组件，这样一方面提高了使用的灵活性，另一方面用户也可以增加需要的组件。
DDS 标准规范定义了服务质量策略(Q y f S ,Q S)；在标准中定义了超过个规则，包括数据量大小、数据的D 、数据多久到达算是有效等策略[3]。Q S 策略的配置可以通过运行时XML 格式文件或
第26卷第1期
2011年2月成都信息工程学院学报JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF INFORMATION T EC H NOLOGY Vol.26No.1Feb.2011:2010121
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API 接口的程序代码。DDS 采用可扩展的传输方式支持结构，支持非IP 类型的传输方式，同时支持使用多传输通道的传输，提供高性能零拷贝接口，默认支持传输方式:U DPv4,UDPv6，共享内存以及WAN/Secure；同时支持用户自定义的方式:VME 、RS232、TCP/IP 以及StarFabric 等。在整个分布式的嵌入式系统中处于应用程序和底层硬件驱动层之间，一般可以把DDS 看做是应用程序，但不同于应用程序，为应用程序提供传输插件的API，同时提供QoS 策略
来保证传输的高效和正确性。
图1DCPS 通信模式总体框架
RTI DDS 是位于网络协议栈最上层的软件，屏蔽底层网络
代码，代之以通用的、基于标准的应用程序接口(API)。通过
API 提供易于理解、基于发布/订阅的通讯模式[4]，其通信模式
运钞箱总体框架如图1所示。定义了2类基本角。发布者：创建数
据，给数据命名(称为主题)，并将数据分发给感兴趣的订阅者;
订阅者：注册感兴趣的主题，并在主题数据有变化时接收数据。
以数据为中心的发布订阅模式是DDS 的核心，通信是建立
在充分分布的全局数据空间(GDS)的概念上，全局通信模式如
图2所示。所有的数据对象都存在于空间中，应用可自动和异
步地向GDS 读取/写入数据，发布者和订阅者可随时加入和离
开GDS，发布者和订阅者发布其创造/获取某种指定类型数据的意图，订阅通过与主题的匹配进行，主题包括名字，数据类型和QoS,
订阅将通过动态匹配的方式将数据流从发布者传至订阅者。图2DCPS
模型
图3DDS 通信模式与其他模式的比较
2.2DDS 的通信模式
在任意一个节点可以成为发布者、订阅者或两者皆
是，并可拥有多个主题。DDS 处理所有的网络输入输出,
管理可靠和传输透明，如消息寻址、数据组合和分散、流
量控制、重试等。所有这些都不需要应用程序干预，大大
降低了用户的工作量，用户可以把精力花在应用程序的
设计上。
DDS 的通信模式与传统的点对点通信模式，客户端/
服务器通信模式的比较如图3所示。
如图3可知，第1种点对点的传输方式，类似于电话
方式，其裁剪性差；第种服务器客户端模式，以服务为中心，类似于文件系统，数据库，远端请求等，存在单点失败的可能，同时也存在性能瓶颈问题。DDS 采用第3种通信模式，即出版订阅模式，类似于报纸，杂志，广播等，以数据或消息为中心；而且不需要建立连接，适用于多对多的通信方式。73
第1期
苏伟等：数据分发服务在分布式嵌入式系统中的研究与设计2//
3分布式系统构架设计
设计试验方案是：硬件平台基于PowerPC 处理器MPC8548E 的开发平台；操作系统环境是目前实时性较高的VxWorks 操作系统，然后在VxWorks 操作系统中移植DDS 程序库，组建一个5个节点的分布式嵌入式系统，使用的通信介质为Serial RapidIO 总线，完成Serial RapidIO 总线驱动的开发，最后在搭建的网络实现通信，并研究其系统性能和做实时性的分析。整个系统的构架如图4所示。光端机箱
具体方案的实行介绍:
(1)硬件环境的介绍和操作系统环境的构建
硬件平台采用基于飞思卡尔的PowerPC 架构的处理器MPC8548E;MPC8548E 处理器建立在e500片上系统平台之上，集成了PowerPC 核和新一代的PowerQUICCTM III 通信处理器模块，具有千兆级通信处理性能和高速互连接口；支持VxWorks 操作系统。VxWorks 是美国Wind River System 公司推出的一个实时操作系统，在航空等事业中被广泛使用。
对硬件平台进行学习和了解后，进行VxWo rks 操作系统的移植，搭建需要的嵌入式开发环境。
(2)开发符合DDS 接口规范的Serial RapidIO 总线驱动
RapidIO 是一种新型高性能，低引脚数，基于报文交换的互连体系架构，是为了满足现在以及未来高性能嵌入式系统需要而设计的一种开放式互连标准。采用3层分级体系结构，具体描述:
物理层：位于最底层，负责描述器件级接口规范，例如分组传输机制、流量控制、电特性以及低级错误管理。传输层：位于中间层，定义RapidIO 地址空间和在端点器件间传输包所需的路由信息。
逻辑层：位于最高层，定于全部协议和包的格式，为端点器件发起和完成事务提供必要的信息，用户可以根据应用层所需，选择其中的几个协议，并不需要实现所有的协议。
RapidIO 操作基于请求和响应事务，包是系统中端点器件间的基本通信单元，发起器件或主控器件产生一个响应事务，事务被发送到目标器件，目标器件产生一个响应事务返回至发起器件来完成操作。
RapidIO 事务被封装在包中，包则包含确保事务可靠传送至目标端点的所需的位字段，通常不会将RapidIO 端点相互直接连在一起，而是通过介于其间的交换结构连接。在对RapidIO 规范以及DDS 接口规范学习，进行驱动程序的编写。
(3)DDS 程序库的深入理解以及移植到操作系统中
野营房在移植完成操作系统和驱动程序开发完成，将已有RapidIO 驱动的DDS 移植挂接到VxWorks 操作系统上进行后续开发工作。
(4)组建分布式系统，以及性能测试
通信功能和性能测试的网络构架则是由5块相同处理器的开发平台互连起来构成的分布式的嵌入式系统，每个单独的节点的存在或者掉线对整个系统不会产生影响，如图5所示，各节点之间由RapidIO 路由芯片T SI578进行互连。经过DDS 构架，在应用层能够很明确看到连接关系，而不用关心底层硬件的连接。
对应用程序,DDS 屏蔽了底层硬件驱动,
应用程序可以将各种不同的介质看作一种广播模式的收发。
图分布式系统整体框架图
运钞箱图5具有5个节点的分布式互连系统
电暧器完成单个开发平台上环境的搭建和通信功能的测试后，将5个开发平台移植同样的开发环境，进行通信应用程序的功能测试，最后使用性能分析工具，对系统的性能和实时性进行分析和研究，以达到预期目标。74成都信息工程学院学报第26卷4
4
分布式系统性能测试与结果分析4.1性能测试方案
分布式系统具有软硬件平台分布性、高稳定性、高可用性、高可扩展性、高可管理性、高并发性及数据一致性
等多种特性[5]。正是由于这些重要的特性，使得分布式系统的测试过程变得相对复杂和困难。文中主要从分布
式系统测试环境，分布式系统性能方面出发，探讨分布式系统测试过程中存在的一些难点问题并进行适当的分析。
4.2测试结果与分析
性能测试方案制定后，根据RTI 公司提供的测试分析工具,RTI 分析器Analyzer 在网络的一个节点上获得所有的信息。同时用RTI 虚拟监视工具Scope 监视RT I DDS 的传输变量以及每个变量的实时属性和状态，绘制成数据图，便于快速分析。监视结果如图6(a)所示。图6(a)为在系统环境中截取的通信数据，由于图片大小有限，此处只显示3个节点的数据实时通信的结果，由第一列的Timestamp
可知数据在网络中的活动情况。
(a)RTI Scope
监视数据结果
(b)系统吞吐量测试结果图6Sco pe 监视的3个子节点的活动情况以及吞吐率测试
利用Protocol Analyzer 分析器对分布式系统中的网络帧和流量进行分析，测出吞吐率的结果如图6(b)所示。对网络通信进行测试时，数据的活动情况是自己设定的情景，而DDS 的网络性能特性，表现在软件自身的时间开销和物理的时间延迟小,QoS 策略能够保证数据包发送和接收的一致性，正确性和实时性。
整个测试结果总的表现为网络延迟小，丢包率小基本达到不丢包，在压力测试时也能维持较高的正确率，而且有效简洁的实现了网络中的信息传输。
从相关系统性能指标结果，可以得到DDS 在分布式系统中的实时性和可靠性，在网络负载逐级增大的情况下，网络的传输性能表现出的系统的鲁棒性，基本满足分布式控制的通信时间约束要求，实现了在不同操作系统平台间的网络通信。
5结束语
DDS 表现出优良的实时性和平台无关性，适合于分布式实时通信，适合于分布式网络，使应用程序开发人员只关注上层应用程序服务实现，屏蔽了底层硬件驱动，在分布式通信和控制，网络化控制等领域有很好的应用前景，解决了分布异构的通信问题，同时结果将用于后续的项目工作，为后期工作提供可寻的实践依据，更为后续对DDS 的研究提供相关参考。
创新点在于提出一种基于DDS 适用于VxW 操作系统的开发架构，目前在此方面研究的人员很少，将DDS 在分布式嵌入式平台上的应用进行了研究与验证。
75第1期苏伟等：数据分发服务在分布式嵌入式系统中的研究与设计:orks
76成都信息工程学院学报第26卷参考文献:
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The S tudy and Design of Data Distribution Service
in Distributed and Embedded Systems
SU Wei,YANG Bin
(School of Information Science&Technology,SWJTU,Chengdu610031,China)
Abstr act:Distributed Systems are more widely applied in embedded devices,especially in the areas of aviation and aerospace industry,or traffic controlling system.With the more network connection trend of the embedded system architecture,it needs more real time and flexible communication capability but with loose coupling interaction mecha nism amongst sub systems in the Distributed Embedded systems.In this paper,the author designs and constructs a developing platform for distributed heterogeneous system based on the RT I API package.The platform provides ap plication programmer with a higher level in design,and helps to implementing communicate among sub-systems by way of plug and play technique.The design co uld meet the system efficiency and real time requirements quite well. Key words:computer application techno logy;embedded and distributed;distributing and isomer;data distribution ser vice;middleware;distributing communication;VxWorks
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