基于天基信息系统的数据分发技术研究

雷超文,田文波,何 健,韦 杰,祝 娅

(1.上海航天电子技术研究所，上海 201109； 2.上海航天智能计算技术重点实验室，上海 201109)

0 引言

长期以来，各类国防系统均采用截然不同的通信网络，如CAN总线，RS422总线等[1]。而随着航天领域新概念新技术的不断运用和作战理念的不断更新，未来基于网络信息体系的联合作战、跨域作战将成为我国国防体系建设的必然要求，这也对我国海、陆、空、天各型设备的互联互通互操作提出了更高要求。

天基平台可以综合利用星间、星地数据链路传输信道，将从太空到空中、海面、陆地的察打一体能力实现无缝一体化、全覆盖。星上传感器处理生成的情报数据可以经由天基平台直接进行跨域传输，地面指令信息也可通过天基平台进行直接回传，进而实现全域联合作战的指挥控制、情报侦查与武器协同[2]。

综上所述，面对未来作战空间急剧膨胀、战场决策因素爆发式增长，天基平台以其空间位置优势，可以将卫星、地面指控中心与武器平台更好、更快捷地联合起来[3]。在和平时期，天基信息系统能够在全球范围内综合利用各类侦查卫星形成情报信息，针对高威胁的战略目标进行全天候监控，并利用信息分发系统将信息及时回传至地面，为地面指控平台的决策提供依据[4]。在战争时期，天基多域信息分发系统可以实现海陆空天等多兵种数据的跨域传输。利用天基多域信息分发系统，情报侦查信息可以快速回传至地面指控中心。而指控命令也可经由本系统快速传输至武器平台，引导武器系统精确打击敌方目标。

但由于各自采用的通信协议和硬件平台不尽相同，目前各军兵种武器平台、指控中心与天基平台无法做到互联互通[5-6]。因此，如何打通各平台间的通信壁垒将成为实现天基跨域数据传输的重大难题。随着我国构建覆盖陆海空天的天地一体化异构组网架构，数据分发将跨多个作战域、多个网络形态、多种传输体制以及不同QoS(quality of service，服务质量)用户需求[7]。而DDS(data distribution service，数据分发服务)技术以其数据为中心的发布/订阅模型特点，具备在跨域联合多样化、异构网络架构环境下实现动态路由规划与重规划，自适应节点快速运动与时变链路状态的能力[8]。因而讨论DDS技术应用在天基多域信息分发系统网关上并基于国产操作系统进行移植具有重要的战略意义。

1 DDS技术

DDS(data distribution service,数据分发服务)分布式数据分发服务中间件协议，作为新一代分布式网络标准协议，由美国海军主导，2005年由国际标准化组织OMG制定发布。它具备跨平台、多态网络、互操作性强和低时延等功能。

DDS中间件是以数据为中心的发布/订阅模型和数据分发服务规范，可通过即插即用组件的方式完成相互间的通讯，不需要程序员手工编写点到点的连接代码。

DDS还允许系统操作者在系统运行时根据系统运行状态重新配置参数。此外，DDS还提供了大量的开发工具，可以方便用户记录、分析、测试各种数据，包括这些数据在网络中的分发状况、各个数据的QoS策略的一致性。DDS还可在现有通信网络上方便灵活地增加、减少通信节点[9-10]。

DDS的发布/订阅模型提供了一个以QoS控制的虚拟共享的全局数据空间[11]，其结构如图1所示。在该全局数据空间当中，用户能够以数据发布者的身份发布数据，或用数据订阅者的身份订阅数据。DDS允许节点在发布信息的同时实时地接收其所订阅的信息[12]。

图1 DDS全局数据空间

DDS规范的核心是DCPS层(以数据为中心的发布订阅层)[13]。DCPS层为节点发布和订阅信息提供了基础架构。DCPS各实体包括域(Domain)、域参与者(Domain Participant)、数据写者(Data Writer)、数据读者(Data Reader)、订阅者(Subscriber)、发布者(Publisher)。图2显示了各个部分之间的关系。其中，数据按照发送端的数据写者(Data Writer)、发布者(Publisher)以及订阅端的订阅者(Subscriber)、数据读者(Data Reader)的顺序进行传输[14]。

图2 DCPS模型结构

DDS中的每一个成员都是一个实体，DDS中，任意两个实体之间的通信都必须通过同一个域来进行交互。另外，在DDS中，所有的数据都带有一个主题，主题用以区分各种不同类型的数据，是实现发布者和订阅者之间数据传输的基本参数[15]。主题也可称之为数据，全部的这些数据共同组成了DDS的全局数据空间。在全局数据空间中，分布式节点使用简单的读写操作即可实现对这些主题数据的访问。DDS的全局数据空间是一个逻辑的概念，并不是存在于某一个特定的中心节点中。事实上，由于DDS常应用在分布式系统中，因此，其全局数据空间往往分散在各个分布式节点之中。

此外，DDS规范还定义了23个QoS，用户可以通过配置不同的Qos，能够在不写一行代码的前提下实现对数据分发过程的控制，极大地减小了用户的工作量[16]。如ResourceLimits策略描述了本地有多大存储空间可用于DDS配置。TimeBasedFilter策略则描述了一种基于时间的数据过滤机制。

2 天基多域信息系统网关平台与操作系统

2.1 天基多域信息系统网关平台

对于以天地网络一体化为背景的新一代天基多域信息系统来说，它要求以数据为中心，可以实现有效的数据自动交换。这意味着任何类型的设备必须能够无缝、可靠地连接到通信网络，随后根据需要读取和写入数据，然后断开连接[17]。

新一代天基信息系统以数据为中心，这意味着同一个网络上的设备能够彼此通信，无需通过中心信息服务器。而将DDS技术应用于天基多域信息系统综合网关上可以解决这一难题。

综合网关是天基多域信息系统的核心设备之一。通过天基多域信息系统的综合网关平台，将不同的网络连通起来，它通过信息转化和信息传输，可以解决广域范围内指挥所、作战平台和天基平台之间不同格式的数据转化、融合处理与路由分发等难题。由此可见，综合网关需要具备高功能集成、自主数据交换和信息融合高效的能力，满足天地网络一体化背景下跨平台信息传输与分发的需求。

基于DDS技术的综合网关平台可以简化网络中链路接入和节点发现机制，进而使得设备接入与握手通信协议具备简介、高效的特点和自主发现与交换能力[18-19]。

此外，DDS的发布/订阅机制还可以解决跨平台、跨操作系统间不同类型设备的相互通信和协作问题。

如图3所示，在基于DDS技术的综合网关之中，能够以主题方式，让接入用户自动发布消息。主题可以统一制定，也可以由用户进行设置。此外，综合网关还能够以主题方式主动获取多种信息，然后进行多元信息融合处理，再将处理后消息以新主题发布。谁订阅谁使用，装订成相应消息数据格式即可。

图3 以主题为核心的发布/订阅自主数据交换系统

利用DDS系统的优势，节点接入可主动更新。而以主题为核心的发布/订阅方式以及不同链路自动接入的特点，能够解决链路协议多样化、不兼容等问题。在实现方式上可能存在多个处理器平台或底层硬件平台的差异，通过DDS与硬件无关的特性，屏蔽底层差异性。进而满足不同用户的QoS需求。

主题可以统一制定，也可以由用户关心的类型设置。一般设计的主题类型包括以下几种：网络管理；平台参数；平台状况；目标监视；信息管理；指挥控制。

2.2 风云翼辉操作系统

风云翼辉(AIC-OS)嵌入式操作系统是有航天八院自主研制的专用于卫星等航天器的国产操作系统。它具有高实时性的特点，能够让应用软件实现高精度调度，提高软件对卫星各项功能控制的可靠性。而作为一款专用于航天器的操作系统，风云翼辉操作系统还带有丰富的航天专用组件，可以为星上应用软件提供基础支撑。此外，风云翼辉操作系统还兼容POSIX标准，方便不同操作系统软件的移植，可以大大提高软件的复用率。

AIC-OS嵌入式操作系统的系统架构如图4所示。

图4 风云翼辉系统架构

AIC-OS嵌入式操作系统由内核、驱动(BSP)、中间件及第三方库、应用程序和相应的开发环境组成。其内核采用单内核模式设计。在驱动层完成对信息管理平台提供的外设的读、写访问，中间件层提供对应用开发有帮助的库，如VxWorks和Qt等，集成开发环境提供开发者具体功能应用的开发。

风云翼辉(AIC-OS)嵌入式操作系统为支持不同体系结构的处理器，对CPU底层接口进行了抽象，这样移植风云翼辉到PowerPC P1022处理器时，只需要重新实现P1022底层接口即可。

3 平台适配

3.1 基于AIC-OS的DDS移植

基于AIC-OS操作系统的DDS移植就是在PowerPC P1022平台上基于AIC-OS嵌入式操作系统，将DDS源码编译成动态库，作为中间件提供给上层应用程序使用，实现基于AIC-OS嵌入式操作系统的DDS核心库的移植适配，同时针对AIC-OS嵌入式操作系统的应用设计通用DDS API接口。

基于AIC-OS嵌入式操作系统的DDS移植方法有以下几种。

1)使用POSIX接口：DDS源码中通过API接口适配层可以使用标准的POSIX接口，AIC-OS嵌入式操作系统完美支持POSIX接口，所以基于AIC-OS移植DDS通用API接口适配层时，直接采用POSIX接口。在编译DDS通用API接口适配层的各个模块时，使用POSIX接口进行适配。

2)模块实现接口选择：AIC-OS嵌入式操作系统能够很好的支持Linux接口，所以在编译DDS核心层的模块时，采用Linux的实现方式，将DDS源码核心层的各个模块分别按照Linux的实现方式进行编译。

3)Makefile的编写：AIC-OS嵌入式操作采用集成开发缓存，其中工程管理文件Makefile能够自动生成，在编译DDS源码时需要手动修改Makefile文件，参照AIC-OS操作系统Makefile的编译参数，编写DDS的Makefile，将编译的相关变量及参数按照AIC-OS操作系统的方式写入DDS的Makefile中。

3.2 基于VxWorks操作系统的移植适配

VxWorks操作系统是实时操作系统，具有运行稳定、实时处理延迟低的特点，在武器领域，尤其是指控、火控领域有着广泛的应用。针对基于x86架构下的VxWorks6.8版本，通过对底层代码进行适配更改，并将DDS源码进行环境适应性修改及重新编译，完成了对DDS的移植[20]。移植成功后，VxWorks系统可以正常运行DDS，并于其他节点通信。

3.3 基于Windows操作系统的移植适配

针对传统x86架构的windows7/10平台，进行多版本DDS产品的适配。在Windows系统下，通过设计的idl表，分别进行C语言、C#语言、Java语言的接口适配。

4 实验测试

4.1 DDS验证平台搭建

搭建DDS测试验证系统，分别模拟卫星、指控车和地面指挥中心大厅。测试系统包括1台数据服务器，1台P1022处理器板，4台交换机，5台计算机。分系统内部有交换机连接，分系统之间通过一个交换机实现连接，设备通过2级交换机实现互联，通过千兆以太网实现控制命令的发送和载荷遥测数据的下行，系统组成架构如图5所示。

图5 多系统测试组成框图

本系统包括1个卫星节点，2个链路节点。天基节点基于P1022处理器和国产操作系统，链路节点基于地面PC机和Windows操作系统。各个节点之间通过有线网络互连。

系统组成如下：

1)数据服务器是基于P1022处理器的单机，基于风云翼辉(AIC-OS)嵌入式操作系统，模拟卫星载荷数据源，实现载荷数据的发布。

2)接口服务器是基于Windows平台的武器业务接口软件，实现载荷数据的订阅和解析后内部数据的发布。

3)指挥软件运行VxWorks，用于模拟指挥车、主机软件运行Windows，用于模拟地面指挥中心。实现遥控命令的发送，实现载荷数据的订阅。

4)通用浏览软件运行Windows，实现载荷数据的订阅和解析后的显示。

本测试系统中的每个节点均部署了DDS中间件。试验重点为在天基多域背景下对国产操作系统进行DDS适配测试。其中天基卫星采用风云翼辉嵌入式操作系统进行软件开发。

4.2 试验场景

本试验的试验场景为在天地网络一体化背景下的跨域信息流互通。

试验方案如下：

在多系统部署和联通后，卫星作为数据源头，首先启动所有服务，并等待其它系统的数据订阅请求，运载系统和武器系统随后启动软件，根据需要向卫星发送请求，根据收到的数据进行实时处理。

运载分系统，数据处理与转发软件，向卫星发布订阅请求，实时接收弹道信息并显示；指挥软件模拟导弹车、武器车，根据业务需要，向卫星发布订阅请求；卫星根据订阅请求，向网络上发布不同的载荷信息。

根据场景应用的需求，设计了通信的idl表，并设置了8个资源主题，分别如下显示：

const string TOPIC_RESLIST=

“Resource List”; /*资源列表*/

const string TOPIC_PLATTM=

“Platform TM”; /*平台遥测*/

const string TOPIC_RADERCON =

“Radar Reconna”; /*雷达侦查*/

const string TOPIC_COMMERCON =

“Communication Reconna”; /*通信侦查*/

const string TOPIC_AIS =

“AIS”; /*AIS数据*/

const string TOPIC_ADSB =

“ADS-B”; /*ADS-B数据*/

const string TOPIC_VDES =

“VDES”; /*VDES数据*/

const string TOPIC_IMAGE =

“Image”; /*图像数据*/

const string TOPIC_INRSATE =

“Inter-satellite”; /*星间数据*/

通过设计的idl表和编写的程序，卫星分系统在启动后，实时向外发布资源列表和资源情况，同时在界面上显示连接信息，如图6所示。

图6 卫星资源发布图

显示软件根据收到的载荷信息，解析后在界面显示。在测试大厅，运载分系统和战术分系统都在网络上收到了卫星发布的资源列表，同时在资源列表中订阅了自身需要的资源。

运载分系统启动了2个客户端，都订阅了Platform TM的资源，在卫星资源发布图中可以看到Platform TM资源的连接用户为2，断开1个客户端后，Platform TM资源的连接用户为1。

4.3 DDS技术指标测试

在上述试验场景下，对系统进行联通性试验、通信时延试验、传输安全性和误码率试验、在线状态感知试验以及可靠性试验等多方面，全方位的实验测试。

4.3.1 联通性试验

根据天基多域信息系统需要跨域、跨平台传输信息的要求，对本系统进行了点对点联通性试验、点对多联通性试验以及跨平台联通性试验。

1)点对点联通性试验：在实际使用过程中，最多的应用场景就是两个终端之间的点对点通信，传统的方案是TCP传输或UDP应答式传输，采用DDS中间件后，需要进行点对点压力测试，验证其通信的可靠性。

2)点对多的联通性试验：在实际的应用场景中，存在一个终端产生的数据源通过组播传输，多个终端同时接收并使用该数据的场景，传统的方式是采用UDP组播方式，采用DDS中间件后，需要进行点对多的压力测试，验证在点对多模式下的通信可靠性。

3)跨平台联通性试验：在实际的天基多域信息系统中，系统中的多个设备采用了不同的操作系统，有VxWorks、Windows、AIC-OS嵌入式操作系统等，这些设备需要进行实时的通信，因此需要在各个设备上移植DDS中间件后进行联通性验证。

实验结果如表1所示。

表1 联通性试验结果

在联通性试验时，通过开发的测试软件，进行了带宽测试。

1)点对点通信带宽测试：如图7所示，设置输入数据帧长度为1 024字节，总传输帧数为100 000，当DDS发布者只发1个主题的帧数据，DDS订阅者只接收1个主题帧数据时，在不丢包的前提下DDS的平均带宽可达105 Mbps以上；

图7 DDS单主题接收

2)点对多通信宽带测试：如图8所示，设置输入数据帧长度为1 024字节，总传输帧数为100 000，当DDS发布者同时发送3个主题的帧数据，DDS订阅者同时接收3个主题时，在不丢包的前提下DDS的平均带宽可达35 Mbps以上。

图8 DDS多主题接收

4.3.2 通信时延试验

DDS技术相对于传统的TCP、UDP方式，多了一层中间层，高速通信时，数据通过中间层时，相对于传统方式，产生的时延是否增大，需要进行测试，验证其时延量级，是否可以用在高速数据传输。

通过专用的网络测试工具，分别进行32、64、256、1 024、8 192、32 768、63 000字节长度的延时测试，测试结果如图9所示。从图9中可以分析得到结果，采用DDS传输时，字节的传输延时都在ms级别以下，与不采用DDS直接传输的情况没有区别，可以得到结论，采用DDS并不会增加网络传输的延时。

图9 通信时延试验

通过开发的应用软件，综合采用DDS.waitset、DDS.StatusCondition、DDS.StatusMask等类来辅助计算时延，发布者在发送数据时记录发送时间并进入等待接收状态，订阅者接到数据后进行回传，发布者接收到订阅者的回传数据后记录接收时间，通过多组帧数据传输计算平均时延，最后得到图10，时延约为0.2 ms。

图10 DDS时延测试

4.3.3 传输安全性和误码率试验

误码率是数据传输的重要指标，DDS中间件在部署完成后，需要进行不同码率下传输误码率的测试，验证其可靠性。

在进行多系统联合测试时，通过星载平台进行了多个主题(Topic)的发布，武器平台和运载平台都对Topic进行了订阅，通过业务接收软件进行了实测，配置为可靠通信模式下，测试过程未发现误码或丢包现象。配置为不可靠通信模式下，测试过程发生丢包现象，丢包率约为万分之一。

4.3.4 在线感知试验

在天际多域信息系统中，需要有一个显示终端来显示各个设备彼此之间的连接状态，是否处于正确或断开情况，传统的方式是采用TCP连接或UDP心跳方式感知。而采用DDS技术之后，需要对系统中各个设备的连接状态进行感知验证。

在进行多系统联合测试时，通过DDS产品的测试工具，能够查看到网络上所有连接到Topic的设备。查看结果如图11所示。

图11 在线感知状态1

如图12所示，当订阅者接入到某Topic时候，可以通过可视化的监测界面可以看到连接的设备增加。

图12 在线状态感知2

4.3.5 可靠性试验

1)可靠通信与不可靠通信实验：分别在可靠通信与不可靠性通信模式下进行通信试验：通过编写QoS配置文件，分别进行了这两项测试，结果显示在可靠通信(RELIABLE_RELIABILITY_QOS)模式下，出现丢包会进行重传，在不可靠通信(BEST_EFFORT_RELIABILITY_QOS)模式下，出现丢包不会重传。测试结果如图13和图14所示。

图13 可靠通信试验

图14 不可靠通信试验

4.4 测试结果分析

综上所述，在联通性试验中，验证了基于DDS技术的天基多域信息系统的跨平台联通能力，实现了风云翼辉(AIC-OS)、VxWorks和Windows等不同操作系统平台之间的联通。同时，经过通信带宽测试，验证了DDS中间件在点对点通信和点对多通信中均拥有较高的带宽，可以有效满足大数据量的传输需求。通信时延试验中，结果表明采用DDS传输时，其平均传输时延在毫秒级别以下，与不采用DDS传输没有区别。因此可知采用DDS技术并不会增加网络传输的时延。在传输安全性和误码率试验中，验证得知了在可靠通信的模式下，系统不会发生误码或丢包现象，而在配置为不可靠通信的模式下，系统会发生丢包现象，但丢包率较低，约为万分之一。在线感知试验中，验证得知，本系统能够自动感知系统中新增的设备。而在可靠性试验中，可知在可靠通信的模式下，系统在出现丢包时会进行重传，而在不可靠通信的模式下，出现丢包不会进行重传。

因此，基于DDS技术的天基多域信息系统能够很好的完成对不同平台通信链路的互联互通，打通各平台间的通信壁垒，实现数据的跨域传输。能够很好的应用在我国天地一体化异构组网架构的建设中，实现天地一体化通信。

5 结束语

天基多领域信息互联互通始终是一个难点，需要进行大量的协调和对接工作，采用DDS技术，通过对天基多域信息系统网关进行标准的idl表制定以及维护，可以实现多领域之间信息高效互联互通，大幅度减少沟通协调对接时间，且该技术拥有高可靠性和高性能。本文通过对搭载AIC-OS操作系统的PowerPC P1022硬件平台移植DDS系统，验证发现其能够很好地支持星上跨域、跨平台以数据处理为中心的新一代天基多域信息分发系统的应用，可以作为新一代天基多域信息分发系统中数据管理的核心应用，为未来解决平台差异性情况下的消息自动交换问题提供了一个新思路。在下一阶段的研究中，我们将对本系统在无线环境下的各项功能进行测试和完善，以满足未来实际需求。