在DDS中间件上实现双冗余网卡切换的方法.pdf
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1、Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 17 期95文章编号:2095-6835(2023)17-0095-03在 DDS 中间件上实现双冗余网卡切换的方法赵昶宇(天津津航计算技术研究所,天津 300308)摘要:为满足各种分布式实时通信的应用需求,在 VxWorks 系统中采用 DDS(Data Distribution Service,数据分发服务)中间件实现了分布式系统中的信息共享和节点的自动发现,保证了系统的健壮性和可扩展性。但是,由于 VxWorks系统中采用双冗余网卡工作,利用传统的网卡切换方法在任一网卡故障时会导致 DDS 网
2、络通讯中断。为了解决上述问题,阐述了 DDS 中间件技术的架构、通信模型和 QoS(Quality of Service,服务质量)策略,提出了一种在 DDS 中间件上实现双冗余网卡切换的方法。该方法能够保证在 VxWorks 操作系统中双冗余网卡发生切换时 DDS 中间件仍然能正常进行网络通信,同时缩短网卡切换时间,提高网络数据传输的可靠性。关键词:VxWorks 系统;DDS 中间件;以太网;网卡切换中图分类号:TN915文献标志码:ADOI:10.15913/ki.kjycx.2023.17.027以太网技术作为一种成熟且抗干扰能力强的技术,具有构建成本低、物理及数据协议完善、传输速率较
3、高等优良特性,在 VxWorks 嵌入式系统中得到广泛应用。由于 VxWorks 嵌入式系统对以太网具有高实时性和高可靠性的要求,传统的单一网卡一旦出现故障或受损时,很可能导致整个网络系统瘫痪,严重降低了以太网传输的可靠性和实时性。因此,目前通常采用一种网卡故障保护机制,即对当前工作网卡进行冗余热备份,当工作网卡出现故障时,由冗余网卡接替完成网络通讯任务。DDS 数据分发服务作为网络数据通讯的核心技术,它能够保证分布式系统可靠实时地交换分配群体数据,其传输能力比通常的战术数据链高几个数量级。DDS 必须确保在极少的时间和不限制网络中的报告数据容量的条件下,高度可靠地传输数据。为了保证 DDS中
4、间件更加可靠稳定运行在 VxWorks 操作系统中,防止因单独网卡故障导致DDS中间件不能正常工作的情况发生,通常 DDS 中间件在双冗余网卡上工作。由于DDS 中间件具有强实时性和 QoS 策略的特点,VxWorks 操作系统中大多数双冗余网卡的切换方法会导致网卡不能正常切换,或者切换后 DDS 中间件不能正常通信。因此,传统的双冗余网卡切换的方法不能直接应用在 DDS 中间件上。为了解决 VxWorks 系统中基于 DDS 中间件的双冗余网卡切换实时性和可靠性问题,本文提出在 DDS中间件上实现双冗余网卡切换的方法。这些方法能够保证双冗余网卡切换时DDS中间件仍然能正常进行网络通信,同时缩
5、短网卡切换时间,提高网络数据传输的可靠性。1DDS 中间件技术介绍DDS 是以数据为中心,定义描述网络环境下数据内容/交互行为和服务质量要求的标准技术。它提供了一个独立于平台的框架模型,为分布式实时系统发布、传递和接收数据的接口和行为定义了统一标准。应用程序可以基于该中间件框架实时发布信息,并根据需要订阅信息1。1.1DDS 架构DDS 规范包含以下 2 个层次的接口:以数据为中心的 DCPS(Data-CentricPublish-Subscribe,发布-订阅层)。该层位于低层,是 DDS 的核心和基础,提供了 DDS 通信的基本服务,用于完成数据的订阅和发布。DLRL(Data Loca
6、l Reconstruction Layer,数据本地重构层)。该层位于高层,是可选的,它建立在DCPS 的基础上,将 DCPS 层提供的服务进行了抽象,当有数据更新后自动重组数据,并通知所有订阅者更新本地数据。DDS 架构示意图如图 1 所示。图 1DDS 架构示意图1.2DDS 通信模型DDS 是一个以数据为中心的中间件协议和 API(Application Programming Interface,应用程序编程接科技与创新Science and Technology&Innovation962023 年 第 17 期口)标准,用户只关心自己想要的数据,数据通过主题(Topic)进行标识
7、。这样发布者(Publisher)根据主题发布数据,订阅者(Subscriber)根据自己感兴趣的主题订阅数据。通过上述方式建立了以数据为中心的发布-订阅模型 DCPS。DDS 的通信模型如图 2 所示。图 2DDS 通信模型在 DDS 通信模型中,主题(Topic)是数据的抽象概念,关联相应数据的数据类型。把所有的 Topic 集合在一起,建立了一个虚拟的全局数据空间“Global DataSpace”。数据写入者(Data Writer)相当于缓存,将需要发布的主题从应用层写入数据写入者(DataWriter)中。数据读取者(Data Reader)也相当于是一种缓存,从订阅者获取主题内容
8、,并发送给应用层。发布者(Publisher)通过调用 Data Writer 的相关函数发布主题数据,订阅者(Subscriber)只需负责订阅主题数据。1.3QoS 策略应用程序使用 QoS 策略控制、管理和优化在网络中传输的数据流,目前共支持 22 种 QoS 策略。每种策略都可以应用在不同的角色上,而针对同一角色,可单独使用一种 QoS,也可以组合使用多种 QoS 策略。QoS 是一种网络传输策略,应用程序指定所需要的网络传输质量行为,QoS 服务实现这种行为要求,尽可能地满足客户对通信质量的要求。DDS 定义 QoS策略使它对复杂网络环境的适应性和鲁棒性大大增强,优化网络传输质量,Q
9、oS 可以理解为数据提供者和接收者之间的合约。DDS 中几种常用并且重要的 QoS 参数有可靠性、数据的持久度、数据的历史记录、周期数据的超时、基于时间的过滤、数据的有效期、数据的所有权、分区、资源限制等特点。2VxWorks 下双冗余网卡切换为了确保 VxWorks 系统下网络传输的健壮性和可靠性,通常在一块电路板上集成 2 块完全相同的网卡芯片。对于上层应用,这 2 个网卡应该对它呈现“单网卡”特征。为了满足这一特征,2 个网卡必须具有完全相同的 IP(Internet Protocol,互联网协议)地址和MAC(Media Access Control,媒体访问控制)地址。若 2 个网卡
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