基于DDS的分布式系统资源整合与查询服务

论文总字数：23958字

摘 要

数据分发服务DDS(Data Distribution Service)是目前军工、电力、通信等重要领域的数据交互通用机制，能够保证数据在局域网中即时、高效、跨平台的传递。在获取局域网中单个节点资源信息的基础上，使用DDS通信服务，可以快速、高效、即时、可跨平台地进行局域网内节点资源信息的整合。此外，对局域网内各个节点DDS通信状态的监控也往往是一系列DDS的扩展应用所迫切需要的。

针对以上情况，本系统以DDS通信为基础，对局域网内的各个节点的系统资源信息进行了获取与整合，同时也实现了对DDS通信状态信息的监听。本文主要工作如下：

1、进行了系统需求分析，根据实际应用的需要，设计了需要整合的系统资源内容，并为上层应用设计了两种不同查询方式的接口——直接查询和注册监听器查询，以满足上层应用不同情况下的需要。

2、对系统的功能结构进行了总体设计和详细设计，并根据设计结果实现了系统的各个功能模块，以及各个模块之间的数据交流机制。

3、详细分析了各个模块之间，模块与DDS进程之间的基于DDS通信的流程及相关操作，并分析了以DDS为基础的数据交换的优点。

4、对整个系统进行了功能测试，通过测试验证了设计接口的可靠性。

关键词：数据分发服务，系统资源监控，DDS通信状态监控

Resource integration and query service based on DDS

Abstract

DDS (data distribution service) is the industry, electricity, communications and other important areas of data universal interaction mechanism to ensure the data in a local area network (LAN) immediate, efficient, cross platform transfer. In the acquisition of the information of the single node in the local area network, the use of DDS, can be fast, efficient, real-time, cross platform to the integration of node resources information in the LAN. In addition, the monitoring of the DDS communication state in the LAN is always the urgent need for the application of DDS.

In view of the above situation, this system based on DDS communication as the basis system of information of each node in the network were acquisition and integration, but also realize the monitoring of DDS communication state information. The main work of this paper is as follows:

1. The system demand analysis: according to the need of practical application, design the needs to integration of system resources, and design the interface of two kinds of different query for the upper application, query and register the listener to query, to meet the needs of different application layer.

2. The function structure of the system is designed and detailed, and the function of the system is realized, and the data exchange between each module is realized.

3. The process and correlation operation of DDS based communication between the modules and the DDS process are analyzed in detail, and the advantage of data exchange based on DDS is analyzed.

4. The function of the whole system is tested, and the reliability of the design interface is verified by the test.

Keywords: data distribution service, System resource monitoring, DDS resource monitoring

目录

摘要 I

Abstract III

目录 V

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的意义 1

1.3 论文组织结构 1

第二章 研究现状及相关技术 3

2.1 DDS相关技术 3

2.1.1 域和 DomainParticipant 的基础概念 3

2.1.2 主题 3

2.1.3 QoS 3

2.2 相关扩展应用技术 3

2.2.1 集群、进程迁移、负载均衡 3

2.2.2 反射式中间件 4

2.2.3 异构资源监控 4

第三章 系统总体设计 5

3.1 系统概述 5

3.2 整合资源信息内容设计 6

3.2.1 DDS资源信息内容分析 6

3.2.2 系统资源信息内容分析 7

3.3 系统接口设计 8

3.3.1 DDS资源信息查询接口设计 8

3.3.2 系统资源信息查询接口设计 10

3.4 功能结构设计 11

3.5 基于DDS的通信设计 12

3.5.1 系统资源监控模块与节点资源刷新模块之间的通信 12

3.5.2 DDS资源监控模块与DDS进程之间的通信 13

3.6 系统基本流程图 15

3.7 本章小结 15

第四章 系统详细设计与实现 17

4.1 DDS资源监控模块 17

4.1.1 功能结构设计 17

4.1.2 运行设计 18

4.2 系统资源监控模块 21

4.2.1 功能结构设计 21

4.2.2 运行设计 23

4.3 节点资源刷新模块 23

4.3.1 功能结构设计 23

4.3.2 运行设计 24

4.4 本章小结 24

第五章 系统测试 25

5.1 测试环境 25

5.2 测试内容设计 25

5.2.1 DDS资源信息的查询 25

5.2.2 系统资源信息的查询 26

第六章 结束语 27

6.1 总结 27

6.2 展望 27

致谢 28

参考文献 29

绪论

研究背景

Data Distribution Service (DDS) 是即时分布式应用的网路中间件。^[1]数据分发服务DDS(Data Distribution Service)是对象管理组织(OMG)在HLA及CORBA等标准的基础上制定的新一代分布式实时通信中间件技术规范，DDS采用发布/订阅体系架构，强调以数据为中心，提供丰富的QoS服务质量策略，能保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。DDS向用户提供在节点、企业设备，嵌入式系统间发布即时数据的通信服务，目前已成为军工、电力、通信等重要领域的数据交互通用机制。

研究的意义

在获取单个节点资源信息的基础上，通过DDS通信机制，可以很好的整合整个局域网中的所有节点的资源信息，从而向上层提供相关的查询服务。此外，通过整合DDS本身的接口，也能向上层应用提供监控整个网络中DDS进程之间的订阅\发布情况的服务。

通过本系统，上层应用无需考虑局域网中资源信息的收集。在诸如局域网监控器、负载均衡、文件分发、记录回放等较为热点的应用中，若基于本系统开发，获取局域网中的资源信息，可以大大简化了这些应用的工作，不仅不必考虑资源信息的刷新以及局域网内的信息整合，而且由于本系统是基于DDS通信中间件开发的，具有跨平台的优点。

论文组织结构

本文共分为6章，各章的主要内容具体如下：

第一章：绪论

本章介绍了研究背景与意义，说明了作者所完成的论文组织架构。

第二章：研究现状及相关技术

本章首先介绍了DDS的相关技术，包括域、主体、QoS的概念，还介绍了集群、负载均衡、进程迁移、反射式中间件、异构资源监控等可以基于本系统开放的上层应用。

第三章：系统总体设计

本章分析了系统的总体需求，包括系统的功能结构划分、接口设计、流程设计、整合信息内容设计等，其中还对于基于DDS通信机制的消息传递进行了设计。

第四章：系统详细设计

本章详细描述了作者在项目中所完成的工作，对系统中的DDS资源监控模块、系统资源监控模块、节点资源刷新模块进行了详细的设计与实现，包括功能结构说明以及流程图，最终完成各个模块的设计。

第五章：系统测试

对系统进行了功能测试以及性能测试。

第六章：结束语

对全文内容进行了总结，概括了系统的特点，并对系统的进一步开发与扩展进行了展望。

研究现状及相关技术

本章将介绍DDS有关的知识概念，主要包括域的概念、以数据为中心的发布/订阅体系架构的实现，并对可以基于本系统进行开发的相关技术进行了探讨。

DDS相关技术

DDS 是即时分布式应用的网路中间件。它向用户提供在节点、企业设备，嵌入式系统间发布即时数据的通信服务。DDS使用发布-订阅通信模型来保证数据分发的效率和鲁棒性^[1]。

DDS 向用户提供了一个平台，这个平台容错并且是灵活的通信基础设施（能在各类不同的电脑硬件，操作系统，语言，网络传输协议下工作）。DDS 是高度可配置的，用户可以通过配置 DDS，满足应用程序的特定通信要求。

域和 DomainParticipant 的基础概念

DomainParticipant 是创建、删除、管理其它 DDS 对象的核心。域（domain）是应用程序的逻辑网络：只用处于相同域中的应用程序才能通过 DDS 相互交流。域通过一个全局唯一的整型变量标识自己的身份，这个全局唯一的变量称为 domain id。每个DomainParticipant 包含 domain id，表明其所处的域。应用程序通过创建一个包含 domain id 的 DomainParticipant 来加入相应的域。

主题

DDS使用发布/订阅模型进行通信，通信的发送端定义发送者：DataWriter，接收端定义接收者：DataReader。

DataWriter 和 DataReader 必须使用相同的主题（Topic）才能相互通信。一个 Topic 包括Topic name 和 Type name。Type name 是一个已经在 DDS 中注册过的数据类型的名字。Topic name 是通信系统中的两个不同部分相互发现的关键，也是一个 Topic 区别于其它 Topic 的标识。Topic 定义了一种数据类型的数据流的格式。DataWriter 发送的数据要先转换为数据流，DataReader接收数据先接收的是数据流。一个数据类型可以被多个Topic关联，但是每个Topic只能关联一个数据类型（通过 Type name）。

QoS

DDS是高度可配置的，通过设置DataWriter和DataReader的QoS策略（Quality of Service）可以选择发送端和接收端的数据传输方式。比如选择可靠传输还是高效传输（reliable/best effort）。

相关扩展应用技术

本节主要介绍一个可以基于本系统进一步开发的常见应用。

集群、进程迁移、负载均衡

集群计算一直是计算机界研究的一个热点^[2]，其关键问题在于有效利用系统范围内的资源。通过负载均衡算法，可以很好的实现范围内资源的高效利用。

^[3]负载均衡服务能够协调服务器集群之间的资源负载，通过判断各个服务器的负载量，将负载较高的服务器的任务转移到负载较轻的服务器中，实现智能管理，从而最大限度的提高服务器集群的资源利用率。其中，在高负载量服务器的任务转移到低负载量服务器的方法中，进程迁移是一个有效机制。

进程迁移是指为了使一个进程能够在目标机器上执行, 把该进程中足够多的状态从一台机器转移到另一台机器上^[4]。

随着计算机网络和一系列的通信技术的快速发展，越来越多的人开始加入互联网大家庭，这对于各类信息中心或数据处理中心的服务器提出了新的挑战^[8]：用户需要一个快速响应、高可用性、稳定的服务器群。

而通过集群、负载均衡、进程迁移等一系列的相关技术，可以很好结局服务器群高效利用资源，稳定工作性能的问题。而这一系列的技术中，负载均衡算法可以说是其中的重中之重。负载均衡需要了解整个网络内所有服务器的负载量，即需要获取单个服务器的负载量，并将这些信息整合到控制端，从而为负载均衡算法提供原始数据。通过使用本系统，可以不必考虑整个服务器群的负载量资源信息的获取以及整合，控制端只需要在加载服务后通过接口查询网络内的负载量资源信息，这大大减轻了负载均衡算法的工作。

反射式中间件

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