自治分散系統(tǒng)ADS及其協(xié)議ADP綜述

1、 自治分散系統(tǒng)ADS及其協(xié)議ADP綜述 (孫煜，錢清泉，西南交通大學(xué)，成都，610031)摘要：介紹了自治分散系統(tǒng)ADS的概念及其系統(tǒng)模型，并闡述了用于ADS系統(tǒng)的通訊規(guī)約ADP的主要內(nèi)部機制。關(guān)鍵詞：自制分散系統(tǒng)（ADS），DF，在線擴展，在線維護，容錯，ADP，多目廣播，PDU。Abstract：The concept of Autonomous Decentralized System (ADS) and its system architecture Are introduced .The communications standard (ADP), which is used in

2、ADS, is also presented with basic internal mechanism.Keywords: Autonomous Decentralized System (ADS), DF, on-line expansion, on-line maintenance, fault-tolerance, ADP, multicast, PDU1簡介自治分散系統(tǒng)（Autonomous Decentralized System）是近幾年才發(fā)展起來的一個概念。它打破了原有的傳統(tǒng)的集中式或分布式系統(tǒng)的C/S體系模型，提出了一種新型的系統(tǒng)框架。在這種系統(tǒng)中，各個組成部分都是一個獨立的

3、整體，它們能夠不受外部控制而獨立自主的完成內(nèi)部功能，同時還能夠主動地及時向外部發(fā)送內(nèi)部信息。利用這種系統(tǒng)概念組建的網(wǎng)絡(luò)具有自我控制和自我協(xié)調(diào)的能力，較好地實現(xiàn)了在線擴展、在線維護和容錯等功能。這些特點與不斷發(fā)展變化的控制網(wǎng)絡(luò)的要求非常吻合。自治分散協(xié)議（Autonomous Decentralized Protocol）是一種基于TCP/IP基礎(chǔ)之上開發(fā)的又一層協(xié)議，它基本上實現(xiàn)自治分散系統(tǒng)概念提出的特點及功能，并且已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用在控制網(wǎng)絡(luò)中。2 ADS基本概念及其構(gòu)成21 ADS的基本概念自治分散系統(tǒng)是由許多子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng),其全局概念不能事先定義,但作為構(gòu)成它的基本模塊的子系統(tǒng)卻應(yīng)滿足以

4、下兩個特點：（1）自控性。即系統(tǒng)中有任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，正在維修或剛剛加入，這都不能影響其他子系統(tǒng)的自我管理及功能的運行。（2）自協(xié)調(diào)性。即系統(tǒng)中有任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，正在維修或剛剛加入，其他子系統(tǒng)之間能夠協(xié)調(diào)各自的任務(wù)并以協(xié)作方式運行以實現(xiàn)各自功能。這兩大特點保證了系統(tǒng)的在線擴展、在線維護和容錯。而每個子系統(tǒng)都能管理自己事務(wù)，它不受控于其他子系統(tǒng)同時也不控制其他子系統(tǒng)。言簡之，子系統(tǒng)之間是平等的，它們只需本地信息即可自我管理和自我協(xié)調(diào)，而其運行是自足的。22 ADS的構(gòu)成221 邏輯節(jié)點（LN）邏輯節(jié)點是ADS構(gòu)成的最基本單元。在物理網(wǎng)絡(luò)中，它對應(yīng)于計算機、智能設(shè)備或其他硬件。每個邏輯節(jié)點都

5、能獨立接受所需的外界信息進行內(nèi)部處理，并主動地以廣播方式發(fā)送處理結(jié)果及其他內(nèi)部信息。222 數(shù)據(jù)域（DF） 數(shù)據(jù)域是ADS中信息傳播的空間。從物理概念上講，它相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)或存儲器。一方面所有節(jié)點主動地向數(shù)據(jù)域發(fā)送信息，同時各個節(jié)點又根據(jù)自己所需從數(shù)據(jù)域中取走信息以完成內(nèi)部模塊的功能。數(shù)據(jù)域又可劃分為本地節(jié)點和遠(yuǎn)地節(jié)點：當(dāng)前節(jié)點所在的數(shù)據(jù)域為本地數(shù)據(jù)域，而通過路由器與本地數(shù)據(jù)域聯(lián)結(jié)的數(shù)據(jù)域則稱為遠(yuǎn)地數(shù)據(jù)域。223 多目廣播組（MCG）由于在自治分散系統(tǒng)中，最基本的通訊方式是廣播，因此把同一數(shù)據(jù)域中關(guān)系相近的多個邏輯節(jié)點劃分為一個廣播組，便于信息發(fā)送的管理。一個邏輯節(jié)點可以指定接收其信息的多目廣播組

6、同時根據(jù)本身需求加入一個或多個多目廣播組。多目廣播組不能跨越數(shù)據(jù)域，其最大等于數(shù)據(jù)域。224 域（Domain）多個數(shù)據(jù)域通過路由器相互連接成為一個整體就構(gòu)成了域。域的概念相當(dāng)于LAN，不同的域相互通訊就形成了通常所說的WAN。以上的幾個概念可以形成ADS的基本系統(tǒng)框架，如圖1所示。 LN MCG DF1DFi RouterDF2 Domain1 Domain i Domain2 圖13 ADP協(xié)議的層次及其實現(xiàn)方法31 ADP協(xié)議層次ApplicationADP TCP UDP Transport (IP) Internet (Ethernet Frame ,ARP) Network Int

7、erface Physical由于ADS以面向無連接的廣播通訊方式為主，所以其主要是建立在TCP/IP協(xié)議的UDP基礎(chǔ)之上的一個協(xié)議，從另一個角度上講，ADP可以看作是TCP/IP應(yīng)用層的開發(fā)，ADP協(xié)議的用戶可以在其之上做進一步的應(yīng)用開發(fā)。具體位置可用圖2表示。 圖232 ADP協(xié)議的實現(xiàn)首先，ADP協(xié)議給ADS的各個構(gòu)成單元定義了數(shù)目：LNN（邏輯節(jié)點數(shù)目）：每個數(shù)據(jù)域可設(shè)置14095個，0保留表示本節(jié)點。DFN（數(shù)據(jù)域數(shù)目）：每個域可設(shè)置1225個，0保留表示本數(shù)據(jù)域。MGN（多目廣播組數(shù)目）：每個數(shù)據(jù)域可設(shè)置1255個，0保留專門用途。 除此之外，ADP協(xié)議中還有個非常關(guān)鍵的參數(shù)TCD

8、（Transaction Code），它是ADS系統(tǒng)進行通訊的基本依據(jù)，同時也是ADS特殊所在數(shù)據(jù)驅(qū)動機制實現(xiàn)的關(guān)鍵。在ADS正常運轉(zhuǎn)的過程中，各個節(jié)點不是通過地址來識別信息，而是通過預(yù)先注冊在一個表格中的TCD來決定本節(jié)點是否接受此信息，并將它傳送給相應(yīng)的系統(tǒng)或應(yīng)用模塊。ADP將TCD分為兩類，系統(tǒng)TCD和用戶TCD：系統(tǒng)TCD：6000065534，用作系統(tǒng)的過程代碼，由系統(tǒng)開發(fā)人員實現(xiàn)設(shè)定。用戶TCD：159999，應(yīng)用程序過程代碼，作為用戶開發(fā)應(yīng)用程序自行設(shè)置。321 多目廣播ADP協(xié)議主要是建立在UDP基礎(chǔ)之上的，因此使用頻繁的是無連接的多目廣播通訊方式。在某一數(shù)據(jù)域中，當(dāng)發(fā)送者將帶

9、有TCD代碼的信息通過多目廣播方式發(fā)送給某一多目廣播組時，屬于該廣播組的所有節(jié)點將會自動接收帶有所需TCD的信息。由于沒有規(guī)定目的地址，可實現(xiàn)較廣范圍的通訊。使用多目廣播通訊，有利于實時數(shù)據(jù)通信，可以提高同時向多點傳送信息、周期性發(fā)送信息的效率。節(jié)點的加入和刪除使用socket編程即可。節(jié)點加入多目廣播組MGNi時，只需生成該廣播組的一個socket，隨后將節(jié)點與此socket綁定（包括MGNi的IP地址和UDP端口號）。需要撤出廣播組，關(guān)閉與節(jié)點綁定的socket即可。這樣一來，充分體現(xiàn)了ADS系統(tǒng)中節(jié)點的平等性和自我管理能力。傳統(tǒng)的C/S體系結(jié)構(gòu)中，節(jié)點屬于哪個組必須由管理人員設(shè)置，而AD

10、S系統(tǒng)中，各個節(jié)點設(shè)置自己權(quán)限不會干擾其他節(jié)點的運行。322 生存信號（Alive Signal）ADS系統(tǒng)中每個節(jié)點是自我管理的，因而它要隨時報告自己的狀態(tài)，以便其他節(jié)點的運行。ADP中規(guī)定了一種特定的信號Alive Signal，要求每個工作的節(jié)點都要發(fā)送此信號。生存信號傳輸范圍限制在本地DF內(nèi)，并且規(guī)定了發(fā)布周期。若同一數(shù)據(jù)域的節(jié)點n根本收不到某節(jié)點i的生存信號或者在收到該信號后經(jīng)過一個發(fā)布周期沒有再次收到節(jié)點i的生存信號，則n可以判定i處于死亡狀態(tài)，反之則可認(rèn)定i處于生存態(tài)。這一機制同時也提供了一種實現(xiàn)容錯的方法，如圖3所示：ApplicationNode2 Alive SignalD

11、FNode1Application 圖3節(jié)點2中的應(yīng)用程序是節(jié)點1中的應(yīng)用程序的備份,它隨時監(jiān)控節(jié)點1的生存狀況。如果節(jié)點2判定節(jié)點1已經(jīng)死亡，則其啟動備份應(yīng)用程序接替節(jié)點1中應(yīng)用程序的工作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點1恢復(fù)正常狀態(tài)，節(jié)點2自動關(guān)閉備份應(yīng)用程序，由節(jié)點1繼續(xù)工作?？梢娺@種容錯機制真正實現(xiàn)了冗余，節(jié)點或其應(yīng)用程序與備份的替換只涉及相應(yīng)的兩節(jié)點，而與其他節(jié)點無關(guān)。 除此之外，ADP在Alive Signal中還留有一部分空間用來報告節(jié)點中的故障情況，以便其他節(jié)點作出相應(yīng)的反應(yīng)。 特別地，Alive Signal必須向系統(tǒng)保留的多目廣播組MGN=0發(fā)送，所有節(jié)點將無條件地接收此信息。同時所有節(jié)點接收

12、Alive Signal的UDP端口號必須相同。323 在線測試Node1Node4Node3Node2 Online Online Test Test ： 在線信息 ：測試信息 DF ADP將信息狀態(tài)分為兩類：在線和測試。相對應(yīng)地，生存節(jié)點也分為在線和測試。并且規(guī)定：在線節(jié)點只接收在線信息，而測試節(jié)點兩種信息都接收。因而處于測試狀態(tài)的節(jié)點不會干擾在線節(jié)點的正常運行，同時它又可以接收在線信息進行單個測試或接收測試信息進行聯(lián)合測試。在ADP的信息頭中包含了表示信息狀態(tài)的代碼，節(jié)點只需根據(jù)這一項目作出正確反應(yīng)。 圖4324 信息的優(yōu)先級別ADP提供了由高到低的17級優(yōu)先級別，0級（或缺?。﹦t是最低

13、的，在發(fā)送和接收時最后處理。圖5列舉了ADP對于優(yōu)先級別的處理方法,第三個到達發(fā)送隊列的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級別為“1”，則其繞過排在前面的級別為“3”的兩組數(shù)據(jù)先行發(fā)送到數(shù)據(jù)域中。DF 3 Level1: 3 Level3 : 2 1 ADP ：即將發(fā)送的數(shù)據(jù)隊列，標(biāo)號表示到達隊列的次序。 ：應(yīng)用程序數(shù)據(jù) 圖5325 信息的順序處理為了防止信息亂序或丟失等現(xiàn)象，ADP提供了序列版本號（V-SEG）和傳輸序號（SEQ）兩個參數(shù)。每當(dāng)節(jié)點重啟動將產(chǎn)生一個新的序列版本號，用啟動時間表示；傳輸序號用數(shù)字表示，范圍是10XFFFFFFFH。接收節(jié)點就根據(jù)這組參數(shù)來自行處理出錯的信息。326 信息的劃分由于目前的

14、ADP協(xié)議基于Ethernet上的TCP/IP協(xié)議，所以其最大傳輸單元小于1500bytes。實際使用時IP和TCP（UDP）頭信息各占 20bytes，ADP頭信息占64bytes，則ADP下的信息的最大傳輸單元為1396bytes。在利用ADP進行通訊時，要用最大傳輸單元對報文進行分組。327 點到點連接雖然ADP的重點是強調(diào)廣播通訊方式，但在處理某些必須考慮安全保密問題的場合也提供了基于TCP之上的點到點的通訊方式。它要求兩節(jié)點通訊之前必須建立可靠的連接。ADP將點到點的通訊過程分為三個階段：空閑態(tài)（Halt status）：此時允許建立TCP連接，但不許交換信息。相當(dāng)于TCP連接的CL

15、OSE態(tài)。開放態(tài)（Open status）：此時正在建立TCP連接，一旦連接成功自動轉(zhuǎn)換到鏈接態(tài)。包括TCP的SYN-SENT、LISTEN或SYN-RECEIVED。鏈接態(tài)（Link status）：TCP連接已經(jīng)建立，節(jié)點之間可以交換數(shù)據(jù)。相當(dāng)TCP的ESTABLISHED態(tài)。各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程如圖6所示： Halt Status Open Status Link Status 圖633 ADP的基本數(shù)據(jù)格式0 064 64128 76 (b) (c)Ethernet headerIPheaderUDP headerADPheader Data ADP數(shù)據(jù)單元（PDU）在如圖7(a)，它是將

16、UDP或TCP的數(shù)據(jù)部分進一步劃分為ADP頭部信息和數(shù)據(jù)兩部分。由于ADP數(shù)據(jù)又可分為生存信息和一般信息兩類，其數(shù)據(jù)單元有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如圖7(b)(c)。ADPheaderAlive signalheaderFault informationADPheaderMSTC headerData （a） PDU4 結(jié)束語自治分散系統(tǒng)ADS的概念是在對運算控制系統(tǒng)靈活運用和靈活組建需求的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，并且它的實現(xiàn)是以不斷發(fā)展豐富的計算機網(wǎng)絡(luò)資源為前提的。這一系統(tǒng)具有的兩大特性自我控制和自我協(xié)調(diào)，保證了在線擴展、在線維護和容錯機制。ADS系統(tǒng)最大的特點在于它提出的數(shù)據(jù)域DF概念，所有的自治子系統(tǒng)都以廣播

17、方式向DF發(fā)送數(shù)據(jù)，同時根據(jù)各自的需求從DF中選擇接收數(shù)據(jù)。自治分散協(xié)議ADP提供了ADS系統(tǒng)實現(xiàn)的應(yīng)用接口，它是建立在TCP/IP基礎(chǔ)之上的協(xié)議。主要使用了無連接的UDP協(xié)議，將ADP數(shù)據(jù)單元PDU封裝在UDP信息的的數(shù)據(jù)部分。同時ADP協(xié)議使用了多目廣播、生存信號、故障信息等多項措施來保證正確可靠的傳輸。綜上所述，由于自治分散系統(tǒng)具有強大的自我控制和自我協(xié)調(diào)的能力，而ADP協(xié)議的實現(xiàn)又不需任何特殊的硬件，只需以廣泛應(yīng)用的TCP/IP為基礎(chǔ)，這更為ADS系統(tǒng)的發(fā)展提供了便利的條件?？梢灶A(yù)計，自治分散系統(tǒng)必將在今后的控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。參考文獻1“Autonomous Decentralized System：Concept ,Data Field Architecture and Future Trends,”， Kinji Mori. Proceedings of ISADS 93，Kawasaki，Japan，19932“