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(jī)制。關(guān)鍵詞：自制分散系統(tǒng)（ADS），DF，在線擴(kuò)展，在線維護(hù)，容錯(cuò)，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(gè)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(gè)組成部分都是一個(gè)獨(dú)立的

3、整體，它們能夠不受外部控制而獨(dú)立自主的完成內(nèi)部功能，同時(shí)還能夠主動(dòng)地及時(shí)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(shí)現(xiàn)了在線擴(kuò)展、在線維護(hù)和容錯(cuò)等功能。這些特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)自治分散系統(tǒng)概念提出的特點(diǎn)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(gè)特點(diǎn)：（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(yùn)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(yùn)行以實(shí)現(xiàn)各自功能。這兩大特點(diǎn)保證了系統(tǒng)的在線擴(kuò)展、在線維護(hù)和容錯(cuò)。而每個(gè)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(shí)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(yùn)行是自足的。22 ADS的構(gòu)成221 邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）邏輯節(jié)點(diǎn)是ADS構(gòu)成的最基本單元。在物理網(wǎng)絡(luò)中，它對(duì)應(yīng)于計(jì)算機(jī)、智能設(shè)備或其他硬件。每個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)都

5、能獨(dú)立接受所需的外界信息進(jìn)行內(nèi)部處理，并主動(dòng)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(chǔ)器。一方面所有節(jié)點(diǎn)主動(dòng)地向數(shù)據(jù)域發(fā)送信息，同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和遠(yuǎn)地節(jié)點(diǎn)：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在的數(shù)據(jù)域?yàn)楸镜財(cái)?shù)據(jù)域，而通過路由器與本地?cái)?shù)據(jù)域聯(lián)結(jié)的數(shù)據(jù)域則稱為遠(yuǎn)地?cái)?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(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)廣播組，便于信息發(fā)送的管理。一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)可以指定接收其信息的多目廣播組

6、同時(shí)根據(jù)本身需求加入一個(gè)或多個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)域通過路由器相互連接成為一個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)協(xié)議，從另一個(gè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)首先，ADP協(xié)議給ADS的各個(gè)構(gòu)成單元定義了數(shù)目：LNN（邏輯節(jié)點(diǎn)數(shù)目）：每個(gè)數(shù)據(jù)域可設(shè)置14095個(gè)，0保留表示本節(jié)點(diǎn)。DFN（數(shù)據(jù)域數(shù)目）：每個(gè)域可設(shè)置1225個(gè)，0保留表示本數(shù)據(jù)域。MGN（多目廣播組數(shù)目）：每個(gè)數(shù)據(jù)域可設(shè)置1255個(gè)，0保留專門用途。 除此之外，ADP協(xié)議中還有個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)TCD

8、（Transaction Code），它是ADS系統(tǒng)進(jìn)行通訊的基本依據(jù)，同時(shí)也是ADS特殊所在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在ADS正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)不是通過地址來識(shí)別信息，而是通過預(yù)先注冊(cè)在一個(gè)表格中的TCD來決定本節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)，屬于該廣播組的所有節(jié)點(diǎn)將會(huì)自動(dòng)接收帶有所需TCD的信息。由于沒有規(guī)定目的地址，可實(shí)現(xiàn)較廣范圍的通訊。使用多目廣播通訊，有利于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，可以提高同時(shí)向多點(diǎn)傳送信息、周期性發(fā)送信息的效率。節(jié)點(diǎn)的加入和刪除使用socket編程即可。節(jié)點(diǎn)加入多目廣播組MGNi時(shí)，只需生成該廣播組的一個(gè)socket，隨后將節(jié)點(diǎn)與此socket綁定（包括MGNi的IP地址和UDP端口號(hào)）。需要撤出廣播組，關(guān)閉與節(jié)點(diǎn)綁定的socket即可。這樣一來，充分體現(xiàn)了ADS系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)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(diǎn)屬于哪個(gè)組必須由管理人員設(shè)置，而AD

10、S系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置自己權(quán)限不會(huì)干擾其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。322 生存信號(hào)（Alive Signal）ADS系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)是自我管理的，因而它要隨時(shí)報(bào)告自己的狀態(tài)，以便其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。ADP中規(guī)定了一種特定的信號(hào)Alive Signal，要求每個(gè)工作的節(jié)點(diǎn)都要發(fā)送此信號(hào)。生存信號(hào)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(diǎn)n根本收不到某節(jié)點(diǎn)i的生存信號(hào)或者在收到該信號(hào)后經(jīng)過一個(gè)發(fā)布周期沒有再次收到節(jié)點(diǎn)i的生存信號(hào)，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(jī)制同時(shí)也提供了一種實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的方法，如圖3所示：ApplicationNode2 Alive SignalD

11、FNode1Application 圖3節(jié)點(diǎn)2中的應(yīng)用程序是節(jié)點(diǎn)1中的應(yīng)用程序的備份,它隨時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)1的生存狀況。如果節(jié)點(diǎn)2判定節(jié)點(diǎn)1已經(jīng)死亡，則其啟動(dòng)備份應(yīng)用程序接替節(jié)點(diǎn)1中應(yīng)用程序的工作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)1恢復(fù)正常狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)2自動(dòng)關(guān)閉備份應(yīng)用程序，由節(jié)點(diǎn)1繼續(xù)工作。可見這種容錯(cuò)機(jī)制真正實(shí)現(xiàn)了冗余，節(jié)點(diǎn)或其應(yīng)用程序與備份的替換只涉及相應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)，而與其他節(jié)點(diǎn)無關(guān)。 除此之外，ADP在Alive Signal中還留有一部分空間用來報(bào)告節(jié)點(diǎn)中的故障情況，以便其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)將無條件地接收此信息。同時(shí)所有節(jié)點(diǎn)接收

12、Alive Signal的UDP端口號(hào)必須相同。323 在線測(cè)試Node1Node4Node3Node2 Online Online Test Test ： 在線信息 ：測(cè)試信息 DF ADP將信息狀態(tài)分為兩類：在線和測(cè)試。相對(duì)應(yīng)地，生存節(jié)點(diǎn)也分為在線和測(cè)試。并且規(guī)定：在線節(jié)點(diǎn)只接收在線信息，而測(cè)試節(jié)點(diǎn)兩種信息都接收。因而處于測(cè)試狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)不會(huì)干擾在線節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，同時(shí)它又可以接收在線信息進(jìn)行單個(gè)測(cè)試或接收測(cè)試信息進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。在ADP的信息頭中包含了表示信息狀態(tài)的代碼，節(jié)點(diǎn)只需根據(jù)這一項(xiàng)目作出正確反應(yīng)。 圖4324 信息的優(yōu)先級(jí)別ADP提供了由高到低的17級(jí)優(yōu)先級(jí)別，0級(jí)（或缺省）則是最低

13、的，在發(fā)送和接收時(shí)最后處理。圖5列舉了ADP對(duì)于優(yōu)先級(jí)別的處理方法,第三個(gè)到達(dá)發(fā)送隊(duì)列的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)別為“1”，則其繞過排在前面的級(jí)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(duì)列，標(biāo)號(hào)表示到達(dá)隊(duì)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(hào)（V-SEG）和傳輸序號(hào)（SEQ）兩個(gè)參數(shù)。每當(dāng)節(jié)點(diǎn)重啟動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)新的序列版本號(hào)，用啟動(dòng)時(shí)間表示；傳輸序號(hào)用數(shù)字表示，范圍是10XFFFFFFFH。接收節(jié)點(diǎn)就根據(jù)這組參數(shù)來自行處理出錯(cuò)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(shí)際使用時(shí)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(jìn)行通訊時(shí)，要用最大傳輸單元對(duì)報(bào)文進(jìn)行分組。327 點(diǎn)到點(diǎn)連接雖然ADP的重點(diǎn)是強(qiáng)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(chǎng)合也提供了基于TCP之上的點(diǎn)到點(diǎn)的通訊方式。它要求兩節(jié)點(diǎn)通訊之前必須建立可靠的連接。ADP將點(diǎn)到點(diǎn)的通訊過程分為三個(gè)階段：空閑態(tài)（Halt status）：此時(shí)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(shí)正在建立TCP連接，一旦連接成功自動(dòng)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(diǎn)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(jìn)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(duì)運(yùn)算控制系統(tǒng)靈活運(yùn)用和靈活組建需求的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，并且它的實(shí)現(xiàn)是以不斷發(fā)展豐富的計(jì)算機(jī)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(kuò)展、在線維護(hù)和容錯(cuò)機(jī)制。ADS系統(tǒng)最大的特點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)ADP協(xié)議使用了多目廣播、生存信號(hào)、故障信息等多項(xiàng)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(qiáng)大的自我控制和自我協(xié)調(diào)的能力，而ADP協(xié)議的實(shí)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(jì)，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(xiàn)1“Autonomous Decentralized System：Concept ,Data Field Architecture and Future Trends,”， Kinji Mori. Proceedings of ISADS 93，Kawasaki，Japan，19932“