自治分散系统ADS及其协议ADP综述

1、 自治分散系统ADS及其协议ADP综述 (孙煜，钱清泉，西南交通大学，成都，610031)摘要：介绍了自治分散系统ADS的概念及其系统模型，并阐述了用于ADS系统的通讯规约ADP的主要内部机制。关键词：自制分散系统（ADS），DF，在线扩展，在线维护，容错，ADP，多目广播，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简介自治分散系统（Autonomous Decentralized System）是近几年才发展起来的一个概念。它打破了原有的传统的集中式或分布式系统的C/S体系模型，提出了一种新型的系统框架。在这种系统中，各个组成部分都是一个独立的

3、整体，它们能够不受外部控制而独立自主的完成内部功能，同时还能够主动地及时向外部发送内部信息。利用这种系统概念组建的网络具有自我控制和自我协调的能力，较好地实现了在线扩展、在线维护和容错等功能。这些特点与不断发展变化的控制网络的要求非常吻合。自治分散协议（Autonomous Decentralized Protocol）是一种基于TCP/IP基础之上开发的又一层协议，它基本上实现自治分散系统概念提出的特点及功能，并且已经逐渐开始应用在控制网络中。2 ADS基本概念及其构成21 ADS的基本概念自治分散系统是由许多子系统构成的系统,其全局概念不能事先定义,但作为构成它的基本模块的子系统却应满足以

4、下两个特点：（1）自控性。即系统中有任何子系统出现故障，正在维修或刚刚加入，这都不能影响其他子系统的自我管理及功能的运行。（2）自协调性。即系统中有任何子系统出现故障，正在维修或刚刚加入，其他子系统之间能够协调各自的任务并以协作方式运行以实现各自功能。这两大特点保证了系统的在线扩展、在线维护和容错。而每个子系统都能管理自己事务，它不受控于其他子系统同时也不控制其他子系统。言简之，子系统之间是平等的，它们只需本地信息即可自我管理和自我协调，而其运行是自足的。22 ADS的构成221 逻辑节点（LN）逻辑节点是ADS构成的最基本单元。在物理网络中，它对应于计算机、智能设备或其他硬件。每个逻辑节点都

5、能独立接受所需的外界信息进行内部处理，并主动地以广播方式发送处理结果及其他内部信息。222 数据域（DF） 数据域是ADS中信息传播的空间。从物理概念上讲，它相当于网络或存储器。一方面所有节点主动地向数据域发送信息，同时各个节点又根据自己所需从数据域中取走信息以完成内部模块的功能。数据域又可划分为本地节点和远地节点：当前节点所在的数据域为本地数据域，而通过路由器与本地数据域联结的数据域则称为远地数据域。223 多目广播组（MCG）由于在自治分散系统中，最基本的通讯方式是广播，因此把同一数据域中关系相近的多个逻辑节点划分为一个广播组，便于信息发送的管理。一个逻辑节点可以指定接收其信息的多目广播组

6、同时根据本身需求加入一个或多个多目广播组。多目广播组不能跨越数据域，其最大等于数据域。224 域（Domain）多个数据域通过路由器相互连接成为一个整体就构成了域。域的概念相当于LAN，不同的域相互通讯就形成了通常所说的WAN。以上的几个概念可以形成ADS的基本系统框架，如图1所示。 LN MCG DF1DFi RouterDF2 Domain1 Domain i Domain2 图13 ADP协议的层次及其实现方法31 ADP协议层次ApplicationADP TCP UDP Transport (IP) Internet (Ethernet Frame ,ARP) Network Int

7、erface Physical由于ADS以面向无连接的广播通讯方式为主，所以其主要是建立在TCP/IP协议的UDP基础之上的一个协议，从另一个角度上讲，ADP可以看作是TCP/IP应用层的开发，ADP协议的用户可以在其之上做进一步的应用开发。具体位置可用图2表示。 图232 ADP协议的实现首先，ADP协议给ADS的各个构成单元定义了数目：LNN（逻辑节点数目）：每个数据域可设置14095个，0保留表示本节点。DFN（数据域数目）：每个域可设置1225个，0保留表示本数据域。MGN（多目广播组数目）：每个数据域可设置1255个，0保留专门用途。 除此之外，ADP协议中还有个非常关键的参数TCD

8、（Transaction Code），它是ADS系统进行通讯的基本依据，同时也是ADS特殊所在数据驱动机制实现的关键。在ADS正常运转的过程中，各个节点不是通过地址来识别信息，而是通过预先注册在一个表格中的TCD来决定本节点是否接受此信息，并将它传送给相应的系统或应用模块。ADP将TCD分为两类，系统TCD和用户TCD：系统TCD：6000065534，用作系统的过程代码，由系统开发人员实现设定。用户TCD：159999，应用程序过程代码，作为用户开发应用程序自行设置。321 多目广播ADP协议主要是建立在UDP基础之上的，因此使用频繁的是无连接的多目广播通讯方式。在某一数据域中，当发送者将带

9、有TCD代码的信息通过多目广播方式发送给某一多目广播组时，属于该广播组的所有节点将会自动接收带有所需TCD的信息。由于没有规定目的地址，可实现较广范围的通讯。使用多目广播通讯，有利于实时数据通信，可以提高同时向多点传送信息、周期性发送信息的效率。节点的加入和删除使用socket编程即可。节点加入多目广播组MGNi时，只需生成该广播组的一个socket，随后将节点与此socket绑定（包括MGNi的IP地址和UDP端口号）。需要撤出广播组，关闭与节点绑定的socket即可。这样一来，充分体现了ADS系统中节点的平等性和自我管理能力。传统的C/S体系结构中，节点属于哪个组必须由管理人员设置，而AD

10、S系统中，各个节点设置自己权限不会干扰其他节点的运行。322 生存信号（Alive Signal）ADS系统中每个节点是自我管理的，因而它要随时报告自己的状态，以便其他节点的运行。ADP中规定了一种特定的信号Alive Signal，要求每个工作的节点都要发送此信号。生存信号传输范围限制在本地DF内，并且规定了发布周期。若同一数据域的节点n根本收不到某节点i的生存信号或者在收到该信号后经过一个发布周期没有再次收到节点i的生存信号，则n可以判定i处于死亡状态，反之则可认定i处于生存态。这一机制同时也提供了一种实现容错的方法，如图3所示：ApplicationNode2 Alive SignalD

11、FNode1Application 图3节点2中的应用程序是节点1中的应用程序的备份,它随时监控节点1的生存状况。如果节点2判定节点1已经死亡，则其启动备份应用程序接替节点1中应用程序的工作。当发现节点1恢复正常状态，节点2自动关闭备份应用程序，由节点1继续工作。可见这种容错机制真正实现了冗余，节点或其应用程序与备份的替换只涉及相应的两节点，而与其他节点无关。 除此之外，ADP在Alive Signal中还留有一部分空间用来报告节点中的故障情况，以便其他节点作出相应的反应。 特别地，Alive Signal必须向系统保留的多目广播组MGN=0发送，所有节点将无条件地接收此信息。同时所有节点接收

12、Alive Signal的UDP端口号必须相同。323 在线测试Node1Node4Node3Node2 Online Online Test Test ： 在线信息 ：测试信息 DF ADP将信息状态分为两类：在线和测试。相对应地，生存节点也分为在线和测试。并且规定：在线节点只接收在线信息，而测试节点两种信息都接收。因而处于测试状态的节点不会干扰在线节点的正常运行，同时它又可以接收在线信息进行单个测试或接收测试信息进行联合测试。在ADP的信息头中包含了表示信息状态的代码，节点只需根据这一项目作出正确反应。 图4324 信息的优先级别ADP提供了由高到低的17级优先级别，0级（或缺省）则是最低

13、的，在发送和接收时最后处理。图5列举了ADP对于优先级别的处理方法,第三个到达发送队列的数据的优先级别为“1”，则其绕过排在前面的级别为“3”的两组数据先行发送到数据域中。DF 3 Level1: 3 Level3 : 2 1 ADP ：即将发送的数据队列，标号表示到达队列的次序。 ：应用程序数据 图5325 信息的顺序处理为了防止信息乱序或丢失等现象，ADP提供了序列版本号（V-SEG）和传输序号（SEQ）两个参数。每当节点重启动将产生一个新的序列版本号，用启动时间表示；传输序号用数字表示，范围是10XFFFFFFFH。接收节点就根据这组参数来自行处理出错的信息。326 信息的划分由于目前的

14、ADP协议基于Ethernet上的TCP/IP协议，所以其最大传输单元小于1500bytes。实际使用时IP和TCP（UDP）头信息各占 20bytes，ADP头信息占64bytes，则ADP下的信息的最大传输单元为1396bytes。在利用ADP进行通讯时，要用最大传输单元对报文进行分组。327 点到点连接虽然ADP的重点是强调广播通讯方式，但在处理某些必须考虑安全保密问题的场合也提供了基于TCP之上的点到点的通讯方式。它要求两节点通讯之前必须建立可靠的连接。ADP将点到点的通讯过程分为三个阶段：空闲态（Halt status）：此时允许建立TCP连接，但不许交换信息。相当于TCP连接的CL

15、OSE态。开放态（Open status）：此时正在建立TCP连接，一旦连接成功自动转换到链接态。包括TCP的SYN-SENT、LISTEN或SYN-RECEIVED。链接态（Link status）：TCP连接已经建立，节点之间可以交换数据。相当TCP的ESTABLISHED态。各状态的转换过程如图6所示： Halt Status Open Status Link Status 图633 ADP的基本数据格式0 064 64128 76 (b) (c)Ethernet headerIPheaderUDP headerADPheader Data ADP数据单元（PDU）在如图7(a)，它是将

16、UDP或TCP的数据部分进一步划分为ADP头部信息和数据两部分。由于ADP数据又可分为生存信息和一般信息两类，其数据单元有相应的结构，如图7(b)(c)。ADPheaderAlive signalheaderFault informationADPheaderMSTC headerData （a） PDU4 结束语自治分散系统ADS的概念是在对运算控制系统灵活运用和灵活组建需求的基础上产生的，并且它的实现是以不断发展丰富的计算机网络资源为前提的。这一系统具有的两大特性自我控制和自我协调，保证了在线扩展、在线维护和容错机制。ADS系统最大的特点在于它提出的数据域DF概念，所有的自治子系统都以广播

17、方式向DF发送数据，同时根据各自的需求从DF中选择接收数据。自治分散协议ADP提供了ADS系统实现的应用接口，它是建立在TCP/IP基础之上的协议。主要使用了无连接的UDP协议，将ADP数据单元PDU封装在UDP信息的的数据部分。同时ADP协议使用了多目广播、生存信号、故障信息等多项措施来保证正确可靠的传输。综上所述，由于自治分散系统具有强大的自我控制和自我协调的能力，而ADP协议的实现又不需任何特殊的硬件，只需以广泛应用的TCP/IP为基础，这更为ADS系统的发展提供了便利的条件。可以预计，自治分散系统必将在今后的控制系统中得到广泛的应用。参考文献1“Autonomous Decentralized System：Concept ,Data Field Architecture and Future Trends,”， Kinji Mori. Proceedings of ISADS 93，Kawasaki，Japan，19932“