（计算机科学与技术专业论文）基于优先级的实时中间件的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着网络通信技术的发展，分布计算逐渐成为计算技术的主流。为了使用户 能够透明、有效地共享分布在网络上的信息资源和计算资源，分布计算中间件成 为实现分布计算的关键技术之一。目前的分布计算中间件能够提供良好的开发平 台和通讯支持，但是它们缺乏对分布实时应用的时间约束的支持能力。尤其随着 分布计算技术和分布应用的深入发展，些关键业务领域也都使用分布对象技术 进行构建，能够保证分布应用的时间约束的实时中间件逐渐成为研究的重点。 本文研究基于优先级的实时中间件的概念、体系结构及其有效性验证、实时 基础设施等问题，并在此基础上开发一个具有高效网络管理能力、自适应优先级 调整的实时中间件系统。本文的主要工作包括： 1 本文从支撑平台的角度出发，建立了实时中间件的概念体系，澄清了相 关误解。本文将实时中间件定义为分布式实时应用的支撑平台，为分布实时应用 的时间可预测性提供使能机制及服务。本文建立的概念体系回答了实时中间件同 实时系统、实时操作系统之间的关系，指出实时中间件要为应用提供表达时间约 束的机制并提供控制各种资源的手段和方法，以保证时间约束的实现。 2 本文提出了个层次的实时中间件体系结构，并且针对实时中间件体系 结构的有效性分析，提出了基于排队模拟方法的实时中间件的f p 排队模型。通 过排队模拟，获得对请求时间约束产生影响的因素。对这些因素的深入分析，验 证了本文所提出的体系结构的有效性及合理性。 3 当前的实时中阃件在处理异构平台差异时往往使用a dh o c 的方式。本文 提出了基于实时基础设施( 实时抽象层) 的解决方法。实时基础设施提供一致的 线程接口、相同的线程调度语义，并且能够避免线程互斥时发生优先级翻转，能 够对网络和i o 进行实时优化。实时基础设施有利于降低实时中间件的开发和维 护的难度，符合软件构件化、模块化的思想。 4 针对各种操作系统的差异，本文提出了基于优先级继承协议的线程级防 优先级翻转算法，提出了能够严格保序的动态优先级映射方法及相关的调度算 法，通过研究固定优先级调度下的多线程执行顺序问题，本文还提出了一种执行 顺序可预测的多线程程序设计模式。 5 针对不同操作系统调度语义的差异，本文将软实时调度器同线程库相结 合，提出了具有定制调度能力、并能够扩展操作系统的优先级和调度能力的自调 度线程库。有关自调度线程库设计实现的关键技术和思想在本文中有深入探讨。 6 基于上述研究。本文采用对象管理组织o m g 的c o r b a 技术，开发了 第1 页 里堕型兰垫查奎兰塑圣生堕羔笙丝苎 基于优先级的实时o r b 。该实时o r b 具备高效的网络管理能力，自适应的优先 级调整能力，拥有多级线程池和优先级队列，并对资源有很强的控制能力。通过 对实时o r b 和非实时o r b 的对比测试，结果充分证实了本文提出的实时中间件 模型及其实现的有效性。 关键宇：分布计算，实时中间件，优先级调度，实时c o r b a ，实时抽象层 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r k ，d i s t r i b u t e dc o m p u t i n gh a sb e c o m et h em a i n s t r e a mo f t h ec o m p u t i n gt e c h n o l o g y u n d o u b t e d l y a so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e s ，a l t h o u g ht h ec u r r e n t s t a t e - o f - t h e - a r td i s t r i b u t e dm i d d l e w a r e sc o u l dm a k ei n f o r m a t i o na n dc o m p u t a t i o n a lr e s o u r c e s h a r e dm o r et r a n s p a r e n t l ya n de f f e c t i v e l yb yp r o v i d i n gf i n ec o m m u n i c a t i o nt r a n s p a r e n c ya n dw e l l d e s i g n e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h es e r i o u sp r o b l e mb e h i n dt h e s es y s t e m si st h el a c k o f t i m e - c o n s t r a i n ts u p p o r tf o rr e a l t i m ea p p l i c a t i o n s c o n s e q u e n t l y , w h i l em o r ea n dm o r em i s s i o n c r i t i c a l a p p l i c a t i o nd o m a i n sh a v ea d o p t e dd i s t r i b u t e do b j e c t - o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，r e a l - t i m e m i d d l e w a r e sw i t ht i m e c o n s t r a i n ts u p p o r tb e c o m et h ef o c u so ns u c hp r e l i m i n a r yr e s e a r c ht of u l f i l t h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o ri t t h ep a p e ri sm a i n l yd e v o t e dt ot h ec o n c e p to f r e a l - t i m em i d d l e w a r e ，a r c h i t e c t u r ec o m p o s i t i o n ， v a l i d i t yv e r i f i c a t i o na n dr e a l - t i m ei n f r a s t r u c t u r e m o r e o v er a ni m p l e m e n t a t i o no fh i g h l yn e t w o r k m a n a g e a b l e ，s e l f a d a p t i v ep r i o r i t yt u n i n gr e a l - t i m em i d d l e w a r es y s t e mi si n t r o d u c e df i n a l l y t h ed i s s e r t a t i o na i m sa tm a k i n gs u c hc o n t r i b u t i o n s ： c o n c e p t sa b o u tr e a l - t i m em i d d l e w a r ea r ei d e n t i f i e df i r s t l y , w i t hs o m ea m b i g u i t i e st ob e c l a r i f i e d t h ep a p e rd e f i n e sar e a l - t i m em i d d l e w a r ea r c h i t e c t u r ea st h er o l eo f r e a l t i m ef o u n d a t i o n i n f r a s t r u c t u r e ，t h ep a p e ra l s og i v e st h ep o i n to f v i e wt h a td i s t r i b u t e dr e a l t i m em i d d l e w a r es h o u l d p r o v i d et h ep r e d i c t a b i l i t yo fr e s p o n s ef o rs u c ha p p l i c a t i o n s f u r t h e r m o r e ，r e a l - t i m es y s t e m ， r e a l t i m eo sa n dr e a l - t i m em i d d l e w a r ea r ed i s t i n g u i s h e di nd e t a i l ，w i t ht h ec o n c l u s i o nt h a t r e a l t i m em i d d l e w a r es h o u l dp r o v i d et h em e c h a n i s mo f t i m e c o n s t r a i n t sp r e s e n t a t i o na n dr e s o u r c e c o n t r 0 1 b a s e do nq u e u i n gs i m u l a t i o n ，an e wf pq u e u i n gm o d e lf o rr e a l t i m em i d d l e w a r ei sp r o p o s e d t oe v a l u a t et h er e a l t i m em i d d l e w a r ea r c h i t e c t u r e f a c t o r st h a ti m p a c tr e q u e s tt i m ec o n s t r a i n t sa r e c o l l e c t e d ，o fw h i c ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i si sm a d et ov e r i f yt h en e wa r c h i t e c t u r ea n d d e m o n s t r a t ei t se f f e c t i v e n e s s w i t ht h er e g a r dt ot h ec o m p a t i b i l i t yo ft h er e a l - t i m em i d d l e w a r ef o rh e t e r o g e n e o u sp l a t f o r m ， t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e r e a l - t i m ea b s t r a c tl a y e r ( r t - a l ) d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l a d - h o cs c h e m es o l u t i o n t h er t - a lp r o v i d e sc o n s i s t e n tt h r e a di n t e r f a c ea n di d e n t i c a lt h r e a d s c h e d u l i n gm o d e lf r o mt h es e m a n t i ca s p e c t w h a t st h em o s ti m p o r t a n t ，p r i o r i t yi n v e r s i o nc o u l db e a v o i d e db yt h er t - a l a n dt h er t - a lc a na l s ob eo p t i m i z e df o rn e t w o r ka n di oo p e r a t i o n s t h e w a yt ob u i l dt h er e a l - t i m em i d d l e w a r eb a s e do nt h er t - a lc o m p l e t e l yf o l l o w st h em o d u l a r i t yi n s o f t w a r e e n g i n e e r i n g a n dc o n s e q u e n t l yg r e a t l y s i m p l i f i e s t h ew o r ko fd e v e l o p m e n ta n d m a i n t e n a n c e t od e a l w i t ht h ed i f f e r e n c eo no p e r a t i n gs y s t e ml e v e l ，t h i sp a p e rd e s i g n sat h r e a d - l e v e l a l g o r i t h mb a s e du p o np r i o r i t yi n h e r i t a n c ep r o t o c o lt op r e v e n tp r i o r i t yi n v e r s i o n ad y n a m i c 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 p r i o r i t ym a p p i n ga n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mt oa c h i e v es t r i c to r d e ri sa l s op r e s e n t e d t h r o u g h a n a l y s i so fm u l t i t h r e a d e de x e c u t i o no r d e ru n d e rf i x e dp r i o r i t ys c h e d u l i n gm o d e l ，am u l t i t h r e a d e d p r o g r a m m i n gm o d e lw i t ht o t a l l yp r e d i c a b l ee x e c u t i o no r d e ri sp r o p o s e d c o m b i n e dw i t hs o f tr e a l - t i m es c h e d u l e ra n dm u r i - t h r e a d e d l i b r a r y , ac u s t o m i z e d s e l f - s c h e d u l e dt h r e a dl i b r a r yi sp r e s e n t e d s u c hs e l s c h e d u l e dt h r e a dl i b r a r yc a l lb r i n gp r i o r i t y e x p a n s i o na n ds c h e d u l ec o n v e n i e n c e f o ro p e r a t i n gs y s t e m t h ek e yi d e a so fd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f s u c hl i b r a r ya r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e l c o n c l u s i v e l y , t h ep r o c e s st od e v e l o pap r i o r i t y - b a s e dr e a l - t i m eo r b ( r t o r b ) i si l l u s t r a t e d f o rv e r i f i c a t i o na n dt e s t t h ea d v a n t a g e so fr t o r bi sd e m o n s t r a t e db yt h ep r a c t i c a l s y s t e m ， i n c l u d i n gt h ew e l ln e t w o r km a n a g e a b i l i t y , t h es u p p o r to fm u l t i - l e v e lt h r e a dp o o la n dp r i o r i t y e n a b l e dq u e u e ，t h ea b i l i t yo fa d a p t i v e p r i o r i t yt u n i n ga n dt h e r e s o u r c ep l a n n i n g t h r o u g h e x p e r i m e n t a le v a l u a t i o n s ，t h er t o r bs h o w sf a rm o r ee f f e c t i v e n e s st h a nt h eo r d i n a r yo r bf o r d i s t r i b u t e dr e a l - t i m ea p p l i c a t i o n s t h u st h er e a l - t i m em i d d l e w a r oa r c h i t e c t u r ep r e s e n t e di nt h i s p a p e ri sp r o v e dt ob ee f f e c t i v e m o r ei m p r o v e m e n tc o u l db ee x p e c t e di nt h ef u t o r o k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g ，r e a l - t i m em i d d l e w a r e ，p r i o r i t ys c h e d u l e ， r e a l - t i m ec o r b a ，r e a l - t i m ea b s t r a c tl a y e r 第页 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目韵僦牺知地垡、驾勘霉础 学位论文作者签名日期：。肼年p 月，4 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 学位论文作者签名 作者指导教师签名 日期：文，i 年，9 月，争日 日期：多参年月，一日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 建立在网络环境上的分布式实时系统既是一类具有重要应用价值的分布式 系统，也是一类特殊的实时系统，较之传统的实时系统更为复杂。 譬如在一个军事指挥控制系统中【1 】，雷达捕获目标信号，将目标信号传送给 目标识别系统识别目标( 比如是敌机还是我方的民航客机；是导弹还是其它飞行 器等等) ，然后将识别的结果传送到决策指挥系统，由决策指挥系统指挥相应的 作战单位采取行动( 比如指挥反导弹系统进行空中拦截) 。这是一个典型的分布 式实时系统流程，每一个环节都要求很强的实时性，要求实时的通信资源管理和 计算资源管理。图1 1 是该应用的示意图。 图1 1 分布实时系统实例示意图 再例如下一代的航空业务计算系统【2 】，它必须同远程c 2 ( c o r e m a n da n d c o n t r 0 1 ) 系统协作，为操作员提供随时的浏览信息能力，并且要能够灵活地响应 系统中出现的没有预料到的情况。 这类系统有如下特点： 1 分布性。系统涉及多个有自治能力的组成部分，涉及复杂的控制机制， 它的某一部分可能需要高性能计算机进行复杂的科学计算，另一部分可能需要嵌 入式系统控制相应的物理设备，其他部分可能还需要很强的人机交互能力。因而 它有很强的分布、异构特性，有很强的互联和互操作需求，这需要系统具有更强 的开放特性。 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 如上例中的目标识别就可能需要大量的科学计算，雷达可能需要嵌入式设备 进行控制，决策系统就可能需要较多的人机交互，为保证系统的安全和可靠，这 些系统单元一般都分布在广阔的地域范围内，是典型的分布异构环境。 2 实时性。系统往往应用于关键业务领域，它的很多处理必须在一定的时 限内完成，有相对严格的时间要求，否则会导致灾难性的后果。这也是这类系统 有别于一般的分布式应用的独有的显著特点。 如上例，系统必须及时做出决策，导航的位置信息也必须及时计算并传送， 否则可能会导致被攻击的灾难性后果。 3 动态性。传统上，实时系统的设计以及分配紧缺和共享资源时都采用相 对静态的方法进行。在分布情况下，系统由多个参与者组成，而且每一个参与者 都是一个相对独立的自治系统，很难使用静态的方法分析系统的交互行为( 比如 无法准确预计敌机的攻击时间：发现目标时可能已经距离我方非常近) 。在分布 自治的情况下，也很难使用统一的视图来管理和分配资源。因此，静态分析方法 就面临着一定的局限性，就需要一种机制能够表示分布系统中的资源( 比如主机 资源，网络资源) ，并且能够动态的控制资源的分配和使用，这样才可能更好地 保证实时系统的时间可预测性。 4 自治性。在这类系统中，各个组成部分都是一个独立自治的实体，没有 全局集中控制能力。各个部分不仅要协作完成任务，特别还要满足任务的时间要 求，在没有全局集中控制的情况下，协调独立自治实体的行为以保证时间约束变 得更加困难。 我们将这类系统称为分布实时和嵌入式，即d r e 【3 】( d i s t r i b u t e dr e a l t i m ea n d e m b e d d e d ) 系统，d r e 系统的分布和实时特性，使其面临着新的开发问题： 1 d r e 系统涉及多种混合机制，十分复杂，开发、部署和运行困难。尽管 一些操作系统，网络和协议支持实时调度，但是它们都不能提供集成的端到端的 解决方案【4 】，它们也不会特别地考虑d r e 系统的关键需求和端到端的使用特性。 比如，a t m 网络p 1 主要的研究集中在基于虚电路的网络带宽分配策略和机 制研究；i n t e m e t 2 则集中在信令和增强机制( 比如r s v p 6 】) ，以及全局资源共享 技术( 比如d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s 7 】) 的研究。但是它们不考虑和端系统的集成 技术。虽然多数的实时操作系统能够避免优先级翻转【8 】( p r i o r i t yi n v e r s i o n ) ，能 够保证同步时的可确定性，并且能够为多线程应用提供调度机制。但是仅仅限于 端系统，不保证端到端的时间可预测性。 而d r e 系统部署在网络之上，要求端到端的时间可预测性，现代的d r e 系 统对网络和桌面处理能力也提出了更高的要求，这些是专用的实时操作系统不能 独立完成的。尽管有些通用的操作系统，如s o l a r i s 9 , 1 0 】和m i c r o s o f t 1 1 , 1 2 , 1 3 】的 w i n d o w sn t 2 0 0 0 都从不同程度增强了实时特性，专用实时操作系统的桌面处理 能力和网络功能也有大幅度的提高，但是单一的操作系统平台仍然难以满足应用 本身的分布、异构和互操作要求。 d r e 系统需要横向( h o r i z o n t a l l y ) 和纵向( v e r t i c a l l y ) 的实时机制的集成 4 】， 即需要将主机的实时机制和网络的实时机制相结合：需要在端系统之间的实时集 成，为用户提供商层的服务模型，从而保证任务端到端执行的时间可预测性。本 文主要考虑后者的横向集成。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 。当前的分布式中间件无力满足实时需求。中闯件能够很好的完成异构分 布系统的集成，互操作，并且能够很好地保证这些系统的可移植特性，因而极大 地降低了开发分布式应用的周期，能够提高系统的可靠性，是当前开发分布式应 用的主要手段。( 网络计算) 中间件是介于网络传输层与网络应用之间的一种支 持网络计算的支撑软件，其核心作用是为有效开发、部署和运行网络应用系统提 供交互代理以及带共性的基础服务。中间件把应用开发者从复杂的网络中解放出 来，使其能够专注于业务逻辑的开发。 通用中间件主要侧重于解决异构和分布情况下的复杂问题，在这种思想指导 下，系统的实现细节通过抽象的方式隐藏了起来，形成了一个典型的黑箱结构， 透明性是其重要的特性。为达到透明性，中间件都尽可能多的为用户屏蔽操作系 统和网络的细节。 对d r e 系统来讲，除了分布，其最重要的要求是要做到时间管理。为此， d r e 系统必须能够控制其使用的系统资源，比如处理机资源、存储资源以及网 络资源等等，而且控制粒度越精细，可能达到的可预测性就越强。虽然多数应用 可以通过中间件隐藏底层的细节获得明显的利益。但是其它一些应用则可以通过 和底层状态的动态交互获得显著的性能提高，它们可以微调中间件的实现来满足 自身的需求i l 。d r e 就是这样一类系统。这样，d r e 系统就和中间件存在着如 下的矛盾：一个要尽可能隐藏细节，保证透明，一个要求实现开放，提供控制机 制。所以，当前的中间件可以很好满足d r e 系统的分布、互操作和可移植，却 难以满足其控制资源的要求。 如果说构成d r e 系统的关键构件是一个个“可预测性的信息岛屿” ( p r e d i c t a b l ei s l a n d ) ，那么使用当前的中间件互联它们就等于将其淹没在了“非 预测性的海洋”( u n p r e d i c t a b l es e a ) 之中。 那么，应该采用什么样的技术路线来开发这类d r e 系统呢? 前文已述，通用操作系统的实时扩充不能很好的解决d r e 的分布要求：从 目前的技术来讲，能够为用户提供统一映像的分布式实时操作系统也还有很大的 差距；同时，由于经济和组织上的约束，以及不断增加的应用复杂性需求和竞争 的压力，使得开发者难以再使用a dh o c 的方式构造这类复杂的d r e 系统。事实 上。商业竞争环境对软件的开发时间和开发费用施加了非常严格的限制。使用中 间件开发这类应用是一个合理的技术路线【3 ，4 】。但是要求中间件能够保证其时间 可预测性，我们将能够为这种分布实时应用提供支撑的中间件称为实时中间件 ( 实时中间件的概念体系将在第二章详细论述) 。 1 2 实时中间件面临的问题 首先，需要为实时中间件建立一个相对完善的概念体系。实时中间件概念体 系必须要回答实时中间件是什么，实时中间件在分布式实时系统中的地位和角色 是什么，它应该关注和解决什么样的问题。只有从概念上回答了这些问题，为实 时中间件建立了完善的概念体系，才能够正确地指导相关的研究和实现。 其次，实时中间件为用户提供什么样的视图，即用户如何表达实时约束，以 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 什么样的粒度表达。例如一个分布式实时数据采集应用，需要每秒采集至少2 5 次数据，它是直接向实时中间件表述“每秒采集2 5 次数据”，还是中间件提供控 制资源的手段和方法，应用通过这些手段和方法控制分布环境下的资源，以满足 自己“每秒采集2 5 次数据”的时间约束? 第三，实时中间件应该具有什么样的体系结构，即实时中间件在机制上如何 使时间约束在另一个自治的实体中发挥作用。体系结构涉及实时资源的表示问 题，实时资源的控制方法和控制机制问题。实时中间件的体系结构是实现实时能 力的横向集成的基础框架。 第四，实时中间件如何解决异构平台的实时差异问题。屏蔽异构差异是中间 件最重要也是最基本的功能。实时中间件除了具有传统中间件的屏蔽异构通讯的 能力外，还必须能够屏蔽平台的实时差异。 屏蔽实时差异一方面是屏蔽实时约束的差异，即客户( 服务) 的时间约束在 服务( 客户) 中必须被理解并保持同样的性质。比如客户将约束表述为个优先 级( 这个优先级可能施加在请求上) ，假设为1 0 0 ，那么服务也必须理解优先级 1 0 0 ( 这个优先级可能施加在请求执行线程上) 。显然，不同平台对优先级的理解 和表示是不同的( 比如w i n d o w s 平台就不存在优先级1 0 0 ) ，实时中间件要能够 屏蔽这种差异。同时，不同实时约束之间的关系也必须保证。仍然以优先级为例， 客户规定两个优先级，假设为1 0 0 和2 0 0 ，从客户的视图来看，优先级2 0 0 的请 求比优先级1 0 0 的请求具有更高的处理优先级别，服务也必须能够保证这两个任 务的优先级关系，这些都是传统中间件所不具有的能力。再比如，如果一个应用 的时间约束涉及一个绝对时间，另外一个自治实体就必须和它具有相同的时统等 等。 屏蔽实时差异的另一方面是屏蔽调度差异。比如客户需要严格的优先级调 度，而服务所在的平台不具有严格的优先级调度能力：客户需要在调度中避免优 先级翻转，而服务平台不具有防止优先级翻转的能力等。这些都需要在实时中间 件中加以屏蔽，为分布式应用提供一个一致的和平台无关的操作和调用界面。 1 3 研究现状 实时中间件的研究主要有以罗德岛大学，即u r i ( u n i v e r s i t yo f r h o d ei s l a n d ) 为代表的m i t r e 、n r a d ( n a v yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ) 和t r i p a c i f i c 的早期 实时中间件的研究f l5 1 ，他们主要是针对实际的分布实时应用【1 “，扩展对象管理 组织o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 的公共对象请求代理c o r b a i l 7 j ( c o m m o n 0 b j e c tr e q u e s tb r o k e ra m h i t e c t u r e ) 的实时能力。其中，m i t r e 主要使用x e r o x p a r c 的i l u 引1o r b 实现了一个固定优先级系统的静态系统【3 2 3 ”，u r i 和n r a d 则使用i o n a 的o r b i x 实现了一个动态调度系统。另一个实时中间件的主要研究 者是目前在实时中间件研究上最为活跃的华盛顿大学( w a s h i n g t o nu n i v e r s i t y ) 和加利福尼亚大学( u n i v e r s i t yo fc a l i f o m i a ) i r v i n e 分校，他们研发的t a o 1 8 , 1 9 1 遵循c o r b a 标准。c h o r u s c o o l 2 0 , t 5 也基于c o r b a 体系结构开发了和实时 操作系统紧密结合的实时o r b 。上述对实时中间件的研究都是基于分布对象 ( d i s t r i b u t e do b j e c t ) 技术进行的，分布对象技术也是自九十年代以来分布计算 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 领域的主流技术 8 4 】，因此都选择了它作为实时中间件的研究基础。 实时中间件在国内的研究主要是东南大学，西北工业大学和国防科技大学。 本文是国防科技大学在实时中间件领域的相关研究成果。我们的研究也以分 布对象技术为依托。 当前的实时中间件研究还没有形成完善的实时中间件概念体系。如何界定实 时中间件? 实时中间件在分布式应用开发中所处的地位如何? 实时中间件主要 解决什么问题，它和分布式应用的关系如何? 这些概念体系还没有系统的建立起 来。实时中间件的研究主要涉及实时通讯的集成问题 9 2 , 9 3 , 9 4 】，实时中间件的体系 结构问题 8 6 , 8 8 】，基于实时中间件的实时可调度性问题或者框架【9 0 】以及针对领域 ( 问题域) 的一些实时服务【9 5 ，”，8 。但是由于缺乏一个有效的概念体系，导致很 难对这些研究进行有效的分类和定位。本文在分析这些研究的基础上，为实时中 间件建立了一个相对完善的概念体系。本文在第二章详细介绍实时中间件的概念 体系。 在资源控制方法上，实时中间件的研究普遍以请求为粒度，在执行控制上则 普遍以请求执行的运行时环境一线程为基本控制单位。但是在实时约束的表达和 传输上则使用了不同的方法和机制。 在时间约束的表达上，比如t a o ，u r i 的静态c o r b a ”j 都将时间约束表述 为优先级。其它的时间约束则通过服纠“j ( s e r v i c e ) 的方式完成：比如u r i 的 动态c o r b a 2 2 j 将时间约束表示为重要性( i m p o r t a n c e ) ，期限( d e a d l i n e ) 和周 期( p e r i o d ) ，它通过一个实时调度服务【2 l j 将这些约束动态的按照全局的观点转 换为优先级约束。t a o 还使用了静态的离线( o f f - l i n e ) 实时调度分析工具【2 3 1 ， 应用可以将时间约束表述为任务的最差执行时间( w o r s tc a s ee x e c u t i o n t i m e ) 、周 期( p e r i o d ) 、关键性( c r i t i c a l i t y ) 和重要性( i m p o r t a n c e ) 。如果调度可行，则调 度服务将时间约束转换成为一个优先级约束，再由实时中间件按照优先级调度。 m i t r e 则是依据应用的周期，期限等要求，按照r m 2 4 , 9 0 ( r a t em o n o t o n i c ) 和 d m 驯( d e a d l i n em o n o t o n i c ) 理论静态地计算优先级，再利用操作系统的优先级 加以调度，并且在调度过程中不再修改初始的优先级。 我们的研究在实时中间件层次使用优先级表达实时约束，其它的复杂实时约 束可以在实时服务层次实现。上述研究虽然没有明确的提出支撑平台和服务的概 念，但总的来讲都普遍将固定优先级调度方式作为基础，然后构建实时调度服务， 为应用提供其它的实时约束表述方法，这些实时约束都由服务动态或者静态转换 为优先级调度。 在时间约束的传输上，u r i 将约束作为请求的一部分【2 “，例如作为请求的一 个参数处理。这种方式下的实时中间件内核和传统的普通中间件没有太大的区 别，只有请求在执行时刻才按照时间约束加以调度。t a o 在其进一步的研究工 作中，对传统中间件的核心体系结构作了较多的实时优化【2 ，从而使实时中间件 的体系结构和传统的中间件体系结构相比发生了较大的变化。但是这些研究对实 时中间件体系结构的有效性进行研究不够深入。 在实时中间件的体系结构设计原则上，c h o r u s c o o l 和t a o 的研究最为 深入。他们提出了资源管理策略和资源管理机制相独立，以及应用要能够完全控 制系统级资源的体系结构设计原则。其中，c h o r u s c o o l 尤甚。在具体实现 第5 页 垦堕型兰垫查查堂竺壅竺堕堂垡笙苎 上，c h o r u s c o o l 使用户可以直接控制网络资源( 系统中表现为连接的建立) ， 提出灵活的绑定体系结构，使用了构件化的体系结构思想，提出实时中间件应尽 可能的为应用提供定制能力，以更好的满足实时应用适用环境多变的需求。t a o 则秉承c o r b a 的控制模式，并且运用模式方法提供了多种的配置策略【2 8 1 。 本文使用排队模拟方法，对中间件的体系结构有效性进行了验证，模拟结果 表明，实时中间件应该将请求的优先级和请求体独立，模拟结果还显示了实时中 间件应该控制的重要的系统资源。实时中间件体系结构的有效性分析在本文的第 四章介绍。 在处理异构平台的实时差异上，u r i 和t a o 都使用了优先级映射的方法： 即首先将应用的实时约束转换为全局的优先级，当执行请求时，再将优先级映射 到本地操作系统的优先级。但是对优先级映射的性质( 比如序关系的保持，全局 优先级和本地优先级级别的差异等) 则没有系统的阐述。c h o r u s c 0 0 l 则直 接依赖于实时操作系统的实时能力。因此，它在特定的实时操作系统上能够提供 最佳的资源控制粒度和控制效果，但是却很难适用于其它的平台。 总之，在处理异构平台的差异上，上述研究由于关注的问题不尽相同，所以 基本上是a dh o e 的处理方式，没有提出和实现一个统一的实时基础设施。这些 都使得实时中间件的开发异常困难。t a o 基于的自适应通讯环境a c e l 2 9 1 ( a d a p t i v ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ) 已经具有了类似于抽象层的能力。但是 它更多的关注通讯，而不是实时能力的抽象。1 0 n a 在其j t c 3 0 l ( j a v al i k et h r e a d f o rc + + ) 线程库上的研究也体现了抽象层的思想，但是它旨在提供统一的线程 a p i ，不关注线程执行中的实时控制和调度策略。其线程库只为线程提供3 个优 先级级别即是明证。 本文在研究和分析处理异构平台差异的基础上提出了实时抽象层的思想， 实时抽象层为实时中闯件提供一个统一的实时视图，它能够扩展操作系统的实时 能力，对降低实时中间件的开发难度，降低维护代价和提高系统的可移植性有很 好的效果。实时抽象层在第五章详细介绍。 1 4 本文的研究内容 结合分布实时应用对实时中间件的功能需求以及当前研究的不足，基于分布 对象技术和客户机朋匣务器 3 4 , 3 5 ( c l i e n t s e r v e r ) 模型，本文主要研究如下内容： 1 建立实时中间件的概念体系。首先从概念体系上阐述清楚实时中间件和 实时系统的关系，从概念上明确实时中间件需要解决的问题。 2 研究基于优先级的实时控制中间件的体系结构及其关键技术。重点研究 实时中间件对系统资源的表示方法和对系统资源进行高效控制的机制。本文不涉 及实时调度服务和分布环境下的可调度性分析问题。 3 研究实时中间件组成元素及其交互机制对请求服务质量的影响。使用排 队模型模拟实时中间件体系结构的运行时行为，从而确定影响服务质量的因素及 其相互关系，以验证实时中间件体系结构的有效性。并对实时应用的开发进行有 意义的指导。 4 ，研究实时基础设施( 抽象层) 的组成和功能，主要包括实时线程库、优 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 先级映射和自调度线程库等。 5 研究o m g 的r e a lt i m ec o r b a 1 o 【17 , 3 6 , 5 3 规范及实现的关键技术。实现 一个遵循规范的实时o r b ，并对性能和可用性进行评测和比较。r e a lt i m e c o r b a1 0 是当前最主要的一个实时中间件规范。 我们的研究主要关注分布实时交互式控制应用，即以传输控制命令为主，实 时约束以请求为基本单位，不涉及请求之间的时间约束。我们的研究不像流媒体 那样主要以数据传输为主，它不仅要求数据要能够实时传输，而且前后数据之间 也有严格的时间约束，以控制视频或者音频的抖动。本文的实时中间件均指关注 分布实时交互式控制应用的实时中间件。一 一 。 本文的研究得到了国家“8 6 3 ”重点课题，麟环境的新代中间件核心技 术及运行平台( n o 2 0 0 1 a a l l 3 0 2 0 ) ，国家自然科学基金，新一代网络中间件的 体系结构、协议及实现机制( n o 9 0 1 0 4 0 2 0 ) ，以及国防预研课题，分布式计算技 术的支持。 1 5 标准及其与本文的关系 实时中间件规范制定组织有o m g ，i b m 领导的r t j e g 组织u 7 1 ( r e a lt i m e s p e c i f i c a t i o nf o rj a v ae x p e l sg r o u p ) ，以及电信信息网络体系结构t i n a p 驯 ( t e l e c o m m u n i c a t i o ni n f o r m a t i o nn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ) 组织。 o m g 组织在1 9 9 6 年就成立了r e a l t i m es p e c i a li n t e r e s tg r o u p ( r t s i g ) ， 专门负责实时c o r b a 规范的制定，并且得到了美国军方和相关科研组织的重 视。目前已经制定了r e