基于Actor模型的软总线设计

第45卷第5期Voi.45No.52019年5月May2019计算机工程Computer Engineering-体系结构与软件技术-文章编号：1000-3428(2019)05-0077-07文献标志码：A中图分类号：TP391基于Actor模型的软总线设计李春雷，高峰,颜运强(中国工程物理研究院十二所，四川绵阳621900)摘要：为提高网络化嵌入式系统的安全性与可靠性，提出一种基于Actor模型的软总线设计方法，以解决分布式全数字仿真测试中系统及组件间的通信问题$采用以Actor模型为中心的发布/订阅机制，实现分布式节点之间的同步、异步通信$在此基础上，提出一种基于线程池技术的任务调度方法，实现Actor模型的协同工作,并通过规则链表进行Actor消息的处理及转发$实验结果表明，与HLA、OpenDDS总线相比，在大数据量并发处理的情况下，该软总线程序执行效率提升30%以上，能够满足网络化嵌入式系统测试对实时性与并发性的需求$关键词：网络化嵌入式系统;Actor模型；分布式全数字仿真；强实时性；并发性中文引用格式：李春雷，高峰，颜运强.基于Actor模型的软总线设计［J］.计算机工程，2019，45(5)*77-83•英文引用格式：LI Chunlei，GAO Feng，YAN Yunqiang.Design of soft bus based on Actor model(J］.Computer Engineering，2019，45(5)*77-83,Design of Soft Bus Based on Actor ModelLI Chunlei,GAO Feng，YAN Yunqiang(The12th Institute of China Academy of Engineering Physics&Mianyang&Sichuan621900&China)+Abstract]In order to improve the security and reliability of networked embedded systems，a soft bus design method based on Actor model is proposed to solve the communication problem between systems and components in distributed ful l digial simulation testing.Actor-based publish/subscribe mechanism is adopted to reslize synchronous and asynchronous communicarion among disrriburd nod+s.On rhisbasis，arask sch+duling m+rhod bas+d on rhr+ad poolrchnology is propos+d ro r+alie+rh+co l aborariv+work ofrh+Acrormod+l，and rh+proc+s ing and forwarding ofrh+propos+d Acror m+s ag+rhrough rh+rul lisr.Exp+rim+nralrsulrsshow rharcompar+d wirh HLA and Op+nDDS bus+s，rh++x+curion +f icincy of rh+propos+d sofrbusprogram isimprov+d by mor+rhan30%in rh+cas+of ma s iv+dara concu r+nr proc+s ing，which can m++rrh+r+al-rim+and concu r nrr+quir+m+nrsofn+rwork+d+mb+dd+d sysrmsrsring.+Key words]networked embedded systems；Actor model；disWibuted full digital simulation；strong red-time；concu r encyDOI*10,19678/j.issn.1000-3428.00503070概述网络化通信技术与嵌入式技术的发展及相互融合，推动了传统嵌入式系统从单一化逐渐向网络化的方向发展，形成了多节点异构的网络化嵌入式系统$在该系统中，各节点间采用复合网络(如CAN 总线、以太网等)作为载体，与网络环境中其他嵌入式设备共享资源或信息$网络化嵌入式系统综合了嵌入式硬件和嵌入式软件，软硬件之间的协同变得越来越紧密［1-］$为提升系统的性能，文献(3］提出采用动态测试与验证的方法，多维度综合考察系统的安全性、可靠性及一致性$分布式全数字仿真测试技术可应用于软件的需求方案阶段至集成验证阶段的整个过程，以发现软件系统的需求及设计中的深层次问题。

在分布式全数字仿真测试系统中，最关键的模块是软总线。

软总线的架构及消息同步机制直接影响整个仿真测试系统的性能及最终测试结果。

目前,在传统的分布式软总线架构DDS(Data Distwbution Servica)与HLA(High Levei Architecture)中，存在数据采集与管理影响仿真性能、系统架构庞大，以及不支持同时等待多个topic消息等问题，使它们在应用中受到一定限制［心$针对上述问题，国内外学者开展了将Actor模型应用于分布式系统设计的相关研究&如Erlang架构及Scala的Actor模型库$Erlang架构数据抽象能力不强，需要定义较多复杂的元组&一旦出错&程序便基金项目：国防科工局基础科研重点项目(JCKY2016212B004)$作者简介:李春雷(1981―)，男，工程师、硕士，主研方向为可信软件工具研发、嵌入式软件系统；高峰、颜运强，高级工程师收稿日期：2018-01-26修回日期：2018-03-26E-mail：licl12090512@78计算机工程2019年5月15日会出现Bug$此外，Erlang消息的发送方和接收方在实际上是完全分离的，没有基于任何协议，一旦遇到大规模修改数据的情况，Erlang程序便会出错$ Scela是一种新颖且有一定深度的语言&其中的Actor模型提供无限大小的消息接收队列，这对内存带来了极大挑战（6-文献［7:提出一种基于Actor 模型的高性能分布式XMPP服务器&由于只能顺序处理接收到的消息，因此当消息数据并发量较大时，其本地的LocelRouter可能成为一个性能瓶颈$本文提出一种基于Actor模型的软总线设计方法$通过接口技术将实验环境中的全数字仿真节点、测试组件无缝接入到分布式全数字仿真测试平台中，该平台采用RPC（Remote Procedure Cal l）结构体的形式定义复杂数据元素及数据结构,通过TCP/IP协议发送到接收端$采用双向数据链表管理消息接收队列,实现消息的灵活插入及移除，以提高内存的使用效率$运用消息派发、线程池等关键技术（8］实现同步、异步及并发消息处理等功能，以解决大数据量并发时的路由性能瓶颈问题，并进一步提高通信效率$1分布式全数字仿真测试平台分布式全数字仿真测试平台按照业务逻辑，将测试过程分为客户层、网络层和控制执行层，平台架构如图1所示$数据监控等其他客户端部署控制终端测试引擎服务端y客户层软总线□TII___I全数字节点1》网络层全数字节点N软设备（领域化协议库）测试控制脚本BE虚拟GPIO外设®]MMIO虚拟CPU＞控制执行层软设备（领域化协议库）测试控制脚本區虚拟SPI外设MMIO虚拟CPU图1分布式全数字仿真测试平台架构客户层主要面向测试人员，包括部署控制终端、测试引擎服务端与数据监控等其他客户端。

部署控制终端负责测试环境配置、部署及控制，测试引擎服务端辅助测试脚本编辑、部署测试引擎,数据监控等其他客户端负责测试监控、领域化协议库编辑等辅助功能。

网络层主要部署软总线，对整个分布式测试平台进行交联互通，并提供高可靠性、高实时性的数据通信，其通过分层的设计模式，采用基于Actor模型的软总线技术实现分布式多节点协同仿真$控制执行层是测试的具体执行者，其根据测试脚本，调用领域化协议库中预置的协议和算法组成具体的单个测试激励数据帧，通过接口驱动适配模块将具体的激励数据帧注入到被测设备中以完成实际的测试。

该层主要包括领域化协议库（软设备），测试引擎根据测试脚本分发的各个执行节点的“测试控制脚本”以及领域化协议库，生成具体的激励数据帧并推进仿真时序的控制器、相应的接口驱动适配模块、虚拟外设等$2软总线架构设计软总线是分布式全数字仿真测试平台中最核心、最关键的模块，必须通过软总线将测试平台中各模块组件串联$采用分层的设计模式，基于Actor模型的软总线技术实现了分布式多节点间的协同仿真$软总线主要分为网络传输层、RPC层、Actor层和服务层，其架构如图2所示$其中，虚线箭头表示2个组件第45卷第5期李春雷,高峰,颜运强：基于Actor模型的软总线设计79通过Actor层建立通信$软总线定义了以Actor模型为中心的发布/订阅机制，提供了一个与平台无关的数据模型,该模型能够映射到各种具体的平台和编程语言中$软总线设计的目的是简化分布式系统中数据的有效发布,其在实时性能要求高、可用资源紧张的关键任务领域具有较强的灵活性与适用性(9]$图2软总线架构软总线各层功能具体如下：1)网络传输层负责将来自RPC层的数据包通过TCP通道发送至远程节点，同时监听底层TCP链接，收到数据后回调RPC层处理函数进行去复用分发处理$由于系统采用了分布式的架构，在设计上必须充分考虑仿真测试平台的实时性$因此，本文网络传输层采用了高性能的跨平台网络库Libuv进行实现$Libuv具有异步、非阻塞式IO和消息驱动的特点，能有效、快速地响应网络请求$除处理网络消息，Libuv能够同时监测其他IO设备活动，对网络、本地板卡设备事件进行协调统一处理$此外，Libuv还提供了平台无关定时器，可作为测试框架定时器消息源使用$2)RPC层主要解决远程调用问题，其分布式的架构具有调用多样性的特点，因此，RPC层可以统一解决调用方式、信息序列化、过程封装、客服端代理和服务端实现等问题$3)Actor层即Actor设计模式的实现模块，其作为服务运行的一个容器$—方面，Actor在整个消息层架构中是消息路由的一个中间环节，具有RPC寻址的作用$为进一步提高系统的实时性，RPC寻址Actor时，若发现服务运行在本地Actor中，则该远程调用请求变为本地函数调用$另一方面，每个Actor 运行在独立的线程中，具有相对独立的程序设计和运行环境，可有效提高程序实现的抽象性$4"服务层也称应用层，承载着测试平台的业务逻辑关系$在测试平台中，主要包括2种服务组件：(1)部署服务，其响应部署脚本的相关命令，完成节点创建、组件实例化、组件参数设置、组件连接等功能$(2)设备管理服务，其响应组件实例化时的设备注册命令，完成测试平台运行时设备组件之间的寻址操作和消息收发操作$在服务层中，各服务根据脚本配置及规划，分布式运行在不同的仿真节点上，通过软总线上的时钟服务统一调度，实现仿真节点间的协同验证$2.1Actor模型的设计与实现2//模型设计Actor模型的基本元素是演员(actor)和消息(message)，其主要功能是处理消息$每个Actor模型有一个消息队列(邮箱)，消息队列由地址来标识$ Actor模型创建后，形成唯一的邮箱$每个Actor模型由若干变量和方法构成，变量实例化后构成其内部状态，方法构成外部接口$Actor模型的定义如下：Actor模型/gid；name；mode；msgqueue；schedQueue Node；tempActorNode；svcs；waitGID；*replyReq；Actor()；enqueue()；dispatchAl l()；onlnvoke()；waitWeply()；pushReq()0各符号具体含义为：gid:Actor模型id$name:Actor模型名称$mode：消息派发模式$msgqueue:消息队列$schedQueueNode:调度队列节点$tempActorNode:临时Actor节点$svcs：服务接口$waitGID:等待消息回复的Actor模型id$*replyReq:消息回复请求$Actor():Actor模型创建$enqueue():消息队列$dispatch A l():消息派发$onlnvoke():处理RPC服务端调用$waitWeply():等待消息回复$pushReq()：推送RPC消息$Actor模型是独立的实体，通过消息交互改变对方状态及行为$Actor主要包括4个模块:模型初始化模块，消息管理模块，任务调度模块，接口服务模块$1)模型初始化模块校验派发模式是否支持，绑定Actor模型id和名称，用于区分不同的对象，让消息发送者知道消息接收的对象，初始化Actor模型内部的状态$2)消息管理模块定义消息队列，用于缓存接收的消息。