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1、1 0 8 网络新技术与应用研讨会论文集( 2 0 0 5 ) 实时C O R B A 的Q o S 研究 兰薇薇1 贾卓生 北京交通大学计算机与信息技术学院1 0 0 0 4 4 摘要：实时系统对时间性及性能极为敏感，而分布式对象计算中间件要想成为实时系统 的有效平台，必须提供严格的端到端服务质量( Q u a l i t yo f S e r v i c e ，Q o S ) 保证。本文分别从 满足基于固定优先级和基于动态优先级的分布式实时应用的Q o S 需求出发，详细阐述和分析 了各种用于提高系统实时性能的策略和机制，并提出了一个实时O R B 的调度模型 关键字：实时C O R B
2、A ，服务质量，分布式实时系统 T h eR e s e a r c ho fR e a l t i m eC O I 氇AO u a l i t yo fS e r v i c e tT ， L a nw e l w e lJl a L l a u o s l l e n R D e p t o f C o m p u t e rS c i e n c e & T e c h n o l o g y ，B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y 1 0 0 0 4 4 A b s t r a c t ：R e a l t i m es y
3、s t e m s 棚陀s os e n s i t i v et ot i m e l i n e s sa n dp e r f o r m a n c e ，t h a td i s t r i b u t e d o b j e c tc o m p u t i n g ( D O C ) m i d d l e w a r em u s ts u p p o r ts t r i n g e n ta p p l i c a t i o nq u a l i t yo fs e r v i c e ( Q o S ) g u a r a n t e e se n d - t o -
4、e n d ，i fw h i c hi st ob ea ne f f e c t i v ep l a t f o r mf o rr e a l t i m es y s t e m s 1 1 1 i sp a p e r d e s c r i b e sa n da n a l y z e sa v a r i e t yo fp o l i c i e sa n dm e c h a n i s m sw h i c ha r eu s e df o re n h a n c i n gr e a l t i m e c a p a b i l i t i e so fd i s
5、 t r i b u t e d r e a l - t i m es y s t e m sb a s e do nf i x e d p r i o r i t y a n dd y n a m i c p r i o r i t y r e s p e c t i v e l y F i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sas c h e d u l i n gm o d e lf o rt h er e a l t i m eO R B K e y w o r d s ：R e a l - t i m eC O R B A ，Q u
6、a l i t yo fS e r v i c e ( Q o S ) ，D i s t r i b u t e dR e a l t i m eS y s t e m 一、引言 网络和计算机技术的飞速发展，促使分布式系统获得了广泛的应用。而通用对象请求代 理体系结构( C o m m o nO b j e c tR e q u e S tB r o k e r A r c h i t e c t u r e ，C O R B A ) ，作为分布式计算与面向对 象技术完美结合的典范，在大型分布式异构软件体系领域中得到越来越广泛的重视和应用， 具有广泛的发展前景。并且C O R B A 在应用中
7、也不断完善与发展着。 在分布式系统的实际应用中，如：航空飞行系统、电信系统、医疗系统、实时股票交易 系统、制造过程控制系统等，需要提供具备优先级别的调用，可预测的反应时间，以及在应 用级别对系统资源( 如C P U ，内存和网络资源等) 的控制能力，即存在严格、强烈的Q o S 需求。 而传统的C O R B A 并不能满足此需求，于是实时( R e a l q i m e ，R T ) C O R B A 应运而生。R T C O R B A 是传统C O R B A 的有选择的扩展，提供了标准的接口，解决如何将有限的计算资源和网络资 源分配给实时任务。从而保证实时应用中端到端行为的可预测性
8、。 实时系统根据实际需要提供两种调度方法：静态调度和动态调度。R T C O R B A I 0 规范服 务于那些使用固定优先级调度便可满足实时需求的系统。而R T C O R B A 2 0 规范则服务于那些 复杂的基于关键任务的系统，它们往往需要动态加载条件将分别从这两方面详细阐述在 R T C O R B A 中间件的实现中如何加强分布式实时系统的Q o S 特性 兰薇薇，1 9 8 1 。女硕士研究生s u n n e y l a n 1 2 6 c o m 网络技术与应用 1 0 9 二、增强基于固定优先级的分布式实时系统的Q o S 特性 实时应用具有严格的Q o S 需求，如低延
9、迟、低抖动和高吞吐量等l 。R T C O R B A l 0 是一 个开放的中间件规范，该规范允许实时应用分配、调度和控制C P U 、内存和网络资源，以实 时端到端行为的可预测性，避免优先级逆转，确保Q o S 。 1 管理对象请求对象代蟹J ( O b j e e tR e q u e s tB r o k e r ，O R B ) 间通信 传统C O R B A 中强调节点位置透明性。应用不须检测组件是分布的还是位于同一个 进程内。除此之外。将底层操作系统和网络看作是一个黑盒子。这种封装固然对组件的可移 植性和系统开发的简易性带来了优势，但同时增大了系统支出，对于具有极严格Q o S
10、要求的 分布式实时应用来说是不足取的。 1 ) 接受器连接器( A c c e p t o r - C o n n e c t o r ) 的网络编程模式 接受器连接器3 属于初始化设计模式，它把O R B 间连接的建立与连接建立之后的处理 工作分离。O R B 使用连接器工厂来初始化一个连接，用以主动建立连接；接受器使用接受器 工厂来被动建立连接。该模式为下文提及的预先建立连接方案的实现提供了编程基础。 2 ) 显式绑定机制和资源的非多路复用 传统C O R B A 采用隐式绑定机制。该机制推迟建立连接，只有当运行时不得不建立连接 时才分配网络资源，这会明显增加延迟和抖动。资源的多路复用也会
11、由于连接的排队而产生 潜在的优先级逆转。这些都与实时特性相背而驰。R T C O R B A 支持显式绑定机制，允许客户 预先建立到服务器的连接并控制客户请求如何通过这些连接发送到服务器。该机制可以由 如下两种策略来实现： ( 1 ) 绑定了优先级段的连接：该策略允许客户为每一个网络连接显式指定优先级，并 在运行时根据激发操作的线程的C O R B A 优先级选择合适的网络连接。客户负责在建立连接 时显式指定一个或多个优先级段。优先级段信息包含在服务上下文中，通过客户建立的连接 在第一次激发操作中传送给服务器。当服务器接收到包含有优先级段信息的请求后，便为该 连接分配资源。客户在此连接之上所发
12、出的后续请求都将以此优先级处理。 ( 2 ) 私有连接：许多O R B 实现支持多路复用连接，这有助于更好地利用连接和其他有 限的操作系统资源。然而，实时应用经常需要私有的，即非多路复用的连接，以更好地满足 严格的、确定性的Q o S 需求。私有连接策略允许客户选择已经建立好的私有连接，以最小化 端到端优先级调用的响应时间。使用该策略时，对于一个连接上的双路请求，直到回复被接 收后，该连接才可以被另一个双路请求使用。私有连接可以被绑定单独一个优先级或一个优 先级段。 图l 是一个组合使用了优先级段策略和私有连接策略的显式绑定模型，其中P 1 5 用来 标明优先级处于l 5 之间的线程，每个带有
13、箭头的折线均表示一个私有连接。每一个客户请 求都通过预先建立的被绑定了固定优先级段的连接传送到服务器。而回复也将通过同样的非 多路复用连接发送到客户以上两种策略的组合应用维护了端到端的优先级并最小化优先级 逆转 2 管理处理器资源 R 1 O R B A 规范对操作系统进行了限定，即那些允许应用指定调度优先级和调度策略的 操作系统。如此，才可以在应用级别通过O R B 来利用操作系统相关机制。对许多固定优先 级的实时应用来说，严格控制处理器资源的调度和执行是十分关键的。在R T C O R B A 实现中 1 1 0 -网络新技术与应用研讨会论文集( 2 0 0 5 ) 可以通过采用如下机制和
14、策略来确保端到端Q o S 。 图l 显式绑定 1 ) 在优先级机制中使用准确、高效的优先级映射方案 R T C O R B A 规定了独立于操作系统的C O R B A 优先级，每个请求都可以携带C O R B A 优 先级，而执行请求的所有线程都使用该C O R B A 优先级映射后的本地操作系统优先级4 。采 用优先级机制对比传统C O R B A 可以最小化端到端优先级逆转，同时限制延迟和抖动。根据 不同需求。R T C O R B A 提供了两个优先级模型：客户传输优先级模型和服务器宣告优先级模 型。然而无论采用哪一个模型，都要有优先级映射的过程。因此，将范围较大的C O R B A
15、 优 先级( 0 - 3 2 7 6 7 ) 快速并准确映射到异构的范围较小的操作系统优先级是确保Q o S 的一个关 键。在O R B 实现中可以采用优先级的静态映射法( 如散列法) 和动态映射法5 。 2 ) 当利用线程池模型 R T C O R B A 规范定义了标准的线程池模型包括带通道的线程池模型和不带通道的线程 池模型。前者把一个线程池分为几个通道，各个通道具有不同的优先级。线程被分配到这些 通道中具有与通道相同的优先级。通常，线程的优先级不再改变。此模型避免了经常变动 优先级的性能支出，同时采用通道也必然带来一定开销。后者同一个线程池中的线程具有 相同的优先级，但线程优先级会发生
16、改变，以匹配客户请求的优先级。开销情况基本与上一 个模型相反。这两个模型均允许服务器开发者预先分配线程池。并设置某些线程属性。 为提供实时Q o S 保证，在采用线程池模型时要根据实际需求在服务器应用中指定究竟采 用哪种线程池模型、默认的静态线程数、可动态创建线程的最大数目和默认线程优先级。此 外，可以对线程池预先配置一个缓冲区，用于存放请求队列。其中，队列的大小或请求的数 目可以由服务器开发者限定。采用线程池和进行缓冲区配置从更深一步的意义上来说，提供 了对内存资源的控制。 3 ) 利用全局调度服务 全局调度服务是由操作系统定义的调度抽象，其相对级别较低。这就要求开发人员将较 高级应用的Q o S 需求映射为较低级别的操作系统机制。相应地，R T C O R B A 为允许应用在较 高级别指定Q o S 需求。定义了全局调度服务4 ，这是一个C O R B A 对象。此对象负责分配系 统资源，以满足应用的Q o S 需求。 三、加强采用动态调度的分布式实时系统的Q
