董志華, 朱元昌, 邸彥強(qiáng), 孟憲國(guó)

(1. 軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系, 河北 石家莊 050003;

2. 中國(guó)人民解放軍63863部隊(duì), 吉林 白城 137001)

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基于可擴(kuò)展層級(jí)架構(gòu)的異構(gòu)系統(tǒng)信息交換

董志華1,2, 朱元昌1, 邸彥強(qiáng)1, 孟憲國(guó)1

(1. 軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系, 河北 石家莊 050003;

2. 中國(guó)人民解放軍63863部隊(duì), 吉林 白城 137001)

摘要：聯(lián)合試驗(yàn)要求構(gòu)建大規(guī)模分布式實(shí)時(shí)仿真環(huán)境。仿真體系結(jié)構(gòu)主要解決模型的互操作、組合和重用,在通信性能和擴(kuò)展性方面存在不足,難以滿足實(shí)時(shí)性需求。本文提出了一種基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的仿真系統(tǒng)互聯(lián)架構(gòu),利用其優(yōu)勢(shì)可以建立高實(shí)時(shí)性、易擴(kuò)展的仿真系統(tǒng)。將仿真系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)交互信息映射成為數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(data distribution service, DDS)實(shí)體,建立實(shí)體間的公布/訂閱關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)間的信息交換。以數(shù)據(jù)為中心的公布訂閱機(jī)制規(guī)定“只有屬于同一數(shù)據(jù)空間的公布者和訂閱者之間才能建立公布/訂閱關(guān)系,該機(jī)制限制了架構(gòu)的擴(kuò)展性。利用Domain橋?qū)蓚€(gè)數(shù)據(jù)空間相聯(lián),通過(guò)主題映射實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)空間的信息交互,以提高仿真架構(gòu)的性能和擴(kuò)展性。最后,通過(guò)兩個(gè)原型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了映射模型與系統(tǒng)性能的關(guān)系,證實(shí)了Domain橋的功能和性能。

關(guān)鍵詞：體系結(jié)構(gòu); 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù); 對(duì)象模型

0引言

建模與仿真(modelling and simulation, M&S)是武器系統(tǒng)試驗(yàn)的倍增器。自20世紀(jì)80年代,相繼出現(xiàn)適用領(lǐng)域不同的分布式體系結(jié)構(gòu),如分布交互仿真(distributed interactive simulation, DIS)、高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture, HLA)、試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)(test and training enabling architecture, TENA)等,分別解決了領(lǐng)域內(nèi)M&S問(wèn)題。隨著軍事需求改變,M&S支持從單節(jié)點(diǎn)模擬器、到成組訓(xùn)練再到成系統(tǒng)訓(xùn)練。聯(lián)合作戰(zhàn)給武器系統(tǒng)試驗(yàn)提出了聯(lián)合試驗(yàn)新需求,要求為被試武器系統(tǒng)提供近似實(shí)戰(zhàn)的聯(lián)合試驗(yàn)環(huán)境,M&S是構(gòu)建聯(lián)合試驗(yàn)環(huán)境的有效方法。聯(lián)合試驗(yàn)環(huán)境要求實(shí)裝系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)、靶場(chǎng)設(shè)施以地理位置更加分散的方式互聯(lián),實(shí)現(xiàn)高吞吐量、低延遲的信息交互。面臨新需求,現(xiàn)有仿真體系結(jié)構(gòu)存在諸多問(wèn)題:如系統(tǒng)之系統(tǒng)情況下,不同網(wǎng)絡(luò)間、仿真體系結(jié)構(gòu)不同實(shí)現(xiàn)間以及不同數(shù)據(jù)源間的互操作問(wèn)題;數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性問(wèn)題;仿真實(shí)體的快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題等,都是構(gòu)建聯(lián)合試驗(yàn)環(huán)境必須解決的問(wèn)題。

為滿足武器系統(tǒng)試驗(yàn)領(lǐng)域新需求,近幾年國(guó)內(nèi)外開始考慮將數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(data distribution service, DDS)用于構(gòu)建仿真環(huán)境,以彌補(bǔ)仿真體系結(jié)構(gòu)在互操作、實(shí)時(shí)性等方面的不足[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]從概念視角對(duì)HLA、TENA與DDS進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為三者間存在相似概念和信息分發(fā)方式,為它們集成奠定了基礎(chǔ)。HLA的目標(biāo)是模型互操作和仿真資源重用,在構(gòu)建實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)方面存在很多不足。文獻(xiàn)[5]利用DDS在數(shù)據(jù)通信、擴(kuò)展性等多方面的優(yōu)勢(shì),將HLA與DDS集成,提高了仿真系統(tǒng)的通信性能?；贖LA與DDS的相似性,西班牙NADS公司將它們的APIs統(tǒng)一起來(lái),研發(fā)出基于公布/訂閱范型(Paradigm)的網(wǎng)絡(luò)中間件NCWare和SimWare。NADS受美軍于2007年提出的真實(shí)、虛擬、構(gòu)造的體系結(jié)構(gòu)路線圖(live, virtual, constructive architecture roadmap, LVCAR)啟發(fā)[6],提出了一種構(gòu)建LVC仿真環(huán)境的新思想[5],即利用運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建一種層與層間解耦、模塊化的層級(jí)式仿真架構(gòu)(layered simulation architecture, LSA),以彌補(bǔ)仿真體系結(jié)構(gòu)的不足。在NADS建議下,仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)組織成立了LSA研究小組,專門致力于將DDS與仿真領(lǐng)域相結(jié)合的研究,是統(tǒng)一各研究成果的開放平臺(tái)[7]。文獻(xiàn)[8]提出一種基于DDS的仿真架構(gòu),利用運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)作為各仿真系統(tǒng)的通信底層,并基于此體系結(jié)構(gòu)將現(xiàn)有異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián),滿足異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互需求。近幾年,國(guó)內(nèi)部分高校、研究所開展了DDS服務(wù)在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用研究[9-11],并基于應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)了DDS與HLA間的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)[12-13],為DDS與仿真體系結(jié)構(gòu)間的互操作奠定了基礎(chǔ)。

目前,DDS主要作為異構(gòu)系統(tǒng)間信息交互的通信支持,實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)法層互操作。仿真領(lǐng)域內(nèi)異構(gòu)系統(tǒng)語(yǔ)義互操作是系統(tǒng)集成的目標(biāo),本體被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)仿真領(lǐng)域語(yǔ)義互操作的主要途徑。LVCAR中體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)交換模型(architecture neutral data exchange model, ANDEM)工程的目標(biāo)是解決多體系結(jié)構(gòu)間語(yǔ)義互操作問(wèn)題。ANDEM定義了元模型層和語(yǔ)義鏈接層,以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)對(duì)象模型間的語(yǔ)法、語(yǔ)義互操作。2013年,仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)組織正式成立ANDEM研究組,任務(wù)包含ANDEM研究和ANDEM在LSA中的應(yīng)用。目前,ANDEM仍處于研究階段中,尚未真正解決LVC仿真環(huán)境中的語(yǔ)義互操作問(wèn)題,且ANDEM在LSA中的功能和作用尚在探索中[14]?，F(xiàn)有關(guān)于DDS或公布/訂閱的研究主要集中于節(jié)點(diǎn)間服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)策略的匹配、跨網(wǎng)建立公布/訂閱關(guān)系等方面,目標(biāo)是提高DDS系統(tǒng)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)QoS自適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性和跨廣域網(wǎng)能力[15-16]。通常,DDS中間件自身具有不同GDS間信息交互功能,如OpenDDS、OpenSplice DDS[17-18]等,但這些功能需要進(jìn)行嚴(yán)格配置,且需要不同GDS的DDS應(yīng)用共享數(shù)據(jù)模型(以IDL形式存在,由Topics組成)。有時(shí)具有不同數(shù)據(jù)模型的GDS進(jìn)行信息交換,但現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮見該應(yīng)用條件下如何實(shí)現(xiàn)GDS間的信息交互的研究。

為滿足聯(lián)合試驗(yàn)環(huán)境需求,提出了一種將仿真系統(tǒng)、某指控平臺(tái)等試驗(yàn)要素互聯(lián)的層級(jí)式聯(lián)合試驗(yàn)互聯(lián)架構(gòu)(joint test Inter-connection architecture, JTICA),以DDS作為通信支撐實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間語(yǔ)法層互操作,以通用數(shù)據(jù)交換模型(common data exchange model, CDEM)為橋梁實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間語(yǔ)義層互操作。其中,CDEM及其如何實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義互操作的問(wèn)題不在論述范圍內(nèi),本文重點(diǎn)解決JTICA中層級(jí)間映射和JTICA擴(kuò)展性問(wèn)題。

1數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)

DDS是對(duì)象管理組織(object management organization, OMG)于2004年公布的數(shù)據(jù)分發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。DDS定義了以數(shù)據(jù)為中心的公布/訂閱(data-centric publish-subscribe, DCPS)[19]、本地?cái)?shù)據(jù)重構(gòu)(data local reconstruction layer, DLRL)兩層接口。DCPS層可實(shí)現(xiàn)特定信息高效的傳遞,DLRL是可選層,允許集成到應(yīng)用層。DCPS層定義包含實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)的通信模型,稱為DCPS模型。該模型與平臺(tái)無(wú)關(guān),可映射到不同應(yīng)用平臺(tái)和編程語(yǔ)言。2009年OMG發(fā)布了DDS互操作線協(xié)議規(guī)范,規(guī)定了實(shí)現(xiàn)不同DDS中間件互操作的線協(xié)議[20]。

DCPS模型包含公布者(Publisher)、訂閱者(Subscriber)、數(shù)據(jù)寫入者(DataWriter,DW)、數(shù)據(jù)讀取者(DataReader,DR)和主題(Topic)5類實(shí)體,如圖1所示。公布者、訂閱者間交互的數(shù)據(jù)采用全局?jǐn)?shù)據(jù)空間(global data space, GDS)或域(Domain)中的Topic描述。Domain是一個(gè)分布式概念,只有處于同一Domain的公布者、訂購(gòu)者間才能建立公布/訂閱關(guān)系。Domain中的Topic由主題名稱(Topic name)、鍵(Key)屬性唯一標(biāo)識(shí)。其中,鍵屬性是可選的,通過(guò)改變鍵屬性值可表示相同主題的不同實(shí)例。公布者和訂閱者是與主題弱相關(guān)的實(shí)體,可實(shí)現(xiàn)不同主題的公布、訂閱功能。DW和DR與主題存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系,僅實(shí)現(xiàn)特定主題的讀取、寫入功能。Domain參與者(domain participant,DP)是DDS系統(tǒng)的基本參與者,也是DDS系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行節(jié)點(diǎn),是DDS實(shí)體的“容器”,即DDS實(shí)體僅能在DP中創(chuàng)建。

圖1　DDS概念和實(shí)體

DDS中的QoS用于控制DDS服務(wù),與DDS實(shí)體相關(guān)聯(lián),每種DDS實(shí)體具有部分QoS屬性。通過(guò)調(diào)整QoS屬性值,可改變相關(guān)實(shí)體的工作方式,提高系統(tǒng)的通信性能。DDS定義了內(nèi)置主題,用于描述Domain內(nèi)實(shí)體狀態(tài)和Domain變化。DDS應(yīng)用通過(guò)內(nèi)置主題的DR獲取DDS實(shí)體狀態(tài)信息,其讀取方式與讀取自定義主題類似。

2聯(lián)合試驗(yàn)互聯(lián)架構(gòu)

JTICA自上而下包含應(yīng)用層、仿真層、通信層,如圖2所示。應(yīng)用層包含需要互聯(lián)的異構(gòu)系統(tǒng)和系統(tǒng)代理(Broker),其中代理用于實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)與仿真層的信息交互;仿真層包含仿真服務(wù)層和通用數(shù)據(jù)交換模型(common data exchange model, CDEM)層。仿真服務(wù)層為異構(gòu)系統(tǒng)間信息交互提供必要的仿真服務(wù),如時(shí)間管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理等。CDEM描述異構(gòu)系統(tǒng)間交互信息的語(yǔ)義模型,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間語(yǔ)義互操作的關(guān)鍵,也稱為互聯(lián)系統(tǒng)的交互模型;通信層中,基于DCPS建立了異構(gòu)系統(tǒng)公布/訂閱關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了信息交互。JTICA以層級(jí)形式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián),將應(yīng)用層異構(gòu)系統(tǒng)的信息交互關(guān)系轉(zhuǎn)移到了通信層,因此需要解決應(yīng)用層、仿真層到通信層的映射。

圖2　基于DDS的仿真架構(gòu)

2.1運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)與仿真體系結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

以系統(tǒng)內(nèi)各應(yīng)用更好通信為目標(biāo)、以中間件為實(shí)現(xiàn)形式的體系結(jié)構(gòu)稱為運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)。仿真體系結(jié)構(gòu)面向M&S領(lǐng)域,通過(guò)一種架構(gòu)將分布在不同位置的節(jié)點(diǎn)互聯(lián),形成時(shí)間、空間邏輯上正確的仿真空間,對(duì)仿真系統(tǒng)擴(kuò)展性、仿真應(yīng)用間信息交互實(shí)時(shí)性、通信協(xié)議等方面考慮的較少。隨著仿真系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大,網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、位置分散的仿真系統(tǒng)間信息交互的實(shí)時(shí)性已成為急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。利用運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)在通信性能方面的優(yōu)勢(shì),將其應(yīng)用于仿真體系結(jié)構(gòu)中是解決大規(guī)模分布實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的理想方法。

從信息傳遞的角度看,運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)和仿真體系結(jié)構(gòu)中有很多類似的概念和行為。如HLA的“聯(lián)邦”、TENA的“執(zhí)行”概念與DDS的“Domain”概念含義相同,表示共享相同數(shù)據(jù)空間的系統(tǒng),只有處于同一個(gè)“聯(lián)邦”、“執(zhí)行”或“域”中的應(yīng)用間才能實(shí)現(xiàn)信息交互。又如HLA的“更新屬性”、TENA的“更新”行為與DDS中DW的“寫數(shù)據(jù)”行為類似,都是將對(duì)象中變化的屬性值發(fā)送到數(shù)據(jù)空間中去,其區(qū)別是HLA在更新屬性時(shí)具有更細(xì)的粒度,可以更新對(duì)象類中的部分屬性。表1、表2列舉了HLA、TENA與DDS中對(duì)等的概念和行為,這些相似點(diǎn)為建立仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)作體系結(jié)構(gòu)映射關(guān)系提供了支撐。

表1　DDS與HLA的概念/行為比較

表2　DDS與TENA的概念/行為比較

2.2JTICA映射模型

為實(shí)現(xiàn)基于JTICA互聯(lián)系統(tǒng)間的通信,需要應(yīng)用層異構(gòu)系統(tǒng)、系統(tǒng)間的交互信息映射到DCPS層,即建立應(yīng)用層異構(gòu)系統(tǒng)、仿真層CDEM與通信層的DCPS層概念間的映射關(guān)系,如圖3所示。

圖3　映射關(guān)系

2.2.1應(yīng)用層到DDS實(shí)體的映射模型

應(yīng)用層異構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間保持原有交互關(guān)系,系統(tǒng)之間不直接進(jìn)行通信,而是將其映射成為DDS實(shí)體,建立不同系統(tǒng)對(duì)應(yīng)實(shí)體間公布/訂閱關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

映射關(guān)系描述如下:應(yīng)用層各系統(tǒng)映射為DCPS層中不同DP,利用DP中公布者、訂閱者間的公布/訂閱關(guān)系實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收/發(fā)。不同類型的DW繼承于公布者,實(shí)現(xiàn)向其他系統(tǒng)公布不同數(shù)據(jù)類型的主題實(shí)例;不同類型的DR繼承于訂閱者,可以訂閱不同數(shù)據(jù)類型的主題實(shí)例。圖4(a)為基于JTICA的異構(gòu)系統(tǒng)在DCPS層的映射,假定系統(tǒng)O映射為DP O,系統(tǒng)1映射為DP 1,系統(tǒng)2映射為DP 2,依次類推。DP O與DP 1、DP 2、…,分別關(guān)于Topic1、Topic2、…存在公布/訂閱關(guān)系。圖中所示為一種極端情況:系統(tǒng)O與其他系統(tǒng)均有交互關(guān)系。當(dāng)DP O與DP 1、DP 2、…同時(shí)交互信息時(shí),引起多個(gè)公布或訂閱并發(fā),可能產(chǎn)生DP O負(fù)載失衡現(xiàn)象[21]。

圖4　仿真系統(tǒng)到DCPS的映射模型

為了解決單個(gè)DP節(jié)點(diǎn)負(fù)載失衡造成整個(gè)系統(tǒng)性能下降問(wèn)題,可以將互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜、信息交互頻繁的系統(tǒng)映射為DCPS層中的多個(gè)DP,限制每個(gè)DP中的公布者、訂閱者生成的DW、DR個(gè)數(shù),可避免單個(gè)DP超載運(yùn)行引起的互聯(lián)系統(tǒng)性能降低。圖4(b)將系統(tǒng)O映射為多個(gè)DP s,DP O1、DP O2、…、DP Oi+k…分別與DP 1、DP 2、…、DPi+k存在公布/訂閱關(guān)系。這些DP s共享同一GDS,也可以運(yùn)行于不同的GDS中。

2.2.2仿真層到DDS實(shí)體的映射模型

現(xiàn)有的HLA系統(tǒng)利用聯(lián)邦對(duì)象模型/仿真對(duì)象模型(federation object model/simulation object model，F(xiàn)OM/SOM)描述了系統(tǒng)內(nèi)交互信息,包含了與其他系統(tǒng)間的交互模型,利用Sub FOM/SOM描述;TENA系統(tǒng)利用TENA對(duì)象模型描述了系統(tǒng)內(nèi)各TENA應(yīng)用間的信息交互關(guān)系,以TDL(TENA description language)形式表達(dá),包含了與其他異構(gòu)系統(tǒng)交互的信息模型,采用Sub TDL表示;指控系統(tǒng)通過(guò)指控代理實(shí)現(xiàn)與仿真系統(tǒng)的信息交互,交互內(nèi)容包含命令、情報(bào)和狀態(tài)等,利用持續(xù)類和瞬態(tài)類[22-23]對(duì)象描述,稱為Sub C2 Data。CDEM包含了Sub-FOM/SOM、Sub-TDL和Sub-C2 Data等系統(tǒng)間交互的信息,同時(shí)也包含這些信息的語(yǔ)義描述。借鑒HLA、TENA對(duì)象模型思想,CDEM采用持續(xù)類和瞬態(tài)類描述兩種類型的交互信息,另外包含基本的元素,如基本數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)體等。

本部分主要解決JTICA中,CDEM怎樣映射到DCPS層的DDS實(shí)體,如表3所示。

表3　CDEM與DCPS數(shù)據(jù)模型映射關(guān)系

Topic是應(yīng)用間進(jìn)行交互的數(shù)據(jù)模型,由數(shù)據(jù)類型和名稱唯一標(biāo)識(shí)。同一GDS中,同一數(shù)據(jù)類型的Topic名稱唯一,通過(guò)DW、DR實(shí)現(xiàn)對(duì)某一Topic的寫入和讀取。Topic包含具有Key屬性(Keyed Topic)和沒(méi)有Key屬性(Topic(no keys))類,具有Key屬性的Topic可以為Key屬性賦予不同值,表示Topic的不同實(shí)例;沒(méi)有Key屬性的Topic沒(méi)有實(shí)例。CDEM描述了持續(xù)類、瞬態(tài)類兩類模型。因此,CDEM中持續(xù)類可映射為具有Key屬性的Topic,瞬態(tài)類可映射為沒(méi)有Key屬性的Topic。CDEM的數(shù)據(jù)類型可映射成為Topic的基本數(shù)據(jù)類型。

以雷達(dá)、指控系統(tǒng)、高炮3個(gè)節(jié)點(diǎn)間的信息交互為例,說(shuō)明CDEM與Topic間的映射關(guān)系。圖5所示,weapon_pos表示雷達(dá)向指控系統(tǒng)發(fā)送的目標(biāo)位置信息,是持續(xù)類對(duì)象,Fire表示指控系統(tǒng)向高炮發(fā)送的開火命令,是瞬態(tài)類對(duì)象。利用兩個(gè)數(shù)據(jù)類型為“Position”和“Fire”的Topic描述CDEM。“Position”的屬性“ID”為Key屬性,表示CDEM中的“weapon_pos”;“Fire”沒(méi)有Key屬性,表示CDEM中的“Fire”命令。

圖5　CDEM與Topic的映射示例

3Domains間數(shù)據(jù)交互

應(yīng)用層、仿真層到通信層的映射模型中,通過(guò)將各異構(gòu)系統(tǒng)映射成為多個(gè)DP、各DP存在獨(dú)立的公布訂閱關(guān)系,避免單個(gè)DP超載問(wèn)題。但這種映射方法帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題,即Domain間的信息交互需求,本節(jié)首先分析出現(xiàn)這一問(wèn)題的根源,然后研究解決方法。

3.1問(wèn)題分析

DCPS規(guī)范規(guī)定,只有處于同一Domain的DP間才能建立關(guān)于某一主題的公布/訂閱關(guān)系。應(yīng)用層到DCPS層的映射關(guān)系,系統(tǒng)映射到DCPS層得到的多個(gè)DP可能處于同一Domain,也可能處于不同Domain。圖4(b)中,系統(tǒng)O映射為DP Oi,若與DP 1、DP 2、…形成的公布/訂閱關(guān)系分別處于不同Domain1、Domain2、…中,由于系統(tǒng)O可看做由DP Oi融合而得,因此需要實(shí)現(xiàn)不同DP Oi間的信息交互,其本質(zhì)是Domain間的信息交互問(wèn)題。

另一方面,當(dāng)基于JTICA的系統(tǒng)需要新系統(tǒng)加入時(shí),如果加入到現(xiàn)有的Domain中,則現(xiàn)有的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)內(nèi)各應(yīng)用層、CDEM層都要作相應(yīng)調(diào)整,以建立與新系統(tǒng)的公布訂閱關(guān)系。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大,這一調(diào)整過(guò)程將變得越來(lái)越復(fù)雜。而且，同一GDS中存在大量公布者、訂閱者或者公布者與眾多訂閱者存在公布/訂閱關(guān)系,造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性降低(會(huì)在第4節(jié)試驗(yàn)中證實(shí))。因此,需要通過(guò)新建Domain,維護(hù)新加入系統(tǒng)的信息交互關(guān)系,避免某一個(gè)Domain內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間通信性能的降低。

由于不同Domain間公布/訂閱關(guān)系是獨(dú)立的,為實(shí)現(xiàn)Domain間的通信,本文提出利用Domain橋?qū)崿F(xiàn)不同Domain間的信息交換。

3.2基于Domain橋的Domains間信息交換

為了保證實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)擴(kuò)展性,采用Domain橋?qū)崿F(xiàn)不同Domain間的數(shù)據(jù)交換。實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間信息交互的關(guān)系是協(xié)議轉(zhuǎn)換,可存在于TCP/IP協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、應(yīng)用層等[24]。在基于仿真中間件的異構(gòu)仿真系統(tǒng)間可建立中間件、應(yīng)用層上的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的信息交互。Domain橋運(yùn)行于DCPS層,加入到不同數(shù)據(jù)空間通過(guò)主題轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)Domain間的數(shù)據(jù)交互,如圖6(a)所示。

圖6　Domain橋

Domain橋以JTICA為基礎(chǔ),在不影響原實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)前提下,通過(guò)DCPS層上的主題映射層即Topic Mapping實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)空間主題間的轉(zhuǎn)換。圖6(b)中,Domain A、Domain B是系統(tǒng)A、系統(tǒng)B對(duì)應(yīng)的DDS實(shí)體。Domain橋兩端分別維護(hù)著一對(duì)公布者/訂閱者,并分別加入Domain A、Domain B中。以系統(tǒng)A向系統(tǒng)B公布數(shù)據(jù)為例說(shuō)明兩個(gè)Domain間Topic轉(zhuǎn)換的過(guò)程:Domain橋包含兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的線程,一個(gè)線程維護(hù)Sub_left和Pub_left,參與Domain A的公布/訂閱行為;另一個(gè)線程維護(hù)Sub_rigth和Pub_right,參與Domain B的公布/訂閱行為。Domain橋通過(guò)內(nèi)置主題發(fā)現(xiàn)有新的主題,Sub_left創(chuàng)建相應(yīng)的DR,如果Domain B存在該主題,則Pub_right創(chuàng)建相應(yīng)的DW,不需經(jīng)主題映射即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā);如果Domain B中沒(méi)有與新主題同類型的主圖,則需要將新主題映射為Domain B已存在的主題。

Domain橋?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)流如圖7所示,包括初始化和數(shù)據(jù)交互兩個(gè)過(guò)程。初始化工作主要如下:①Domain橋加入Domain A,創(chuàng)建訂閱者Sub_left、公布者Pub_left和主題;②Domain橋同時(shí)加入Domain B,創(chuàng)建公布者Pub_right、訂閱者Sub_right和主題。完成了初始化工作后,即可利用DDS的通信機(jī)制進(jìn)行Domain間的數(shù)據(jù)交互,包括:內(nèi)置主題反饋Domain A有新的主題Topic A向Domain B公布,訂閱者Sub_left創(chuàng)建關(guān)于Topic A的DR A, 然后經(jīng)主題映射(若Domain B數(shù)據(jù)空間定義了Topic A, 則可直接進(jìn)行賦值)轉(zhuǎn)換為Domain B中的Topic B, 然后由Pub_right公布到Domain B的數(shù)據(jù)空間中。

圖7　Domain橋數(shù)據(jù)流

4試驗(yàn)與分析

為了檢驗(yàn)本文方法的可行性,以DDS開源實(shí)現(xiàn)OpenDDS 3.5作為JTICA的通信層基礎(chǔ),完成兩個(gè)原型系統(tǒng)試驗(yàn),測(cè)試環(huán)境如表4所示。

表4　測(cè)試環(huán)境

4.1JTICA實(shí)時(shí)性驗(yàn)證與分析

利用基于HLA的空情模擬系統(tǒng)和雷達(dá)模擬系統(tǒng)、基于TENA的指控系統(tǒng),采用OpenDDS作為異構(gòu)系統(tǒng)間底層通信支撐,構(gòu)建原型系統(tǒng)?？涨槟M是獨(dú)立仿真系統(tǒng),可產(chǎn)生多批次、多架次的飛機(jī)目標(biāo);雷達(dá)模擬系統(tǒng)也是獨(dú)立仿真系統(tǒng),接收空情信息并發(fā)送給指控系統(tǒng);指控系統(tǒng)是由仿真系統(tǒng)和實(shí)裝組成的滿建制武器系統(tǒng)。重點(diǎn)關(guān)注了空情信息的傳遞,其路徑從空情模擬系統(tǒng)到雷達(dá)模擬系統(tǒng)再到指控系統(tǒng)。利用JTICA將3種系統(tǒng)互聯(lián),利用Ping-Pong測(cè)試方法分別測(cè)試仿真層兩種映射方案的性能。

(1) 測(cè)試方案

測(cè)試 1空情模擬、模擬雷達(dá)、指控系統(tǒng)分別映射為一個(gè)DP,三者的交互模型CDEM映射為一個(gè)Topic,測(cè)試Topic的數(shù)據(jù)包不同大小與傳輸時(shí)延的關(guān)系。依次設(shè)定Topic的數(shù)據(jù)包大小為32 B、64 B、…、16 384 B,數(shù)據(jù)公布時(shí)間間隔為0.1s,持續(xù)測(cè)試一定時(shí)間得到信息傳輸?shù)臅r(shí)延數(shù)據(jù)。

測(cè)試 23個(gè)仿真系統(tǒng)分別映射為一個(gè)DP,CDEM中每個(gè)空情目標(biāo)用一個(gè)Topic描述,測(cè)試空情目標(biāo)的數(shù)量與空情信息傳輸時(shí)延間的關(guān)系。設(shè)定空情模擬分別生成2、4、8個(gè)目標(biāo),即CDEM交互模型分別映射成2、4、8個(gè)Topic,以測(cè)試傳輸時(shí)延。

(2) 測(cè)試結(jié)果與分析

建立基于JTICA的原型系統(tǒng)空情信息傳遞的時(shí)間模型,如圖8所示。

圖8　基于JTICA互聯(lián)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳遞時(shí)間模型

模型忽略消息在應(yīng)用系統(tǒng)中的停留時(shí)間,引起消息傳輸時(shí)延的時(shí)間主要包含3類:應(yīng)用層系統(tǒng)到相應(yīng)DP的時(shí)間T1、DP中的處理時(shí)間T2和GDS完成分發(fā)的時(shí)間T3。T1是上層數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成Topic的速度有關(guān);T2與數(shù)據(jù)包大小和DP中DW、DR個(gè)數(shù)有關(guān);T3與GDS的Topic個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)包大小有關(guān)。在JTICA架構(gòu)中,應(yīng)用層系統(tǒng)經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳遞到通信層在本地完成,因此認(rèn)為相同大小的Topic轉(zhuǎn)換時(shí)間均為t′。利用中Ping-Pong測(cè)試方法,可得一個(gè)消息循環(huán)的耗時(shí)ΔT=T1+T2+T3。

測(cè)試1結(jié)果如圖9所示,當(dāng)數(shù)據(jù)包小于1 024 B時(shí),傳輸時(shí)延差別不大,處于500 μs水平;數(shù)據(jù)包小于4 096 B時(shí),傳輸時(shí)延基本不大于1 000 μs。當(dāng)數(shù)據(jù)包大小超過(guò)4 096 B后,隨著Topic數(shù)據(jù)包的增大,傳輸時(shí)延增大的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有兩個(gè)方面,一是隨著數(shù)據(jù)包大小的增加,其轉(zhuǎn)換時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng),二是由于網(wǎng)絡(luò)傳輸自身特性引起的,即相同網(wǎng)絡(luò)帶寬條件下數(shù)據(jù)包越大,傳輸時(shí)延越長(zhǎng),與DDS各實(shí)體配置關(guān)系不大。

圖9　Topic數(shù)據(jù)包大小與傳輸時(shí)延的關(guān)系

測(cè)試2結(jié)果如圖10所示,Topic個(gè)數(shù)相同時(shí),隨著數(shù)據(jù)包增大,時(shí)延越來(lái)越長(zhǎng),且時(shí)延增大的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。這一現(xiàn)象的原因與測(cè)試1的現(xiàn)象原因相同;數(shù)據(jù)包大小相同時(shí),隨著Topic個(gè)數(shù)的增加,傳輸時(shí)延逐漸增大?？傮w來(lái)看,Topic個(gè)數(shù)增加對(duì)時(shí)延的影響,要越來(lái)越弱于因數(shù)據(jù)包增大對(duì)時(shí)延的影響。

圖10　多個(gè)Topic與時(shí)延的關(guān)系

數(shù)據(jù)包總量不變,映射成不同個(gè)數(shù)的Topic后,在GDS中,需要為每一個(gè)Topic建立公布/訂閱關(guān)系。由于DDS是基于數(shù)據(jù)類型/數(shù)據(jù)名稱實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過(guò)濾和信息的路由,隨著Topic數(shù)量的增多,這一過(guò)濾流程也會(huì)增長(zhǎng)。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)據(jù)過(guò)濾的基本原理,示意如圖11所示。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)模型進(jìn)入GDS后,會(huì)依次尋找與其匹配的Topic。由于同一空間中,Topic的名字是唯一的,找到匹配的Topic后即停止,隨后該數(shù)據(jù)模型的公布/訂閱關(guān)系會(huì)根據(jù)Topic而確定[25]。因此隨著Topic數(shù)量的增多,匹配過(guò)程必然變得越來(lái)越長(zhǎng)。

圖11　全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中數(shù)據(jù)過(guò)濾示意

大規(guī)模的仿真環(huán)境內(nèi)存在大量的數(shù)據(jù)交互,信息傳輸實(shí)時(shí)性影響整個(gè)仿真環(huán)境的性能?；贒DS實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)傳輸時(shí),應(yīng)處理好Topic個(gè)數(shù)與Topic數(shù)據(jù)包大小間的關(guān)系。若一次交互的數(shù)據(jù)量小于1 kB時(shí),可利用1個(gè)Topic描述交互的數(shù)據(jù);若一次交互的數(shù)據(jù)量大于1 kB,可利用多個(gè)Topic描述交互數(shù)據(jù),以削弱較大的數(shù)據(jù)包對(duì)傳輸時(shí)延造成的影響。

4.2Domain間數(shù)據(jù)交互試驗(yàn)與分析

通過(guò)比較基于Domain橋互聯(lián)GDS、同一GDS信息交互的實(shí)時(shí)性,說(shuō)明Domain橋的性能特征。

(1) 測(cè)試方案

為檢驗(yàn)Domain橋,在4.1節(jié)基礎(chǔ)上,集成一個(gè)基于HLA的高炮模擬系統(tǒng),用于接收來(lái)自指控系統(tǒng)的空情、命令信息,同時(shí)向指控系統(tǒng)上報(bào)自身狀態(tài)信息。高炮模擬系統(tǒng)以兩種方式加入原系統(tǒng),分別測(cè)試信息傳輸時(shí)延:加入已有GDS,在3、5、9個(gè)DPs情況下,測(cè)試空情信息從空情模擬系統(tǒng)到高炮模擬系統(tǒng)的傳輸時(shí)延;形成獨(dú)立GDS,通過(guò)Domain橋與原GDS相連,測(cè)試數(shù)據(jù)從一端到達(dá)另一端的時(shí)延。如圖12所示,PC1、PC2、PC3代表仿真系統(tǒng)映射到DDS的節(jié)點(diǎn),映射得到的DDS實(shí)體為:1個(gè)公布者和訂閱者、3個(gè)DW和DR以及3個(gè)關(guān)聯(lián)的主題,PC1代表HLA系統(tǒng)、PC2代表TENA系統(tǒng),PC3代表新HLA系統(tǒng)。

圖12　Domain互聯(lián)試驗(yàn)方案

(2) 測(cè)試結(jié)果及分析

圖13是測(cè)試方案中兩種互聯(lián)方式下信息傳輸時(shí)延的對(duì)比。發(fā)現(xiàn)利用Domain橋互聯(lián)方式中,傳輸時(shí)延隨發(fā)送字節(jié)的變化不大,保持在10 ms左右。當(dāng)發(fā)送字節(jié)數(shù)大于32 768后時(shí)延變大的趨勢(shì)開始明顯;同一GDS情況下,發(fā)送字節(jié)相同時(shí),隨著DP增多時(shí)延逐漸變大,但性能要優(yōu)于Domain橋互聯(lián)方式。同一GDS時(shí),當(dāng)發(fā)送字節(jié)數(shù)達(dá)到65 536 B時(shí),時(shí)延情況開始逐漸劣于Domain橋互聯(lián)方式,且發(fā)送字節(jié)數(shù)大于32 768時(shí)甚至出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

同一GDS互聯(lián)方式下,存在兩方面原因可能會(huì)引起丟包現(xiàn)象:DDS中間件配置參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)帶寬限制。由于該試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是100Mbps帶寬,甚至可滿足DPs間同時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)交換,因此丟包問(wèn)題并非網(wǎng)絡(luò)性能引起的。根據(jù)DDS通信模型可知,應(yīng)用層系統(tǒng)通過(guò)DR從訂閱者緩存讀取數(shù)據(jù)。默認(rèn)條件下,OpenDDS中DP訂閱者緩存深度是有限的,隨著發(fā)送數(shù)據(jù)包增大,需要占用訂閱者越來(lái)越多的緩存,當(dāng)DR不能及時(shí)從緩存中將數(shù)據(jù)讀出,將會(huì)造成訂閱數(shù)據(jù)的部分丟失。增大訂閱者緩存深度后,發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象得到緩解,但并不能從根本解決丟包問(wèn)題。

圖13　Domain間數(shù)據(jù)交互試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

基于DCPS構(gòu)建大規(guī)模分布式仿真環(huán)境時(shí),由于涉及到眾多的仿真系統(tǒng)和DP,可以采用Domain橋的互聯(lián)方式,一方面不同的數(shù)據(jù)空間可以進(jìn)行不同主題的數(shù)據(jù)交互,提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,另一方面Domain橋的兩端是處于不同數(shù)據(jù)空間的DPs,其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延受互聯(lián)系統(tǒng)規(guī)模的影響較小,可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

5結(jié)論

本文提出了一種基于DDS構(gòu)建大規(guī)模實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的層級(jí)式架構(gòu)JTICA。建立了應(yīng)用層、仿真層到通信層的映射模型,確定了映射關(guān)系,利用Domain橋?qū)崿F(xiàn)了不同Domain內(nèi)的主題映射,最后通過(guò)兩個(gè)原型系統(tǒng)試驗(yàn),證實(shí)了映射模型可行性和Domain橋擴(kuò)展性,并得到了Domain橋?qū)崿F(xiàn)的信息交互實(shí)時(shí)性的性能特征。

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(1.DepartmentofElectricandOpticsEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,

Shijiazhuang050003,China; 2.Unit63863ofthePLA,Baicheng137001,China)

Abstract:Large-scale distributed real-time simulation environment is needed in the background of joint test and training. Simulation architectures focus on interoperability modeling and reuse except real-timing and scalability, so they cannot meet the requirement of real-time simulation systems. Layered simulation architecture is presented based on data distribution service (DDS), which can boost the performance of real-time simulation systems. The mapping relationship is set up between latency simulations, the exchanged information and data centric-publish-subscribe (DCPS) entities, based on which publish/subscription is rebuilt to realize the data exchange between simulation systems. DCPS defines that the publish/subscription relationship can be specially built between the publishers and subscribers belonging to the same data space. The information exchange is done using the Domain bridge through topic mapping, which improve the performance and scalability of the simulation architecture. Finally, the relationship between the mapping model and the performance of the real-time system is found and the function of the Domain bridge is validated, through two prototype systems testing.

Keywords:architecture; data distribution service (DDS); object model

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TP 391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.33

基金項(xiàng)目：裝備預(yù)研基金(9140A04030213JB34050)資助課題

收稿日期：2014-07-09；修回日期：2014-11-16；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-01-20。