基于DDS的分布式網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)

李培林，彭美平

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京　100041；2. 西安云辰電子科技有限公司,陜西西安　710065)

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工程與應(yīng)用

基于DDS的分布式網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)

李培林1，彭美平2

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京100041；2. 西安云辰電子科技有限公司,陜西西安710065)

DDS(DataDistributionService) 即數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，是OMG組織制定的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)規(guī)范，提供了QoS(服務(wù)質(zhì)量)，采用以數(shù)據(jù)為中心的訂閱/發(fā)布的通信模型，可以滿足系統(tǒng)高效、實時的通信需求。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡(luò)仿真已成為全新的網(wǎng)絡(luò)分析和規(guī)劃技術(shù)，OPNET仿真軟件具有在通信網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)方面的專業(yè)化設(shè)計, 對關(guān)鍵參數(shù)和原理進(jìn)行驗證，并提供豐富的API接口，滿足分布式通信網(wǎng)絡(luò)仿真的需要。至此，本文結(jié)合DDS分布式仿真技術(shù)與OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，提出了一種基于DDS與OPNET的分布式網(wǎng)絡(luò)仿真體系架構(gòu)，實現(xiàn)了多個仿真平臺之間的實時信息交互，指導(dǎo)實施大規(guī)模軍事通信網(wǎng)仿真。

DDS；OPNET；分布式仿真；系統(tǒng)集成

TP393

A

1673-5692(2016)02-214-05

0　引　言

性能評估能判斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議算法的實用性，并能指導(dǎo)其實施優(yōu)化。而評估網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與算法性能的一種有效方式是采用仿真的方法。網(wǎng)絡(luò)仿真作為一種重要的科學(xué)方法，受到了國際通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的高度關(guān)注。而針對軍事通信網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，協(xié)議復(fù)雜等特點，單一的通信網(wǎng)絡(luò)仿真已無法滿足軍事通信網(wǎng)的仿真需求。而利用分布式仿真技術(shù)集成多個仿真平臺，為精確仿真軍事通信網(wǎng)提供有效的解決途徑。

目前，分布式仿真系統(tǒng)廣泛采用高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)作為中間件進(jìn)行信息交互，但HLA-RTI存在實時性較差，不能很好的滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，導(dǎo)致在很多領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制[1]。2004年對象管理組織(OMG)首次發(fā)布了以實時數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱通信模式-數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)[2]規(guī)范。DDS為用戶提供了統(tǒng)一的應(yīng)用程序編程接口,將數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞以及接收的接口和行為標(biāo)準(zhǔn)化。該規(guī)范實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時、高效的傳輸要求；在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可以實現(xiàn)動態(tài)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)的按需多點分發(fā)。同時規(guī)范化了QoS，使其能夠滿足實時通信的需求,優(yōu)化了分布式系統(tǒng)的高實時性，用于滿足對高性能、可預(yù)見性有較高要求的關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域的計算需求。

OPNET[3-4]是當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)環(huán)境，以其無與倫比的靈活性應(yīng)用于設(shè)計和研究網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)備、協(xié)議和應(yīng)用。以事件調(diào)度為基礎(chǔ)的建模思路，結(jié)合進(jìn)程交互處理事件，以進(jìn)程形式把活動、事件按事件的先后順序組合，使得OPNET建模方式靈活而又直觀[5]。因此，本文提出一種基于DDS與OPNET(DOP)分布式通信網(wǎng)絡(luò)仿真體系架構(gòu)，利用該架構(gòu)可搭建分布式仿真系統(tǒng)，完成多個分布式節(jié)點間的高效數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)多個仿真節(jié)點的動態(tài)擴展，完成數(shù)據(jù)共享。

1　DDS與OPNET的技術(shù)特點

1.1數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)技術(shù)特點

DDS規(guī)范了數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞以及接收的接口和行為，提供一個與平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)模型。其目的是簡化分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)高效、可靠發(fā)布，主要應(yīng)用在要求高性能、可預(yù)見性和對資源有效使用的關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域[6]。以數(shù)據(jù)為中心的通信模式如圖1所示。

圖1　以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱通信模式

以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模式針對發(fā)布者和訂閱者采用松耦合的連接方式。基于全局?jǐn)?shù)據(jù)空間概念，所有對該空間中的數(shù)據(jù)感興趣的分布式節(jié)點都可以自由讀取。在通信過程中，向數(shù)據(jù)空間寫數(shù)據(jù)者被定義為“發(fā)布者”，公布自己所提供的數(shù)據(jù)類型和屬性；向數(shù)據(jù)空間讀取數(shù)據(jù)者被定義為“訂閱者”，公布自己所希望得到的數(shù)據(jù)類型和屬性。發(fā)布者和訂閱者不需知道彼此的具體位置，發(fā)布者只需通過關(guān)聯(lián)一個類型化的數(shù)據(jù)寫入者，并根據(jù)對應(yīng)的QoS策略向外發(fā)送仿真應(yīng)用產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)；訂閱者只需關(guān)聯(lián)一個類型化的數(shù)據(jù)讀取者，接收發(fā)布者已發(fā)布的數(shù)據(jù)供接收分布式仿真節(jié)點使用。一旦全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中有數(shù)據(jù)更新，中間件將數(shù)據(jù)傳遞給所有對此數(shù)據(jù)感興趣的訂閱者，從而訂閱者即可從全局?jǐn)?shù)據(jù)空間中獲取感興趣的數(shù)據(jù)。

DDS作為在分布式系統(tǒng)中高效、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的規(guī)范，引入了“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”概念，訂閱方直接配對發(fā)布方，進(jìn)行點對點的通信，無需中介，時延低、效率高；可采用靈活的QoS策略，滿足多類型的用戶需求；擁有較大的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，可以UDP/IP等協(xié)議發(fā)包，一個包同時可發(fā)至多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；讀寫雙方均可動態(tài)接入與動態(tài)退出，即時發(fā)布與讀取數(shù)據(jù)；系統(tǒng)可擴展，系統(tǒng)間解耦合。

1.2OPNET技術(shù)特點

OPNET是當(dāng)前業(yè)界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)環(huán)境，可以方便地設(shè)計與開發(fā)通信設(shè)備，通信協(xié)議與應(yīng)用。以事件調(diào)度為基礎(chǔ)的建模思想，采用離散事件驅(qū)動機制。OPNET以進(jìn)程的形式按先后順序組合事件，建模靈活、效果直觀。OPNET建模采用三層建模機制，將復(fù)雜系統(tǒng)分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，每一層完成特定的功能，且一層內(nèi)可由多個模塊組成。三層模型分別與實際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和協(xié)議一一映射，反應(yīng)真實網(wǎng)絡(luò)特性。三層建模機制即：網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點域和進(jìn)程域。

1)網(wǎng)絡(luò)域：由通信子網(wǎng)、通信節(jié)點、通信鏈路三個主要模塊組成，描述被仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2)節(jié)點域：將真實的通信實體(如終端，路由器等)抽象為節(jié)點。從應(yīng)用、進(jìn)程、隊列和通信接口等方面對節(jié)點的功能進(jìn)行了規(guī)范，以最大限度來描述真實的網(wǎng)絡(luò)實體設(shè)備。

3)進(jìn)程域：是實施算法、協(xié)議的載體，是整個建模過程中最重要的部分，用于定義節(jié)點域中處理器模塊、隊列模塊、外部系統(tǒng)模塊的動態(tài)行為。模擬各種硬件或軟件子系統(tǒng)，包括通信協(xié)議、算法、磁盤或內(nèi)存的共享資源、操作系統(tǒng)排隊規(guī)則、特定業(yè)務(wù)生成器等。

OPNET采用基于數(shù)據(jù)包的形式模擬真實網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包以虛擬的形式存在，同時也可以搭載真實的數(shù)據(jù)流，還能有效結(jié)合數(shù)據(jù)包分析法和統(tǒng)計學(xué)建模法，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)仿真的精確度。并提供靈活的網(wǎng)絡(luò)場景配置、網(wǎng)絡(luò)背景流量配置等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，方便通信網(wǎng)絡(luò)場景的模擬和仿真結(jié)果的對比分析。

2　DOP分布式集成體系架構(gòu)

2.1DOP分布式仿真系統(tǒng)框架

從上述分析可以看出，OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研發(fā)以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建，準(zhǔn)確分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。另外，OPNET提供豐富的API接口(如ESA，EMA，ETS等)，便于開發(fā)人員的系統(tǒng)集成。DDS規(guī)范了分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)、傳輸和接收的接口與行為，同時在規(guī)范中通過QoS策略提高數(shù)據(jù)分發(fā)的傳輸質(zhì)量。以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模式基于“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”的概念，任何對該空間中的數(shù)據(jù)有意向的成員均可接入，便于充分的信息共享和透明傳輸。結(jié)合DDS與OPNET的技術(shù)特點，充分利用各自的技術(shù)優(yōu)勢，提出一種基于DDS的分布式通信網(wǎng)絡(luò)仿真DOP系統(tǒng)體系架構(gòu)，如圖2所示。

圖2　DOP系統(tǒng)框架

單純的離散事件通信網(wǎng)絡(luò)仿真已經(jīng)不滿足當(dāng)前大規(guī)模軍事通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計論證的需求(如復(fù)雜通信鏈路建模，衛(wèi)星姿態(tài)，彈道軌跡姿態(tài)等)，需要第三方仿真平臺支持；此外，隨著國防科技的發(fā)展，具有諸多優(yōu)點的半實物仿真技術(shù)成為科學(xué)研究必不可少的技術(shù)。為解決多平臺分布式實時集成仿真，本文以O(shè)PNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺為核心，提出一種分布式通信網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)(DOP系統(tǒng))。DOP系統(tǒng)體系架構(gòu)采用DDS構(gòu)建分布式系統(tǒng)總線，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分發(fā)與接收。各仿真成員或仿真成員的內(nèi)部組件(如OPNET想定中單個的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的接口集成到信息總線上，仿真成員間的信息交互通過DDS來實現(xiàn)。OPNET仿真成員通過OPNET提供的ESA模塊實現(xiàn)與外部仿真成員的信息交互。

該系統(tǒng)針對每一個仿真成員獨立存在，相互協(xié)作，各平臺輸出數(shù)據(jù)反映在仿真系統(tǒng)的虛擬數(shù)據(jù)列表中，其他應(yīng)用或仿真平臺可根據(jù)其需求對數(shù)據(jù)讀取。因此，所有仿真平臺或應(yīng)用根據(jù)各自感興趣的數(shù)據(jù)各取所需，而無需關(guān)心數(shù)據(jù)的來源。虛擬數(shù)據(jù)列表遵循一種讀寫規(guī)則，即虛擬數(shù)據(jù)列表中的同一數(shù)據(jù)僅存在一個數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)可同時被多個成員讀取，但修改權(quán)限只有數(shù)據(jù)源成員擁有。

2.2DOP系統(tǒng)接口控制模塊設(shè)計

DOP系統(tǒng)接口控制模塊作為整個分布式仿真系統(tǒng)的驅(qū)動控制模塊提供3種狀態(tài)控制，狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3　控制模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

接口控制模塊狀態(tài)由初始化/結(jié)束狀態(tài)、執(zhí)行仿真狀態(tài)、凍結(jié)狀態(tài)3個狀態(tài)組成。在初始化狀態(tài)時，各參與仿真成員接入分布式實時網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，并設(shè)置相關(guān)預(yù)設(shè)參數(shù)。執(zhí)行仿真時，接口控制模塊則根據(jù)設(shè)置的時間步長推進(jìn)仿真；同時處理本仿真成員發(fā)出的數(shù)據(jù)和接收來自其他仿真成員的數(shù)據(jù)。在凍結(jié)狀態(tài)，整個分布式仿真系統(tǒng)將凍結(jié)在最后一次時間推進(jìn)時刻點，而后個仿真成員進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)恢復(fù)仿真時，整個分布式仿真系統(tǒng)重新進(jìn)入到運行狀態(tài)，由時間推進(jìn)模塊繼續(xù)推動整個仿真。其各狀態(tài)功能如下：

初始化狀態(tài)：各仿真成員完成接口注冊，接入DDS網(wǎng)絡(luò)，等待接收控制指令。

執(zhí)行仿真狀態(tài)：仿真開始；處理發(fā)送與接收數(shù)據(jù)；對各仿真成員進(jìn)行時間管理控制，以Δt推進(jìn)量實時推進(jìn)各仿真成員。如某個仿真成員不需要時間管理，則不訂閱時間管理控制數(shù)據(jù)即可，在仿真開始后，等待事件觸發(fā)。

凍結(jié)狀態(tài)：凍結(jié)狀態(tài)即實現(xiàn)仿真暫停功能。

2.3仿真網(wǎng)絡(luò)時間同步設(shè)計

OPNET仿真時間是從0秒為起始時間，而其他需要與OPNET時間同步的仿真成員(如STK)可能以各種紀(jì)元時間格式為準(zhǔn)，因此需要針對仿真成員進(jìn)行時間轉(zhuǎn)換。例如，將整個分布式仿真系統(tǒng)時間“秒”s轉(zhuǎn)換為“時-分-秒”格式時間YYYYDDD.HHMMSS。

時間同步更新：整個分布式仿真系統(tǒng)由DOP系統(tǒng)控制接口作為唯一的時間控制成員，控制全局的仿真時間，其他各仿真成員均以時間控制成員時間為基礎(chǔ)，設(shè)置相應(yīng)的仿真局部時間，完成時間同步認(rèn)為。具體時間同步工作流程如圖4所示。

圖4　時間同步流程

首先，需要與OPNET仿真成員進(jìn)行時間同步的其他仿真成員在初始化過程中訂閱時間推進(jìn)參數(shù)；在仿真開始后，DOP控制模塊向外發(fā)布時間推進(jìn)增量Δt，仿真成員在收到時間推進(jìn)信息后，自身判斷是否將時間推進(jìn)到指定的時間點，如是，則將時間推進(jìn)仿真時間，并設(shè)置當(dāng)前的仿真時間；如否，則不做任何處理，繼續(xù)等待時間推進(jìn)。在本文的仿真測試中，采用Windows的系統(tǒng)時間向前推進(jìn)，后續(xù)可采用硬件時鐘源作為同步時鐘源，各仿真成員接入硬件時鐘源向前推進(jìn)，而不需訂購與發(fā)布時間推進(jìn)信息。

3　應(yīng)用實例

為驗證本文提出的基于DDS的分布式仿真系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計OPNET與三維顯示聯(lián)邦成員的分布式仿真系統(tǒng)。三維展示成員訂購節(jié)點位置與路由路徑信息，由OPNET仿真航空自組織網(wǎng)絡(luò)，并實時向三維展示成員提供節(jié)點移動位置以及路由路徑信息。仿真過程如下：

1)OPNET仿真場景定義各節(jié)點移動速度與路徑，更新節(jié)點位置與實時路由路徑信息，如圖5所示。

圖5　航空自組網(wǎng)仿真場景

2)三維展示成員接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置與路由路徑信息的狀態(tài)更新并通過三維顯示手段直觀地演示實時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r，如圖6所示。

圖6　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)實時展示

4　結(jié)　語

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)在現(xiàn)代信息系統(tǒng)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱通信架構(gòu)為構(gòu)建高性能、可擴展、可配置的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)作為一種新的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計技術(shù)，通過離散事件仿真運行機制完成網(wǎng)絡(luò)性能分析和設(shè)計論證等任務(wù)；從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計或優(yōu)化所需要的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。然而，針對大規(guī)模軍事通信網(wǎng)絡(luò)，單純的離散事件網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)并不能滿足復(fù)雜環(huán)境的通信設(shè)計論證要求，DOP系統(tǒng)的提出，為實現(xiàn)基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真的分布式仿真提供一種參考，有利于指導(dǎo)其實施大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)仿真。

[1]AzzedineBoukerche,andKaiyuanLu.Anovelapproachtoreal-timeRTIbaseddistributedsimulationsystem[C].Proceedingsofthe38thAnnualSimulationSymposium(ANSS’05)SimulationSymposium,2005.Proceedings.38thAnnualVolume,Issue,4-6April2005Page(s):267-274.

[2]OMG.DataDistributionServiceforReal-TimeSystemsSpecificationVersion1.0 [DB/OL]. 2009-06-10.http:/www.omg.org/cgi-bin/doc?For-mal/04-12-02.pdf

[3]王文博，張金文.OPNETModeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M]. 北京：人民郵電出版社，2003.

[4]OPNETofficialwebsite.http://www.opnet.com.

[5]李小龍, 彭美平. 基于OPNET的改進(jìn)型Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2012, 33(6):671-677.

[6]DataDistributionServiceforReal-timeSystemsVersion1.2(ptc/07-01-01)[S].2007.

李培林(1986—),男，福建泉州人，碩士，主要研究方向為控制理論與控制工程、航天產(chǎn)品系統(tǒng)工程；

E-mail：lplxy123@163.com

彭美平(1984—),男，湖南邵陽人，博士研究生，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)、計算機仿真。

Distributed Communication Network Simulation System Based on DDS

LIPei-lin,PENGMei-ping

(1.ChinaAcademyofElectronicsandInformationTechnology,Beijing100041,China；2.StarsTechnologyCo,.LTD,Xi’an,Shanxi710065,China)

DDS(DataDistributionService)isaspecificationaboutdatadistributionserviceforreal-timesystemspublishedbyOMG，whileoffersQoS(QualityofService)anddefinesacommunicationmodelforData-CentricPublish-Subscribe(DCPS).Itcanmeettherequirementsforeffectiveandreal-timedata-interactive.Withtheexpandingofnetworksize,networksimulationhasbecomeanewlynetworkanalysisanddesigntechnology,OPNETsimulationsoftwarepossessprofessionaldesigninthefieldofcommunicationnetworksandinformationsystems,Thekeyparameters,theprincipleandprovidedrichlyAPIinterfaceareverifiedtomeettheneedsofthedistributedcommunicationnetworksimulation.Therefore,thispaperproposesadistributednetworkbasedonDDSandOPNETsimulationarchitecture,whichcombinesDDStechnologyanddistributedsimulationOPNETnetworksimulationplatform.Thedesignrealizesthereal-timeinformationinteractionbetweenthemultiplesimulationplatforms,toguidetheimplementationoflarge-scalemilitarycommunicationnetworksimulation

DDS;OPNET;Distributedsimulation;systemintegration

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.018

2016-02-09

2016-03-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(91338201)，國家863計劃資助項目(2015AA015701)