摘要：應(yīng)用廣泛的HLA RTI為分布式仿真系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互接口服務(wù)，在無(wú)線窄帶廣域網(wǎng)絡(luò)條件下，傳統(tǒng)的RTI未能提供健全的仿真環(huán)境。文章分析了RTI存在網(wǎng)絡(luò)帶寬使用效率問(wèn)題，針對(duì)窄帶廣域網(wǎng)鏈路帶寬窄、穩(wěn)定性差，以及Qos和容錯(cuò)缺陷等因素對(duì)仿真數(shù)據(jù)交換的限制，提出了以調(diào)整RTI接口服務(wù)為突破口，重點(diǎn)提供了接口插件、智能路由、QoS、容錯(cuò)等優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：HLA RTI;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā);帶寬占用;服務(wù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）10-0025-02

1 引言

一個(gè)典型的分布式交互仿真應(yīng)用系統(tǒng)，體系結(jié)構(gòu)如下圖1所示，通常執(zhí)行HLA標(biāo)準(zhǔn)（IEEE1516） 。通常情況下，HLA RTI的服務(wù)基于寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，而無(wú)線窄帶廣域網(wǎng)絡(luò)條件下的RTI服務(wù)受到諸多限制，導(dǎo)致在分布式仿真應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行期間，管控任務(wù)難以順利完成?；赗TI服務(wù)的降低帶寬占用率和提高帶寬利用率的方法研究為解決此難題提供了可行的思路，關(guān)鍵技術(shù)包括：研制具有節(jié)省帶寬、智能分布式轉(zhuǎn)發(fā)、隱式數(shù)據(jù)管理等功能的RTI接口插件，支撐帶寬精簡(jiǎn)機(jī)制運(yùn)行;研發(fā)具有QoS優(yōu)先和容錯(cuò)機(jī)制的RTI軟件產(chǎn)品，提高RTI運(yùn)行效率。

2 RTI數(shù)據(jù)交互服務(wù)優(yōu)化策略分析

HLA定義一個(gè)接口規(guī)范“中間件”層RTI，分布在分布式仿真系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)FOM的規(guī)定，各成員將屬性與交互的數(shù)據(jù)提供給RTI，而RTI提供成員間的協(xié)調(diào)、同步及完成數(shù)據(jù)交互的服務(wù)，由RTI管理各節(jié)點(diǎn)間信息傳輸和交互，在各聯(lián)邦成員間所有FOM規(guī)定的數(shù)據(jù)交換必須通過(guò)RTI進(jìn)行。RTI開(kāi)發(fā)人員可以自由選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、進(jìn)程模型、時(shí)間管理算法、數(shù)據(jù)分發(fā)算法等不同方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)定制的RTI通信接口軟件。據(jù)此，解決窄帶通信問(wèn)題的基本思路是，利用HLA“中間件”層，即基于RTI建立和運(yùn)行鏈路的通信帶寬占用優(yōu)化機(jī)制，降低分布式仿真交互服務(wù)對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)的鏈路帶寬需求[1]。

2.1 現(xiàn)存問(wèn)題分析

通常，HLA總是假設(shè)分布式環(huán)境是可預(yù)測(cè)、容錯(cuò)的，沒(méi)有提供根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬、節(jié)點(diǎn)負(fù)載和計(jì)算資源動(dòng)態(tài)變化情況而管理仿真執(zhí)行的靈活機(jī)制，導(dǎo)致大量冗余信息充斥網(wǎng)絡(luò)，帶寬利用率低效。RTI為仿真應(yīng)用系統(tǒng)執(zhí)行HAL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供了具體服務(wù)。據(jù)分析[2]，傳統(tǒng)的RTI局限性主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

一是RTI沒(méi)有帶寬優(yōu)化設(shè)計(jì)。RTI性能的重點(diǎn)體現(xiàn)在其反應(yīng)時(shí)間和CPU效率上，在帶寬被限制的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，RTI并未設(shè)計(jì)具備帶寬精簡(jiǎn)機(jī)制，甚至最優(yōu)RTI配置在帶寬嚴(yán)重受限時(shí)，也未能提供健全的仿真環(huán)境。

二是DDM不能全自動(dòng)執(zhí)行。部分HLA API定義了DDM，這些服務(wù)可讓應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員通過(guò)指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒抡孀蛹姆绞剑斯ぶ贫◣捵钚』桨?。但由于DDM不是全自動(dòng)的，因此必須在每個(gè)FOM的每個(gè)應(yīng)用都要執(zhí)行一次，其成本消耗很大。

三是HLA接口規(guī)范里未包含報(bào)文優(yōu)先或QoS。RTI API定義傳輸類型，傳輸類型在最佳效果與可靠性之間有簡(jiǎn)單的區(qū)分，但是RTI API沒(méi)有標(biāo)明報(bào)文的優(yōu)先級(jí)或QoS的傳輸類型或傳輸屬性，不允許有附加的輸出類型，因而也就沒(méi)有報(bào)文優(yōu)先或QoS機(jī)制。

四是HLA接口規(guī)范里未包含容錯(cuò)。由于聯(lián)邦的資源是靜態(tài)分配的，聯(lián)邦執(zhí)行缺乏靈活性，容錯(cuò)性較差。無(wú)線窄帶通信容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷或吞吐量降低，由于沒(méi)有容錯(cuò)機(jī)制，在修正錯(cuò)誤恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大容量的數(shù)據(jù)交換，通信鏈路更加擁堵，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)不能順利運(yùn)行。

2.2 RTI仿真數(shù)據(jù)交互服務(wù)優(yōu)化的可行性

分布式仿真系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間極大地依賴RTI完成模型交互通信， HLA通常用于連接高帶寬網(wǎng)絡(luò)，帶寬利用效率幾乎不是傳統(tǒng)模式下的設(shè)計(jì)條件，仿真數(shù)據(jù)對(duì)帶寬的占用率優(yōu)化也就不是RTI開(kāi)發(fā)人員考慮的因素，因此，基于RTI實(shí)施的服務(wù)接口優(yōu)化策略就有可利用的空間。進(jìn)一步分析，采用升級(jí)和優(yōu)化RTI接口服務(wù)軟件的方法，為完善通信鏈路帶寬占用機(jī)制提供了可行的、便捷的方案：

一是RTI組件集合代表一個(gè)分布式的通信子系統(tǒng)，保留從發(fā)布和訂閱到具體數(shù)據(jù)對(duì)象的路徑，且具有易受控、可優(yōu)化的特點(diǎn)，因此存在可降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的可能性。實(shí)現(xiàn)的方法是，僅從訂閱位置到需更新信息位置來(lái)分配傳輸專屬的更新信息。

二是應(yīng)用軟件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口（API） 訪問(wèn)RTI，只要不改變外部可見(jiàn)RTI的行為，就可巧妙地把某些帶寬精簡(jiǎn)機(jī)制隱藏在RTI中，即包含RTI庫(kù)的文件可被新文件替代而極少或不影響仿真系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，多數(shù)情況下，僅需替換庫(kù)文件然后重啟應(yīng)用軟件即可。

例如， RTI服務(wù)平臺(tái)中，交互類（CRTIInteraction派生的類）應(yīng)該包括對(duì)象發(fā)送（公布交互參數(shù)） 、對(duì)象接收（訂購(gòu)交互參數(shù)） 和參數(shù)映射，提供信息交互相關(guān)服務(wù)的主要函數(shù)包括發(fā)送交互sendInteractio（）和接收交互receiveInteraction（）等，我們只需在這些相關(guān)函數(shù)中，“嵌入”數(shù)據(jù)壓縮和解壓插件，而無(wú)需更改應(yīng)用系統(tǒng)相關(guān)函數(shù)。這是因?yàn)椋瑧?yīng)用系統(tǒng)的聯(lián)邦對(duì)象模型函數(shù)自動(dòng)繼承了父類或基類函數(shù)特性，也就具備了數(shù)據(jù)壓縮和解壓能力。否則，如果RTI沒(méi)有數(shù)據(jù)壓縮機(jī)制，則需要在部署各處的每個(gè)仿真應(yīng)用軟件上進(jìn)行諸如數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)改造，成本消耗較大。

3 RTI數(shù)據(jù)交互服務(wù)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 實(shí)施數(shù)據(jù)壓縮機(jī)制

（1） 1FOM獨(dú)立的無(wú)損耗壓縮技術(shù)

針對(duì)計(jì)算負(fù)載和時(shí)延增大帶來(lái)的消耗[3]，采用基于RTI基礎(chǔ)架構(gòu)內(nèi)的數(shù)據(jù)壓縮算法插件的方法來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)上大量的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)應(yīng)用目前多個(gè)可用的壓縮算法進(jìn)行性能和負(fù)載的對(duì)比評(píng)估，壓縮效率較高的軟件通?？山档?0%～40%的帶寬占用率，壓縮和解壓效果好且對(duì)時(shí)延影響最小。

在測(cè)試環(huán)境為CPU AMD1950X，內(nèi)存32G，3000mzh，硬盤 三星970evo中，對(duì)約50K的格式化數(shù)據(jù)文件進(jìn)行壓縮解壓測(cè)試比較，結(jié)果如下表1所示。通常，仿真應(yīng)用系統(tǒng)每次傳輸?shù)母袷交瘮?shù)據(jù)不大于50K。

（2） FOM獨(dú)立的包綁定技術(shù)

針對(duì)時(shí)延增大帶來(lái)的潛在損耗，通過(guò)減少冗余的IP包頭（源/宿地址、校驗(yàn)和等） 的方法把多個(gè)網(wǎng)絡(luò)IP包綁定在一起，可以減低網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。

（3） 數(shù)據(jù)壓縮與包綁定集成技術(shù)

把壓縮算法吸收到RTI中，與包綁定技術(shù)集成起來(lái)，將分組綁定和壓縮結(jié)合在一起，可降低網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。另外，把UPD報(bào)文分片和重組，讓RIT能夠發(fā)送大UDP報(bào)文，突破最大傳輸單元（MTU） 大小的限制，可進(jìn)一步優(yōu)化壓縮算法。

3.2 實(shí)施智能分布式數(shù)據(jù)路由機(jī)制

（1） 實(shí)現(xiàn)分布式UDP/TCP轉(zhuǎn)發(fā)器

一是實(shí)現(xiàn)智能化消息轉(zhuǎn)發(fā)功能，嚴(yán)格限制訂閱接收者的網(wǎng)絡(luò)交換，使消息只發(fā)送到需要數(shù)據(jù)的聯(lián)邦和局域網(wǎng)。二是支持分布式轉(zhuǎn)發(fā)功能，確保一些特定數(shù)據(jù)包通過(guò)專用的網(wǎng)絡(luò)連接，在不同局域網(wǎng)上多聯(lián)邦之間的報(bào)文僅僅跨越廣域網(wǎng)進(jìn)行一次發(fā)送。三是支持報(bào)文屬性和數(shù)據(jù)報(bào)列表維護(hù)功能，使用一個(gè)標(biāo)志位編碼對(duì)基于聲明管理信息（訂閱和分發(fā)） 進(jìn)行標(biāo)注屬性，使帶寬占用最小化。

（2） 實(shí)現(xiàn)基于CS體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)發(fā)器功能

把每個(gè)聯(lián)邦LRC的決策集中到服務(wù)器上，服務(wù)器將管理所有發(fā)布和訂閱詳細(xì)信息以及轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，這樣可消除局域網(wǎng)內(nèi)的所有對(duì)等通信[4]。服務(wù)器可以針對(duì)直接連接到它的聯(lián)邦成員的特定需求進(jìn)行調(diào)整，能夠優(yōu)先排序、管理和過(guò)濾通過(guò)的消息，以便管理傳輸數(shù)據(jù)量。

（3） 實(shí)現(xiàn)隱式DDM功能

DDM服務(wù)允許仿真指定感興趣的范圍[5]，而僅僅在此范圍內(nèi)的信息被傳輸。利用RPR（實(shí)時(shí)平臺(tái)參考） FOM，實(shí)現(xiàn)FOM特定的數(shù)據(jù)路由插件，此插件使用應(yīng)用系統(tǒng)特定信息來(lái)自動(dòng)請(qǐng)求DDM服務(wù)，僅在聯(lián)邦需要時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，避免在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送不必要的數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)施網(wǎng)絡(luò)收發(fā)QoS機(jī)制

（1） 配置/管理優(yōu)先級(jí)的技術(shù)

優(yōu)先級(jí)配置管理技術(shù)讓系統(tǒng)管理人員能夠標(biāo)識(shí)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，確保最高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)被及時(shí)發(fā)送。

（2） 采用擁塞控制技術(shù)

能夠識(shí)別網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)機(jī)，智能管理?yè)砣录?shù)據(jù)流量，有序和有效地降低性能而不產(chǎn)生更嚴(yán)重問(wèn)題。

（3） 采用帶寬預(yù)留技術(shù)

帶寬預(yù)留可以保證必需的帶寬資源得以保留，滿足優(yōu)先級(jí)別最高的數(shù)據(jù)能夠傳輸。

（4） 實(shí)施均衡最佳和可靠的消息處理技術(shù)

均衡消息處理技術(shù)能確保需“可靠傳送”的報(bào)文被保證傳遞成功，而且需“盡力傳送”的報(bào)文又不會(huì)增加擁塞。

3.4 實(shí)施HAL容錯(cuò)機(jī)制

提高HAL容錯(cuò)率和可靠性，補(bǔ)償在大型分布式系統(tǒng)中由于網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題帶來(lái)的故障損失。需設(shè)計(jì)HAL內(nèi)部容錯(cuò)機(jī)制[6]，以便從網(wǎng)絡(luò)通信錯(cuò)誤、聯(lián)邦崩潰或其他連接問(wèn)題中恢復(fù)正常。

（1） 采取冗余方法

采取RTI/聯(lián)邦的分布式冗余方法，有效恢復(fù)RTI崩潰或通信錯(cuò)誤問(wèn)題，并恢復(fù)對(duì)獨(dú)立對(duì)象屬性的所有權(quán)。

（2） 重建TCP連接

重新建立斷開(kāi)的TCP連接，有效恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)期間產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量最小化。

（3） 優(yōu)化HLA API

優(yōu)化完善HLA API以提高其容錯(cuò)率和可靠性。

3.5 實(shí)施RTI性能增強(qiáng)機(jī)制

完善RTI基礎(chǔ)架構(gòu)性能，減少延遲、降低內(nèi)存消耗和增加吞吐量，補(bǔ)償延遲和服務(wù)優(yōu)化帶來(lái)的額外消耗。 一是實(shí)現(xiàn)快速TCP堆棧、可擴(kuò)展TCP和高速TCP等數(shù)據(jù)傳輸，減少TCP連接發(fā)送和接收消息時(shí)聯(lián)邦的延遲。二是開(kāi)發(fā)RTI獨(dú)立模式，關(guān)閉外部網(wǎng)絡(luò)，避免在單個(gè)系統(tǒng)仿真中在網(wǎng)絡(luò)上放置不必要的數(shù)據(jù)包。三是在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部采用共享內(nèi)存進(jìn)行通信。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁洪波，柳林，姚益平，等.高性能RTI自適應(yīng)通信機(jī)制研究[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（3）：148-153.

[2] 唐見(jiàn)兵，李革，楊海剛.KD-RTI軟件的測(cè)試研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33（3）：62-64.

[3] 劉曉建.大規(guī)模分布式仿真信息傳輸延遲技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2003.

[4] 張亞崇，孫國(guó)基，嚴(yán)海蓉，等.基于HLA/RTI的分布式交互仿真中數(shù)據(jù)分發(fā)管理的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16（6）：1284-1287.

[5] 張霞，黃莎白.高層體系結(jié)構(gòu)中DDM實(shí)現(xiàn)方法的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（5）：670-673.

[6] 劉云生.大規(guī)模分布式仿真系統(tǒng)容錯(cuò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

收稿日期：2021-10-08

作者簡(jiǎn)介：黃玉清（1967—） ，男，廣東肇慶人，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槟M仿真。