HLA半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)方法研究與實(shí)現(xiàn)

崔爽，于國(guó)權(quán)

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

HLA(high level architecture)/RTI(Run-Time Infrastructure)是新一代的分布式仿真體系結(jié)構(gòu)框架，它能很好的支持各種仿真模型之間的互操作和可重用[1]?；贖LA(HighLevelArchitecture)的光電對(duì)抗半實(shí)物仿真系統(tǒng)的主要功能及目的是用于對(duì)設(shè)備的鑒定，這就需要對(duì)仿真過(guò)程中邦員的狀態(tài)數(shù)據(jù)和邦員間各種交互行為數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、完整的采集，以便于在仿真完成后為仿真參與者提供深入的關(guān)于仿真過(guò)程的各種信息，進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試等[2，3]。數(shù)據(jù)庫(kù)的介入，可以方便的輔助仿真過(guò)程中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及事后的回放、評(píng)估和測(cè)試，成為HLA仿真結(jié)果VV&A的重要手段[2，3]。但是由于數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速率無(wú)法滿足仿真過(guò)程中所產(chǎn)生的大批量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而且一旦仿真過(guò)程中服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將完全丟失，將為試驗(yàn)帶來(lái)巨大損失。鑒于這些問(wèn)題，論文提出了使用分布式存儲(chǔ)的方法，該方法構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，首先劃分多個(gè)分布式緩沖區(qū)，每當(dāng)其中一個(gè)緩沖區(qū)滿后就調(diào)用switch中間件將數(shù)據(jù)批量寫(xiě)入隨機(jī)選取的當(dāng)前空閑的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，這樣既彌補(bǔ)了數(shù)據(jù)庫(kù)磁盤I/O瓶頸問(wèn)題，同時(shí)分布式存儲(chǔ)的使用也極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)槿魏我慌_(tái)服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向存儲(chǔ)到其它正常的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，最后將該方法應(yīng)用到了光電對(duì)抗半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中。

1 光電對(duì)抗半實(shí)物仿真系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的類型和存儲(chǔ)

光電對(duì)抗半實(shí)物仿真系統(tǒng)所要采集的數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)方面[4，5]。

一方面主要指仿真系統(tǒng)運(yùn)行之前所需要的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，還有就是人工采集的數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被統(tǒng)稱為靜態(tài)數(shù)據(jù)。

另一方面就是仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中生成的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被稱為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，具有頻率高和數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。

對(duì)于靜態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，由于不用考慮傳輸速率，直接采用基于C/S架構(gòu)的Oracle應(yīng)用程序就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。

難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，考慮當(dāng)前的一些存儲(chǔ)辦法，無(wú)論是選擇數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)還是直接進(jìn)行硬盤存儲(chǔ)，其實(shí)時(shí)存儲(chǔ)能力都無(wú)法滿足對(duì)仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)生成的大批量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而且一旦存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)在仿真過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題，如斷電、網(wǎng)絡(luò)中斷或是系統(tǒng)崩潰等，都將丟失仿真數(shù)據(jù)，因此整個(gè)仿真試驗(yàn)也將宣布失敗，將給仿真試驗(yàn)帶來(lái)具大的損失。為此，設(shè)計(jì)并提出了一種半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)方法來(lái)解決這些問(wèn)題，接下來(lái)將對(duì)該方法做詳細(xì)的論述。

2 方法的提出

鑒于實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，本文提出了分布式存儲(chǔ)方法，該方法的思想是建立在分布式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，多臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器同時(shí)完成一個(gè)存儲(chǔ)功能[6]，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率，并且任何一臺(tái)或者幾臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障，都不會(huì)影響整個(gè)存儲(chǔ)過(guò)程的繼續(xù)，保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性和可靠性。該方法的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 分布式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Structure design of distributed storage

首先建立多個(gè)分布式緩沖區(qū)，要求緩沖區(qū)的個(gè)數(shù)要大于所使用的服務(wù)器個(gè)數(shù)，并且分布式緩沖區(qū)的容量要大于單個(gè)服務(wù)器寫(xiě)磁盤緩沖區(qū)的容量，緩沖區(qū)可以是一個(gè)具有指定長(zhǎng)度的Buffer，也可以是一個(gè)指定長(zhǎng)度的數(shù)組，因具體情況而定。

SWITCH中間件的主要功能是隨即切換數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，通過(guò)遍歷當(dāng)前活躍的服務(wù)器，從中選取處在空閑狀態(tài)的服務(wù)器，并將已經(jīng)寫(xiě)滿的分布式緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到該服務(wù)器中。設(shè)計(jì)規(guī)則是為每個(gè)服務(wù)器設(shè)置一個(gè)時(shí)間戳，初始時(shí)設(shè)置為0，構(gòu)成一個(gè)時(shí)間戳列表，當(dāng)某個(gè)分布式緩沖區(qū)滿后，SWITCH中間件就遍歷時(shí)間戳列表，從中尋找一個(gè)最小值，并將當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間賦值給該時(shí)間戳，同時(shí)與該服務(wù)器建立連接，如果連接成功，就將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到該服務(wù)器，否則從時(shí)間戳列表中刪除該服務(wù)器，認(rèn)為該服務(wù)器故障，并繼續(xù)遍歷時(shí)間戳列表，尋找次小值，依次循環(huán)，直到試驗(yàn)結(jié)束。SWITCH中間件的工作流程如圖2所示。

圖2 SWITCH工作流程Fig.2 Work flow of SWITCH

最后確立分布式存儲(chǔ)使用的服務(wù)器數(shù)量，視具體情況而定，一般小型半實(shí)物仿真系統(tǒng)使用兩臺(tái)即可，大型的半實(shí)物仿真系統(tǒng)則需要三臺(tái)以上。

下面對(duì)分布式存儲(chǔ)方法和直接向單一數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行測(cè)試比較。測(cè)試條件：連續(xù)存儲(chǔ)2000幀數(shù)據(jù)，幀間隔為10ms，每幀數(shù)據(jù)量為50字段*4個(gè)字節(jié)。將測(cè)試結(jié)果以圖表的形式展示如下圖3、4所示。

圖3 不使用分布式存儲(chǔ)Fig.3 Unused distributed storage

圖4 使用分布式存儲(chǔ)Fig.4 Used distributed storage

圖表中縱坐標(biāo)為存儲(chǔ)每幀數(shù)據(jù)所使用的時(shí)間，橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)幀次，即第幾幀。從兩個(gè)圖表中可以看出：

在不使用分布式存儲(chǔ)的情況下，數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)庫(kù)中寫(xiě)入時(shí)，不是每寫(xiě)入一條，Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器就將數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤，而是先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)，等緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫(xiě)滿之后，才將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到磁盤，這樣在整個(gè)數(shù)據(jù)插入過(guò)程中，就會(huì)出現(xiàn)幾幀使用的時(shí)間特別大，這幾幀就是Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤的過(guò)程。而正是因?yàn)檫@幾幀使用的時(shí)間特別大，會(huì)導(dǎo)致接下來(lái)的一幀或是幾幀數(shù)據(jù)的丟失，嚴(yán)重影響了仿真時(shí)序的推進(jìn)，而且這些還需要建立在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有任何錯(cuò)誤的情況下，一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)將崩潰，將給仿真系統(tǒng)帶來(lái)巨大損失。

使用分布式存儲(chǔ)之后，數(shù)據(jù)先是保存在分布式緩沖區(qū)中，當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)寫(xiě)滿之后，就觸發(fā)寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)線程，然后再向另一個(gè)緩沖區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)，再觸發(fā)寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)線程，如此反復(fù)，將所有數(shù)據(jù)都寫(xiě)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。從測(cè)得的時(shí)間數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)數(shù)據(jù)插入過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)某一幀使用的時(shí)間特別答的現(xiàn)象，只是在數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)磁盤的時(shí)候，在時(shí)間上有個(gè)連續(xù)的小波動(dòng)，這是由于線程之間競(jìng)爭(zhēng)資源導(dǎo)致的，但這個(gè)波動(dòng)非常小，一般每幀不超過(guò)2ms，不會(huì)影響下一個(gè)周期的仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以忽略不計(jì)；此外，即使在試驗(yàn)的過(guò)程中，某臺(tái)或是某幾臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器出現(xiàn)問(wèn)題，都不會(huì)影響整個(gè)存儲(chǔ)過(guò)程，使得仿真數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生丟失的現(xiàn)象，保證了仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性。

3 方法的實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要是在仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的，包括聯(lián)邦成員更新的數(shù)據(jù)和聯(lián)邦成員之間的交互數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模式使用的是采集邦員的方法，即設(shè)置一個(gè)專門的邦員，讓其訂購(gòu)所有的數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)了它的簡(jiǎn)單和方便特性；同時(shí)此邦員通過(guò)分布式緩沖區(qū)，借助switch中間件的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器切換功能，將實(shí)時(shí)生成的數(shù)據(jù)全部采集并分別存儲(chǔ)到多個(gè)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，用來(lái)分析、研究、測(cè)試、評(píng)估和鑒定具體的設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了光電對(duì)抗半實(shí)物仿真的主要目的和功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模式的結(jié)構(gòu)框架如圖5。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模式結(jié)構(gòu)框架Fig.5 Structure of real-time data collection mode

仿真過(guò)程是時(shí)間推進(jìn)的，其頻率很高，大概在100Hz左右，圖6只是描述仿真推演的一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程。采集聯(lián)邦成員訂購(gòu)所有的數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。采集聯(lián)邦成員在整個(gè)聯(lián)邦中被動(dòng)地收集數(shù)據(jù)，它只是訂購(gòu)在FOM中定義的所有數(shù)據(jù)，將反射屬性和接收到的交互類存儲(chǔ)到分布式緩沖區(qū)中，然后觸發(fā)SWITCH中間件，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到當(dāng)前活躍的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。

4 結(jié)論

本文分析了光電對(duì)抗半實(shí)物仿真系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的類型，發(fā)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)這一難點(diǎn)；提出了使用分布式存儲(chǔ)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大批量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的方法，同時(shí)將使用分布式存儲(chǔ)方法進(jìn)行存儲(chǔ)和直接向數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)插入這兩種方法作了對(duì)比，通過(guò)比較分析了使用分布式存儲(chǔ)方法的優(yōu)點(diǎn)，解決了Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的磁盤I/O瓶頸問(wèn)題，大大提高了仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)性能，同時(shí)該方法通過(guò)多個(gè)服務(wù)器的使用大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性；最后實(shí)現(xiàn)了這一方法在光電對(duì)抗半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用。

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