基于網(wǎng)關(guān)的HLA-TENA互聯(lián)研究

董志華，張小偉，朱元昌

(1.軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003；2.西安軍事代表局駐咸陽(yáng)地區(qū)軍事代表室，陜西 咸陽(yáng) 712099)

基于網(wǎng)關(guān)的HLA-TENA互聯(lián)研究

董志華1，張小偉2，朱元昌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.西安軍事代表局駐咸陽(yáng)地區(qū)軍事代表室，陜西 咸陽(yáng) 712099)

分布交互體系結(jié)構(gòu)如DIS、HLA、TENA等解決了各自領(lǐng)域內(nèi)的互操作問(wèn)題，但體系結(jié)構(gòu)間不一致的數(shù)據(jù)格式、不匹配的元模型和不同的仿真服務(wù)等因素阻礙了體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)間的互操作。通用網(wǎng)關(guān)可將不同體系結(jié)構(gòu)的仿真系統(tǒng)互聯(lián)，通過(guò)通用數(shù)據(jù)交換模型實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間對(duì)象模型間的互操作，是當(dāng)前最理想的互聯(lián)方法。設(shè)計(jì)的通用網(wǎng)關(guān)架構(gòu)包括接口服務(wù)、通用數(shù)據(jù)交換模型、模型映射模型和狀態(tài)池，其中通用數(shù)據(jù)交換模型是網(wǎng)關(guān)具有通用性的關(guān)鍵。通過(guò)HLA-TENA原型系統(tǒng)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了通用網(wǎng)關(guān)的性能，找到了影響網(wǎng)關(guān)性能的主要因素。

LVC；體系結(jié)構(gòu)；互操作；網(wǎng)關(guān)

分布式仿真發(fā)展了三十多年，歷經(jīng)SIMNET、DIS、ALSP、HLA、TENA等仿真階段,相應(yīng)的仿真規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，分別解決了相應(yīng)領(lǐng)域的LVC互操作問(wèn)題。按照人員在仿真系統(tǒng)中的參與程度，仿真資源可分為真實(shí)的(Live)、虛擬的(Virtual)、構(gòu)造的(Constructive)三類(lèi)[1-2]。真實(shí)仿真是指真實(shí)人員操作真實(shí)系統(tǒng)，如炮手操縱瞄準(zhǔn)鏡；虛擬仿真是指真實(shí)人員操縱仿真系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)控制、決策、通信等技巧實(shí)現(xiàn)人在回路的虛擬仿真系統(tǒng)；構(gòu)造仿真是指仿真的人操縱仿真的系統(tǒng)，仿真中的實(shí)體均由計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生，如計(jì)算機(jī)生成兵力(CGF)系統(tǒng)。

聯(lián)合作戰(zhàn)條件下軍事訓(xùn)練和武器系統(tǒng)試驗(yàn)要求構(gòu)建LVC大規(guī)模仿真環(huán)境。聯(lián)合作戰(zhàn)概念由美軍提出，并在近幾年的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中得到實(shí)踐。什么樣的作戰(zhàn)，就應(yīng)有什么樣的訓(xùn)練或試驗(yàn)。因此，軍事訓(xùn)練和武器試驗(yàn)均需要在近似聯(lián)合作戰(zhàn)條件下進(jìn)行，這一需求迫切要求開(kāi)展LVC仿真環(huán)境研究以解決聯(lián)合試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建問(wèn)題。

1 LVC仿真資源互聯(lián)分析

分布式體系結(jié)構(gòu)解決了各自部分LVC的互操作問(wèn)題。如DIS更適宜用于實(shí)時(shí)仿真，用于構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)；HLA作為M&S的通用標(biāo)準(zhǔn)，為仿真系統(tǒng)提供六大類(lèi)的仿真服務(wù)，能更好地支撐構(gòu)造仿真系統(tǒng)；TENA面向靶場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)施，作為靶場(chǎng)領(lǐng)域互聯(lián)的基礎(chǔ)支撐，更加適宜于真實(shí)仿真系統(tǒng)，圖1表示了DIS、HLA、TENA三種體系結(jié)構(gòu)對(duì)LVC仿真系統(tǒng)的支持范圍[3]。分布交互體系結(jié)構(gòu)間的適用范圍存在部分重疊，但更多的是不同的應(yīng)用領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)這些體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)間的互操作構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的、虛擬的、構(gòu)造的仿真環(huán)境(Live，Virtual，Constructive Simulation Environments)，是解決LVC互操作的有效方法。

將體系結(jié)構(gòu)間互操作問(wèn)題分層，自底向上主要包括通信協(xié)議層、中間件服務(wù)層和交互數(shù)據(jù)模型層[4]，以DIS、HLA和TENA為例說(shuō)明存在的互操作問(wèn)題，這些問(wèn)題阻礙了體系結(jié)構(gòu)間的互操作。

1)不同體系結(jié)構(gòu)規(guī)定各節(jié)點(diǎn)間通信采用的協(xié)議不同，如DIS、HLA采用了運(yùn)輸層的UDP和TCP協(xié)議，而TENA的狀態(tài)分布對(duì)象(SDO，Stateful Distribution Object)間的遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用采用了IIOP協(xié)議。

2)由于構(gòu)建不同體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)均通過(guò)中間件實(shí)現(xiàn)的(DIS是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn))。中間件按照體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)屏蔽了低層通信和復(fù)雜的協(xié)議，為用戶(hù)提供了各種服務(wù)，并通過(guò)API對(duì)這些服務(wù)進(jìn)行使用和配置。

3)交互對(duì)象模型說(shuō)明了體系結(jié)構(gòu)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)交互信息的數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)[5]。DIS中的PDU表示作戰(zhàn)單元的交互信息，并為每類(lèi)PDU賦予了語(yǔ)義內(nèi)容，具有較低的擴(kuò)展性。HLA的OMT定義了對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)的格式等內(nèi)容，其語(yǔ)義完全根據(jù)開(kāi)發(fā)人員需求定義。TENA的對(duì)象模型處于改進(jìn)和完善階段，RCC(Range Commander Council)通過(guò)的TENA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象與試驗(yàn)和訓(xùn)練領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)體對(duì)應(yīng)，具有語(yǔ)義層含義[6]。

2 通用網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

目前網(wǎng)關(guān)或橋接器是解決仿真領(lǐng)域內(nèi)不同系統(tǒng)互操作的主要方法。

利用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)的方案如圖2所示。圖2(a)為系統(tǒng)的互聯(lián)架構(gòu)，異構(gòu)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到同一網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一種分布式大系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)間以Socket或Web服務(wù)形式實(shí)現(xiàn)信息交換。圖2(b)為網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案，包含接口、通用數(shù)據(jù)交換模型(CDEM，Common Data Exchange Model)、映射功能模塊、本地狀態(tài)和遠(yuǎn)程狀態(tài)池。其中CDEM是與具體分布仿真體系結(jié)構(gòu)對(duì)象模型無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)交換模型。

異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)有松散耦合和緊密耦合兩種實(shí)現(xiàn)方式。耦合程度決定于異構(gòu)系統(tǒng)仿真節(jié)點(diǎn)間是否可見(jiàn)，即交換數(shù)據(jù)是否包含源地址和目標(biāo)地址信息。耦合程度與狀態(tài)池中的狀態(tài)對(duì)象實(shí)例數(shù)與系統(tǒng)間存在的交互對(duì)象實(shí)體數(shù)有關(guān)。如果在狀態(tài)池中為系統(tǒng)間每個(gè)交互對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象代理實(shí)例，對(duì)象代理的狀態(tài)反射相應(yīng)交互對(duì)象的狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)代理對(duì)象狀態(tài)的改變，判斷出哪個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了改變，即實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)交互的緊密耦合；若狀態(tài)池僅存儲(chǔ)了最近更新的狀態(tài)，系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)獲取的僅是當(dāng)前狀態(tài)值，而不知道該狀態(tài)來(lái)自于哪個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)體，即系統(tǒng)交互的松散耦合。

兩種耦合機(jī)制，交互信息的通信機(jī)制基本相同，即系統(tǒng)通過(guò)接口服務(wù)與網(wǎng)關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)交互對(duì)象的訂購(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)有狀態(tài)更新時(shí)，網(wǎng)關(guān)接口即可收到更新數(shù)據(jù)，利用映射機(jī)制將系統(tǒng)的DEM轉(zhuǎn)換為CDEM，并將公布狀態(tài)存儲(chǔ)于本體對(duì)象狀態(tài)池中，再發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上；網(wǎng)關(guān)讀取網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程對(duì)象狀態(tài)池中，利用映射機(jī)制將CDEM表達(dá)的遠(yuǎn)程狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的DEM，通過(guò)接口公布到系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)。圖3為系統(tǒng)公布信息的通過(guò)過(guò)程，系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)讀取信息的過(guò)程與圖3過(guò)程相反。

2.2 接口服務(wù)模塊

網(wǎng)關(guān)通過(guò)接口服務(wù)與系統(tǒng)相連，并以仿真成員的身份(HLA中的聯(lián)邦成員或TENA的TENA應(yīng)用)與系統(tǒng)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。接口服務(wù)主要功能有訂購(gòu)系統(tǒng)公布的信息，用以發(fā)送給其他異構(gòu)系統(tǒng)；公布本系統(tǒng)感興趣的來(lái)自其他系統(tǒng)的信息；生成事件IDs；管理仿真時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的時(shí)間一致。

2.3 通用數(shù)據(jù)交換模型

CDEM作為對(duì)象模型間映射的橋梁，集成DEM的所有特點(diǎn)且能實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。HLA、TENA等體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中存在兩種類(lèi)型的交互信息：持久信息和暫態(tài)信息。CDEM中的PersistentClass和TransientClass分別表示持續(xù)信息和暫態(tài)信息，并將某種數(shù)據(jù)類(lèi)型的信息存儲(chǔ)于類(lèi)的屬性中。CDEM包含TENA元模型中存在LocalMe-thod基本元素和遠(yuǎn)程方法調(diào)用(RMI，Remote Methods Invocation)服務(wù)，它們可以添加到PersistentClass中，圖4為CDEM的主要類(lèi)間的關(guān)系。

2.4 映射功能

映射功能是實(shí)現(xiàn)DEM與CDEM間信息交換的關(guān)鍵。由于異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)一個(gè)概念有不同的表示方式或同一對(duì)象可能表示不同內(nèi)容，需要建立DEM與CDEM的映射關(guān)系。映射模塊實(shí)現(xiàn)三層互操作[7]，包括協(xié)議層、語(yǔ)法層和語(yǔ)義層。協(xié)議層解決通信底層問(wèn)題，是語(yǔ)法層互操作的基礎(chǔ)，需建立異構(gòu)系統(tǒng)間信息交互的協(xié)調(diào)機(jī)制；語(yǔ)法層解決異構(gòu)模型間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式不一致問(wèn)題，需要實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)對(duì)象模型間的映射；語(yǔ)義層實(shí)現(xiàn)異構(gòu)模型的概念共享問(wèn)題，是異構(gòu)系統(tǒng)互操作的真實(shí)目的。一般采用本體建模技術(shù)構(gòu)建領(lǐng)域的共享概念及其關(guān)系，以此做為語(yǔ)義互操作的基礎(chǔ)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案構(gòu)建了HLA-TENA互聯(lián)的原型系統(tǒng)，系統(tǒng)間交互對(duì)象的關(guān)系如圖5所示。

HLA聯(lián)邦中創(chuàng)建M個(gè)交互對(duì)象，通過(guò)HLA網(wǎng)關(guān)接到網(wǎng)絡(luò)上；TENA網(wǎng)關(guān)中的遠(yuǎn)程對(duì)象狀態(tài)池反射了HLA聯(lián)邦中的M個(gè)對(duì)象的狀態(tài)，本地對(duì)象狀態(tài)池中存儲(chǔ)了TENA Execution向HLA聯(lián)邦公布的對(duì)象狀態(tài)。

測(cè)試環(huán)境：選擇CPU i3 3220、主頻3.0 GHz、內(nèi)存2 G的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，并通過(guò)帶寬100 Mb/s的交換機(jī)搭建局域網(wǎng)。

試驗(yàn)方法：N=1、N=M時(shí)，HLA聯(lián)邦重復(fù)向TENAExecution發(fā)送一定大小的數(shù)據(jù)包，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的傳輸速率[8]。

試驗(yàn)結(jié)果與分析：試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示，當(dāng)N=1時(shí)，網(wǎng)關(guān)間傳輸速率基本不變。當(dāng)N=M時(shí)，隨著HLA聯(lián)邦中交互仿真對(duì)象個(gè)數(shù)的增加，傳輸速率先變大，當(dāng)仿真實(shí)體個(gè)數(shù)達(dá)到20左右，傳輸速率開(kāi)始逐漸變小。其原因在于采用緊耦合通信機(jī)制時(shí)，網(wǎng)關(guān)中的反射實(shí)體與HLA聯(lián)邦中的仿真實(shí)體存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在帶寬允許下可實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的信息交互，隨著仿真實(shí)體個(gè)數(shù)增多，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行壓力和網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力均影響仿真實(shí)體與反射實(shí)體間的信息交互實(shí)時(shí)性。因此，網(wǎng)關(guān)間信息的表達(dá)格式會(huì)影響信息的傳輸速率；采用緊密耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)間的互聯(lián)，交互對(duì)象個(gè)數(shù)為某值時(shí)可以達(dá)到最大的傳輸效率[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在建模與仿真領(lǐng)域，體系結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，對(duì)構(gòu)建大規(guī)模仿真環(huán)境提供了越來(lái)越大的支持。由于在軍事、航天等領(lǐng)域?qū)Υ笠?guī)模仿真環(huán)境的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，在已有仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建LVC仿真環(huán)境是目前可行方法。筆者利用通用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)間的信息交互，提出了通用網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)，解決了LVC環(huán)境的語(yǔ)法互操作問(wèn)題。信息交互的語(yǔ)義互操作是異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)的目標(biāo)，下一步將采用本體技術(shù)描述領(lǐng)域模型，為異構(gòu)系統(tǒng)提供共享的概念庫(kù)。

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ResearchontheInter-connectionBetweenHLA-TENABasedonGateway

DONG Zhihua1, ZHANG Xiaowei2，ZHU Yuanchang1

(1.Department of Electric and Optics Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei,China;2.Military Delegate Room of Xi’an Military Representative Office in xianyang,xianyang 712099,Shaanxi,China)

Existing distributed architectures including DIS, HLA and TENA reconcile community interoperability problems respectively. Inconsistent data format, mismatched metamodels of object model and different simulation services hinder the interoperability between architectures. Common gateway is thought to be the most promising way, which connects different architectures and realizes the interoperability between object models of heterogeneous systems. The gateway structure designed is presented including interface service module, common data exchange model object mapping model and state repository, of which common data exchange model is the key of gateway universalization. Through HLA-TENA prototype, the common gateway performance is validated and what affecting the gateway performance is discovered.

LVC; architecture; interoperability; gateway

2014-04-19；

2014-09-13

董志華(1987-)，男，博士研究生，主要從事武器系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究。E-mail：576827011@qq.com。

TP391.9

A

1673-6524(2014)04-0083-04