基于HLA分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中軟總線設(shè)計(jì)

嚴(yán) 琳

(中國(guó)航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所第8研究室，陜西西安 710065)

結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求，提出一種較高性能的輕量級(jí)低耦合RTI軟件架構(gòu)，基于該軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的軟總線。不同領(lǐng)域的工程人員直接從軟總線上獲取自身系統(tǒng)需要的仿真數(shù)據(jù)，避免了學(xué)科交叉的不便，也降低了仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

1 HLA/RTI架構(gòu)

1.1 常見HLA/RTI架構(gòu)分析

常見的HLA/RTI架構(gòu)包括:集中式RTI軟件架構(gòu)、全分式RTI軟件架構(gòu)和層次式RTI軟件架構(gòu)，針對(duì)不同類型的軟件項(xiàng)目，這些軟件架構(gòu)各有利弊。

集中式RTI［1］軟件架構(gòu)，即將所有的RTI功能均部署在服務(wù)器上，服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。該軟件架構(gòu)邏輯簡(jiǎn)單、全局維護(hù)效率高、開發(fā)人員易于掌握，但由于服務(wù)器的限制，該軟件架構(gòu)的計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力均受限。這種軟件架構(gòu)適合小型仿真系統(tǒng)。

分布式RTI軟件架構(gòu)，即沒有中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)均需部署本地的RTI服務(wù)器。該軟件架構(gòu)易于系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展，但其協(xié)調(diào)算法異常復(fù)雜，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低下。這種架構(gòu)適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的大型仿真系統(tǒng)。

層次式RTI［2］軟件架構(gòu)，即多服務(wù)器模式，位于不同服務(wù)器的仿真節(jié)點(diǎn)之間，需要通過各自所在RTI服務(wù)器進(jìn)行交互。該軟件架構(gòu)的計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力均較強(qiáng)，但由于多服務(wù)器的模式，會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)算法復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差。這種架構(gòu)適合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科研項(xiàng)目。

1.2 輕量級(jí)低耦合RTI架構(gòu)

傳統(tǒng)的HLA/RTI需提供聯(lián)邦管理服務(wù)、時(shí)間管理服務(wù)、數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)、聲明管理服務(wù)、對(duì)象管理服務(wù)和所有權(quán)管理服務(wù)這6大服務(wù)［3－5］。本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)進(jìn)行裁剪，僅提供聯(lián)邦管理、聲明管理和時(shí)間管理服務(wù)，刪除系統(tǒng)中不必要的冗余服務(wù)，在各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)上部署本地的RTI數(shù)據(jù)處理庫，底層通信采用千兆以太網(wǎng)和反射內(nèi)存卡結(jié)合的方式，保證了仿真過程的安全性、仿真節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立性和仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

該架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、架構(gòu)簡(jiǎn)單、易于系統(tǒng)擴(kuò)展和軟件開發(fā)，降低了研發(fā)成本。該架構(gòu)的缺點(diǎn)是當(dāng)仿真節(jié)點(diǎn)過多時(shí)中心服務(wù)器計(jì)算能力易產(chǎn)生瓶頸。適合小型仿真系統(tǒng)，但擴(kuò)展性較好。

2 仿真系統(tǒng)的軟總線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟總線根據(jù)各仿真節(jié)點(diǎn)的發(fā)布－訂閱關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分發(fā)，是整個(gè)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。仿真系統(tǒng)通過軟總線對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)和過程控制［6］。如圖1所示，軟總線系統(tǒng)主要由5個(gè)模塊組成:聯(lián)邦管理服務(wù)、時(shí)間管理服務(wù)、聲明管理服務(wù)、通信服務(wù)和總控服務(wù)。

圖1 軟總線服務(wù)框圖

聯(lián)邦管理服務(wù)。負(fù)責(zé)仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)入和退出仿真系統(tǒng)的管理［7］;時(shí)間管理服務(wù)。負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的時(shí)間推進(jìn)，所有仿真節(jié)點(diǎn)需以等步長(zhǎng)進(jìn)行推進(jìn)［8］;聲明管理服務(wù)。負(fù)責(zé)各仿真節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)訂閱－發(fā)布關(guān)系［9］;通信服務(wù)。負(fù)責(zé)各仿真節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，需要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互的幾個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)上部署反射內(nèi)存卡，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不夠仿真節(jié)點(diǎn)則部署千兆以太網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

總控服務(wù)負(fù)責(zé)整個(gè)仿真系統(tǒng)的開始、結(jié)束和暫停［10］。

2.1 通信服務(wù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

反射內(nèi)存卡具有不占用CPU時(shí)間、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、讀寫方式簡(jiǎn)單、通信協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸數(shù)據(jù)包小、成本較高的特點(diǎn)。千兆以太網(wǎng)具有傳輸數(shù)據(jù)包大、成本較低廉、實(shí)時(shí)性弱、通信協(xié)議較復(fù)雜的特點(diǎn)。

根據(jù)以上的特點(diǎn)分析，軟總線的通信服務(wù)通過反射內(nèi)存卡和千兆以太網(wǎng)組合的方式來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，千兆以太網(wǎng)用于各仿真節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫通信等，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不高的部分，反射內(nèi)存卡部署在各仿真節(jié)點(diǎn)用于各仿真節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，全面考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)的可靠性和成本的合理性。

2.2 輕量級(jí)低耦合RTI的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

輕量級(jí)低耦合RTI的總體架構(gòu)由RTI服務(wù)器端、RTI客戶端以及RTI數(shù)據(jù)處理庫構(gòu)成。其中，RTI服務(wù)器端負(fù)責(zé)全局管理工作，單獨(dú)部署在總控計(jì)算機(jī)上;RTI客戶端部署在各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的主機(jī)上，負(fù)責(zé)和軟總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制的交互;在總控計(jì)算機(jī)和各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的主機(jī)上還需分別部署RTI數(shù)據(jù)處理庫用于消息收發(fā)的處理。輕量級(jí)低耦合RTI邏輯架構(gòu)及部署方案如圖2所示。

圖2 輕量級(jí)低耦合RTI的邏輯架構(gòu)及部署方案

2.2.1 RTI服務(wù)器端

RTI服務(wù)器端負(fù)責(zé)處理各仿真節(jié)點(diǎn)提出的服務(wù)請(qǐng)求，是RTI的主體部分。

(1)聯(lián)邦管理服務(wù)。分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中的各仿真節(jié)點(diǎn)為聯(lián)邦成員，仿真系統(tǒng)為聯(lián)邦。RTI服務(wù)器端的聯(lián)邦管理服務(wù)的相關(guān)活動(dòng)包括動(dòng)態(tài)新建、變更和刪除聯(lián)邦、聯(lián)邦成員之間的時(shí)間同步以及聯(lián)邦現(xiàn)場(chǎng)的保存和恢復(fù)等服務(wù)。

本文引入同步時(shí)間點(diǎn)機(jī)制。仿真過程分為若干階段，在每個(gè)階段開始處設(shè)置一個(gè)同步時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)聯(lián)邦成員到達(dá)該同步時(shí)間點(diǎn)后，阻塞等待其他聯(lián)邦成員完成當(dāng)前階段數(shù)據(jù)解算，當(dāng)所有聯(lián)邦成員都到達(dá)該同步時(shí)間點(diǎn)時(shí)，各聯(lián)邦成員解除阻塞，繼續(xù)推進(jìn)。

RTI服務(wù)器端為聯(lián)邦成員在聯(lián)邦范圍內(nèi)分配一個(gè)唯一的聯(lián)邦成員句柄，回復(fù)聯(lián)邦成員已入聯(lián)邦并標(biāo)識(shí)聯(lián)邦成員其句柄值，聯(lián)邦成員發(fā)送的每條消息均通過聯(lián)邦句柄和聯(lián)邦成員句柄來標(biāo)識(shí)。在仿真結(jié)束時(shí)，最后一個(gè)退出的聯(lián)邦成員負(fù)責(zé)銷毀聯(lián)邦。聯(lián)邦管理服務(wù)交互過程，如圖3所示。

圖3 聯(lián)邦管理服務(wù)交互過程圖

(2)聲明管理服務(wù)。聲明管理服務(wù)是為了建立聯(lián)邦內(nèi)各聯(lián)邦成員的發(fā)布和訂閱關(guān)系。聲明管理服務(wù)交互過程，如圖4所示。

圖4 聲明管理服務(wù)交互過程圖

(3)時(shí)間管理服務(wù)。輕量級(jí)低耦合RTI采用保守的基于時(shí)間步長(zhǎng)的時(shí)間推進(jìn)機(jī)制。聯(lián)邦成員的邏輯時(shí)間以時(shí)間步長(zhǎng)為單位進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)。

在仿真準(zhǔn)備階段，RTI服務(wù)器端和RTI客戶端分別進(jìn)行初始化，初始化當(dāng)前仿真時(shí)間。

輕量級(jí)低耦合RTI在收到時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求后，將更新全局時(shí)間管理表，然后通知其余聯(lián)邦成員，最后發(fā)送代表允許時(shí)間推進(jìn)的回調(diào)函數(shù)。

聯(lián)邦成員一旦收到類型為允許時(shí)間推進(jìn)的回調(diào)函數(shù)，就將自己的仿真時(shí)間設(shè)置為當(dāng)前仿真時(shí)間。

2.2.2 RTI客戶端

RTI客戶端負(fù)責(zé)處理RTI服務(wù)器端發(fā)送來的控制信息和仿真數(shù)據(jù)的處理，是仿真節(jié)點(diǎn)與RTI服務(wù)器端交互的重要中間件。

RTI客戶端分為4個(gè)主線程:第一個(gè)線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽RTI服務(wù)器端發(fā)送來的消息，即反射內(nèi)存卡中與輕量級(jí)低耦合RTI約定好的地址空間上的內(nèi)容，將其放入待處理消息隊(duì)列中;第二個(gè)線程負(fù)責(zé)將待處理消息隊(duì)列中最舊的消息出列并發(fā)送給當(dāng)前仿真節(jié)點(diǎn)的仿真軟件。第三個(gè)線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽仿真節(jié)點(diǎn)仿真軟件發(fā)送來的消息，將其放入結(jié)果待處理消息隊(duì)列中;第四個(gè)線程負(fù)責(zé)將結(jié)果待處理消息隊(duì)列中最舊的消息出列將消息回復(fù)給RTI服務(wù)器端。

反射內(nèi)存卡根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行劃分區(qū)域存儲(chǔ)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。RTI客戶端根據(jù)仿真節(jié)點(diǎn)的發(fā)布－訂閱關(guān)系從反射內(nèi)存卡相應(yīng)區(qū)域獲取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)。圖5為RTI客戶端的工作流程。

2.2.3 RTI數(shù)據(jù)處理庫

RTI數(shù)據(jù)處理庫負(fù)責(zé)定義和實(shí)現(xiàn)RTI服務(wù)器端和RTI客戶端公用的全局性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。全局性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括聯(lián)邦成員句柄、聯(lián)邦句柄、對(duì)象類句柄、交互類句柄、對(duì)象實(shí)例句柄、屬性句柄、參數(shù)句柄、邏輯時(shí)間、邏輯時(shí)間間隔、發(fā)送和接收消息所需的緩沖區(qū)。

3 結(jié)束語

在后續(xù)開發(fā)中可改進(jìn)時(shí)間管理服務(wù)，使得時(shí)間管理更加靈活，提高了仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和邏輯的簡(jiǎn)潔性。在后續(xù)的研究工作中，將在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，完善整個(gè)仿真平臺(tái)的框架，不斷地引用實(shí)例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以保證整個(gè)系統(tǒng)的正確性。

圖5 RTI客戶端流程圖

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