基于HLA的網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究＊

瞿連政 鄒祥福

（國防信息學(xué)院 武漢 430010）

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，我軍武器裝備信息化水平不斷提高，新型武器裝備的配發(fā)使用，對(duì)組織運(yùn)用及操作使用人員提出了較高的要求，由于這些新型的武器裝備造價(jià)昂貴，有必要開發(fā)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，使受訓(xùn)人員在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行訓(xùn)練，以達(dá)到預(yù)期效果。這種訓(xùn)練方式不僅能節(jié)省訓(xùn)練費(fèi)用、縮短訓(xùn)練時(shí)間，而且還能夠不損壞實(shí)際裝備、不受場地和環(huán)境限制，以提高訓(xùn)練的效率，確保訓(xùn)練的安全。

機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)是用于在機(jī)動(dòng)條件下支持陸軍作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)，是以TCP／IP協(xié)議為基礎(chǔ)、基于路由選擇的自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)，在機(jī)動(dòng)部隊(duì)、戰(zhàn)斗勤務(wù)支援與指揮控制平臺(tái)之間提供無縫隙的態(tài)勢感知和指揮控制數(shù)據(jù)的交換，它是互聯(lián)的各種戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)硬件和軟件的集合。它不同于民用電信網(wǎng)絡(luò)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，需根據(jù)作戰(zhàn)需要隨時(shí)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而網(wǎng)絡(luò)管理是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)順利搭建、系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行、系統(tǒng)按需調(diào)整和重組的重要保證。研制網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練系統(tǒng)替代實(shí)裝，使網(wǎng)絡(luò)管理與操作人員等盡快熟悉網(wǎng)絡(luò)管理模式及系統(tǒng)操作，盡快掌握網(wǎng)絡(luò)的開設(shè)、監(jiān)控、重組和異常事件處理流程，盡快形成戰(zhàn)斗力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

2 功能需求分析

根據(jù)機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的總體要求和總體設(shè)計(jì)方案，網(wǎng)絡(luò)管理訓(xùn)練分系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能［2～3］：具有一級(jí)、二級(jí)、節(jié)點(diǎn)等多級(jí)網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練功能，各級(jí)網(wǎng)管間能夠進(jìn)行信息交互；具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和通信指揮等模擬訓(xùn)練功能，各功能模塊技術(shù)體制統(tǒng)一，能夠互聯(lián)互通；具有網(wǎng)絡(luò)管理操作提示、在線評(píng)判和在線幫助等輔助訓(xùn)練功能；具有與其他分系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行并支持綜合演練的功能；能在聯(lián)網(wǎng)組訓(xùn)模式基礎(chǔ)上派生出網(wǎng)絡(luò)管理單機(jī)獨(dú)立訓(xùn)練軟件。在訓(xùn)練實(shí)施過程中，網(wǎng)絡(luò)管理訓(xùn)練分系統(tǒng)能夠以聯(lián)邦成員的身份加入到訓(xùn)練聯(lián)邦中，并與導(dǎo)調(diào)監(jiān)控、組網(wǎng)模擬等分系統(tǒng)一起協(xié)調(diào)地完成有關(guān)課目的訓(xùn)練。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)采用基于HLA（High Level Architecture）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理分布式仿真，由導(dǎo)調(diào)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃子系統(tǒng)、參數(shù)分發(fā)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)、組網(wǎng)模擬子系統(tǒng)、輔助訓(xùn)練子系統(tǒng)、處理評(píng)判子系統(tǒng)和交互式控制主程序以及RTI平臺(tái)等子系統(tǒng)或功能模塊組成，各子系統(tǒng)在訓(xùn)練中以成員的身份加入訓(xùn)練系統(tǒng)，如圖1所示，實(shí)線表示各成員與RTI的信息交互，虛線表示各成員直接基于TCP／IP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互［2～7］。

導(dǎo)調(diào)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)訓(xùn)練內(nèi)容和訓(xùn)練過程的組織管理、情況監(jiān)視與情況設(shè)置，并對(duì)受訓(xùn)者的情況進(jìn)行講評(píng)；數(shù)據(jù)準(zhǔn)備子系統(tǒng)為訓(xùn)練提供作戰(zhàn)編成、裝備編制、裝備類型、裝備信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃子系統(tǒng)主要用于為受訓(xùn)者提供頻率資源規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃以及信息傳輸策略規(guī)劃等方面的規(guī)劃訓(xùn)練；參數(shù)分發(fā)子系統(tǒng)主要為受訓(xùn)者提供參數(shù)分發(fā)手段訓(xùn)練及參數(shù)加注訓(xùn)練等功能；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)主要用于為受訓(xùn)者提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼⒕W(wǎng)絡(luò)故障檢測以及網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計(jì)分析等方面的訓(xùn)練；組網(wǎng)模擬子系統(tǒng)為模擬訓(xùn)練提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；輔助訓(xùn)練子系統(tǒng)為訓(xùn)練提供訓(xùn)練提示、狀況監(jiān)視、勤務(wù)對(duì)話和行動(dòng)設(shè)置等功能；處理評(píng)判子系統(tǒng)提供訓(xùn)練情況截獲處理、操作評(píng)判和操作規(guī)則等功能；交互式控制主程序?yàn)橛?xùn)練成員基于RTI通信提供接口，主要實(shí)現(xiàn)RTI成員的注冊(cè)和注銷、信息交互實(shí)現(xiàn)、信息交互管理與控制等功能。

圖1 網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)

系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)主要包括席位劃分、席位配置與訓(xùn)練模式設(shè)計(jì)三個(gè)方面［2］。

圖2 網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練系統(tǒng)典型配置

1）席位劃分：系統(tǒng)劃分為導(dǎo)調(diào)輔訓(xùn)席、數(shù)據(jù)管理席、組網(wǎng)模擬席與網(wǎng)絡(luò)管理訓(xùn)練席，如圖2所示。導(dǎo)調(diào)輔訓(xùn)席負(fù)責(zé)模擬訓(xùn)練環(huán)境的建立、模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模擬訓(xùn)練的組織、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的采集與訓(xùn)練講評(píng)功能；數(shù)據(jù)管理席負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、記錄與管理；組網(wǎng)模擬席為訓(xùn)練提供模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2）席位配置：導(dǎo)調(diào)輔訓(xùn)席包括導(dǎo)調(diào)、輔助訓(xùn)練、處理評(píng)判和RTI服務(wù)（運(yùn)行交互式控制主程序）；網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練席，在上述各席位的支持下，采取一機(jī)一席的配置方式，為受訓(xùn)者提供一級(jí)網(wǎng)管、二級(jí)網(wǎng)管和節(jié)點(diǎn)管理等訓(xùn)練。

3）訓(xùn)練模式設(shè)計(jì)：系統(tǒng)按需提供單人訓(xùn)練和多人同時(shí)訓(xùn)練兩種模式，單人訓(xùn)練時(shí)，由導(dǎo)調(diào)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、組網(wǎng)模擬和數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)模擬多個(gè)配合網(wǎng)管成員，進(jìn)行單人網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、參數(shù)分發(fā)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控訓(xùn)練；多人訓(xùn)練時(shí)，由多人分別擔(dān)任一級(jí)網(wǎng)管、二級(jí)網(wǎng)管和節(jié)點(diǎn)管理身份，附加若干模擬網(wǎng)管成員，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)管訓(xùn)練。

3.3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

RTI服務(wù)器開機(jī)后，由交互式控制主程序進(jìn)行相應(yīng)的初始化，用戶登錄網(wǎng)絡(luò)管理訓(xùn)練分系統(tǒng)后，注冊(cè)為RTI成員，加入聯(lián)邦，聲明公布訂購關(guān)系，并進(jìn)行訓(xùn)練初始化工作，待系統(tǒng)全部初始化完畢且系統(tǒng)報(bào)告正常時(shí)，導(dǎo)控啟動(dòng)訓(xùn)練，對(duì)整個(gè)仿真過程進(jìn)行管理和控制，仿真管理聯(lián)邦成員（各級(jí)網(wǎng)管）發(fā)送交互信息，模擬網(wǎng)絡(luò)管理的整個(gè)過程［4，6～7］，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練流程圖

若有網(wǎng)管操作，則對(duì)操作信息截獲后進(jìn)行評(píng)判與評(píng)判結(jié)果顯示，并對(duì)網(wǎng)管操作信息做必要處理后發(fā)往其他分系統(tǒng)；若有輔助界面的操作，則將輔助信息發(fā)送到相應(yīng)席位（包括組網(wǎng)模擬器）。收到作業(yè)結(jié)束指令后，則退出聯(lián)邦，結(jié)束網(wǎng)管操作訓(xùn)練。

4 關(guān)鍵問題考慮

4.1 RTI體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

RTI（Run－time Infrastructure）也稱運(yùn)行時(shí)間 基 礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)，是HLA 接口規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)，有集中式、分布式和層次式三種體系結(jié)構(gòu)模型［10～11］。考慮網(wǎng)管信息交互信息需求明確，且并不復(fù)雜，而且根據(jù)訓(xùn)練需求可以按需擴(kuò)展和縮小規(guī)模，論文選用集中式體系結(jié)構(gòu)模式，這種模式的特點(diǎn)是具有一個(gè)全功能的中心節(jié)點(diǎn)，在該中心節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)所有的服務(wù)，聯(lián)邦成員之間無直接的通信關(guān)系，所有的成員之間都通過中心節(jié)點(diǎn)的“RTI信息交互程序”提供的服務(wù)，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管消息的轉(zhuǎn)發(fā)與交換。

集中式體系結(jié)構(gòu)模式除了實(shí)現(xiàn)簡單之外，還有兩個(gè)好處：一是能夠直接通過RTI的時(shí)間管理機(jī)制確保時(shí)間的協(xié)調(diào)推進(jìn)；二是能夠直接通過開發(fā)環(huán)境提供的定時(shí)器作為基準(zhǔn)確保時(shí)間的高精度，不需要專門的硬件支撐，降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。由于系統(tǒng)采用VC＋＋6.0開發(fā)，我們利用其提供的QueryPerformanceFrequency API函數(shù)和QueryPer－formanceCounter API函數(shù)配合使用，基于計(jì)算機(jī)硬件（主板時(shí)鐘和CPU 頻率）環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)高精度的定時(shí)器，其定時(shí)進(jìn)度可以達(dá)到毫秒級(jí)，完全可以滿足網(wǎng)管信息交互的同步。

4.2 RTI信息交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于RTI的信息交互模型設(shè)計(jì)，同席位應(yīng)用程序間通過非FOM 類消息進(jìn)行信息交換，不同席位間的應(yīng)用程序通過FOM 類消息實(shí)現(xiàn)［6，9～11］，如圖4所示：

圖4 RTI信息交互模型

應(yīng)用程序間均通過Windows消息通信機(jī)制（PostMessage和SendMessage）進(jìn)行信息交互。信息交互模式為基于RTI交互控制程序的集中轉(zhuǎn)發(fā)方式，即如果本機(jī)的A、B兩個(gè)程序之間需發(fā)送信息，則A首先將信息以Windows消息方式發(fā)送給RTI交互控制程序，RTI交互控制程序再以Windows消息方式轉(zhuǎn)發(fā)給B，不轉(zhuǎn)發(fā)給其它聯(lián)邦成員；如果A需要向其它機(jī)器上的聯(lián)邦成員發(fā)送數(shù)據(jù)，則A也是先通過Windows消息發(fā)送給RTI交互控制程序，再由RTI交互控制程序轉(zhuǎn)發(fā)給其它聯(lián)邦成員。

RTI交互程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是FOM／SOM 以及FED 文件的設(shè)計(jì)。FOM／SOM 主要包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、參數(shù)分發(fā)以及導(dǎo)調(diào)控制等分系統(tǒng)之間的對(duì)象類和信息交互類，開發(fā)FOM／SOM的過程，也是對(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的交互數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和抽象的過程。開發(fā)FOM／SOM的思路如下：首先確定聯(lián)邦成員及其仿真的實(shí)體類型；其次確定FOM中的對(duì)象類和交互類；然后確定對(duì)象類屬性和交互類參數(shù)的特性，并生成SOM 表；最后綜合SOM，生成FOM。FED文件用于記錄聯(lián)邦執(zhí)行期間所有參加聯(lián)邦交互的對(duì)象類／交互類及其屬性／參數(shù)、傳輸類型、傳輸順序以及路徑空間信息。在模擬訓(xùn)練期間，RTI根據(jù)FED 文件提供的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)創(chuàng)建相應(yīng)的聯(lián)邦執(zhí)行，并在整個(gè)聯(lián)邦執(zhí)行生命周期內(nèi)以FED 文件為藍(lán)本，協(xié)調(diào)聯(lián)邦成員的交互。FED 文件修改后，需要發(fā)布到所有的網(wǎng)管模擬訓(xùn)練分系統(tǒng)，以確保上述交互類和對(duì)象類的同步和統(tǒng)一。

4.3 基于XML的格式化信息交互設(shè)計(jì)

RTI信息交互只定義了信息交互的類型和形式，并沒有規(guī)定信息交互的內(nèi)容及其格式。系統(tǒng)中，網(wǎng)管間交互數(shù)據(jù)、導(dǎo)調(diào)事件數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化強(qiáng)，如果采用傳統(tǒng)的文本模式或數(shù)據(jù)庫模式，解析比較麻煩，且格式和內(nèi)容更改時(shí)，需要重新調(diào)整代碼并編譯和發(fā)布程序，比較麻煩。鑒于XML 具有內(nèi)容與結(jié)構(gòu)完全分離、互操作性強(qiáng)、規(guī)范統(tǒng)一、支持多種編碼以及可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用統(tǒng)一的XML 標(biāo)簽和既定結(jié)構(gòu)生成XML文檔，作為信息輸入輸出的標(biāo)準(zhǔn)格式。進(jìn)行格式化信息交互時(shí)，把交互內(nèi)容封裝為統(tǒng)一的XML文件，作為RTI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，文件的生成和解析由專門的接口負(fù)責(zé)，統(tǒng)一發(fā)布、統(tǒng)一更新，這樣通過提高代碼的重用性，既保證了應(yīng)用之間信息交互的統(tǒng)一性，又確保了交換數(shù)據(jù)的拓展性和兼容性，在一定程度上減輕了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度。

圖5 基于XML的格式化信息交互模型

以網(wǎng)管規(guī)劃數(shù)據(jù)分發(fā)為例，如圖5所示。我們的開發(fā)思路是：發(fā)送方A利用網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主程序從數(shù)據(jù)庫中提取有關(guān)規(guī)劃信息，并將這些信息記錄轉(zhuǎn)換為XML 文件，并調(diào)用相關(guān)接口函數(shù)進(jìn)行全文檔加密、壓縮，并通過RTI交互控制程序把數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方；接收方（網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等）導(dǎo)入交換數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用交換接口函數(shù)首先對(duì)XML 文件進(jìn)行解壓，然后對(duì)文檔進(jìn)行解密還原，并根據(jù)文檔描述模塊的定義對(duì)XML文檔進(jìn)行解析和抽取，最后通過系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)控制接口將有關(guān)信息寫入至數(shù)據(jù)庫中，完成數(shù)據(jù)的交互功能。

5 結(jié)語

論文從機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的軍事需求出發(fā)，采用基于HLA 高層體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了分布式的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。論文給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架、系統(tǒng)模擬訓(xùn)練部署模式及基于HLA的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程，并給出了關(guān)鍵問題的解決方案，為構(gòu)建機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理模擬訓(xùn)練系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)和開發(fā)同類型的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供了借鑒。該方案在如下的平臺(tái)上設(shè)計(jì)并得到了初步的驗(yàn)證：服務(wù)器和終端均為普通的PC 機(jī)器，操作系統(tǒng)為WindowsXP，開發(fā)語言為VC＋＋6.0，數(shù)據(jù)庫工具為Oracle9.0，HLA／RTI軟件為RTI－1.3NGv6。

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