基于可擴展層級架構的異構系統(tǒng)信息交換

董志華, 朱元昌, 邸彥強, 孟憲國

(1. 軍械工程學院電子與光學工程系, 河北 石家莊 050003;

2. 中國人民解放軍63863部隊, 吉林 白城 137001)

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基于可擴展層級架構的異構系統(tǒng)信息交換

董志華1,2, 朱元昌1, 邸彥強1, 孟憲國1

(1. 軍械工程學院電子與光學工程系, 河北 石家莊 050003;

2. 中國人民解放軍63863部隊, 吉林 白城 137001)

摘要：聯(lián)合試驗要求構建大規(guī)模分布式實時仿真環(huán)境。仿真體系結構主要解決模型的互操作、組合和重用,在通信性能和擴展性方面存在不足,難以滿足實時性需求。本文提出了一種基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務的仿真系統(tǒng)互聯(lián)架構,利用其優(yōu)勢可以建立高實時性、易擴展的仿真系統(tǒng)。將仿真系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)交互信息映射成為數(shù)據(jù)分發(fā)服務(data distribution service, DDS)實體,建立實體間的公布/訂閱關系,可實現(xiàn)仿真系統(tǒng)間的信息交換。以數(shù)據(jù)為中心的公布訂閱機制規(guī)定“只有屬于同一數(shù)據(jù)空間的公布者和訂閱者之間才能建立公布/訂閱關系,該機制限制了架構的擴展性。利用Domain橋將兩個數(shù)據(jù)空間相聯(lián),通過主題映射實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)空間的信息交互,以提高仿真架構的性能和擴展性。最后,通過兩個原型試驗發(fā)現(xiàn)了映射模型與系統(tǒng)性能的關系,證實了Domain橋的功能和性能。

關鍵詞：體系結構; 數(shù)據(jù)分發(fā)服務; 對象模型

0引言

建模與仿真(modelling and simulation, M&S)是武器系統(tǒng)試驗的倍增器。自20世紀80年代,相繼出現(xiàn)適用領域不同的分布式體系結構,如分布交互仿真(distributed interactive simulation, DIS)、高層體系結構(high level architecture, HLA)、試驗與訓練使能體系結構(test and training enabling architecture, TENA)等,分別解決了領域內M&S問題。隨著軍事需求改變,M&S支持從單節(jié)點模擬器、到成組訓練再到成系統(tǒng)訓練。聯(lián)合作戰(zhàn)給武器系統(tǒng)試驗提出了聯(lián)合試驗新需求,要求為被試武器系統(tǒng)提供近似實戰(zhàn)的聯(lián)合試驗環(huán)境,M&S是構建聯(lián)合試驗環(huán)境的有效方法。聯(lián)合試驗環(huán)境要求實裝系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)、靶場設施以地理位置更加分散的方式互聯(lián),實現(xiàn)高吞吐量、低延遲的信息交互。面臨新需求,現(xiàn)有仿真體系結構存在諸多問題:如系統(tǒng)之系統(tǒng)情況下,不同網(wǎng)絡間、仿真體系結構不同實現(xiàn)間以及不同數(shù)據(jù)源間的互操作問題;數(shù)據(jù)通信的實時性問題;仿真實體的快速發(fā)現(xiàn)問題等,都是構建聯(lián)合試驗環(huán)境必須解決的問題。

為滿足武器系統(tǒng)試驗領域新需求,近幾年國內外開始考慮將數(shù)據(jù)分發(fā)服務(data distribution service, DDS)用于構建仿真環(huán)境,以彌補仿真體系結構在互操作、實時性等方面的不足[1-2]。文獻[3-4]從概念視角對HLA、TENA與DDS進行對比,認為三者間存在相似概念和信息分發(fā)方式,為它們集成奠定了基礎。HLA的目標是模型互操作和仿真資源重用,在構建實時仿真系統(tǒng)方面存在很多不足。文獻[5]利用DDS在數(shù)據(jù)通信、擴展性等多方面的優(yōu)勢,將HLA與DDS集成,提高了仿真系統(tǒng)的通信性能?；贖LA與DDS的相似性,西班牙NADS公司將它們的APIs統(tǒng)一起來,研發(fā)出基于公布/訂閱范型(Paradigm)的網(wǎng)絡中間件NCWare和SimWare。NADS受美軍于2007年提出的真實、虛擬、構造的體系結構路線圖(live, virtual, constructive architecture roadmap, LVCAR)啟發(fā)[6],提出了一種構建LVC仿真環(huán)境的新思想[5],即利用運作體系結構構建一種層與層間解耦、模塊化的層級式仿真架構(layered simulation architecture, LSA),以彌補仿真體系結構的不足。在NADS建議下,仿真互操作標準組織成立了LSA研究小組,專門致力于將DDS與仿真領域相結合的研究,是統(tǒng)一各研究成果的開放平臺[7]。文獻[8]提出一種基于DDS的仿真架構,利用運作體系結構作為各仿真系統(tǒng)的通信底層,并基于此體系結構將現(xiàn)有異構系統(tǒng)互聯(lián),滿足異構系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互需求。近幾年,國內部分高校、研究所開展了DDS服務在工業(yè)、軍事等領域的應用研究[9-11],并基于應用實例設計了DDS與HLA間的互聯(lián)網(wǎng)關[12-13],為DDS與仿真體系結構間的互操作奠定了基礎。

目前,DDS主要作為異構系統(tǒng)間信息交互的通信支持,實現(xiàn)了語法層互操作。仿真領域內異構系統(tǒng)語義互操作是系統(tǒng)集成的目標,本體被認為是實現(xiàn)仿真領域語義互操作的主要途徑。LVCAR中體系結構無關數(shù)據(jù)交換模型(architecture neutral data exchange model, ANDEM)工程的目標是解決多體系結構間語義互操作問題。ANDEM定義了元模型層和語義鏈接層,以實現(xiàn)異構對象模型間的語法、語義互操作。2013年,仿真互操作標準組織正式成立ANDEM研究組,任務包含ANDEM研究和ANDEM在LSA中的應用。目前,ANDEM仍處于研究階段中,尚未真正解決LVC仿真環(huán)境中的語義互操作問題,且ANDEM在LSA中的功能和作用尚在探索中[14]。現(xiàn)有關于DDS或公布/訂閱的研究主要集中于節(jié)點間服務質量(quality of service, QoS)策略的匹配、跨網(wǎng)建立公布/訂閱關系等方面,目標是提高DDS系統(tǒng)內不同節(jié)點QoS自適應性、實時性和跨廣域網(wǎng)能力[15-16]。通常,DDS中間件自身具有不同GDS間信息交互功能,如OpenDDS、OpenSplice DDS[17-18]等,但這些功能需要進行嚴格配置,且需要不同GDS的DDS應用共享數(shù)據(jù)模型(以IDL形式存在,由Topics組成)。有時具有不同數(shù)據(jù)模型的GDS進行信息交換,但現(xiàn)有文獻鮮見該應用條件下如何實現(xiàn)GDS間的信息交互的研究。

為滿足聯(lián)合試驗環(huán)境需求,提出了一種將仿真系統(tǒng)、某指控平臺等試驗要素互聯(lián)的層級式聯(lián)合試驗互聯(lián)架構(joint test Inter-connection architecture, JTICA),以DDS作為通信支撐實現(xiàn)異構系統(tǒng)間語法層互操作,以通用數(shù)據(jù)交換模型(common data exchange model, CDEM)為橋梁實現(xiàn)異構系統(tǒng)間語義層互操作。其中,CDEM及其如何實現(xiàn)語義互操作的問題不在論述范圍內,本文重點解決JTICA中層級間映射和JTICA擴展性問題。

1數(shù)據(jù)分發(fā)服務

DDS是對象管理組織(object management organization, OMG)于2004年公布的數(shù)據(jù)分發(fā)標準。DDS定義了以數(shù)據(jù)為中心的公布/訂閱(data-centric publish-subscribe, DCPS)[19]、本地數(shù)據(jù)重構(data local reconstruction layer, DLRL)兩層接口。DCPS層可實現(xiàn)特定信息高效的傳遞,DLRL是可選層,允許集成到應用層。DCPS層定義包含實現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)的通信模型,稱為DCPS模型。該模型與平臺無關,可映射到不同應用平臺和編程語言。2009年OMG發(fā)布了DDS互操作線協(xié)議規(guī)范,規(guī)定了實現(xiàn)不同DDS中間件互操作的線協(xié)議[20]。

DCPS模型包含公布者(Publisher)、訂閱者(Subscriber)、數(shù)據(jù)寫入者(DataWriter,DW)、數(shù)據(jù)讀取者(DataReader,DR)和主題(Topic)5類實體,如圖1所示。公布者、訂閱者間交互的數(shù)據(jù)采用全局數(shù)據(jù)空間(global data space, GDS)或域(Domain)中的Topic描述。Domain是一個分布式概念,只有處于同一Domain的公布者、訂購者間才能建立公布/訂閱關系。Domain中的Topic由主題名稱(Topic name)、鍵(Key)屬性唯一標識。其中,鍵屬性是可選的,通過改變鍵屬性值可表示相同主題的不同實例。公布者和訂閱者是與主題弱相關的實體,可實現(xiàn)不同主題的公布、訂閱功能。DW和DR與主題存在強關聯(lián)關系,僅實現(xiàn)特定主題的讀取、寫入功能。Domain參與者(domain participant,DP)是DDS系統(tǒng)的基本參與者,也是DDS系統(tǒng)的獨立運行節(jié)點,是DDS實體的“容器”,即DDS實體僅能在DP中創(chuàng)建。

圖1　DDS概念和實體

DDS中的QoS用于控制DDS服務,與DDS實體相關聯(lián),每種DDS實體具有部分QoS屬性。通過調整QoS屬性值,可改變相關實體的工作方式,提高系統(tǒng)的通信性能。DDS定義了內置主題,用于描述Domain內實體狀態(tài)和Domain變化。DDS應用通過內置主題的DR獲取DDS實體狀態(tài)信息,其讀取方式與讀取自定義主題類似。

2聯(lián)合試驗互聯(lián)架構

JTICA自上而下包含應用層、仿真層、通信層,如圖2所示。應用層包含需要互聯(lián)的異構系統(tǒng)和系統(tǒng)代理(Broker),其中代理用于實現(xiàn)異構系統(tǒng)與仿真層的信息交互;仿真層包含仿真服務層和通用數(shù)據(jù)交換模型(common data exchange model, CDEM)層。仿真服務層為異構系統(tǒng)間信息交互提供必要的仿真服務,如時間管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理等。CDEM描述異構系統(tǒng)間交互信息的語義模型,是實現(xiàn)系統(tǒng)間語義互操作的關鍵,也稱為互聯(lián)系統(tǒng)的交互模型;通信層中,基于DCPS建立了異構系統(tǒng)公布/訂閱關系,實現(xiàn)了信息交互。JTICA以層級形式實現(xiàn)異構系統(tǒng)互聯(lián),將應用層異構系統(tǒng)的信息交互關系轉移到了通信層,因此需要解決應用層、仿真層到通信層的映射。

圖2　基于DDS的仿真架構

2.1運作體系結構與仿真體系結構對比分析

以系統(tǒng)內各應用更好通信為目標、以中間件為實現(xiàn)形式的體系結構稱為運作體系結構。仿真體系結構面向M&S領域,通過一種架構將分布在不同位置的節(jié)點互聯(lián),形成時間、空間邏輯上正確的仿真空間,對仿真系統(tǒng)擴展性、仿真應用間信息交互實時性、通信協(xié)議等方面考慮的較少。隨著仿真系統(tǒng)規(guī)模擴大,網(wǎng)絡異構、位置分散的仿真系統(tǒng)間信息交互的實時性已成為急需解決的關鍵問題。利用運作體系結構在通信性能方面的優(yōu)勢,將其應用于仿真體系結構中是解決大規(guī)模分布實時仿真系統(tǒng)的理想方法。

從信息傳遞的角度看,運作體系結構和仿真體系結構中有很多類似的概念和行為。如HLA的“聯(lián)邦”、TENA的“執(zhí)行”概念與DDS的“Domain”概念含義相同,表示共享相同數(shù)據(jù)空間的系統(tǒng),只有處于同一個“聯(lián)邦”、“執(zhí)行”或“域”中的應用間才能實現(xiàn)信息交互。又如HLA的“更新屬性”、TENA的“更新”行為與DDS中DW的“寫數(shù)據(jù)”行為類似,都是將對象中變化的屬性值發(fā)送到數(shù)據(jù)空間中去,其區(qū)別是HLA在更新屬性時具有更細的粒度,可以更新對象類中的部分屬性。表1、表2列舉了HLA、TENA與DDS中對等的概念和行為,這些相似點為建立仿真系統(tǒng)結構與運作體系結構映射關系提供了支撐。

表1　DDS與HLA的概念/行為比較

表2　DDS與TENA的概念/行為比較

2.2JTICA映射模型

為實現(xiàn)基于JTICA互聯(lián)系統(tǒng)間的通信,需要應用層異構系統(tǒng)、系統(tǒng)間的交互信息映射到DCPS層,即建立應用層異構系統(tǒng)、仿真層CDEM與通信層的DCPS層概念間的映射關系,如圖3所示。

圖3　映射關系

2.2.1應用層到DDS實體的映射模型

應用層異構系統(tǒng)內各節(jié)點間保持原有交互關系,系統(tǒng)之間不直接進行通信,而是將其映射成為DDS實體,建立不同系統(tǒng)對應實體間公布/訂閱關系來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

映射關系描述如下:應用層各系統(tǒng)映射為DCPS層中不同DP,利用DP中公布者、訂閱者間的公布/訂閱關系實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收/發(fā)。不同類型的DW繼承于公布者,實現(xiàn)向其他系統(tǒng)公布不同數(shù)據(jù)類型的主題實例;不同類型的DR繼承于訂閱者,可以訂閱不同數(shù)據(jù)類型的主題實例。圖4(a)為基于JTICA的異構系統(tǒng)在DCPS層的映射,假定系統(tǒng)O映射為DP O,系統(tǒng)1映射為DP 1,系統(tǒng)2映射為DP 2,依次類推。DP O與DP 1、DP 2、…,分別關于Topic1、Topic2、…存在公布/訂閱關系。圖中所示為一種極端情況:系統(tǒng)O與其他系統(tǒng)均有交互關系。當DP O與DP 1、DP 2、…同時交互信息時,引起多個公布或訂閱并發(fā),可能產生DP O負載失衡現(xiàn)象[21]。

圖4　仿真系統(tǒng)到DCPS的映射模型

為了解決單個DP節(jié)點負載失衡造成整個系統(tǒng)性能下降問題,可以將互聯(lián)關系復雜、信息交互頻繁的系統(tǒng)映射為DCPS層中的多個DP,限制每個DP中的公布者、訂閱者生成的DW、DR個數(shù),可避免單個DP超載運行引起的互聯(lián)系統(tǒng)性能降低。圖4(b)將系統(tǒng)O映射為多個DP s,DP O1、DP O2、…、DP Oi+k…分別與DP 1、DP 2、…、DPi+k存在公布/訂閱關系。這些DP s共享同一GDS,也可以運行于不同的GDS中。

2.2.2仿真層到DDS實體的映射模型

現(xiàn)有的HLA系統(tǒng)利用聯(lián)邦對象模型/仿真對象模型(federation object model/simulation object model，F(xiàn)OM/SOM)描述了系統(tǒng)內交互信息,包含了與其他系統(tǒng)間的交互模型,利用Sub FOM/SOM描述;TENA系統(tǒng)利用TENA對象模型描述了系統(tǒng)內各TENA應用間的信息交互關系,以TDL(TENA description language)形式表達,包含了與其他異構系統(tǒng)交互的信息模型,采用Sub TDL表示;指控系統(tǒng)通過指控代理實現(xiàn)與仿真系統(tǒng)的信息交互,交互內容包含命令、情報和狀態(tài)等,利用持續(xù)類和瞬態(tài)類[22-23]對象描述,稱為Sub C2 Data。CDEM包含了Sub-FOM/SOM、Sub-TDL和Sub-C2 Data等系統(tǒng)間交互的信息,同時也包含這些信息的語義描述。借鑒HLA、TENA對象模型思想,CDEM采用持續(xù)類和瞬態(tài)類描述兩種類型的交互信息,另外包含基本的元素,如基本數(shù)據(jù)類型、結構體等。

本部分主要解決JTICA中,CDEM怎樣映射到DCPS層的DDS實體,如表3所示。

表3　CDEM與DCPS數(shù)據(jù)模型映射關系

Topic是應用間進行交互的數(shù)據(jù)模型,由數(shù)據(jù)類型和名稱唯一標識。同一GDS中,同一數(shù)據(jù)類型的Topic名稱唯一,通過DW、DR實現(xiàn)對某一Topic的寫入和讀取。Topic包含具有Key屬性(Keyed Topic)和沒有Key屬性(Topic(no keys))類,具有Key屬性的Topic可以為Key屬性賦予不同值,表示Topic的不同實例;沒有Key屬性的Topic沒有實例。CDEM描述了持續(xù)類、瞬態(tài)類兩類模型。因此,CDEM中持續(xù)類可映射為具有Key屬性的Topic,瞬態(tài)類可映射為沒有Key屬性的Topic。CDEM的數(shù)據(jù)類型可映射成為Topic的基本數(shù)據(jù)類型。

以雷達、指控系統(tǒng)、高炮3個節(jié)點間的信息交互為例,說明CDEM與Topic間的映射關系。圖5所示,weapon_pos表示雷達向指控系統(tǒng)發(fā)送的目標位置信息,是持續(xù)類對象,Fire表示指控系統(tǒng)向高炮發(fā)送的開火命令,是瞬態(tài)類對象。利用兩個數(shù)據(jù)類型為“Position”和“Fire”的Topic描述CDEM?！癙osition”的屬性“ID”為Key屬性,表示CDEM中的“weapon_pos”;“Fire”沒有Key屬性,表示CDEM中的“Fire”命令。

圖5　CDEM與Topic的映射示例

3Domains間數(shù)據(jù)交互

應用層、仿真層到通信層的映射模型中,通過將各異構系統(tǒng)映射成為多個DP、各DP存在獨立的公布訂閱關系,避免單個DP超載問題。但這種映射方法帶來了另一個問題,即Domain間的信息交互需求,本節(jié)首先分析出現(xiàn)這一問題的根源,然后研究解決方法。

3.1問題分析

DCPS規(guī)范規(guī)定,只有處于同一Domain的DP間才能建立關于某一主題的公布/訂閱關系。應用層到DCPS層的映射關系,系統(tǒng)映射到DCPS層得到的多個DP可能處于同一Domain,也可能處于不同Domain。圖4(b)中,系統(tǒng)O映射為DP Oi,若與DP 1、DP 2、…形成的公布/訂閱關系分別處于不同Domain1、Domain2、…中,由于系統(tǒng)O可看做由DP Oi融合而得,因此需要實現(xiàn)不同DP Oi間的信息交互,其本質是Domain間的信息交互問題。

另一方面,當基于JTICA的系統(tǒng)需要新系統(tǒng)加入時,如果加入到現(xiàn)有的Domain中,則現(xiàn)有的實時仿真系統(tǒng)內各應用層、CDEM層都要作相應調整,以建立與新系統(tǒng)的公布訂閱關系。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大,這一調整過程將變得越來越復雜。而且，同一GDS中存在大量公布者、訂閱者或者公布者與眾多訂閱者存在公布/訂閱關系,造成系統(tǒng)實時性降低(會在第4節(jié)試驗中證實)。因此,需要通過新建Domain,維護新加入系統(tǒng)的信息交互關系,避免某一個Domain內各節(jié)點間通信性能的降低。

由于不同Domain間公布/訂閱關系是獨立的,為實現(xiàn)Domain間的通信,本文提出利用Domain橋實現(xiàn)不同Domain間的信息交換。

3.2基于Domain橋的Domains間信息交換

為了保證實時仿真系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)擴展性,采用Domain橋實現(xiàn)不同Domain間的數(shù)據(jù)交換。實現(xiàn)異構系統(tǒng)間信息交互的關系是協(xié)議轉換,可存在于TCP/IP協(xié)議棧中的網(wǎng)絡層、運輸層、應用層等[24]。在基于仿真中間件的異構仿真系統(tǒng)間可建立中間件、應用層上的網(wǎng)關實現(xiàn)系統(tǒng)間的信息交互。Domain橋運行于DCPS層,加入到不同數(shù)據(jù)空間通過主題轉換實現(xiàn)Domain間的數(shù)據(jù)交互,如圖6(a)所示。

圖6　Domain橋

Domain橋以JTICA為基礎,在不影響原實時仿真系統(tǒng)前提下,通過DCPS層上的主題映射層即Topic Mapping實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)空間主題間的轉換。圖6(b)中,Domain A、Domain B是系統(tǒng)A、系統(tǒng)B對應的DDS實體。Domain橋兩端分別維護著一對公布者/訂閱者,并分別加入Domain A、Domain B中。以系統(tǒng)A向系統(tǒng)B公布數(shù)據(jù)為例說明兩個Domain間Topic轉換的過程:Domain橋包含兩個獨立運行的線程,一個線程維護Sub_left和Pub_left,參與Domain A的公布/訂閱行為;另一個線程維護Sub_rigth和Pub_right,參與Domain B的公布/訂閱行為。Domain橋通過內置主題發(fā)現(xiàn)有新的主題,Sub_left創(chuàng)建相應的DR,如果Domain B存在該主題,則Pub_right創(chuàng)建相應的DW,不需經(jīng)主題映射即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉發(fā);如果Domain B中沒有與新主題同類型的主圖,則需要將新主題映射為Domain B已存在的主題。

Domain橋實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)流如圖7所示,包括初始化和數(shù)據(jù)交互兩個過程。初始化工作主要如下:①Domain橋加入Domain A,創(chuàng)建訂閱者Sub_left、公布者Pub_left和主題;②Domain橋同時加入Domain B,創(chuàng)建公布者Pub_right、訂閱者Sub_right和主題。完成了初始化工作后,即可利用DDS的通信機制進行Domain間的數(shù)據(jù)交互,包括:內置主題反饋Domain A有新的主題Topic A向Domain B公布,訂閱者Sub_left創(chuàng)建關于Topic A的DR A, 然后經(jīng)主題映射(若Domain B數(shù)據(jù)空間定義了Topic A, 則可直接進行賦值)轉換為Domain B中的Topic B, 然后由Pub_right公布到Domain B的數(shù)據(jù)空間中。

圖7　Domain橋數(shù)據(jù)流

4試驗與分析

為了檢驗本文方法的可行性,以DDS開源實現(xiàn)OpenDDS 3.5作為JTICA的通信層基礎,完成兩個原型系統(tǒng)試驗,測試環(huán)境如表4所示。

表4　測試環(huán)境

4.1JTICA實時性驗證與分析

利用基于HLA的空情模擬系統(tǒng)和雷達模擬系統(tǒng)、基于TENA的指控系統(tǒng),采用OpenDDS作為異構系統(tǒng)間底層通信支撐,構建原型系統(tǒng)?？涨槟M是獨立仿真系統(tǒng),可產生多批次、多架次的飛機目標;雷達模擬系統(tǒng)也是獨立仿真系統(tǒng),接收空情信息并發(fā)送給指控系統(tǒng);指控系統(tǒng)是由仿真系統(tǒng)和實裝組成的滿建制武器系統(tǒng)。重點關注了空情信息的傳遞,其路徑從空情模擬系統(tǒng)到雷達模擬系統(tǒng)再到指控系統(tǒng)。利用JTICA將3種系統(tǒng)互聯(lián),利用Ping-Pong測試方法分別測試仿真層兩種映射方案的性能。

(1) 測試方案

測試 1空情模擬、模擬雷達、指控系統(tǒng)分別映射為一個DP,三者的交互模型CDEM映射為一個Topic,測試Topic的數(shù)據(jù)包不同大小與傳輸時延的關系。依次設定Topic的數(shù)據(jù)包大小為32 B、64 B、…、16 384 B,數(shù)據(jù)公布時間間隔為0.1s,持續(xù)測試一定時間得到信息傳輸?shù)臅r延數(shù)據(jù)。

測試 23個仿真系統(tǒng)分別映射為一個DP,CDEM中每個空情目標用一個Topic描述,測試空情目標的數(shù)量與空情信息傳輸時延間的關系。設定空情模擬分別生成2、4、8個目標,即CDEM交互模型分別映射成2、4、8個Topic,以測試傳輸時延。

(2) 測試結果與分析

建立基于JTICA的原型系統(tǒng)空情信息傳遞的時間模型,如圖8所示。

圖8　基于JTICA互聯(lián)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳遞時間模型

模型忽略消息在應用系統(tǒng)中的停留時間,引起消息傳輸時延的時間主要包含3類:應用層系統(tǒng)到相應DP的時間T1、DP中的處理時間T2和GDS完成分發(fā)的時間T3。T1是上層數(shù)據(jù)模型轉換成Topic的速度有關;T2與數(shù)據(jù)包大小和DP中DW、DR個數(shù)有關;T3與GDS的Topic個數(shù)和數(shù)據(jù)包大小有關。在JTICA架構中,應用層系統(tǒng)經(jīng)轉換模塊將數(shù)據(jù)傳遞到通信層在本地完成,因此認為相同大小的Topic轉換時間均為t′。利用中Ping-Pong測試方法,可得一個消息循環(huán)的耗時ΔT=T1+T2+T3。

測試1結果如圖9所示,當數(shù)據(jù)包小于1 024 B時,傳輸時延差別不大,處于500 μs水平;數(shù)據(jù)包小于4 096 B時,傳輸時延基本不大于1 000 μs。當數(shù)據(jù)包大小超過4 096 B后,隨著Topic數(shù)據(jù)包的增大,傳輸時延增大的趨勢越來越明顯。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有兩個方面,一是隨著數(shù)據(jù)包大小的增加,其轉換時間也會相應延長,二是由于網(wǎng)絡傳輸自身特性引起的,即相同網(wǎng)絡帶寬條件下數(shù)據(jù)包越大,傳輸時延越長,與DDS各實體配置關系不大。

圖9　Topic數(shù)據(jù)包大小與傳輸時延的關系

測試2結果如圖10所示,Topic個數(shù)相同時,隨著數(shù)據(jù)包增大,時延越來越長,且時延增大的趨勢越來越明顯。這一現(xiàn)象的原因與測試1的現(xiàn)象原因相同;數(shù)據(jù)包大小相同時,隨著Topic個數(shù)的增加,傳輸時延逐漸增大?？傮w來看,Topic個數(shù)增加對時延的影響,要越來越弱于因數(shù)據(jù)包增大對時延的影響。

圖10　多個Topic與時延的關系

數(shù)據(jù)包總量不變,映射成不同個數(shù)的Topic后,在GDS中,需要為每一個Topic建立公布/訂閱關系。由于DDS是基于數(shù)據(jù)類型/數(shù)據(jù)名稱實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾和信息的路由,隨著Topic數(shù)量的增多,這一過濾流程也會增長。下面簡要說明數(shù)據(jù)過濾的基本原理,示意如圖11所示。當有新的數(shù)據(jù)模型進入GDS后,會依次尋找與其匹配的Topic。由于同一空間中,Topic的名字是唯一的,找到匹配的Topic后即停止,隨后該數(shù)據(jù)模型的公布/訂閱關系會根據(jù)Topic而確定[25]。因此隨著Topic數(shù)量的增多,匹配過程必然變得越來越長。

圖11　全局數(shù)據(jù)空間中數(shù)據(jù)過濾示意

大規(guī)模的仿真環(huán)境內存在大量的數(shù)據(jù)交互,信息傳輸實時性影響整個仿真環(huán)境的性能?；贒DS實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)傳輸時,應處理好Topic個數(shù)與Topic數(shù)據(jù)包大小間的關系。若一次交互的數(shù)據(jù)量小于1 kB時,可利用1個Topic描述交互的數(shù)據(jù);若一次交互的數(shù)據(jù)量大于1 kB,可利用多個Topic描述交互數(shù)據(jù),以削弱較大的數(shù)據(jù)包對傳輸時延造成的影響。

4.2Domain間數(shù)據(jù)交互試驗與分析

通過比較基于Domain橋互聯(lián)GDS、同一GDS信息交互的實時性,說明Domain橋的性能特征。

(1) 測試方案

為檢驗Domain橋,在4.1節(jié)基礎上,集成一個基于HLA的高炮模擬系統(tǒng),用于接收來自指控系統(tǒng)的空情、命令信息,同時向指控系統(tǒng)上報自身狀態(tài)信息。高炮模擬系統(tǒng)以兩種方式加入原系統(tǒng),分別測試信息傳輸時延:加入已有GDS,在3、5、9個DPs情況下,測試空情信息從空情模擬系統(tǒng)到高炮模擬系統(tǒng)的傳輸時延;形成獨立GDS,通過Domain橋與原GDS相連,測試數(shù)據(jù)從一端到達另一端的時延。如圖12所示,PC1、PC2、PC3代表仿真系統(tǒng)映射到DDS的節(jié)點,映射得到的DDS實體為:1個公布者和訂閱者、3個DW和DR以及3個關聯(lián)的主題,PC1代表HLA系統(tǒng)、PC2代表TENA系統(tǒng),PC3代表新HLA系統(tǒng)。

圖12　Domain互聯(lián)試驗方案

(2) 測試結果及分析

圖13是測試方案中兩種互聯(lián)方式下信息傳輸時延的對比。發(fā)現(xiàn)利用Domain橋互聯(lián)方式中,傳輸時延隨發(fā)送字節(jié)的變化不大,保持在10 ms左右。當發(fā)送字節(jié)數(shù)大于32 768后時延變大的趨勢開始明顯;同一GDS情況下,發(fā)送字節(jié)相同時,隨著DP增多時延逐漸變大,但性能要優(yōu)于Domain橋互聯(lián)方式。同一GDS時,當發(fā)送字節(jié)數(shù)達到65 536 B時,時延情況開始逐漸劣于Domain橋互聯(lián)方式,且發(fā)送字節(jié)數(shù)大于32 768時甚至出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

同一GDS互聯(lián)方式下,存在兩方面原因可能會引起丟包現(xiàn)象:DDS中間件配置參數(shù)和網(wǎng)絡帶寬限制。由于該試驗的網(wǎng)絡環(huán)境是100Mbps帶寬,甚至可滿足DPs間同時發(fā)生數(shù)據(jù)交換,因此丟包問題并非網(wǎng)絡性能引起的。根據(jù)DDS通信模型可知,應用層系統(tǒng)通過DR從訂閱者緩存讀取數(shù)據(jù)。默認條件下,OpenDDS中DP訂閱者緩存深度是有限的,隨著發(fā)送數(shù)據(jù)包增大,需要占用訂閱者越來越多的緩存,當DR不能及時從緩存中將數(shù)據(jù)讀出,將會造成訂閱數(shù)據(jù)的部分丟失。增大訂閱者緩存深度后,發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象得到緩解,但并不能從根本解決丟包問題。

圖13　Domain間數(shù)據(jù)交互試驗數(shù)據(jù)比較

基于DCPS構建大規(guī)模分布式仿真環(huán)境時,由于涉及到眾多的仿真系統(tǒng)和DP,可以采用Domain橋的互聯(lián)方式,一方面不同的數(shù)據(jù)空間可以進行不同主題的數(shù)據(jù)交互,提高了系統(tǒng)的可擴展性,另一方面Domain橋的兩端是處于不同數(shù)據(jù)空間的DPs,其數(shù)據(jù)傳輸時延受互聯(lián)系統(tǒng)規(guī)模的影響較小,可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

5結論

本文提出了一種基于DDS構建大規(guī)模實時仿真系統(tǒng)的層級式架構JTICA。建立了應用層、仿真層到通信層的映射模型,確定了映射關系,利用Domain橋實現(xiàn)了不同Domain內的主題映射,最后通過兩個原型系統(tǒng)試驗,證實了映射模型可行性和Domain橋擴展性,并得到了Domain橋實現(xiàn)的信息交互實時性的性能特征。

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Information exchange between heterogeneous systems

based on extensible layered architecture

DONG Zhi-hua1,2, ZHU Yuan-chang1, DI Yan-qiang1, MENG Xian-guo1

(1.DepartmentofElectricandOpticsEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,

Shijiazhuang050003,China; 2.Unit63863ofthePLA,Baicheng137001,China)

Abstract:Large-scale distributed real-time simulation environment is needed in the background of joint test and training. Simulation architectures focus on interoperability modeling and reuse except real-timing and scalability, so they cannot meet the requirement of real-time simulation systems. Layered simulation architecture is presented based on data distribution service (DDS), which can boost the performance of real-time simulation systems. The mapping relationship is set up between latency simulations, the exchanged information and data centric-publish-subscribe (DCPS) entities, based on which publish/subscription is rebuilt to realize the data exchange between simulation systems. DCPS defines that the publish/subscription relationship can be specially built between the publishers and subscribers belonging to the same data space. The information exchange is done using the Domain bridge through topic mapping, which improve the performance and scalability of the simulation architecture. Finally, the relationship between the mapping model and the performance of the real-time system is found and the function of the Domain bridge is validated, through two prototype systems testing.

Keywords:architecture; data distribution service (DDS); object model

作者簡介：

中圖分類號：TP 391.9

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.33

基金項目：裝備預研基金(9140A04030213JB34050)資助課題

收稿日期：2014-07-09；修回日期：2014-11-16；網(wǎng)絡優(yōu)先出版日期：2015-01-20。