HLA/RTI的网络通讯策略及可靠组播的研究

关键词：HLA；RTI；联邦成员；可靠组播；网络通讯 中图分类号：TP393．04 文献标识码：A HLA/RTIs Network Communication Strategy and Reliable Multicast SUN Zai-quan, LIU Li (BEIHANG University, Beijing 100083, China) Abstract: The article is based on HLA/RTIs empolder,which introduces HLAs function and constitute characteistic, and emphases on studying HLAs kernel component- - - RTIs network communication strategy . from the composing form to network communication strategy of RTI have thorough anatomy, and base on different types of data we adopt different network communication strategy (TCP, UDP, multicast and reliable multicast) and pivotal technique- - - reliable multicast Thoroughly discussion, through analyzing existing arithmetics merit and Shortcoming, then bring forward my own reliable multicast arithmetic. Key words: HLA; RTI; federate; reliable multicast; Network communication 1 HLA概述 1．1 HLA的发展历史 HLA是先进分布仿真领域新一代支撑平台的技术标准，它的出现极大地促进了仿真应用系统之间的互操作和可重用性。HLA是目前国际的研究和开发热点，将在军用仿真领域中占主导地位。 先进分布仿真(ADS，Advanced Distributed Simulation)先后经过了分布交互仿真(DIS)、聚合级仿真(ALSP)和高层体系结构(HLA)三个阶段，其中DIS标准实现了实时平台级仿真系统的互操作、ALSP实现了聚合级构造仿真系统的互操作， HLA作为新一代的先进分布仿真标准，与DIS和 ALSP最本质的不同在于：①具有标准化的技术规范；②面向不同领域。前者使得HLA成为真正的基于体系结构的仿真互操作支撑环境，具有通用性和开放性的特点；后者则实现了不同类型、不同时间推进机制的仿真系统间的互操作。 1．2 HLA的技术规范 HLA技术规范由规则(Rules)、对象模型模板(OMT，Object Model Template)和接口规范(Interface Specification)三个部分组成，如图1所示： 其中规则描述了联邦成员和运行时间框架(RTI，Runtime Infrastructure)的责任和关系，是仿真实现正确交互的基础，它包括联邦和联邦成员必须遵守的规则和应当实现的功能；对象模型模板定义了描述HLA对象模型的通用方法，提供标准的格式来记录对象模型信息，以促进仿真应用的互操作和可重用；接口规范以服务的方式定义了联邦中联邦成员进行信息交互的方式，包括可调用的服务和应提供的回调服务，分为联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布管理六类服务。 2 RTI的网络通讯策略 2．1 RTI的构成方式 RTI作为联邦运行的底层支撑系统，在逻辑上与仿真应用程序(联邦成员)构成典型的客户/服务器结构，因此无论采用何种分布方式，以RTI为核心的HLA系统在逻辑上都是星型的拓扑结构。在设计实现时，我们采用的是层次化模型结构，如图2： RTI子服务器负责特定联邦的服务请求，属于该联邦的每一个联邦成员可以通过RTI组件与对应的子服务器通讯，RTI服务器则管理多个RTI子服务器。目前主流RTI软件均采用层次式结构实现，实践表明，该结构具有良好的系统伸缩性。 2．2 RTI的网络通讯策略 从层次式模型的拓扑结构上看，每一个RTI子服务器负责各自的联邦，由RTI服务器统一管理这些RTI子服务器，这样一来既减少了网络瓶颈，又增强了全局管理。 我们把参与流动的数据分为两类，控制流和数据流，RTI子服务器实际上是管理某个特定联邦的真正的服务器，因此涉及到了HLA六大管理的每一部分。但是既传送数据流又传送控制流的 RTI子服务器很容易会成为系统运行的瓶颈，为了尽量避免出现网络拥塞的情况，我们可以按照数据流和控制流的不同特点按照不同的方式分别传输。 RTI子服务器与联邦成员间仅传递关键的控制信息，在RTI子服务器规划好通讯通道之后，大量的数据流动发生在不同的联邦成员个体之间，实现了通讯与管理的高度统一。对RTI组件间的通讯方式进行以下分类，如图3所示： 联邦成员(LRC)与RTI服务器(RTIEX)之间是查询/回答方式，通过可靠组播方式传输，新的联邦成员加入(退出)某个联邦前需向RTI服务器发出请求，加入(退出)成功后，RTI服务器将通过可靠组播向所有的联邦成员发送加入(退出)的联邦成员的相关信息。同样联邦成员提供和要求的其它服务也是通过RTI服务器用可靠组播来实现的。联邦成员与RTI子服务器(FEDEX)是典型的客户/服务器方式，通过建立可靠的TCP连接(传递控制流数据)或可靠组播(用于时间管理)来实现，RTI子服务器用来存储联邦成员信息、确保时间协调推进和数据过滤、建立并维护联邦成员之间的通讯规则；联邦成员之间传递的是联邦对象模型(FOM)中定义的大量的数据，是对等关系，可采取组播(对数据准确度要求不高时)和可靠组播(对数据准确度要求较高时)两种实现方式。由于RTI子服务器是由RTI服务器在第一个联邦成员申请创建联邦时创建的，由RTI服务器记录下RTI子服务器的相关信息后，RTI服务器与RTI子服务器之间没有数据交互关系，因此不进行通讯。 3 可靠组播 传统的DIS采用广播方式将PDU发送到所有结点，当系统中仿真实体数目n增加时，网络带宽消耗成O(n2)级数增长，同时对大量不相关PDU的处理浪费了宝贵的处理机资源，严重影响了系统的可扩缩性。为了减少网络流量及减少冗余网络数据的处理量，以节省网络带宽和处理机资源，我们可以采取组播通信方式以期达到目的。 组播通信技术是新兴的网络通信技术，是一种点到多点的通信模式，在组播通信中，源结点向某一特殊地址(D类地址)只发一份数据，多个目的结点均能接收到数据，在整个网络任何一条链路上，只传送单一的一份数据报信息，可以大大节省网络带宽，同时组播数据只会发送到“感兴趣集”中，这样可以减少冗余数据的接收。UDP协议是不可靠的数据报协议，因此我们有必要研究可靠组播。 在基于UDP连接的可靠组播研究中，人们提出了三种算法：简单应答算法、分层应答算法、滑动窗口应答算法。 简单应答算法就是对每一个组员是否收到数据报文进行确认，这种方法简单可行，所有的ACK报文都返回给发送方，发送方处理起来必然不堪重负，同时随着接收方数目增加，ACK报文的数量也会线性增加，必然导致网络拥塞，极大的浪费了网络带宽资源，这种情形称之为“应答风暴”。 分层应答算法的基本思想是，每个组有一个管理者，下面分成若干个子节点，组员在发送数据前向管理者申请一个序号，组员将数据报文加上这个序号组播发送出去，然后下级节点只是向上一级的节点应答以确认收到了这个数据，这样有利于降低 RM(reliable multicast)协议给网络带来的通信开销，提高网络吞吐率，但是组播树的建立也需要一定的开销，而且维护算法也很复杂。 滑动窗口应答算法其设计思想是在收发双方均开设相等大小的缓冲区，当发送方缓冲区满时，发送方要求接收方主动发送ACK消息，收到所有应答后，收发双方都可释放其缓冲区。由于各个发送方发送数据频率不一样，很容易造成数据报文丢失，它比较适合一对多的数据传输方式，对于大规模仿真来说就不是很合适。 为此，我们在总结以上三种算法的基础上，设计出了一种简单的可靠组播算法。在数据传输过程中，我们不区分发送者和接收者，在同一个组播组中只有组员，同时推选一个组长，任何组员加入和退出组播组前必须经过组长，由组长记录所有组员的信息，每个组员有唯一的组员号(MemberlD)，当组员发送数据报时，它必须为该数据报分配一个唯一的递增的包裹号(PacketID)，用“MemberlD+ PacketID”作为数据报文的标识号，当组长收到数据报后，动态的以递增方式为数据报文分配一个唯一的、正式的报文序号，然后后以组播方式发送带有此报文序号的ACK报文给全体组员，并缓存该数据报文，准备当有组员未能收到此数据报文时的数据重发工作。组员收到数据报后，临时记录其“MemberlD十PacketID”，然后等待组长的应答报文，得到组长的应答后记录当前组长分配给数据报文的最大序号。如果发现组长的ACK报文中所描述的数据报文自己并没有收到，组员向组长以单播的方式发送一个NACK报文，请求组长重发数据。 当发送数据报文的发送方收到组长的应答报文时，它的发送任务就已经完成了，而任何没有收到数据的组员可以要求组长来重发报文，这样就保证了数据的可靠性，数据报文不频繁时，组员定期以单播方式向组长汇报当前已经接收到的报文最大序号。若与组长的不符，组长也要重发数据报文。这种可靠组播算法没有应答报文，正常情况下只有组长的ACK报文和各个组员定期向组长汇报的报文，非常的节省网络资源，同时实时性也非常好。 4 结束语 本文在研究RTI的网络通讯策略过程中，充分考虑了它的实时性，采取层次式RTI结构，同时将网络传播中的信息分为控制流和数据流，对于比较关键的控制信息采用点对点的TCP协议发送，而同样的是数据信息，根据可靠性的要求不同，分别采用组播和可靠组播发送。在可靠组播的算法研究中，尽量减少网络中的冗余数据，提高网络吞吐量，节省网络带宽资源，从而也在一定程度上提高了系统的时实时性。 参考文献 [1] 申俊，郑纬民等．一种基于Ethernet新的可靠多播算法[J]．软件学报，1998，9(6)． [2] 许震宇．HLA框架及仿真应用程序的研究与实现[D]．北京航空航天大学．2001 [3] High-Level ArchitectureRules, Version 1. 3. 1998. 1, MEEP15