基于RTI數據交互服務優化的關鍵技術研究

摘要：應用廣泛的HLA RTI為分布式仿真系統提供標準的數據交互接口服務，在無線窄帶廣域網絡條件下，傳統的RTI未能提供健全的仿真環境。文章分析了RTI存在網絡帶寬使用效率問題，針對窄帶廣域網鏈路帶寬窄、穩定性差，以及Qos和容錯缺陷等因素對仿真數據交換的限制，提出了以調整RTI接口服務為突破口，重點提供了接口插件、智能路由、QoS、容錯等優化網絡帶寬占用率的關鍵技術。

關鍵詞：HLA RTI;數據轉發;帶寬占用;服務優化

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）10-0025-02

1 引言

一個典型的分布式交互仿真應用系統，體系結構如下圖1所示，通常執行HLA標準（IEEE1516） 。通常情況下，HLA RTI的服務基于寬帶網絡運行，而無線窄帶廣域網絡條件下的RTI服務受到諸多限制，導致在分布式仿真應用系統運行期間，管控任務難以順利完成。基于RTI服務的降低帶寬占用率和提高帶寬利用率的方法研究為解決此難題提供了可行的思路，關鍵技術包括：研制具有節省帶寬、智能分布式轉發、隱式數據管理等功能的RTI接口插件，支撐帶寬精簡機制運行;研發具有QoS優先和容錯機制的RTI軟件產品，提高RTI運行效率。

2 RTI數據交互服務優化策略分析

HLA定義一個接口規范“中間件”層RTI，分布在分布式仿真系統中每個節點上。根據FOM的規定，各成員將屬性與交互的數據提供給RTI，而RTI提供成員間的協調、同步及完成數據交互的服務，由RTI管理各節點間信息傳輸和交互，在各聯邦成員間所有FOM規定的數據交換必須通過RTI進行。RTI開發人員可以自由選擇網絡拓撲結構、進程模型、時間管理算法、數據分發算法等不同方式，來實現定制的RTI通信接口軟件。據此，解決窄帶通信問題的基本思路是，利用HLA“中間件”層，即基于RTI建立和運行鏈路的通信帶寬占用優化機制，降低分布式仿真交互服務對運行系統的鏈路帶寬需求[1]。

2.1 現存問題分析

通常，HLA總是假設分布式環境是可預測、容錯的，沒有提供根據網絡帶寬、節點負載和計算資源動態變化情況而管理仿真執行的靈活機制，導致大量冗余信息充斥網絡，帶寬利用率低效。RTI為仿真應用系統執行HAL標準規范提供了具體服務。據分析[2]，傳統的RTI局限性主要表現在以下四個方面：

一是RTI沒有帶寬優化設計。RTI性能的重點體現在其反應時間和CPU效率上，在帶寬被限制的網絡環境中，RTI并未設計具備帶寬精簡機制，甚至最優RTI配置在帶寬嚴重受限時，也未能提供健全的仿真環境。

二是DDM不能全自動執行。部分HLA API定義了DDM，這些服務可讓應用程序設計人員通過指定數據傳輸到仿真子集的方式，人工制定帶寬最小化方案。但由于DDM不是全自動的，因此必須在每個FOM的每個應用都要執行一次，其成本消耗很大。

三是HLA接口規范里未包含報文優先或QoS。RTI API定義傳輸類型，傳輸類型在最佳效果與可靠性之間有簡單的區分，但是RTI API沒有標明報文的優先級或QoS的傳輸類型或傳輸屬性，不允許有附加的輸出類型，因而也就沒有報文優先或QoS機制。

四是HLA接口規范里未包含容錯。由于聯邦的資源是靜態分配的，聯邦執行缺乏靈活性，容錯性較差。無線窄帶通信容易導致網絡中斷或吞吐量降低，由于沒有容錯機制，在修正錯誤恢復網絡連接時將會產生大容量的數據交換，通信鏈路更加擁堵，可能會導致整個應用系統不能順利運行。

2.2 RTI仿真數據交互服務優化的可行性

分布式仿真系統各個節點間極大地依賴RTI完成模型交互通信， HLA通常用于連接高帶寬網絡，帶寬利用效率幾乎不是傳統模式下的設計條件，仿真數據對帶寬的占用率優化也就不是RTI開發人員考慮的因素，因此，基于RTI實施的服務接口優化策略就有可利用的空間。進一步分析，采用升級和優化RTI接口服務軟件的方法，為完善通信鏈路帶寬占用機制提供了可行的、便捷的方案：

一是RTI組件集合代表一個分布式的通信子系統，保留從發布和訂閱到具體數據對象的路徑，且具有易受控、可優化的特點，因此存在可降低網絡數據交換的可能性。實現的方法是，僅從訂閱位置到需更新信息位置來分配傳輸專屬的更新信息。

二是應用軟件通過標準的應用程序接口（API） 訪問RTI，只要不改變外部可見RTI的行為，就可巧妙地把某些帶寬精簡機制隱藏在RTI中，即包含RTI庫的文件可被新文件替代而極少或不影響仿真系統的應用軟件，多數情況下，僅需替換庫文件然后重啟應用軟件即可。

例如， RTI服務平臺中，交互類（CRTIInteraction派生的類）應該包括對象發送（公布交互參數） 、對象接收（訂購交互參數） 和參數映射，提供信息交互相關服務的主要函數包括發送交互sendInteractio（）和接收交互receiveInteraction（）等，我們只需在這些相關函數中，“嵌入”數據壓縮和解壓插件，而無需更改應用系統相關函數。這是因為，應用系統的聯邦對象模型函數自動繼承了父類或基類函數特性，也就具備了數據壓縮和解壓能力。否則，如果RTI沒有數據壓縮機制，則需要在部署各處的每個仿真應用軟件上進行諸如數據壓縮等技術改造，成本消耗較大。

3 RTI數據交互服務優化關鍵技術

3.1 實施數據壓縮機制

（1） 1FOM獨立的無損耗壓縮技術

針對計算負載和時延增大帶來的消耗[3]，采用基于RTI基礎架構內的數據壓縮算法插件的方法來減少網絡上大量的數據傳輸。通過應用目前多個可用的壓縮算法進行性能和負載的對比評估，壓縮效率較高的軟件通常可降低30%～40%的帶寬占用率，壓縮和解壓效果好且對時延影響最小。

在測試環境為CPU AMD1950X，內存32G，3000mzh，硬盤 三星970evo中，對約50K的格式化數據文件進行壓縮解壓測試比較，結果如下表1所示。通常，仿真應用系統每次傳輸的格式化數據不大于50K。

（2） FOM獨立的包綁定技術

針對時延增大帶來的潛在損耗，通過減少冗余的IP包頭（源/宿地址、校驗和等） 的方法把多個網絡IP包綁定在一起，可以減低網絡帶寬占用。

（3） 數據壓縮與包綁定集成技術

把壓縮算法吸收到RTI中，與包綁定技術集成起來，將分組綁定和壓縮結合在一起，可降低網絡帶寬占用。另外，把UPD報文分片和重組，讓RIT能夠發送大UDP報文，突破最大傳輸單元（MTU） 大小的限制，可進一步優化壓縮算法。

3.2 實施智能分布式數據路由機制

（1） 實現分布式UDP/TCP轉發器

一是實現智能化消息轉發功能，嚴格限制訂閱接收者的網絡交換，使消息只發送到需要數據的聯邦和局域網。二是支持分布式轉發功能，確保一些特定數據包通過專用的網絡連接，在不同局域網上多聯邦之間的報文僅僅跨越廣域網進行一次發送。三是支持報文屬性和數據報列表維護功能，使用一個標志位編碼對基于聲明管理信息（訂閱和分發） 進行標注屬性，使帶寬占用最小化。

（2） 實現基于CS體系結構的轉發器功能

把每個聯邦LRC的決策集中到服務器上，服務器將管理所有發布和訂閱詳細信息以及轉發服務，這樣可消除局域網內的所有對等通信[4]。服務器可以針對直接連接到它的聯邦成員的特定需求進行調整，能夠優先排序、管理和過濾通過的消息，以便管理傳輸數據量。

（3） 實現隱式DDM功能

DDM服務允許仿真指定感興趣的范圍[5]，而僅僅在此范圍內的信息被傳輸。利用RPR（實時平臺參考） FOM，實現FOM特定的數據路由插件，此插件使用應用系統特定信息來自動請求DDM服務，僅在聯邦需要時發送數據，避免在網絡中發送不必要的數據。

3.3 實施網絡收發QoS機制

（1） 配置/管理優先級的技術

優先級配置管理技術讓系統管理人員能夠標識優先級數據，確保最高優先級數據被及時發送。

（2） 采用擁塞控制技術

能夠識別網絡擁塞時機，智能管理擁塞事件數據流量，有序和有效地降低性能而不產生更嚴重問題。

（3） 采用帶寬預留技術

帶寬預留可以保證必需的帶寬資源得以保留，滿足優先級別最高的數據能夠傳輸。

（4） 實施均衡最佳和可靠的消息處理技術

均衡消息處理技術能確保需“可靠傳送”的報文被保證傳遞成功，而且需“盡力傳送”的報文又不會增加擁塞。

3.4 實施HAL容錯機制

提高HAL容錯率和可靠性，補償在大型分布式系統中由于網絡連接問題帶來的故障損失。需設計HAL內部容錯機制[6]，以便從網絡通信錯誤、聯邦崩潰或其他連接問題中恢復正常。

（1） 采取冗余方法

采取RTI/聯邦的分布式冗余方法，有效恢復RTI崩潰或通信錯誤問題，并恢復對獨立對象屬性的所有權。

（2） 重建TCP連接

重新建立斷開的TCP連接，有效恢復網絡連接問題，并實現故障恢復期間產生的網絡流量最小化。

（3） 優化HLA API

優化完善HLA API以提高其容錯率和可靠性。

3.5 實施RTI性能增強機制

完善RTI基礎架構性能，減少延遲、降低內存消耗和增加吞吐量，補償延遲和服務優化帶來的額外消耗。 一是實現快速TCP堆棧、可擴展TCP和高速TCP等數據傳輸，減少TCP連接發送和接收消息時聯邦的延遲。二是開發RTI獨立模式，關閉外部網絡，避免在單個系統仿真中在網絡上放置不必要的數據包。三是在節點內部采用共享內存進行通信。

參考文獻：

[1] 梁洪波，柳林，姚益平，等.高性能RTI自適應通信機制研究[J].國防科技大學學報，2012，34（3）：148-153.

[2] 唐見兵，李革，楊海剛.KD-RTI軟件的測試研究[J].計算機工程，2007，33（3）：62-64.

[3] 劉曉建.大規模分布式仿真信息傳輸延遲技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2003.

[4] 張亞崇，孫國基，嚴海蓉，等.基于HLA/RTI的分布式交互仿真中數據分發管理的研究[J].系統仿真學報，2004，16（6）：1284-1287.

[5] 張霞，黃莎白.高層體系結構中DDM實現方法的研究[J].系統仿真學報，2003，15（5）：670-673.

[6] 劉云生.大規模分布式仿真系統容錯關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2006.

【通聯編輯：聞翔軍】

收稿日期：2021-10-08

作者簡介：黃玉清（1967—） ，男，廣東肇慶人，本科，高級工程師，研究方向為模擬仿真。