關鍵詞：HLA；RTI；聯邦成員；可靠組播；網絡通訊 中圖分類號：TP393．04 文獻標識碼：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的發展歷史 HLA是先進分布仿真領域新一代支撐平臺的技術標準，它的出現極大地促進了仿真應用系統之間的互操作和可重用性。HLA是目前國際的研究和開發熱點，將在軍用仿真領域中占主導地位。 先進分布仿真(ADS，Advanced Distributed Simulation)先后經過了分布交互仿真(DIS)、聚合級仿真(ALSP)和高層體系結構(HLA)三個階段，其中DIS標準實現了實時平臺級仿真系統的互操作、ALSP實現了聚合級構造仿真系統的互操作， HLA作為新一代的先進分布仿真標準，與DIS和 ALSP最本質的不同在于：①具有標準化的技術規范；②面向不同領域。前者使得HLA成為真正的基于體系結構的仿真互操作支撐環境，具有通用性和開放性的特點；后者則實現了不同類型、不同時間推進機制的仿真系統間的互操作。 1．2 HLA的技術規范 HLA技術規范由規則(Rules)、對象模型模板(OMT，Object Model Template)和接口規范(Interface Specification)三個部分組成，如圖1所示： 其中規則描述了聯邦成員和運行時間框架(RTI，Runtime Infrastructure)的責任和關系，是仿真實現正確交互的基礎，它包括聯邦和聯邦成員必須遵守的規則和應當實現的功能；對象模型模板定義了描述HLA對象模型的通用方法，提供標準的格式來記錄對象模型信息，以促進仿真應用的互操作和可重用；接口規范以服務的方式定義了聯邦中聯邦成員進行信息交互的方式，包括可調用的服務和應提供的回調服務，分為聯邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理和數據分布管理六類服務。 2 RTI的網絡通訊策略 2．1 RTI的構成方式 RTI作為聯邦運行的底層支撐系統，在邏輯上與仿真應用程序(聯邦成員)構成典型的客戶/服務器結構，因此無論采用何種分布方式，以RTI為核心的HLA系統在邏輯上都是星型的拓撲結構。在設計實現時，我們采用的是層次化模型結構，如圖2： RTI子服務器負責特定聯邦的服務請求，屬于該聯邦的每一個聯邦成員可以通過RTI組件與對應的子服務器通訊，RTI服務器則管理多個RTI子服務器。目前主流RTI軟件均采用層次式結構實現，實踐表明，該結構具有良好的系統伸縮性。 2．2 RTI的網絡通訊策略 從層次式模型的拓撲結構上看，每一個RTI子服務器負責各自的聯邦，由RTI服務器統一管理這些RTI子服務器，這樣一來既減少了網絡瓶頸，又增強了全局管理。 我們把參與流動的數據分為兩類，控制流和數據流，RTI子服務器實際上是管理某個特定聯邦的真正的服務器，因此涉及到了HLA六大管理的每一部分。但是既傳送數據流又傳送控制流的 RTI子服務器很容易會成為系統運行的瓶頸，為了盡量避免出現網絡擁塞的情況，我們可以按照數據流和控制流的不同特點按照不同的方式分別傳輸。 RTI子服務器與聯邦成員間僅傳遞關鍵的控制信息，在RTI子服務器規劃好通訊通道之后，大量的數據流動發生在不同的聯邦成員個體之間，實現了通訊與管理的高度統一。對RTI組件間的通訊方式進行以下分類，如圖3所示： 聯邦成員(LRC)與RTI服務器(RTIEX)之間是查詢/回答方式，通過可靠組播方式傳輸，新的聯邦成員加入(退出)某個聯邦前需向RTI服務器發出請求，加入(退出)成功后，RTI服務器將通過可靠組播向所有的聯邦成員發送加入(退出)的聯邦成員的相關信息。同樣聯邦成員提供和要求的其它服務也是通過RTI服務器用可靠組播來實現的。聯邦成員與RTI子服務器(FEDEX)是典型的客戶/服務器方式，通過建立可靠的TCP連接(傳遞控制流數據)或可靠組播(用于時間管理)來實現，RTI子服務器用來存儲聯邦成員信息、確保時間協調推進和數據過濾、建立并維護聯邦成員之間的通訊規則；聯邦成員之間傳遞的是聯邦對象模型(FOM)中定義的大量的數據，是對等關系，可采取組播(對數據準確度要求不高時)和可靠組播(對數據準確度要求較高時)兩種實現方式。由于RTI子服務器是由RTI服務器在第一個聯邦成員申請創建聯邦時創建的，由RTI服務器記錄下RTI子服務器的相關信息后，RTI服務器與RTI子服務器之間沒有數據交互關系，因此不進行通訊。 3 可靠組播 傳統的DIS采用廣播方式將PDU發送到所有結點，當系統中仿真實體數目n增加時，網絡帶寬消耗成O(n2)級數增長，同時對大量不相關PDU的處理浪費了寶貴的處理機資源，嚴重影響了系統的可擴縮性。為了減少網絡流量及減少冗余網絡數據的處理量，以節省網絡帶寬和處理機資源，我們可以采取組播通信方式以期達到目的。 組播通信技術是新興的網絡通信技術，是一種點到多點的通信模式，在組播通信中，源結點向某一特殊地址(D類地址)只發一份數據，多個目的結點均能接收到數據，在整個網絡任何一條鏈路上，只傳送單一的一份數據報信息，可以大大節省網絡帶寬，同時組播數據只會發送到“感興趣集”中，這樣可以減少冗余數據的接收。UDP協議是不可靠的數據報協議，因此我們有必要研究可靠組播。 在基于UDP連接的可靠組播研究中，人們提出了三種算法：簡單應答算法、分層應答算法、滑動窗口應答算法。 簡單應答算法就是對每一個組員是否收到數據報文進行確認，這種方法簡單可行，所有的ACK報文都返回給發送方，發送方處理起來必然不堪重負，同時隨著接收方數目增加，ACK報文的數量也會線性增加，必然導致網絡擁塞，極大的浪費了網絡帶寬資源，這種情形稱之為“應答風暴”。 分層應答算法的基本思想是，每個組有一個管理者，下面分成若干個子節點，組員在發送數據前向管理者申請一個序號，組員將數據報文加上這個序號組播發送出去，然后下級節點只是向上一級的節點應答以確認收到了這個數據，這樣有利于降低 RM(reliable multicast)協議給網絡帶來的通信開銷，提高網絡吞吐率，但是組播樹的建立也需要一定的開銷，而且維護算法也很復雜。 滑動窗口應答算法其設計思想是在收發雙方均開設相等大小的緩沖區，當發送方緩沖區滿時，發送方要求接收方主動發送ACK消息，收到所有應答后，收發雙方都可釋放其緩沖區。由于各個發送方發送數據頻率不一樣，很容易造成數據報文丟失，它比較適合一對多的數據傳輸方式，對于大規模仿真來說就不是很合適。 為此，我們在總結以上三種算法的基礎上，設計出了一種簡單的可靠組播算法。在數據傳輸過程中，我們不區分發送者和接收者，在同一個組播組中只有組員，同時推選一個組長，任何組員加入和退出組播組前必須經過組長，由組長記錄所有組員的信息，每個組員有唯一的組員號(MemberlD)，當組員發送數據報時，它必須為該數據報分配一個唯一的遞增的包裹號(PacketID)，用“MemberlD+ PacketID”作為數據報文的標識號，當組長收到數據報后，動態的以遞增方式為數據報文分配一個唯一的、正式的報文序號，然后后以組播方式發送帶有此報文序號的ACK報文給全體組員，并緩存該數據報文，準備當有組員未能收到此數據報文時的數據重發工作。組員收到數據報后，臨時記錄其“MemberlD十PacketID”，然后等待組長的應答報文，得到組長的應答后記錄當前組長分配給數據報文的最大序號。如果發現組長的ACK報文中所描述的數據報文自己并沒有收到，組員向組長以單播的方式發送一個NACK報文，請求組長重發數據。 當發送數據報文的發送方收到組長的應答報文時，它的發送任務就已經完成了，而任何沒有收到數據的組員可以要求組長來重發報文，這樣就保證了數據的可靠性，數據報文不頻繁時，組員定期以單播方式向組長匯報當前已經接收到的報文最大序號。若與組長的不符，組長也要重發數據報文。這種可靠組播算法沒有應答報文，正常情況下只有組長的ACK報文和各個組員定期向組長匯報的報文，非常的節省網絡資源，同時實時性也非常好。 4 結束語 本文在研究RTI的網絡通訊策略過程中，充分考慮了它的實時性，采取層次式RTI結構，同時將網絡傳播中的信息分為控制流和數據流，對于比較關鍵的控制信息采用點對點的TCP協議發送，而同樣的是數據信息，根據可靠性的要求不同，分別采用組播和可靠組播發送。在可靠組播的算法研究中，盡量減少網絡中的冗余數據，提高網絡吞吐量，節省網絡帶寬資源，從而也在一定程度上提高了系統的時實時性。 參考文獻 [1] 申俊，鄭緯民等．一種基于Ethernet新的可靠多播算法[J]．軟件學報，1998，9(6)． [2] 許震宇．HLA框架及仿真應用程序的研究與實現[D]．北京航空航天大學．2001 [3] High-Level ArchitectureRules, Version 1. 3. 1998. 1, MEEP15