基于RTI数据交互服务优化的关键技术研究

摘要：应用广泛的HLA RTI为分布式仿真系统提供标准的数据交互接口服务，在无线窄带广域网络条件下，传统的RTI未能提供健全的仿真环境。文章分析了RTI存在网络带宽使用效率问题，针对窄带广域网链路带宽窄、稳定性差，以及Qos和容错缺陷等因素对仿真数据交换的限制，提出了以调整RTI接口服务为突破口，重点提供了接口插件、智能路由、QoS、容错等优化网络带宽占用率的关键技术。

关键词：HLA RTI;数据转发;带宽占用;服务优化

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）10-0025-02

1 引言

一个典型的分布式交互仿真应用系统，体系结构如下图1所示，通常执行HLA标准（IEEE1516） 。通常情况下，HLA RTI的服务基于宽带网络运行，而无线窄带广域网络条件下的RTI服务受到诸多限制，导致在分布式仿真应用系统运行期间，管控任务难以顺利完成。基于RTI服务的降低带宽占用率和提高带宽利用率的方法研究为解决此难题提供了可行的思路，关键技术包括：研制具有节省带宽、智能分布式转发、隐式数据管理等功能的RTI接口插件，支撑带宽精简机制运行;研发具有QoS优先和容错机制的RTI软件产品，提高RTI运行效率。

2 RTI数据交互服务优化策略分析

HLA定义一个接口规范“中间件”层RTI，分布在分布式仿真系统中每个节点上。根据FOM的规定，各成员将属性与交互的数据提供给RTI，而RTI提供成员间的协调、同步及完成数据交互的服务，由RTI管理各节点间信息传输和交互，在各联邦成员间所有FOM规定的数据交换必须通过RTI进行。RTI开发人员可以自由选择网络拓扑结构、进程模型、时间管理算法、数据分发算法等不同方式，来实现定制的RTI通信接口软件。据此，解决窄带通信问题的基本思路是，利用HLA“中间件”层，即基于RTI建立和运行链路的通信带宽占用优化机制，降低分布式仿真交互服务对运行系统的链路带宽需求[1]。

2.1 现存问题分析

通常，HLA总是假设分布式环境是可预测、容错的，没有提供根据网络带宽、节点负载和计算资源动态变化情况而管理仿真执行的灵活机制，导致大量冗余信息充斥网络，带宽利用率低效。RTI为仿真应用系统执行HAL标准规范提供了具体服务。据分析[2]，传统的RTI局限性主要表现在以下四个方面：

一是RTI没有带宽优化设计。RTI性能的重点体现在其反应时间和CPU效率上，在带宽被限制的网络环境中，RTI并未设计具备带宽精简机制，甚至最优RTI配置在带宽严重受限时，也未能提供健全的仿真环境。

二是DDM不能全自动执行。部分HLA API定义了DDM，这些服务可让应用程序设计人员通过指定数据传输到仿真子集的方式，人工制定带宽最小化方案。但由于DDM不是全自动的，因此必须在每个FOM的每个应用都要执行一次，其成本消耗很大。

三是HLA接口规范里未包含报文优先或QoS。RTI API定义传输类型，传输类型在最佳效果与可靠性之间有简单的区分，但是RTI API没有标明报文的优先级或QoS的传输类型或传输属性，不允许有附加的输出类型，因而也就没有报文优先或QoS机制。

四是HLA接口规范里未包含容错。由于联邦的资源是静态分配的，联邦执行缺乏灵活性，容错性较差。无线窄带通信容易导致网络中断或吞吐量降低，由于没有容错机制，在修正错误恢复网络连接时将会产生大容量的数据交换，通信链路更加拥堵，可能会导致整个应用系统不能顺利运行。

2.2 RTI仿真数据交互服务优化的可行性

分布式仿真系统各个节点间极大地依赖RTI完成模型交互通信， HLA通常用于连接高带宽网络，带宽利用效率几乎不是传统模式下的设计条件，仿真数据对带宽的占用率优化也就不是RTI开发人员考虑的因素，因此，基于RTI实施的服务接口优化策略就有可利用的空间。进一步分析，采用升级和优化RTI接口服务软件的方法，为完善通信链路带宽占用机制提供了可行的、便捷的方案：

一是RTI组件集合代表一个分布式的通信子系统，保留从发布和订阅到具体数据对象的路径，且具有易受控、可优化的特点，因此存在可降低网络数据交换的可能性。实现的方法是，仅从订阅位置到需更新信息位置来分配传输专属的更新信息。

二是应用软件通过标准的应用程序接口（API） 访问RTI，只要不改变外部可见RTI的行为，就可巧妙地把某些带宽精简机制隐藏在RTI中，即包含RTI库的文件可被新文件替代而极少或不影响仿真系统的应用软件，多数情况下，仅需替换库文件然后重启应用软件即可。

例如， RTI服务平台中，交互类（CRTIInteraction派生的类）应该包括对象发送（公布交互参数） 、对象接收（订购交互参数） 和参数映射，提供信息交互相关服务的主要函数包括发送交互sendInteractio（）和接收交互receiveInteraction（）等，我们只需在这些相关函数中，“嵌入”数据压缩和解压插件，而无需更改应用系统相关函数。这是因为，应用系统的联邦对象模型函数自动继承了父类或基类函數特性，也就具备了数据压缩和解压能力。否则，如果RTI没有数据压缩机制，则需要在部署各处的每个仿真应用软件上进行诸如数据压缩等技术改造，成本消耗较大。

3 RTI数据交互服务优化关键技术

3.1 实施数据压缩机制

（1） 1FOM独立的无损耗压缩技术

针对计算负载和时延增大带来的消耗[3]，采用基于RTI基础架构内的数据压缩算法插件的方法来减少网络上大量的数据传输。通过应用目前多个可用的压缩算法进行性能和负载的对比评估，压缩效率较高的软件通常可降低30%～40%的带宽占用率，压缩和解压效果好且对时延影响最小。

在测试环境为CPU AMD1950X，内存32G，3000mzh，硬盘 三星970evo中，对约50K的格式化数据文件进行压缩解压测试比较，结果如下表1所示。通常，仿真应用系统每次传输的格式化数据不大于50K。

（2） FOM独立的包绑定技术

针对时延增大带来的潜在损耗，通过减少冗余的IP包头（源/宿地址、校验和等） 的方法把多个网络IP包绑定在一起，可以减低网络带宽占用。

（3） 数据压缩与包绑定集成技术

把压缩算法吸收到RTI中，与包绑定技术集成起来，将分组绑定和压缩结合在一起，可降低网络带宽占用。另外，把UPD报文分片和重组，让RIT能够发送大UDP报文，突破最大传输单元（MTU） 大小的限制，可进一步优化压缩算法。

3.2 实施智能分布式数据路由机制

（1） 实现分布式UDP/TCP转发器

一是实现智能化消息转发功能，严格限制订阅接收者的网络交换，使消息只发送到需要数据的联邦和局域网。二是支持分布式转发功能，确保一些特定数据包通过专用的网络连接，在不同局域网上多联邦之间的报文仅仅跨越广域网进行一次发送。三是支持报文属性和数据报列表维护功能，使用一个标志位编码对基于声明管理信息（订阅和分发） 进行标注属性，使带宽占用最小化。

（2） 实现基于CS体系结构的转发器功能

把每个联邦LRC的决策集中到服务器上，服务器将管理所有发布和订阅详细信息以及转发服务，这样可消除局域网内的所有对等通信[4]。服务器可以针对直接连接到它的联邦成员的特定需求进行调整，能够优先排序、管理和过滤通过的消息，以便管理传输数据量。

（3） 实现隐式DDM功能

DDM服务允许仿真指定感兴趣的范围[5]，而仅仅在此范围内的信息被传输。利用RPR（实时平台参考） FOM，实现FOM特定的数据路由插件，此插件使用应用系统特定信息来自动请求DDM服务，仅在联邦需要时发送数据，避免在网络中发送不必要的数据。

3.3 实施网络收发QoS机制

（1） 配置/管理优先级的技术

优先级配置管理技术让系统管理人员能够标识优先级数据，确保最高优先级数据被及时发送。

（2） 采用拥塞控制技术

能够识别网络拥塞时机，智能管理拥塞事件数据流量，有序和有效地降低性能而不产生更严重问题。

（3） 采用带宽预留技术

带宽预留可以保证必需的带宽资源得以保留，满足优先级别最高的数据能够传输。

（4） 实施均衡最佳和可靠的消息处理技术

均衡消息处理技术能确保需“可靠傳送”的报文被保证传递成功，而且需“尽力传送”的报文又不会增加拥塞。

3.4 实施HAL容错机制

提高HAL容错率和可靠性，补偿在大型分布式系统中由于网络连接问题带来的故障损失。需设计HAL内部容错机制[6]，以便从网络通信错误、联邦崩溃或其他连接问题中恢复正常。

（1） 采取冗余方法

采取RTI/联邦的分布式冗余方法，有效恢复RTI崩溃或通信错误问题，并恢复对独立对象属性的所有权。

（2） 重建TCP连接

重新建立断开的TCP连接，有效恢复网络连接问题，并实现故障恢复期间产生的网络流量最小化。

（3） 优化HLA API

优化完善HLA API以提高其容错率和可靠性。

3.5 实施RTI性能增强机制

完善RTI基础架构性能，减少延迟、降低内存消耗和增加吞吐量，补偿延迟和服务优化带来的额外消耗。 一是实现快速TCP堆栈、可扩展TCP和高速TCP等数据传输，减少TCP连接发送和接收消息时联邦的延迟。二是开发RTI独立模式，关闭外部网络，避免在单个系统仿真中在网络上放置不必要的数据包。三是在节点内部采用共享内存进行通信。

参考文献：

[1] 梁洪波，柳林，姚益平，等.高性能RTI自适应通信机制研究[J].国防科技大学学报，2012，34（3）：148-153.

[2] 唐见兵，李革，杨海刚.KD-RTI软件的测试研究[J].计算机工程，2007，33（3）：62-64.

[3] 刘晓建.大规模分布式仿真信息传输延迟技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2003.

[4] 张亚崇，孙国基，严海蓉，等.基于HLA/RTI的分布式交互仿真中数据分发管理的研究[J].系统仿真学报，2004，16（6）：1284-1287.

[5] 张霞，黄莎白.高层体系结构中DDM实现方法的研究[J].系统仿真学报，2003，15（5）：670-673.

[6] 刘云生.大规模分布式仿真系统容错关键技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006.

【通联编辑：闻翔军】

收稿日期：2021-10-08

作者简介：黄玉清（1967—） ，男，广东肇庆人，本科，高级工程师，研究方向为模拟仿真。