（计算机科学与技术专业论文）面向分布式交互仿真的应用层组播关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 分布式交互仿真在国民经济和国防建设等领域有着广泛的应用。随着仿真系 统复杂度的提高及仿真应用范围和规模的扩大，分布式交互仿真应用常需向大量 的仿真实体发送数百上千个实体状态的更新消息。如何针对分布式交互仿真应用 的通信需求，提供q o s 保证的广域网组通信支持，减少仿真应用的网络带宽开销， 已成为一个急待解决的问题。 由于i p 组播部署的局限性，很多研究提出通过应用层组播来提供广域网的组 播功能支持。但现有的应用层组播算法研究主要集中于覆盖网和分发树的构建、 维护和优化，借助t c p 的支持来实现流量控制，针对的主要是流媒体等应用，难 以满足分布式交互仿真等大规模多组多源应用的需求。 论文面向分布式交互仿真的应用需求和特点，针对当前应用层组播技术的不 足，从以下几个方面对面向分布式交互仿真的应用层组播技术展开深入研究。 ( 1 ) 应用层组播协议综合分类评价法 现有的应用层组播协议的分类方法主要考虑应用层组播系统的体系结构和组 播树的生成方式，较少考虑应用层组播协议的优化目标及其采用的优化技术。论 文提出了应用层组播协议综合分类评价法，该方法综合考虑了应用层组播协议设 计过程中所需考虑的问题，包括数据转发策略、服务模型、性能优化目标、性能 优化技术和容错机制等五个要素，并对应用层组播协议设计过程中所需考虑的若 干问题进行了讨论。 ( 2 ) 度数和树直径受限的最小代价组共享树算法 端系统自组网算法是应用层组播协议的核心功能，当前自组网算法的研究主 要考虑普通覆盖网的构建、维护和优化，较少涉及具体的应用背景。论文针对分 布式交互仿真的通信需求，提出了度数和树直径受限的最小代价组共享树问题 b d b d m s t ，并给出b d b d m s t 的集中式求解算法c s t 和分布式算法d b s t 。与 现有的应用层组播协议相比，d b s t 实现了核放置和动态核迁移，可以做到在组成 员频繁加入和退出的情况下仍能够较稳定地维护组共享树性能。 ( 3 ) 度数和树直径受限的多核组播树算法 针对单棵组共享树存在的单点失效、时延较大和流量集中度高等缺陷，论文 提出了度数和树直径受限的多核应用层组播树算法m d b s t 。m d b s t 算法使用节 点间时延作为节点间距离的度量标准，通过使核间距离最大化来实现多核在空间 的均匀分布，同时在保证多核均匀分布的条件下尽可能选取可用带宽最大的节点 为新核。为适应组成员的强动态性，m d b s t 支持多核根据组播树的状态进行核迁 移，以优化组播树结构。实验表明，m d b s t 具有节点间最大时延受限、支持多组 第i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 和流量负载均衡等特点，能够很好适用于分布式交互仿真的多组多源组播环境。 ( 4 ) 基于优先级队列的应用层组播流量控制算法 现有的应用层组播协议常依赖t c p 提供拥塞控制，这种方法所能支持的组规 模有限。为适应大规模分布式交互仿真的多组多源组播环境，论文设计实现了基 于优先级队列的应用层组播流量控制算法g f c 。该算法由流控机制( f l o w c o n t r o l m e c h a n i s m ) 和反馈机制( f e e d b a c km e c h a n i s m ) 两部分组成，流控机制根据组播 报文的优先级和长度对各个发送队列中的报文进行带宽分配和发送调度；反馈机 制基于t c p 的反馈信息对流控参数进行实时校正和调节，进而有效地减少报文的 丢失率。实验表明，该算法具有很好的扩展性和稳定性。 在上述研究基础之上，论文设计实现了面向分布式交互仿真的应用层组播系 统d v s c a s t 。与同类系统x o m 相比，d v s c a s t 使用算法d b s t 和m d b s t 来构建 组播树，因此保存、计算组播树的开销较小，组播树的动态适应性强，同时采用 g f c 算法实现了覆盖网的流量控制，可有效避免网络拥塞。 综上所述，论文的工作针对大规模分布式交互仿真的应用层组播中存在的关 键问题提出了有效的解决方案，对于推进应用层组播在分布式交互仿真环境中的 实用化具有一定的理论意义和应用价值。 主题词：应用层组播分布式交互仿真度数受限直径受限 最小代价组共享树多核组播流量控制 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e di n t e m c t i v es i m u l a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em a n vf i e l d so f n a t i o n a le c o n o m i ca n dd e f i e n c e w i t ht h er a p i di n c r e a s eo ft l l ec o m p l e x i 西o ft h e s i m u l a t e ds y s t e ma n dt h ee x p a i l d i n go fs i m u l a t i o ns c a l e t l l o u s a l l d so fs t a t eu p d 暑l t e m e s s a g e sf o rt 1 1 ee m i t i e sm i g h tb et r a n s m i t t e db e 倾r e e nn u m b e r so fs i m u l a t i o nm e m b e r s i nt l l ed i s t r i b u t e di m e m c t i v es i m u l a t i o n nh a sb e c o m ea nu r g e n ti s s u et op r o v i d e e f j f i c i e mw a nm u l t i c a s ts e r v i c e sw i t l lq o s 舀l a 眦l t e ea n dr e d u c em en e t 、帕r k b a l l d l i v i d mc o n s u m i n gd 埘n gs i m u l a t i o n si nt l l ed i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v es i m “a t i o n 印p l i c a t i o n s b e c a u s eo ft h ed e p l o y m e n tl i m i t a t i o no ft l l ei pm u l t i c a s t ，r e s e a r c h e r sp r e s e mm a t a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ( a l m ) m a yb eu s e dt op r o v i d ew a nm u l t i c a s ts e r v i c e s h o w e v e r ，m ee x i s t i n ga l mp r o t o c o l sa r em a i m yf o c u s e do nm ec o n s t n 】c t i o n ， m a i n t e n a n c ea l l do p t i m i z a t i o no ft h eo v e r l a yn e t w o r k sa n dd e l i v e r y仃e e sf o r a p p l i c a t i o n ss u c ha sv i d e om e e t i n g ，i pt ve t c o b v i o u s l yt h e y 、u l dn o tb ew e us u i t e d f o rm u l t i g r o u pa n dm u h i - s o u r c e 印p l i c a t i o n ss u c ha st h el a l r g e s c a l ed i s t r i b u t e d i m e r a c t i v es i i n u l a t i o n s t h i st h e s i se x p a n d si n d e p t hr e s e a r c ho na u f o rd i s t r i b u t e di m e r a c t i v es i m u l a t i o n a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs i m u l a t i o na p p l i c a t i o n sa n dt h e d e f i c i e n c i e so ft l l ee x i s t i n ga l mp r o t o c o l s t h em a i nc o n t r i b u t i o no fo u r 、v o r kc a i lb e d i v i d e di m of o u ra s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es y n t h e s i sc l a s s m c a t i o na n de v a l u a t i o nm e t h o do fm ea l mp r o t o c o l s t h ee x i s t i n gc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d so ft l l ea l mp r o t o c o l sa r em o r ec o n s t r i c t e do n t 1 1 es y s t e m 丘a r l l e w o r ka n dt l l ec o n s t l m c t l l r eo f l ea l ms y s t e m ，b u tl e s so nt h e o p t i m i z a t i o no b j e c t sa n dt h eo p t i m i z a t i o nt e c l l i l o l o g i e su s e d t h i sp a p e rp r e s e n t sa s y n t h e s i sc l a s s i f i c a t i o n a i l de v a l u a t i o nm e t h o do fm ea l mp r o t o c o l s ，w l l i c h s y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r sm o s tp r o b l e m si nt h ed e s i 印o fa l mp r o t o c o l s ，i n c l u d i n gf i v e a s p e c t sa st h ed a t ad e l i v e 巧s t l a t e g i e s ，s e r v i c em o d e l s ，p e r f o m m c eo p t i m i z a t i o no b j e c t s a i l dt e c m q u e s ，锄df a u l tt o l e r a n c em e c h a n i s m f u n h e m o r e ，s o m er e c o n h n e n d a t i o n s a r ep r e s e n t e df o r t h ed e s i g no fa l mp r o t o c o l s ( 2 ) t h ed e g r e ea n dd i 锄e t e rb o u n d e dm i n i n l u ms p a n n i n g 仃e ea l g o r i m m t h es e l f - o r g a n i z a t i o na l g o r i t h mo fe n ds y s t e m si st h ek e y 胁c t i o no ft 1 1 ea l m p r o t o c o l s m o s tr e s e a r c h e so nm es e l f _ o r g a n i z a t i o na l g o i l i t l na r ed e d i c a t e di i lm e c o n s t m c t i o n ，m a i n t e n a n c ea i l do p t i m i z a t i o no ft h eo r d i n 奶7o v e r l a yn e t 、v o r k s ，a 1 1 dt h e y p a yl e s sa t t e n t i o nt ot h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d t h i sp 印e rp r e s e n t st h e d e g r e e _ b o u n d e da i l dd i 啪e t e 卜b o 眦d e dm i n i m 哪s p a i l i l i n gt r e ep r o b l e m ( b d b d m s t ) ， a i l dp r o p o s e sac e n 缸a l i z e da r i t h m e t i cc s ta i l dd i s t r i b u t e da l g o r i t h md b s t c o m p a r e d t oo t h e ra l m p r o t o c o l s ，d b s ti m p l e m e n t sm ec o r ep l a c e m e ma i l dc o r em i g r a t i o na i l d i sa b l et oa c c o m p l i s ht h ep e r f o 咖a 1 1 c eo ft h em u l t i c a s t 恤ew o u l dn o td e c r e a s e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 d r a m a t i c a l l yw h e nt h eg r o u pm e m b e r si o i na n dl e a v e 行e q u e n t l y ( 3 ) t h ed e g r e ea n dd i a m e t e rb o u n d e dm u l t i p l es h a r e dt r e e sa l g o r i t h m t os o l v et 1 1 et h ep r o b l e m so f s i n g l ed e l i v e 巧n es u c ha ss i n 9 1 e p o i mf a i l u r e ，l o n g e r d e l a ya 1 1 dh i g h e rt r a 硒cc o n c e m r a t i o n ，t h i st h e s i sp r e s e n t sad e g r e ea n dd i 锄e t e r b o u n d e dm 【u l t i p l es h a l e dt r e e s a l g o r i t h m ，c a l l e dm d b s t m d b s tu s e st h er t t b e t 、v e e nn o d e sa st h em e t r i co fd i s t a n c e ，a n di m p l e m e n t st h ee v e nd i s t 曲u t i o no ft h e m u l t i p l ec o r e sb ym a x i m u mt h ed i s t a n c e sb e t w e e nc o r e s b e s i d e s ，t h en o d et h a th a st h e m a x i m 啪a v a i l a b l eb a n d w i d t hi sm o s tl i k e l yt ob ee l e c t e da san e wc o r e i i lo r d e rt o a c c o m m o d a t et h es t r o n gd y n 锄i cp r o p e n i e so ft h eg r o u pm e m b e r s ，m d b s ts u p p o r t s t h ec o r em i g r a t i o na c c o r d i n gt ot h es t a t eo fm u l t i p l es h a r e dt r e e s t h ee x p e r i m e n t ss h o w t h a tm d b s ti s m a x i m u m - d e l a yb o u n d e d ，t r a 伍cl o a d b a l a n c ea l l d m u l t i g r o u p s u p p o r t e d ，a n di ti sw e l ls u i t e df o rt h em u l t i s o u r c ea i l dm u l t i g r o u pe n v i r o n m e n t so ft h e d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o na p p l i c a t i o n s ( 4 ) t h et r a m cc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h ep r i o r i t yq u e u ef o r 印p l i c a t i o n 1 a y e r m u l t i c a s t t h ee x i s t i n ga l mp r o t o c o l sa c h i e v et h ec o n g e s t i o nc o m r o lr e l y i n go nt h et c p p r o t o c 0 1 b u tm i sm e c h a n i s m c a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h el a r g es c a l e e n v i r o 衄e m s i no r d e rt oa d 叩tt ot h ed i s t r i b u t e di m e r a c t i v es i m u l a t i o n s ，m i sp a p e r d e s i g i l sa na l mt r a m cc o n t l o la l g o r i t h i l lb a s e do nt h ep r i o r i t yq u e u e ，n a n l e dg f c g f ci sc o m p o s e do fn o w - c o n t r 0 1m e c h a n i s ma n df e e d - b a c km e c h a n i s m t h ef o n n e r m e c h a j l i s ma l l o c a t e st h eb a n d 谢d t ha n ds c h e d u l e st h ed e l i v e 巧o fp a c k e t sb a s e do nt h e p r i o r i 够o fm ed a t aa n dt h el e n 舒ho fm es e n d i n gq u e u e s ；t h el a t t e rm e c h a n i s m e m e n d a t e sa n da d j u s t st h et r a m cc o m r 0 1p a r 锄e t e r sb a s e do nt h ef e e db a c ki n f o m a t i o n o ft h et c p t h ee x p e r i m e mr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eg f ca l g o r i t h mh a sm a n yg o o d c h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha ss c a l a b i l i t ya n ds t a b i l i t v a c c o r d i n gt ot h e s es t u d i e s 、v ed e s i g na n di m p l e m e ma na p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t s y s t e mn 锄e dd v s c a s tf o rd i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n i i ld v s c a s tm u l t i c a s t t r e e sa r ec o n s t m c t e d 而t ha l g o r i t h md b s ta i l dm d b s t c o m p a r i n gt ox o m ， d v s c a s th a sl o w e rc o n t r o lo v e r h e a di n c o m p u t i n ga 1 1 ds a v i n gm u l t i c a s tt r e e sa n d s t r o n g e ra d a p t a b i l i 妙t od y n 锄i c s d v s c a s ta l s oi m p l e m e n t sg f ct os u p p o n e n d t o e n dn o wc o n t l o li no v e r l a vn e t w o r k s i ns u m m a 叫，o u rw o r kp r e s e n t ss o l u t i o n st os e v e r a lk e yp r o b l e m so ft h ea l mi nt h e l a r g ed i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，a i l dh a sa c a d e m i ca 1 1 dp r a c t i c a lv a l u ef o r a d v a n c i n gt h eu s eo fa l mi nt h ed i s t “b u t e di n t e r 乏t c t i v es i m u l a t i o n k e yw o r d s ：a p p l i c a t i o nl e v e lm u l t i c a s t ， b o u n d e d ，d i a m e t e rb o u n d e d ，m i n i m u m m u l t i c a s t i n g ，t r a 硒cc o n t r o l d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，d e g r e e c o s t ，m u l t i c a s ts h a r i n gt 1 e e ，m u l t i c o r e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 表目录 表2 1 典型应用层组播协议特点及性能2 6 表3 1 网络拓扑t s l 参数3 4 表3 2 网络拓扑t s 2 参数5 8 表3 3a c d c 、d b m e s h t r e e 和d b m s t 的成功率比较5 9 表4 1 单棵组共享树与源组播树的比较6 4 表5 1 符号定义7 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1i p 组播与应用层组播7 图2 1t b c p 局部配置l8 图2 2o m n i 局部变换图。1 9 图2 3n i c e 层次结构、控制拓扑和数据转发路径2 1 图2 4b u l l e t 数据分发2 3 图3 1c s t 算法3 3 图3 2r = 1 1 5 d f 。时的性能比较3 6 图3 3r = 2 口。时的性能比较3 7 图3 4 树直径与根直径示例4 0 图3 5 覆盖网拓扑与组播树示例4 1 图3 6 路径更新算法4 7 图3 7 路径发布算法4 8 图3 8 离线节点处理算法5 0 图3 。9 新父节点定位算法5 1 图3 。1 0 覆盖网链路优化算法5 3 图3 1 1 核放置算法5 5 图3 1 2 核节点执行的核迁移算法。5 7 图3 1 3 非核节点执行的核迁移算法5 8 图3 1 4d b s t 算法性能测试6 1 图4 1 选举核节点执行的新核选取算法6 8 图4 2 非选举核节点执行的新核选取算法6 9 图4 3 非首核节点执行的多核迁移算法7 0 图4 4 首核节点执行的多核迁移算法7 1 图4 5m d b s t 算法性能测试7 4 图5 1 节点碾在，时刻的发送队列实例8 0 图5 2g f c 算法8 2 图5 3 实验一的模拟拓扑8 3 图5 4 各个链路上的带宽使用情况8 4 图5 5 丢失报文个数的累积分布8 4 图5 6 实验三的模拟拓扑8 5 图5 7 带宽利用率随组播组数的变化曲线8 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图5 8 发送队列的占用率随组播组数的变化曲线8 6 图5 9 报文丢包率随组播组数的变化曲线8 6 图6 1d v s c a s t r 系统结构8 8 图6 2 应用接口单元的类描述8 9 图6 - 3 覆盖网组播路由单元的类描述9 0 图6 4 覆盖网管理单元的类描述9 0 图6 5 覆盖网流量控制单元的类描述9 l 图6 7 数据报文发送过程9 2 图6 8 非叶节点数据报文接收过程9 3 图6 9 控制报文发送过程( 不含路由更新消息) 9 3 图6 1 0 路由更新报文发送过程9 3 图6 1 1 控制报文接收过程( 不含路由更新消息) 9 4 图6 12 路由更新报文接收过程9 4 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：亘囱金查塞窒亘笾裹数廑题屋堑搔差鳇垫盔盟窥 学位论文作者签名：攮盘室日期：力矿7 年月z 罗日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：重囱金查式塞亘笾墓鲍廛题星塑鲎羞缝撞盔盟究 学位论文作者签名： 鏖盗墅 日期： 川年f 月哆日 作者特蝴始卫牟魄岬年f 月_ 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 计算机仿真技术是缩短研发和训练周期、提高研发和训练质量、节省研发和 训练经费的有效手段，在国民经济和国防建设领域有着十分广泛的应用。分布式 交互仿真技术在先进国家已经成为一种至关重要的工具，被广泛应用于各类系统 的全生命周期活动及人员训练决策等过程中。近年来，随着我国国民经济的持续 发展和新军事变革的不断深入，分布式交互仿真技术正越来越广泛地应用于各类 系统的设计、研发、测试、评估及人员训练等方面。随着系统复杂度的提高及仿 真应用范围和仿真规模的扩大，分布式交互仿真应用有时需向成千上万个仿真实 体发送数百上千个实体状态更新消息，若采用点对点的方式所需带宽可达g b 级， 这极大地限制了仿真的规模和运行效率，因此如何针对仿真应用的通信需求为仿 真应用提供q o s 保证的广域网组通信支持，进而减少仿真应用的网络带宽需求已 成为一个急待解决的问题。 1 1 课题研究的应用背景 1 1 1h l a 分布式仿真技术 分布式仿真技术经历了d i s 【1 1 、a l s p 【2 】和h l a 【3 】的发展过程。d i s ( d i s t m u t e d i n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ) 是一个分布式交互仿真的网络协议标准，提供了通过协议数 据单元( p d u ) 传送实体状态和其它信息的方法。这些协议数据单元由数据包组成， 在局域网上用广播的方式进行发送。a l s p ( a g g r e g a t i o nl e v e ls i m u l a t i o np r o t o c 0 1 ) 是在九十年代初期提出的一种用于大规模的、聚合级对抗仿真的通用接口协议。 a l s p 的一个重要特点在于引入了基于逻辑时间的时间管理机制，但a l s p 的影响 和应用领域都不如d i s 分布仿真技术。 为了实现仿真系统之间的互操作和可重用性，美国国防部建模和仿真办公室 在吸收了d i s 和a l s p 仿真协议优点的基础上，于1 9 9 5 年3 月提出了一个全新的 仿真技术框架h l a ( h i 曲l e v e la r c h i t e c t u r e ) ，2 0 0 0 年9 月被正式确定为i e e e15 16 标准。h l a 代表着当今分布式仿真技术的主流，并已被广泛地应用于国防和国民 经济的各个领域。美国军方也决定：1 9 9 9 年之后不再资助非h l a 的仿真研究，2 0 0 1 年之后全面终止使用与h l a 不相容的仿真项目。 h l a 标准由h l a 规则、h l a 接口规范、h l a 对象模型模板、联盟开发和执 行过程四部份组成，分别对应i e e e1 5 1 6 【4 】、i e e e1 5 1 6 1 【5 1 、i e e e1 5 1 6 2 【6 】和i e e e 1 5 1 6 3 f 7 】o i e e e1 5 1 6 是关于框架规则( f r 撇e w o r ka j l dr u l e s ) 的标准。该标准定义了1 0 第l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 条规则，用来规定一个仿真联盟( f e d e r a t i o n ) 和参加仿真的一个仿真成员( f e d e r a t e ) 必须遵循的约定。 i e e e1 5 1 6 1 是关于仿真成员接口规范( f e d e r a t ei n t e r f a c es p e c 涵c a t i o n ) 的标 准。该标准定义了不同仿真成员进行互操作时可使用的应用程序接口服务，包括 联盟管理服务、声明管理服务、对象管理服务、所有权管理服务、时间管理服务 和数据分发管理服务，以及其它一些支持服务。联盟管理服务为一个仿真成员创 建和加入仿真联盟提供支持，还支持仿真成员之间的同步、仿真联盟的保存和恢 复等功能。声明管理服务为仿真成员之间交换数据提供了一种称之为“公布定购 的有效机制，个仿真成员将自己的数据公布出去，而所有需要相应数据的仿真 成员就可以通过定购机制来获取。对象管理服务用于仿真成员注册和发现对象实 例、更新和接收对象实例的属性值、发送和接收交互实例以及删除对象实例。所 有权管理服务为仿真成员在仿真的执行过程中转移对象实例的属性所有权提供支 持。时间管理服务为仿真成员按照逻辑时钟调度消息，保证消息接收的因果序提 供支持，包含保守和乐观的两种逻辑时间管理机制，时间管理机制能够有效地控 制仿真成员基于逻辑时间的协同推进，保证仿真成员之间有序地交换数据。数据 分发管理服务为仿真成员之间的数据传输提供了一种区域关联和匹配的机制，数 据只有在更新区域与定购区域相交时才被发送给定购者，数据分发管理服务可用 来减少冗余数据在网络中的传输。 i e e e1 5 1 6 2 是关于对象模型模板的标准。对象模型模板定义了h l a 对象模 型的格式和语法，包括联盟对象模型( f o m ) 、仿真对象模型( s o m ) 、管理对象模型 ( m o m ) 。h l a 采用对象模型来描述管理仿真联盟所需数据的格式定义，以及仿真 成员之间所交换的数据的格式定义。 i e e e1 5 1 6 3 是关于联盟开发和执行过程的标准。该标准描述了在开发一个仿 真系统时所毖须遵守的7 个步骤，包括：定义联盟的目标、完成概念模型的分析、 设计联盟、开发联盟、计划集成和测试联盟、执行联盟和准备结果输出、分析数 据和评测结果。 1 1 2 分布式交互仿真的组通信特点 运行支撑平台r t i ( r u n t i m ei n 丘邪t m c t u r e ) 是指按照h l a 标准实现的仿真软 件。组播通信可显著地减少网络的数据流量和冗余数据的传输，采用组播通信方 式实现r t i 仿真运行支撑平台是h l 气标准的必然要求，也是h l a 相对于以前分 布式交互仿真协议d i s 的重要改进之处。 早期的d i s 标准协议采用的是广播的通信方式，实体之间通过广播p d u 来 交换实体状态信息，当系统中仿真实体数为时，通信量的规模为d ( 2 ) 。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 与d i s 采用广播通信方式分发数据的机制不同，现有的h l a 标准为了降低冗 余数据在网络中的传输，提出了可以使用组播技术实现的多种解决方法。 首先，作为仿真成员互操作的标准，h l a 提出了基于“公布定购 机制的最 基本的数据交换方式。一个公布数据的仿真成员不需要关心定购数据的仿真成员， 由r t l 将公布数据发送给所有的定购者。“公布定购 机制相对于对象类而言， 这种方式本质上是一种基于“对象类 的数据过滤机制。从理论上说，采用组播 通信方式实现i 汀i 的这一功能是最为合理的。 其次，h l a 还提出了基于“区域匹配”的数据过滤机制以进一步减少冗余数 据在网络中的传输。一个仿真成员通过将自己的数据绑定到一个更新区域，需要 数据的仿真成员将自己感兴趣的定购区域通知r t i ，由i 汀i 通过匹配更新区域和 定购区域，i h l 只会将更新数据发送给两个区域相交的定购者。 第三，组播还与r t i 软件的具体实现相关。例如，在实现所有权管理服务时， i 盯i 必须保证一个属性的所有权至多只能够被一个仿真成员所拥有。一个分布式 r t i 软件的典型体系结构由一个c r c ( c e n t r a lr l t ic o m p o n e n t ) 和多个l r c s ( l o c a l r t ic o m p o n e n t s ) 组成。在这样的r t i 中，当一个属性发生转移时，一个l r c 必 须通知其它的l r c s 来改变相应属性的所有权标识。在实现时间管理服务时也会遇 到类似的问题，当一个仿真成员向前推进时，该仿真成员对应的l r c 有必要通知 其它l r c s 修改该仿真成员的推进状态。 最后，在仿真联盟推进过程中的各类控制信息通常采用点到点的单播通信方 式。 以上的组播通信方式涉及单播，以及点对多点、多点对多点的各类组播情形。 事实上，h l a 中的消息机制还有可靠传输和尽力而为传输之分。前者要求i 汀i 必 须将消息发送给接受者，后者要求r t i 尽可能地将消息发送给接受者但不保证接 受者一定能收到。因此，组播机制在r t i 实现时体现出多种形态，包括可靠的单 播、可靠的点对多点组播、可靠的多点对多点组播、不可靠的单播、不可靠的点 对多点组播和不可靠的多点对多点组播等。 综上所述，分布式交互仿真中的组通信具有下列服务质量要求：高吞吐量、 多级别可靠性、低时延和低抖动。与流媒体的点对多点通信不同，分布式交互仿 真中的组播通信主要为多点到多点的通信。与流媒体不同，分布式交互仿真中的 抖动不能通过缓冲来解决，因缓冲的使用会导致时延的增加，与仿真的时效性要 求相抵触。关于可靠性，通常完全可靠的高效组播是不可能的，因为当接收者数 目较大时，为了确保可靠性所使用的确认机制将会淹没发送者，因此只可能实现 可选择的可靠高效组播或完全可靠的非实时组播。此外随着仿真程序的运行，仿 真实体会频繁加入和退出多个组播组，即分布式交互仿真中组成员的动态性很强。 第3 页 国防科学技术大学研究生院博十学伊论文 1 1 3 分布式交互仿真中组播技术研究的必要性 基于h l a 开发的仿真应用，能够缩减开发时间，扩大仿真规模，有利于软件 的可重用和互操作，因而可以大幅度提高军事仿真训练系统的开发效率，节省开 发经费，从而更好地提高军队战争研究和人员训练水平，提高部队战斗力。h l a 已经被广泛地应用于各国军队的分布式仿真系统。 随着军队建设的迅猛发展，对复杂系统仿真和综合仿真的需求越来越大，这 对于h l a 的规模和性能提出了更高要求，基于高效的组播技术实现遵循h l a 标 准的r t i 软件是分布式仿真技术发展的必然要求。 然而，现有的r t i 软件大多采用t c p 协议来完成网络数据传输功能【& b 】。一 种是直接基于t c p 协议实现，例如瑞典p i t c h 公司的p r t i 和m a k 公司的m a k r t i ；另外一种是基于c o r b a ( c o m m o no b i e c tr - e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 中间件 实现，而这类软件是典型的c l i e “s e r v e r 体系结构，c o r b a 本身也是基于t c p 协议实现的，基于c o r b a 实现的r t i 软件包括美国国防部建模与仿真办公室的 r t l l 3 - n g 以及英国的u k r t i 等。但是t c p 是面向连接的，在这些r t i 软件中， 所有的仿真成员之间都必须建立一条t c p 连接才能实现交互。对于一个包含个 入， ，一1 、 成员的仿真联盟而言，这种全连接模式至少需要建立2 羔条t c p 连接，而一 2 个盟员必须至少建立一1 条t c p 连接，因而占用的主机系统资源将会随仿真规模 成线性增长，导致仿真系统的规模不会很大。实际上，这些r t i 软