基于网关的HLA-TENA互联研究

董志华，张小伟，朱元昌

(1.军械工程学院 电子与光学工程系，河北 石家庄 050003；2.西安军事代表局驻咸阳地区军事代表室，陕西 咸阳 712099)

基于网关的HLA-TENA互联研究

董志华1，张小伟2，朱元昌1

(1.军械工程学院 电子与光学工程系，河北 石家庄 050003；2.西安军事代表局驻咸阳地区军事代表室，陕西 咸阳 712099)

分布交互体系结构如DIS、HLA、TENA等解决了各自领域内的互操作问题，但体系结构间不一致的数据格式、不匹配的元模型和不同的仿真服务等因素阻碍了体系结构系统间的互操作。通用网关可将不同体系结构的仿真系统互联，通过通用数据交换模型实现异构系统间对象模型间的互操作，是当前最理想的互联方法。设计的通用网关架构包括接口服务、通用数据交换模型、模型映射模型和状态池，其中通用数据交换模型是网关具有通用性的关键。通过HLA-TENA原型系统的试验，验证了通用网关的性能，找到了影响网关性能的主要因素。

LVC；体系结构；互操作；网关

分布式仿真发展了三十多年，历经SIMNET、DIS、ALSP、HLA、TENA等仿真阶段,相应的仿真规范、标准应运而生，分别解决了相应领域的LVC互操作问题。按照人员在仿真系统中的参与程度，仿真资源可分为真实的(Live)、虚拟的(Virtual)、构造的(Constructive)三类[1-2]。真实仿真是指真实人员操作真实系统，如炮手操纵瞄准镜；虚拟仿真是指真实人员操纵仿真系统，通过电机控制、决策、通信等技巧实现人在回路的虚拟仿真系统；构造仿真是指仿真的人操纵仿真的系统，仿真中的实体均由计算机模型产生，如计算机生成兵力(CGF)系统。

联合作战条件下军事训练和武器系统试验要求构建LVC大规模仿真环境。联合作战概念由美军提出，并在近几年的局部战争中得到实践。什么样的作战，就应有什么样的训练或试验。因此，军事训练和武器试验均需要在近似联合作战条件下进行，这一需求迫切要求开展LVC仿真环境研究以解决联合试验环境构建问题。

1 LVC仿真资源互联分析

分布式体系结构解决了各自部分LVC的互操作问题。如DIS更适宜用于实时仿真，用于构建虚拟仿真系统；HLA作为M&S的通用标准，为仿真系统提供六大类的仿真服务，能更好地支撑构造仿真系统；TENA面向靶场试验设施，作为靶场领域互联的基础支撑，更加适宜于真实仿真系统，图1表示了DIS、HLA、TENA三种体系结构对LVC仿真系统的支持范围[3]。分布交互体系结构间的适用范围存在部分重叠，但更多的是不同的应用领域。实现这些体系结构系统间的互操作构建一个真实的、虚拟的、构造的仿真环境(Live，Virtual，Constructive Simulation Environments)，是解决LVC互操作的有效方法。

将体系结构间互操作问题分层，自底向上主要包括通信协议层、中间件服务层和交互数据模型层[4]，以DIS、HLA和TENA为例说明存在的互操作问题，这些问题阻碍了体系结构间的互操作。

1)不同体系结构规定各节点间通信采用的协议不同，如DIS、HLA采用了运输层的UDP和TCP协议，而TENA的状态分布对象(SDO，Stateful Distribution Object)间的远程过程调用采用了IIOP协议。

2)由于构建不同体系结构的系统均通过中间件实现的(DIS是协议标准)。中间件按照体系结构的标准屏蔽了低层通信和复杂的协议，为用户提供了各种服务，并通过API对这些服务进行使用和配置。

3)交互对象模型说明了体系结构内各节点交互信息的数据格式和结构[5]。DIS中的PDU表示作战单元的交互信息，并为每类PDU赋予了语义内容，具有较低的扩展性。HLA的OMT定义了对象类和交互类的格式等内容，其语义完全根据开发人员需求定义。TENA的对象模型处于改进和完善阶段，RCC(Range Commander Council)通过的TENA标准对象与试验和训练领域内的实体对应，具有语义层含义[6]。

2 通用网关设计

2.1 总体方案

目前网关或桥接器是解决仿真领域内不同系统互操作的主要方法。

利用网关实现的异构系统互联的方案如图2所示。图2(a)为系统的互联架构，异构系统通过网关连接到同一网络，构建了一种分布式大系统，网关间以Socket或Web服务形式实现信息交换。图2(b)为网关的实现方案，包含接口、通用数据交换模型(CDEM，Common Data Exchange Model)、映射功能模块、本地状态和远程状态池。其中CDEM是与具体分布仿真体系结构对象模型无关的数据交换模型。

异构系统互联有松散耦合和紧密耦合两种实现方式。耦合程度决定于异构系统仿真节点间是否可见，即交换数据是否包含源地址和目标地址信息。耦合程度与状态池中的状态对象实例数与系统间存在的交互对象实体数有关。如果在状态池中为系统间每个交互对象创建一个对象代理实例，对象代理的状态反射相应交互对象的状态，网关通过代理对象状态的改变，判断出哪个系统的状态发生了改变，即实现了系统交互的紧密耦合；若状态池仅存储了最近更新的状态，系统通过网关获取的仅是当前状态值，而不知道该状态来自于哪个系统中的实体，即系统交互的松散耦合。

两种耦合机制，交互信息的通信机制基本相同，即系统通过接口服务与网关相连，实现对系统内交互对象的订购。当系统有状态更新时，网关接口即可收到更新数据，利用映射机制将系统的DEM转换为CDEM，并将公布状态存储于本体对象状态池中，再发送到网络上；网关读取网络上的数据，并存储于远程对象状态池中，利用映射机制将CDEM表达的远程状态信息转换为系统的DEM，通过接口公布到系统其他节点。图3为系统公布信息的通过过程，系统从网络读取信息的过程与图3过程相反。

2.2 接口服务模块

网关通过接口服务与系统相连，并以仿真成员的身份(HLA中的联邦成员或TENA的TENA应用)与系统其他节点进行交互。接口服务主要功能有订购系统公布的信息，用以发送给其他异构系统；公布本系统感兴趣的来自其他系统的信息；生成事件IDs；管理仿真时钟，实现异构系统间的时间一致。

2.3 通用数据交换模型

CDEM作为对象模型间映射的桥梁，集成DEM的所有特点且能实现相互转换。HLA、TENA等体系结构系统中存在两种类型的交互信息：持久信息和暂态信息。CDEM中的PersistentClass和TransientClass分别表示持续信息和暂态信息，并将某种数据类型的信息存储于类的属性中。CDEM包含TENA元模型中存在LocalMe-thod基本元素和远程方法调用(RMI，Remote Methods Invocation)服务，它们可以添加到PersistentClass中，图4为CDEM的主要类间的关系。

2.4 映射功能

映射功能是实现DEM与CDEM间信息交换的关键。由于异构体系结构系统对一个概念有不同的表示方式或同一对象可能表示不同内容，需要建立DEM与CDEM的映射关系。映射模块实现三层互操作[7]，包括协议层、语法层和语义层。协议层解决通信底层问题，是语法层互操作的基础，需建立异构系统间信息交互的协调机制；语法层解决异构模型间的数据结构和格式不一致问题，需要实现异构系统对象模型间的映射；语义层实现异构模型的概念共享问题，是异构系统互操作的真实目的。一般采用本体建模技术构建领域的共享概念及其关系，以此做为语义互操作的基础。

3 试验验证与分析

根据以上设计方案构建了HLA-TENA互联的原型系统，系统间交互对象的关系如图5所示。

HLA联邦中创建M个交互对象，通过HLA网关接到网络上；TENA网关中的远程对象状态池反射了HLA联邦中的M个对象的状态，本地对象状态池中存储了TENA Execution向HLA联邦公布的对象状态。

测试环境：选择CPU i3 3220、主频3.0 GHz、内存2 G的两台计算机，并通过带宽100 Mb/s的交换机搭建局域网。

试验方法：N=1、N=M时，HLA联邦重复向TENAExecution发送一定大小的数据包，测试网络上数据的传输速率[8]。

试验结果与分析：试验结构如图6所示，当N=1时，网关间传输速率基本不变。当N=M时，随着HLA联邦中交互仿真对象个数的增加，传输速率先变大，当仿真实体个数达到20左右，传输速率开始逐渐变小。其原因在于采用紧耦合通信机制时，网关中的反射实体与HLA联邦中的仿真实体存在一一对应关系，在带宽允许下可实现近实时的信息交互，随着仿真实体个数增多，网关节点的运行压力和网络带宽压力均影响仿真实体与反射实体间的信息交互实时性。因此，网关间信息的表达格式会影响信息的传输速率；采用紧密耦合机制实现网关间的互联，交互对象个数为某值时可以达到最大的传输效率[8]。

4 结束语

在建模与仿真领域，体系结构不断发展，对构建大规模仿真环境提供了越来越大的支持。由于在军事、航天等领域对大规模仿真环境的需求越来越强烈，在已有仿真系统的基础上构建LVC仿真环境是目前可行方法。笔者利用通用网关实现了异构体系结构间的信息交互，提出了通用网关的架构，解决了LVC环境的语法互操作问题。信息交互的语义互操作是异构系统互联的目标，下一步将采用本体技术描述领域模型，为异构系统提供共享的概念库。

References)

[1]周彦，戴剑伟．HLA仿真程序设计[M]．北京：电子工业出版社，2002． ZHOU Yan,DAI Jianwei. HLA simulation program design[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2002.(in Chinese)

[2]周玉芳，余云智，翟永翠．LVC仿真技术综述[J]. 指挥控制与仿真，2010,32(4): 1-7. ZHOU Yufang, YU Yunzhi, ZHAI Yongcui. Review on LVC simulation technology[J]. Command Control and Simulation, 2010, 32(4): 1-7.(in Chinese)

[3]HENNINGER A E,CUTTS D,LOPER M,et al.Live virtual constructive architecture roadmap final report[R].Washington D C:Institute of Defense Analysis, 2008.

[4]冯润明，王国玉，黄柯棣．TENA 及其与HLA 的比较[J]．系统工程与电子技术，2005，27(2):288-291. FENG Runming, WANG Guoyu, HUANG Kedi. TENA and its comparison with HLA[J]. Systems Engineering and Electronics, 2005, 27(2):288-291.(in Chinese)

[5]李贵，冯季昉，韩子扬，等. 对象互操作的层次模型[J]．计算机科学，2008,35(11): 251-254. LI Gui, FENG Jifang, HAN Ziyang, et al. Level model of object interoperation[J]. Computer Science, 2008, 35(11): 251-254. (in Chinese)

[6]Department of Defense. Test and training enabling architecture reference document version 2002[DB/OL].[2002-12-4]. https:∥www.tena-sda.org/display/TENA/Architecture.

[7]张弩云，李军国，黄罡，等. 一种互操作协议性能评估方法[J]．电子学报，2006，34(增刊1): 2354-2359. ZHANG Nuyun, LI Junguo, HUANG Gang, et al. An approach to performance assessment of interoperability protocols[J]. Chinese Journal of Electronics, 2006, 34(Supl): 2354-2359.(in Chinese)

[8]李华，叶新铭，吴承勇，等. 一种互操作测试的建模及测试选择方法[J]．计算机研究与发展，2009，46(6):913-919. LI Hua, YE Xinming, WU Chengyong, et al. A method for modeling and test selection of interoperability[J]. Journal of Computer Research and Development, 2009, 46(6): 913-919.(in Chinese)

ResearchontheInter-connectionBetweenHLA-TENABasedonGateway

DONG Zhihua1, ZHANG Xiaowei2，ZHU Yuanchang1

(1.Department of Electric and Optics Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei,China;2.Military Delegate Room of Xi’an Military Representative Office in xianyang,xianyang 712099,Shaanxi,China)

Existing distributed architectures including DIS, HLA and TENA reconcile community interoperability problems respectively. Inconsistent data format, mismatched metamodels of object model and different simulation services hinder the interoperability between architectures. Common gateway is thought to be the most promising way, which connects different architectures and realizes the interoperability between object models of heterogeneous systems. The gateway structure designed is presented including interface service module, common data exchange model object mapping model and state repository, of which common data exchange model is the key of gateway universalization. Through HLA-TENA prototype, the common gateway performance is validated and what affecting the gateway performance is discovered.

LVC; architecture; interoperability; gateway

2014-04-19；

2014-09-13

董志华(1987-)，男，博士研究生，主要从事武器系统建模与仿真技术研究。E-mail：576827011@qq.com。

TP391.9

A

1673-6524(2014)04-0083-04