CN103713940A - 一种基于rtx-hla-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计算机应用技术和计算机网络领域，具体涉及一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，包括以下步骤：用实时的RTX进程和非实时的Win32进程共同构建实时子系统；用非实时的Win32进程构建非实时子系统；将两个以上实时子系统通过反射内存网络连接至反射内存交换机，将两个以上非实时子系统通过HLA网络连接至以太网交换机，然后将反射内存交换机和以太网交换机通过以太网连接形成仿真系统；将两个以上仿真系统通过反射内存网络相互连接，组成仿真系统平台。本发明能够满足分布式实时仿真系统对实时性和确定性的需求，而且其程序简单，成本低，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及计算机应用技术和计算机网络领域，具体涉及一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法。
背景技术
为了使分布式实时仿真系统（一个典型代表就行飞行模拟器）达到逼真的仿真效果，在系统内部，往往不仅需要对各种数据模型进行实时解算，而且需要一个延迟时间极低的确定性网络在系统之间传递数据，这样才能让各个子系统之间协调一致地工作。
传统上，我们使用“高速度以太网+上下位机”的解决方案来满足这两方面的需求。
受TCP/IP协议所限，传统的以太网并不能满足各实时仿真子系统间实时、确定地传输数据的需求。尽管可以采取一些措施（如提高网络速度、降低网络负荷等）来降低延迟，但是仍然很难从根本上解决以太网不具有实时性和确定性的固有缺陷，并且这样做均会增加额外的成本。
传统的“上下位机”的主从开发模式方案如图1所示，即实时仿真子系统中的实时计算任务在下位机（嵌入式实时操作系统，如VxWorks、RTLinux、QNX等）中执行，而包括界面显示在内的非实时计算任务则在上位机（Windows操作系统）中运行。这样，在满足实时计算任务对实时性的需求的同时，还利用了Windows操作系统对开发工具（如Visual Studio等）和图形显示接口（GUI）的强大支持等优点，从而在一定程度上提高了界面显示部分的开发效率。但是该解决方案有着固有的局限性，（1）上下位机带来了高费用、高成本和低可靠性。（2）复杂的分布式应用程序。（3）总线的传输性能容易成为系统总体性能的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，解决传统的以太网结构无法满足分布式实时仿真系统对网络实时性和确定性的需求，而目前的解决方式在成本上过高，程序也太复杂的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，包括以下步骤：
步骤一，用实时的RTX进程和非实时的Win32进程共同构建实时子系统；
步骤二，用非实时的Win32进程构建非实时子系统；（如飞行模拟器中的视景子系统）
步骤三，将两个以上实时子系统通过反射内存网络连接至反射内存交换机，将两个以上非实时子系统通过HLA网络连接至以太网交换机，然后将反射内存交换机和以太网交换机通过以太网连接形成仿真系统；
步骤四，将两个以上仿真系统通过反射内存网络相互连接，组成仿真系统平台。
进一步的，所述实时子系统主要由用于数据收发和实时计算的RTX进程和用于界面显示或非实时计算的Win32进程，所述RTX进程和Win32进程通过实时共享内存机制进行通信。
进一步的，所述非实时子系统包括用HLA协议编写的数据收发模块和非实时计算或界面显示模块。
进一步的，所述步骤三中，反射内存网络是基于环状/星状、高速复制的共享内存网络，网络上的每一个的节点上都有一块本地反射内存卡；反射内存网络的拓扑结构是环形或星形。
进一步的，所述步骤三中，反射内存网络和HLA网络都是集中式的星型网络拓扑结构，各子系统均仅由一台通用的计算机同时完成前台的实时计算任务和后台非实时计算任务及界面显示任务。
一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真系统，包括用实时RTX进程和非实时Win32进程共同构建的实时子系统，包括用非实时Win32进程构建的非实时子系统，所述实时子系统通过反射内存网络连接至反射内存网交换机，所述非实时子系统通过HLA网络连接至以太网交换机，所述反射内存网交换机和以太网交换机通过以太网络连接至以太网交换机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够满足分布式实时仿真系统对实时性和确定性的需求，而且其程序简单，成本低可靠性高。
附图说明
图1为本传统上下位机示意图。
图2为本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法一个实施例中实时子系统框架示意图。
图3为本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法一个实施例中非实时子系统框架示意图。
图4为本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法一个实施例的框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图2、图3和图4示出了本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法的一个实施例：一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，包括以下步骤：
步骤一，用实时的RTX进程和非实时的Win32进程共同构建实时子系统；
步骤二，用非实时的Win32进程构建非实时子系统（如飞行模拟器中的视景子系统）；
步骤三，将两个以上实时子系统通过反射内存网络连接至反射内存交换机，将两个以上非实时子系统通过HLA网络连接至以太网交换机，然后将反射内存交换机和以太网交换机通过以太网连接形成仿真系统；
步骤四，将两个以上仿真系统（如飞行模拟器）通过反射内存网络相互连接，组成仿真系统平台（如战术模拟对抗系统）。
RTX是Windows平台的实时扩展子系统，它不对Windows系统进行任何封装或修改，只是在HAL层增加实时HAL扩展来实现基于优先级抢占式的实时任务的管理和调度。RTX高精度的时钟（可精确到1us）及定时器（最低可支持100us的间隔时间）等机制可确保了实时任务的硬实时性和确定性。根据仿真系统中的各个子系统对实时性的要求，可以将其分为实时子系统（如飞行模拟器中的飞行仿真子系统、运动子系统、以及操纵负荷子系统等）和非实时子系统（如视景子系统、仿真控制台IOS等）两大类。
所述RTX进程是在RTX环境下运行，通过RTX精确的定时器机制，可以确保其周期性任务在每一个周期内都得到精确地运行；Win32进程是在windows环境下运行。为使各子系统间的仿真时间保持一致，必须对各个子系统之间传输的数据进行同步控制，以便整个系统能够协调一致地工作。
“Windows + RTX”方案成功地规避了“上下位机”这一传统方案中的固有缺陷，满足了我们在开发分布式实时仿真系统时，对性能、费用和开发周期等方面的苛刻要求。
根据本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法的一个优选实施例，所述实时子系统主要由用于数据收发和实时计算的RTX进程（.rtss）和用于界面显示或非实时计算的Win32进程（.exe），所述RTX进程和Win32进程通过实时共享内存机制进行通信。
根据本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法的另一个优选实施例，所述非实时子系统包括用HLA协议编写的数据收发模块和非实时计算或界面显示模块。
根据本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法的另一个优选实施例，所述步骤三中，反射内存网络是基于环状/星状、高速复制的共享内存网络，网络上的每一个的节点（计算机）上都有一块本地反射内存卡，计算机将数据写入其本地反射内存卡后，在极短的时间内，网上所有的计算机都可以访问该数据。反射内存的更新是通过硬件实现的，而CPU对反射内存的操作如同读写标准的RAM，因此其网络延迟极小（在1us以下）。
反射内存网络的拓扑结构是环形或星形。通过在各个节点（如图3中的实时子系统1所在的计算机）上插入反射内存卡（如GE公司的VMIPCI-5565），并将各卡用光纤相连接即可构成环形的反射内存网。而星型的反射内存网络则需要增加一个反射内存交换机（如GE公司的VMIACC-5595），然后将各反射内存卡通过光纤与其相连接。
根据本发明一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法的另一个优选实施例，所述步骤三中，反射内存网络和HLA网络都是集中式的星型网络拓扑结构，各子系统均仅由一台通用的计算机同时完成前台的实时计算任务和后台非实时计算任务及界面显示任务。用反射内存网络来替代以太网，满足了实时仿真任务在网络传输方面对实时性和确定性方面的要求。
本发明还示出了一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真系统：包括用实时RTX进程和非实时Win32进程共同构建的实时子系统，包括用非实时Win32进程构建的非实时子系统，所述实时子系统通过反射内存网络连接至反射内存网交换机，所述非实时子系统通过HLA网络连接至以太网交换机，所述反射内存网交换机和以太网交换机通过以太网络连接至以太网交换。
HLA：高层体系结构 ( high level architecture)是美国国防部于1995年提出的一个新的仿真技术框架, 其目的是为解决在国防领域内所有类型的模型、仿真和 C4I系统的互操作和重用性问题,其显著的特点是通过运行支撑环境 ( runtime infra-structure, RTI)提供通用的、相对独立的支撑服务程序, 将仿真应用层同底层支撑环境功能分离开。
HLA由规则、RTI的接口规则说明和对象模型模板三部分组成，为仿真部件之间通过RTI进行交互提供了一个技术框架。其中RTI为各仿真应用提供通用的服务，包括联邦管理、对象管理、声明管理、时间管理、所有权管理和数据分发管理六部分。通过这些服务，可以极大地减少网络流量、降低网络延迟，并且保证仿真中的画面同步显示和画面中物理实体的运行逻辑的正确性。
要构建HLA仿真网络，需要在其数据接口部分按照HLA的规范及接口进行编程，然后运行RTI即可。如CERTI就需要在运行过程中开启RTIG全局服务器作为数据中转站，各分布式仿真系统开启本地局部服务器RTIA，通过全局服务器与局部服务器的交互，进行仿真逻辑的推进。
若仿真系统内部的各实时子系统之间（如飞行模拟器的飞行仿真子系统、运动子系统、以及操纵负荷子系统之间）的数据传输对实时性的要求不是特别地苛刻，考虑到经济成本，可以将这些实时子系统之间的网络由反射内存网替换为以太网。这时，各实时子系统RTX实时程序（.rtss）的数据收发部分将使用RT-TCP/IP协议来与以太网通信，而非如前所说的直接读取本地反射内存。子系统硬件上均仅由一台通用的计算机构成。事实上，根据需要，可以对其进行扩展。将各子系统由一台计算机，扩展为多台计算机。
类似地，根据对实时性要求和经济成本的考虑，实时子系统所在的各计算机之间可以适当地选用 “反射内存网+RTX”、“HLA网络+RTX”或“以太网+RTX”的方案来连接。而非实时子系统内部的各计算机之间则仍然采用“HLA网络+RTX”或“以太网+RTX”的形式进行连接。
下面以一个实例作为测试：
（1）测试目的
测试该框架在实时性、确定性方面的性能参数。
（2）测试平台
构建基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真系统的测试平台。其中n1=n2=5, N=2。仿真系统内部的所有子系统均运行在Pentium Ⅳ 2.8GHz的双核CPU的计算机上，反射内存卡均使用GE公司的VMIC-5565，反射内存交换机均使用GE公司的VMIACC-5595。实时子系统中的RTX均独占一个CPU核。
（3）测试内容
将一个数据包（大小分别设置为4Bytes、256Bytes、1KB、4KB、8KB）由一个实时子系统的RTX进程（.rtss，运行在RTX环境下）发送出去，另一个实时子系统的RTX进程（.rtss，运行在RTX环境下）采用中断方式接收，接收到数据后再将该数据包发送回来。然后统计该时间周期（整个过程的时间间隔）的大小。将该值除以2即可得到时间延迟（包括RTX进程中执行数据收发代码所造成的延迟和网络延迟两部分）。测试结果见表1。
为了体现该方案中使用RTX后在实时性和确定性两方面的优势，同时也进行了一组未使用RTX时（仅运行在Windows环境下）其延迟数据测试统计，以便进行数据对比。具体测试方案如下：
将同样的数据包由一个实时子系统的Win32进程（.exe，运行在Windows环境下）发送出去，另一个实时子系统的Win32进程（.exe，运行在Windows环境下）采用中断方式接收，接收到数据后再将该数据包发送回来。仍然统计其时间周期（整个过程的时间间隔）的大小。测试结果见表2。
（4）测试结果
表1 RTX环境下的延迟
表2 Windows环境下的延迟
（5）结论
从以上两表的测试结果中可以看出，在“基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真系统”下传递8KB以下的数据包，延迟（一个实时子系统的RTX进程发送数据到另一实时子系统接收到数据的时间间隔）不超过200微妙，并且最大延迟和最小延迟的之差值不会超过10毫秒。从而分别满足了分布式实时仿真系统对实时性和确定性的需求。
而不使用RTX时，其实时性和确定性都会大打折扣：延迟不仅较大，而且波动也较为剧烈。
Claims (6)
1.一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，用实时的RTX进程和非实时的Win32进程共同构建实时子系统；
步骤二，用非实时的Win32进程构建非实时子系统；
步骤三，将两个以上实时子系统通过反射内存网络连接至反射内存交换机，将两个以上非实时子系统通过HLA网络连接至以太网交换机，然后将反射内存交换机和以太网交换机通过以太网连接形成仿真系统；
步骤四，将两个以上仿真系统通过反射内存网络相互连接，组成仿真系统平台。
2.根据权利要求1所述的一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，其特征在于：所述实时子系统主要由用于数据收发和实时计算的RTX进程和用于界面显示或非实时计算的Win32进程，所述RTX进程和Win32进程通过实时共享内存机制进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，其特征在于：所述非实时子系统包括用HLA协议编写的数据收发模块和非实时计算或界面显示模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，其特征在于：所述步骤三中，反射内存网络是基于环状/星状、高速复制的共享内存网络，网络上的每一个的节点上都有一块本地反射内存卡；反射内存网络的拓扑结构是环形或星形。
5.根据权利要求1所述的一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真方法，其特征在于：所述步骤三中，反射内存网络和HLA网络都是集中式的星型网络拓扑结构，各子系统均仅由一台通用的计算机同时完成前台的实时计算任务和后台非实时计算任务及界面显示任务。
6.一种基于RTX-HLA-反射内存卡的可重构分布式实时仿真系统，其特征在于：包括用实时RTX进程和非实时Win32进程共同构建的实时子系统，包括用非实时Win32进程构建的非实时子系统，所述实时子系统通过反射内存网络连接至反射内存网交换机，所述非实时子系统通过HLA网络连接至以太网交换机，所述反射内存网交换机和以太网交换机通过以太网络连接至以太网交换机。
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