CN111381983A - 虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，包括有中间件消息转发模块、中间件模型服务模块、中间件时间同步服务模块及对象模型收发模块；本发明的中间件系统，以解决现有虚拟试验靶场试验设备交互难，信息传输慢，消息并发量低等问题。本发明还提供了基于面向消息中间件系统的虚拟试验靶场体系通信方法，具体为：S1：创建可供中间件存储调用的对象模型组件；S2：虚拟试验靶场体系中间件对象模型组件向中间件存储服务器的上传；S3：对对象模型组件进行权限和其他信息绑定；S4：对虚拟试验靶场体系中间件开始前的对象模型组件激活；S5：同步需要互操作设备的时间；S6：进行虚拟设备的信息交互。

Description

虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统及方法

技术领域

本发明属于武器装备试验技术领域，具体涉及一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，本发明还涉及基于面向消息中间件系统的虚拟试验靶场体系通信方法。

背景技术

虚拟试验靶场中间件系统对于虚拟试验靶场验证系统的使用具有重要的意义，而虚拟试验靶场验证系统对于国防工业领域具有重大的意义。例如探月工程、大飞机研制和运载火箭开发等，由于产品的复杂性和新颖性，传统的试验方法受到客观环境限制，难以完成产品的综合性试验，因此一些重要系统和关键技术的试验必须采用虚拟试验靶场验证技术。

针对于不同的虚拟试验设备，如雷达、经纬仪、GPS、TSPI、高速摄像机等，目前已有成熟的针对于独立设备的控制方法，而针对全国范围适用的联合试验测试方法在我国的研究尚处刚刚起步的阶段，本中间件通讯方法的提出基于这种针对全国范围的虚拟试验靶场测试试验。全国范围的虚拟试验靶场测试具有区域范围跨越大、试验设备众多、设备交互信息量大、设备兼容性不统一等特点，本中间件通讯方法的提出可在一定程度上解决虚拟试验靶场体系内设备的信息交互的问题、设备模型的存储映射问题。

目前国内外已经提出的虚拟试验靶场信息交互办法主要有：

冯润明在“TENA中间件的设计与实现”中对美国试验与训练使能体系结构(Testand Training Enabling Architecture，TENA)中的中间件进行了解释，美国TENA体系中的中间件，是一个支持建立可互操作的实时分布式应用的分布对象计算中间件，IKE2则是TENA中间件的第二个原型设计，IKE2结合了CORBA分布对象和匿名公布订购数据分发的概念以提供状态分布对象(SDO)，这种SDO状态分布对象模式将传统的分布对象系统和传统的公布订购系统进行了统一，解决了传统分布对象系统不直接支持用户将数据从一个地方传播到多个目的地以及传统的公布订购系统不提供其接口中具有一套方法的对象抽象的问题，形成了一种可同时兼备两种传统系统优点的新机制。但该方法虽然解决了逻辑靶场对象之间的互操作问题，却非常复杂庞大，模块化的程度较低，研发成本也非常巨大，对开发和使用者而言，理解和使用程度过于复杂。

程景平在“基于TENA的靶场虚拟试验验证系统中间件研究”中提出了VITA中间件，这种中间件是一个相互协调的分布式服务的集合，为服务订购者提供的数据通信机制体现了这种协调的有效性。该中间件可跨多种平台完成通用的通信软件任务，其最大的特点和优势就是支持分布式系统并发通信，但同时，该中间件在完成虚拟设备信息交互，互操作时，显得过于庞大，不易于使用者理解和使用。

综上所述，虽然国内外已有提出多种虚拟试验靶场的信息交互与解决方案，亦不乏有消息中间件的概念提出，但在消息交互方面，结构复杂，实现困难，工作量大，都未能达到易用、轻量的解决效果，因此，本中间件提出的一种基于新型的轻量级的面向消息的中间件的通讯方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，以解决现有虚拟试验靶场试验设备交互难，信息传输慢，消息并发量低等问题，同时，又在一定程度上兼具了轻量化的特性，易于开发、维护人员和使用人员的使用，以及针对本中间件系统的扩充和二次开发。

本发明的另外一个目的是提供一种基于面向上述消息中间件系统的虚拟试验靶场体系通信方法。

本发明采用以下技术方案：一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，包括有中间件消息转发模块、中间件模型服务模块、中间件时间同步服务模块及对象模型收发模块；

中间件消息转发模块：是中间件的核心部件，其内核基于Netty开发，实现了对虚拟试验靶场任务进行过程中各个对象模型组件的通信信息的转发；

中间件模型服务模块：其内核基于反射机制设计，对于中间件模型服务模块中的任何一个类，能够在程序运行的过程中，动态的获取这个类文件的所有属性和方法，并且能够由用户动态指定调用任意一个属性和方法；本模块负责虚拟试验靶场试验任务进行过程中的虚拟模型组件的服务管理；

中间件时间同步服务模块：其内核基于Cristian时间同步算法设计，将为试验的运行提供时间的同步功能以及时间戳的打印功能；

对象模型收发模块，提供对象模型的收发服务。

本发明的特点还在于，

中间件消息转发模块包括有生产者、Broker节点、消费者、消息表示服务、网络通信服务、消息接收服务、消息发送服务及消息持久化服务；

生产者是将虚拟靶场设备对象模型组件产生的试验通讯消息发送到相应通信管道上的Broker节点，这其中消息被转化为字节流的形式，并缓存到相应的消息等待队列中，以达到防止消息阻塞和异步通讯的要求；

Broker节点则提供了连接的监听、底层通信功能建立的功能，其接收了来自于生产者和消费者的通信请求需求，在接收到生产者的消息后，除了对其进行转发，还将消息在服务器上进行了持久化的存储；

消费者其功能是从Broker中拉取自身订阅的消息内容，并提交到业务层进行相应的消息处理；

消息表示服务提供了一个基于队列的消息表示服务；

网络通信服务提供了一系列基于Netty的网络通信调用接口；

消息接收服务、消息发送服务提供了一种试验消息发送和接收的方法，对序列化的数据进行转发；

消息持久化服务：用于保证虚拟试验靶场体系中间件运行过程中消息传递的可靠性。

消息表示的结构包含以下两部分：A、消息描述符：描述消息的特征，当前转发的虚拟靶场设备交互信息的优先级、生命周期、消息ID信息；B、消息体：包含了虚拟靶场设备的真实数据；

消息表示的类型分为了两种类型，非永久型消息和永久型消息，非永久型消息存储在中间件的内存之中，是为了提高本中间件的性能而进行设计的；永久型消息在转发过程中，将在中间件的数据库中进行存储，并生成相应的数据日志。

中间件模型服务模块包括了靶场及用户权限服务、模型组件动态激活服务、模型组件发现服务及发布订阅服务；

靶场及用户权限服务，负责虚拟试验靶场体系中间件试验任务开始前，对象模型组件需要与靶场进行权限绑定，提供创建不同虚拟试验靶场以及对应用户权限的服务，为虚拟靶场体系提供所有对象和成员唯一的名字标识和ID标识；

模型组件动态激活服务，用于试验时绑定好设备、用户、靶场的对应权限关系后，对对象模型组件进行动态激活；

模型组件发现服务：用于试验开始前，发现对象模型组件，并提供对对象模型组件的控制；

发布订阅服务：提供了对各个资源组件的发布订阅声明的功能。

本发明采用的另一个技术方案：一种基于面向消息中间件系统的虚拟试验靶场体系通信方法，上述轻量级消息中间件系统，包括如下步骤：

步骤1：创建可供中间件存储调用的对象模型组件

结合现有的虚拟试验靶场体系中间件体系，创建出供虚拟试验靶场体系中间件规划平台识别的对象模型组件，填充编译后形成映射于虚拟试验靶场体系中间件内设备的对象模型组件；

步骤2：虚拟试验靶场体系中间件对象模型组件向中间件存储服务器的上传；

步骤3：利用XML和数据库制定的特殊映射ORM关系，对对象模型组件进行权限和其他信息绑定；

步骤4：通过读取标准虚拟试验设备的配套激活配置文件，对虚拟试验靶场体系中间件开始前的对象模型组件激活；在虚拟试验靶场试验开始之前，需要对中间件系统中的标准虚拟试验设备进行动态激活，用户可在本中间件系统中的试验模型模块中对资源设备进行激活，中间件服务器数据库中将形成相应的记录信息；

步骤5：通过时间同步机制的管理来同步需要互操作设备的时间；

步骤6：通过基于Netty开发的消息队列转发器进行虚拟设备的信息交互。

本发明的有益效果是：

(1)本发明系统提高了消息传递的可靠性，消息的传递将由中间件进行监控，对于传输过程中发生问题的消息，中间件进行了实时的记录。

(2)本发明系统提高了消息传递的高并发特性，虚拟试验过程中可能会存在众多的资源设备，产生海量的数据传递，本中间件系统保证了这些消息传递的实时性和可靠性。

(3)本发明系统降低了试验运行期间发生消息传递的网络延迟，由于本试验采用中间件的特定改进算法，大大降低了消息的传送延迟，满足了虚拟试验的延迟要求。

(4)本发明系统相比于TENA体系中间件系统，精简了其中间件的复杂程度，本中间件系统具有轻量级的特性，大大降低了使用人员和维护人员的操作复杂程度，满足了虚拟试验的轻量级使用要求。

附图说明

图1是本发明一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统的中间件架构图；

图2是本发明一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统各模块之间的关系图；

图3是本发明一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统客户端功能图；

图4本发明一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统中Pub/Sub消息发送和接收通信结构图；

图5是本发明一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统通信示例图；

图6是使用本发明方法构件的消息队列监控示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，如图1所示，包括有中间件消息转发模块、中间件模型服务模块、中间件时间同步服务模块及对象模型收发模块；

中间件消息转发模块：是中间件的核心部件，其内核基于Netty(非阻塞I/O客户端-服务器框架)开发，其主要功能实现了对虚拟试验靶场任务进行过程中各个对象模型组件的通信信息的转发；

中间件模型服务模块：其内核基于反射机制设计，对于中间件模型服务模块中的任何一个类，能够在程序运行的过程中，动态的获取这个类文件的所有属性和方法，并且能够由用户动态指定调用任意一个属性和方法；本模块主要负责虚拟试验靶场试验任务进行过程中的虚拟模型组件的服务管理；

中间件时间同步服务模块：其内核基于Cristian时间同步算法设计，将为试验的运行提供时间的同步功能以及时间戳的打印功能；

模块详细描述:在虚拟试验靶场试验任务进行阶段，虚拟试验靶场体系中间件对时间延迟的要求程度较高，因此必须保证时间的同步准确和时间延迟的可视化，时间戳的存在为试验系统运行过程中的重要数据结点提供数据标识，供虚拟试验设备(多个仿真样机)使用。本模块内核采用了Cristian时间同步算法来解决分布式系统中存在的时间同步问题，其本质是使用一个中间时间服务器，连接在UTC信号设备上。试验时指定Pub、Sub设备为不同的仿真样机，如图3所示，具体的同步过程如下：

P设备通过本模块发送一个数据请求包到S设备请求时间。

S设备通过连接UTC信号设备获取标准时间。

S设备在接收到P的请求后，在包中加上S当前的时间，并通过中间件发回。

P在接收到相应的时间后，将当前时间设置为T+RTT/2。

RTT为Round Trip Time，是一个消息轮回时间的总和，即P从发送到接受到数据包的时间。

对象模型收发模块，提供对象模型的收发服务，试验进行时，会不定时创建、更新或删除试验的对象模型文件，这就需要对象模型收发模块提供对象模型的发送和接收服务。对象模型组件的上传主要由依附于本中间件系统开发的对象模型收发器进行负责，主要应用于试验开始之前的对象模型组件的上传，对象模型收发模块默认采用了TCP(一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议)通信。

模块详细描述：对象模型收发模块采用的TCP通信提供了一种面向连接的可靠度高的运输服务机制，用于对象模型组件这种对可靠度要求较高的数据传输，中间件中的对象模型收发模块通过特定的类对TCP提供了通信服务支持，其维护了一个特定的TCP数据流表，其中包含了多个数据流对象，试验时，模块内部的TCP监听器(特定类文件)被事先注册到对象模型收发器上，当有对象模型传送请求时，对象模型收发模块能够捕捉到对象模型组件传送事件，并通知给TCP监听器，此时，TCP监听器创建一个用于进行对象模型组件传送的新的会话，其包括创建一个新的数据流对象以及一个新的用于接收对象模型组件的TCP接收器(特定类文件)，随后，这个接收器被注册到对象模型收发模块的相应位置。

对象模型组件发送方通过运行相应上传程序调用相应的发送接口，将对象模型组件按照标准的消息格式封装成对象模型交互信息，投入到主动对象消息队列中；主动对象内部的循环消息队列线程识别到相应的对象传输消息，并将其提取，发送到TCP发送器中，TCP发送器再将相应的标准对象模型传送到本中间件的对象模型收发模块中。

在对象模型组件接收方，对象模型收发模块在TCP端口上监听网络事件，当有数据到来时，对象模型收发模块会通知相应的TCP接收器通过对应的数据流从网络缓冲区中读取数据，并通过循环线程从消息队列中读取相应的数据，解析并存储在中间件服务器的对象模型组件存储对应的数据库中。

各模块间关系，如图2所示：

虚拟试验开始时，用户需对对象模型文件上传，其主要使用了中间件对象模型收发模块，上传后的对象模型文件可以被中间件模型服务模块探测到，并为其提供靶场及用户权限服务、模型组件动态激活服务、模型组件发现服务及发布订阅服务。在为对象模型配置相应权限，进行动态激活并且发布以后，就可以通过中间件消息转发模块进行消息的发送和接收。另外，上述所有的功能步骤都在中间件时间同步服务模块的全程时间控制下进行。

中间件消息转发模块包括有生产者(Producer)、节点(Broker)、消费者(Consumer)、消息表示服务、网络通信服务、消息接收服务、消息发送服务及消息持久化服务；

如图4所示，生产者和消费者共同订阅了一个Topic主题的Broker节点通道；

生产者是将虚拟靶场设备对象模型组件(以下简称对象模型组件)产生的试验通讯消息发送到相应通信管道上的Broker节点，这其中消息被转化为字节流的形式，并缓存到相应的消息等待队列中，以达到防止消息阻塞和异步通讯的要求；

Broker节点则主要提供了连接的监听、底层通信功能建立的功能，其接收了来自于生产者和消费者的通信请求需求，在接收到生产者的消息后，除了对其进行转发，还将消息在服务器上进行了持久化的存储；

消费者(Consumer)，其主要功能是从Broker中拉取自身订阅的消息内容，并提交到业务层进行相应的消息处理；

消息表示服务提供了一个基于队列的消息表示服务，以下主要介绍消息表示的结构和类型：

虚拟靶场设备之间交互的消息表示的结构主要包含以下两部分：A、消息描述符：主要描述消息的特征，例如当前转发的虚拟靶场设备交互信息的优先级、生命周期、消息ID等信息；B、消息体：主要包含了虚拟靶场设备的真实数据。

虚拟靶场设备之间交互的消息表示的类型主要分为了两种类型，非永久型消息和永久型消息，非永久型消息主要存储在中间件的内存之中，是为了提高本中间件的性能而进行设计的，当本中间件系统断电或者中间件消息转发模块重新启动时，不能进行恢复，这样的设计主要是为了提高中间件消息转发的负载能力，对于小信息量的消息转发，会适当采用本方式进行转发。永久型消息在转发过程中，将在中间件的数据库中进行存储，并生成相应的数据日志，这些消息具有较高的可靠性，在网络和系统发生故障时，可以完全保证数据的可靠和完整性。

网络通信服务提供了一系列基于Netty的网络通信调用接口。

详细说明：试验进行时，会产生模块中设备通信方法的调用以及调用结果的返回，而这些都需要相应网络的传输，这也是本试验远程过程调用的关键所在，本试验方法所提出的基于Netty的网络通信模块，采用了NIO(非阻塞IO)模式，其内部的内存映射方式对输入和输出信息进行处理，模块内部的Buffer缓冲通道对数据的结构化访问机制进行了支持，模块内部的多路选择器Selector则支持了Channel(通信频道)在其上的注册。另外，本模块的线程模型是基于经典的反应器的线程模型，对试验的消息处理，能够很好的支持服务端的处理请求线程在输入和输出方面的线程开销问题。

同步异步调用方面，本模块采用了异步调用的方式，其主要采用了一种CallBack回调模式，通过定义一个回调监听器类(ResponseCallbackListenerClass.java)类文件，并规定三个特定方法，即Response()(正常消息回复后的调用),Timeout(超时信息回复后的调用),Exception(消息异常信息的调用)来完成相应的异步调用操作。

消息接收服务、消息发送服务提供了一种试验消息发送和接收的方法，对序列化的数据进行转发。以下主要从消息传输类型、消息序列化方式、消息转发过程、消息转发监控等方面进行描述。

消息传输类型：对于通用软件设计的一般的方法调用，返回一般为void类型或者为非void类型，本模块的消息传送方法采用了非void类型，其中包括了基本类型、自定义类型和异常类型，当虚拟靶场设备发生方法调用异常时，客户端会接收到异常并进行抛出。

消息序列化方式：虚拟靶场设备调用的消息传送采用了统一的序列化形式，这也是考虑到网络消息发送通常本质是基于二进制流来进行传输的，当发送方发送命令对象时，对象需要进行序列化的操作，才可能完成网络通信的需求，在命令发送到达设备时，会由消息的解析器来进行反序列化解析。消息的序列化采用了特定的JSON(一种轻量级的数据交换格式)转换方式被转换成可由本中间件转发处理的消息。具体JSON格式命令信息构建于以下的结构：“名称/值”对的集合(A collection of name/value pairs)。不同的语言中，它被理解为对象(object)，纪录(record)，结构(struct)，字典(dictionary)，哈希表(hash table)，有键列表(keyed list)，或者关联数组(associative array)。一条标准的试验消息，其命令被存储在了一个键值对的集合之中，其中包括了控制机器的识别码、消息头、版本信息、控制信息、时间等方面的内容。采用这种数据传输的数据结构，是为了尽可能的扩充对于不同高级语言和平台的兼容性支持，这样的标准消息格式，使得试验的设备可重用、跨平台等特性成为了可能。

消息转发过程：当虚拟靶场设备发送消息时，这些消息将被发送到一个特殊队列，即传输队列，相应中间件中就会产生一个从虚拟靶场设备A到B的一个消息通道，消息通道将代理从传输队列中读取消息，并将消息传输到虚拟靶场设备B，并等待B进行确认，发送过程中，将附带标准时间戳，用于消息转发的时间延迟，只有在本中间件系统完全确认B虚拟靶场设备接收到消息后，才会将A虚拟靶场设备发送的消息从队列中进行删除，如果本条通讯线路不通，或者B虚拟靶场设备不在运行接收状态中，信息将由本中间件系统进行保留，直到被成功的传送到虚拟靶场设备B。如图5所示，展示了一条设备控制测试消息的传递结果。

另外，本模块的消息转发采用了集成的松耦合的连接方法，共享信息的虚拟靶场设备不需要知道彼此的物理或者网络地址，亦不需知道相互建立通信的方式，不需知道需要传送消息的对方处于哪种工作状态或是处于怎样的操作系统或网络。

消息转发监控：本中间件消息转发模块对虚拟靶场设备之间的消息进行了实时监控，当消息队列内的接收速度小于消息的发送速度或者消费端故障不能消费消息时，消息队列内的消息就会越来越多，造成消息堆积。消息堆积会导致消息服务器内存利率用飙升，系统响应速度降低等问题。因此对消息队列和消息服务器进行监控，能够及时的发现系统中出现的问题，方便管理员及时的排除问题。消息队列的监控目标主要是消息队列内的剩余消息总数和已消费消息数量。以剩余消息数量的计算为例，一个逻辑消息队列的剩余消息数等于该逻辑消息队列所对应的物理消息队列剩余消息数量的总和。为了获得每个物理消息队列的信息，配置管理服务器启动时会创建一个定时器，该定时器每隔指定时间通过JMX连接每个消息服务器获得每个消息队列的消息总数。

消息持久化服务：用于保证虚拟试验靶场体系中间件运行过程中消息传递的可靠性。

具体说明：在试验任务进行中，可能存在因为设备或服务器故障而导致的消息丢失状况，消息的持久化就是建立在这种考虑的基础上进行的，本中间件消息转发模块的消息持久化服务是基于kahaDB来作为持久化的方式的，kahaDB是一种基于文档存储模式的存储框架，已经被广泛用于使用，这种框架支持事务日志，且具备良好的存储性能和存储结构。

在试验任务进行时，会产生大数据量的虚拟靶场设备控制数据，消息的持久化就要求对这些数据进行高效准确的存储和恢复，基于kahaDB设计的消息持久化方式采用了B-tree数据结构对事务文件进行了处理，所有的消息持久化目的地都指向这个B-Tree结构文件。

另外，试验任务进行时，也会产生发布者和订阅者的多点对多点模式，若某一时刻消费者离线，消息和消息所在的订阅主题可以通过这种持久化的方式进行临时存储，主要的消息持久化步骤如下：A、设置订阅者客户端ID，这个ID主要是用来对多个消息的订阅者进行区分。B、定义持久化订阅者的名称，同一个订阅者客户端ID的持久化订阅者名称必须相同，一个消息订阅者可以对应多个消息的主题，这个持久化订阅者名称和订阅者客户端ID共同组成的数据结构对订阅者所订阅的主题进行了确定。

消息持久化订阅配置方式如下：

<persistenceControllor>

<kahaDB directory＝”${netty.data}/kahadb”>

</persistenceControllor>

中间件模型服务模块包括了靶场及用户权限服务、模型组件动态激活服务、模型组件发现服务及发布订阅服务；

靶场及用户权限服务，负责虚拟试验靶场体系中间件试验任务开始前，对象模型组件需要与靶场进行权限绑定，提供创建不同虚拟试验靶场以及对应用户权限的服务，为虚拟靶场体系提供所有对象和成员唯一的名字标识和ID标识；

详细说明：针对于本试验方法设计开发的中间件系统采用了高级计算机编程语言，亦即采用了面向对象的思想，但对象模型组件在虚拟试验靶场体系中间件系统的数据库中存储却是以关系表的方式进行存储的，这就需要提出一种对象关系映射方法ORM，本系统针对本试验的特殊数据定制采用了一种特定的映射关系。

在将XML映射和关系数据库进行映射对应时，首先将XML文档解析成对应的树型结构，这样的树型结构，本质上就是一个元素树，再根据这个元素树映射成ER图，这个ER图转化成的关系数据模型，本质上就是一个规范化的二维表，这样就完成了XML和关系数据库表结构的映射，这样的映射简化了对象模型组件以及虚拟靶场设备对应的权限等信息和关系数据库表的绑定，使其能够简单的在关系数据库中进行存储。

虚拟靶场设备对象模型组件对象模型是一个数据集合包，其中核心模块是持久化的类文件，因此，本中间件模型服务模块采用的ORM映射方案即是完成标准对象模型组件类和数据库表的对应，操作对象模型组件类文件，就可完成对数据库表的相应操作。

虚拟试验靶场体系中间件试验任务进行中，用户根据不同的虚拟试验靶场体系中间件需求，会产生不同结构的XML试验关系结构文件，对象模型组件的调用需要与XML结构文件中的内容进行一一对应，这种解析是基于W3C DOM来解析的，根据这样的解析结果，最终与本试验所采用的关系数据库表进行对应。

对象模型组件在上传至中间件数据库中之后，用户可以在中间件管理系统中对这个对象模型组件进行多项信息的修改和绑定，这些操作本质上是对对象模型组件的对应文件的直接操作，中间件数据库中的对应信息表将根据本系统特定的ORM映射关系进行相应改变。

模型组件动态激活服务，用于试验时绑定好设备、用户、靶场的对应权限关系后，对对象模型组件进行动态激活；

详细说明：模型组件动态激活服务主要是对数据库中对象模型组件激活表状态的修改，对象模型组件在数据库表中对应的激活状态默认为default，用户在试验开始之前，通过本发明提出的中间件系统的操作界面，对指定设备的对象模型组件进行激活标记的指定，激活后，设备将对中间件消息转发主题进行订阅，也就是上线，设备上线后，标记转为active，随即读取设备配套激活配置文件，并进行激活状态修改，之后，试验即可在激活之后的对象模型组件基础上进行。

一个典型的设备激活配置文件如下所示：

该文件一方面详细说明了该设备在激活触发时需要被激活的对象模型组件的类文件，以供反射调用进行激活，另一方面详细说明了模型需要被激活的功能信息、权限信息等。

模型组件发现服务：用于试验开始前，发现对象模型组件，并提供对对象模型组件的控制；

详细说明：中间件模型服务模块中采用了多线程的方式，提供了对对象模型数据库表和对象模型仓库中的对象模型组件的轮训监控基本功能，多线程主要是为了缓解中间件对对象模型组件发现服务的设备资源占用情况，防止中间件同时进行多项任务时的设备CPU阻塞，采用多线程的对象模型组件发现服务方法，对现有的多线程CPU进行了比较好的支持，保证了对象模型组件发现的即时性和可靠性。

发布订阅服务：提供了对各个资源组件的发布订阅声明的功能；

详细说明：本模块中保存着中间件的IP和端口的关键信息，并且在指定的端口等待客户端的查询连接。当不同的设备客户端启动时，会对中间件模型服务模块进行连接，并查询存储的消息队列配置信息。借助这些关键信息，可以帮助客户端连接到中间件上，另外，在试验中，客户端需要能够自动更新配置信息，向中间件发送信息。就需要一些特殊类文件的设计，其中主要设计如下：

MqConnector:客户端和服务器端的连接类，主要负责了客户端与中间件配置管理服务器的连接。

ConfigContent:配置类。这个类获取消息队列的队列配置方法，通过使用这个方法，客户端从中间件服务器中获取配置管理信息，来查询获得消息队列所在IP和端口等关键信息。

MessageSessionImpl:客户端和本中间件的连接管理类。这个类管理了客户端和本中间件的连接。

初次使用连接器时需要指定特定的队列名和队列ID，这个两个关键变量对应了中间件服务器的IP地址和逻辑队列的队列名称。在指定了这两个变量之后，就可以从配置管理文件中获取到队列的配置信息，将客户端对主题队列进行注册。

本发明还提供一种基于面向消息中间件系统的虚拟试验靶场体系通信方法，采用上述一项所述的轻量级消息中间件系统，包括如下步骤：

步骤1：创建可供中间件存储调用的对象模型组件

结合现有的虚拟试验靶场体系中间件体系，创建出供虚拟试验靶场体系中间件规划平台识别的对象模型组件，填充编译后形成映射于虚拟试验靶场体系中间件内设备的对象模型组件；

步骤2：虚拟试验靶场体系中间件对象模型组件向中间件存储服务器的上传；

步骤3：利用前文提到的XML和数据库制定的特殊映射ORM关系，对对象模型组件进行权限和其他信息绑定；

步骤4：通过读取标准虚拟试验设备的配套激活配置文件，对虚拟试验靶场体系中间件开始前的对象模型组件激活；在虚拟试验靶场试验开始之前，需要对中间件系统中的标准虚拟试验设备进行动态激活，用户可在本中间件系统中的试验模型模块中对资源设备进行激活，中间件服务器数据库中将形成相应的记录信息；

步骤5：通过时间同步机制的管理来同步需要互操作设备的时间；

步骤6：通过基于Netty开发的消息队列转发器进行虚拟设备的信息交互。

步骤1中的对象模型组件的构建方法，具体按以下步骤实施：

步骤1.1、基于元模型创建TDL(TENA Definition Language)语法支持的UML类图，生成可表征虚拟试验靶场体系中的对象模型的TDL代码；

步骤1.1.1、将元模型中状态分布对象SDO、局部类、消息元素通过插件开发技术集成到可视化建模工具MagicDraw当中，使MagicDraw建模工具能够生成可表征虚拟试验靶场体系中的对象模型的TDL代码，使其具有标准对象模型应具有的属性和特征，具体方式为：

1)MagicDraw下配置TDL_Profile.xml为TDL建模工程做准备工作，用作建立新项目向导；

2)将元模型中不是UML标准元素的SDO类、局部类、消息元素通过对TDL_Tempalte.xml配置文件进行Stereotype扩展，完成元模型元素的标准化；

步骤1.1.2、通过配置使得可视化建模工具可以设计绘画出TDL语法支持的UML类图。UML类图与TDL代码的转换通过插件开发机制，对UML类图与TDL语法进行映射处理，实现代码控制、代码生成以及代码输出等功能，最终将UML类图生成可表征虚拟试验靶场体系中的对象模型的TDL代码，具体方式为：

MagicDraw下UML类图转换到TDL代码，首先是基于两大核心配置文件来展开，即TDL_Profile.xml和TDL_Tempalte.xml。TDL_Profile.xml主要包含一些TDL版型Stereotype和基本数据类型，TDL语言中诸如SDO类，局部类消息都不是UML标准元素，因此用Stereotype来进行扩展，如<<TENA::Class>>。TDL_Tempalte.xml为TDL建模工程做一些准备工作，用作建立新项目向导。

根据MagicDraw提供的costomize创建一个TDL的工具栏TDL Class Diagrams，方便的使得每次画出的图都是具有<<TENA::Class>>的这种版型；

步骤1.1.3、对UML类图与TDL语法进行映射处理，将UML类图生成能够表征虚拟试验靶场体系中的对象模型的TDL代码，UML类图到TDL代码转化模块实现代码控制和生成，主要基于插件机制原理，具体方式为：通过MagicDraw的API获取类图信息，整理并获取到类图元素，通过拼接字符串最终生成TDL代码；

步骤1.2、构建TDL代码与体系运行平台映射机制，获得抽象的对象模型代码；

将TDL代码映射转换为表示对象模型的目标语言代码以匹配体系运行平台提供的接口。

步骤1.2.1、根据标准的TDL语言规范将TDL代码解析并存储，数据模型的基本结构是树状的，并且可以有很大的深度，因此使用map集合来存储解析的TDL代码。解析存储的思路大致为将TDL代码按照类的类别进行拆分，将每个类，接口或者枚举解析出所在的包名，类名，属性集合，方法或者接口集合，然后封装成FreeMarker要使用的元数据Map集合。

步骤1.2.2、应用FreeMarker模板引擎生成目标语言代码数据模板，最终使用模板引擎生成抽象的对象模型代码。

步骤1.3、对对象模型代码进行具体业务逻辑代码填充，生成对象模型组件，具体为：试验资源设备组件开发人员结合与试验组件有关的业务逻辑代码，实现对对象模型代码的填充，实现对特定设备(武器装备，如雷达)的操作方法的组合、填充与适配；填充的业务逻辑代码是具体的对象的属性以及特有的方法，业务逻辑代码通过Eclipse开发平台进行编写。

经过对TDL代码的编译后，生成的是表示对象模型目标语言代码，仅有对象模型的基本结构，开发者需要进一步填充具体逻辑业务代码，融合配置文件进行封装之后体系运行平台才能动态调用。

填充具体逻辑业务代码是设备组件开发人员根据具体业务逻辑在对象模型目标语言代码中对对象模型特定属性和方法的填充，生成对象模型组件。

本发明的效果可以通过仿真试验具体说明：

1.试验条件

a.虚拟试验设备：

严格按照GB/T19000系列和GJB19000系列质量管理和质量标准以及中国试验飞行研究院制定的切实可行的质量管理标准执行研制的虚拟试验设备样机。

其主要的主要技术指标包括：

内存：204Pin DDRIII SO-DIMM内存槽板载1条，支持1.35V DDRIII SO-DIMM内存，单根内存最高支持8GB。

内置接口：1x SATA接口，2x内置COM插针接口，1x GPIO插针接口，1x 4Pin ATX供电接口，1x LVDS显示接口。

对外接口：共四个包括一个电源接口，一个千兆网口，两个USB接口方便接其他外部设备。

显示指标包括：对比度：1000：1，亮度：250cd/m²，分辨率为1024×768，颜色为16.7M真彩色。

供电指标：220V AC

b.虚拟试验靶场体系中间件服务器：

主要技术指标如下：

支持1.35V DDRIII SO-DIMM内存，内置接口：1x SATA接口，2x内置COM插针接口，1x GPIO插针接口，1x 4Pin ATX供电接口，1x LVDS显示接口。

对外接口：共四个包括一个电源接口，一个千兆网口，两个USB接口方便连接其他外部设备。

显示指标包括：对比度：1000：1，亮度：250cd/m²，分辨率为1204×768，颜色为16.7M真彩色。

供电指标：220V AC

2.试验内容

首先结合现有的虚拟试验靶场体系，创建出供虚拟试验靶场规划平台识别的试验模型对象模型，填充编译后形成映射于虚拟试验靶场体系中间件内设备的对象模型组件，接着对这些模型组件进行TCP的方式通过网络进行模型的上传，存储进入虚拟试验靶场体系中间件系统，再利用XML和数据库制定的特殊映射关系，来对模型进行权限和其他信息绑定，在中间件存储系统中，形成一个完整的和虚拟试验验证设备一一映射对应的对象模型组件。之后，在虚拟试验靶场体系中间件中的设备需要进行信息交互时，中间件系统通过调用相应算法将模型进行调用，并通过基于Netty开发的消息队列进行消息传送，实时高并发的将交互信息传送至目标设备，并在中间件系统中进行交互信息的记录。

通过查看仿真样机之间的交互情况来评价本发明的消息实时转发效果。

3.试验结果

如图6所示，本发明转发消息的记录结果于交互界面进行展示。

通过图6可以看出，本发明对虚拟试验靶场体系中间件内部设备消息交互的转发具有良好的支持功能。

Claims (5)

1.一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，其特征在于，包括有中间件消息转发模块、中间件模型服务模块、中间件时间同步服务模块及对象模型收发模块；

所述中间件消息转发模块：是中间件的核心部件，其内核基于Netty开发，实现了对虚拟试验靶场任务进行过程中各个对象模型组件的通信信息的转发；

所述中间件模型服务模块：其内核基于反射机制设计，对于中间件模型服务模块中的任何一个类，能够在程序运行的过程中，动态的获取这个类文件的所有属性和方法，并且能够由用户动态指定调用任意一个属性和方法；本模块负责虚拟试验靶场试验任务进行过程中的虚拟模型组件的服务管理；

所述中间件时间同步服务模块：其内核基于Cristian时间同步算法设计，将为试验的运行提供时间的同步功能以及时间戳的打印功能；

所述对象模型收发模块，提供对象模型的收发服务。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，其特征在于，所述中间件消息转发模块包括有生产者、Broker节点、消费者、消息表示服务、网络通信服务、消息接收服务、消息发送服务及消息持久化服务；

所述生产者是将虚拟靶场设备对象模型组件产生的试验通讯消息发送到相应通信管道上的Broker节点，这其中消息被转化为字节流的形式，并缓存到相应的消息等待队列中，以达到防止消息阻塞和异步通讯的要求；

所述Broker节点则提供了连接的监听、底层通信功能建立的功能，其接收了来自于生产者和消费者的通信请求需求，在接收到生产者的消息后，除了对其进行转发，还将消息在服务器上进行了持久化的存储；

所述消费者其功能是从Broker中拉取自身订阅的消息内容，并提交到业务层进行相应的消息处理；

所述消息表示服务提供了一个基于队列的消息表示服务；

所述网络通信服务提供了一系列基于Netty的网络通信调用接口；

所述消息接收服务、消息发送服务提供了一种试验消息发送和接收的方法，对序列化的数据进行转发；

消息持久化服务：用于保证虚拟试验靶场体系中间件运行过程中消息传递的可靠性。

3.根据权利要求2所述的一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，其特征在于，消息表示的结构包含以下两部分：A、消息描述符：描述消息的特征，当前转发的虚拟靶场设备交互信息的优先级、生命周期、消息ID信息；B、消息体：包含了虚拟靶场设备的真实数据；

消息表示的类型分为了两种类型，非永久型消息和永久型消息，非永久型消息存储在中间件的内存之中，是为了提高本中间件的性能而进行设计的；永久型消息在转发过程中，将在中间件的数据库中进行存储，并生成相应的数据日志。

4.根据权利要求3所述的一种虚拟试验靶场验证系统的轻量级消息中间件系统，其特征在于，所述中间件模型服务模块包括了靶场及用户权限服务、模型组件动态激活服务、模型组件发现服务及发布订阅服务；

所述靶场及用户权限服务，负责虚拟试验靶场体系中间件试验任务开始前，对象模型组件需要与靶场进行权限绑定，提供创建不同虚拟试验靶场以及对应用户权限的服务，为虚拟靶场体系提供所有对象和成员唯一的名字标识和ID标识；

所述模型组件动态激活服务，用于试验时绑定好设备、用户、靶场的对应权限关系后，对对象模型组件进行动态激活；

所述模型组件发现服务：用于试验开始前，发现对象模型组件，并提供对对象模型组件的控制；

所述发布订阅服务：提供了对各个资源组件的发布订阅声明的功能。

5.一种基于面向消息中间件系统的虚拟试验靶场体系通信方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任意一项所述的轻量级消息中间件系统，包括如下步骤：

步骤1：创建可供中间件存储调用的对象模型组件

结合现有的虚拟试验靶场体系中间件体系，创建出供虚拟试验靶场体系中间件规划平台识别的对象模型组件，填充编译后形成映射于虚拟试验靶场体系中间件内设备的对象模型组件；

步骤2：虚拟试验靶场体系中间件对象模型组件向中间件存储服务器的上传；

步骤3：利用XML和数据库制定的特殊映射ORM关系，对对象模型组件进行权限和其他信息绑定；

步骤4：通过读取标准虚拟试验设备的配套激活配置文件，对虚拟试验靶场体系中间件开始前的对象模型组件激活；在虚拟试验靶场试验开始之前，需要对中间件系统中的标准虚拟试验设备进行动态激活，用户可在本中间件系统中的试验模型模块中对资源设备进行激活，中间件服务器数据库中将形成相应的记录信息；

步骤5：通过时间同步机制的管理来同步需要互操作设备的时间；

步骤6：通过基于Netty开发的消息队列转发器进行虚拟设备的信息交互。

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