基于DDS的分布式网络仿真系统

李培林，彭美平

(1.中国电子科学研究院，北京　100041；2. 西安云辰电子科技有限公司,陕西西安　710065)



工程与应用

基于DDS的分布式网络仿真系统

李培林1，彭美平2

(1.中国电子科学研究院，北京100041；2. 西安云辰电子科技有限公司,陕西西安710065)

DDS(DataDistributionService) 即数据分发服务，是OMG组织制定的数据分发服务规范，提供了QoS(服务质量)，采用以数据为中心的订阅/发布的通信模型，可以满足系统高效、实时的通信需求。随着网络规模的扩大，网络仿真已成为全新的网络分析和规划技术，OPNET仿真软件具有在通信网络和信息系统方面的专业化设计, 对关键参数和原理进行验证，并提供丰富的API接口，满足分布式通信网络仿真的需要。至此，本文结合DDS分布式仿真技术与OPNET网络仿真平台，提出了一种基于DDS与OPNET的分布式网络仿真体系架构，实现了多个仿真平台之间的实时信息交互，指导实施大规模军事通信网仿真。

DDS；OPNET；分布式仿真；系统集成

TP393

A

1673-5692(2016)02-214-05

0　引　言

性能评估能判断网络结构和协议算法的实用性，并能指导其实施优化。而评估网络结构与算法性能的一种有效方式是采用仿真的方法。网络仿真作为一种重要的科学方法，受到了国际通信网络领域的高度关注。而针对军事通信网络具有网络规模大，协议复杂等特点，单一的通信网络仿真已无法满足军事通信网的仿真需求。而利用分布式仿真技术集成多个仿真平台，为精确仿真军事通信网提供有效的解决途径。

目前，分布式仿真系统广泛采用高层体系结构(HLA)作为中间件进行信息交互，但HLA-RTI存在实时性较差，不能很好的满足数据传输的实时性要求，导致在很多领域的应用受到限制[1]。2004年对象管理组织(OMG)首次发布了以实时数据为中心的发布/订阅通信模式-数据分发服务(DDS)[2]规范。DDS为用户提供了统一的应用程序编程接口,将数据发布、传递以及接收的接口和行为标准化。该规范实现对复杂系统中的数据进行实时、高效的传输要求；在分布式网络环境下，可以实现动态组网和数据的按需多点分发。同时规范化了QoS，使其能够满足实时通信的需求,优化了分布式系统的高实时性，用于满足对高性能、可预见性有较高要求的关键任务领域的计算需求。

OPNET[3-4]是当前业界领先的网络开发环境，以其无与伦比的灵活性应用于设计和研究网络通信、设备、协议和应用。以事件调度为基础的建模思路，结合进程交互处理事件，以进程形式把活动、事件按事件的先后顺序组合，使得OPNET建模方式灵活而又直观[5]。因此，本文提出一种基于DDS与OPNET(DOP)分布式通信网络仿真体系架构，利用该架构可搭建分布式仿真系统，完成多个分布式节点间的高效数据交互，实现多个仿真节点的动态扩展，完成数据共享。

1　DDS与OPNET的技术特点

1.1数据分发服务(DDS)技术特点

DDS规范了数据发布、传递以及接收的接口和行为，提供一个与平台无关的数据模型。其目的是简化分布式系统中的数据高效、可靠发布，主要应用在要求高性能、可预见性和对资源有效使用的关键任务领域[6]。以数据为中心的通信模式如图1所示。

图1　以数据为中心的发布/订阅通信模式

以数据为中心的发布/订阅模式针对发布者和订阅者采用松耦合的连接方式。基于全局数据空间概念，所有对该空间中的数据感兴趣的分布式节点都可以自由读取。在通信过程中，向数据空间写数据者被定义为“发布者”，公布自己所提供的数据类型和属性；向数据空间读取数据者被定义为“订阅者”，公布自己所希望得到的数据类型和属性。发布者和订阅者不需知道彼此的具体位置，发布者只需通过关联一个类型化的数据写入者，并根据对应的QoS策略向外发送仿真应用产生的各种数据；订阅者只需关联一个类型化的数据读取者，接收发布者已发布的数据供接收分布式仿真节点使用。一旦全局数据空间中有数据更新，中间件将数据传递给所有对此数据感兴趣的订阅者，从而订阅者即可从全局数据空间中获取感兴趣的数据。

DDS作为在分布式系统中高效、可靠地进行数据交互的规范，引入了“全局数据空间”概念，订阅方直接配对发布方，进行点对点的通信，无需中介，时延低、效率高；可采用灵活的QoS策略，满足多类型的用户需求；拥有较大的网络吞吐率，可以UDP/IP等协议发包，一个包同时可发至多个网络节点；读写双方均可动态接入与动态退出，即时发布与读取数据；系统可扩展，系统间解耦合。

1.2OPNET技术特点

OPNET是当前业界领先的网络技术开发环境，可以方便地设计与开发通信设备，通信协议与应用。以事件调度为基础的建模思想，采用离散事件驱动机制。OPNET以进程的形式按先后顺序组合事件，建模灵活、效果直观。OPNET建模采用三层建模机制，将复杂系统分解为不同的层次结构，每一层完成特定的功能，且一层内可由多个模块组成。三层模型分别与实际的网络、设备和协议一一映射，反应真实网络特性。三层建模机制即：网络域、节点域和进程域。

1)网络域：由通信子网、通信节点、通信链路三个主要模块组成，描述被仿真网络的拓扑结构。

2)节点域：将真实的通信实体(如终端，路由器等)抽象为节点。从应用、进程、队列和通信接口等方面对节点的功能进行了规范，以最大限度来描述真实的网络实体设备。

3)进程域：是实施算法、协议的载体，是整个建模过程中最重要的部分，用于定义节点域中处理器模块、队列模块、外部系统模块的动态行为。模拟各种硬件或软件子系统，包括通信协议、算法、磁盘或内存的共享资源、操作系统排队规则、特定业务生成器等。

OPNET采用基于数据包的形式模拟真实网络的数据流，数据包以虚拟的形式存在，同时也可以搭载真实的数据流，还能有效结合数据包分析法和统计学建模法，从而达到提高网络仿真的精确度。并提供灵活的网络场景配置、网络背景流量配置等相关网络参数，方便通信网络场景的模拟和仿真结果的对比分析。

2　DOP分布式集成体系架构

2.1DOP分布式仿真系统框架

从上述分析可以看出，OPNET网络仿真平台提供了网络设备与网络协议的研发以及拓扑结构的搭建，准确分析复杂网络的性能和行为。另外，OPNET提供丰富的API接口(如ESA，EMA，ETS等)，便于开发人员的系统集成。DDS规范了分布式系统的数据分发、传输和接收的接口与行为，同时在规范中通过QoS策略提高数据分发的传输质量。以数据为中心的发布/订阅模式基于“全局数据空间”的概念，任何对该空间中的数据有意向的成员均可接入，便于充分的信息共享和透明传输。结合DDS与OPNET的技术特点，充分利用各自的技术优势，提出一种基于DDS的分布式通信网络仿真DOP系统体系架构，如图2所示。

图2　DOP系统框架

单纯的离散事件通信网络仿真已经不满足当前大规模军事通信网络设计论证的需求(如复杂通信链路建模，卫星姿态，弹道轨迹姿态等)，需要第三方仿真平台支持；此外，随着国防科技的发展，具有诸多优点的半实物仿真技术成为科学研究必不可少的技术。为解决多平台分布式实时集成仿真，本文以OPNET网络仿真平台为核心，提出一种分布式通信网络仿真系统(DOP系统)。DOP系统体系架构采用DDS构建分布式系统总线，负责数据的分发与接收。各仿真成员或仿真成员的内部组件(如OPNET想定中单个的网络设备)采用标准规范的接口集成到信息总线上，仿真成员间的信息交互通过DDS来实现。OPNET仿真成员通过OPNET提供的ESA模块实现与外部仿真成员的信息交互。

该系统针对每一个仿真成员独立存在，相互协作，各平台输出数据反映在仿真系统的虚拟数据列表中，其他应用或仿真平台可根据其需求对数据读取。因此，所有仿真平台或应用根据各自感兴趣的数据各取所需，而无需关心数据的来源。虚拟数据列表遵循一种读写规则，即虚拟数据列表中的同一数据仅存在一个数据源，该数据可同时被多个成员读取，但修改权限只有数据源成员拥有。

2.2DOP系统接口控制模块设计

DOP系统接口控制模块作为整个分布式仿真系统的驱动控制模块提供3种状态控制，状态图如图3所示。

图3　控制模块状态转移图

接口控制模块状态由初始化/结束状态、执行仿真状态、冻结状态3个状态组成。在初始化状态时，各参与仿真成员接入分布式实时网络仿真系统，并设置相关预设参数。执行仿真时，接口控制模块则根据设置的时间步长推进仿真；同时处理本仿真成员发出的数据和接收来自其他仿真成员的数据。在冻结状态，整个分布式仿真系统将冻结在最后一次时间推进时刻点，而后个仿真成员进入休眠状态；当恢复仿真时，整个分布式仿真系统重新进入到运行状态，由时间推进模块继续推动整个仿真。其各状态功能如下：

初始化状态：各仿真成员完成接口注册，接入DDS网络，等待接收控制指令。

执行仿真状态：仿真开始；处理发送与接收数据；对各仿真成员进行时间管理控制，以Δt推进量实时推进各仿真成员。如某个仿真成员不需要时间管理，则不订阅时间管理控制数据即可，在仿真开始后，等待事件触发。

冻结状态：冻结状态即实现仿真暂停功能。

2.3仿真网络时间同步设计

OPNET仿真时间是从0秒为起始时间，而其他需要与OPNET时间同步的仿真成员(如STK)可能以各种纪元时间格式为准，因此需要针对仿真成员进行时间转换。例如，将整个分布式仿真系统时间“秒”s转换为“时-分-秒”格式时间YYYYDDD.HHMMSS。

时间同步更新：整个分布式仿真系统由DOP系统控制接口作为唯一的时间控制成员，控制全局的仿真时间，其他各仿真成员均以时间控制成员时间为基础，设置相应的仿真局部时间，完成时间同步认为。具体时间同步工作流程如图4所示。

图4　时间同步流程

首先，需要与OPNET仿真成员进行时间同步的其他仿真成员在初始化过程中订阅时间推进参数；在仿真开始后，DOP控制模块向外发布时间推进增量Δt，仿真成员在收到时间推进信息后，自身判断是否将时间推进到指定的时间点，如是，则将时间推进仿真时间，并设置当前的仿真时间；如否，则不做任何处理，继续等待时间推进。在本文的仿真测试中，采用Windows的系统时间向前推进，后续可采用硬件时钟源作为同步时钟源，各仿真成员接入硬件时钟源向前推进，而不需订购与发布时间推进信息。

3　应用实例

为验证本文提出的基于DDS的分布式仿真系统架构，设计OPNET与三维显示联邦成员的分布式仿真系统。三维展示成员订购节点位置与路由路径信息，由OPNET仿真航空自组织网络，并实时向三维展示成员提供节点移动位置以及路由路径信息。仿真过程如下：

1)OPNET仿真场景定义各节点移动速度与路径，更新节点位置与实时路由路径信息，如图5所示。

图5　航空自组网仿真场景

2)三维展示成员接收网络节点位置与路由路径信息的状态更新并通过三维显示手段直观地演示实时网络拓扑情况，如图6所示。

图6　网络拓扑状态实时展示

4　结　语

数据分发服务(DDS)在现代信息系统领域占有举足轻重的地位，以数据为中心的发布/订阅通信架构为构建高性能、可扩展、可配置的数据分发系统提供了标准规范。网络仿真技术作为一种新的网络规划和设计技术，通过离散事件仿真运行机制完成网络性能分析和设计论证等任务；从而获取网络设计或优化所需要的网络性能数据。然而，针对大规模军事通信网络，单纯的离散事件网络仿真技术并不能满足复杂环境的通信设计论证要求，DOP系统的提出，为实现基于OPNET网络仿真的分布式仿真提供一种参考，有利于指导其实施大规模通信网络仿真。

[1]AzzedineBoukerche,andKaiyuanLu.Anovelapproachtoreal-timeRTIbaseddistributedsimulationsystem[C].Proceedingsofthe38thAnnualSimulationSymposium(ANSS’05)SimulationSymposium,2005.Proceedings.38thAnnualVolume,Issue,4-6April2005Page(s):267-274.

[2]OMG.DataDistributionServiceforReal-TimeSystemsSpecificationVersion1.0 [DB/OL]. 2009-06-10.http:/www.omg.org/cgi-bin/doc?For-mal/04-12-02.pdf

[3]王文博，张金文.OPNETModeler与网络仿真[M]. 北京：人民邮电出版社，2003.

[4]OPNETofficialwebsite.http://www.opnet.com.

[5]李小龙, 彭美平. 基于OPNET的改进型Zigbee传感器网络仿真系统[J]. 江苏大学学报:自然科学版, 2012, 33(6):671-677.

[6]DataDistributionServiceforReal-timeSystemsVersion1.2(ptc/07-01-01)[S].2007.

李培林(1986—),男，福建泉州人，硕士，主要研究方向为控制理论与控制工程、航天产品系统工程；

E-mail：lplxy123@163.com

彭美平(1984—),男，湖南邵阳人，博士研究生，主要研究方向为无线网络、计算机仿真。

Distributed Communication Network Simulation System Based on DDS

LIPei-lin,PENGMei-ping

(1.ChinaAcademyofElectronicsandInformationTechnology,Beijing100041,China；2.StarsTechnologyCo,.LTD,Xi’an,Shanxi710065,China)

DDS(DataDistributionService)isaspecificationaboutdatadistributionserviceforreal-timesystemspublishedbyOMG，whileoffersQoS(QualityofService)anddefinesacommunicationmodelforData-CentricPublish-Subscribe(DCPS).Itcanmeettherequirementsforeffectiveandreal-timedata-interactive.Withtheexpandingofnetworksize,networksimulationhasbecomeanewlynetworkanalysisanddesigntechnology,OPNETsimulationsoftwarepossessprofessionaldesigninthefieldofcommunicationnetworksandinformationsystems,Thekeyparameters,theprincipleandprovidedrichlyAPIinterfaceareverifiedtomeettheneedsofthedistributedcommunicationnetworksimulation.Therefore,thispaperproposesadistributednetworkbasedonDDSandOPNETsimulationarchitecture,whichcombinesDDStechnologyanddistributedsimulationOPNETnetworksimulationplatform.Thedesignrealizesthereal-timeinformationinteractionbetweenthemultiplesimulationplatforms,toguidetheimplementationoflarge-scalemilitarycommunicationnetworksimulation

DDS;OPNET;Distributedsimulation;systemintegration

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.018

2016-02-09

2016-03-26

国家自然科学基金资助项目(91338201)，国家863计划资助项目(2015AA015701)