張 威 王月基

（海軍航空大學(xué) 葫蘆島 125001）

1 引言

Vega Prime（以下簡(jiǎn)稱VP）是目前流行的視景開(kāi)發(fā)工具，在軍事、民用各類視景仿真中得到廣泛的應(yīng)用。由于單機(jī)有限的計(jì)算資源限制，許多仿真環(huán)境需要多臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)作完成，形成了分布式的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。VP對(duì)于分布式的仿真也提供了很好的支持。但是在實(shí)際的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于VP開(kāi)發(fā)的分布式仿真程序，需要在每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署相同的環(huán)境，體系結(jié)構(gòu)相對(duì)死板，開(kāi)發(fā)、調(diào)試、部署都極為不便。為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種基于Vega Prime環(huán)境和Web Service技術(shù)的軟件中間件VPDR-W，為基于Vega Prime開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真軟件開(kāi)發(fā)提供便利。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 中間件技術(shù)

IDC互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心對(duì)中間件的定義是：中間件（Middleware）是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源，中間件位于客戶機(jī)服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。中間件在實(shí)現(xiàn)互連基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)應(yīng)用之間的互操作：中間件是基于分布式處理的軟件，最突出的特點(diǎn)是其網(wǎng)絡(luò)通信功能［1］。

中間件屏蔽了操作系統(tǒng)以下的復(fù)雜性，為處于自己上層的應(yīng)用軟件提供運(yùn)行與開(kāi)發(fā)的環(huán)境，使得程序員可以將精力集中在業(yè)務(wù)方面，不必過(guò)多考慮程序在多個(gè)平臺(tái)的移植問(wèn)題，降低開(kāi)發(fā)分布式軟件的難度，幫助用戶靈活、高效地開(kāi)發(fā)和集成復(fù)雜的應(yīng)用軟件［2］。中間件技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)物理空間與信息空間無(wú)縫融合，且在融合后的空間中，用戶可以隨時(shí)隨地透明地獲取所期望的計(jì)算服務(wù)［3～4］。

Web Service［5］是一種新型的 Web 應(yīng)用程序，具有自包含、自描述以及模塊化的特點(diǎn)，可以通過(guò)Web發(fā)布、查找和調(diào)用［6］。Web Service應(yīng)具有如下特性：可描述，可以通過(guò)一種服務(wù)描述語(yǔ)言來(lái)描述；可發(fā)布，可以在注冊(cè)中心注冊(cè)其描述信息并發(fā)布；可查找，通過(guò)向注冊(cè)服務(wù)器發(fā)送查詢請(qǐng)求可以找到滿足查詢條件的服務(wù)，獲取服務(wù)的綁定信息；可綁定，通過(guò)服務(wù)的描述信息可以生成可調(diào)用的服務(wù)實(shí)例或服務(wù)代理；可調(diào)用，使用服務(wù)描述信息中的綁定細(xì)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)的遠(yuǎn)程調(diào)用；可組合，可以與其他服務(wù)組合在一起形成新的服務(wù)［7］。

圖1展示了Web Services協(xié)議棧的組成，可以看到，在構(gòu)建和使用Web Service時(shí)，主要用到以下幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)和規(guī)則：

圖1 Web Services協(xié)議棧的組成

XML和XSD：可擴(kuò)展的標(biāo)記語(yǔ)言XML是Web Service平臺(tái)中表示數(shù)據(jù)的基本格式。XML是由萬(wàn)維網(wǎng)協(xié)會(huì)（W3C）［8］創(chuàng)建，W3C制定的XML Schema XSD定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型，并給出了一種語(yǔ)言來(lái)擴(kuò)展這套數(shù)據(jù)類型。除了易于建立和易于分析外，XML主要的優(yōu)點(diǎn)在于它既與平臺(tái)無(wú)關(guān)，又與廠商無(wú)關(guān)。

SOAP（Simple Object Access Protocol）：簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議，它規(guī)定了Web Services之間如何傳遞信息。SOAP規(guī)定了：傳遞信息的格式為XML；遠(yuǎn)程對(duì)象方法調(diào)用的格式；參數(shù)類型和XML格式之間的映射；異常處理以及其他的相關(guān)信息；WSDL（Web Service Description Language）：Web Service描述語(yǔ)言，使用XML描述Web Service，包括訪問(wèn)和使用Web Service所必需的信息，定義該Web Service的位置、功能以及如何通信等描述信息。它是對(duì)一個(gè)程序的XML描述，把原來(lái)java或C#類的對(duì)象和方法描述成XML文件。

UDDI（Universal Description，Discovery and In?tegration）：統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和整合協(xié)議，它是一種獨(dú)立于平臺(tái)的，基于XML語(yǔ)言的用于在互聯(lián)網(wǎng)上描述商務(wù)的協(xié)議。

Web Service系統(tǒng)基于SOA模型，它的編程模型（如圖2）包含三個(gè)組成部分：服務(wù)提供者—作為服務(wù)契約的服務(wù)接口以及作為服務(wù)實(shí)體的服務(wù)實(shí)現(xiàn)；服務(wù)使用者—也稱為服務(wù)使用者或客戶端，使用Web Service；注冊(cè)中心—服務(wù)提供者可以將服務(wù)發(fā)布到注冊(cè)中心，服務(wù)使用者在注冊(cè)中心內(nèi)查找服務(wù)，使之成為Web Service的代理。

圖2 Web Service編程模型

2.2 分布式仿真技術(shù)

分布式仿真是指采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分布在各地的仿真器互連，使人可以參與交互作用的一種綜合環(huán)境，目前已廣泛用于軍用、商用等領(lǐng)域［9］。然而，隨著仿真應(yīng)用對(duì)大量的分布式數(shù)據(jù)和資源的需求程度不斷提高，分布式仿真系統(tǒng)的復(fù)雜度也不斷加大，無(wú)法滿足當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展的需要。

VP是Multigen Paradigm 公司（MPI）在Vega基礎(chǔ)上推出的新一代支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)的實(shí)時(shí)視景驅(qū)動(dòng)軟件，基于Vega Scene Graph，同時(shí)包括Lynx Prime GUI（圖形用戶界面）工具，用戶既可以用圖形化的工具進(jìn)行快速輔助配置，又可以用底層場(chǎng)景圖形API創(chuàng)建用戶特定功能；提供了對(duì)MetaFlight格式的支持，擴(kuò)展性更強(qiáng)；可通過(guò)API函數(shù)對(duì)實(shí)體操作，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，幫助用戶快速、準(zhǔn)確地開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)三維仿真［10］。

3 VPDR-W的設(shè)計(jì)

VPDR-W遵循Web Service協(xié)議和編程范式，基于“軟總線”+“軟構(gòu)件”［11］的體系結(jié)構(gòu)。

3.1 總體結(jié)構(gòu)

VPDR-W底層為Web Service的內(nèi)核，主要運(yùn)行Web Service內(nèi)核和SOAP協(xié)議，在此基礎(chǔ)上運(yùn)行VPDR-W服務(wù)端和客戶端，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 VPDR-W總體結(jié)構(gòu)

VPDR-W客戶端主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程VPDR-W服務(wù)端注冊(cè)監(jiān)聽(tīng)服務(wù)，監(jiān)聽(tīng)VPDR-W遠(yuǎn)程服務(wù)狀態(tài)；VPDR-W服務(wù)端負(fù)責(zé)將Vega Prime的分布式仿真程序發(fā)布成Web Service，同時(shí)響應(yīng)客戶端的監(jiān)聽(tīng)請(qǐng)求，當(dāng)服務(wù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將服務(wù)主動(dòng)推送給VPDR-W客戶端。

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 用例分析

VPDR-W面向兩類用戶，從程序員的角度看，主要負(fù)責(zé)：編寫(xiě)Vega Prime分布式仿真程序；設(shè)置Vega Prime分布式仿真服務(wù)對(duì)象；運(yùn)行Vega Prime分布式仿真服務(wù)對(duì)象實(shí)例。從最終用戶的角度看，主要負(fù)責(zé)設(shè)置Vega Prime分布式仿真服務(wù)對(duì)象；運(yùn)行Vega Prime分布式仿真服務(wù)對(duì)象實(shí)例。如圖4所示。

3.2.2 序列分析

VPDR-W運(yùn)行時(shí)主要包括四類對(duì)象Vega Prime分布式仿真客戶端、VPDR-W客戶端、VP?DR-W服務(wù)端以及Veg Prime分布式仿真主程序，四者之間的交互邏輯如圖5所示。

圖4 用例圖

圖5 序列圖

3.3 核心算法

自 適 應(yīng) 是 中 間 件 軟 件 的 主 要 特 征［12～15］，VPDR-W的算法設(shè)計(jì)體現(xiàn)出其具有的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的特點(diǎn)。

3.3.1 服務(wù)狀態(tài)校驗(yàn)算法

VPDR-W服務(wù)端需要根據(jù)設(shè)置好的服務(wù)對(duì)象的變化情況決定是否向客戶端推送服務(wù)對(duì)象實(shí)例，如果服務(wù)對(duì)象沒(méi)有發(fā)生變化則不推送，如果發(fā)生了變化則推送，其服務(wù)狀態(tài)校驗(yàn)算法流程如圖6所示。

圖6 服務(wù)狀態(tài)校驗(yàn)算法流程圖

3.3.2 客戶端視場(chǎng)范圍動(dòng)態(tài)分配算法

在Vega Prime分布式仿真程序當(dāng)中，詳細(xì)的配置信息存放在擴(kuò)展名為“acf”的配置文件當(dāng)中，其中包含了程序的總視場(chǎng)范圍以及需要的通道數(shù)量，基于此，VPDR-W可以實(shí)現(xiàn)比較靈活的客戶端視場(chǎng)范圍動(dòng)態(tài)配置，其客戶端市場(chǎng)范圍動(dòng)態(tài)分配算法流程如圖7所示。

圖7 客戶端視場(chǎng)范圍動(dòng)態(tài)分配算法流程圖

4 VPDR-W的實(shí)現(xiàn)

StarWebService［16］是一個(gè)由國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的、遵循Web2.0規(guī)范的分布式軟件計(jì)算平臺(tái)。本文采用其作為底層Web Service層實(shí)現(xiàn)。

4.1 服務(wù)端

VPDR-W服務(wù)端主要包括VPDRWServiceLis?tener、VPDRWServiceSender、VPDRWMd5Checker、VPDRWServer等幾個(gè)主要的類，其中VPDRWSer?viceListener是一個(gè)監(jiān)聽(tīng)器類，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽(tīng)基于UbiStar傳送過(guò)來(lái)的遠(yuǎn)程VPDR-W客戶端注冊(cè)情況；VPDRWServiceSender類主要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生變化的服務(wù)對(duì)象實(shí)例進(jìn)行推送；VPDRWMd5Checker類主要實(shí)現(xiàn)基于MD5算法的對(duì)服務(wù)對(duì)象實(shí)例狀態(tài)的校驗(yàn)；VPDRWServer是程序的入口類，調(diào)用其他幾個(gè)類實(shí)現(xiàn)服務(wù)端程序的全部功能。如圖8所示。

圖8 VPDR-W服務(wù)端主要類圖

4.2 客戶端

VPDR-W客戶端主要包括VPDRWServiceRe?ceiver、VPDRWClient等幾個(gè)主要的類，其中VPDRWServiceReceiver主要實(shí)現(xiàn)接收遠(yuǎn)程推送過(guò)來(lái)的服務(wù)對(duì)象實(shí)例，并存放到相應(yīng)位置；VPDRW?Client類是VPDR-W客戶端的入口類，調(diào)用其他幾個(gè)類實(shí)現(xiàn)客戶端程序的全部功能。如圖9所示。

圖9 VPDR-W客戶端主要類圖

5 VPDR-W的應(yīng)用

VPDR-W現(xiàn)已在我院某型飛機(jī)飛行仿真模擬器開(kāi)發(fā)當(dāng)中得到實(shí)際應(yīng)用，下面是應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)景（由于特殊原因，部分位置做了遮擋）。

5.1 三通道

在4號(hào)機(jī)部署VPDR-W服務(wù)端和Vega Prime分布式仿真主程序，設(shè)置總視場(chǎng)角為120°，在2、3號(hào)機(jī)部署VPDR-W客戶端，服務(wù)端程序動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)客戶端數(shù)量，并為每個(gè)客戶機(jī)分配視場(chǎng)角，寫(xiě)入配置文件，之后加載Vega Prime分布式仿真程序，顯示效果如圖10所示。

圖10 VPDR-W三通道應(yīng)用界面

5.2 五通道

在4號(hào)機(jī)部署VPDR-W服務(wù)端和Vega Prime分布式仿真主程序，設(shè)置總視場(chǎng)角為150°，在1、2、3、5號(hào)機(jī)部署VPDR-W客戶端，服務(wù)端程序動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)客戶端數(shù)量，并為每個(gè)客戶機(jī)分配視場(chǎng)角，寫(xiě)入配置文件，加載Vega Prime分布式仿真程序，顯示效果如圖11所示。

圖11 VPDR-W五通道應(yīng)用界面

原來(lái)的Vega Prime分布式仿真程序需要在客戶機(jī)上一一手動(dòng)進(jìn)行配置，極其繁瑣和死板。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景可以看出，VPDR-W可以根據(jù)分布式仿真程序的客戶機(jī)情況靈活的自動(dòng)進(jìn)行配置，同時(shí)實(shí)時(shí)地傳送服務(wù)對(duì)象實(shí)例，既簡(jiǎn)化了程序員的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，又方便了最終用戶的使用，效果比較理想。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于Web Service和Vega Prime環(huán)境設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分布式仿真環(huán)境的軟件中間件框架，實(shí)現(xiàn)了分布式仿真程序的動(dòng)態(tài)和靈活的配置，在實(shí)際的應(yīng)用中展現(xiàn)了良好的效果。但是存在一些不足，主要是由于Vega Prime是一個(gè)商業(yè)軟件產(chǎn)品，不開(kāi)放源代碼，導(dǎo)致編程模式比較僵硬，在今后的工作中將考慮使用 OpenSceneGraph（OSG）［17］等開(kāi)源分布式仿真環(huán)境來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在底層中間件實(shí)現(xiàn)上可以考慮結(jié)合分布式OSGi［18］等技術(shù)路線。

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