引言

飛行仿真系統(tǒng)是現(xiàn)代航空科研、教學(xué)、試驗(yàn)等不可缺少的技術(shù)設(shè)備。在飛行性能研究、飛行品質(zhì)評(píng)估和飛行訓(xùn)練等方面都具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和軍事價(jià)值。正常情況下，飛行仿真系統(tǒng)采用分布式計(jì)算技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，各計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸需要采用數(shù)據(jù)通信技術(shù)來完成。數(shù)據(jù)通信技術(shù)需要采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，目前互聯(lián)網(wǎng)采用的協(xié)議是IPv4協(xié)議。

IPv4是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）的第四版，它定義的IP數(shù)據(jù)通信方式有單播、全網(wǎng)廣播和組播。單播是指兩個(gè)IP地址間進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信；全網(wǎng)廣播是指在IP子網(wǎng)內(nèi)向所有網(wǎng)內(nèi)IP地址以廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包，所有子網(wǎng)內(nèi)的IP站都能收到全網(wǎng)廣播；組播是當(dāng)某一個(gè)人向一組人發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，他不必將數(shù)據(jù)向每一個(gè)人發(fā)送，只須將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)特定的預(yù)約組地址，所有加入該組的人均可以收到這份數(shù)據(jù)。

為了讓網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)主機(jī)可以同時(shí)接受到相同的數(shù)據(jù)包，如果采用單播的方式，那么源主機(jī)必須分別發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。對(duì)于一臺(tái)主機(jī)來說，同時(shí)不停的發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包來說也是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)。如果采用采用廣播方式，則數(shù)據(jù)包傳送到局域網(wǎng)內(nèi)每個(gè)主機(jī)上，不管這個(gè)主機(jī)是否對(duì)數(shù)據(jù)包感興趣，這樣做就會(huì)造成了帶寬的浪費(fèi)和主機(jī)的資源浪費(fèi)。如果采用組播的方式，源主機(jī)可以只需要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包就可以到達(dá)每個(gè)需要接受的主機(jī)上，這中間還要取決于路由器對(duì)組員和組關(guān)系的維護(hù)和選擇。組播有一套對(duì)組員和組之間關(guān)系維護(hù)的機(jī)制，可以明確的知道在某個(gè)子網(wǎng)中，是否有主機(jī)對(duì)這類組播數(shù)據(jù)包感興趣，如果沒有就不會(huì)把數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并會(huì)通知上游路由器不要再轉(zhuǎn)發(fā)這類數(shù)據(jù)包到下游路由器上。InternetNIC關(guān)于IP地址的規(guī)定中，IP地址共分為A-E共5類， D類地址即為組播地址，范圍為224.0.0.0-239.255.255.255。D類地址是動(dòng)態(tài)分配和恢復(fù)的瞬態(tài)地址。每一個(gè)組播組對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)分配的一個(gè)D類地址；當(dāng)組播組結(jié)束組播時(shí)，相對(duì)應(yīng)的D類地址將被回收，用于以后的組播。

根據(jù)以上所述，運(yùn)用組播技術(shù)，對(duì)發(fā)送者而言，數(shù)據(jù)只需發(fā)送一次就可以發(fā)送到所有接收者，所以，組播技術(shù)對(duì)于接收者來說，都是同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這使得對(duì)計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)的同步性得到很好的控制，縮短了發(fā)送的時(shí)間周期，從而大大減輕了發(fā)送者的負(fù)擔(dān)和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，節(jié)省了大量資源。

1 飛行仿真系統(tǒng)的組成及通信機(jī)制

一個(gè)典型的飛行仿真系統(tǒng)包括：飛行系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、教員臺(tái)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、多臺(tái)視景計(jì)算機(jī)等，如圖1所示。其中飛行系統(tǒng)控制整個(gè)飛行仿真系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心；儀表系統(tǒng)是顯示飛機(jī)坐艙內(nèi)各個(gè)儀表盤，通過儀表盤來顯示飛機(jī)飛行的狀態(tài)；操縱系統(tǒng)是控制飛機(jī)飛行的姿態(tài)；多臺(tái)視景計(jì)算機(jī)顯示的是飛機(jī)在同一位置時(shí)的不同角度。

圖1 飛行仿真系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)（實(shí)線表示網(wǎng)絡(luò)）

根據(jù)圖1所示，可以看出整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程。如果用單播通信方式，那么飛行系統(tǒng)計(jì)算機(jī)會(huì)重復(fù)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)給多臺(tái)視景計(jì)算機(jī)，增加了發(fā)送的時(shí)間周期，這樣就會(huì)導(dǎo)致飛行系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的工作任務(wù)的重復(fù)和網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，并且單播在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)有先有后，因此五臺(tái)視景顯示計(jì)算機(jī)不是同時(shí)收到飛行系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)導(dǎo)致多臺(tái)視景計(jì)算機(jī)幀與幀之間不同步，這不符合實(shí)時(shí)顯示的要求。如果采用廣播通信方式，則操縱系統(tǒng)計(jì)算機(jī)也會(huì)收到控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，而事實(shí)上是操縱系統(tǒng)計(jì)算機(jī)用不到飛行系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的信息，這樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。如果采用組播的通信方式，飛行仿真系統(tǒng)中所有的計(jì)算機(jī)同在一個(gè)組播組中，這樣飛行系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，則有關(guān)計(jì)算機(jī)都會(huì)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，多臺(tái)視景計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)的顯示飛機(jī)飛行的姿態(tài)，不會(huì)存在幀與幀之間不同步的問題。所以綜合以上分析，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用組播技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

2 組播技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

本節(jié)是介紹在VC6.0平臺(tái)上如何用winsock實(shí)現(xiàn)組播通信編程的方法。

2.1 用winsock實(shí)現(xiàn)組播的方法

本系統(tǒng)采用VC6.0為開發(fā)工具。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)編程而言，需要用到多線程技術(shù)。在VC6.0開發(fā)環(huán)境中，開啟一個(gè)線程用到AfxBeginThread（）函數(shù)，AfxBeginThread（RecvThread， &m_mysock）;其中RecvThread（）函數(shù)是線程函數(shù)，主要是用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的；m_mysock是自己封裝的一個(gè)類CMySocket的對(duì)象，這個(gè)類封裝所有有關(guān)組播通信的信息，如：線程函數(shù)中接收的數(shù)據(jù)存入該類的變量中。

對(duì)于Socket編程，首先要對(duì)sockaddr_in結(jié)構(gòu)體進(jìn)行初始化，就是把組播地址和端口號(hào)分別賦值給sockaddr_in中的s_addr和sin_port，具體實(shí)現(xiàn)如下代碼：

Local.sin_addr.s_addr =inet_addr（“234.0.0.0”）;

Local.sin_family = AF_INET;

Local.sin_port= htons（ 2007 ）;

其中Local是sockaddr_in結(jié)構(gòu)變量，組播地址為：234.0.0.0，端口號(hào)：2007。

然后是對(duì)套接字的初始化了，定義SOCKET的變量為sock，

sock = socket （AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;其中SOCK_DGRAM表示為采用UDP協(xié)議（SOCK_STREAM表示為TCP協(xié)議）。

初始化之后用bind（）函數(shù)將套接字與IP地址和端口號(hào)綁定起來，bind （sock，（sockaddr*）&（ Local），sizeof（Local））；

其中sock與Local定義同上。

組播技術(shù)用setsockopt（）函數(shù)的套接字功能選項(xiàng)來進(jìn)行設(shè)置， setsockopt（）函數(shù)有關(guān)組播技術(shù)的選項(xiàng)見下表：

表1 setsockopt（）組播選項(xiàng)說明

發(fā)送數(shù)據(jù)用到sendto（）函數(shù)，用這個(gè)函數(shù)向組播地址發(fā)送數(shù)據(jù)，sendto（sock，buffer，sizeof（buffer），0，（sockaddr*）&Local，sizeof（Local））；

其中buffer所存放的就是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)。這里介紹一下buffer中存放數(shù)據(jù)的形式，buffer是一個(gè)字符數(shù)組，它的前四位放的是本機(jī)的計(jì)算機(jī)名字；5到8位存放的是命令，這個(gè)命令是指要讓接收方做什么事情；從9位以后全部都是數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)就是讓接收方利用這些數(shù)據(jù)完成各自的任務(wù)。這個(gè)主要是因?yàn)榘l(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)到組播地址后，所有的接收方都會(huì)到網(wǎng)組播地址上取數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)接收方，有可能接收的數(shù)據(jù)對(duì)于自己是無用的，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)頭加上前面所講的1到8位的識(shí)別信息，接收方可以根據(jù)這些信息來獲取對(duì)自己有用的數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)用到recvfrom（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)是接收網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)的，recvfrom（sock，recvBuff，1024，0，（sockaddr*）&clientsock，&sizeof（clientsock））；recvBuff是字符數(shù)組，把接收過來的數(shù)據(jù)存放到這個(gè)數(shù)組中。然后，我們要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，也就是前面所講的發(fā)送時(shí)所加的數(shù)據(jù)包頭的信息。接收到數(shù)據(jù)以后，先對(duì)數(shù)據(jù)包的前四位進(jìn)行判別，判別是從哪個(gè)計(jì)算機(jī)上發(fā)送來的信息。再對(duì)5到8位進(jìn)行判別，判別是什么信息，也就是什么命令。根據(jù)數(shù)據(jù)包前8位的信息，如果是本機(jī)將要用到的數(shù)據(jù)，則對(duì)數(shù)據(jù)包前8位以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行提?。环駝t，對(duì)接收來的數(shù)據(jù)舍棄不用。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?/p>

在前面講過組播的主要缺點(diǎn)是沒有糾錯(cuò)機(jī)制，發(fā)生丟包錯(cuò)包后難以彌補(bǔ)。也就是說在數(shù)據(jù)傳輸過程中無法保證接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，這樣可導(dǎo)致實(shí)時(shí)仿真不同步，以至多臺(tái)視景計(jì)算機(jī)不能實(shí)時(shí)觀察飛機(jī)飛行的不同的角度，為了解決這個(gè)問題，采取兩種方案予以彌補(bǔ)。

2.2.1采用時(shí)間等待

時(shí)間等方法是運(yùn)用select（）函數(shù)。select（）函數(shù)用法是如果程序要檢查套接字上在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)（timeout =5ms）是否有數(shù)據(jù)到來，則首先需要把套接字句柄加入可讀性監(jiān)視集合中，然后調(diào)用select（）函數(shù)。如果沒有數(shù)據(jù)到來，則再等下一個(gè)5ms，一直等到網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)為止。select（）函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)如下代碼：

if（select（NULL，NULL，&fds，NULL，&timeout）==-1）

exit（-1）;

else if（select（NULL，NULL，&fds，NULL，&timeout）==0）

continue;

else if（FD_ISSET（sock，& fds））

但是這個(gè)方法也有一定的弊端，就是如果所有的視景計(jì)算機(jī)中某幾臺(tái)視景計(jì)算機(jī)在接收數(shù)據(jù)的過程中等待的時(shí)間長(zhǎng)，那么所有的視景機(jī)一定不會(huì)同時(shí)獲得相同數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)導(dǎo)致多臺(tái)視景計(jì)算機(jī)視景不同步。

2.2.2 發(fā)送副本方法

在發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)要發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)的一個(gè)或多個(gè)副本，在接收端接收數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)不正確，則到其它副本取數(shù)據(jù)，這樣會(huì)彌補(bǔ)接收數(shù)據(jù)的不可靠性。

3 結(jié)束語

由于組播技術(shù)采用的是UDP協(xié)議，UDP協(xié)議的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，所以在飛行仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸速度問題可以得到解決。在飛行仿真系統(tǒng)中，視景顯示是該系統(tǒng)中的重點(diǎn)。如果多臺(tái)視景機(jī)不同步顯示，則會(huì)造成觀察者無法對(duì)飛機(jī)飛行進(jìn)行有效的控制，繼而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)無法控制。組播技術(shù)是只發(fā)送一次數(shù)據(jù)，同在一個(gè)組播地址內(nèi)的計(jì)算機(jī)都會(huì)接收到這些數(shù)據(jù)，根據(jù)圖1中所示，飛行系統(tǒng)計(jì)算機(jī)向視景計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)之后，視景計(jì)算機(jī)會(huì)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這樣，視景計(jì)算機(jī)就會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)來做飛機(jī)飛行相應(yīng)的動(dòng)作。所以，利用組播技術(shù)，可以使視景計(jì)算機(jī)顯示同步的問題得到解決。在飛行仿真系統(tǒng)中通過利用select（）函數(shù)和發(fā)送副本的方式，可以使彌補(bǔ)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性。利用以上的方法，在飛行仿真系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、視景?jì)算機(jī)的同步性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃远嫉玫搅撕芎玫尿?yàn)證。

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