高可扩分布式交互仿真支撑平台的研究和实现

【摘要】： 随着计算机硬件和网络性能的显著提高，现代建模技术、虚拟现实技术和软件技术等技术的发展，给已经发展了几十年的、深入各行各业的分布式交互仿真注入了新的内容和活力；而在另一方面，随着社会的进步，人们对分布式交互仿真的需求也越来越广泛，要求也越来越高，特别是在军事仿真、网络游戏等领域涉及到大规模仿真环境和大量仿真节点及实体的应用，需要分布式交互仿真系统的支持，这就对仿真支撑平台的可扩性提出了较高的要求。而国内外现有的分布式交互仿真平台存在着以下制约系统可扩性的问题：在系统框架上可扩性不高，无法支持大量的仿真节点和大规模的动态实体对象的加入；系统资源分配是静态的，无法作负载平衡，不利于资源的有效利用，对某些资源突然崩溃的突发事件，缺乏对应的应急方案；数据传输效率较低，对数据过滤的优化还不够；仿真应用中存在仿真实体对象管理与绘制对象管理是分离的、不直接支持仿真视景绘制方式多样化等问题，所有这些因素都导致了分布式仿真应用系统的可扩性不高。 本文从分析分布式系统和分布式交互仿真的定义和特点出发，修正了原有的分布式交互仿真平台可扩性的定义，对高可扩的分布式交互仿真平台的关键技术难点进行了深入研究，包括仿真平台的体系结构、资源调度策略、资源故障的监测与邦员迁移技术，高效的通信策略与数据过滤机制，仿真平台与绘制平台的集成技术等，在分布式交互仿真支撑平台HIVE中实现了以上主要研究成果，在HIVE上开发了三个实验应用并进行了测试。本文的创新工作主要体现在下述4个方面： 1、现有的分布式系统和分布式交互仿真系统可扩性的定义和研究方法都沿用了传统的并行计算系统可扩性的定义和研究方法，本文指出分布式系统的系统资源异构多样、应用种类丰富多样，只从传统方法采用的处理机资源和性能角度衡量一个系统是否可扩是有一定的片面性，提出了分布式交互仿真平台可扩性的定义是在处理机和网络等系统资源变化时，运行在平台上的分布式交互仿真系统在性能和功能方面发生扩缩(包括扩大和缩小)的能力，即当问题规模扩大(缩小)时，增加(减少)系统资源，系统能获得指定的性能及在功能方面能方便进行扩充(裁减)。该定义指出，与传统的可扩性定义相比，系统资源不仅包括处理机资源，也包括网络资源，系统可扩不仅包含处理机性能、网络性能和节点规模支持能力等性能方面可扩，也包含了仿真过程的交互和绘制等功能方面可扩。 2、提出了一个基于三层结构的分布式交互仿真支撑平台体系结构。三层结构由全局层／中间层／Client层组成，全局层和中间层组成了仿真的计算节点，Client层组成了仿真的应用节点。三层结构既避免了集中式结构的服务器瓶颈问题，又避免了分布式结构的系统资源管理和运行效率低下的缺点，在节点组织结构上具有较好的仿真节点规模支持能力。在该体系结构的仿真资源管理方面，对计算节点采用基于Server Cluster技术的系统资源调度设计，通过一定的任务划分和任务分配算法，较好地实现了计算节点群组的负载平衡，并采用基于心跳技术的资源可用性监测设计，在系统规模庞大时有助于节点资源调度管理和提高系统可用性；并在此基础上研究了位于应用节点的邦员迁移技术。该体系结构提升了仿真平台的整体运行效率和整体计算能力，从而实现了仿真平台较好的可扩性。 3、提出了一种高效的通信策略与数据过滤机制。根据分布式交互仿真系统中的多种交换数据类型的特点，有针对性地选用不同的传输模式，从而提高数据通信效率。同时针对仿真系统中实体对象的大量的属性更新数据，采用全局-局部两层数据管理和三层数据过滤机制进行数据过滤，减少不必要的数据传输，有效降低数据传输的带宽需求，提高了仿真平台的网络传输能力和利用效率，从而提高了仿真平台的可扩性。 4、从研究HLA仿真应用对象的组织与管理分析出发，提出一种支持HLA仿真平台和绘制平台的统一对象模型，其包含了异质实体对象HSG树、操作记录列表ActionList和统一访问接口HRI三部分，实现了仿真实体对象和绘制对象的高效组织和统一管理，在仿真平台和绘制平台之间建立一个高效的数据交换桥梁，减轻了两者集成的开发工作量，实现了对仿真视景绘制方式多样化的支持，包括单机绘制和并行绘制，从而提高了仿真平台在功能方面的可扩性。