1、1工 程 硕 士 学 位 论 文详细摘要题 目 ： 虚拟试验的网络通讯和多任务调度管理研究英 文 题 目 ： Research on network communication and multi-taskscheduling management for virtual test第 1章 引 言1.1 论文的研究背景和意义虚拟试验是以建模与仿真技术、计算机测量与控制技术、计算机网络与通信技术、可视化与虚拟现实技术等为基础，通过建立虚拟环境和虚拟实体开展的一类试验技术。采 用 虚 拟 试 验 方 式 ， 与 传 统 试 验 相 比 较 ， 它 具 有 以 下 优 点 ： 可 以大 幅 度 减
2、少 样 机 制 造 试 验 次 数 ， 缩 短 新 产 品 试 验 周 期 ， 同 时 ， 降 低 实 际 试 验 的费 用 ； 虚 拟 试 验 技 术 代 替 实 际 试 验 ， 实 现 了 试 验 不 受 场 地 、 时 间 和 次 数 的 限 制 ，可 对 试 验 过 程 进 行 回 放 、 再 现 和 重 复 ； 对 于 大 型 武 器 系 统 的 虚 拟 试 验 ， 还 可 以有 效 的 对 其 型 号 等 敏 感 信 息 进 行 保 密 。通讯与任务调度管理技术是分布式虚拟试验的重要技术之一，通过对它的研究与开发有着重大的意义：1.可以实现异地多资源共享；2.可以使用多台计算机提供
3、冗余，从而提高系统的可靠性；3.可以摆脱计算中心结构数据传输的局限性，使得信息传递迅速，系统实时性强，还可以实现异地多机协同工作以及实现异地的控制和管理，提高系统的工作效率；4.另外还可以使不拥有大型计算机的用户也可以分享到拥有大型机的好处，避免系统中的重复劳动和投资，节省了资金。2信 息 技 术 进 步 使 虚 拟 试 验 和 测 试 技 术 不 断 成 熟 ， 应 用 规 模 与 范 围 不 断 扩 大 ，逐 步 朝 着 复 杂 、 分 布 、 异 构 和 实 时 方 向 发 展 ， 进 而 出 现 了 复 杂 分 布 虚 拟 试 验系 统 。 复 杂 是 指 子 系 统 种 类 繁 多
4、， 并 具 有 多 层 次 相 互 作 用 ， 虚 拟 试 验 针 对 不 同的 应 用 ， 有 着 不 同 的 异 构 化 环 境 ， 例 如 网 络 的 异 构 、 操 作 系 统 的 异 构 以 及 不 同种 类 的 数 据 库 等 。 这 使 得 对 该 类 虚 拟 运 行 支 撑 环 境 的 研 究 成 为 焦 点 。 从 结 构上 看 ， 虚 拟 运 行 支 撑 环 境 通 常 是 分 层 的 ， 不 同 层 次 内 部 的 信 息 传 输 需 要 达 到本 层 的 要 求 ； 不 同 层 次 间 的 信 息 交 互 也 需 要 达 到 系 统 的 要 求 。 对 这 类 系 统
5、而言 ， 较 大 的 传 输 延 迟 和 节 点 处 理 延 迟 严 重 影 响 了 性 能 ； 结 构 的 复 杂 性 使 得 对 系统 的 通 信 效 率 、 实 时 性 能 的 分 析 变 得 更 加 复 杂 。 要 保 证 试 验 中 各 节 点 之 间 高 效 、可 靠 和 有 序 的 通 信 就 需 要 对 其 运 行 支 撑 环 境 的 通 信 机 制 做 大 量 的 研 究 与 验 证 。1.2 国内外相关研究和现状发达国家的实践表明，虚拟试验与仿真验证技术适应于包括航空、航天、兵器、船舶、核等在内的国防工业各领域，是军工产品试验和测试技术发展的必然趋势。信息技术进步使虚拟试验
6、和仿真验证技术的研究有了更可靠的技术保障，使其不断成熟，应用范围不断扩大。虚拟试验与仿真验证适用于武器装备寿命周期各个阶段，包括可行性论证、方案论证、研制生产、试验与评价、使用与训练等各个阶段的试验和测试。通过各个阶段的虚拟试验获得充分可信的、与武器装备性能的相关信息，减少了武器装备采购过程中的盲目性和不确定因素，增强了决策的合理性和科学性。现在，在欧美发达国家, 以建模仿真技术为基础的虚拟试验与仿真验证已成为武器系统试验与评价工作的重要组成部分，而且有些场合可以部分地取代物理试验，成为武器系统试验与评价的新途径。目前，虚拟试验技术已广泛用于国外武器装备的采办过程中，从系统方案论证到使用训练的
7、各个阶段，在降低技术风险、缩短研制周期、降低费用等方面取得可观的效益。随着虚拟试验技术越来越广泛地被应用到各种武器系统研制中，成为对实物试验的一种有力补充手段，美欧等国工业界对虚拟试验技术充满信心，并在武器系统研发中大力采用，虚拟试验和仿真验证技术呈现出光明的发展前途。然而，由于仍存在模型与仿真的精确度及验证等问题，虚拟试验技术的发展仍面临着许多制约，其前进的道路则是曲折的。本文对虚拟试验的网络通讯和多任务调度技术展开深入的研究，1. 通讯技术通讯技术的演变过程可以归纳为四个阶段：具有通讯功能的单机系统；具有3通讯功能的多机系统；以共享资源为主的计算机网络阶段；以局域网及互联为支撑的分布式计算
8、阶段。国内过去常用的通讯技术主要有共享，DDE，Windows 消息WM_COPYDATA,标准的 Sockets 和 WinSock，RPC，Mailslot 和 Pipe，剪贴板，COM和 DCOM 等。在这些通讯技术中，任何一种单一的技术都难以满足分布式协同综合虚拟试验与测试系统得高实时性和数据可靠性传输这两方面的要求。目前新出现的技术是使用虚拟共享内存来实现进程间的通讯，该技术可以绕过系统内核来实现进程间的数据交换，可以解决数据在内核和进程间多次传递的问题，从而比原有的集中技术要节省资源且速度快，但该技术需占用比较大的网络带宽。2. 调度技术随着虚拟试验技术的发展和系统规模的增大，系统
9、调度问题显得越来越重要。在以往基于 HLA 的分布仿真系统中，根据物理模型或数学模型创建联邦和联邦成员，存在着严重的负载分配不均问题，解决系统负载平衡的关键在于选择合适的调度策略。目前已建立的传输调度方案主要有：先进先出方案，队列优先级方案，最早到时首先发送方案,队列长度阈值方案，具有部分推出优先方案。最简单的先进先出方案没有考虑网络性能的要求；队列优先方案严重损害低优先级信息传输的性能，从而降低了网络整体性能指标；最早到时首先发送方案减少由于时限要求而产生的信息丢失，但实现复杂；,队列长度阈值方案在性能和复杂性方面的较好折中，但在不同用户连接时信息丢失率差方面还有差距。基于以上几种方案的不足
10、，最近推出了另一种调度方案：最少缓冲优先(MBF)方案，MBF 支持多优先级的调度，其优先级方案完全是动态的，其调度优先级和队列长度阈值都随着系统状态变化而变化，这样可以大大提高网络性能。随着数字技术的发展和分布式技术的广泛应用，以计算机为站点的分布式试验与测试系统在工程中得到日益广泛的应用。这些系统的各站点需要向主机或互相之间进行数据的交换及通讯。因此需要研究分布式试验与系统的通讯与调度技术。1.3 本论文的工作和内容本论文分别研究了分布式虚拟试验系统中通讯平台的异构网络系统互联技术，网络延迟补偿技术以及系统的任务调度管理技术。通过对通讯平台的异构网络系统互联技术，网络延迟补偿技术的研究来保
11、证4分布式虚拟试验的实时性，数据的一致性，通讯接口的多样性，使分布式虚拟系统实用，逼真，可靠，通用。通过对该技术的研究能提供可靠的点到点的通讯服务，提高数据传输过程的可靠性，同时具有网络实时监控功能等。在实时系统的不断发展过程中，静态优先级的调度理论逐渐成熟，当任务的截止期限等于周期时，文献1提出了 RMS（Rate-monotonic Scheduling） ，即任务的周期越小，其优先级越高。后来 Leng 扩展了该算法，提出了任务截止期限小于周期的 DMS （Deadline Monotonic Scheduling）算法5，即任务的截止期限越小，其优先级越高。它们都被证明是最优的固定优先
12、级分配算法，即如果用RMS 或 DMS 算法分配优先级系统是不可调度的，则没有其它固定优先级分配方法可以使该系统可调度。动态优先级调度理论也得到快速发展，当任务的截止期限等于周期时，文献1提出了 EDF（Earliest Deadline First）调度算法，即任务的绝对截止期限越小，其优先级越高。在文献4提出了 MLF（Minimum Laxity First） ，它们都已被证明是最优调度算法，即如果用其它动态算法能够保证没有任务超时，那么用 EDF 算法和 MLF 算法也一定能够保证没有任务超时。由于 MLF算法的调度开销要大于 EDF 算法，一般采用 EDF 调度算法。文献1指出当任务
13、的截止期限等于周期时，采用 EDF 可调度的充分必要条件是任务集合的资源利用率小于等于 1。文献40引入了在实际运行中动态优先级的调度开销，是对采用动态优先级调度的可调度性分析方法的进一步完善。虚拟试验系统是一个分布式的系统，涉及到多处理器的调度问题，多处理器调度有局部调度和全局调度两类实时调度方法。局部调度将任务分配给特定处理器，每个处理器维护本地任务等待队列，调度是局部化的。全局调度将所有等待调度的任务组成全局等待队列，等待处理器调度，处理器允许调度任务时，选择优先级最高的任务执行，调度是全局化的。PFair 调度是指系统中各个实时任务按比例公平使用共享资源，共享资源可指处理器或其他共享资
14、源。PFair 公平调度算法核心是确定子任务调度优先级。目前有 3 种 PFair 调度算法 19：DP、PF、。这 3 种调度算法都是将子任务时限作为调度优先级，不同之处在于：当两2PD个子任务时限相同时，确定任务优先级方式不同。 是在 PD 算法基础上发展而2PD来的更有效的调度算法，引入了组时限概念，当子任务时限相同时，根据任务组时限确定优先级，如果组时限也相同，则认为这两个任务调度优先级相同，处理器可任意选择一个任务调度。局部调度的工作过程是：首先给各个任务分配处理器，任务分给处理器后，任务调度可看作单处理器实时任务调度。经过 20 多年的发展，单处理器系统中的实时调度技术相对成熟，有
15、一系列从算法到可行性分析的工具。因此，局部调度算法是目前多处理器流行的调度算法。而目前常用的5局部调度算法是 EDF-FF 算法。它是采用 FF（First Fit：任务分配给第 1 个可接受它的处理器）方法分配处理器：各个处理器按照 EDF 算法调度任务。虚拟试验中系统调度的目标之一是负载平衡，但在基于 HLA 的分布式仿真系统中，负载平衡的研究还处于起步阶段。在分布式计算方面，有关学者己经开发了诸如 PVM（Parallel Virtual Machine） 、CONDOR 等并行计算管理程序，这些系统通常具有分布计算和负载共享的功能 18。但它们都有各自的缺点。如 PVM 系统在运行前必
16、须知道参加分布式运算的所有节点，它不能实现动态加入的功能，这正是当前分布式仿真系统所要求的；CONDOR 是通用型负载管理系统，不能提供复杂的时间管理策略，它们的加入会使仿真系统丧失 HLA 所带来的优点。目前虚拟试验调度理论中仍然有许多问题没有得到很好的解决，本文正是适应虚拟试验系统发展的需要，跟踪目前研究热点，对虚拟试验调度理论中任务调度技术进行了研究和探讨。6第 2章 基于以太网的分布式系统特点分析本章首先分析以太网技术以及基于以太网技术的分布式系统，并分析现有的几种通讯技术的优缺点，为本文的研究奠定了理论基础。2.1 以太网技术以太网最初是由美国 Xerox 公司和 Stanford
17、大学联合开发并于 1975 年推出的。后来，成为世界上第一个局域网工业标准。以太网采用的是争用型介质访问控制协议，在轻载情况下具有较高的传输速率，而且组网简单，价格低廉，因此在本文中我们以以太网来作为我们系统的通讯网络。以太网的特点以太网具有以下优缺点：优点：简单易行，价格低廉，因此拥有了一大群用户群。缺点：在大负载情况下对各应用的访问延时或可用带宽不加控制，不存在能保证带宽正确分配机制，不提供任何优先分配机制。2.2 基于以太网的分布式试验与系统分析2.2.1 分布式试验系统的属性根据分布式试验系统的概念和组成，分布式系统应该具有以下属性：模块性并行性自治性协作性透明性正是由于分布式系统具有
18、以上的属性，使得分布式试验系统可以满足用户对系统“低成本，高性能”的要求，分布式系统开始有了广阔的前景。2.2.2 分布式试验系统的结构模型分布式试验的模型结构可以分为以下四类：工作站/服务器模型7处理机池模型混合模型集成模型该模型是将多个异构计算机通过网络组成分布式系统。在该模型中，每个计算机都有适当的软件，使得它们既可以充当服务器又可以当工作站。2.2.3 分布式试验的通讯机制分布式系统的通讯机制大体上可以分为两种：消息传递机制和远程过程调用RPC 机制。2.3 现有的几种通讯机制通信（数据交换）有很多种方式，选用哪种方式最为合适一直都是系统设计者必须要面对的问题。只有了解分析了各种方案后
19、，才能确定最佳的方案，最大限度的满足系统要求。几种常用的通信方式如下：共享内存Socket 通信机制RPC 远程过程调用COM 和 DCOM这几种通信机制中，共享内存通信方式虽然可靠性差、效率低，但是基于这种方式的虚拟共享内存机制，是一种可以保证虚拟分布试验系统中各节点间交互实时性和同步性的有效方式。另外 Socket 通信机制以其卓越的可移植性减小了复杂虚拟试验中异构网络的编程工作量，并且保证了不同网络平台间的通信质量。8第 3章 虚拟共享内存中间件通讯机制的设计3.1 中间件技术简介对于多层结构的分布式试验系统，各服务器和终端机之间都是通过网络连接起来的，并有大量的信息和数据进行传递。对每
20、个应用程序而言，在设计和实现时需要开发的，仅是在应用服务器上的业务逻辑部分的软件，除此之外，还必须要设计处理分布式试验系统所特有的功能软件，而目前的系统软件都不支持，为此出现了中间件，它是处于系统软件和应用软件之间的一种软件。3.1.1 中间件的概念互联网数据中心（IDC）对中间件的定义是：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源；中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。IDC 互联网数据中心对中间件的定义表明，中间件是一类软件，而非一种软件；中间件是介于操作系统(包括底层通信协议)和各种分布式应用程序之间的一个软件层。总
21、的作用是建立分布式软件模块之间互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为处于自己上层的应用软件提供运行与开发环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。中间件所提供的能力对于网络化应用来说十分关键，因为它们能使常用的网络编程任务自动化。我们使用中间件通常可以得到以下几个方面的好处：对各种硬件平台、操作系统、网络数据库产品以及 Client 端实现了兼容和开放。中间件保持了平台的透明性，使开发者不必考虑操作系统的问题。中间件实现了对交易的一致性和完整性的保护，提高了系统的可靠性。中间件产品可以降低开发成本，提高工作效率。3.1.2 中间件的分类和作用用到的中间件有以下几种：通讯
22、处理（信息）中间件事务处理（交易）中间件9数据存取管理中间件Web 服务器中间件安全中间件跨平台和架构的中间件网络中间件3.2 虚拟共享内存中间件软件包的设计为了满足分布式虚拟试验系统对大量测试数据交换的需求及高实时性的特性，我们设计虚拟共享内存中间件软件包，该软件包主要是完成分布式试验的数据通讯。3.2.1 虚拟共享内存中间件的结构设计根据分布式虚拟试验系统的特点，我们构造出虚拟共享内存中间件结构示意图，如图 3-1 所示。虚拟共享内存中间件在结构上分为以下 3 个层次:1. 网络接口层实现网络数据传输。2. 系统管理层实现仿真任务的调度和虚拟共享内存的管理，它由系统调度器和节点调度器组成。
23、3. 用户接口层实现虚拟共享内存中间件与仿真应用程序的交互。应用虚拟共享内存中间件构建分布虚拟试验的目的是为了满足分布虚拟试验对开放性、实时性、灵活性、可扩充性和易操作性的要求 13。虚拟共享内存中间件的实现方式采用的是客户/服务器模式。客户/服务器这个术语，应用于描述在两个程序(一个应用程序和一个支持服务程序)之间处理的图 3-1 虚拟共享内存中间件结构示意图试验模块共享内存网 络 连 接试验模块共享内存试验模块共享内存网络节点10一种软件体系结构。开始时,该客户程序和该服务程序并没有在地域上分开，它们可为在同一机器上运行的主调和被调程序。因此，初始的客户/服务器讨论被限于一个客户和一个服务
24、器之间的交互作用。随着计算机科学和编程理论的演化，其内涵进化为某些程序能够以许多另外程序的名义提供服务或管理资源。在基于虚拟共享内存中间件的系统中，服务器角色由系统调度器和节点调度器承担，客户角色由用户的试验模块承担。对于用户发出的数据注册、节点注册、启动、停止等命令，系统调度器和节点调度器作出响应,并将结果回传给用户；同时，系统调度器和节点调度器按照一定的策略运行，维护着虚拟共享内存并驱动试验运行。3.2.2 虚拟共享内存中间件的功能在分布式试验系统中，测试任务的调度和实时数据透明交换由虚拟共享内存中间件实现。虚拟共享内存中间件是位于操作系统之上，用户测试应用程序之下的一组软件，其核心是虚拟共享内存。整个虚拟共享内存中间件的功能包括：提供注册，申请，操纵与释放虚拟共享内存的接口和实现数据注册以及节点登录的界面，实现分布式试验系统透明的网络通讯服务。提供基于虚拟共享内存机制的分布式试验程序运行的调度管理策略。
