基于網(wǎng)格計(jì)算的分布式仿真關(guān)鍵問題研究.pdf

1、分布式仿真技術(shù)以其靈活、高效和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)在短短的幾十年時(shí)間內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于航空、軍事、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及游戲娛樂等諸多領(lǐng)域，成為人們進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、測(cè)試、試驗(yàn)、預(yù)測(cè)及操作訓(xùn)練的有力工具。分布式仿真技術(shù)已經(jīng)成為了繼理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之外，人們認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的第三種重要手段。高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA）著眼于解決分布式仿真的互操作和可重用問題，已成為構(gòu)建分布式仿真系統(tǒng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)?；?/p>

2、HLA的分布式仿真技術(shù)在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著仿真應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，仿真系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度也不斷提高，對(duì)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源以及專用仿真軟硬件的要求也越來越高。傳統(tǒng)基于HLA的仿真應(yīng)用正越來越多地受到計(jì)算資源利用率相對(duì)低下、缺乏動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡能力和有效的安全機(jī)制、海量數(shù)據(jù)難以存儲(chǔ)和及時(shí)有效處理等諸多問題的困擾，這已成為制約HLA在大規(guī)模分布式仿真領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。近年來，網(wǎng)格技術(shù)和Web服務(wù)技術(shù)的出現(xiàn)，為解決

3、傳統(tǒng)HLA仿真應(yīng)用存在的問題提供了一個(gè)新的途徑，基于網(wǎng)格技術(shù)的HLA仿真技術(shù)逐漸成為了仿真領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文利用網(wǎng)格服務(wù)相關(guān)技術(shù)，提出了一個(gè)用于構(gòu)建大規(guī)模、跨網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)用的框架GADS，并就基于網(wǎng)格服務(wù)的分布式仿真系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究和探討。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　針對(duì)基于HLA的分布式仿真技術(shù)存在的不足，分析了當(dāng)前流行的解決方案及其優(yōu)缺點(diǎn)，確定了基于網(wǎng)格計(jì)算和Web服務(wù)的分布式仿真的研究方向，并設(shè)計(jì)了基于

4、網(wǎng)格計(jì)算的分布式仿真框架GADS。該框架中創(chuàng)新性地引入了仿真代理層的概念，通過代理層的引入，提高了仿真的靈活性和性能。在GADS仿真框架的基礎(chǔ)上，提出了基于GADS的分布式仿真系統(tǒng)構(gòu)建方法和構(gòu)建流程；并分析了基于GADS框架的分布式仿真交互運(yùn)行過程。
　　研究了GADS框架下的仿真任務(wù)調(diào)度服務(wù)及負(fù)載平衡策略。定義了基于主機(jī)負(fù)載平衡度及網(wǎng)絡(luò)通信代價(jià)的仿真任務(wù)調(diào)度算法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并以此為目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)了基于無向完全圖UCG的仿真任務(wù)調(diào)度算

5、法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)大多數(shù)分布式仿真呈現(xiàn)出通信交互密集的特征，進(jìn)一步提出了基于UCG的通信優(yōu)先兩級(jí)調(diào)度算法，并分析了該算法的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。針對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)度問題，定義了系統(tǒng)負(fù)載平衡度概念及計(jì)算方式，并提出了GADS框架下的負(fù)載平衡策略。借助于GADS框架中引入的仿真代理層，對(duì)現(xiàn)有邦員遷移算法進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一個(gè)免凍結(jié)的仿真邦員遷移協(xié)議GFMP。該協(xié)議采用兩階段遷移的方式，并且在遷移過程中只需修改仿真代理的代理對(duì)象，仿真源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以在

6、一定的程度上重疊運(yùn)行，從而無需在遷移過程中凍結(jié)整個(gè)仿真的執(zhí)行，有效提高了實(shí)施負(fù)載平衡的效率。
　　HLA時(shí)間管理作為分布式仿真開發(fā)過程中的可選服務(wù)，提供了多種時(shí)間管理策略，但都還不夠成熟，存在著諸多問題。本文對(duì)流行的保守時(shí)間推進(jìn)機(jī)制進(jìn)行了全面研究，分析了基于時(shí)間前瞻量和GALT的保守時(shí)間推進(jìn)算法的代價(jià)及死鎖問題；并在重點(diǎn)分析經(jīng)典的Frederick算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GALT的保守時(shí)間推進(jìn)改進(jìn)算法，該改進(jìn)算法可以避免Fre

7、derick算法中出現(xiàn)的死鎖問題。針對(duì)樂觀時(shí)間推進(jìn)策略，提出了檢查點(diǎn)設(shè)置周期算法，該算法綜合考慮了回滾概率和可能回滾長(zhǎng)度兩個(gè)因素，通過合理的檢查點(diǎn)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)常規(guī)樂觀時(shí)間推進(jìn)算法的性能優(yōu)化。創(chuàng)新性地將向量時(shí)間引入到樂觀時(shí)間推進(jìn)機(jī)制研究中，并定義了向量時(shí)間更新策略，進(jìn)而提出回滾向量的概念并利用經(jīng)典仿真推進(jìn)案例分析了基于向量時(shí)間的回滾算法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于向量時(shí)間的分布式仿真樂觀推進(jìn)算法。
　　鑒于HLA規(guī)范在仿真安全管理方面的

8、缺失，在GADS框架下設(shè)計(jì)了分布式仿真安全體系結(jié)構(gòu)，并給出了GADS框架下的安全策略。針對(duì)在開放網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行安全分布式仿真問題，提出了一個(gè)零副作用的組密鑰更新算法，算法避免了基于樹結(jié)構(gòu)的密鑰更新算法的弊端，在成員加入或退出時(shí)，可以在不影響其余組員的情況下更新組密鑰。該算法不僅可以應(yīng)用于基于GADS框架的分布式仿真中，也可以應(yīng)用于其他所有需要安全組播通信的場(chǎng)景。另外，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于可信計(jì)算的可信傳輸協(xié)議，用于在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行可信的數(shù)據(jù)