高性能RTI自适应通信机制研究与实现

论文摘要

基于高层体系结构HLA的分布式仿真技术已广泛应用于国防和经济建设的各个领域。由于仿真规模扩大和仿真复杂度的提高对于仿真效率的迫切需求,一些应用单位尝试将HLA应用移植到高性能计算机上,以提高仿真系统运行效率。高性能计算平台通常提供了多种不同层次的高性能硬件通信环境（如共享内存、Infiniband、以太网等）,然而传统的HLA运行支撑环境RTI一般只支持TCP/IP通信方式,难以充分利用高性能计算机提供的高效硬件通信支持。因此,研究面向高性能计算环境的RTI（HPC-RTI）高效自适应通信机制对于提高HLA仿真的运行性能和可扩展性等具有重要的理论和现实意义。论文在综合分析传统RTI通信机制的基础上,对面向高性能RTI的共享内存/IB/以太网自适应通信机制进行了深入分析和研究,主要工作和创新包括:1)目前,传统的RTI通信框架大都只支持TCP/IP通信,设计结构比较简单,难以有效利用高性能计算机高效的层次式硬件通信支持。为此,论文针对HPC-RTI的网络环境特点,提出了一种面向HPC环境的底层通信框架,该通信框架面向以高性能计算平台为中心的共享内存/IB/以太网通信环境,下层自动选择最佳通信方式,尽可能最小化通信延迟;上层封装通信实现,从而为实现HPC-RTI高效的通信提供框架支持。2)传统的RTI平台支持的通信方式单一,难以有效发挥高性能计算节点内共享内存通信及节点间IB等高速互连的优势。论文针对该问题,提出了HPC-RTI共享内存/IB/以太网的自适应通信算法,该算法能够根据通信双方的网络信息确定最佳通信方式,进而实现共享内存、高速IB、以太网的自适应选择。3)共享内存作为多处理器（核）之间的高速通信机制,能够为运行在单个高性能节点上的进程间的通信提供最高的效率。通常的共享内存通信往往是多个进程使用同一个内存区域进行通信,当通信的进程增多时,容易造成读写冲突增多,从而造成系统锁资源等待,导致共享内存通信效率降低。为此,论文针对分布式仿真应用多盟员互连通信的特点,提出了一种基于分布共享内存的RTI盟员通信算法,该算法为节点内的每个盟员创建一个消息接收共享内存区域,在保证内存访问一致性的同时,可有效减少盟员之间的共享内存访问冲突,测试结果表明,在四核高性能计算节点上,启动四个盟员,其中一个盟员向其他三个盟员发送属性更新消息,分布共享内存算法的属性延迟只有集中式共享内存算法的63%以下,明显提高了共享内存通信的效率。在上述基础上,设计并实现了一个高性能RTI自适应通信子系统ACS（Adaptive Communication System）,经在高性能计算环境下的测试表明,与以往的只支持TCP/IP的RTI相比,基于ACS的RTI节点内盟员间属性更新延迟可减少62%以上,属性吞吐量有2.7倍以上的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.1.3 课题研究面临的主要技术问题
• 1.2 课题研究意义及目标
• 1.3 本文主要工作及创新
• 1.4 论文结构
• 第二章 HLA/RTI 概述
• 2.1 HLA 系统概述
• 2.2 HLA 规范组成
• 2.3 RTI 平台概述
• 2.4 HLA/RTI 通信
• 2.4.1 分布式系统常用通信机制
• 2.4.2 高性能RTI 对通信机制的要求
• 2.5 本章小结
• 第三章 高性能RTI 自适应通信机制关键技术研究
• 3.1 高性能RTI 通信框架
• 3.1.1 高性能RTI 硬件环境
• 3.1.2 高性能计算机通信延迟测试
• 3.1.3 功能分布式RTI
• 3.1.4 高性能RTI 的高速通信框架
• 3.2 高性能RTI 自适应通信算法
• 3.2.1 通信实体网络信息配置
• 3.2.2 仿真实体通信过程
• 3.2.3 自适应连接算法
• 3.3 面向RTI 的共享内存通信算法
• 3.3.1 集中式共享内存管理策略
• 3.3.2 基于分布共享内存的RTI 盟员通信算法
• 3.3.3 算法性能测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 高性能RTI 自适应通信机制设计与实现
• 4.1 自适应通信机制的设计思想及主要功能
• 4.1.1 设计思想
• 4.1.2 设计目标
• 4.1.3 实现的主要功能
• 4.2 主要功能模块的设计与实现
• 4.2.1 TCP 通信模块
• 4.2.2 共享内存通信模块
• 4.2.3 自适应决策模块
• 4.2.4 通信接口模块
• 4.3 本章小结
• 第五章 测试与性能分析
• 5.1 测试概要
• 5.1.1 测试环境
• 5.1.2 测试内容
• 5.1.3 相关介绍
• 5.2 吞吐量测试
• 5.2.1 测试用例
• 5.2.2 测试结果及分析
• 5.3 延迟测试
• 5.3.1 测试用例
• 5.3.2 测试结果及分析
• 5.4 测试总结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果