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分布式虚拟环境覆层结构与可扩充性研究

2020-11-22阅读(404)

分布式虚拟环境覆层结构与可扩充性研究

论文摘要

互连网络的发展正在改变着人们的生活方式。虚拟现实技术的发展为计算机系统更加“友好”地为人类服务提供了技术基础。基于互联网技术和虚拟现实技术的分布式虚拟环境技术(DVE, Distributed virtual environments)为人类创造出一个虚拟的世界。人们可以通过计算机和互连网络“透明”地参与到该“虚拟世界”中,自由的进行合作,竞争,交流,以及从事娱乐体验等活动。目前分布式虚拟环境的应用主要体现在分布式交互仿真,协同设计,军事协作训练,网络在线游戏,远程教育,远程医疗,视频会议等方面。但是其未来的应用领域和应用空间非常广阔。分布式虚拟环境技术当前存在的问题主要是当系统规模增大到一定程度,系统负载超过了系统的承受能力,导致系统性能下降。通过扩充系统的硬件设备可以在一定程度上解决该问题,但是该方法又会带来系统硬件成本的上升和系统管理的复杂性。因此通过“软”的技术手段(不增加硬件投入)来进行大规模分布式虚拟环境系统的负载优化和可扩充性研究具有重大的意义。本文的工作主要遵循这一思路来完成,集中在通过利用应用层组播(ALM, Application layer multicast),点对点(P2P,Peer to Peer)思想,兴趣区域(AOI, Area of interest)等技术来设计良好的分布式虚拟环境的体系结构,以优化DVE系统的负载,提高DVE系统的规模可扩充性,为大规模分布式虚拟环境系统的发展提供技术探索。本文具有创新性的工作主要体现为如下部分:(1)针对分布式虚拟环境系统经典的客户/服务器(C/S,Client/Server)结构中的服务器性能瓶颈问题,借鉴P2P任务分布的思想,同时保持C/S结构容易管理的特点,提出了基于代理服务器的服务器负载分担方案,并据此提出了一种动态的DVE复合结构。理论分析和仿真实验证明,该结构可以充分地利用客户端的资源,在减弱中心服务器负载方面具有良好的效果。而中心服务器的存在又保留了经典C/S结构的优点。(2)针对DVE系统通信的一对多和多对多特征,进行了应用层组播技术在DVE交互通信中的应用研究。针对DVE系统实时性要求高的特点,提出了一种新的最小直径组播树启发式算法,并对最小直径组播树算法在考虑节点自身费用和节点度限制时的性能进行了研究。该算法与原有启发式算法相比,在不增加运算复杂度的前提下,可以生成更优化的最小直径树。(3)根据DVE系统中的对象具有AOI这一客观特征以及系统客户分组通信的特征,以优化系统通信负载为目标,研究了基于AOI分组的应用层组播技术,最终提出了基于AOI的多组播树DVE结构。理论分析和仿真实验表明,通过结合AOI技术与应用层组播技术来优化服务器负载,可以有效的提高DVE系统的规模可扩充性。(4)为了解决多组播树DVE结构中根据AOI和虚拟空间位置关系分组造成的网络拓扑随DVE系统对象的动态性而频繁变动问题,提出了以降低拓扑动态变动为目的的动态共享网格结构。该结构可以提高网络拓扑相对于DVE系统动态性的“鲁棒性”,减弱由于网络拓扑的变动带来的通信和控制负载。(5)为了验证理论工作的有效性,设计开发了DVE仿真工具平台。在此平台基础上做了大量的实验验证工作,有力的支持了理论工作的研究。该平台也为将来的研究工作提供了良好的条件。

论文目录

  • 摘 要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 分布式虚拟环境概述
  • 1.2 分布式虚拟环境发展历程
  • 1.3 分布式虚拟环境的技术主题
  • 1.4 分布式虚拟环境发展面临的主要问题
  • 1.5 本文研究的主要内容
  • 第二章 DVE 系统规模可扩充性研究现状
  • 2.1 引言
  • 2.2 多服务器并行分区技术
  • 2.3 DR 算法
  • 2.3.1 算法介绍
  • 2.3.2 预测函数
  • 2.3.3 收敛算法
  • 2.3.4 改进 DR 算法
  • 2.4 AOI 技术
  • 2.5 IP 组播（IP Multicast）
  • 2.5.1 组播结构
  • 2.5.2 组播协议
  • 2.5.3 组播在 DVE 中的应用
  • 2.6 应用层组播
  • 2.6.1 IP 组播存在的问题
  • 2.6.2 应用层组播与 IP 组播及单播的区别
  • 2.6.3 应用层组播的技术主题
  • 2.6.4 应用层组播的协议方案
  • 2.6.5 应用层组播在 DVE 系统中的应用
  • 2.7 小结
  • 第三章 基于代理服务器的DVE 复合结构研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 动态复合DVE 结构
  • 3.2.1 结构分析
  • 3.2.2 DHA 负载模型
  • 3.3 仿真实验
  • 3.3.1 仿真进程
  • 3.3.2 中心服务器负载
  • 3.3.3 代理节点退出的影响
  • 3.4 小结
  • 第四章 基于AOI 分组的多ALM 树DVE 结构研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 基于AOI 的C/S 结构
  • 4.3 基于AOI 分组地ALM 多树DVE 复合结构
  • 4.3.1 HDA 结构的服务器消息负载
  • 4.3.2 ALM 树结构
  • 4.3.3 ALM 树维护协议
  • 4.4 仿真研究
  • 4.4.1 化身分布模型
  • 4.4.2 化身运动模型
  • 4.4.3 实验结果
  • 4.5 小结
  • 第五章 DVE 系统中覆层树结构算法研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 覆层网络（ALM）
  • 5.3 最小支撑树（MST）问题
  • 5.4 最小直径树（MDT）
  • 5.4.1 相关术语和数据结构
  • 5.4.2 MDT 算法过程
  • 5.4.3 仿真研究
  • 5.5 节点度受限的组播树算法
  • 5.5.1 节点度受限的最短优先算法（CLLF）
  • 5.5.2 节点度受限的最长优先算法（CLRF）
  • 5.5.3 仿真试验
  • 5.6 小结
  • 第六章 覆层共享网格在DVE 中的应用研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 共享网格结构
  • 6.2.1 系统完整性
  • 6.2.2 网格建立方法
  • 6.2.3 数据发送机制
  • 6.2.4 共享网格与多树结构的比较
  • 6.3 网格控制协议
  • 6.3.1 新用户加入协议
  • 6.3.2 化身对象移动管理协议
  • 6.3.3 客户退出协议
  • 6.3.4 错误检测协议
  • 6.4 仿真验证
  • 6.4.1 仿真原型
  • 6.4.2 覆层结构适应性
  • 6.4.3 网络负载
  • 6.4.4 系统参数的影响
  • 6.5 小结
  • 第七章 DVE 系统仿真方法及原型系统
  • 7.1 引言
  • 7.2 系统组成
  • 7.2.1 虚拟空间模块
  • 7.2.2 仿真控制器模块
  • 7.2.3 网络结构模块
  • 7.2.4 数据处理
  • 7.3 仿真实例
  • 7.3.1 网络拓扑
  • 7.3.2 评价指标
  • 7.3.3 仿真结果
  • 7.4 小结
  • 第八章 结论与展望
  • 8.1 本文总结
  • 8.2 今后工作展望
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表和录用的论文
  • 致 谢
  • 学位论文原创性声明
  • 学位论文版权使用授权书

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