基于QoS的可扩展分布式虚拟环境的研究

论文摘要

分布式虚拟环境将虚拟现实与网络通讯相结合,提供一个共享虚拟空间以支持对象的仿真以及多个分布用户的交互和通讯。尽管近年来网络速度和主机处理能力在不断提高,但当虚拟环境中存在大量的用户和对象时,即使每个用户只需要少量带宽,成千上万的用户通讯需求累加起来也必定超过网络所能承受的限度;同时随着用户交互需求的不断提高,用户对虚拟环境中通讯服务质量提出了更高的要求,且在异构的广域网中各个用户的接入速度和主机处理能力均有差异,速度慢的主机必然影响其他主机的响应速度乃至降低整个环境的响应性能。因此,随着网络通讯技术的发展,目前分布式虚拟环境研究主要面临着两个方面的问题:一是系统的可扩展性问题,即如何建立一个用于兴趣管理的易扩展的通讯结构,满足分布式虚拟环境中大量对象之间多对多的动态通讯要求;二是网络服务质量问题,即如何提高系统的网络服务性能和服务质量,从而为用户提供满足于他们协作要求的数据传输链路服务。在对分布式虚拟环境和兴趣管理技术等相关工作进行总结的基础上,本文着重对上述两方面的问题进行了详细的分析和研究。首先,借鉴主动路由技术和发布一订购模式的研究成果,设计一种适合兴趣管理的具有较强可扩展性的分布式虚拟环境网络模型（Scalable Distribute Virtual Environment Network model,SDVENM）;然后,在SDVENM模型的基础上,进一步引入了QoS技术来提高系统的网络服务质量,满足对系统有较高服务要求的协作应用的需求;最后,采用SDVENM作为系统的网络通讯结构,设计并实现一种基于XML的可扩展分布式虚拟环境系统。具体研究内容如下:（1）借鉴了基于内容的发布-订购系统的研究成果,把组播路由算法和主动路由技术结合起来,提出了一种适合分布式虚拟环境的具有较强可扩展性的网络通讯模型SDVENM。首先,我们通过比较SBT与CBT结构在可扩展性方面的优缺点,选择基于CBT结构的双向—共享组播树作为系统设计的通讯拓扑结构;然后,提出一种新型的基于内容的双向共享组播路由协议CBSMRP,该协议在CBT组播树中,能根据数据包的内容实现主动路由和双向过滤,不仅解决了组播地址的维护和分配等问题,而且能有效地减轻系统的网络负载;最后通过仿真实验和分析进一步验证了SDVENM网络模型具有良好的可扩展性。（2）从三个方面对QoS技术在SDVENM的通讯模型中的实现进行了研究:①采用了一种基于时延的对象接入控制技术,将QoS的时延参数作为对象接入控制的依据,即根据当前的网络链路状况来控制对象的接入,有效地减少无效信息在系统中传播,从而达到缓解系统负载的目的;②提出了一种QoS主动路由技术,将QoS属性作为对象发布和订购信息的一个重要参数,主动路由器则将QoS属性和与兴趣区域同时作为信息过滤的衡量标准,能够尽早判定和过滤无法满足其QoS要求的数据包,提高网络利用率;③借鉴了TCP协议中拥塞控制的经验,提出了一种可行的拥塞控制方法,该方法从通讯底层保证了分布式虚拟环境的通讯量不超过给定阈值,在很大程度上提高了系统网络传输性能的稳定性。最后通过实验及结果分析进一步验证了上述三种方法在SDVENM的通讯模型中的可行性和有效性。（3）针对分布式虚拟环境中,协作对象对数据报文的传送有着不同服务要求,提出了一种层次式动态带宽分配方法。该方法通过带宽预留的方式,根据协作服务等级和网络链路状况对带宽进行动态调整,为协作用户提供了高质量的带宽传输保证;同时设计了一种动态带宽分配协议,并给出了相应的协议消息类型及其实现。仿真结果及其分析表明,该方法可有效解决SDVENM的模型中结构的层次数对网络时延的影响,同时在系统网络负载的变化时,能保证紧耦合式协作用户间的数据信息传输质量。（4）针对传统的分布式虚拟环境在实现时存在的对象兴趣表达能力差、依赖于特定应用以及不具有通用性等问题,将XML技术引入到兴趣管理技术的实现中,采用XPath查询表达式和XML文件的形式分别来描述用户的订购信息和发布的内容,在XML路由网络上构造并实现了基于兴趣管理的分布式虚拟环境系统。首先,探讨了系统的通讯结构、协议结构及其配置;然后根据分布式虚拟环境的特点,提出了一种基于SPA谓词匹配法的XML路由算法,并给出了XML路由器的体系结构;最后详细介绍了原型系统的实现过程,并通过实际应用验证了该原型系统的可行性和实用性。本文的创新之处体现在以下五个方面:（1）提出一种适合兴趣管理的具有较强可扩展性的网络模型SDVENM,该模型结合运用了基于内容的发布-订购模式和主动路由思想,在基于CBT结构的双向共享组播树中,采用CBSMRP协议根据数据包的内容实现主动路由和双向过滤,不仅解决了组播地址的维护和分配等问题,而且能减轻系统的网络负载,有效地提高了系统的可扩展性。（2）在SDVENM模型的基础上,提出了一种基于时延的接入控制方法,根据当前的网络链路状况来控制对象加入或者挂起,从而达到稳定网络流量,提高系统网络服务质量,减少系统负载的目的。（3）借鉴了TCP协议中拥塞控制的经验,提出了一种适合发布-订购通讯模式的拥塞控制方法,利用发布和订购区域作为一种窗口进行流量控制,从通讯底层保证了分布式虚拟环境的通讯量不超过给定阈值,有效地提高了系统网络传输的稳定性。（4）针对分布式虚拟环境中不同层次的协作应用,提出了一种层次式动态带宽分配机制,根据链路状况和服务等级的改变,动态地调整链路上的资源预留值,为协作用户提供高质量的带宽传输保证。（5）针对传统的分布式虚拟环境在实现时存在的对象兴趣表达能力差、依赖于特定应用以及不具有通用性等问题,将XML技术引入到系统实现中,在XML路由网络上构造基于兴趣管理的分布式虚拟环境系统,提高兴趣管理技术的实用性和系统的可扩展性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 分布式虚拟环境的概念
• 1.1.2 分布式虚拟环境的研究与应用
• 1.1.3 分布式虚拟环境的发展面临的问题
• 1.2 相关研究进展综述
• 1.2.1 兴趣管理技术
• 1.2.2 通讯结构与可扩展性
• 1.2.3 QoS与协作式DVE系统
• 1.3 论文研究的目标、方法和贡献
• 1.3.1 本文目标和研究方法
• 1.3.2 本文的贡献
• 1.4 结构安排
• 第二章 可扩展分布式虚拟环境网络模型的设计
• 2.1 SDVENM模型的设计目标
• 2.2 SDVENM通讯架构的设计
• 2.2.1 网络拓扑结构的选择
• 2.2.2 双向—共享组播树的构造
• 2.3 基于内容的双向共享组播协议
• 2.3.1 相关定义及概念
• 2.3.2 路由信息的构造与维护
• 2.3.3 数据的转发
• 2.4 SDVENM架构的建立与维护
• 2.4.1 虚拟接口及其属性
• 2.4.2 网络节点的加入与退出
• 2.4.3 CBSMRP协议重传策略
• 2.5 仿真及性能分析
• 2.5.1 仿真模型
• 2.5.2 实验结果及性能分析
• 2.6 SDVENM模型扩展性分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 QOS控制机制在可扩展DVE中的实现
• 3.1 基于时延的动态对象接入控制方法
• 3.1.1 相关定义和定理
• 3.1.2 接入控制过程
• 3.1.3 接入控制算法及实现
• 3.1.4 链路时延信息维护
• 3.2 QoS主动路由技术
• 3.2.1 基于QoS的路由信息订购过程
• 3.2.2 基于QoS的数据发布过程
• 3.3 SDVEMN中的拥塞控制机制
• 3.3.1 拥塞控制基本概念
• 3.3.2 拥塞控制在SDVEMN中的实现思想
• 3.3.3 拥塞检测方法
• 3.3.4 拥塞控制策略
• 3.4 仿真结果及其分析
• 3.4.1 实验方案
• 3.4.2 实验结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于协作层次的动态带宽分配机制
• 4.1 协作式虚拟环境中时延分析
• 4.1.1 紧耦合式协作环境
• 4.1.2 实验设计
• 4.1.3 实验结果分析
• 4.2 层次式动态带宽分配机制
• 4.2.1 相关符号和定义
• 4.2.2 层次式动态带宽分配方法
• 4.3 层次式动态带宽分配处理过程
• 4.3.1 协作对象的加入
• 4.3.2 协作对象的退出
• 4.4 层次式动态带宽分配方法的设计与实现
• 4.4.1 层次式动态带宽分配协议
• 4.4.2 主动路由器的配置
• 4.4.3 动态带宽分配算法设计与实现
• 4.4.4 协议消息类型的设计及实现
• 4.5 仿真结果及其分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于XML原型系统的设计与实现
• 5.1 实现问题分析
• 5.2 基于XML的兴趣表达式
• 5.3 系统体系结构的设计
• 5.3.1 通讯结构
• 5.3.2 基本协议结构及其配置
• 5.4 XML路由技术
• 5.4.1 基于XML路由的兴趣管理过程
• 5.4.2 XML路由算法设计
• 5.4.3 XML路由器体系结构
• 5.5 原型系统的初步实现
• 5.5.1 路由器端实现
• 5.5.2 客户端实现
• 5.5.3 系统运行
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢