基于高层体系结构的实时分布式仿真平台关键技术研究

摘要

计算机仿真作为计算机技术的一个重要应用,实际上经历了一个由简单到复杂、由单机到分布式、由同构到异构的一个发展过程。从以往的单独对某一局部的仿真到今天的对某一应用的全局分布式仿真,就是一个由单机到分布式的发展过程。
　　基于高层体系结构(High Level Architeture, HLA)的分布式仿真平台中,因包含了具有硬实时特性的半实物仿真,而对 HLA提出了硬实时性的要求,虽然 HLA在设计之初就预留了实时接口,但是 HLA本身却不是一个具有实时性的系统。因此需要对目前基于 HLA实现的分布式仿真平台进行实时性的改进,同时在一些关键领域,由于运行环境难以再现,所以需要进行仿真。为了提高仿真的效率,引入了分布式仿真技术,这些应用领域不仅要求仿真任务的运行满足实时性,同时对系统的可靠性也要求很高,在满足实时性的前提下,需要尽可能的提高系统的可靠性,针对这些问题和需求,本文主要做了以下研究:
　　1)研究了基于 HLA的分布式仿真平台体系结构与系统实时性改进方法。首先分析了影响 HLA仿真系统实时性的主要因素和常用改进方法,然后针对调整 RTI底层结构的系统实时性改进方法存在的技术复杂、研发周期长等问题,本文提出采用 HLA桥接技术的 HLA实时性改进策略,在利用 HLA桥实现多联邦互联的基础上,以并行计算的形式运行 HLA仿真系统中的各个联邦,有效地提高了HLA仿真系统的实时性和运行支撑框架(Run Time Infrastructure, RTI)的性能,并且使用方便,应用灵活。
　　2)研究了单机硬实时系统的反馈容错调度算法。在单机单 CPU硬实时系统中,由于任务超时完成会给系统运行带来灾难性后果,而现有软件容错调度算法在处理机利用率较高时,成功执行主任务所占时间比率下降,为解决这一问题,本文提出一种自适应反馈容错动态调度算法,在经典的基于空闲时间检测消除空闲时间的容错调度算法(Basic CAT EIT, BCE)的基础上,引入反馈调度机制,形成基于反馈控制的BCE(Feedback BCE, FC-BCE)调度算法。该算法在运行过程中定期监测处理机利用率,将实际处理机利用率与预期值进行比较,根据比较结果调整对任务集的调度,有效减少了浪费的 CPU时间片数量,提高了成功执行主任务所占时间比率,降低了因处理机超载而引起的主任务丢失率。
　　3)研究了分布式系统的多性能指标的多目标进化调度算法。在分布式系统中进行任务调度显然会影响到系统的实时性,而不同的任务调度方案又会对系统的可靠性造成不同的影响,这是一个多目标优化问题。为解决这一问题,本文在异构分布式最早完成时间任务优先调度算法(Heterogeneous Earlist Finished Time Algorithm, HEFT)基础上,引入非支配排序多目标遗传算法(Non Dominated Sort Genetic Algorithm, NSGA),提出了基于多目标优化的异构分布式系统实时任务调度算法(Heterogeneous Earlist Finished Time based on Non Dominated Sort Genetic Algorithm, HEFT-NSGA),在寻求具有最好实时性调度方案的同时,兼顾提高了系统运行的可靠性。
　　4)研究了任务间具有依赖关系的分布式主副版本容错调度方法。目前的主副版本容错调度算法大多没有考虑任务间的前后依赖关系,而实际中很多任务是具有前后依赖关系的。针对这一问题,本文提出了一种基于主副版本动态可变调度距离的任务容错调度算法,即基于多目标遗传算法的分布式容错调度算法(Fault-tolerance scheduling based Non Dominated Sort Genetic Algorithm, FTS-NSGA),该算法通过比较任务间的最晚开始执行时间与最早开始执行时间的差值,安排任务副版本的调度,在此基础上设计了可用于具有前后依赖关系任务调度可重叠技术,并优先调度关键路径任务,在提高系统运行效率,满足系统实时性要求的基础上降低了系统容错开销。
　　综上所述,本文对 RTI的体系结构,单机硬实时系统容错任务调度算法,分布式系统任务调度算法和分布式系统容错任务调度算法等方面进行了研究和改进,提高了具有硬实时特性的基于 HLA的分布式仿真平台的实时性和可靠性。

目录

基于高层体系结构的实时分布式仿真平台关键技术研究

RESEARCH ON KEY TECHNOLOGIES OF REAL TIME DISTRIBUTED SIMULATION PLATFORM BASED ON HLA

摘 要

Abstract

目 录

Contents

绪 论

课题的研究背景及意义

课题来源

课题的目的和意义

国内外研究现状

分布式仿真研究现状分析

单机硬实时系统容错调度算法研究现状分析

分布式系统任务调度算法研究现状分析

分布式系统容错任务调度算法研究现状分析

论文的主要研究内容与结构安排

HLA分布式仿真平台体系结构及实时性改进研究

引言

HLA相关内容介绍

HLA框架及规则

HLA联邦接口规范

HLA对象模型模板

HLA体系结构及实现机制

基于HLA的仿真平台面临的主要技术挑战

HLA系统实时性改进

实时性改进常用方法

HLA桥的基本原理

基于HLA桥实现分布式RTI的实时性改进策略

桥接系统的实现方案

HLA半实物仿真平台设计

系统性能测试

本章小结

单机硬实时系统软件容错调度算法研究

引言

容错任务调度计算模型

系统模型及任务模型

容错调度相关概念

已有的单机硬实时系统已有容错调度算法

BCE容错调度算法

EDPA容错调度算法

现有算法存在的问题

FC-BCE算法

FC-BCE算法原理

FC-BCE算法反馈控制器

FC-BCE算法实现

实验结果及分析

算法性能评价指标

上同Up下FC-BCE与BCE 的比较

FC-BCE算法与其他软件容错算法的比较

本章小结

异构分布式硬实时系统任务调度算法研究

引言

分布式系统调度算法相关模型及概念

任务模型

系统可靠性分析

已有的分布式系统实时任务调度算法

分布式系统实时任务列表调度算法

分布式系统基于遗传算法的实时任务调度算法

基于关键路径优先调度遗传算法

HEFT-NSGA算法

HEFT-NSGA算法原理

HEFT-NSGA算法实现

实验结果及分析

评价指标

任意生成任务图结果比较

实际任务图结果比较

实验结果分析

本章小结

异构分布式硬实时系统容错调度算法研究

引言

异构分布式系统容错任务调度模型

异构分布式系统已有实时容错调度算法

eFRCD算法

FTBAR算法

FTS-NSGA算法研究

副版本动态可变距离调度

备份任务可覆盖调度技术

FTS-NSGA算法

实验与结果分析

实验评价指标

主任务成功调度率比较分析

系统可靠性代价比较结果分析

容错调度开销比较分析

实验结果分析

本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历