虚拟试验的网络通讯和多任务调度管理研究

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3.0 朱铭铭 2024-09-30 6 4 1.38MB 47 页 12积分

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虚拟试验的网络通讯和多任务调度管理研究

摘要

随着计算机网络技术的飞速发展与分布计算理论的日趋完善，为研究先进的

分布式虚拟试验提供了良好的条件。本论文主要对分布式虚拟试验的通讯与调度

技术展开深入研究。

本文首先分析了基于以太网的分布式虚拟试验的特点和属性，比较了现有的

几种通讯方法的优缺点，提出了基于以太网的分布式虚拟试验的通讯机制。在此

基础上，分析了虚拟共享内存中间件的分布式试验的结构模型和功能。

然后对虚拟试验运行支撑环境的任务调度理论进行研究。随着虚拟试验技术

的发展和系统规模的增大，系统调度问题显得越来越重要。在以往基于 HLA 的分

布仿真系统中，根据物理模型或数学模型创建联邦和联邦成员，存在着严重的负

载分配不均问题，解决系统负载平衡的关键在于选择合适的调度策略。

根据虚拟试验分布性和实时性特点，对分布任务调度策略和实时任务调度策

略进行了分析，定义了实时任务的调度模型，在此基础上，重点研究了单处理机

下的实时静态调度算法和实时动态调度算法,并分析了它们的局限性和应用背景，

介绍了调度算法的评价标准。

接着对虚拟试验运行支撑环境的负载平衡策略进行研究。定义了虚拟试验中

的负载权值、节点容纳度和实时收益，比较了静态负载平衡策略和动态负载平衡

策略，在此基础上，深入研究了虚拟试验中的任务迁移策略和任务复制策略。

最后，在上述研究的基础上，设计并实现了一种虚拟试验任务调度服务，并

将其应用于该系统的具体构建中，取得了良好的效果，应用结果验证了调度策略

的可行性。

关键词：虚拟试验, 通信机制,任务调度, 负载平衡

湖北工业大学工程硕士学位论文

Abstract

With the development of the computer network technology and the constant

adjustment and improvement of the Theory and Technology of Network and Distributed

Computing, supply the positive condition to the test of the distributed virtual laboratory.

The dissertation is mainly researching on the communication of the distributed virtual

test and scheduling technology.

First of all, this paper analyzing the feature and the property of the distributed

virtual test which is based on the Ethernet. Comparing the strengths and weaknesses of

the current several communicating manners to improving the communicating

mechanism of the distributed virtual test which is based on the Ethernet. Base on this,

analysis the structural model and the function of the virtual sharing RAM middleware

distributed virtual test.

Second, it researching on the theory of task scheduling of the virtual test running

support environment. As the virtual test technologies develop and system scale

increases, system scheduling becomes more and more important. In the previous

distributed simulation systems based on HLA, federates and federations are built

according to physical model or mathematical model, causing load uneven seriously. The

key to balance the load is choosing suitable scheduling strategies.

According to the distributed and real-time features of virtual test, distributed tasks

scheduling strategy and real-time tasks scheduling strategy are analyzed. A real-time

task scheduling model is defined. On above basis, the static and dynamic real-time

scheduling algorithms are mainly studied, with their limitations and application

background analyzed. At last, this paper introduces the evaluating standard of

scheduling algorithms.

Third, it researching on the load balancing strategies in the virtual test running

support environment, it gives definition for load weight, node accommodation value,

and real-time gain, compares the static load balancing strategy with dynamic load

balancing strategy. And then, a deeply research is made about task migration strategy

and task duplication strategy.

Finally, base on the study mentioned above, design and implement a scheduling

service, which is then applied in the construct of some virtual test system. The

scheduling service works fine, and the result demonstrates the feasibility of the schedule

strategy designed.

Keywords: virtual testing, communication mechanism, task scheduling, load balancing

湖 北 工 业 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文
目    录
摘  要...................................................................Ⅰ
Abstract.................................................................Ⅱ
目  录...................................................................Ⅲ
第 1 章 引言................................................................1
1 论文的研究背景和意义................................................1
2 国内外相关研究和现状................................................1
3 本论文的工作和内容..................................................3
第 2 章 基于以太网的分布式系统特点分析......................................5
1 以太网技术..........................................................5
2 基于以太网的分布式试验与系统分析....................................5
2.1 分布式试验系统的属性..........................................6
2.2 分布式试验系统的结构模型......................................6
2.3 分布式试验的通讯机制..........................................7
3 现有的几种通讯机制..................................................8
4 本章小结............................................................9
第 3 章 虚拟共享内存中间件通讯机制的设计...................................10
1 中间件技术简介.....................................................10
1.1 中间件的概念.................................................10
1.2 中间件的分类和作用...........................................12
2 虚拟共享内存中间件软件包的设计.....................................13
2.1 虚拟共享内存中间件的结构设计.................................13
2.2 虚拟共享内存中间件的功能.....................................14
3 本章小结...........................................................15
第 4 章 分布式虚拟试验的多任务调度管理技术.................................16
1 多任务的调度算法分析...............................................16
2 多任务调度算法的选择原则...........................................17
3 实时调度策略分析...................................................18
3.1 时间驱动.....................................................18
3.2 优先级驱动...................................................18
3.3 加权的轮转驱动...............................................19
4 实时多任务静态调度算法.............................................19
III

湖 北 工 业 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文
4.1 单调速率调度算法.............................................19
4.2 截止时间单调调度算法.........................................20
5 实时多任务动态调度算法.............................................21
5.1 最早截止时间优先算法.........................................21
5.2 最小松弛度优先算法...........................................22
6 调度算法的性能评价.................................................23
7 容错处理技术分析...................................................23
8 本章小结...........................................................24
第 5 章 虚拟试验运行支撑环境的负载平衡研究.................................25
1 系统负载指标的定义.................................................25
1.1 负载权值.....................................................25
1.2 节点容纳度...................................................26
1.3 实时收益.....................................................27
2 负载平衡策略分析...................................................28
2.1 静态负载平衡.................................................28
2.2 动态负载平衡.................................................29
3 任务迁移策略分析...................................................30
3.1 任务迁移的发起...............................................30
3.2 任务迁移决策.................................................31
4 本章小结...........................................................32
第 6 章 虚拟试验运行支撑环境调度服务设计与实现.............................33
1 任务调度服务算法设计...............................................33
1.1 非周期任务处理策略...........................................33
1.2 周期任务分配算法.............................................35
1.3 节点任务调度算法.............................................36
2 任务调度服务的设计与实现...........................................37
2.1 任务调度模块.................................................38
2.2 任务迁移模块.................................................40
2.3 监视模块.....................................................42
3 本章小结...........................................................44
第 7 章 总结与展望.........................................................45
参考文献.................................................................46
致  谢...................................................................49
IV

湖北工业大学工程硕士学位论文

第 1 章引言

1.1 论文的研究背景和意义

虚拟试验是以建模与仿真技术、计算机测量与控制技术、计算机网络与通信技

术、可视化与虚拟现实技术等为基础，通过建立虚拟环境和虚拟实体开展的一类

试验技术。采用虚拟试验方式，与传统试验相比较，它具有以下优点：可以大幅

度减少样机制造试验次数，缩短新产品试验周期，同时，降低实际试验的费用；

虚拟试验技术代替实际试验，实现了试验不受场地、时间和次数的限制，可对试

验过程进行回放、再现和重复；对于大型武器系统的虚拟试验，还可以有效的对

其型号等敏感信息进行保密。

通讯与任务调度管理技术是分布式虚拟试验的重要技术之一，通过对它的研

究与开发有着重大的意义：1.可以实现异地多资源共享；2.可以使用多台计算机

提供冗余，从而提高系统的可靠性；3.可以摆脱计算中心结构数据传输的局限性

使得信息传递迅速，系统实时性强，还可以实现异地多机协同工作以及实现异地

的控制和管理，提高系统的工作效率；4.另外还可以使不拥有大型计算机的用户

也可以分享到拥有大型机的好处，避免系统中的重复劳动和投资，节省了资金。

信息技术进步使虚拟试验和测试技术不断成熟，应用规模与范围不断扩大，

逐步朝着复杂、分布、异构和实时方向发展，进而出现了复杂分布虚拟试验系统

复杂是指子系统种类繁多，并具有多层次相互作用，虚拟试验针对不同的应用，

有着不同的异构化环境，例如网络的异构、操作系统的异构以及不同种类的数据

库等。这使得对该类虚拟运行支撑环境的研究成为焦点。从结构上看，虚拟运行

支撑环境通常是分层的，不同层次内部的信息传输需要达到本层的要求；不同

层次间的信息交互也需要达到系统的要求。对这类系统而言，较大的传输延迟和

节点处理延迟严重影响了性能；结构的复杂性使得对系统的通信效率、实时性能

的分析变得更加复杂。要保证试验中各节点之间高效、可靠和有序的通信就需要

对其运行支撑环境的通信机制做大量的研究与验证。

1.2 国内外相关研究和现状

发达国家的实践表明，虚拟试验与仿真验证技术适应于包括航空、航天、兵器

船舶、核等在内的国防工业各领域，是军工产品试验和测试技术发展的必然趋势。

信息技术进步使虚拟试验和仿真验证技术的研究有了更可靠的技术保障，使其不

断成熟，应用范围不断扩大。虚拟试验与仿真验证适用于武器装备寿命周期各个

阶段，包括可行性论证、方案论证、研制生产、试验与评价、使用与训练等各个阶段

的试验和测试。通过各个阶段的虚拟试验获得充分可信的、与武器装备性能的相关

信息，减少了武器装备采购过程中的盲目性和不确定因素，增强了决策的合理性

和科学性。现在，在欧美发达国家, 以建模仿真技术为基础的虚拟试验与仿真验

证已成为武器系统试验与评价工作的重要组成部分，而且有些场合可以部分地取

代物理试验，成为武器系统试验与评价的新途径。

目前，虚拟试验技术已广泛用于国外武器装备的采办过程中，从系统方案论

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摘要：

虚拟试验的网络通讯和多任务调度管理研究摘要随着计算机网络技术的飞速发展与分布计算理论的日趋完善，为研究先进的分布式虚拟试验提供了良好的条件。本论文主要对分布式虚拟试验的通讯与调度技术展开深入研究。本文首先分析了基于以太网的分布式虚拟试验的特点和属性，比较了现有的几种通讯方法的优缺点，提出了基于以太网的分布式虚拟试验的通讯机制。在此基础上，分析了虚拟共享内存中间件的分布式试验的结构模型和功能。然后对虚拟试验运行支撑环境的任务调度理论进行研究。随着虚拟试验技术的发展和系统规模的增大，系统调度问题显得越来越重要。在以往基于HLA的分布仿真系统中，根据物理模型或数学模型创建联邦和联邦成员，存在着严重的...

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