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1、 高 性 能 RTI 自 适 应 通 信 机 制 研 究 与 实 现 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 分类号 TP391.9 学号 09060029 密级 公 开 工学硕士学位论文 高性能高性能 RTI 自适应通信机制研究与实现自适应通信机制研究与实现 硕士生姓名 李猛 学 科 专 业 计算机科学与技术 研 究 方 向 计算机应用技术 指 导 教 师 姚益平 研究员 国防科学技术大学研究国防科学技术大学研究生院生院 二二一一一一年年十一十一月月 Research and Implement on Adaptive Communication Mechanism of High-
2、performance RTI Candidate：Li Meng Advisor：Prof. Yao Yiping A Thesis Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Computer Science and Technology Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China November，2011 国防科学
3、技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i ABSTRACT iii 第一章 绪论 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 课题来源 1 1.1.2 国内外研究现状 2 1.1.3 课题研究面临的主要技术问题 4 1.2 课题研究意义及目标 . 4 1.3 本文主要工作及创新 . 5 1.4 论文结构 . 6 第二章 HLA/RTI 概述 . 7 2.1 HLA 系统概述 7 2.2 HLA 规范组成 8 2.3 RTI 平台概述 10 2.4 HLA/RTI 通信 11 2.4.1 分布式系统常用通信机制 11 2.4.2 高性能 RTI 对通信机制的要求 1
4、3 2.5 本章小结 . 14 第三章 高性能 RTI 自适应通信机制关键技术研究 15 3.1 高性能 RTI 通信框架 . 15 3.1.1 高性能 RTI 硬件环境 16 3.1.2 高性能计算机通信延迟测试 18 3.1.3 功能分布式 RTI . 20 3.1.4 高性能 RTI 的高速通信框架 21 3.2 高性能 RTI 自适应通信算法 . 24 3.2.1 通信实体网络信息配置 24 3.2.2 仿真实体通信过程 24 3.2.3 自适应连接算法 25 3.3 面向 RTI 的共享内存通信算法 26 3.3.1 集中式共享内存管理策略 27 3.3.2 基于分布共享内存的 RT
5、I 盟员通信算法 27 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 II 页 3.3.3 算法性能测试 30 3.4 本章小结 . 32 第四章 高性能 RTI 自适应通信机制设计与实现 33 4.1 自适应通信机制的设计思想及主要功能 . 33 4.1.1 设计思想 33 4.1.2 设计目标 33 4.1.3 实现的主要功能 33 4.2 主要功能模块的设计与实现 34 4.2.1 TCP 通信模块 . 35 4.2.2 共享内存通信模块 38 4.2.3 自适应决策模块 40 4.2.4 通信接口模块 41 4.3 本章小结 . 43 第五章 测试与性能分析 45 5.1 测试概要 .
6、 45 5.1.1 测试环境 45 5.1.2 测试内容 45 5.1.3 相关介绍 46 5.2 吞吐量测试 . 46 5.2.1 测试用例 47 5.2.2 测试结果及分析 48 5.3 延迟测试 . 49 5.3.1 测试用例 50 5.3.2 测试结果及分析 51 5.4 测试总结 . 54 第六章 结束语 55 6.1 本文工作总结 . 55 6.2 下一步的工作 . 56 致 谢 57 参考文献 . 59 作者在学期间取得的学术成果 . 63 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 2.1 HLA 规则 . 9 表 2.2 RTI 服务接口表 .
7、10 表 2.3 RTI 通信机制对比 . 13 表 3.1 高性能计算机通信延迟结果表 18 表 3.2 性能测试结果表 31 表 4.1 模块内主要的数据结构 39 表 5.1 属性吞吐量测试结果表 48 表 5.2 属性延迟测试结果表 51 表 5.3 交互延迟测试结果表 53 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 2.1 基于 HLA 的仿真系统的层次结构 7 图 2.2 HLA 仿真逻辑结构 . 8 图 2.3 RTI 典型的内部逻辑结构组成图 . 11 图 3.1 面向 HPC 环境的大规模作战仿真应用框架 16 图 3.2 基于高性能计算平台的分
8、布式仿真应用环境图 16 图 3.3 基于高性能计算平台的分布式仿真应用体系图 17 图 3.4 高性能计算节点内通信延迟 19 图 3.5 高性能计算节点间通信延迟 19 图 3.6 功能分布式 RTI 结构模型 21 图 3.7 高性能 RTI 通信框架 21 图 3.8 仿真实体通信过程 25 图 3.9 盟员通信连接图 26 图 3.10 集中式共享内存通信 27 图 3.11 分布共享内存管理 28 图 3.12 部分算法变量 . 28 图 3.13 性能测试过程图 31 图 4.1 ACS 通信子系统主要功能模块 . 34 图 4.2 TCP 通信模块 35 图 4.3 TCP 连
9、接流程 36 图 4.4 网络事件处理流程 37 图 4.5 TCP 通信模块对象模型 38 图 4.6 共享内存读写操作 39 图 4.7 自适应决策模块处理流程 41 图 4.8 通信接口模块 42 图 5.1 属性吞吐量测试 47 图 5.2 节点内属性吞吐量 48 图 5.3 节点间属性吞吐量 49 图 5.4 属性延迟测试 50 图 5.5 交互延迟测试 50 图 5.6 节点内属性延迟 51 图 5.7 节点间属性延迟 52 图 5.8 节点内交互延迟 53 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 V 页 图 5.9 节点间交互延迟 54 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位
10、论文 第 i 页 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
11、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
12、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
13、 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 国防科学技术
14、大学研究生院工学硕士学位论文 第 ii 页 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。 主题词：高性能计算机；RTI；共享内存；自适应 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第 iii 页 ABSTRACT The high level architecture of HLA-based distributed simulation technology has been widely used in various fields of national defense and ec
15、onomic construction. As the simulation of the scale and complexity of simulation grows largely, some users attempt to migrate HLA applications to high performance computers in order to improve the efficiency of simulation system. High performance hardware platform typically provides a variety of dif
16、ferent levels of communication environments (such as shared memory, IB (Infiniband), Ethernet, etc), however traditional RTIs (Run-time Infrastructure) only support TCP/IP communication protocol, it is difficult to make full use of high performance computers with the efficient hardware communication support. Therefore research on high performance Adaptive communication mechanism has great theoretical and practical significance fo
