一个基于HLA%2fRTI的分布式虚拟环境体系架构研究及其网络通信平台设计.pdf

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1、後星夫挚硕士学位论文F9 5 4 6 7 4，、学校代码：1 0 2 4 6学号：0 3 2 0 2 1 2 1 6一个基于H L A R T I 的分布式虚拟环境体系架构研究及其网络通信平台设计实现院专系：计算机信息与技术业：计算机应用与技术姓名：陈雪峰指导教师：吴承荣副教授完成日期：2 0 0 6 年5 月2 0 日摘要分布虚拟环境(D V E)技术发展到现在，系统的规模越来越大，共享同一虚拟世界的实体数目越来越多，虚拟世界的内容也越来越丰富，系统的功能也日益复杂。随着D V E 系统向大规模方向发展，规模扩展性成为突出问题。规模扩展性是指当系统用户逐渐增加时，不必要对系统作重大修改仍然保

2、持运行效率。如何提高D V E 系统的规模扩展性。需要从通信结构，兴趣管理，数据复制和一致性控制几个方面综合考虑。现有的系统往往没有全面考虑这些问题，或者考虑不足。本文在对D V E 系统体系结构分析的基础上，提出了一个基于H L A R T I 的可扩展的分布虚拟环境体系结构，给出了主要功能模块的设计方案，并对网络通信，数据复制，兴趣管理，负载均衡等若干关键技术进行了讨论。需要说明的是，这个体系结构并不拘泥于特定的应用，是一个通用的体系结构，可广泛用于各个领域，特别是如今日益发展的大规模网络游戏领域。D V E 系统是虚拟现实技术，分布式计算技术，计算机网络技术，计算机图形技术等多种技术的综

3、合应用，庞大而且复杂。由于精力有限，本文的主要工作集中在D V E 系统的最基础也是最重要的部分网络通信。D V E 技术的发展不但对虚拟环境中的实体交互方式带来了新的变化，而且也对系统的网络通讯机制产生了新的要求。单一的通讯方式不再能满足系统的通讯需要，必须为一个大规模D V E 系统实现多种通讯服务方式。本文对D V E 系统的网络通信机制进行了分柝，为不同的通信消息类型选择不同的通信服务，并对系统网络通信平台的设计和部分实现进行了比较详细的介绍。在本文所提出的体系结构中，服务器端采用了多服务器集群方案。虚拟世界中，角色在区域间的移动会导致服务器间的大量通信。如果场景巨大，用户众多，普通的

4、S o c k e t 通信设计方案是难以满足要求的。因此，本文创新性提出以R T I 实现服务器间的通信。R T I 所提供的所有权管理服务(O 州)和数据分发服务(D D M)为角色在服务器间的迁移和服务器间的通信过滤提供了很好的支持。几乎所有的R T I 都是基于c O 鼹A 来实现。而I C E 是一个提供了和c 0 B A 同样强大却摒除了C 0 嗽的各种缺陷的中间件平台。相比C O B 默，I C E 有着诸多优点。因此本文又提出了一个基于I C E 的R T I 原型实现方案，并给出了一个简单的例子。在本文的结论部分，对论文中的创新性工作及其意义进行了总结。关键词：H L A R

5、 T I，D V E，体系架构，I C E，c o wA b s t r a c tAd i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n t(D V E)i sas o f t w a r es y s t e mt h a ta l l o w su s e r so nan e t w o r kt oi n t e r a c tw i t he a c ho t h e rb ys h a r i n gac o m m o nv i e wo ft h e i rs t a t e s A su s e r sa r eg e

6、o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e do v e rl a r g en e t w o r k sl i k et h eI n t e r a c ta n dt h en u m b e ro fu s e r si n c r e a s e，s c a l a b i l i t yi sak e ya s p e c tt oc o n s i d e rf o rr e a l t i m eh a t e r a c t i o n V a r i o u ss o l u t i o n sh a v e b e e np r

7、 o p o s e dt oi m p r o v et h es c a l a b i l i t yi nD V Es y s t e m sb u tt h e ya r ce i t h e rf o c u s e do no n l ys p e c i f i ca s p e c t so rc u s t o m i z e dt oat a r g e ta p p l i c a t i o n I nt h i sp a p e r w ec l a s s i f yt h ea p p r o a c h e sf o ri m p r o v i n gs c

8、 a l a b i l i t yo fD V Ei n t of o u rc a t e g o r i e s：c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e,i n t e r e s tm a n a g e m e n t，c o n c u r r e n c yc o n t r o l，a n dd a t ar e p l i c a t i o n W et h e np r o p o s eas c a l a b l ea r c h i t e c t u r ef o rD V E s T h ed e v e

9、 l o p m e n to fD V Eb r i n g sn e ww a y sf o ru s e r st oi n t e r a c ti nav i r t u a lw o r l d，a n da l s op r o d u c e sn e wr e q u i r e m e n t sf o rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n I nt h i sp a p e r,W Ca n a l y z et h em e c h a n i s mo fc o m m u n i c a t i o ni nD V E s，

10、c h o o s ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s f o rd i f f e r e n tt y p e so fm e s s a g e s，a n dt h e ni n t r o d u c et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew h o l en e t w o r kc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m A so n ec o m p o n e n to ft h e

11、a r c h i t e c t u r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r,o nt h es e r v e rs i d e，w ea d o p tt h em u l t i s e r v e rm o d e l T h ev i r t u a lw o r l di sp a r t i t i o n e di n t ol o g i c a lg r o u p sa n de a c hg r o u pi sa s s i g n e dt oas e r v e r C l i e n t sc o n n e c tt ot

12、 h es e r v e ra c c o r d i n gt ot h eg r o u pt ow h i c hi t sa v a t a rb e l o n g s H o w e v e r,ac l i e n tm a yn e e dt om i g r a t et oad i f f e r e n ts e r v e ri fi tc h a n g e si t sl o g i c a lg r o u p A st h er e s u l hl a r g ea m o u n t so fm e s s a g e se x c h a n g eb

13、e t w e e ns e r v e r s I ti sh a r df o rt h ec o m m o ns c h e m eu s i n gs o c k e t st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fs u c hal a r g ea m o u n to fc o m m u n i c a t i o n S o，w eu s eH L A R T Ia st h em i d d l e-w a r et oh a n d l ea n df i l t e rt h em e s s a g ec o m m u n

14、i c a t i o nb e t w e e ns e r v e r s，b e c a u s eR T Ip r o v i d e sU Sw i t hs t r o n gs u p p o r t sf o rm i g r a t i o na n dm e s s a g ef i l t e r i n g C u r r e n t l y，c o a l Ai st h em a i nt e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tR T I I C E(I n t e m e tC o m m u n i c a t i o nE

15、n g i n e)i st h en e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e df r o mc o g l i&C o m p a r i n gw i t hC O 且B AI C Ei sm o r ep o w e r f u la n dh a sf e w e rs h o r t c o m i n g s S o，i nt h ee n do ft h ep a p e r,w ep r o p o s e das c h e m et oi m p l e m e n tac e n t r a l i z e dR T Ip r o t

16、 o t y p e K e yW o r d s：H L A R T LD V E，A r c h i t e c t u r e，I C E，C O I 遣A2第一章绪论随着计算机技术及与之相关的网络技术、虚拟现实技术的发展和普及，分布式虚拟环境(D i s t r i b u t e dV i r t u a lE n v i r o n m e n t，D Y E)作为计算机科学的一个重要领域在理论和应用上有了长足进步。本章首先介绍了分布虚拟环境的基本概念，重要意义，发展历史和应用，然后介绍了主要研究工作和本文的章节组织。1 1 分布式虚拟环境1 1 1 虚拟环境简介虚拟现实，也称为虚

17、拟环境(V i r t u a lE n v i r o n m e n t，r E)，是一种崭新的人机交互手段。它综合利用了计算机图形学、计算机仿真技术、传感器技术和显示技术等多种科学技术，生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的装备(如头盔、数据手套等)以自然方式与虚拟环境中的实体进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验 3 。V E 技术是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术 1 。这种模拟具有两种基本特征，即“沉浸”特征和“交互”特征。V E 的“沉浸”特征要求计算机所创建的三维虚拟环境能使“参与者”得到全身心置于该

18、环境之中的体验。V E 的“交互”特性主要是指参与者通过使用专用设备实现用人类自然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察与操作。因此，、，E 技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式v E 系统可分为三大类：桌面V E 系统、沉浸式v E 系统和分布式V E 系统 2 。桌面V E 由于采用标准的C R T 显示器和立体显示技术，其分辨率较高，价格较便宜。在使用时，桌面v E 系统设定一个虚拟观察者的位置。桌面V E 系统通常用于工程C A D、建筑设计以及某些医疗应用。沉浸式V E 系统利用头盔显示器把用户的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。分布式v E系统则是在

19、沉浸式、，E 系统的基础上将不同的用户通过网络联结在一起，共享同一个虚拟空间，使用户达到一个更高的境界 1 。I 1 2 分布式虚拟环境概述分布式虚拟环境(D is t r i b u t e dV i r t u a lE n v i r o n m e n t，D V E)就将虚拟现实技术和分布式技术结合起来，把多个位于不同地理位置的虚拟现实系统通过网络及相关技术连接起来时，创建出一个分布、统一和共享的虚拟现实世界 2 。把分布性引入v E 是出于下面两个动机 2 2 ：(1)规模：规模是V E 技术发展的3最大挑战。可扩展性的一个途径将处理的责任分布到计算机网络中的各个节点，可以通过特定

20、的功能如指定节点处理绘制、通讯、I 0 和碰撞检测等，也可以通过用户的方式，将一个用户的处理放到一台机器上。(2)协作：v E 是一个具有很大潜力的通信交流工具。系统要支持协同工作，特别是在广域网上的协同工作，要求分布性。另外也需要将虚拟世界和与它们相关联的资源(如对象库)在广域网上共享。因此，能够用个人机访问v E 系统己经越来越受到重视。分布式虚拟环境系统中的分布概念有如下三层含义 2 0 ：(1)计算的分布性：即应用系统本身就具有分布性，它的计算功能单元分布于网络中的各个节点机上；(2)虚拟环境中实体的分布性：对于一个复杂的应用系统来说，环境数据库比较庞大，通常采用分布式的存储方式，即环

21、境中的三维实体具有分布性；(3)用户的分布性：用户或参与者在物理上分布，即系统提供多个用户共享虚拟环境并协同工作的能力。D V E 的研究开发工作可追溯到8 0 年代初。美国国防部是最早支持研究及开发D V E 的单位，资助的一个典型项目为S I M N E T。该项目的目标是开发一个供军事训练用的、低价格的、联网的分布式军用虚拟环境，该系统的研制成功，为后来D V E的开发奠定了基础。基于这一项研究成果，在S I M N E T 协议基础上，制定了D I S(D i s t r i b u t e dI n t e r a c t i v e S i m u l a t i o n)协议，最

22、终成为D V E 的一项标准(I E E E1 9 7 8)。9 0 年代，随着V E 设备的发展，D V E 才得到较大发展，出现了一系列工具和应用。在一些著名的大学和研究所，研究人员也开展T D V E 系统的研究工作，并且陆续推出了多个实验性D V E 系统或开发环境。典型例子有美国N P S 开发的N P S N E T，瑞典计算机科学研究所的D I V E，新加坡国立大学的B r i c k N e t N e t E f e t，加拿大A l b e r t 大学的M R I 具库，英国N o t i n g h a m 大学的A V I A R Y，d V S，M A S S I

23、 V E 等。除此而外，研究人员还开发了多个面向特定应用的D V E 系统。国内有些单位也开展了对D V E 技术的研究，如国防科技大学、北京航空航天大学、华中理工大学和浙江大学等。1 1 3 分布式虚拟环境的应用领域分布虚拟环境技术被广泛地应用到社会的各个领域，正在彻底地改变着人类与复杂的基于计算机技术的系统进行人机交互通讯的方式和方法，人类学习知识和技能的学习方式，工作团体之间的协作方式和通讯方式，人类研究制造工具的过程和方法等 1 9 。(1)工程设计制造领域中的应用分布虚拟环境具有这样的潜力，即允许客户、市场商、设计师及维护工程师等，在产品的整个生命周期内来观察任一产品。分布虚拟环境技

24、术这种用于设计4工程的现实可能性，使我们将面临另一次技术革命。即全部的设计过程，从概念设计直到最后的产品，都在一套虚拟环境系统上完成。在典型的协同设计系统里，有一群用户，对虚拟世界中的物体进行同步或异步的建造和操作。(2)在训练领域的应用分布虚拟环境技术在模拟训练领域的应用是及其广泛的，尤其在军事训练领域更是如此。各种民用和军用飞机、车辆和舰船等驾驶模拟器都是采用虚拟环境技术建立起来的。美国军方的S I M N E T 和虚拟战场(S T O W)实际上都是一个巨大的分布虚拟环境系统。分布虚拟环境技术也被应用在医学领域，用于外科医生的培训、手术方案的演练和遥控手术等，这与用飞行模拟器培训飞行员

25、有些类似。(3)科学可视化领域的应用分布在不同地域的科学家在进入到同一个虚拟环境后，可对可视数据集合进行讨论。科学家在此类虚拟环境中的工作不是各自进行不同的任务，而是对于所看到的数据进行讨论并提供不同意见。(4)在远程操作领域的应用从发展来看，操作者在远离危险环境的地方借助于虚拟环境系统进行操作的可能性具有特别诱人的前景。美国国家航空航天局(N A S A)的一个项目的目的就是规划在轨道中工作的机器人的远程操作，如保持空间状态等。(5)在教育领域的应用分布虚拟环境技术在教育领域的应用将彻底地改交人类传统的教育学习方式，深刻地推进人类自身的发展。目前，在教育领域已经出现了虚拟实验室、虚拟教室、虚

26、拟学校和虚拟图书馆等一些新的分布虚拟环境应用。(6)在娱乐领域的应用网络游戏是其中一个比较成功的应用领域。删o R P G(M a s s i v em u l t i p l a y e rO n l i n eR o l e P l a y i n gG a m e)发展迅速，比较典型的有暴雪公司的W a r C r a f t 等，它能依靠不同区域的服务器组支持数百万的玩家。当然，当前的M M O R P G 系统仍然存在缺陷，比如不同区域服务器组中的玩家不能相互交互，同一服务器组中处于不同服务器中的玩家虽然能够数据迁移，也不能做到真正的交互。本文所提出的体系架构也正是从某种程度上处于克

27、服以上缺陷而提出。1 2 研究背景与主要工作自2 0 0 5 年初，作为复旦光华信息技术有限公司研究开发部的一名研究生，本人一直参与了虚拟舞台项目的设计开发。虚拟舞台系统是一个分布式控制虚拟环境，由各个工作人员分布控制场景元素，灯光以及角色等，协助导演完成戏剧的排练过程。系统可分为灯光特效子系统，场景子系统，角色子系统，控制子系5统，渲染合成子系统等。在整个项目中，本人具体负责网络通信平台的设计开发。大规模在线网络游戏(删o R P G)蓬勃发展，有着广阔的市场前景。但是即使当前最主流，最强大的M M O R P G 系统，也存在一些明显缺陷。例如，在同-N 务器组中，不同分区的用户不能交互；

28、处于不同区域的服务器组中的用户不能交互；硬件投资成本过于高昂等。而M M O R P G 仅仅是D V E 技术的一个成功应用，以上问题归根结底还是D V E 系统的规模扩展性问题。所以，本着克服当前主流M M O R P G系统的缺陷的目标，本人在之前参与虚拟舞台项目开发的技术积累之上，着重对D V E 系统的体系架构和通讯机制进行了研究。需要说明的是，本文所提出的D V E 体系结构并不拘泥于网络游戏，也不局限于某个特定的应用，它是一个通用的体系结构，可被用于多种应用。本文的工作和创新点主要体现在以下方面：(1)从通信结构，兴趣管理，数据复制和一致性控制四个方面综合考虑，提出了一个基于H

29、L A R T I 的分布式虚拟环境系统体系结构，以满足规模扩展的要求。L A 是一个分布式仿真技术标准，在分布式虚拟环境系统的并不常用，而把R T I 应用与D V E 系统中，作为多服务器之间的通信中问件，满足大通信量的需求，这一工作无论是在国际还是国内的D V E 系统研究中，都具有创新意义。(2)通过对D V E 系统通信机制的研究分析，设计了系统的网络通信平台，并部分实现了一个可复用的通信层。这里强调的是可复用性，充分使用面向对象技术和插件技术，使该通信层在满足性能要求的同时高度复用，不仅可用在应用服务器端，也可用在客户端和功能服务器端。(3)比较分析I C E 与C O B R A

30、，提出了一个基于I C E 的R T I 实现方案。目前为止，尽管C O B R A 相当复杂，R T I 的实现仍以C O B R A 为主，用性能更好，更加简便的I C E 技术取代C O B R A，来实现一个R T I 也是本文的创新点之一。1 3 章节组织论文共分七章，具体章节安排如下：第_ r 章，对分布式虚拟环境做了简要介绍，并概述了本论文的主要工作。第二章，首先分析了D V E 对体系结构的需求，从网络模型，数据模型等方面分析T D V E 的体系结构特点。着重分析了影响D V E 系统扩展性的四个方面：通信结构，兴趣管理，数据复制以及一致性控制。然后介绍了几个典型的D V E

31、 系统，指出这些系统的不足。最后，简单介绍了H L A 的概念和组成。第三章，首先，提出了一个基于H L A R T I 的可扩展的分布式虚拟环境体系架构。然后介绍了该架构中的主要部分(应用服务器和功能服务器)的软件架构。6并从网络通信，数据复制，兴趣管理，负载平衡几个方面对关键技术进行分析。第四章主要是对D V E 通信机制的相关研究。首先，为满足D V E 系统的需要，根据不同的消息类型选择不同的通讯方式。然后，分析了通讯协议的两种实现方案。第五章是关于系统的网络通信平台的设计实现。首先从通信协议，T C P 组件，消息分派器组件等几个部分详细介绍了一个可复用的通信层。然后介绍了应用服务器

32、和功能服务器之间的通信方案实现。第六章，首先介绍了H L A 的核心R T I 的功能，然后对比分析I C E 与C O B R A 的特点，提出了一个基于I C E 的R T I 原型实现方案，并给出了一个简单的I C E 应用例子。第七章，总结与展望。7第二章分布式虚拟环境体系结构分析分布式虚拟环境(D Y E)是在网络环境下提供的计算机模拟的虚拟世界，参与者在共享的三维空间中漫游交互，并和其他参与者进行通讯。分布式虚拟环境系统体系结构是D v E 研究中的一项很重要的内容。本章将探讨分布式虚拟环境系统的体系结构模型。介绍D Y E 的若干关键技术，并对几种典型D Y E 系统进行分析，为

33、进一步提出一种可扩展的D Y E 系统体系结构提供理论和技术基础。2 1 分布式虚拟环境对体系结构的需求要使体系结构适应于分布虚拟环境系统的需求，就要明确分布虚拟环境系统对体系结构有哪些需求。分布虚拟环境系统出现了趋向大规模、逼真、复杂的特点，这对体系结构的具体要求体现在以下几个方面 1 9 。(一)规模扩展性随着分布虚拟环境系统向大规模方向发展，分布虚拟环境要求支持的实体数从数十个，数百个到数千个到数万个迅速增长。出于资源限制和成本考虑，分布虚拟环境系统必须在有限的资源基础上，支持尽可能多的实体。随着系统规模的扩大，系统的运行性能应尽量保持不变或线性缓慢下降，也就是说分布虚拟环境系统必须具备

34、优异的规模扩展性。在分布虚拟环境中，规模扩展性主要涉及计算负载和通讯负载的合理分配问题。计算负载包括实体动态模型(包括物理模型，几何模型和声音模型等)的计算，远地模型的计算和支撑系统(包括网络通讯子系统，用户交互子系统、图形显示子系统和数据库管理子系统等)的计算。支撑系统负载是平台依赖的，一般是不能分配和转移的，因此计算负载在计算资源上的合理分配问题主要是实体动态模型和远地模型计算负载在网络中的主机和服务器上的合理分配问题。通讯负载包括实体之间的数据通讯、实体与远地实体化身的之间的数据通讯和管理系统(包括名字管理、定位管理和兴趣管理等)的数据通讯。网络资源一般是有限的、固定的，因此通讯负载在通

35、讯资源上的合理分配问题主要是如何尽量减少不必要的通讯负载，有效利用通讯资源，即减少实体间、实体和远地实体化身间和管理系统的不必要的数据通讯，以减少网络的数据通讯流量，有效利用网络带宽资源的问题。(-)功能扩展性分布虚拟环境系统是由不同时间、地点和环境下开发的虚拟环境子系统互联而成，这些子系统或其中的部分实体可能会在运行过程中任意加入或退出虚拟环境。由于网络通讯的不可靠和一些不确定性因素，这种情形是尤其会出现在分布8虚拟环境建立在广域网和互联网的情况下。分布虚拟环境系统的体系结构应当能够保证：当系统中的某些子系统或实体在任意加入或退出分布虚拟环境时，不致危及其它子系统和实体的运行。同时，由于分布

36、虚拟环境系统的规模越来越大，越来越复杂，相应的维护费用越来越高，因此要求分布虚拟环境的体系结构具有足够的灵活性，能够适应运行中主机和网络拓扑的变化，可以在线动态扩展系统的功能。(三)兼容性(异构性)作为一种大规模的复杂系统，分布虚拟环境系统可能需要运行在不同平台和操作系统上，也就是说，分布虚拟环境系统可能需要运行在异构平台上，分布虚拟环境系统应是平台独立的，对不同平台具有良好的兼容性。此问题的解决日莳主要依靠J a v a 技术和中间件技术。通过J a v a 技术可以实现应用程序跨平台，而通过中间件技术可以使共享资源跨平台。(四)交互性分布虚拟环境是为了适应多用户协同工作的需要，将分布在各地

37、的独立虚拟环境子系统互联而形成的。分布虚拟环境系统作为一个复杂的系统，是由多个可独立运行的子系统构成的，而这些子系统及其仿真实体一般也是在不同的时间、地点和平台上用不同的编程语言、软件工具和开发环境下开发出来的，因此要使这些分别开发出来的分布虚拟环境子系统之间、子系统与仿真实体之问和仿真实体之间能够很容易地实现互操作，就要求它们具有一种统一合理的体系结构，软件框架和接口通讯方式，从而使分布虚拟环境系统具有很高的互操作性。从以上几点需求可以看出，分布虚拟环境系统的体系结构是影响系统功能和性能的主要因索之一，一个好的分布虚拟环境系统必须要有一个设计良好的体系结构。2 2 分布式虚拟环境的模型与结构

38、2 2 1 数据模型(一)集中式复制式结构分布式虚拟现实系统的数据模型可分为集中式结构和复制式结构 5 。集中式结构是只在中心服务器上运行一份共享应用系统。中心服务器的作用是对多个客户机的输入输出操作进行管理，允许多个客户机信息共享。它的特点是结构简单，容易实现，但对网络通信带宽有较高的要求，并且高度依赖于中心服务器。复制式结构是在每个客户机上复制中心服务器，这样每个客户机都有一份共享应用系统。服务器接收来自于其它工作站的输入信息，并把信息传送到运行在客户9机上的应用系统中，由应用系统进行所需的计算并产生必要的输出。它的优点是所需网络带宽较小。另外，由于每个客户机只与应用系统的局部备份进行交互

39、，所以，交互式响应效果好。但它比集中式结构复杂，在维护共享应用系统中的多个备份的信息或状态一致性方面比较困难。二)统一的局部数据库不同的局部数据库复制式虚拟环境系统可分为两大类 5 ：第一类是指组成虚拟场景的所有对象(也称为数据库)是完全相同的，即虚拟场景是统一的。虽然不同的用户可以观察虚拟场景的不同部分，但是在局部数据库中装入相同的对象。在第二类系统中，局部虚拟世界不必共享相同的对象集，各个局部数据库中的内容并不相同。在复制式结构中，有些系统使用统一的局部数据库，有些系统使用不同的局部数据库。2 2 2 网络模型(一)对等模型图2 1：分布对等模型图2 2：客户服务器模型如图2 1，分布对等

40、(P e e r t 0-P e e r)结构体现在两个方面：一是直接通讯上，节点之间的通讯是由通讯双方直接完成的，而不借助于其他节点，在通讯上相对独立；二是在自主功能上，节点是自治的、平等的，不同节点之间没有相互的隶属和依赖关系，在功能上相对独立，整个系统的管理是通过主机之间的协作来完成的。D I S 和S I 心E T 7 系统就是典型的分布对等结构。这种结构由于避免了可能的中央服务器瓶颈，所以比中央服务器具有更好的可靠性和伸缩性；但实现全局状态一致和主机间同步比较困难，导致实现复杂；并且由于系统多采用广播通讯方式，占用较多的网络带宽，所以不适用于广域网。分布对等结构适用于中小规模的分布虚

41、拟环境系统。(二)客户服务器模型如图2 2，与分布对等结构相反，中央服务器结构中主机与服务器之间的地位是不平等的，存在主从关系，主机必须借助服务器提供的服务才能实现其功1 0摩直虚壶；虚亟直盔0 凰庥雅膏锈蕊能。在这种结构的分布虚拟环境中，有一个服务器或多个服务器负责其他实体的加入，退出，通讯和虚拟环境的管理和维护。这种中央服务器结构通常适用于小规模系统，如小型视频会议系统等，典型的例子是多用户网络游戏M U D。客户机服务器结构的特点是实现简单，伸缩性不好，服务器容易成为整个系统的瓶颈。B r i c kN e t 8 和R I N G 1 2 都是C l i e n t S e r v e

42、 式分布式虚拟现实系统。(三)层次模型I I m团团圆、，、。7图2 3：层次模型如图2 3，层次模型是客户机服务器结构和分布对等结构的结合，也称多服务器结构，如图所示。层次模型拥有多个服务器，每个服务器负责管理一组主机。客户机N 务器是相对的，一个服务器也可以是别的服务器的客户机，接受该服务器的管理和服务，从而使整个系统拥有多个层次。在相临层次之间的计算机节点之间存在主从关系：在同一层次内部的计算机节点之间不存在主从关系，地位是平等协作的。层次结构避免了中央服务器瓶颈，简化了系统的管理功能，允许在不同层次内部和不同的层次之问采取不同的管理策略和通讯策略，如在局域网内部主机之间采用广播方式，而

43、在广域网上服务器之间采用点对点的通讯方式或组通讯方式，具有较好的伸缩性，适用于大规模分布虚拟环境应用。M A S S I V E 的空间模型就采用了层次结构来管理实体。多服务器的层次模型有两种类型 2 3 ：(1)基于虚拟世界划分虚拟世界被划分成一些逻辑区域，每个区域被分配到一个服务器。客户根据化身在虚拟世界中所在的区域与某个服务器进行通信。在这种方式中，一个服务器只负责虚拟世界中的某一部分，客户会因为所在虚拟世界中逻辑区域的变化而发生服务器的迁移。为了减少服务器之间的通信量，虚拟世界的划分和服务器的负载平衡是要重点考虑的问题。这种方式有比较好的扩展性，可满足大虚拟场景，多用户的需求。，2)基

44、于物理位置划分客户端根据根据其所在的物理区域选择连接到哪个服务器，通常根据选择距离最近的服务器。每个服务器都保持整个虚拟世界数据的完整备份。这种方式可有效减少用户的网络延迟。2 3 影响D V E 系统规模扩展性的关键因素影响系统规模扩展性的因素是多方面的。从带宽瓶颈问题考虑，一个重要手段是使用兴趣管理技术过滤不必要的消息传递。通常的方法还有将虚拟世界数据复制到客户端，使仅传递更新消息。这样，就要考虑尽量减少虚拟世界数据的传输延迟。而且，既然每个客户端都有数据备份，就会产生一致性控制问题。从计算瓶颈问题考虑，可选择合适的通信结构，把单个服务器上的计算负载分配到多个客户端或者多个服务器上。从以上

45、分析可以看出提高系统的规模扩展性要从兴趣管理，通信结构，数据复制和一致性控制四个方面进行总体考虑。2 3 I 通信结构如前所述，基本的通信模型可分为三种：点对点模型，客户服务器模型，层次模型。分布对等结构的的最大问题是获得其他主机的信息，由于缺少系统一致的全局状态信息，分布对等结构的通讯方式大多采用广播通讯，以便发现其他主机和传输数据。广播通讯方式浪费大量的网络带宽，在主机数目比较多的情况下会造成网络通讯阻塞，从而限制了系统中的主机数目，使分布对等结构仅限于中小规模系统。如采用分布对等结构的D I S 系统通常只能支持少于一万的实体。中央服务器结构由于中央服务器成为系统的中心节点，计算负载和通

46、讯负载比较集中，系统的规模受服务器的处理能力和通讯能力的制约。在大规模系统中，服务器容易成为整个系统的瓶颈，影响系统的性能，所以中央服务器结构通常应用于小规模系统。层次结构避免了两者的缺点，能够支持更大的系统规模，其伸缩性比较好，但系统实现也比较复杂。但是，即使是层次模型，对系统规模的支持也是有限的。随着系统用户进一步增多，服务器之间巨大的通信量会成为很大的问题。层次模型实际上还是中央服务器模型的一种扩展，所以通信延迟比较大。因此，寻找一种能支持超大规模用户的通信结构，有效减少中央服务器的计算负载，通信负载，减小通信延迟，是尤其重要的问题。1 22 3 2 兴趣管理随着分布式虚拟环境应用范围的

47、扩大，分布式虚拟环境涉及的实体数不断增加，另外随着烟雾、天气、电磁影响，动态地形等因素的加入，使得网络带宽，特别是远程的网络带宽滞后于大规模分布式虚拟环境发展的需求。目前主要采用兴趣管理技术解决大规模分布式虚拟环境通讯问题。兴趣管理技术是伴随组播技术出现的，兴趣管理技术的目的是让实体只向对它感兴趣的实体发送状态信息，也只接收它感兴趣实体的状态信息，从而达到减少网络通讯开销的目的 3 2 。在分布虚拟环境中，影响通讯延迟的另一个重要因素是建立通讯通道的时间和主机处理数据报的时间。由于主机建立通讯通道时，首先需要进行兴趣管理，确定实体的发布通道和接收通道，因此建立通讯通道的时间主要取决于系统兴趣管

48、理算法的计算时间。同时，由于主机在收发数据报时，需要进行发送端和接收端的数据过滤，将不需要的数据报过滤掉。而主机需要过滤的数据报的数量主要取决于系统兴趣管理算法的效率，因此主机处理数据包的时间与系统兴趣管理算法的效率有重要关联。由以上可知，在分布虚拟环境中，影响通讯延迟的一个重要因素是系统兴趣管理算法的效率和复杂性。所以，进一步研究高效率的兴趣管理算法也是当今D V E 研究的一个热点。2 3 3 数据复制在分布虚拟环境中，如何分布和处理虚拟世界的状态数据和对象的状态数据影响到虚拟环境的伸缩性、通讯需求和虚拟环境数据一致性。如上一节所述，分布虚拟环境系统的数据分布通常有以下形式：集中式和分布式

49、。而分布式数据分布中，又可分为统一的局部数据库和不同的局部数据库。为了支持D V E 系统的实时交互，通常采用不同局部数据库的分布式数据分布方式。随着虚拟环境数据的增大，几何模型初始化数据到客户端的时间延迟会随之增大。这里可应用的技术包括多分辨率模型传输、几何数据快速缓存及存取。2 3 4 一致性控制分布式虚拟环境中，通常每个用户一般都有共享信息的副本。它允许用户局部访问和更新数据以提供可接受的交互性能。但为了使所有用户看到的虚拟世界是相同的，就必须保证各用户共享信息副本问的一致性。为此，D V E 需要采用同步控制机制来协调场景中用户和虚拟世界的交互。尤其，当用户通过广域网进入系统或网络负载

50、较重时，通信延迟变大，虚拟环境的不一致性就会更加明显。因此，一致性控制也是D V E 系统的一个重要内容。2 4 几个典型的D Y E 系统分析如上所述，提高O V E 系统的规模扩展性，需要从通信结构，兴趣管理，数据复制，一致性控制四个方面综合考虑。很多典型的D V E 系统都提出了提高规模扩展性的方法，但一般仅局限于某些方面，没能综合以上四个方面全面考虑，或者考虑不足。B r i c k N e t 8 基于客户服务器模型，数据库分布在各客户应用上。例如，当一个实体在虚拟环境中运动时，它的数据库被更新，这就要求服务器的对象需求代理知道哪个客户保存这一部分世界。B r i c k N e t