BH_RTI構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境

1、BH RTI構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)在許多領(lǐng)域逐漸得到了廣泛應(yīng)用，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。分布式虛擬環(huán)境（Distributed Virtual Environment，DVE），也稱為分布式虛擬現(xiàn)實（Distributed Virtual Reality，DVR）、網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實、多用戶虛擬環(huán)境等，是隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和普及而發(fā)展起來的，它利用網(wǎng)絡(luò)將不同地方的節(jié)點加以聯(lián)結(jié)，構(gòu)造一致共享的分布式虛擬現(xiàn)實環(huán)境，進(jìn)一步拓展了虛擬現(xiàn)實研究與應(yīng)用的范圍，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防安全和文化教育等領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用前景。 基于HLA仿真系統(tǒng)的研發(fā) 從1996年至2

2、000年，北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實新技術(shù)教育部重點實驗室聯(lián)合國內(nèi)一些重要單位完成了兩期關(guān)于分布式虛擬環(huán)境研究的“863”重點課題DVENET的研究與開發(fā)工作。隨著仿真規(guī)模的增加和應(yīng)用需求的發(fā)展，傳統(tǒng)DIS系統(tǒng)的局限性表現(xiàn)得越來越明顯，基于DIS的系統(tǒng)在聚合級仿真、大規(guī)模仿真和裝備評價等方面存在嚴(yán)重不足，成為阻礙項目進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。因此，從2001年開始，實驗室全面轉(zhuǎn)向基于HLA（High Level Architecture，分布交互仿真技術(shù)的高層體系結(jié)構(gòu)，分布交互仿真的最新標(biāo)準(zhǔn)）的研究和開發(fā)。 HLA旨在建立一個通用的高層仿真體系，達(dá)到各種模型和仿真的互操作和可重用性，它包括

3、規(guī)則、接口規(guī)范和對象模型模板三部分，HLA系統(tǒng)包括運行時基礎(chǔ)設(shè)施軟件RTI(Run-Time Infrastructure)和RTI之上的仿真應(yīng)用，RTI提供HLA接口規(guī)范定義的六類服務(wù)，包括聯(lián)盟管理、聲明管理、對象管理、時間管理、所有權(quán)管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理等。    HLA核心技術(shù)RTI的功能及特點 作為HLA技術(shù)的核心，RTI軟件具有重要的意義，對分布式虛擬環(huán)境的規(guī)模和效率有著重要的影響，美國、加拿大、瑞典、英國、日本、新加坡、法國以及中國等均大力支持RTI的開發(fā)。國際上流行的RTI有DMSO RTI NG、pRTI、MAK-RTI等。隨著H

4、LA的推廣應(yīng)用，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)也積極開展RTI技術(shù)的研究。比較典型的有北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實實驗室開發(fā)的BH RTI、國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院開發(fā)的KD-RTI、國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院的YH-RTI、基于CORBA中間件技術(shù)開發(fā)的集中式StarLink與層次式StarRTI、航天工業(yè)總公司第二研究院開發(fā)的SSS-RTI、北京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院開發(fā)的AST-RTI等，這些RTI有各自的研究背景，均已在不同的領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用和成績。 現(xiàn)有的RTI運行時支撐模式都是由RTI軟件和一系列的輔助RTI工具來為開發(fā)應(yīng)用者提供運行時服務(wù)和各種輔助診斷、監(jiān)視、管理功能。不同于傳統(tǒng)的

5、RTI軟件，加上一系列的輔助RTI工具的支撐模式，BH RTI本身就是一系列的RTI軟件，它們根據(jù)不同用戶的需求，協(xié)同來提供分布式虛擬環(huán)境的運行時服務(wù)。 在BH RTI的分布式RTI運行體系中，各個RTI之間是對等的關(guān)系。如圖2所示，有多個對等的RTI系統(tǒng)，RTI為那些連接到它上面的盟員提供服務(wù)，一般的情況下是每個RTI支撐所在主機(jī)節(jié)點上的一系列盟員。BH RTI以組播為基本通訊方式的，因此BH RTI之間的數(shù)據(jù)交換在支持組播路由協(xié)議的域間可以順利進(jìn)行，在組播能夠路由到的一個或多個域之間的RTI系統(tǒng)就組成了一個BH RTI域。 這種分布式的RTI運行體系簡單易用，同時具有很

6、好的節(jié)點可擴(kuò)展性，它要求基于這種運行體系的BH RTI需要由符合HLA接口規(guī)范的開發(fā)庫和對等的RTI主運行程序兩個部分組成，在需要的時候還可以通過RTIBridge來支持異類RTI以及多聯(lián)盟之間的互操作。 整個BH RTI支撐的應(yīng)用系統(tǒng)包括四大部分（如圖3）：盟員(HLA應(yīng)用程序)、LRC、核心RTI、BH RTI系列。其中LRC以庫的形式被鏈接到HLA應(yīng)用程序中，支撐服務(wù)和一些本地服務(wù)由LRC提供，核心RTI提供分布交互仿真的運行時服務(wù)，包括HLA所定義的核心服務(wù)功能，其管理服務(wù)接口ManageIF提供了對RTI的狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制，以及BH RTI的開發(fā)功能。 LRC處

7、于應(yīng)用程序和RTI之間，向應(yīng)用程序提供HLA所定義的服務(wù)接口，應(yīng)用程序的開發(fā)不用關(guān)心RTI的具體運行機(jī)制，只需遵循HLA所定義的標(biāo)準(zhǔn)接口和規(guī)則等；LRC是核心RTI和應(yīng)用程序相交互的那部分功能模塊，以庫的形式由應(yīng)用程序調(diào)用，被鏈接到HLA應(yīng)用程序中。核心RTI是BH RTI的主運行程序，包括應(yīng)用程序接口ServiceIF模塊，系統(tǒng)服務(wù)模塊，NAL，LinkerIF模塊，管理服務(wù)模塊等。由于不同分布式虛擬環(huán)境應(yīng)用的差異較大，研究應(yīng)用不同階段的需求不同，一種RTI不能夠滿足這些復(fù)雜多變的需求。BH RTI的重要特色之一就是具備面向不同用戶需求、具有相同內(nèi)核的系列RTI。根據(jù)進(jìn)行HLA應(yīng)用的用戶開發(fā)

8、應(yīng)用水平差異較大的現(xiàn)狀，開發(fā)了三種版本的BH RTI和Linux 下的BH RTI。這些BH RTI可以聯(lián)合使用，在同一個RTI域中互操作。 BH RTI運行版易學(xué)易用，用戶可以不用進(jìn)行任何配置，RTI將自適應(yīng)地提供服務(wù)，沒有使用MFC，其運行效率最高；BH RTI研發(fā)版提供了應(yīng)用程序運行時的大量診斷信息，便利應(yīng)用程序開發(fā)者。由于提供了大量的信息診斷和顯示，運行效率受到一些影響，適用于程序的研發(fā)尤其是調(diào)試階段，但也能夠滿足普通的應(yīng)用；BH RTI專業(yè)版提供圖形化界面進(jìn)行各種參數(shù)配置和運行時控制，容易使用，相比于目前國際上各種RTI復(fù)雜易錯的配置文件，更好地方便了用戶的應(yīng)用。Linux

9、下的BH RTI可以滿足某些應(yīng)用的需求，且其性能明顯高于Windows下的版本。 RTI推廣應(yīng)用 組播技術(shù)是提高分布式虛擬環(huán)境系統(tǒng)規(guī)模的關(guān)鍵技術(shù)。為了便利用戶根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行組播地址分配，BH RTI提供了地形網(wǎng)格編輯器MapEditEx，用戶可以根據(jù)真實的地形來直觀地定義組播地址分配。如圖5所示，MapEditEx實現(xiàn)了對實際地理區(qū)域的網(wǎng)格劃分，以及網(wǎng)格選擇、網(wǎng)格線編輯、局部放大、地理信息位圖載入、自定義網(wǎng)格劃分等編輯操作，為RTI提供網(wǎng)格劃分和過濾信息，最終為用戶根據(jù)演練需要實現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)格劃分提供手段。 用戶可以根據(jù)任務(wù)的需要在不同的地點部署不同稀疏程度的網(wǎng)格

10、，還可以在不需要演練的地點進(jìn)行反選，以在這些地方不分配組播地址或統(tǒng)一分配一個組播地址。網(wǎng)格劃分和選擇信息被存儲在文件中，BH RTI在初始化的時候根據(jù)這些信息來初始化組播地址分配。 BH RTI實現(xiàn)了HLA 1.3和IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)，在支撐規(guī)模上比國際同類系統(tǒng)有顯著提高，可支持5000個盟員應(yīng)用程序，近50000個動態(tài)對象的實時交互?；贐H RTI已經(jīng)進(jìn)行了大量仿真演練和三次異地聯(lián)合仿真演練，圖6所示的是一些演練的場景。目前國內(nèi)已有80多家單位基于BH HLA/RTI開展研究和應(yīng)用，其中有十多家單位基于BH RTI建立的應(yīng)用系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了較好的成效，進(jìn)入實際使用或運

11、行中。 RTI與下一代互聯(lián)網(wǎng) 近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)在社會生活各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和商業(yè)化的深入發(fā)展，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的不足逐漸顯露，下一代互聯(lián)網(wǎng)（Next Generation Internet, NGI）的研究和實踐開始成為全世界關(guān)注的熱點。隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的升級改造，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量大為改善，現(xiàn)有專用網(wǎng)上分布式虛擬環(huán)境的一些技術(shù)可以向互聯(lián)網(wǎng)上推廣，為解決跨城市分布式虛擬環(huán)境的應(yīng)用問題提供了契機(jī)。北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實實驗室在中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程CNGI (China Next Generation Internet) 項目的支持下，在CERNET2北航節(jié)點部署了一組基于IPv6的BH

12、RTI運行平臺服務(wù)機(jī)群，在北京、上海、武漢、浙江、廣州共5個城市的6個主要節(jié)點開展應(yīng)用試驗。 測試表明，在CERNET2上，BH RTI有效支持了跨北京上海的100個應(yīng)用程序、數(shù)百實體的實時協(xié)同，128字節(jié)的平均單路延遲小于20ms。而在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上，這種十幾毫秒的實時交互應(yīng)用一般只出現(xiàn)在廣域遠(yuǎn)程兩個或有限幾個節(jié)點之間的協(xié)同。從2006年8月開始，我們免費發(fā)放基于IPv6的BH RTI，供相關(guān)CERNET2單位研究和使用（）。 >>>分布式虛擬環(huán)境技術(shù)及其發(fā)展 分布式虛擬環(huán)境有基于互聯(lián)網(wǎng)和基于專用網(wǎng)兩大類?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的分布式虛擬環(huán)境可以追溯到

13、70年代末出現(xiàn)的多用戶游戲(Multiuser Dungeon，MUD)。虛擬現(xiàn)實建模語言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)第一次在Web上實現(xiàn)了三維的世界。2000年左右，大型多人在線游戲(Massively Multiplayer Online Game，MMPOG)等網(wǎng)絡(luò)游戲迅速崛起，得到了大范圍應(yīng)用，國內(nèi)流行的“石器時代”、“傳奇”、“千年”、“命運”都屬于這一類中的MMORPG (Massively Multiplayer Online Role Playing Game，大型在線角色扮演類游戲)。   &#

14、160;          基于專用網(wǎng)的分布式虛擬環(huán)境應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域是仿真領(lǐng)域，并稱為分布交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）或分布式仿真（distributed simulation）。分布交互仿真技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了SIMNET（SIMulator NETwork）、DIS協(xié)議、ALSP協(xié)議（Aggregate Level Simulation Protocol）等三個階段，目前已進(jìn)入高層體系結(jié)構(gòu)HLA（High Level Archi

15、tecture）研究階段。美、英、日、德等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)紛紛啟動HLA的研究計劃。HLA是分布交互仿真的最新標(biāo)準(zhǔn)，它旨在建立一個通用的高層仿真體系，達(dá)到各種模型和仿真的互操作和可重用性。由于HLA標(biāo)準(zhǔn)思想和技術(shù)的先進(jìn)性，它已經(jīng)成為分布式仿真領(lǐng)域官方和事實上的標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前研究的重點和熱點。美國軍方從2000年開始在美軍內(nèi)部強(qiáng)制全面推廣國防部標(biāo)準(zhǔn)HLA 1.3，2000年通過的IEEE P1516標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)在工業(yè)界開始應(yīng)用。采用分布交互仿真技術(shù)構(gòu)建分布式虛擬環(huán)境已成為一些領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。  隨著互聯(lián)網(wǎng)和分布式虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)和基于專用網(wǎng)這兩大類的技術(shù)逐漸出現(xiàn)交叉，基

16、于專用網(wǎng)的分布交互仿真的一些技術(shù)或思想被應(yīng)用到互聯(lián)網(wǎng)上，專用網(wǎng)上也有些應(yīng)用采用基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。圖1從這兩個方面按照技術(shù)出現(xiàn)的時間簡要給出了分布式虛擬環(huán)境技術(shù)的發(fā)展歷程。BH RTI產(chǎn)品簡介概述分布交互仿真運行平臺BH RTI (Beihang Run-Time Infrastructure)由虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室（北京航空航天大學(xué)）自主研發(fā)，得到北京航空航天大學(xué)產(chǎn)業(yè)孵化器支持，從2008年開始授權(quán)北京天人同達(dá)軟件科技有限公司進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研運作，負(fù)責(zé)產(chǎn)品銷售，提供相關(guān)技術(shù)支持與服務(wù)。該平臺支持HLA 1.3和IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)，是支持分布交互仿真應(yīng)用開發(fā)和高效運行的軟件系統(tǒng)平臺，可

17、應(yīng)用于視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、工業(yè)設(shè)計、交互式游戲等各個分布交互仿真或虛擬環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域。BH RTI目前最新版本為2.3(2.4即將推出)，具有HLA 1.3和IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接口功能，能同時支持兩種標(biāo)準(zhǔn)、不同操作系統(tǒng)的盟員進(jìn)行仿真，可自由部署一組RTI來提供服務(wù)，便于開展廣域網(wǎng)應(yīng)用。具有高性能、方便易用、配置和運行監(jiān)測可視化等特點，能夠支持大規(guī)模仿真應(yīng)用系統(tǒng)的運行。為了滿足各種需求，平臺提供了多種運行版本，以及各類配套工具的支持，同時，BH RTI 2.3支持Windows/Linux/Windows Mobile等操作系統(tǒng)，以及IPv4/v6兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。BH RTI 2

18、.3提供了符合HLA 1.3和IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)的C+ API接口，接口功能涵蓋標(biāo)準(zhǔn)中定義的六類管理服務(wù)(聯(lián)盟管理、聲明管理、對象管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理、所有權(quán)管理、時間管理)，支撐服務(wù)以及管理對象模型(MOM)。BH RTI 2.3采用結(jié)合中心服務(wù)節(jié)點的分布式交互體系結(jié)構(gòu)，在該體系結(jié)構(gòu)中，有多個RTI系統(tǒng)在運行，這些獨立運行的RTI系統(tǒng)稱為RTI節(jié)點，同時有一個獨立的中心系統(tǒng)運行，稱之為中心服務(wù)節(jié)點。在基于HLA的分布式虛擬環(huán)境中，RTI節(jié)點負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，是最基本的數(shù)據(jù)交互管理單位和接口。各個節(jié)點為平等關(guān)系，相互之間使用RTI-RTI交互協(xié)議進(jìn)行通信，中心服務(wù)節(jié)點管理多個RT

19、I節(jié)點，負(fù)責(zé)分布式環(huán)境中全局?jǐn)?shù)據(jù)的處理，是各個RTI節(jié)點的協(xié)調(diào)中心，中心服務(wù)節(jié)點與RTI節(jié)點之間使用RTI-CS交互協(xié)議進(jìn)行通信。RTI-RTI與RTI-CS交互協(xié)議讓各個RTI和中心服務(wù)節(jié)點通過協(xié)商來完成HLA/RTI的服務(wù)功能，使得各個主機(jī)上獨立運行的RTI節(jié)點對于應(yīng)用程序（即盟員）來說像一個集中服務(wù)器一樣。 BH RTI在分布式體系下進(jìn)行層次化管理，其支撐的仿真系統(tǒng)包括五大部分：盟員(HLA應(yīng)用程序)、LRC、核心RTI、管理服務(wù)，以及DvePolice和BH RTI Console這樣的管理程序。其中LRC以庫的形式被鏈接到HLA應(yīng)用程序中，核心RTI提供HLA所定義的基本接

20、口服務(wù)，支撐服務(wù)由LRC提供，管理服務(wù)Manage Service提供了UDP和API調(diào)用的方式對RTI的服務(wù)進(jìn)行偵測和控制。軟件介紹根據(jù)不同應(yīng)用階段的用戶需求，BH RTI研發(fā)團(tuán)隊開發(fā)了windows與linux下的運行版、研發(fā)版、專業(yè)版三種版本，以及FED文件語法檢查器和地形網(wǎng)格編輯器等輔助工具。BH RTI運行版是DOS窗口的版本，實現(xiàn)了BH RTI的全部核心功能，占用資源小，運行效率高，能自適應(yīng)地進(jìn)行配置，不需要用戶進(jìn)行任何干預(yù)，可以最大程度地便利應(yīng)用和開發(fā)者。研發(fā)版提供了應(yīng)用程序運行時的大量診斷信息，便利于應(yīng)用程序開發(fā)者，由于提供了信息的診斷和顯示，效率較低，通常適用于程序的研發(fā)尤其是調(diào)試階段。專業(yè)版可以方便對HLA/RTI理解較深的用戶，對RTI進(jìn)行各種配置和運行時控制?？膳渲眯畔≧TI啟動配置、網(wǎng)格配置、擁塞控制。RTI啟動配置包括：數(shù)據(jù)通道端口、公共通道端口、TCP連接端口、組播基址、LRC連接地址、是否使用tick機(jī)制（或者是使用多線程機(jī)制）、是否使用興趣層次進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾。FED文件語法檢查器可以對Fed文件進(jìn)行