Сетевые механизмы обеспечения согласованности данных в распределенных системах виртуальной реальности

Общеизвестный факт: большую часть информации об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Неудивительно, что компьютерная индустрия, выйдя в массы пользователей, стала интенсивно развиваться в сторону реалистичной визуализации всевозможных процессов. В настоящее время компьютерной графике уделяется самое пристальное внимание — от разработки эффектных и ресурсоемких оболочек операционных систем до реалистичной динамической ЗО-визуализации в научных задачах и поражающих воображение эффектов в новейших компьютерных играх. Однако долгое время данным направлением занимались лишь крупные вычислительные центры, поскольку только они имели в своем распоряжении дорогостоящие специализированные ЭВМ, способные обрабатывать и визуализировать в реальном времени огромные массивы данных, присущие трехмерной графике.

В последние 7—10 лет с появлением недорогих и достаточно производительных ПК интерес к интерактивным приложениям трехмерной графики значительно вырос. Сегодня трехмерная компьютерная графика развивается столь же быстро, как и вычислительная техника в целом. Программно-аппаратные средства с каждым годом становятся все более сложными и производительными и позволяют добиваться высокого реализма трехмерных виртуальных миров. Появился отдельный класс интерактивных трехмерных приложений — системы виртуальной реальности, которые позволяют пользователю не просто быть наблюдателем событий, происходящих в виртуальных мирах, но и непосредственно принимать в них участие.

Вместе с повышением реалистичности увеличивается, и масштаб создаваемых систем. С ростом пропускной способности вычислительных сетей растет интерес к распределенньш системам виртуальной реальности ([29], [35], [36], [38]).

Распределенные системы виртуальной реальности (РСВР) представляют собой один из наиболее динамично развивающихся классов распределенных систем.

18, 62]. Повышенный интерес к таким системам, в первую очередь, связан с качественно новыми возможностями, которые они предоставляют человеку. Прежде всего, пользователю предоставляется возможность «погружения» в некоторую виртуальную среду, достаточно точно имитирующую реальный мир. Пользователь может взаимодействовать с объектами виртуальной среды, как визуально, так и с помощью различных устройств ввода-вывода. Однако главным свойством РСВР является возможность взаимодействия множества пользователей в общей для них виртуальной среде. РСВР позволяет пользователям работать совместно, невзирая на то, как далеко они друг от друга находятся, что может быть востребовано во многих прикладных областях.

Процесс разработки РСВР можно свести к решению следующих относительно независимых вычислительных подзадач:

1) формирование виртуального мира, являющегося интерактивным, единым и согласованным (или непротиворечивым, от англ. consistent) для удаленных пользователей системы;

2) задание законов движения и поведения объектов виртуальной среды с учетом управляющих воздействий пользователей;

3) качественная визуализация виртуальной среды.

Все эти подзадачи нацелены на решение главной задачи — создания максимально приближенной к реальным условиям виртуальной среды.

Существующие в настоящий момент РСВР в основном разрабатываются за рубежом. По сведениям, доступным в открытой печати (например, в [61, 64]), в данной области получены обнадеживающие результаты, однако, конкретные данные по многим ключевым вопросам отсутствуют. Кроме того, даже по имеющейся информации можно судить о наличии большого числа трудностей на пути создания таких систем, среди них:

— аппаратные ограничения, возникающие в сетях передачи данных, не позволяют пользователям РСВР получать согласованные виды виртуальной реальности, в результате чего сложно гарантировать непротиворечивость и одновременность протекающих в ней процессов для всех пользователей [62, 63]- применяемые для преодоления аппаратных ограничений методы все еще далеки от совершенства и в большинстве своем не предоставляют средств для динамической балансировки загрузки сетифактически отсутствует общий архитектурный подход к созданию РСВР (о чем также косвенно свидетельствует отсутствие в литературе единой терминологии применительно к РСВР).

Для преодоления этих и других трудностей, возникающих при построении РСВР, в данной работе осуществляется разработка и обоснование механизмов обеспечения согласованности, направленных на уменьшение влияния сетевых аппаратных ограничений и повышение качества взаимодействия пользователей.

Цель работы: разработка и обоснование механизмов обеспечения согласованности данных в распределенных системах виртуальной реальности, позволяющих при использовании современных вычислительных средств снизить влияние аппаратных сетевых ограничений и общую нагрузку на сеть за счет использования гибких способов управления сетевым трафиком.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи: анализ существующих распределенных систем виртуальной реальности, выявление основных их типов и архитектурных особенностейформализация распределенных вычислений в РСВР, разработка подходов к определению понятия согласованности данных и её оценке, выделение факторов, влияющих на согласованностьанализ базовых технологических принципов построения и разработка общей архитектуры РСВРразработка высокоуровневого протокола взаимодействия процессов и других механизмов обеспечения согласованности данных в РСВРразработка экспериментальной версии программного обеспечении промежуточного уровня, позволяющего создавать РСВР под конкретные области применения, на её основе — программной реализации опытной версии РСВР;

— проведение экспериментальных исследований по оценке эффективности разработанных механизмов на основе разработанной реализации РСВР;

— определение области применения разработанных средств и внедрение полученных результатов.

Объектом исследования данной работы являются распределенные системы виртуальной реальности.

Предмет исследования: сетевые механизмы обеспечения согласованности данных в распределенных системах виртуальной реальности.

Методы исследования. Системный анализ, теория множеств, элементы теории графов, теория распределенных систем, теория объектно-ориентированного программирования и натурный эксперимент.

Научная новизна работы. Новыми являются следующие полученные в диссертации результаты:

1) формализован процесс распределенных вычислений в РСВР с использованием событийного подхода, что позволило подойти к формальному определению понятия согласованности данных в таких системах;

2) предложены два возможных подхода к определению понятия согласованности данных: модели наблюдательной и видовой согласованности, последний подход позволяет оценить согласованность численно, на основе введенных оценок;

3) обоснованы и разработаны сетевые механизмы обеспечения согласованности данных в РСВР, в их числе: высокоуровневый протокол межпроцессного взаимодействия ИУЯР со встроенными механизмами управления репликацией данных на основе принципа «избирательной согласованности" — адаптивный метод репликации и предсказания состояний объектов, учитывающий динамику их движениямеханизм управления совместным доступом многих пользователей к состоянию виртуальной средыметод синхронизации часов процессов РСВР;

4) разработана общая архитектура РСВР для случая взаимодействия по схеме клиент-сервер, позволяющая применить созданные механизмы обеспечения согласованности.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов подтверждается опытным макетированием РСВР и соответствием получаемых показателей результатам проведенных экспериментальных исследований, а также результатами внедрения разработанных средств.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:

1) экспериментально подтверждена возможность создания РСВР и определены вероятные области её применения, в их числе: образование и наука, тренажерные комплексы и другие области, требующие удаленного взаимодействия многих участников (пример — территориально-распределенные ситуационные центры);

2) на базе предложенных механизмов обеспечения согласованности разработана экспериментальная программная библиотека TerraNet, представляющая собой ПО промежуточного уровня (middleware), которая позволяет создавать РСВР для конкретных областей применения, с возможностью их гибкой настройки. В частности, на её основе на кафедре ВМСиС МЭИ (ТУ) была разработана программная среда для модельного воспроизведения группового полета летательных аппаратов над местностью [21, 43];

3) предложенные в работе сетевые механизмы нашли применение в опытных версиях комплексных авиационных тренажеров, разрабатываемых ЗАО «Транзас» и ОАО «ОКБ Сухого»;

4) полученные в диссертационном исследовании результаты были использованы на кафедре ВМСиС МЭИ (ТУ) при выполнении госбюджетной НИР (гос. per. № 1 200 605 949), а также при подготовке курса лекций и лабораторных работ по дисциплине для магистров «Компьютерные технологии в науке и образовании», прочитанного в сентябре 2009 года;

5) исследования, проводимые по теме диссертации, поддержаны: программой Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект.

2.1.2/6718 «Стратегии организации и поддержки крупномасштабных вычислений в распределенных средах" — мероприятие: 2. «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки», раздел: 2.1. «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук», подраздел: 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук») — Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы (Государственный контракт П2227 «Программные модели и системы планирования распределённых вычислений" — «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлениям: «Механика», «Информатика», «Математика», выполняемому в рамках мероприятия 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук», мероприятия 1.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук» направления 1 «Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий») — Советом по грантам Президента Российской Федерации на право получения средств для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации (грант НТТТ-7239.2010.9 «Планирование масштабных вычислений и управление ресурсами распределенных вычислительных сред»).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных и научно-технических конференциях:

— Третья Европейская научно-технической конференции по аэрокосмическим наукам EUCASS-2009 (Грант РФФИ 09−07−9 229-мобз). Место проведения: Версаль, Франция. Организаторы: EUCASS и ASTech Paris Region при поддержке Французского национального центра научных исследований (CNRS). 6−9 июля 2009 г.

— Третья Всероссийская научная конференция «Методы и средства обработки информации». Место проведения: Москва. Организатор: МГУ им. М. В. Ломоносова. 6−8 октября 2009 г.

— Международная конференция по проблемам надежности вычислительных систем DepCoS-RELCOMEX. Место проведения: Польша. Организатор: Вроцлав-ский Технологический университет при поддержке Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). 2007, 2008, 2009 гг.

— Международная конференция «Параллельные вычисления и проблемы управления» РАСО. Место проведения: Москва. Организатор: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. 2006, 2008 гг.

— Международная научно-техническая конференция «Информационные средства и технологии». Место проведения: Москва. Организатор: МЭИ (ТУ) и МГТУ «СТАНКИН». 2005, 2006, 2007 гг.

— Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Место проведения: Москва. Организатор: МЭИ (ТУ). 2006, 2007, 2008 гг.

Публикации. Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 13 печатных работах (4 из них — на английском языке), включая 1 работу в издании, рекомендуемом ВАК.

Структура диссертации. Основная часть диссертации состоит из введения, пяти глав и заключения и содержит 157 страниц машинописного текста, 51 рисунок и 3 таблицы.

Список литературы

включает 71 наименование. Дополнительная часть содержит 4 приложения. Общий объем диссертации — 187 страниц машинописного текста (51 рисунок, 8 таблиц).

5.4. Выводы.

Данная глава была посвящена практическому применению разработанных механизмов и программных средств. Были рассмотрены две области применения: авиационные тренаэ! серные комплексы и учебный процесс'.

— внедрение высокоуровневого протокола межпроцессого взаимодействия и методов предсказания в распределенную систему визуализации авиатренажера позволило повысить согласованность между её отдельными каналами и тем самым значительно увеличить качество получаемого панорамного изображения;

— использование библиотеки Тегта№ 1 и системы распределенного моделирования виртуальных трехмерных сцен ShareEd. it в учебном процессе позволило познакомить студентов с проблематикой распределенных систем виртуальной реальности и продемонстрировать им идею совместной работы в рамках единой виртуальной среды.

В заключении главы была рассмотрена еще одна область применения — космическая отрасль, а также сформулированы перспективы дальнейшего исследования в направлении темы диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основная цель диссертационной работы — разработка и обоснование механизмов обеспечения согласованности данных в распределенных системах виртуальной реальности, позволяющих при использовании современных вычислительных средств снизить влияние аппаратных сетевых ограничений и общую нагрузку на сеть — достигнута.

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты.

1) Формализован процесс распределенных вычислений в РСВР с применением событийной модели обмена сообщениями. Предложены подходы к определению понятия согласованности на основе моделей наблюдательной и видовой согласованности, позволяющие учитывать особенности распределенных вычислений в РСВР. Введены метрики для оценки видовой согласованности, позволяющей непосредственно измерить разницу между репликами состояний виртуальной среды в процессах системы.

2) Разработана общая программная архитектура РСВР для случая взаимодействия по схеме клиент-сервер. В рамках данной архитектуры обоснованы и разработаны следующие механизмы обеспечения согласованности данных в РСВР:

М1. высокоуровневый протокол межпроцессного взаимодействия ИУКР, позволяющий организовать взаимодействие между процессами РСВР на более высоком логическом уровне, при меньшей загрузке сети за счет поддержки сообщений переменной длины и встроенных механизмов управления репликацией данных на основе принципа «избирательной согласованности»;

М2. адаптивный метод репликации и предсказания состояния объекта, позволяющий за счет учета динамики движения объекта уменьшить нагрузку на сеть при одновременном повышении точности предсказания состояний объектов;

МЗ. механизм управления совместным доступом к состоянию виртуальной среды, позволяющий корректно обрабатывать одновременные обращения нескольких процессов к одному объекту и разрешать связанные с этим ситуации нарушения согласованности;

М4. метод синхронизации часов процессов РСВР, основанный на алгоритме Кристиана, и позволяющий достигнуть большей точности синхронизации процессов, за счет учета статистики изменения ла-тентности при коррекции показаний часов.

3) С применением разработанных архитектуры и сетевых механизмов обеспечения согласованности данных разработана программная библиотека ТеггаЫе^ представляющая собой программное обеспечение промежуточного уровня для построения РСВР.

4) Разработана методика качественной оценки разработанных сетевых механизмов, позволяющая установить взаимосвязь между согласованностью состояний объектов на различных процессах РСВР и количеством потребляемых сетевых ресурсов. С помощью созданной методики экспериментально подтверждена эффективность и обоснованность разработанных сетевых механизмов, произведено исследование возможностей масштабируемости вычислительной среды.

5) Разработанные средства доказали свою эффективность на практике в авиационных тренажерных комплексах, а также нашли применение в учебном процессе.