一、计算机仿真概述

　　在仿真系统中，对计算机系统的实时性提出了很高的要求。由于仿真各子系统的复杂性，使得仿真算法的计算负荷非常高。这就对仿真平台提出了更高的性能要求。

　　为了解决这个问题，仿真器可以分为两类——简单仿真器和复合仿真器。简单仿真器只需要一台计算机承担所有的计算机任务。在这种结构中，系统架构非常简单，所有的系统输入、输出和任务间数据都在一台计算机中。因此，也就没有任务间通信的问题。不幸的是大多数的仿真器不适合采用简单仿真器结构。大多数的仿真应用都需要多处理系统的结构，以充分利用功能专业化处理的好处，这就是分布式仿真。

　　分布式仿真起源于美国国防高级研究计划局(DARPA，现更名为ARPA)和美国陆军在1983年共同制定的SIMNET计划。它是对具有时空一致性、互操作性、可伸缩性的综合环境的表达。分布式仿真采用一致的结构、标准和算法，通过网络将分散在不同地理位置的不同类型的仿真应用和真实世界互联、互操作，建立一种人可以参与、交互的综合环境。

　　在SIMNET的基础上，美国军方与工业界进一步发展了异构型网络互联的分布式交互仿真技术——DIS，其目的是将不同时期的仿真技术、不同厂家的仿真产品和不同用途的仿真平台集成在一起，可以互相交互。分布式交互仿真是SIMNET技术的标准化和扩展，它由一系列的应用协议与通信服务标准、推荐的演练策略和相关文档来确保互操作能力。DIS标准和协议的核心是建立了一个通用的数据交换环境，支持异地分布的真实、虚拟和构造的平台级仿真之间的互操作。

二、分布式仿真的网络通信

1．背景

　　为了获得计算能力需要，仿真系统结构倾向于采用分布计算系统，分布式计算系统的子系统间通过实时通信设备连接在一起。这种方法支持系统架构设计师的积木式设计，即允许架构设计师按照需要把计算能力像模块一样加入系统。例如，将高性能处理器用于仿真算法模块，而将高性能图形引擎用于虚拟模块，等等。然而，这种分布式计算机系统给它们自己带来了更加挑战的问题。这些问题主要集中在怎样相互连接这些分布的计算机系统，使得子系统之间的通讯不影响计算机系统本身。到目前为止，业界已经尝试了很多种方法，但是这些方法各有它们的优点和缺点。

2．传统联接方法

所有这些方法可以归结为两类：

●物理共享存储器方法；

●消息传递网络方法。

　　物理共享存储器架构使用高速并行存储器总线，通过该总线，所有的计算机可以访问共同的存储器模块。这种架构除了提供所需的数据通信速度外，还提供如下好处：

●没有数据通信所需的软件开销；

●快速的系统重配置；

●快速差错恢复；

●对系统资源的紧控制。然而，物理共享存储器架构还具有下列的缺点：

●存储器总线的争夺；

●计算机之间的物理距离限制（如50米）；

●可接的计算机数量很有限。

第二种传统方法是信息传递局域网（局域网）。在这种架构下，网络上所有计算机通过通信链路传递所有的消息包。这局域网方法克服了许多物理共享存储器架构的局限性。局域网方法可以：

●支持不同厂商CPU系统的集成；

●支持大量的计算机系统的互连；

●支持计算机系统的远距离连接；

这些局域网优点在很多仿真应用中是至关重要的。

　　然而，局域网的使用也给系统架构带来若干设计局限，这些局限在很多仿真应用中是不能容忍的。其中包括：

●数据通信比物理共享存储方法慢；

●巨大的软件开销；

●小数据包通信是极端的无效率；

●I/O透明性的缺乏（大型软件的网络I/O开销“吃光”了CPU时间）

●中断其他计算机系统和维持分布式系统的紧控制很难；

●差错恢复和系统重配置很难，而且时间开销大。

　　综上所述，对于分布式仿真应用而言，物理共享存储和信息传递局域网方法都有它们自己的强处和弱点，在某些方面，这种方法好的，另一种方法就不行。

3．复制共享存储器网络方法

　　从上述的介绍中，我们可以发现两种传统方法具有互补性，而复制共享存储网络将它们的优点有机结合，适合于实时系统。它融合了物理共享存储方法的有利属性：微秒级的数据通信速度、紧的系统控制、几乎为零的传递数据和控制的软件开销、微秒级的差错恢复；和消息传递网络的优点：集成不同厂商的CPU系统、大量的计算机系统连接、物理的远程/超远程连接。对于软件设计者来说，好像在使用物理共享存储系统，而实际上它是在每个节点使用复制存储器模块的环形网络。

三、反射存储器网络简介

　　反射存储器网络是使用复制共享存储器网络方法的网络。它的每一个节点上所安装的网络卡叫做反射存储器卡。

　　复制共享存储器网络是一个相当简单的概念，它的大部分优点和强大功能就是来自于简单。这种设计通过把一张反射存储器网络卡安装在被连结的每台计算机上——正如一个消息传递网络一样。存储器

卡在环形结构上通信。

　　复制共享存储器网络不附着冗长的协议信息，不使用ISO的OSI 七层协议模型，不再需要建立在消息传递网络上的笨重的、费时的和非确定性的协议。

　　在一个复制共享存储器网络里，一个数据被非常迅速而直接地传递——传送的计算机仅仅做了一个高级语言的赋值语句：Ａ＝Ｂ，变量A位于这块反射存储器卡的某内存地址上。在几个微秒内，网络上全部其他计算机系统在它们共享的存储器区域就有了变量Ａ的相同值。这块反射存储器卡是立即和自动的在网络上传输数据和数据的地址。接收到数据的反射存储器卡将变量的值写入该计算机共享存储器的相同的相关共享存储器地址。

　　控制是仿真器的另一关键的性能需求。控制信号在反射存储网络上的传输与数据传输的机制是一样的。中断信号可以在微秒内提交给全部（或所选择的）计算机系统。

　　反射存储网络还给系统设计者们提供确定性的性能。控制信号与数据的通信在几微秒发生，并且没有非确定性的软件过程提高处理的复杂性。使用环形网络进行短的、固定长度的传输，就是传输时间而言，没有什么未知的。

　　简而言之，反射存储网络给分布式仿真系统的架构设计者提供一种新“工具”。这工具是物理共享存储方法和传统得局域网方法的优点的结合，并且对分布式的实时计算应用，如分布式仿真，做了优化。

四、反射存储网络在分布式仿真中的应用之一：飞行仿真

　　人在环路的飞行仿真已经在整个航空界和飞机制造界得到广泛的应用。

　　对于一般的飞行而言，飞机是由飞行员操纵的，飞行员在驾驶飞机和作战过程中要做出一系列的决策和操作动作。对于飞行员来说，根据空间、地面的环境和任务得需要确定最佳飞行轨迹。飞行员操纵飞机的操纵面后，飞机飞行状态的变化响应是迅速的，要求人在回路仿真系统具有实时性。在地面试验室条件下，人在回路仿真必须采用虚拟现实（virtual reality）技术模拟生成空中飞行的环境和条件，使飞行员在这种仿真环境中具有身临其境的“真实”感觉。

　　飞行模拟器是一种典型的分布式飞行仿真系统。飞行模拟器不但要能进行起落航线、大航线、特技等各种科目的模拟飞行训练，而且还可以对飞机的大部分特情及不同飞行条件下的飞行情况进行模拟，为了便于飞行模拟训练与教学，还设置了记忆、重现等功能。飞行模拟器一般包括飞机模拟座舱、计算机成像系统、虚像显示系统、三自由度运动平台系统、音响系统、控制台和计算机网络等部分组成。

　　为了达到真实的效果，网络通信是至关重要的。如果系统使用一个传统的Ethernet 网络连结系统各模块，这种连接有若干缺点。例如，为了达到实时的显示和实时的响应，有大量的数据需要计算，需要高速传递大量的数据，对数据延迟的要求也很苛刻。而传统的网络无法满足实时性的要求。

　　对于这样的分布式仿真应用来说，反射存储网络是个很好的解决方案。由于全部网络节点装有相同的计算机可寻址的存储器，在一个节点上做的每一个改变在几个微秒之内被复制到全部网络节点。这使得网络上全部计算机就像是运行实时应用的一台大的虚拟计算机。

　　反射存储网络的效果是明显的。不像以太网，为了达到大量而快速的数据吞吐量，反射存储网络不需要额外的软件开销。它的复制共享存储器设计，允许设计者不用考虑I/O问题，不需要安装诸如驱动程序之类的软件。反射存储网络降低数据传输延迟，而且可以大幅提高系统的总体性能，节省CPU的开销。

　　另外，反射存储网络可以改进系统视觉效果。因为更多数据需要从计算机成像系统中同时传送出来，而反射存储网络的光纤接口可以提供高带宽和与航空电子设备的电磁兼容。

五、反射存储网络在分布式仿真中的应用之二：驾驶模拟

1．应用背景

　　使用汽车驾驶模拟系统代替实车训练，有利于交通安全，减少训练占地，节约基础投资；节能、减少环境污染，降低训练成本，锻炼学员心理素质。利用模拟器训练可以提高汽车驾驶员培训工作的科学性，便于形成标准化训练，提高培训质量；模拟训练不受天气、场地和时间的限制。更重要的是模拟器上可以完成实车难以实现的安全训练科目，如会车，碰撞，处理紧急情况等。因此，用模拟器代替实车的训练已是当今驾驶培训的发展趋势，同时也是培训手段现代化的一个重要标志。

　　此外，在道路评估方面。过去人们设计道路的线形、评价道路线形的好坏，以及对车辆在路上行驶时的安全性、舒适性的评价和特殊路段或特殊气候条件下限速值的确定等，一般都是依靠理论和经验来进行的，然而这毕竟有一定的局限性，与实际情况有一定的差异。尽管也有少部分专业技术人员利用专用测试车在道路上行驶，以实测数据来确定各种参数。但由于车辆实测时具有的不可预见性和危险性，再加上测试次数有限，该项工作也受到了相应的限制。近年来，随着车流量的增加以及年老和身体有障碍驾驶者的增加，车辆运行的安全性和舒适性越来越引起人们的重

视。因此，人们有必要对道路的几何线形进行进一步的研究，以确保驾驶者的安全，并提高行车的安全性和舒适性。那么采用模拟驾驶系统进行评估是一种非常好的手段。

　　模拟驾驶系统能模拟车辆在道路上行驶的全过程，通过各种模拟装置能使测试者身临其境。该系统不仅能模拟车辆在一般道路的行驶过程，而且还能模拟车辆在特殊路段如隧道、小半径曲线等处行驶情况，还可以按要求模拟道路在施工时(如一个车道关闭)车辆的行驶情况；该系统能按能见度不同要求既可以模拟车辆在白天和晚上的行驶情况也可以模拟不同的天气状况，如晴天、阴天及雨雪天等，并能根据不同的天气情况改变路面与车胎之间的摩擦系数。

2．系统工作原理与结构

　　由计算机控制图像产生系统模拟出车辆行驶时道路线形和路面景物的变化情况，并通过显示屏幕显示在操纵者眼前；车辆加强系统（包括方向盘、变速器和制动器等设备）通过计算机与振动器装置相连，根据车辆的行驶状态（如加减速和怠速等）与行驶速度，并结合由数据库输入主机的道路参数（如路面宽度、曲线半径值、纵坡度、道路平整度及路面与车胎之间的摩擦系统等）一起实时控制车辆的行驶情况，再配上由声音合成器产生的汽车在行驶时所产生的各种声音，就能模拟车辆在道路上行驶的全过程。试验结果可通过输出装置（如打印机）输出。

　　驾驶模拟系统主要由中央控制系统、驾驶座舱、道路景像生成系统、汽车动力学仿真系统、驾驶信息记录系统、传感器、声音模拟系统、计算机及网络系统组成。

3．反射存储网络的应用

　　在模拟驾驶系统中使用反射存储网络进行网络通信，有如下优势：

●高速、高带宽的数据传输保证仿真的效果；

●低延迟 影响仿真环境交互和动态特性的因素是延迟。如果要使分布式环境仿真真实世界，则必须实时操作，从而增加真实感；

●零软件开销，降低了系统网络部分的开发成本和时间开销；

●支持各厂商不同的计算机系统，满足了跨平台的要求；

●系统的性能得到极大的提升；

●一套模拟系统可以配备多个驾驶座舱，系统具有很好的扩展性，降低了客户的总体拥有成本。并且多人共同训练提高了仿真的真实性和趣味性。

六、反射存储网络在分布式仿真中的应用之三：军事作战模拟

1．发展历史

　　分布式仿真的思想最早就是在军事领域提出来的。1978年，美国一空军基地的空军上尉J.A.Thorpe发表了一篇文章《Future Views:Aircrew Training 1980-2000》，提出了联网仿真的思想，首次系统地描述了联网仿真技术的功能要求，希望实现受训人员在分布虚拟战场环境中分辨不出训练系统与真实系统。虽然当时联网仿真所需的技术还未成熟，但美国国防部接受了此思想。1981年，Thorpe被调到美国国防部高级研究计划局（DARPA：现在的ARPA）。

　　1983年，DARPA制定了一项称为SIMNET（SIMulation NETworking）的计划，希望将各军兵种单兵使用的仿真器连接到网络上，形成一个共享的仿真环境，进行各种复杂任务的综合训练。到1989年，DARPA建成了分布于美国和德国的11个基地，包括260个M1，A1坦克和布雷德利战车等的仿真器、指挥控制中心和数据处理设备的综合仿真网络。SIMNET是同构型的广域网系统，它第一次实现了作战单元之间的直接对抗，并能在其所提供的虚拟作战环境中进行营以下规模的联合兵种协同训练和战术对抗研究。SIMNET形成了新的分布仿真概念：将多种仿真应用集中到同一个时空环境中。其基本技术原则被SIMNET以后的发展所继承。

　　在SIMNET的基础上，美国军方与工业界进一步发展了异构型网络互联的分布式交互仿真技术——DIS，其目的是将不同时期的仿真技术、不同厂家的仿真产品和不同用途的仿真平台集成在一起，可以互相交互。分布式交互仿真是SIMNET技术的标准化和扩展，它由一系列的应用协议与通信服务标准、推荐的演练策略和相关文档来确保互操作能力。

　　分布式交互仿真技术推出后很快应用于美军各兵种的仿真系统研究和开发，如美国海军的“作战部队战术训练系统（Battle Force Tactical Training System，BFTT）”、空军的“联合建模与仿真系统（Joint Modeling and Simulation System，JMASS）”以及STRICOM的“多兵种战术训练系统（The Combined Armys Tactical Trainer，CATT）”等。

2．应用需求

　　传统的武器系统研制周期长、试验次数多、耗资大；传统的军事训练则需要投入大量的人力、物力和财力，而且重复困难，甚至可能造成人员意外伤亡。分布式仿真的出现为武器系统的研制和军事训练带来了一场新的革命。

　　分布式仿真通过网络技术将分散在各地的人在回路中的仿真器（Simulators）、计算机生成的兵力（Computer Generated Forces）以及其他设备联系为一个整体，形成一个可以在时间和空间上互相耦合的虚拟战场合成环境，参与者可以自由地交互作用。这样，各用户（包括武器装备的研制部门、采购部门、训练部门和军事使用部门

）可在合成环境中按需要综合应用各种仿真手段进行演习、训练和试验，鉴定现有的和研制中的武器装备的性能、战术部署和后勤保障。它使过去主要依靠野战演习完成的工作将来可以在室内利用计算机、仿真器和人工合成的虚拟环境进行。技术的进一步发展还将把野外演习的部队和这种仿真器联系起来进行演习。

　　分布式仿真具有仿真技术的可控性、无破坏性、安全、可多次重复和经济性等特点，在武器系统研制、军事训练等方面有明显的优势和效益。在武器系统研制方面，计算机交互仿真技术有助于缩短研制周期、减少研制经费。例如，在新武器研制计划开始之前，可利用基于仿真技术的分布仿真系统检验武器系统的设计方案和战术技术指标，避免过去那样在研制计划开始以后经常出现的设计修改，拖延时间。

　　在军事训练方面，利用仿真器产生动态的、直观的环境，配合仿真的地形、烟雾和“敌人”的武器装备，使部队能够进行生动逼真的空战或坦克交战等军事演习。同传统的实物演习相比，采用分布仿真系统进行军事训练有如下优点：一是节省费用，无需动用大量人员、装备和弹药进行野战演习，可节省大笔开支。二是有助于保持部队的高水平战备状态，无需消耗大量人力物力和占用大面积场地，可反复进行多次演练，有利于部队熟练掌握新式武器装备的使用和新战术的运用。而且，演习的全过程都可以记录下来，便于及时发现和解决问题。三是可避免因实战演习可能造成的人员意外伤亡、武器装备损耗和环境污染。

　　在先进概念与军事需求分析方面（例如使用新概念与先进技术的实验），发展军队对于未来军事行动中在条令、训练、指挥人员培养、组织、装备和士兵发展等方面的需求上，可以通过仿真和使用真实部队的士兵实验来评估横向技术综合集成的影响。 3．反射存储网络的应用

　　在这样复杂的网络虚拟战场，网络通信非常重要。军队作战模拟系统是为了适应实现异地联网、多实体交互的大规模仿真的需求。通过LAN/WAN可以将不同地理位置的仿真应用构建于一个具有同一空间、时间的信息交互作用的虚拟环境中，用于武器系统的设计、研制和训练。

反射存储网络很好的满足了军队作战模拟系统的网络通信的需求：

●最小的传输延迟；

●小数据包的通信效率；

●透明性无需加载软件完成数据通信；

●快速的系统重配置；

●快速错误恢复；

●确定性；

●允许集成不同厂商的CPU硬件；

●允许大量的CPU数量；

●允许CPU数百米甚至上万米的远距离物理独立；

●提供价格和支持上的好处。

　　在传输延迟、分布机制、可靠性和带宽等方面是传统网络技术所无法比拟的。

　　在系统设计方面一般采用层次化的局域网互联方式，将100M或1000M 以太网用于平台级实体之间的信息交互，将反射存储实时网络用于平台级实体内部各分系统之间的信息交互。

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