本發(fā)明提供一種分布式仿真系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多智能體系統(tǒng)技術(shù)、分布式系統(tǒng)技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)。

背景技術(shù)：

分布式系統(tǒng)指物理上具有分布特征或行為上具有分布能力的個(gè)體之間聯(lián)合工作，共同解決較大規(guī)模或大規(guī)模問(wèn)題的系統(tǒng)。航空航天系統(tǒng)中多機(jī)協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)敵進(jìn)攻、機(jī)器人世界杯3D仿真平臺(tái)(Robocup3D)中多智能體配合進(jìn)球都是分布式理論應(yīng)用的典型例子。分布式系統(tǒng)的搭建與運(yùn)行牽涉較多理論與方法，其中底層通信網(wǎng)絡(luò)的建立及運(yùn)行算法的研制是重要問(wèn)題之一。

現(xiàn)存的分布式仿真系統(tǒng)或是物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，或是通信實(shí)時(shí)性不好，或是通信可靠性不高，嚴(yán)重阻礙工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種搭建分布式仿真系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的方法，能夠?qū)崟r(shí)、可靠地保證分布式模塊(由計(jì)算機(jī)模擬)之間的通信。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟1，搭建分布式仿真系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，包括主機(jī)、交換機(jī)、監(jiān)視器、外機(jī)和若干從機(jī)，所述的主機(jī)有且僅有一臺(tái)，主機(jī)、監(jiān)視器和外機(jī)分別通過(guò)交換機(jī)聯(lián)通各臺(tái)從機(jī)；

步驟2，主機(jī)初始化，設(shè)置主機(jī)信道類(lèi)型、主機(jī)地址和主機(jī)監(jiān)聽(tīng)端口，所述的主機(jī)信道類(lèi)型為無(wú)線(xiàn)類(lèi)型或有線(xiàn)類(lèi)型；從機(jī)初始化，設(shè)置從機(jī)的邏輯地址；

步驟3，約定消息編碼與解碼規(guī)則，包括：消息以字符串的形式在信道中流通，并且存在一個(gè)界定消息首尾的標(biāo)記；消息字符串中包含若干信息單元，每個(gè)信息單元存在一個(gè)界定首尾的標(biāo)記，信息單元中包括一個(gè)信息功能描述符與若干信息功能參數(shù)；通信消息中包括時(shí)間標(biāo)簽；

步驟4，主機(jī)啟動(dòng)等待從機(jī)接入，若有從機(jī)接入請(qǐng)求，則建立臨時(shí)驗(yàn)證信道，接受來(lái)自從機(jī)的驗(yàn)證信息，如果驗(yàn)證信息合法，則允許從機(jī)正常接入，臨時(shí)驗(yàn)證信道提升為正常主從通信信道；如果無(wú)驗(yàn)證信息到來(lái)或驗(yàn)證超時(shí)或驗(yàn)證非法，則斷開(kāi)當(dāng)前臨時(shí)信道，拒絕從機(jī)接入；從機(jī)啟動(dòng)后發(fā)送接入請(qǐng)求和驗(yàn)證信息，直到主機(jī)返回驗(yàn)證正確的狀態(tài)回應(yīng)后從機(jī)正常接入；從機(jī)正常接入后，主機(jī)和從機(jī)按照設(shè)定周期收發(fā)消息，如果當(dāng)前周期的收發(fā)消息無(wú)效，則使用上一周期有效數(shù)據(jù)。

所述的建立臨時(shí)驗(yàn)證信道之后，以及主機(jī)和從機(jī)按照設(shè)定周期收發(fā)消息之后，更新分布式仿真系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的全局記錄，內(nèi)容包括：主機(jī)被嘗試接入的次數(shù)與當(dāng)前嘗試的次序；當(dāng)前主機(jī)和從機(jī)占用物理信道的編號(hào)與進(jìn)入接口；當(dāng)前嘗試接入的從機(jī)編號(hào)及其與實(shí)際物理信道的對(duì)應(yīng)關(guān)系；當(dāng)前嘗試接入的從機(jī)的屬性和物理屬性。

所述的從機(jī)i向和機(jī)j通信，先由從機(jī)i執(zhí)行步驟4接入主機(jī)并收發(fā)消息，再?gòu)臋C(jī)j執(zhí)行步驟4接入主機(jī)并收發(fā)消息。

本發(fā)明的有益效果是：物理結(jié)構(gòu)采用交換式以太網(wǎng)，具有形式簡(jiǎn)單，連接方便，成本低廉，支持開(kāi)放式互聯(lián)等諸多優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)本發(fā)明所提出的基于描述性的信息流規(guī)范及主、從機(jī)調(diào)度算法能在保證實(shí)時(shí)性的前提下極大程度地保障網(wǎng)絡(luò)安全，對(duì)于設(shè)計(jì)分布式仿真系統(tǒng)提供了便利、可靠的參考。

附圖說(shuō)明

圖1是分布式系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2是主機(jī)執(zhí)行邏輯，包括主機(jī)動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度。

圖3是從機(jī)執(zhí)行邏輯。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明搭建的分布式仿真系統(tǒng)的底層通信基礎(chǔ)基于以太網(wǎng)技術(shù)、IP尋址技術(shù)、TCP技術(shù)，節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用交換式。并且設(shè)計(jì)了通信主機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)主機(jī))與通信從機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)從機(jī))的握手規(guī)程、消息規(guī)則，以及通信主機(jī)的動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度算法。

本發(fā)明提供的基于描述性信息流的分布式仿真系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的實(shí)施步驟如下：

Step 1：網(wǎng)絡(luò)連接。

本發(fā)明采用圖1所示的基于交換式的通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由于系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，所以對(duì)于連入子系統(tǒng)數(shù)不加限制。但是，只能有且只有一個(gè)主機(jī)，因?yàn)樗蔷W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)唯一的監(jiān)視者和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)唯一的調(diào)度者。

其中，主機(jī)承擔(dān)全局信息交換中介，當(dāng)服務(wù)器使用；監(jiān)視器、外機(jī)、從機(jī)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層面上講都是客戶(hù)端。外機(jī)指的是不參與分布式聯(lián)合的外來(lái)機(jī)器，在環(huán)境中承擔(dān)新信息的提供者與新態(tài)勢(shì)的構(gòu)造者。這種結(jié)構(gòu)的物理結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，連接方便，成本低廉。

為了實(shí)時(shí)獲取主從機(jī)之間的通信狀態(tài)(分布式調(diào)度算法在實(shí)時(shí)中的需求)，采用TCP/IP協(xié)議在該系統(tǒng)中通信。

Step 2：主機(jī)、從機(jī)初始化。

具體包括設(shè)置主機(jī)信道類(lèi)型(無(wú)線(xiàn)類(lèi)型、或有線(xiàn)類(lèi)型，依據(jù)具體需求或現(xiàn)有條件設(shè)置)、主機(jī)地址、主機(jī)監(jiān)聽(tīng)端口；從機(jī)的邏輯地址(由專(zhuān)門(mén)的地址分配規(guī)則確定，也可以人為約定)。

Step 3：約定消息編碼與解碼規(guī)則。

采用基于描述性信息流的消息流規(guī)則。

信道建立完畢后，對(duì)于主從之間的信息編碼格式，要執(zhí)行采用基于描述性信息流的消息流規(guī)則：

(1)消息以字符串的形式在信道中流通，同時(shí)要存在一個(gè)界定消息首尾的標(biāo)記。這種標(biāo)記可以是“()”也可以是“[]”或其他形式。例如：“[this is a message]”。

(2)消息字符串中包含多種信息(比如對(duì)于飛機(jī)，有俯仰角、橫滾角等)，稱(chēng)為信息單元。信息單元也必須有界定標(biāo)記(比如“()”或“[]”)。信息單元必須存在信息的功能描述符與功能參數(shù)。功能描述符說(shuō)明信息的功能，功能參數(shù)說(shuō)明信息的度量，比如“角度”作為功能描述符時(shí)，“10”可以作為功能參數(shù)。功能描述符與功能參數(shù)之間使用空格隔開(kāi)，空格個(gè)數(shù)不限，至少一個(gè)。一個(gè)信息必須有且只有一個(gè)功能描述符，但功能參數(shù)允許有多個(gè)。消息單元的加入不應(yīng)定義先后順序，先到先入，功能參數(shù)無(wú)效時(shí)當(dāng)前消息不包含該消息單元。

例如：“(degree 10)”。

(3)為了通信的實(shí)時(shí)性驗(yàn)證，通信消息要加時(shí)間標(biāo)簽。

Step 4：主機(jī)、從機(jī)分別開(kāi)始執(zhí)行各自的邏輯。

主從機(jī)握手與主機(jī)動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度算法如下所述：

主機(jī)與從機(jī)建立通信握手，實(shí)施正常通信的調(diào)度算法與全局?jǐn)?shù)據(jù)交換的同步算法大致為：

主機(jī)啟動(dòng)等待從機(jī)接入，若有從機(jī)接入請(qǐng)求，則建立臨時(shí)驗(yàn)證信道，接受來(lái)自從機(jī)的驗(yàn)證信息，如果驗(yàn)證信息合法，則允許本次接入，臨時(shí)驗(yàn)證信道提升為正常主從通信信道。如果無(wú)驗(yàn)證信息到來(lái)(或驗(yàn)證超時(shí))或者驗(yàn)證非法，則斷開(kāi)當(dāng)前臨時(shí)信道，拒絕從機(jī)接入。正常接入后，為了保證通信的實(shí)時(shí)性與有效性，必須定期收發(fā)消息，如果當(dāng)前收發(fā)周期數(shù)據(jù)無(wú)效，則使用上一周期有效數(shù)據(jù)。同時(shí)，主機(jī)存在調(diào)度邏輯，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)從機(jī)狀態(tài)，從機(jī)邏輯編號(hào)與信道的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前接入總從機(jī)數(shù)。

對(duì)于從機(jī)，啟動(dòng)后發(fā)送鏈接請(qǐng)求和驗(yàn)證信息，直到主機(jī)返回驗(yàn)證正確的狀態(tài)回應(yīng)，才進(jìn)入正常通信階段。

主機(jī)與從機(jī)建立通信握手的算法如圖2、圖3所示。

其中，更新全局記錄包含的內(nèi)容為：

1、主機(jī)被嘗試接入的次數(shù)與當(dāng)前嘗試的次序。

2、當(dāng)前主從機(jī)實(shí)際占用的物理信道的編號(hào)與進(jìn)入接口(套接字與線(xiàn)程句柄)。

3、當(dāng)前嘗試接入的從機(jī)編號(hào)ID，及其與實(shí)際物理信道的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4、當(dāng)前嘗試接入的從機(jī)的物理屬性(IP地址、占用本機(jī)的端口號(hào))。

5、當(dāng)前嘗試接入的從機(jī)的屬性。如接入時(shí)間，型號(hào)。

注意：如果信息更新時(shí)缺少上述之一，則對(duì)應(yīng)記錄不更新，只更新有效部分。

并且，如果需要從機(jī)i向從機(jī)j喊話(huà)，則先由從機(jī)i發(fā)向主機(jī)，再有主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，這樣可以有效節(jié)省信道資源，降低開(kāi)發(fā)成本。

本實(shí)施例考慮如下實(shí)際問(wèn)題：有四個(gè)機(jī)器人，合作完成某件事，比如將一個(gè)球踢進(jìn)球門(mén)，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)。要求就要足夠好的實(shí)時(shí)性、可靠性。

該網(wǎng)絡(luò)搭建細(xì)則如下詳述：

Step 1：網(wǎng)絡(luò)連接。

選擇5臺(tái)性能足夠好的計(jì)算機(jī)(本發(fā)明建議硬件要求為：Windows 7Ultimate；硬盤(pán)>500G；內(nèi)存>4G；處理器>Intel 5)分別模擬4個(gè)機(jī)器人和服務(wù)器。服務(wù)器的作用是用于場(chǎng)景生成，實(shí)時(shí)檢測(cè)或獲取各機(jī)器人在場(chǎng)景中的信息，并作為通信主機(jī)分發(fā)給相應(yīng)的機(jī)器人。利用圖1所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接上述5臺(tái)計(jì)算機(jī)。交換機(jī)建議為千兆級(jí)。

Step 2：主機(jī)、從機(jī)初始化。

(1)主機(jī)設(shè)置Server監(jiān)聽(tīng)端口為4000，并設(shè)置主機(jī)IP地址為“192.168.1.1”。將監(jiān)聽(tīng)套接字放入描述符集(FD_SET)，使用Select函數(shù)開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)描述符集的狀態(tài)變化，當(dāng)有消息到來(lái)時(shí)函數(shù)返回正值，否則為-1。并設(shè)定Select函數(shù)不等待，即時(shí)間參數(shù)設(shè)置為0。

(2)從機(jī)在初始化完TCP環(huán)境后，獲得各自的邏輯地址，假設(shè)為1～4，然后申請(qǐng)接入“192.168.1.1:4000”。

Step 3：約定消息編碼與解碼規(guī)則。

遵從下述約定：

1、通信信息使用字符串作為載體，消息整體用圓括號(hào)“()”加以界定。

2、具體信息使用圓括號(hào)“()”加以限定，稱(chēng)為信息單元。圓括號(hào)中存在信息的功能描述符與功能參數(shù)。功能描述符與功能參數(shù)之間使用空格隔開(kāi)，空格個(gè)數(shù)不限，至少一個(gè)。一個(gè)信息必須有且只有一個(gè)功能描述符，但功能參數(shù)允許有多個(gè)。即信息格式為

(功能描述符功能參數(shù)[1][功能參數(shù)2……])。

方括號(hào)括起來(lái)的表示可選項(xiàng)。消息單元的加入不應(yīng)定義先后順序，先到先入，功能參數(shù)無(wú)效時(shí)當(dāng)前消息不包含該消息單元。

3、為了通信的實(shí)時(shí)性驗(yàn)證，通信消息要加時(shí)間標(biāo)簽。其功能描述符為“time”，參數(shù)使用分時(shí)秒制“00:00:00”或秒制“00000000”。所以時(shí)間標(biāo)簽信息的格式為(time00:00:00)或(time 00000000)。

4、從機(jī)向主機(jī)的驗(yàn)證信息的功能描述符為“ID”，功能參數(shù)只有一個(gè)，為當(dāng)前從機(jī)編號(hào)，驗(yàn)證信息不應(yīng)包含其他無(wú)關(guān)信息，如果主機(jī)不回有效接入的信號(hào)，則在主從信道還存在的情況下定期不間斷發(fā)送，直到收到主機(jī)回應(yīng)。

5、當(dāng)從機(jī)間需要喊話(huà)時(shí)，由主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。功能描述符為“say”，第一參數(shù)為本機(jī)ID，第第二參數(shù)為目標(biāo)從機(jī)ID，第三參數(shù)為喊話(huà)信息。

如(say 1 2“(time 00:00:50)(pos 0.1 0.2 0.3)”)

6、其他類(lèi)型的信息單元(功能描述符與功能參數(shù))依據(jù)實(shí)際需求定義。

7、所以一條有效的驗(yàn)證信息應(yīng)如下：

“<(time 00:00:00)(ID 1)>”

一條有效的正常通信信息應(yīng)如下：

“<(time 00:00:10)(pos 1.0 2.0 3.0)(attack 2)(sideslide 2)(pitch 1)(roll 2)(yaw 3)…>””

至于高層協(xié)議，如功能描述符與相應(yīng)參數(shù)的制定取決于高層決策，不是本發(fā)明的主要內(nèi)容，不予詳細(xì)闡述。不過(guò)對(duì)于通信子系統(tǒng)的搭建與測(cè)試，這也是不必要的。

Step 4：主機(jī)、從機(jī)分別開(kāi)始執(zhí)行各自的邏輯。

主機(jī)這時(shí)已經(jīng)處在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，若有消息到來(lái)，則先檢測(cè)是不是身份驗(yàn)證消息，若是，則驗(yàn)證身份是否合法，包括是否已被占用等。若否，直接銷(xiāo)毀當(dāng)前信道。當(dāng)身份驗(yàn)證正常時(shí)，給從機(jī)分配通信信道(也就是開(kāi)啟一個(gè)子線(xiàn)程)，并將申請(qǐng)握手的從機(jī)(體現(xiàn)為套接字)的信息記入數(shù)據(jù)庫(kù)(體現(xiàn)為增加)，比如從機(jī)的IP地址、實(shí)際接入主機(jī)時(shí)主機(jī)分配的通信端口等。由于監(jiān)聽(tīng)函數(shù)不等待，所以當(dāng)其返回后立即執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)檢測(cè)，包括已有記錄是否正常，如果某一主從通信信道意外終止，則立即更新數(shù)據(jù)庫(kù)記錄，體現(xiàn)為刪除。

對(duì)于從機(jī)則當(dāng)身份驗(yàn)證合法后，則進(jìn)入正常數(shù)據(jù)互傳主循環(huán)。

數(shù)據(jù)互傳邏輯，體現(xiàn)為描述性數(shù)據(jù)流功能描述符與功能參數(shù)的約定，制定后，由主機(jī)操控整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行，例如是廣播規(guī)則、一對(duì)一規(guī)則、或是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，細(xì)則依據(jù)上冊(cè)決策需要制定。