分布式虛擬地理環(huán)境中時(shí)間同步問(wèn)題研究

辛 欣 ,游 雄 ,劉 芳 ,趙曉亮

(信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,河南 鄭州 450052)

分布式虛擬地理環(huán)境中時(shí)間同步問(wèn)題研究

辛 欣 ,游 雄 ,劉 芳 ,趙曉亮

(信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,河南 鄭州 450052)

分布式虛擬地理環(huán)境中的時(shí)間同步問(wèn)題是達(dá)成系統(tǒng)時(shí)空一致,確保仿真正確,是用戶對(duì)虛擬地理環(huán)境形成正確認(rèn)識(shí)的前提條件。文中針對(duì)分布式虛擬地理環(huán)境中3個(gè)時(shí)間概念,重點(diǎn)對(duì)機(jī)器時(shí)間和仿真時(shí)間同步問(wèn)題進(jìn)行研究,基于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、各仿真節(jié)點(diǎn)時(shí)間偏移和PC機(jī)及操作系統(tǒng)本身時(shí)間分辨率不高的因素對(duì)時(shí)間不同步造成的影響,提出時(shí)間同步自適應(yīng)模型和算法。

分布式虛擬地理環(huán)境;時(shí)間同步;自然時(shí)間;機(jī)器時(shí)間;仿真時(shí)間

分布式虛擬地理環(huán)境(Distributed Virtual Geographic Environment,DVGE)[1-4]是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[5]與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立起來(lái)的分布共享虛擬地理空間,是一種可供多用戶同時(shí)異地參與的基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境[6]。

在分布式虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)中,時(shí)間是系統(tǒng)進(jìn)行仿真所面臨的很重要的概念,其中有3個(gè)主要的時(shí)間概念:自然時(shí)間(N T),又稱真實(shí)時(shí)間或?qū)嶋H時(shí)間,指自然界客觀存在的真實(shí)時(shí)間;機(jī)器時(shí)間(M T),又稱物理時(shí)間,指仿真系統(tǒng)根據(jù)仿真計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘物理部件產(chǎn)生的時(shí)間計(jì)數(shù)所折算的時(shí)間;仿真時(shí)間(ST),又稱虛擬時(shí)間或仿真模型時(shí)間,指仿真模型運(yùn)行時(shí)由仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的仿真世界的時(shí)間[7]。

1 自然時(shí)間同步

對(duì)于自然時(shí)間的同步B IH通過(guò)引入閏秒(leapsecond)解決了問(wèn)題,當(dāng)用原子計(jì)時(shí)和用太陽(yáng)秒計(jì)時(shí)的差距增到800μs時(shí),使用閏秒。這種糾正使在基于連續(xù)的 TA I秒時(shí)間系統(tǒng)加值,但卻可以和太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)保持一致,它稱作統(tǒng)一協(xié)調(diào)時(shí)間(Universal Time Coordinated,U TC),U TC是所有現(xiàn)代人使用的時(shí)間,它基本上取代了老標(biāo)準(zhǔn)——格林威治天文時(shí)間。為了保持時(shí)間的精確,操作系統(tǒng)在一年內(nèi)必須使用專用的軟件。到目前為止,U TC中引入閏秒大約有30次。通過(guò)對(duì)DVGE系統(tǒng)中時(shí)間服務(wù)器連接到可接收U TC信號(hào)的設(shè)備上,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部與外部的自然時(shí)間同步,其同步精度可以使得上百萬(wàn)個(gè)時(shí)鐘能夠在幾個(gè)U TC毫秒內(nèi)同步,甚至更高。

2 機(jī)器時(shí)間同步性分析

每臺(tái)計(jì)算機(jī)上的計(jì)時(shí)器通常是由一個(gè)精確的石英晶體制成,石英晶體以一定的頻率振蕩,其計(jì)數(shù)頻率約為3.6 M Hz,該頻率也會(huì)因環(huán)境溫度變化、磁場(chǎng)、震動(dòng)等隨機(jī)因素的影響而有所變化。與每個(gè)晶體相關(guān)的是2個(gè)寄存器、1個(gè)計(jì)數(shù)器和1個(gè)保持寄存器。每次振蕩時(shí)計(jì)數(shù)器減1,當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0時(shí),產(chǎn)生一次中斷,計(jì)數(shù)器重新在保持寄存器中裝入起始值,通過(guò)這種編程方法可以使得一個(gè)計(jì)時(shí)器每秒產(chǎn)生60個(gè)中斷或以其他希望的頻率產(chǎn)生中斷成為可能,每次中斷都稱作一個(gè)時(shí)鐘點(diǎn)(Clock Tick)。一旦當(dāng)系統(tǒng)中有n臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí),引入了多個(gè)CPU時(shí)間系統(tǒng),每個(gè)CPU將擁有自己的時(shí)鐘。所有n個(gè)計(jì)算機(jī)中的石英晶體計(jì)時(shí)器將以略微不同的頻率振蕩,導(dǎo)致時(shí)間逐漸不同步,盡管每個(gè)晶體的振蕩頻率總是相當(dāng)穩(wěn)定,要保證不同計(jì)算機(jī)上的晶體以完全相同的頻率震蕩是不現(xiàn)實(shí)的,并且隨著仿真計(jì)算機(jī)本身時(shí)間偏移的積累,使得計(jì)算機(jī)本地時(shí)間不再精確,導(dǎo)致無(wú)法在分布式虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部,保持各仿真節(jié)點(diǎn)上的機(jī)器時(shí)間一致,從而造成時(shí)間產(chǎn)生不同步現(xiàn)象的發(fā)生。

計(jì)算機(jī)器時(shí)間的數(shù)學(xué)模型[8]為

式中:t為當(dāng)前時(shí)間,T(t)是從時(shí)間t0開始到當(dāng)前時(shí)間t的時(shí)鐘偏移量,R為時(shí)鐘頻率偏移,D為由于計(jì)算機(jī)的可變頻率振蕩器的老化引起的漂移率。通常情況下,時(shí)鐘頻率偏移 R主要受溫度的影響較大,其誤差的范圍可從幾PPM(Parts-Per-M illion)到幾百PPM。由式(1)的右邊第三項(xiàng)引起的誤差主要由其前兩項(xiàng)決定,因此,可以只對(duì)式(1)的前兩項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算,確定機(jī)器時(shí)間的偏移量,從而調(diào)整計(jì)算機(jī)本地時(shí)間,確保時(shí)間保持一致。

從上面的分析可以看出,引起時(shí)鐘偏差的主要因素是可變頻率振蕩器的頻率漂移。因此,如果利用PC機(jī)性能計(jì)數(shù)器構(gòu)造新的時(shí)鐘,理論上時(shí)間分辨率可高達(dá)0.3μs左右(性能計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期),而在實(shí)際測(cè)試中Window s 2000/N T操作系統(tǒng)下,以GPS時(shí)統(tǒng)板提供的時(shí)間為基準(zhǔn),在某臺(tái)主頻為2.6GHz的DELLE PC機(jī)上對(duì)系統(tǒng)時(shí)間函數(shù) Get System Time的時(shí)間誤差積累情況和時(shí)間分辨率進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出,系統(tǒng)時(shí)間函數(shù)分辨率為15～16m s,并且時(shí)間誤差積累速度很快,大約24 m s/h。通過(guò)對(duì)多臺(tái)其它型號(hào)的PC機(jī)進(jìn)行相同測(cè)試,從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,時(shí)間分辨率都是大致相同的,時(shí)間漂移率也大致一樣。因此,可以得出這樣的結(jié)論:PC機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間分辨率只有15～16m s,時(shí)間漂移率約為60m s/h。受計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)時(shí)間分辨率較低和時(shí)間漂移等因素的影響,DVGE系統(tǒng)的時(shí)間同步精度往往不可能很高,也就是說(shuō)如果在分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中使用系統(tǒng)時(shí)鐘,不管時(shí)間同步有多精確,計(jì)算機(jī)之間的時(shí)間同步精度都不可能超過(guò)16 m s,即不可能超過(guò)系統(tǒng)時(shí)間的分辨率。并且時(shí)間同步的網(wǎng)絡(luò)開銷和CPU時(shí)間開銷也會(huì)比較大,而采用硬件同步模式不但會(huì)增加系統(tǒng)成本,也不利于系統(tǒng)擴(kuò)展。因此,為了在不增加系統(tǒng)硬件成本的前提下,獲取高的時(shí)間同步精度,就必須為 PC機(jī)構(gòu)建新的高性能(高時(shí)間分辨率、低時(shí)間漂移率)時(shí)間同步算法。

圖1 Get System Time函數(shù)時(shí)間誤差累積曲線圖

3 仿真時(shí)間同步性分析

實(shí)際上在分布式虛擬地理環(huán)境仿真中,如果兩個(gè)進(jìn)程不相互作用,它們的時(shí)間就無(wú)需同步,即使缺少同步也察覺不出來(lái),不會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題,所以全部機(jī)器并不需要在進(jìn)程時(shí)間上保持一致,而是在事件發(fā)生的時(shí)間順序上要完全一致,也就是說(shuō)在同一時(shí)間上達(dá)到一致就足夠了,重要的不是它們是否都與自然時(shí)間嚴(yán)格一致,而是系統(tǒng)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)時(shí)間的一致。自然時(shí)間和機(jī)器時(shí)間相比較,仿真時(shí)間對(duì)系統(tǒng)仿真可靠性的影響最直接、最關(guān)鍵。其所造成的不一致對(duì)分布式虛擬地理環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:①導(dǎo)致仿真過(guò)程中的計(jì)算錯(cuò)誤;②影響用戶對(duì)虛擬地理環(huán)境的正確認(rèn)識(shí)。因此,對(duì)于仿真時(shí)間的同步性問(wèn)題關(guān)注程度也是最高。

對(duì)于仿真時(shí)間同步性分析的思路:①假設(shè)在DVGE中仿真執(zhí)行過(guò)程中,除時(shí)間不同步外不存在其它影響實(shí)體狀態(tài)計(jì)算正確性的不穩(wěn)定因素,其中單個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的仿真過(guò)程如圖2所示;②將實(shí)際計(jì)算出的實(shí)體真實(shí)狀態(tài)變化過(guò)程及結(jié)果與理論情況下計(jì)算出的實(shí)體真實(shí)狀態(tài)變化過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行比較,如果它們之間的差異符合仿真計(jì)算正確性要求,說(shuō)明該過(guò)程中的仿真時(shí)間同步性對(duì)于保證分布式虛擬地理環(huán)境中仿真計(jì)算正確性來(lái)說(shuō),是可以接受的[9-10];③如果對(duì)于任意仿真節(jié)點(diǎn),它輸出的虛擬地理環(huán)境變化過(guò)程同理論仿真計(jì)算得到的實(shí)體真實(shí)狀態(tài)相比較,可以被用戶接受,就說(shuō)明該過(guò)程中的仿真時(shí)間同步性對(duì)于保證用戶正確認(rèn)識(shí)虛擬地理環(huán)境來(lái)說(shuō),是可以容忍的。

圖2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)上仿真過(guò)程中的時(shí)間延遲

從圖2中可以看出,影響DVGE中仿真時(shí)間不同步主要是由網(wǎng)絡(luò)延遲和機(jī)器時(shí)間不同步導(dǎo)致的延遲。其中,網(wǎng)絡(luò)延遲導(dǎo)致的延遲是正數(shù),機(jī)器時(shí)間不同步導(dǎo)致的延遲可以是正數(shù)也可以是負(fù)數(shù),當(dāng)仿真節(jié)點(diǎn)的時(shí)間落后于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)間時(shí),機(jī)器時(shí)間不同步導(dǎo)致的延遲是負(fù)數(shù),否則為正數(shù)。

4 DVGE系統(tǒng)中時(shí)間同步自適應(yīng)模型

保持實(shí)體對(duì)象在各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上時(shí)間同步的方法有很多,例如,可進(jìn)行時(shí)間扭曲和異地延時(shí),但從其根源上講,認(rèn)為其關(guān)鍵在于保證不同事件的發(fā)生時(shí)間對(duì)所有相關(guān)計(jì)算節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是相同的。由于各類分布式虛擬環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域不同、目標(biāo)不同、環(huán)境內(nèi)實(shí)體的類型、特點(diǎn)不同,因而對(duì)時(shí)間一致性的要求強(qiáng)度也各不相同。例如,用于協(xié)同工作的分布式虛擬環(huán)境在工作對(duì)象為連續(xù)媒體時(shí),對(duì)時(shí)間一致性的要求很高;而分布式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境通常在實(shí)體交互時(shí)對(duì)時(shí)間一致性要求較強(qiáng),除此之外對(duì)實(shí)體其它狀態(tài)時(shí)間誤差要求較低;另外,不同系統(tǒng)的操作平臺(tái)對(duì)時(shí)間一致性的影響也不盡相同。因此,對(duì)DVGE系統(tǒng)中時(shí)間同步模型的建立必須要有一定的自適應(yīng)性。

4.1 DVGE系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基的確立

對(duì)系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行同步,首先,必須要確立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基,其直接關(guān)系到時(shí)間同步的精度?？梢酝ㄟ^(guò)統(tǒng)計(jì)DVGE系統(tǒng)中所有時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)間段的均值來(lái)獲得這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基。隨著仿真的進(jìn)行和時(shí)間變換,可以再次選擇運(yùn)行更為準(zhǔn)確的時(shí)鐘作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn),因此,它的確立過(guò)程是動(dòng)態(tài)的。其思路是:

首先,選中系統(tǒng)中一個(gè)節(jié)點(diǎn),并假設(shè)其為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)向下面每個(gè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)收集時(shí)間信息的廣播。然后,根據(jù)下面從節(jié)點(diǎn)返回的時(shí)間值來(lái)計(jì)算當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。如果此時(shí)所使用的時(shí)間是即時(shí)時(shí)間,那么網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)將對(duì)即時(shí)時(shí)間的傳送帶來(lái)很大的影響。由于采用的是廣播方式,下面的節(jié)點(diǎn)幾乎是在同一時(shí)刻進(jìn)行應(yīng)答,這樣大量時(shí)間信息幾乎會(huì)同時(shí)到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn),為了避免造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞,導(dǎo)致時(shí)間延時(shí)的增大,可以定義一個(gè)時(shí)間間隔τ,在τ時(shí)間間隔內(nèi),下面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)發(fā)送當(dāng)前的時(shí)間信息。在具有 N個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中,每個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)以周期τ向標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)報(bào)。其對(duì)應(yīng)的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)序

在進(jìn)行時(shí)間比較時(shí),使用的是一個(gè)連續(xù)的時(shí)間段,而不是某一刻的時(shí)間值[11]。在這里比較 tj-ti和 t′j-t′i。如果在 t′i+1時(shí)刻發(fā)送出去的時(shí)間標(biāo)識(shí)遇到較大的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí),在ti+1時(shí)刻到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn),如果使用此時(shí)刻的時(shí)間來(lái)判定2個(gè)時(shí)間之間的誤差是很不精確的。但是從長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行看,鏈路狀態(tài)還是相對(duì)穩(wěn)定的。如果采用tj-ti和t′jt′i來(lái)計(jì)算2個(gè)時(shí)鐘間的誤差的話,就能有效地減小由于鏈路延遲造成的形響。在具有 N個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中,作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)在第 i次時(shí)間同步時(shí),計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平均時(shí)間的公式為

在完成調(diào)整時(shí)間的同時(shí),系統(tǒng)也要重新確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn),即時(shí)間間隔最接近這個(gè)平均值的時(shí)間服務(wù)器為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基調(diào)整后以及當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)確定完成后,原標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)將發(fā)送廣播,通知下面各個(gè)節(jié)點(diǎn)新的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)信息。

4.2 時(shí)間同步算法

系統(tǒng)中各時(shí)間客戶端以一定的時(shí)間周期向標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步請(qǐng)求,并且在發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)中帶有本地的時(shí)間戳 T1。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)收到客戶端的同步請(qǐng)求后響應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào),其中包括3個(gè)時(shí)間戳:客戶端發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)中的客戶端本地時(shí)間戳 T1,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)收到同步請(qǐng)求時(shí)的時(shí)間戳T2和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)的時(shí)間戳T3?？蛻舳私邮艿綐?biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)后,向其中添加第4個(gè)時(shí)間戳,即客戶端收到此數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)的時(shí)間戳 T4。設(shè)系統(tǒng)中第k-1次與第 k次同步,間隔時(shí)間延時(shí)為 T′delay,并且認(rèn)為客戶端到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)消息傳輸時(shí)間延時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基節(jié)點(diǎn)到客戶端的消息傳輸時(shí)間延時(shí)近似相同,設(shè)為 Ttrans,在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算出時(shí)間同步間隔延遲和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸延時(shí)為

在系統(tǒng)完成第一輪時(shí)間同步后,為了減少時(shí)鐘同步過(guò)程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求,可以根據(jù)DVGE的仿真需要,控制系統(tǒng)時(shí)間同步的時(shí)間間隔,當(dāng)時(shí)間同步精度較差時(shí),同步的時(shí)間間隔就相對(duì)較短;當(dāng)時(shí)間同步精度較好時(shí),則同步的時(shí)間間隔較長(zhǎng),或者當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基的誤差超過(guò)某一個(gè)閾值時(shí),系統(tǒng)就開始啟動(dòng)同步過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

分布式系統(tǒng)本身的特點(diǎn),決定著各節(jié)點(diǎn)的物理地域有所不同,由于分布式虛擬地理環(huán)境實(shí)體類型日益復(fù)雜、規(guī)模日益擴(kuò)大,再加之PC機(jī)計(jì)時(shí)器和操作系統(tǒng)的局限,使在DVGE中時(shí)間同步問(wèn)題成為一個(gè)重要而又不能從根本上徹底解決的問(wèn)題。影響系統(tǒng)時(shí)間同步的因素多而復(fù)雜,解決的方法也還有很多,比如推算定位(DR)技術(shù)、時(shí)間扭曲技術(shù)、異地狀態(tài)延遲技術(shù)、相關(guān)數(shù)據(jù)過(guò)濾技術(shù)、減少心跳技術(shù)等。由于單一的時(shí)空一致性控制技術(shù)通常局限性較大、應(yīng)用領(lǐng)域也比較有限,如滯后策略很難確定一個(gè)滿足各項(xiàng)要求的滯后量;回卷策略不適合實(shí)時(shí)仿真,有時(shí)會(huì)給用戶造成仿真結(jié)果自相矛盾的印象;推算定位策略有時(shí)會(huì)造成推算結(jié)果與仿真結(jié)果的不一致。因此,集成多種技術(shù)來(lái)共同實(shí)現(xiàn)DVGE的時(shí)間同步,是達(dá)成系統(tǒng)時(shí)空一致,保證仿真正確,用戶對(duì)虛擬地理環(huán)境的正確認(rèn)識(shí)的必然要求。

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The research of time synchronization in distributed virtual geographic environment

XIN Xin,YOU Xiong,L IU Fang,ZHAO Xiao-liang
(Institute of Surveying and Mapping,Info rmation Engineering University,Zhengzhou 450052,China)

The time synchronization in distributed virtual geographic environment is the p rem ise to timespace consistency of the system and to make sure it can simulate co rrectly,in w hich w ay the user can cognize the virtual geographic environment accurately.In this paper,among the three time concep tions in distributed virtual geographic environment,the research of machine time synchronization and simulation time synchronization have been emphasized.A self-adap tive time synchronization model and algorithm have been put forward w hich based on network time-lapse,time deviation of system nodes and low-time-dip of operating system and computer itself.

distributed virtual geographic environment;time synchronization;natural time;machine time;simulation time

TP273

A

1006-7949(2010)01-0021-04

2009-05-17

辛 欣(1981-),男,博士研究生.

[責(zé)任編輯李銘娜]