CN105592124A - 一种分布式虚拟现实系统网络构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式虚拟现实系统网络构建方法，融合借鉴发布/订购模式、组播路由算法和主动网络技术等技术，采用基于CBT的双向共享组播树作为网络拓扑结构，满足减少路由信息存储量以及快速动态改变通讯关系的要求；采用支持兴趣管理的路由协议，能根据数据包的内容进行主动过滤和转发，减轻系统的网络负载；采用快速路由匹配算法，提高路由器的数据包转发效率。

Description

一种分布式虚拟现实系统网络构建方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟现实技术，特别是一种可扩展的分布式虚拟现实系统网络构建技术。

背景技术

分布式虚拟现实系统将虚拟现实与网络通讯相结合，提供一个共享虚拟空间以支持对象的仿真以及多个分布用户的交互和通讯。尽管近年来网络速度和主机处理能力在不断提高，但当虚拟现实系统中存在大量的用户和对象时，即使每个用户只需要少量带宽，成千上万的用户通讯需求累加起来也必定超过网络所能承受的限度，且在异构的广域网中各个用户的接入速度和主机处理能力均有差异，速度慢的主机必然影响其他主机的响应速度乃至降低整个环境的响应性能。

兴趣管理思想的提出实现了分布式虚拟现实系统中的对象通讯局部化，使得只有近距离的对象才能进行通讯，有效地降低整个虚拟环境的通讯量，成为解决分布式虚拟现实系统的可扩展性问题的关键技术。兴趣管理方法从提出至今，已有数十种不同的实现方法，根据实现兴趣管理的通讯结构的不同，大致可以分为：客户/服务器结构（Client-Server）、对等结构（Peer-to-Peer）和混合结构。

客户/服务器结构通常在服务器端实现兴趣管理，可以比较容易地维护全局的空间信息，并做最准确的信息过滤；但由于服务器容易成为瓶颈，且一旦服务器发生故障，整个虚拟环境系统将无法正常工作，并且通讯时延较大，两个网络距离很近的主机之间的通讯也必须经过服务器转发。对等结构则采用在发送端实现兴趣管理，每个主机均运行相同的程序并维护整个虚拟环境的数据拷贝，因而不存在瓶颈，系统健壮性好；但通常需要一个服务器来解决新来者（newcomer）加入的问题，即新加入者需要从某个服务器上获得关于其他主机的信息，其他主机也需要从该服务器上获得新加入者的信息。为了克服这两种结构各自的缺点，Funkhouser提出了混合结构，虽然较好地解决了服务器瓶颈、场景数据的分布等问题，但是对分布式虚拟现实系统中所要求的可扩展性和用户对通讯内容的频繁的动态变更这两个问题的解决都显得束手无策。

发明内容

为了解决以上问题，本发明采用基于内容的发布-订购模式，把组播路由算法和主动路由技术结合起来，发明一种在分布式虚拟现实系统中具有较强可扩展性的网络架构构建技术。

本算法解决其技术问题所采用的技术方案是：

提出一种基于CBT组播树的网络拓扑结构，实现了对象在不断运动变化的状态下能与其他对象进行快速准确的动态通讯，使得在虚拟现实系统中可以容纳大量对象进行通讯。

提出一种基于发布/订购模式的通讯协议，能根据数据包的内容进行主动过滤和转发，能有效地减轻系统的网络负载，具有较好的可扩展性。

提出一种适合快速路由匹配算法，加快了匹配的速度，有效地提高了路由器的数据处理效率。

本算法的有益效果是：采用CBT组播树的网络拓扑结构，使得虚拟对象可现实进行快速准确的动态通讯；采用基于发布/订购模式的通讯协议，减轻系统的网络负载；采用快速路由匹配算法，高了路由器的数据处理效率。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。

1.系统的通讯拓扑结构设计

在系统构建中，我们采用CBT(Core-basedTree)作为基本的通讯架构。在CBT中每个参与者可以同时担当发布者和订购者的角色，并共享一棵组播树，同时通过CBT连接的任意参与者都可以进行通讯，且无论是进行订购还是发布数据的流向都是任意的，属于一种双向共享组播树的结构。CBT不仅结构简单，易于扩展，而且与SBT(Source-basedTree)的通讯结构相比，能有效地减少主动路由器上的存储规模。同时，该结构与发布-订购模式相结合，对象可以在任何时刻通过简单地向路由器发送新的订购信息，藉此改变通讯关系，因此对象间通讯关系的改变是完全动态的，实现了对象在不断运动变化的状态下能与其他对象进行快速准确的动态通讯，使得在虚拟现实系统中容纳大量对象进行通讯成为可能，提高了分布式虚拟现实系统的可扩展性。

在基于CBT通讯拓扑结构的分布式虚拟现实系统中，路由器被组织成树状结构，作为根节点的路由器（CoreAR）被称为核心路由器，负责整棵共享组播树的构造和维护。其余的路由器则作为非叶子结点进行层次状组织，连接作为叶子节点的参与者和服务器。在此通讯架构中，用户将自身兴趣通过兴趣表达式的形式向最近的主动路由器订购，CBT树则负责维护所有用户的订购信息；同时用户也将自身最新的数据信息通过最近的路由器向CBT树发送，经过CBT树中路由器的匹配和过滤，最终到达对其感兴趣的用户。

2.系统的路由协议设计

我们将设计基于发布/订购模式的通讯协议：SRP（SubscriptionRoutingProtocol）和RDP（RealtimeDatagramDeliveryProtocol）。考虑到订购/发布信息动态的，而且其最大长度可能会超过网络中数据包的最大帧的长度，如果直接在网络层进行订购信息的管理，还需要实现数据包的重组，因此，我们将上述协议配置在路由器的应用层，直接利用现有的协议（如UDP和TCP）对数据包进行发送。

SRP包括的UPDATE、QUIT、SUBSCRIBE、REPLY、ECHO_REQUEST、ECHO_REPLY六个消息，其作用主要是构造组播树、传播路由信息、维护组播树、退出组播树。SRP协议中的所有消息通过UDP数据包进行发送，其中UPDATE消息和QUIT消息的发送采取Best-efforts方式，不保证可靠性，而SUBSCRIBE、REPLY、ECHO_REQUEST、ECHO_REPLY消息通过SRP协议中的重传机制保证点到点的可靠性。SRP不同类型消息在路由器上的处理方式为：

①在路由器尚未加入组播树的情况下，如果是第一次接收到SUBSCRIBE消息，将该SUBSCRIBE消息向上游路由器发送；如果再次接收到新的SUBSCRIBE消息，若不改变原先已发送的SUBSCRIBE消息的订购区域的并集，则不再向上发送SUBSCRIBE消息，否则需要重新向上游路由器发送。

②当路由器接收到第一个REPLY消息时，表明路由器已经加入了组播树，可以立即回复收到的SUBSCRIBE消息；但当下游路由器发送的订购区域发生变化时，需同时向上游路由器和下游路由器发送更新消息(UPDATE)和REPLY消息。

③当路由器接收到收到UPDATE消息时，计算上游虚拟接口对应的订购区域，若发生改变，发送UPDATE消息，并计算所有处于Active状态的下游虚拟接口并根据需要发送UPDATE消息。

RDP协议的作用是发布信息，它在SRP协议建立的路由信息基础上进行数据包的转发。此时考察各个路由器的行为，当路由器在向其下游节点转发数据包时，有精确的订购区域指导转发方向；但向上游节点转发时，却没有任何路由信息提供给路由器以判断其上游路由器是否需要该数据以及需要哪些数据。为此，我们拟为每个路由器的上游虚拟接口关联一个裁剪区域（即上游节点订购区域的总和），在数据包向在上游节点发送的过程中，路由器可根据其裁剪区域对数据包进行过滤和转发。因此在每个路由器节点上，无论是向下游节点还是上游节点转发数据包时，都能将数据包中的内容与路由器存储的订购区域或裁剪区域进行匹配运算，并根据匹配结果对数据包实现双向过滤和转发。

3.系统的路由算法设计

我们拟采用的数据结构主要由谓词表、订购列表、接口列表和匹配桶组成。

谓词表（PredictTable）：谓词表是数据结构的核心部分。谓词分为等值谓词、上阈值谓词和下阈值谓词三类，所有的谓词分类成为谓词族，具有相同属性和相同比较操作的谓词归入一个谓词族。此外，谓词表中将同一订购中的谓词用指针链接起来，最后都指向订购列表的具体订购。

匹配桶（MatchBucket）：用于辅助谓词表进行匹配。对谓词表的匹配是逐行进行的，但不是所有的订购都涉及所有的谓词族，为了使得这样的谓词在逐行扫描中不会丢失，用匹配桶暂时存储这些被延缓的谓词的索引。

接口列表（InterfaceList）和订购列表（SubscriptionList）：接口列表和订购列表维护了接口和接口对应的订购信息。订购列表登记了所有加入谓词表的订购，同时持有订购在谓词表中第一个谓词的指针，以便于访问订购中的所有谓词。

基于上述数据结构，匹配过程分为以下步骤：

Setp1:对匹配桶内容进行初始化。遍历订购列表，找到每个订购的第一个谓词的位置。如果一个订购的第一个谓词在谓词表中第i行的第j列的位置，那么在匹配桶的第i行中加入这个位置索引j。初始化后，匹配桶中保存了所有订购的第一个谓词的索引。

Step2:对谓词表进行逐行扫描。对于谓词表的每一行，主要进行两部分工作：首先找到这个谓词族中匹配该事件的所有谓词，将谓词表中的所有谓词分成匹配和不匹配两部分；然后根据匹配桶的内容对这些匹配的谓词逐个进行考察。

Claims (10)

1.本发明公开了一种具有较强可扩展性的在分布式虚拟现实系统网络架构构建技术，其特征在于，采用基于内容的发布-订购模式，把组播路由算法和主动路由技术结合起来，提高系统的可扩展性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，系统采用CBT架构，用户将自身兴趣通过兴趣表达式的形式向最近的主动路由器订购，CBT树则负责维护所有用户的订购信息；同时用户也将自身最新的数据信息通过最近的路由器向CBT树发送，经过CBT树中路由器的匹配和过滤，最终到达对其感兴趣的用户。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设计基于发布/订购模式的通讯协议：SRP（SubscriptionRoutingProtocol）和RDP（RealtimeDatagramDeliveryProtocol）。

4.SRP包括的UPDATE、QUIT、SUBSCRIBE、REPLY、ECHO_REQUEST、ECHO_REPLY六个消息，其作用主要是构造组播树、传播路由信息、维护组播树、退出组播树；RDP协议的作用是发布信息，在每个路由器节点上，无论是向下游节点还是上游节点转发数据包时，都能将数据包中的内容与路由器存储的订购区域或裁剪区域进行匹配运算，并根据匹配结果对数据包实现双向过滤和转发。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设计由谓词表、订购列表、接口列表和匹配桶组成的数据结构，并基于上述数据结构，匹配过程分为以下步骤：

Setp1:对匹配桶内容进行初始化。

6.遍历订购列表，找到每个订购的第一个谓词的位置。

7.如果一个订购的第一个谓词在谓词表中第i行的第j列的位置，那么在匹配桶的第i行中加入这个位置索引j。

8.初始化后，匹配桶中保存了所有订购的第一个谓词的索引。

9.对谓词表进行逐行扫描。

10.对于谓词表的每一行，主要进行两部分工作：首先找到这个谓词族中匹配该事件的所有谓词，将谓词表中的所有谓词分成匹配和不匹配两部分；然后根据匹配桶的内容对这些匹配的谓词逐个进行考察。