大规模仿真软件体系结构

Question

我期待着在一个复杂的模拟系统上进行一次大规模的大修，该系统模拟了课堂培训环境中几种汽车模型的几个实例。例如，24名学生可能在三种不同的车辆上运行模拟以进行维修和操作。教官将被要求拥有可以连接到24种活动模拟中的任何一种的平板电脑来控制训练场景。

主系统将在Linux上运行，但是没有对操作系统的其他要求，可以根据需要构建机器规范。每个模拟传球的性能必须能够在+-2ms公差的情况下，以大约10 2ms的间隔持续运行。

一个主要的目标是使这个系统非常模块化，以便它可以扩展和重复使用的其他培训设施与独特的车辆和需要。

我的想法是使用分层架构(系统、业务、UI)。每个车辆模型的定义可以存储在数据库中，因此由超级用户独立编辑(车辆的模块化/可扩展性)。每个层可能必须读取此数据库才能动态分配特定层所需的资源。

最初，我计划对系统层使用共享内存，为任何试图登录的业务层设置权限和身份验证。然后，主模拟业务逻辑将根据活动数据不断更新车辆详细信息。指导员接口将有一个业务层服务器，该服务器连接到所有24个客户端，并登录到系统层以修改模拟参数。来自学生和视觉输出的所有输入都有一个业务层，可以登录到共享内存系统层。所有这些都充当单独的应用程序，以便可以根据需要删除/添加/扩展它们。

当我意识到类在共享内存中不能很好地工作时，问题就出现了。我需要将共享内存的每个get/集合序列化为一个平面内存结构。以前没有使用过这个架构，我不确定这个计划是否会带来很大的性能冲击。从技术上讲，我可以将一些核心用于执行模拟的主要业务层逻辑。

将共享内存与一组应用程序一起使用是否是解决此系统的适当方法？另一种跨进程通信类型(如管道)是否比共享内存更可取？是否最好将系统和业务逻辑保存到一个应用程序中，只使用互斥和交叉线程来确保性能？我是不是搞错了？

Answer 1

我只做过一个模拟应用程序，需求更宽松(也就是说，我们必须让所有的东西更新1/s)。可以随意地用一大粒盐来吃，但这是个开始的地方。我认为你很难用股票操作系统实现你的计时目标。我只能强调一些经验教训：

• 有时，需求被夸大了。
  • 示例:在+/- 2ms内完成活动的间隔为10 2ms，总体速率可能足够好，但真正的版本更像是在+/- 20 2ms内完成的活动。同样的比率，但设计起来更合理。
  • 例如:您的外部客户端可能没有您的应用程序具有相同的近乎实时的需求。

• 您需要能够提前停止处理，如果接近窗口的末尾，则停止从队列中提取，或者实际取消现有的工作。
• 根据所模拟的内容，演员模型或一些类似的方法可能是您的总体设计的最佳选择。

在我所做的类比中，我们模拟了与信号设备和塔的通信，以及设备在接近实时的情况下移动的效果。考虑到我们需要模拟的设备数量，我们不能将一个完整的线程分配给每个参与者(设备和塔)，但是我们可以让有限数量的线程与语料库一起工作，以处理到当前模拟时间戳为止的消息。

我建议的唯一一件事是从一个稳定的基础开始，并对你的模拟进行压力测试。正是这些压力测试会迫使你做出艰难的决定，在什么地方你可以用同样的整体效果来换取绝对的忠诚。我向你保证，没有人会注意到10毫秒和100毫秒之间的区别。

任何模拟都是在工作模型的保真度和近似模型之间的权衡。

另外，不要在共享内存和管道或套接字上做出决定。关注核心行为。

我在一些新的尝试中学到的一点是，有时共享的nothing方法提供了最好的总体可伸缩性。为了从微服务方法中获得一个想法，您将拥有一个架构，其中一个模拟服务为高精度的定时事件提供了整个环境。诀窍是将整个环境安全地划分为较小的环境。每辆车或每个空域都能做到。

我们知道以下情况：

• 您的关键代码符合要求。
• 并不是每件事都有严格的时间要求(根据你上面和下面的评论)
• 套接字通信非常慢，即使在同一台机器上也是如此。
• 共享内存可能很棘手，而且仍然需要序列化，但只能使用一台计算机。

本质上，要让多个模拟节点协同工作，您需要定期将状态打包并传输到受影响的节点。你需要这种传输速度快，密度高。备选方案有：

• 命名管道，相当高的速度，高可靠性
• UDP数据包，相当高速，数据包可以被路由器分割，最大安全大小约为1134字节有效载荷。
• TCP数据包，速度慢，但可靠性高得多。

通信可以在接收节点中异步调用事件。在我的例子中，我们选择了UDP数据包，因为整个系统打算在一个子网中运行。我们还使用了二进制传输格式，如Google协议缓冲区，以最大化每个字节的信息。

在我的项目中，大多数模拟可以在一台机器上运行，但是传感器可视化软件通常是远程运行的。

在这种情况下，这是我们更新外部系统的频率和数据量的权衡。每个节点都有一对打开的套接字，一个用于发送，一个用于接收。

在大多数情况下，我们可以精确地预测我们的运动，这样我们收到的航向修正就不会被注意到，而且模拟仍然有效。

但是，像这样的方法必须根据已知的系统标准进行测试。