分布式并行实验系统及其关键技术研究

论文摘要

网络实验系统研究是实验教学和网络教学研究的热点课题之一。各种网络实验系统模型和实例层出不穷,多种新技术也在此得到充分应用,这些研究为网络实验系统发展做出了重要贡献。体系标准化和高效并行性依然是网络实验系统研究的重点和难点,一直以来得到国内外学者的极大重视并被广泛研究。本文从理论和实验两个方面对网络实验系统的体系结构和高效并行性进行了深入的研究。研究的主要创新和结论可概括为以下几个方面。结合网络实验系统研究的意义和现状,分类综述了当前网络实验系统研究方向和技术实现手段。对网络实验系统拓扑结构进行了分析,使用OSI分层原则,提出了分布式网络并行实验系统体系结构及其层次化模型,自下而上依次为物理驱动层、实验操作层、实验网络层、实验数据传输层、实验控制层、决策层和实验应用层。层次化体系结构是网络实验系统研究的基础,对网络实验系统标准化具有积极指导性意义。讨论了物理子层的典型总线和驱动子层的四个实现过程,明确了网络实验系统的基本物理接口。对实验性质进行了研究,从宏观角度讨论了实验系统及其分类特征,分析了实验操作层的三个基本函数,重点讨论了实验控制层的标准实验控制模型和通用服务模型,得出了实验操作层与实验控制层的划分原则及划分的边界条件和最优公式,从而提供了提高实验自身并行效率的方法。以当前标准网络模型为基础,分析了实验网络层的网络数据传输过程。研究了网络数据的标准化传输方式,归纳出了三类结点的网络并行服务模型。通过实验计算分析提出了实验数据传输层的数据标准化理论和方法,分析了用于保障数据传输安全性的数据加密算法。对常用的数据压缩算法RLE、Huffman、LZW在网络实验数据压缩中的应用进行了分析比较,得出不同数据模式下各种算法的选择方法。在已有决策理论的基础上,结合网络实验系统的实际背景,采用层次分析法,从网络实验路由和实验相关性两个方面进行了理论推导,得到了高效并行性的决策理论公式。研究了用于实际应用的动态决策模型。从服务安全性、系统易用性和系统稳定性三个方面讨论了实验应用层的基本功能。研究了嵌入式在线语音、视频以及适用于低带宽的动态热区图像压缩在网络实验系统中的应用方法。使用队列理论对网络实验系统各种服务模型进行了性能评估。分析了基于超市模型的分布式并行网络实验系统实例,采用Poisson流仿真算法,对系统性能进行了评估计算。从服务成本和等待成本两个方面,得出了系统配置优化策略。研究结果表明,基于层次体系结构的网络实验系统具有灵活的分布性能,采用层次划分方法和决策算法后,系统获得了高效并行性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 网络实验室的研究意义
• 1.2 网络实验室的研究现状
• 1.3 网络实验室的分类
• 1.4 分布式并行实验系统
• 1.5 全文结构安排
• 2 网络实验系统拓扑结构和体系结构
• 2.1 拓扑结构
• 2.2 体系结构概述
• 2.3 网络实验系统分层原则
• 2.4 服务原语
• 2.5 面向连接的服务与无连接的服务
• 2.6 网络实验系统体系分层结构
• 2.7 本章小结
• 3 网络实验系统实验驱动
• 3.1 物理驱动层
• 3.2 实验概述
• 3.3 实验的宏观分类
• 3.4 实验操作层
• 3.5 实验控制层
• 3.6 实验操作层与实验控制层划分原则
• 3.7 本章小结
• 4 实验网络层和实验数据传输层
• 4.1 实验网络层
• 4.2 实验数据传输层
• 4.3 本章小结
• 5 决策层与实验应用层
• 5.1 决策层
• 5.2 实验应用层
• 5.3 本章小结
• 6 网络实验系统性能评估
• 6.1 网络实验系统排队概论
• 6.2 生灭过程和 Poisson 过程研究
• 6.3 单实验服务机构排队模型
• 6.4 多实验服务机构服务排队模型
• 6.5 本章小结
• 7 分布式并行网络实验系统
• 7.1 网络实验室分类
• 7.2 超市模型系统架构
• 7.3 系统架构与体系结构的关系
• 7.4 系统硬件
• 7.5 软件体系结构
• 7.6 系统运行状态分析
• 7.7 系统性能评估
• 7.8 系统配置优化
• 7.9 本章小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文