home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1997 December / Internet_Info_CD-ROM_Walnut_Creek_December_1997.iso / drafts / draft_ietf_j_p / draft-ietf-lsma-scenarios-00.txt < prev    next >
Text File  |  1997-01-07  |  19KB  |  382 lines

  1.  
  2. Internet Engineering Task Force   Large-Scale Management of Multicast Groups
  3. WORKING INTERNET-DRAFT                            Steve Seidensticker, ed.,
  4. draft-myjak-lsma-scenarios-00.txt                 seiden@netcom.com
  5. 13 June 1996                                      W. Garth Smith, 
  6.                                                   wgsmith@tiac.net
  7.                                                   Michael Myjak
  8.                                                   myjak@ist.ucf.edu
  9.                           Expires in 6 months
  10.  
  11.  
  12.                  Scenarios and Appropriate Protocols for 
  13.             Distributed Interactive Simulation
  14.  
  15.                     draft-ietf-lsma-scenarios-00.txt 
  16.  
  17. Status of this Memo
  18.  
  19.      This document is an Internet-Draft.  Internet-Drafts are working
  20.      documents of the Internet Engineering Task Force (IETF), its
  21.      areas, and its working groups.  Note that other groups may also
  22.      distribute working documents as Internet-Drafts.
  23.  
  24.      Internet-Drafts are draft documents valid for a maximum of six
  25.      months and may be updated, replaced, or obsoleted by other
  26.      documents at any time.  It is inappropriate to use Internet-
  27.      Drafts as reference material or to cite them other than as
  28.      ``work in progress.''
  29.  
  30.      To learn the current status of any Internet-Draft, please check
  31.      the ``1id-abstracts.txt'' listing contained in the Internet-
  32.      Drafts Shadow Directories on ftp.is.co.za (Africa),
  33.      nic.nordu.net (Europe), munnari.oz.au (Pacific Rim),
  34.      ds.internic.net (US East Coast), or ftp.isi.edu (US West Coast).
  35.  
  36.      Distribution of this document is unlimited.  The current
  37.      working draft is located at the following URL:
  38.  
  39.      http://www.tasc.com/simweb/ietf/draft-DISscenarios-00.txt
  40.  
  41.  
  42.      Current schedule:
  43.  
  44.      June  1996. Meet in Montreal, approve charter, refine goal
  45.      documents and finalize the appoint of editors for
  46.      documents.
  47.  
  48.      Sept. 1996.  Produce initial draft.
  49.  
  50.      Dec.  1996.  Review document drafts and accept changes and
  51.      comments on the documents.
  52.  
  53.      March 1997.  Publish documents as Informational RFCs Close group.
  54.  
  55.      Mailing lists for comments:
  56.      ietf-dis@bacon.gmu.edu
  57.      ietf-dis-request@bacon.gmu.edu
  58.  
  59.  
  60.  
  61. Abstract
  62.  
  63. We describe Distributed Interactive Simulation (DIS) scenarios from
  64. the vantage point of hardware and software vendors who would need to
  65. address the network implications and requirements to enable large
  66. scale networked multiplayer virtual worlds.  This document is meant to
  67. migrate the heuristic knowledge of the traditional Department of
  68. Defense (DoD) modeling and simulation community into tangible design
  69. metrics for the commercial networking community [2].
  70.  
  71. 0. Introduction
  72.  
  73. Distributed Interactive simulation (DIS) [1] is being extensively used
  74. by the DoD as a means providing multi-player virtual worlds for large
  75. scale military simulations.  A large body of folk knowledge has been
  76. accumulated as to the types of scenarios that are possible within the
  77. DIS community given the state of network hardware and software.  The
  78. authors attempt to describe this hueristic knowledge of network
  79. requirements in the form of anecdotal scenarios such that the general
  80. community be able to characterize simulation requirements from their
  81. perspective.  This paper provides a series of example scenarios with
  82. the details of the required network infrastructure for entity passing
  83. among simulation hosts.  This initial version of the document is meant
  84. to pass through successive iterations.  These scenarios may initially
  85. be described in a general manner but ultimately may be delivered in a
  86. more quantified manner based ob feedback from the June 1996 IETF, in
  87. Montreal.
  88.  
  89. DIS simulations are collections of individual simulations linked at a
  90. peer level.  That is, there is no client/server or centralized kernel.
  91. Each simulation application maintains it's own copy of a common
  92. virtual environment.  Representations of this environment
  93. (e.g. terrain databases) are distributed by various means to all
  94. simulation applications prior to any real time operation.  Issues
  95. associated with the distribution of the description of the static
  96. environment are not within the scope of this discussion.
  97.  
  98. During real time operation each simulation application models the
  99. behavior of the simulated entity(s) for which it is responsible.
  100. Whenever specific events occur in the virtual environment or when the
  101. state of the simulated entities have changed significantly, the
  102. simulation application transmits this new information to the other
  103. simulation applications on the network.  This information is
  104. encapsulated in standard packets, the content and format of which are
  105. defined in IEEE standard 1278.1 [1].  These packets are transmitted
  106. via the UDP/IP datagram service.  Anomalies and lack of precise
  107. causality due to dropped packets are tolerated in order to get the
  108. latency needed to support real time operations.
  109.  
  110. A next-generation approach to simulation standards is in development
  111. which does not explicitly define packets.  However, for the purpose of
  112. exploring the communication issues identified in this paper, the
  113. requirements are similar.
  114.  
  115. Effective DIS simulation depends on low latency between the time a new
  116. state/event occurs for a simulated entity to the time that that
  117. state/event is perceived by another entity that must react to it
  118. (e.g. two high performance aircraft maneuvering to get in position to
  119. launch weapons at each other).  In event driven simulations increased
  120. latency merely slows the simulation down but causality is maintained.
  121. In real time simulations excessive latency destroys interactions and
  122. the simulation collapses.
  123.  
  124. The DIS recommended practice for communications architecture (IEEE 1278.2)
  125. indicates that the underlying communications structure should provide 100
  126. ms or less latency for packet exchange for closely coupled interactions
  127. between simulated entities (e.g. high performance aircraft in a dog fight).
  128. This requirement is based on human reaction times that have been the basis
  129. of human-in-the-loop (HITL) flight simulator designs for many years.  This
  130. requirement eases to 300 ms for loosely coupled interactions (simulated
  131. voice radio).
  132.  
  133. To some extent DIS compensates for excessive latency by extrapolating
  134. continuously changing values (e.g. deduced reckoning of entity
  135. movement based on initial position plus velocity and
  136. acceleration). However, discrete events (e.g. voice exchanges between
  137. humans on a simulated radio net) cannot be predicted and therefore no
  138. latency compensation is possible.
  139.  
  140. Types of Data Exchanged
  141.  
  142. The IEEE 1278.1 standard identifies 27 different kinds of packets and
  143. provides an extension mechanism to handle new data types.  Only a few of
  144. these tax network services.  They are:
  145.  
  146. Entity State -- Information includes appearance, location, velocity,
  147. orientation, accelerations, and position/movement of articulated parts of
  148. simulated entities.  Location and movement are dead reckoned and this
  149. packet is only sent to correct dead reckoned parameters.  It also is sent
  150. periodically, even if the dead reckoned parameters have not changed, as a
  151. heartbeat.  Radically maneuvering entities transmit up to 15
  152. packets/second.  An average rate is two/sec for land vehicles and five/sec
  153. for aircraft.
  154.  
  155. Emissions -- Information includes point of origin, power, frequency,
  156. direction, scan pattern, and other parameters of electronic or acoustic
  157. emissions.  This information is used to stimulate simulated sensors capable
  158. of detecting and responding to such information.  In electronic warfare
  159. (EW) environments these parameters change frequently.  In an active EW
  160. environment emission packets are sent as frequently as entity state packets.
  161.  
  162. Signal -- This packet carries bit streams representing voice samples,
  163. computer-to-computer communications, or any other digital bit stream.  It
  164. is heavily used in simulations that include voice radio or computer based
  165. tactical command and control systems.
  166.  
  167. Environment -- Atmospheric data is broken up into a series of packets to
  168. describe weather conditions in the simulated environment.  The update rate
  169. is relatively low, but the number of packets needed to represent complex
  170. weather patterns induces a significant network load.
  171.  
  172. Fire & Detonation -- Packet pairs carry the information needed to describe
  173. the firing of a ballistic (unguided) weapon and the detonation of the
  174. projectile.  The amount of information per packet is modest and the total
  175. packets are limited to the amount of ammunition the participants can carry,
  176. but weapon firing tends to come in bursts and those bursts can impact
  177. network performance.
  178.  
  179.  
  180. Multicasting
  181.  
  182. In early DIS simulations all applications simply broadcast DIS packets
  183. to all other applications in the exercise using the IP broadcast
  184. address in UDP datagrams.  More recent DIS simulations use static
  185. multicast addresses to segregate different kinds of packets
  186. (e.g. entity state, emissions, signal).  This reduces the processing
  187. required to throw away packets by those applications that cannot
  188. process them.
  189.  
  190. While static multicasting is a significant improvement over
  191. broadcasting, it is not adequate for the large scale simulations that
  192. the DIS community needs to build (100,000 simulated entities modeled
  193. by simulation applications at 50 sites).  For that a mechanism must be
  194. found that can efficiently route packets only when and where they are
  195. needed.  Dynamic multicasting is the key.  But to use dynamic
  196. multicasting it must be supported by the communications community.
  197.  
  198. Much has been said and written about dynamic multicasting.  There is
  199. no single view of it.  Dynamic multicasting can have many
  200. characteristics.  Different applications will emphasize different
  201. characteristics.  Those most important to the DIS community are:
  202.  
  203. * Many groups
  204. * Many members in a group
  205. * Receiver initiated joins and leaves
  206. * Rapid joins and leaves
  207. * Single member belonging to many groups
  208.  
  209.  
  210. 1. This scenario is a description of a relatively current small scale
  211. DIS simulation.
  212.  
  213. A dedicated 10 megabit/second Ethernet 10Base-T Local Area Network
  214. (LAN) has been established for a 200 entity exercise.  The simulation
  215. platforms are Silicon Graphics (SGI) Indigo 2 Extremes running IRIX
  216. 5.3, SGI Maximum Impacts, and SUN Solaris 5.4 SPARC Ultra UNIX
  217. workstations.  Three stand-alone hosts running an embedded real-time
  218. operating system are functioning as high speed aircraft simulators.
  219. The aircraft simulators provide high resolution out-the window views
  220. of the virtual world.  All simulations are using the IEEE 1278-1993
  221. DIS 2.0.4 protocol for entity to entity interaction.  Primary entity
  222. information is being passed as UDP/IP datagrams via the UNIX UDP port
  223. 3000.  All simulation hosts are located on the same subnetwork on the
  224. LAN.  All simulations are using a 20 X 20 kilometer terrain database
  225. so as to orient in a common virtual world.  All UNIX workstations are
  226. configured with Internet Group Management Protocol (IGMP) and all
  227. simulations are using static IP multicast.  No reliability via
  228. retransmissions is provided at the network transport protocol level as
  229. no standard for reliable multicast has yet been adopted by the
  230. community [3].  A small number of predefined multicast groups are
  231. being used to delineate network traffic to interested users.  These
  232. groups do not change during the course of the exercise.  As in typical
  233. DIS scenarios, all simulation applications are acting like senders and
  234. receivers.  Some simulation applications emit multiple entities (up to
  235. 40) while others are responsible for only a single entities behavior.
  236.  
  237. The majority of entities are low speed ground vehicles transmitting
  238. DIS 2.0.4 Entity State Protocol Data Units (PDUs) of 1152 bits at an
  239. average of two packets per second.  These ground entities are
  240. controlled by a rule based system that mimics behavior of
  241. transportation on four of the SGI simulation hosts.  One of the
  242. rule-based simulation applications is generating six high speed rotory
  243. wing aircraft generating on average six Entity State packets per
  244. second.  Occasionally, these rotory wing entities emit bursts of 704
  245. bit Fire PDUs with subsequent emission of 832 bit Detonation PDU's (on
  246. the order of 20 to 100 packets a second for both Detonation and Fire
  247. PDUs).  All Entity state based information must arrive at all the
  248. designated receivers at the 100 millisecond constraint to remain
  249. real-time.
  250.  
  251. The three high speed aircraft simulation emit from 5 to 10 Entity
  252. State PDUs per second.  Additionally, the aircraft are using
  253. experimental radio communication packets for transmitting voice
  254. between the users.  Pregenerated background voice traffic is being
  255. transmitted along with the pilot communications.  An air-born control
  256. aircraft simulation transmitting voice to the pilots is also issuing
  257. the voice DIS packets.  These packets are on the order of several
  258. hundred bytes and are randomly dispersed through the exercise with
  259. occasional bursting.  To limit the impact of the voice traffic on
  260. simulation applications that cannot process such traffic, a predefined
  261. static multicast group is used for all voice communications.
  262.  
  263. One of the simulation applications is providing weather forecasts to
  264. exercise participants via a predefined static multicast group.  These
  265. packets are multicast transmitted at 10 minute intervals due to the
  266. very large size of the precipitation and wind data (a total of five
  267. megabits of data broken up as individual transmissions of 1500 Byte
  268. packets).  As fragmentation and reassembly are not provided in the
  269. multicast transport layer, the applications fragments the data into
  270. manageable packet sizes (i.e., up to the Ethernet Datalink size
  271. limitation).  The weather data need only arrive at the specified users
  272. host at 10 minute intervals to remain real-time.
  273.  
  274. The scenario is periodically compromised when the network traffic
  275. exceeds the 10 megabit/second rate.  This usually occurs when the
  276. radio and weather packets and detonations are all simultaneously
  277. occurring.  Other loss of network information occurs when the host
  278. receiver buffers get overloaded and drop packets when receiving bursts
  279. of voice and weather data simultaneously.  Exercises that experience
  280. such loss are considered invalid and are replayed.
  281.  
  282.  
  283. 2. This scenario represents a DIS environment maintained by a company
  284. as an Intranet using a commercial Wide Area Network (WAN) provider.
  285.  
  286. ...
  287.  
  288. 3. This scenario is an example of a large exercise conducted over the
  289. DSI and multiple LAN and WAN segments.
  290.  
  291. ...
  292.  
  293. Scenario 4.  Recreations of Historic Battles
  294.  
  295. The year is 2020 or thereabout.  The world's major powers have been at
  296. peace since the resolution of the Balkans conflict in 1997.  Several
  297. generations have grown up without the taste of battle.  But there is
  298. something in the psyche of these generations that yearns for the
  299. excitement of engaging an enemy with skill and determination, but
  300. without the shedding of their own blood.  This yearning has been
  301. behind the development of more and more realistic real time
  302. simulations.  It has culminated in the simulated recreation of
  303. historic battles on a grand scale.
  304.  
  305. A culture has grown up around these simulations.  Above all they
  306. strive for historic accuracy.  The simulated planes, ships, tanks,
  307. horses, and weapons have the same capabilities as the original.
  308. Logistics, planning, and initial conditions are the same.  The
  309. participants are trained to the same point as their original
  310. counterparts.  They are tested and qualified before they can
  311. participate.  Some take on the names and habits real characters.  Many
  312. assemble at annual conventions to exchange tales and see the latest in
  313. simulation equipment.
  314.  
  315. These simulations have become a very popular spectator sport.
  316. Millions of viewers watch the battles unfold from any vantage point
  317. that they choose.  They can go into the command centers.  They can
  318. tether themselves to any participant and see and hear what he sees and
  319. hears .  They can tune in to various commentators in different
  320. languages for an explanation or critique of what is going on at
  321. various points.  The recreations are both scheduled and reported on
  322. the popular net sport pages.
  323.  
  324. The scenario described below is the recreation of a series of B-17
  325. raids that the US Eighth Air Force made over Europe in 1943.  These
  326. raids were fiercely and effectively defended by the Luftwaffe and
  327. German anti-aircraft artillery (the dreaded flak).
  328.  
  329. The participants are a mix of humans and software models.  The humans
  330. tend to take the more interesting roles.  The software models are
  331. sophisticated enough that they cannot be easily distinguished from
  332. human participants.  Total number of participants roughly corresponds
  333. to the number of participants in the original battle and varys between
  334. 100,000 and 500,000.  Number of spectators ranges in the tens of
  335. millions and is governed by the factors that control the watching of
  336. any sport.
  337.  
  338. The simulation equipment ranges from simple VR goggles to elaborate
  339. cockpits and gun turrets with sophisticated motion and sound cuing.
  340. All simulations share visual cues that are indistinguishable from what
  341. the unaided eye can see.  The participants own or rent the hardware
  342. and software.  As with any avocation the cost varies depending on
  343. taste and finances.  Participation is not governed by cost but by the
  344. dedication and capability of individuals.
  345.  
  346. The participants and spectators are located throughout the world and
  347. are connected on a virtual net that reaches into each participant's
  348. and spectator's home.  Crew station simulations that are part of one
  349. simulated platform (e.g. a single B-17) are themselves distributed.
  350.  
  351. Sophisticated multicasting schemes, clever interest management
  352. algorithms, and simulation tricks have effectively removed any limits
  353. to the potential scale of distributed simulations.  Local bandwidth
  354. limitations sometimes restrict what a spectator can see.  Dropped
  355. packets and latency spikes occasionally cause anomalies, but they are
  356. seldom serious enough to effect the outcome of the simulation.
  357.  
  358.  
  359.  
  360. Things to do:
  361. 1. get feedback on appropriateness of approach
  362. 2. Additional descriptive scenarios
  363.  
  364.  
  365.  
  366. Acknowledgements:
  367.  
  368. The authors are working under the direction of Michael Myjak
  369. (MMYJAK@ist.ucf.edu) and Chris Bouwens (Chris_Bouwens@cpqm.saic.com)
  370. of the DIS Communications Architecture Subgroup (CAS) to produce this
  371. informational RFC.
  372.  
  373. References:
  374.  
  375. [1] IEEE Standard for Information Technology - Protocols for
  376. Distributed Interactive Simulation Applications, IEEE Std. 1278-1993.
  377.  
  378. [2]  http://www.herring.com/mag/issue30/games.html
  379.  
  380. [3]  http://www.tascnets.com/mist/doc/mcpCompare.html
  381.  
  382.