冷令，吳偉斌

CAN總線網(wǎng)絡(luò)建模及性能分析

冷令，吳偉斌

針對(duì)傳統(tǒng)解析法難以有效評(píng)估CAN總線網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的難題，提出了一種基于以確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)（Deterministic and Stochastic Petri Net， DSPN）的CAN總線網(wǎng)絡(luò)建模與性能分析方法。采用DSPN建立了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的性能分析模型，有效地模擬了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為特性。在TimeNET 4.0軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型的基礎(chǔ)上，仿真得到了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和平均延遲的變化曲線，驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)；消息幀；確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)；性能指標(biāo)

0　引言

CAN總線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)強(qiáng)耦合、離散的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)解析法（如排隊(duì)理論等）無(wú)法準(zhǔn)確模擬CAN總線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為特性，不能有效地評(píng)估CAN總線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)［1］。因此，如何有效地模擬CAN總線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為特性，并評(píng)估其性能指標(biāo)已經(jīng)成為一個(gè)緊要的難題。

Petri網(wǎng)是一種有力的離散事件系統(tǒng)建模與分析工具，已經(jīng)應(yīng)用到了軟件設(shè)計(jì)、工作流分析、故障診斷等諸多領(lǐng)域［2］。確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)［2］（Deterministic and Stochastic Petri Net，DSPN）是一種高級(jí)Petri網(wǎng)建模工具，特別適合模擬總線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為特性［3-6］。為此，本文以總線網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，采用確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)建立CAN總線網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型，分析其性能指標(biāo)。

1　CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制分析

CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1　CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不分主從，而是對(duì)等關(guān)系，即當(dāng)總線網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以主動(dòng)地向總線網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送消息幀。CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信過(guò)程大致如下：在一個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)中，處于待發(fā)送消息幀狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)總線網(wǎng)絡(luò)的閑忙狀態(tài)。當(dāng)總線網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)時(shí)，待發(fā)送消息幀節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的消息幀。當(dāng)有兩個(gè)及以上個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息幀時(shí)，會(huì)發(fā)生沖突，此時(shí)按照CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用的基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的非破壞性位仲裁機(jī)制，根據(jù)消息幀格式中仲裁域的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行逐位仲裁，優(yōu)先級(jí)高的消息幀將獲得總線使用權(quán)，不受任何影響地（時(shí)間上無(wú)任何損耗）持續(xù)發(fā)送相應(yīng)的消息幀。而低優(yōu)先級(jí)的消息幀由于仲裁失敗，退出總線網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)總線網(wǎng)絡(luò)忙閑狀態(tài)，待總線網(wǎng)絡(luò)再一次空閑，則繼續(xù)發(fā)送。

2　CAN總線網(wǎng)絡(luò)建模

2.1DSPN建模元素用法

定義1［2］：一個(gè)DSPN可以由一個(gè)8元組構(gòu)成，DSPN=（P，T， I， O， H， M0， W，λ），其中：

（1）P=｛P1， P2，…，Pm｝為位置的有窮集合；

（2）T=｛T1， T2，…，Tn｝為變遷的有窮集合；

（3）I為輸入有向弧的有窮集合；

（4）O為輸出有向弧的有窮集合；

（5）H為禁止弧的有窮集合；

（6）M0為初始標(biāo)識(shí)的有窮集合；

（7）W為弧權(quán)函數(shù)的有窮集合；

（8）λ=｛λ1， λ2，…，λm｝表示變遷的平均實(shí)施速率集合。

在CAN總線網(wǎng)絡(luò)建模過(guò)程中，DSPN建模元素的符號(hào)表示和用法，如表1所示：

表1　DSPN建模元素符號(hào)表示與用法

2.2基于DSPN的CAN總線網(wǎng)絡(luò)建模

基于確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)建?？蚣?，構(gòu)建了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型，如圖2所示。模型中包含14個(gè)位置，9個(gè)變遷，其中：3個(gè)瞬時(shí)變遷，3個(gè)指數(shù)時(shí)間變遷和3個(gè)確定時(shí)間變遷，主要的位置和變遷及其含義如表2和3所示。假設(shè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)優(yōu)先級(jí)大小依次為1到N的消息幀集合，以消息幀為研究對(duì)象，又已知CAN總線網(wǎng)絡(luò)中高優(yōu)先級(jí)的消息幀具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)，則將該消息幀集合等效為三個(gè)節(jié)點(diǎn)：優(yōu)先級(jí)大于k的消息幀集合S1=｛F1， F2，，F(xiàn)k-1｝等效為一個(gè)節(jié)點(diǎn)；優(yōu)先級(jí)為k的集合S2=｛Fk｝等效為一個(gè)節(jié)點(diǎn)；優(yōu)先級(jí)小于k的消息幀集合S3=｛Fk+1，F(xiàn)k+2，，F(xiàn)N｝等效為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型正是按照等效節(jié)點(diǎn)的思路構(gòu)建的。

表2　主要位置及其含義

表3　主要變遷及其含義

Ta3 優(yōu)先級(jí)小于?k的消息幀獲得總線使用權(quán)Tt1 優(yōu)先級(jí)大于k的消息幀在總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸Tt2 消息幀F(xiàn)k在總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸Tt3 優(yōu)先級(jí)小于k的消息幀在總線網(wǎng)絡(luò)上傳輸

模型按照CAN總線網(wǎng)絡(luò)消息幀的通信過(guò)程分為3個(gè)子過(guò)程：消息幀的產(chǎn)生子過(guò)程、消息幀的仲裁子過(guò)程和消息幀的傳輸子過(guò)程。

（1）消息幀的產(chǎn)生子過(guò)程：位置Pei（i=1，2，3）分別用于控制3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)中消息幀的循環(huán)產(chǎn)生；位置Pqi（i=1，2，3）分別用于存儲(chǔ)3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)中消息幀的個(gè)數(shù)；指數(shù)時(shí)間變遷Tei（i=1，2，3）分別模擬3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)中消息幀的到達(dá)過(guò)程，設(shè)定3個(gè)指數(shù)時(shí)間變遷實(shí)施時(shí)間服從參數(shù)為λi（i=1，2，3）（Frame/s）的負(fù)指數(shù)分布；禁止弧上權(quán)值k-1，1和N-k分別用于限制3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)中消息幀的處理能力上界。

（2）消息幀的仲裁子過(guò)程：位置Ppi（i=1，2，3）分別表示在3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)中已經(jīng)產(chǎn)生的消息幀；瞬時(shí)變遷Tai（i=1，2，3）分別表示在3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)中的消息幀獲得總線使用權(quán)，由于CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用非破壞性位仲裁機(jī)制，因此消息幀之間仲裁不占用額外時(shí)間，因此使用瞬時(shí)變遷加以模擬；位置Pa1表示在相應(yīng)等效節(jié)點(diǎn)中已經(jīng)產(chǎn)生的優(yōu)先級(jí)大于k的消息幀集合，引出禁止弧分別到瞬時(shí)變遷Ta2和Ta3，用以保證優(yōu)先級(jí)大于k的消息幀優(yōu)先獲得總線使用權(quán)；位置Pa2表示在相應(yīng)等效節(jié)點(diǎn)中已經(jīng)產(chǎn)生的消息幀F(xiàn)k，引出禁止弧到瞬時(shí)變遷Ta3，用以保證消息幀F(xiàn)k優(yōu)先獲得總線使用權(quán)。如果CAN總線網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)有低優(yōu)先級(jí)的消息幀正在傳輸，那么高優(yōu)先級(jí)的消息幀只能等待低優(yōu)先級(jí)的消息幀傳輸完畢，才能發(fā)送。因此，模型從位置Pt3引出禁止弧分別到瞬時(shí)變遷Ta1和Ta2，從位置Pt2引出禁止弧到瞬時(shí)變遷Ta1，用以禁止高優(yōu)先級(jí)消息幀的搶占。

（3）消息幀的傳輸子過(guò)程：位置Pti（i=1，2，3）分別表示在3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)中待傳輸?shù)南淮_定時(shí)間變遷Tti（i=1，2，3）表示消息幀的傳輸時(shí)間，CAN總線網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中大多選擇標(biāo)準(zhǔn)幀格式，即每個(gè)消息幀有130bits，通常通信速率選擇125b/s，250kb/s和500b/s 3種，本文模型選擇通信速率為250kb/s，則消息幀的傳輸時(shí)間為0.00052s，設(shè)定3個(gè)確定時(shí)間變遷的實(shí)施時(shí)間為0.00052s。

3　模型仿真及性能分析

3.1仿真環(huán)境及性能指標(biāo)

本文以TimeNET 4.0［7］為仿真平臺(tái)，建立了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型，分析相關(guān)性能指標(biāo)。在仿真軟件中設(shè)置參數(shù)如下：

置信度區(qū)間為95%；

最大相對(duì)誤差為5%；

消息幀的傳輸時(shí)間為0.00052s。

設(shè)E｛#Pname｝表示位置Pname在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)的平均標(biāo)記數(shù)，根據(jù)Little公式，定義CAN總線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和消息幀的平均延遲為公式（1）、（2）：

3.2性能分析

在TimeNET 4.0軟件環(huán)境下進(jìn)行模型仿真得到CAN總線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量和3個(gè)等效節(jié)點(diǎn)消息幀的吞吐量及平均延遲如圖3和圖4所示：

圖3　CAN總線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量

圖4　CAN總線網(wǎng)絡(luò)的平均延遲

當(dāng)0≤λ≤1000時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量和各個(gè)等效節(jié)點(diǎn)消息幀的吞吐量不斷增加，平均延遲時(shí)間變化不是太大。當(dāng)1000≤λ≤2000時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量和等效節(jié)點(diǎn)1和2的消息幀的吞吐量繼續(xù)不斷增加，而等效節(jié)點(diǎn)3的吞吐量開始不斷減少，這是由于低優(yōu)先級(jí)的消息幀在總線使用權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)中失敗，因此等效節(jié)點(diǎn)消息幀平均延遲時(shí)間在臨界點(diǎn)開始急劇增大，最后嚴(yán)重阻塞，此外，系統(tǒng)的吞吐量在λ=2000達(dá)到極大值。當(dāng)2000≤λ≤3000時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量保持在極大值附近，等效節(jié)點(diǎn)1的消息幀的吞吐量繼續(xù)增大，平均延遲時(shí)間逐步減少，而由于優(yōu)先級(jí)低，等效節(jié)點(diǎn)2和3的消息幀的吞吐量則不斷減少，等效節(jié)點(diǎn)2的消息幀的平均延遲時(shí)間在臨界點(diǎn)開始急劇增大，最后嚴(yán)重阻塞。由圖3和4依次可以在各個(gè)區(qū)間段分析系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化情況，不難看出，所建模型有效地模擬了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為特性，保證了高優(yōu)先級(jí)消息幀的優(yōu)先發(fā)送，模型仿真分析得到了CAN總線網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的變化曲線，可以為CAN總線網(wǎng)絡(luò)分析與設(shè)計(jì)提供有益參考。

4　總結(jié)

本文以CAN總線網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，提出一種基于DSPN的CAN總線網(wǎng)絡(luò)建模與性能分析方法。將CAN總線網(wǎng)絡(luò)中不同優(yōu)先級(jí)的消息幀集合等效為三類節(jié)點(diǎn)，建立了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型。在此基礎(chǔ)上，利用TimeNET 4.0仿真工具實(shí)現(xiàn)了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的DSPN模型，仿真得到了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)的變化曲線，驗(yàn)證了本文方法和模型的有效性。下一步可以將模型和特定的應(yīng)用領(lǐng)域和研究對(duì)象結(jié)合，進(jìn)行系統(tǒng)性能指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究。

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Modeling and Performance Analysis of CAN Bus Network

Leng Ling1， Wu Weibin2
（1.Zhongshan Polytechnic Institute， Zhongshan528400， China；2.College of Engineering， South China Agricultural University， Guangzhou510642， China）

Aiming at the problem that it is difficult to evaluate the performance index of CAN bus network with traditional analytical method， and a new modeling and performance analysis method of CAN bus network with deterministic and stochastic petri net（DSPN）. The performance analysis model of CAN bus network which can describe the dynamic behavior of CAN bus network is constructed. Based on realizing the DSPN model of CAN bus network in TimeNET 4.0 software environment， change curve of the throughput and the average delay-time are obtained by simulation， and The correctness and effectiveness of the proposed method are verified.

CAN Bus Network； Message Frame； Deterministic and Stochastic Petri Net； Performance Index

TP393

B

1007-757X（2016）06-008-03

2015.11.02）

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD16B0103）；2015年度國(guó)家星火計(jì)劃（2015GA780063）；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014A070713032）

冷 令（1980-），男，沈陽(yáng)人，中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，中山，528400

吳偉斌（1978-），男，中山人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，工程學(xué)院，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員（E041200601S），研究方向：農(nóng)業(yè)工程、機(jī)電一體化和信息技術(shù)應(yīng)用研究。廣州，510642。