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        時(shí)間觸發(fā)光纖通道調(diào)度算法確定性分析

        2018-08-01 07:46:00譚小虎褚文奎
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)流交換機(jī)消息

        譚小虎,王 勇,褚文奎,劉 安

        空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院,西安 710038

        1 引言

        FC(Fibre Channel,光纖通道)憑借在延遲率、錯(cuò)位率以及傳輸速率等方面的優(yōu)勢(shì),成為新型航電系統(tǒng)的首選協(xié)議[1],可以滿足航電網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的要求。為支持FC協(xié)議在航電系統(tǒng)中的應(yīng)用,F(xiàn)C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)委員會(huì)專門組織建立一個(gè)分委會(huì),該分委會(huì)制定出針對(duì)航空電子環(huán)境下的協(xié)議草案,即FC-AE(光纖通道航空電子環(huán)境),其內(nèi)容就是擴(kuò)展FC協(xié)議,同時(shí)發(fā)展以光纖通道為基本的航電增強(qiáng)型專用系統(tǒng)[2]。FC-AEASM(光纖通道-航空電子環(huán)境-匿名消息)作為FC-AE協(xié)議的子集,就是針對(duì)航電系統(tǒng)應(yīng)用而提供的上層協(xié)議,用于航電系統(tǒng)各設(shè)備間安全和低延遲的通信[3]。但是該協(xié)議中卻沒有給出終端系統(tǒng)中消息間的調(diào)度算法,對(duì)于大部分終端設(shè)備采用先來先服務(wù)(FCFS)的數(shù)據(jù)發(fā)送控制算法使得消息端到端延遲具有很大的不確定性,造成對(duì)系統(tǒng)的分析困難。

        目前國(guó)內(nèi)對(duì)光纖通道方面的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?、通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及上層協(xié)議的轉(zhuǎn)換方面。文獻(xiàn)[4-6]以網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模型為基礎(chǔ),建立了可靠性模型,同時(shí)針對(duì)光纖通道三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),推導(dǎo)出可靠性的表達(dá)式。文獻(xiàn)[7]對(duì)于FC在航空電子環(huán)境中的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)[8]對(duì)光纖通道的特性進(jìn)行了介紹,同時(shí)對(duì)典型的幾種網(wǎng)絡(luò)和總線進(jìn)行了分析比較。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中消息的發(fā)送控制算法,文獻(xiàn)[9]提出了基于實(shí)時(shí)排隊(duì)論的調(diào)度算法,它借助延時(shí)率可以反映系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

        基于以上分析,提出時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法,通過靜態(tài)規(guī)劃消息的調(diào)度表,通過全局時(shí)鐘來觸發(fā)每個(gè)消息的發(fā)送,使得網(wǎng)絡(luò)中所有消息都擁有較強(qiáng)的時(shí)間確定性。

        2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

        航空電子系統(tǒng)中存在很多類型消息,不同消息對(duì)時(shí)間延遲的要求也就不同。類似警報(bào)和傳感器的消息就是具有硬實(shí)時(shí)要求的緊急消息,具有嚴(yán)格的時(shí)延要求,而對(duì)于文件發(fā)送等消息就是非緊急消息,時(shí)延要求相對(duì)較低[10]。所以在時(shí)間觸發(fā)FC終端接口中將具有高時(shí)延要求的緊急數(shù)據(jù)設(shè)置為時(shí)間觸發(fā)消息,其他非緊急消息設(shè)置為事件觸發(fā)消息。根據(jù)FC-AE-ASM消息幀格式,數(shù)據(jù)傳輸過程中將消息幀幀頭中保留的8~11 Byte作為消息類型的標(biāo)識(shí),設(shè)定用0110表示該消息為時(shí)間觸發(fā)消息,其余除了0000表示形式外代表該消息為事件觸發(fā)消息,改進(jìn)的消息幀格式如圖1所示。對(duì)于時(shí)間觸發(fā)消息采用時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度形式進(jìn)行發(fā)送,而對(duì)于事件觸發(fā)消息則采用傳統(tǒng)的先來先服務(wù)策略進(jìn)行發(fā)送。

        圖1 FC-AE-ASM消息格式

        3 時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法設(shè)計(jì)

        調(diào)度算法主要涉及對(duì)基本周期和矩陣周期的確定。對(duì)于矩陣周期,首先根據(jù)消息種類規(guī)劃初始系統(tǒng)矩陣MC0,然后對(duì)MC0進(jìn)行優(yōu)化,得到最終系統(tǒng)矩陣MC。

        (1)對(duì)基本周期(BC)和矩陣周期(MC)的持續(xù)時(shí)間MCT進(jìn)行確定

        首先對(duì)于周期消息按照周期遞增的順序排序,得到消息序列 T=[T1,T2,…,TM],其中 Ti+1≥Ti,(i∈[1,M-1])。取輸入周期消息的最小周期T1作為基本周期BC。規(guī)定MC的持續(xù)時(shí)間MCT是輸入周期信號(hào)周期的最小公倍數(shù)或者最小公倍數(shù)的整數(shù)倍來保證滿足傳輸每一個(gè)消息的平均周期[11],從式(1)的計(jì)算中可得矩陣周期(MC)的行數(shù)R。

        式(3)中n是為防止非周期型號(hào)對(duì)周期信號(hào)造成干擾加在兩個(gè)周期間的隔離窗口[12],IDLE是防止傳輸過程中上個(gè)基本周期未傳完消息對(duì)下一個(gè)周期影響所加入的保護(hù)間隔。式(4)中Ti是各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送周期,T1是所有消息的最小傳輸周期。如果a<νmax,那么生成矩陣的列數(shù)為[a]+3,其中[a]用來傳輸TT消息,一列傳輸ET消息,一列為周期消息和非周期之間的隔離窗口,一列為兩個(gè)基本周期之間的保護(hù)間隔。如果a>νmax,則說明鏈路傳輸速率不夠,需要增加傳輸速率來完成消息的發(fā)送。

        (3)生成待優(yōu)化的初始矩陣MC0

        根據(jù)消息集合I,在滿足發(fā)送周期的情況下將消息按列依次裝入R列矩陣中,得到待優(yōu)化矩陣MC0。

        (4)初始矩陣的優(yōu)化

        采用價(jià)值函數(shù)P對(duì)初始矩陣進(jìn)行優(yōu)化,由此得到最終的優(yōu)化矩陣MC。

        式(2)表示消息集合,其中ki(1≤i≤R)表示第i個(gè)消息的實(shí)例個(gè)數(shù)。

        (2)確定一個(gè)基本周期(BC)可以傳輸?shù)南€(gè)數(shù)ν

        根據(jù)總線的傳輸波特率B和周期消息比特?cái)?shù)Num以及消息的傳輸時(shí)間Lt等參數(shù),由式(3)可以得出一個(gè)基本周期中可以傳輸消息的最大個(gè)數(shù);再者根據(jù)式(4)可以得出基本周期中傳輸?shù)钠骄€(gè)數(shù):

        其中P表示在矩陣周期中將消息集合中每個(gè)消息傳輸完成實(shí)際所需時(shí)間,其達(dá)到最小值也就得到最優(yōu)值。表示第i個(gè)消息的第 j次消息實(shí)例的發(fā)送時(shí)刻;R、C、Dc分別表示矩陣周期的行數(shù)、列數(shù)和時(shí)間窗的寬度。

        4 基于FCFS服務(wù)策略的調(diào)度算法及確定性分析

        面對(duì)光纖通道的高速性,現(xiàn)如今針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的調(diào)度算法普遍采用FCFS的服務(wù)策略,其算法復(fù)雜度低,實(shí)現(xiàn)條件簡(jiǎn)便,可以很好滿足基于事件觸發(fā)的通信系統(tǒng)。但是消息的不可控性,導(dǎo)致引入了時(shí)間抖動(dòng),抖動(dòng)的可變性要求采用網(wǎng)絡(luò)演算的方式來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的端到端延時(shí),需要說明的是,最后計(jì)算的端到端延時(shí)都是最壞條件下的上限值[13]。

        4.1 網(wǎng)絡(luò)演算理論

        在運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)演算理論解決問題的過程中,采用聚集函數(shù)R(t)對(duì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的流量進(jìn)行特征化的描述,該函數(shù)表示在時(shí)間[ ]

        0,t內(nèi)流入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流的比特?cái)?shù)。在借助網(wǎng)絡(luò)演算來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)端到端的延時(shí)時(shí),需要介紹數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線和服務(wù)曲線兩個(gè)重要概念。

        定義1[13]如果存在一個(gè)定義于t∈[0,+∞)上的廣義增函數(shù)α,只有在滿足對(duì)于任意s≤t時(shí),才有R(t)-R(s)≤α(t-s),那么數(shù)據(jù)流R的到達(dá)曲線就是函數(shù)α。

        定義2[13]在系統(tǒng)S中,假設(shè)輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流的聚集函數(shù)分別為R和R*,同時(shí)存在一個(gè)廣義增函數(shù) β,滿足 β(0)=0,使得R*≥R?β,那么就稱函數(shù) β為系統(tǒng)S的服務(wù)曲線。

        引理1[14]假設(shè)在某個(gè)系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為α,服務(wù)曲線為β,則進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中的延遲上界滿足關(guān)系:

        如圖2所示。

        圖2 延遲上界計(jì)算

        4.2 FC網(wǎng)絡(luò)在FCFS服務(wù)策略下確定性分析

        采用M端口的FC網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),每個(gè)端口的數(shù)據(jù)流到達(dá)曲線為αi,i=1,2,…,M,根據(jù)端口到達(dá)流量的可加性得交換機(jī)需處理的數(shù)據(jù)聚合流為:

        用C表示交換機(jī)的輸出物理鏈路帶寬,同時(shí)信用值假設(shè)為無窮大。假設(shè)所有數(shù)據(jù)中最大的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為lmax,每個(gè)端口的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率為ri,突發(fā)數(shù)據(jù)最大尺寸為bi,根據(jù)FCFS服務(wù)策略可得數(shù)據(jù)的延遲上界為:

        對(duì)式(8)進(jìn)行證明:對(duì)交換機(jī)在忙時(shí)段[t1,t2]內(nèi)進(jìn)行分析,其中t1表示忙時(shí)段的開始時(shí)間,可以得到:

        考慮到忙期的結(jié)束時(shí)間點(diǎn)t2,交換機(jī)可能處于空閑或者處理 t-τ(0<τ<)時(shí)刻到達(dá)的未處理完的數(shù)

        200據(jù)幀兩種狀態(tài),如果這時(shí)處理的數(shù)據(jù)幀是聚合流中最長(zhǎng)的,就有:

        根據(jù)式(8)和式(9)可以得到:

        表示R*≥R?β,再根據(jù)定義2就可以得到輸入數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為:

        如果采用漏桶整形器在交換機(jī)的端口對(duì)到達(dá)數(shù)據(jù)流進(jìn)行流量整形,那么端口的數(shù)據(jù)流到達(dá)曲線就可以表示為:

        正在無聊之際,在縣城車站上班的表哥打電話給我,要我周日去找他玩,我高興得跳了起來。雖說表哥比我大了十七歲,在一起的時(shí)間也少,可我們卻玩得來。

        式(13)中ri表示i端口數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸速率,bi表示到達(dá)數(shù)據(jù)流的最大突發(fā)長(zhǎng)度。再根據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)流的可加性,則所有端口數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為:

        再根據(jù)引理1可得數(shù)據(jù)的延遲上界為:

        由此得證。

        根據(jù)定理1可知,交換機(jī)在服務(wù)策略FCFS模式下,所有數(shù)據(jù)流的延遲上界都同為584 μs。

        5 時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法確定性分析

        基于時(shí)間觸發(fā)的FC終端接口和普通FC終端接口的硬件結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嗤?,所以在?duì)時(shí)間觸發(fā)FC交換式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析時(shí)建立和普通光纖通道相同的交換式網(wǎng)絡(luò),利用消息的端到端延時(shí)來分析網(wǎng)絡(luò)的確定性。

        5.1 時(shí)間觸發(fā)光纖通道網(wǎng)絡(luò)時(shí)間確定性分析

        航電系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)消息實(shí)時(shí)性確定性要求很高的系統(tǒng),消息的可靠傳輸關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的確定性,消息的傳輸實(shí)時(shí)性又關(guān)系到航電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和確定性進(jìn)行分析,采用端到端延時(shí)作為網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂端到端時(shí)延表示消息在端系統(tǒng)的發(fā)送時(shí)延、鏈路的傳輸時(shí)延和交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的累計(jì)和[15],其各個(gè)時(shí)延部分的組成如圖3所示。

        圖3 時(shí)延各部分組成

        圖3 中t1表示上層應(yīng)用的消息分裝為FC-AE-ASM數(shù)據(jù)幀所用的時(shí)間,系統(tǒng)性能的好壞決定所用時(shí)間的長(zhǎng)短,一般來說該時(shí)間可以忽略。t2表示數(shù)據(jù)幀在發(fā)送隊(duì)列中等待的時(shí)間,主要由隊(duì)列長(zhǎng)度和調(diào)度策略決定,是影響網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的因素,通過消息到達(dá)調(diào)度表規(guī)劃發(fā)送時(shí)間和消息到達(dá)隊(duì)列時(shí)間之差可得。t3和t5表示消息在鏈路傳輸時(shí)間,該值為固定值。t4表示消息經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí),考慮到在時(shí)間觸發(fā)FC網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)也要配置相應(yīng)調(diào)度表,所以該時(shí)間也是一個(gè)確定值,通過數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)調(diào)度表中規(guī)劃的調(diào)度時(shí)刻和消息到達(dá)交換機(jī)時(shí)間之差求得。

        5.2 時(shí)間觸發(fā)光纖通道網(wǎng)絡(luò)建模和確定性分析

        鑒于時(shí)間觸發(fā)FC網(wǎng)絡(luò)和普通FC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同,所以對(duì)時(shí)間觸發(fā)FC網(wǎng)絡(luò)的建模采取普通FC的交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)中包括一個(gè)交換機(jī)和10個(gè)終端系統(tǒng)。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的消息設(shè)置如表1所示,鏈路延遲取1 μs。

        圖4 TTFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        表1 消息配置信息

        根據(jù)消息周期生成的各個(gè)消息的調(diào)度時(shí)刻如圖5所示。

        在交換機(jī)中每條時(shí)間觸發(fā)消息按照調(diào)度表在各自的調(diào)度時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送,交換機(jī)速率取1 Gb/s。用tmn表示消息調(diào)度時(shí)間,其中m表示源節(jié)點(diǎn),n表示目的節(jié)點(diǎn)。取每種消息最早調(diào)度時(shí)刻作為其延遲計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。由調(diào)度表可知各個(gè)消息的調(diào)度時(shí)間為:

        相應(yīng)的:

        圖5 消息的調(diào)度時(shí)刻

        依次類推:

        統(tǒng)計(jì)各個(gè)消息的調(diào)度時(shí)間如表2所示。

        表2 調(diào)度時(shí)刻計(jì)算結(jié)果 μs

        則各個(gè)消息的最小延遲時(shí)間為:

        依次類推:

        各個(gè)消息延遲時(shí)間如表3所示。

        表3 消息延遲時(shí)間計(jì)算結(jié)果 μs

        與前文結(jié)果相比,時(shí)間觸發(fā)服務(wù)策略明顯降低了承載關(guān)鍵緊急消息的高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)幀的延遲,理論計(jì)算結(jié)果表明時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性確實(shí)有一定的改善。

        6 光纖通道調(diào)度算法仿真及分析

        根據(jù)第4章、第5章對(duì)光纖通道中的典型調(diào)度算法進(jìn)行的建模分析,本章借助OPNET10.0仿真工具,根據(jù)圖4交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對(duì)時(shí)間觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)進(jìn)行建模,交換機(jī)物理鏈路速率設(shè)置為1 Gb/s,每個(gè)端口設(shè)置最大允許突發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為10倍數(shù)據(jù)幀長(zhǎng),交換機(jī)提供FCFS和時(shí)間觸發(fā)兩種服務(wù)策略,仿真分析兩種服務(wù)策略下?lián)碛邢嗤W(wǎng)絡(luò)流量類型的消息延遲與理論計(jì)算的差距,消息配置信息采用表1所設(shè)置類型。

        (1)在時(shí)間觸發(fā)服務(wù)策略下消息延遲分析

        由表4可以看出,采用時(shí)間觸發(fā)調(diào)度策略理論計(jì)算值和實(shí)際仿真結(jié)果非常接近,表示具有很好的時(shí)間確定性。

        表4 時(shí)間觸發(fā)策略下消息端到端延遲 μs

        (2)在FCFS服務(wù)策略下消息延遲分析

        由表5可以看出,在FCFS服務(wù)策略下基于網(wǎng)絡(luò)演算的理論計(jì)算值和仿真結(jié)果具有較大的差距,時(shí)間確定性較差。

        表5 FCFS策略下消息端到端延遲 μs

        7 結(jié)束語(yǔ)

        本文根據(jù)FC-AE-ASM以及時(shí)間觸發(fā)協(xié)議規(guī)范,針對(duì)現(xiàn)有調(diào)度算法缺少時(shí)間確定性問題,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法,從理論和仿真兩方面對(duì)算法性能進(jìn)行了分析,仿真結(jié)果表明時(shí)間觸發(fā)調(diào)度算法擁有很好的時(shí)間確定性,對(duì)航電系統(tǒng)分析具有很好的指導(dǎo)意義。

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