胡文學(xué) 孫 雷,3 王健全,3 朱 淵 畢紫航

時間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time-sensitive networking,TSN)具有低時延、高可靠、確定性及多業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載能力,因而受到工業(yè)界廣泛關(guān)注.然而,TSN 的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中僅定義了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理的方法,并未對TSN 在工業(yè)環(huán)境下的組網(wǎng)進行規(guī)范.因此,在復(fù)雜工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,面向時延、抖動、丟包率及速率等多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(Quality of service,QoS)指標(biāo)約束[1],建立時間敏感網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點組網(wǎng)環(huán)境下端到端時延分析模型,對網(wǎng)絡(luò)在極端情況下的時延性能進行定量分析,是當(dāng)前時間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用面臨的難題,也是本文擬解決的關(guān)鍵問題.

TSN 是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建的具有確定性時延數(shù)據(jù)傳輸能力的新型網(wǎng)絡(luò)[2].傳統(tǒng)以太網(wǎng)缺乏確定性的主要原因在于其本質(zhì)上是一個共享傳輸介質(zhì),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中流量過大時會出現(xiàn)擁塞,排隊時間便無法預(yù)測,確定性也就難以保證[3].TSN 作為運營技術(shù)(Operational technology,OT)和信息技術(shù)(Information technology,IT)融合[4]的產(chǎn)物,既能滿足工業(yè)控制的實時性和確定性,又能兼容普通以太網(wǎng)業(yè)務(wù)流,實現(xiàn)工業(yè)控制數(shù)據(jù)和非實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的混合傳輸[5].然而TSN 本身并非是一項全新的技術(shù),最早是由IEEE 802 音/視頻橋接(Audio video bridging,AVB)工作組進行標(biāo)準(zhǔn)化,2012 年更名為TSN 工作組,提出了一系列標(biāo)準(zhǔn)集,其中包括時鐘同步、流量調(diào)度、路徑控制等,意圖在傳統(tǒng)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上重構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,以對其進行技術(shù)增強,為高優(yōu)先級工業(yè)控制業(yè)務(wù)提供確定性時延保障.TSN 作為新一代以太網(wǎng)技術(shù),除了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用之外,還能廣泛地應(yīng)用于航空電子網(wǎng)絡(luò)、車載網(wǎng)絡(luò)等多個領(lǐng)域,因此也得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的持續(xù)關(guān)注[6].

對于TSN 而言,其主要任務(wù)之一就是保障時間敏感業(yè)務(wù)流的端到端時延和抖動要求,因此,端到端時延的有界性是TSN 傳輸確定性的首要特征.本文主要討論時延的上界,并且針對最差情況進行分析.網(wǎng)絡(luò)演算是一種基于最小加代數(shù) (Min-plus algebra)的確定性排隊理論,近年來被廣泛引入對網(wǎng)絡(luò)性能邊界進行刻畫,包括對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或端到端時延界限的刻畫[7-8].文獻[9]利用以太網(wǎng)AVB 業(yè)務(wù)流的固有特性,分析了在非幀搶占(Non-preemption)策略下,業(yè)務(wù)流的端到端最差時延;文獻[10]分析了在基于信用值的整形器(Credit-based shaper,CBS)及異步流量整形器(Asynchronous traffic shaping,ATS)下網(wǎng)絡(luò)擁塞的形成因素,并對不同速率情況下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時延性能進行了評估;文獻[11]為獲得準(zhǔn)確的時延上界,在對其進行分析時,僅將同時滿足隊列中有待發(fā)報文并且整形器允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔作為獲取服務(wù)曲線的時間段.文獻[12-13]針對CBS調(diào)度整形特征對業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)幀的到達(dá)曲線和服務(wù)曲線進行了刻畫,分析了網(wǎng)絡(luò)在最差情況下的時延(Worst-case delay,WCD);文獻[14-15]給出了兩種不同的TTEthernet 中速率受限(Rate-constrainted,RC)業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)的端到端WCD 分析方法,而TTEthernet 普遍被認(rèn)為在原理上與TSN 一致,它們均是采用時間觸發(fā)傳輸機制實現(xiàn)多業(yè)務(wù)流的確定性傳輸.文獻[16]針對IEEE 802.1Qbv 協(xié)議中門控列表(Gate control list,GCL)時間分配對端到端時延的影響,利用網(wǎng)絡(luò)演算提出了一種基于靈活窗口的GCL 調(diào)度模型,并對該模型在不同配置下端到端時延的上界進行了分析.

目前，伊拉克國內(nèi)主要分為3股勢力：南部人口占伊拉克多數(shù)的什葉派、北部的庫爾德人以及巴格達(dá)以北以及以西的遜尼派。根據(jù)伊拉克戰(zhàn)后各方達(dá)成的政治默契，伊政府總理由什葉派擔(dān)任，議會議長由遜尼派擔(dān)任，總統(tǒng)由庫爾德人擔(dān)任。歷史上處于領(lǐng)導(dǎo)地位而戰(zhàn)后政治上被邊緣化的遜尼派不愿接受新的政治秩序。

5)數(shù)據(jù)全面共享：系統(tǒng)遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，可與其他系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)及狀態(tài)，也可為其他系統(tǒng)提供所需要的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，提供實時防誤閉鎖服務(wù)，并能夠與其他系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息的全面共享。

可以看出,目前TSN 中基于網(wǎng)絡(luò)演算的時延邊界的分析,一方面,對業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線進行刻畫十分簡單,多數(shù)采用突發(fā)長度這個量進行描述;另一方面,現(xiàn)有的研究主要基于標(biāo)準(zhǔn)中定義的CBS流量整形器對業(yè)務(wù)流進行端到端時延的分析.如何通過網(wǎng)絡(luò)演算對業(yè)務(wù)流進行建模,指導(dǎo)流量整形器的設(shè)計,是當(dāng)前具有挑戰(zhàn)價值和研究意義的.

與端到端時延分析時一般所用的整形機制不同,本文針對TSN 引入的時間感知整形(Timeaware shaper,TAS)機制[17],利用網(wǎng)絡(luò)演算對周期性到達(dá)的業(yè)務(wù)流進行極端情況下端到端時延上界分析.TAS 是由IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)定義,通過GCL來指定每一時刻對應(yīng)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流能否進行消息傳輸,在全網(wǎng)時鐘同步的情況下,TAS 中GCL 周期性地控制各隊列出口門控的開閉,并且遵循嚴(yán)格優(yōu)先級的方式進行傳輸.然而IEEE 802.1Qbv 僅僅對門控機制進行定義,即在單交換節(jié)點中如何通過GCL的定義來保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的確定性.此外,在多節(jié)點協(xié)同組網(wǎng)時,為了避免低優(yōu)先級業(yè)務(wù)對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的干擾,一般不會將高優(yōu)先級業(yè)務(wù)門控與低優(yōu)先級業(yè)務(wù)門控 “重疊”,這不僅增加了隊列門控協(xié)同安排的難度,同時也犧牲了網(wǎng)絡(luò)帶寬,以此換取高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸?shù)?“確定性”.

因此,論文的創(chuàng)新點如下:

1)本文基于不同隊列間 “可重疊”的機制對業(yè)務(wù)時延上界進行分析,引入了低優(yōu)先級隊列對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸?shù)母蓴_;

2)為進行端到端時延上界的分析,本文引入了基于網(wǎng)絡(luò)演算的時延上界分析模型,以對門控設(shè)置是否滿足業(yè)務(wù)QoS 要求進行評判,保證在簡化門控設(shè)置的同時,保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時延要求.

此外,本文還搭建了基于OMNeT++的仿真平臺,模擬實際網(wǎng)絡(luò)運行模式,對業(yè)務(wù)流端到端時延的分布情況進行仿真,以驗證對于時延上界的分析是有效的.

1 網(wǎng)絡(luò)演算理論

網(wǎng)絡(luò)演算(Networks calculus)是近十多年來由Cruz[18]開創(chuàng),并由Parekh 等[19]、Chang[20]、Boudec 等[21]發(fā)展起來的,用于進行分組交換網(wǎng)絡(luò)資源需求分析的理論.它是一種網(wǎng)絡(luò)隊列系統(tǒng)性能定量分析的重要且有效的數(shù)學(xué)工具,主要被應(yīng)用于確定排隊系統(tǒng)的分析中.最初提出這種理論是為解決網(wǎng)絡(luò)QoS 的資源預(yù)留問題[22],經(jīng)過將其發(fā)展完善和系統(tǒng)化后,網(wǎng)絡(luò)演算已經(jīng)可以廣泛地應(yīng)用于各種類型網(wǎng)絡(luò)的性能分析中,特別是在網(wǎng)絡(luò)端到端性能分析方面有其獨特的優(yōu)勢.

網(wǎng)絡(luò)演算是基于最小加代數(shù)的一組結(jié)論,包括最小加代數(shù)下的卷積、反卷積等.網(wǎng)絡(luò)演算的基本分析工具為: 到達(dá)曲線和服務(wù)曲線,它采用包絡(luò)方法來描述網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的到達(dá)和服務(wù),其中,到達(dá)曲線限制了業(yè)務(wù)流的到達(dá)過程,而服務(wù)曲線限制了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的輸入、輸出行為.網(wǎng)絡(luò)時延的上界由到達(dá)曲線和服務(wù)曲線間水平方向上的最大距離決定,而數(shù)據(jù)積壓的上界由兩條曲線間垂直方向上的最大距離決定.此外,網(wǎng)絡(luò)演算還被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)QoS 研究的建模和理論分析中,因為它具備了從理論上分析QoS 控制機制所必需的業(yè)務(wù)流的流量特性模型、路由器的調(diào)度策略及性能界限三個基本要素[23].

網(wǎng)絡(luò)演算又可以細(xì)分為確定網(wǎng)絡(luò)演算和統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)演算[22].確定網(wǎng)絡(luò)演算提出了一個網(wǎng)絡(luò)性能的確定性邊界分析框架,可用于推導(dǎo)QoS 分析中常見的性能參數(shù)的邊界,如時延、隊列長度、有效帶寬等.但其未考慮統(tǒng)計復(fù)用帶來的好處,通常會高估實際的流量資源需求,存在資源利用率低的缺點.為此,最近幾年有研究人員提出了統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)演算,它能克服確定網(wǎng)絡(luò)演算的缺點,但使用起來比較復(fù)雜.

霍鐵走過去，輕輕揭開遮蓋物，仔細(xì)觀察了一會兒。接著，他把江平叫到了存放蠟料的立柜前，問道：“小江哥哥，你覺得這里有什么變化？”

下面對本文所用到網(wǎng)絡(luò)演算理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和基本工具[21]進行總結(jié).

1.1 基本定義

定義 1.廣義遞增函數(shù)集合

設(shè)函數(shù)f(·)連續(xù)且存在一階導(dǎo)數(shù),則廣義遞增函數(shù)集合的定義為

Basal等人指出手機應(yīng)用軟件為語言教學(xué)提供了新的機會，創(chuàng)新性地改變了教師的教學(xué)方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)方法。為此，他們做了一個為期四周的研究，考察利用一款名為WhatsApp的手機應(yīng)用對40個英語習(xí)語進行教學(xué)的效果。實驗者將五十名土耳其英語教學(xué)專業(yè)一年級的學(xué)生隨機平分為實驗組和對照組，實驗組采用手機應(yīng)用教學(xué)而對照組則用傳統(tǒng)方法教學(xué)。實驗前的測試表明兩組學(xué)生對這40個習(xí)語的了解不分伯仲，實驗后的測試表明采用手機應(yīng)用教學(xué)和用傳統(tǒng)方法教學(xué)都富有成效，但實驗組學(xué)生成績明顯高于對照組學(xué)生成績，這說明利用手機應(yīng)用進行習(xí)語教學(xué)比利用傳統(tǒng)方法教學(xué)更成功、有效[4]。

最小加卷積類似于傳統(tǒng)卷積法,但意義不同,其定義如下.

定義 2.最小加卷積

對于?f,g ∈F,函數(shù)f和函數(shù)g的最小加卷積運算為

3.1.1 業(yè)務(wù)模型與到達(dá)曲線

他是中國雜交水稻事業(yè)的開創(chuàng)者，被譽為“當(dāng)代神農(nóng)”。50多年來，他始終在農(nóng)業(yè)科研第一線辛勤耕耘、不懈探索，為人類運用科技手段戰(zhàn)勝饑餓帶來綠色的希望和金色的收獲。他的卓越成就，不僅為解決中國人民的溫飽和國家糧食安全的保障作出了貢獻，更為世界和平和社會進步樹立了豐碑。

1.2 到達(dá)曲線和服務(wù)曲線

到達(dá)曲線和服務(wù)曲線是網(wǎng)絡(luò)演算中的兩個基本分析工具,是網(wǎng)絡(luò)演算用以評估時延上界的重要依據(jù).現(xiàn)假設(shè)有一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點NE,它的一端用于接收輸入到NE中的數(shù)據(jù),另一端是在經(jīng)過一定時延后輸出的處理后的數(shù)據(jù).可以用累積函數(shù)I(t)來表示輸入函數(shù),它是指時間 [0,t] 內(nèi)輸入的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),用O(t)來表示節(jié)點NE的輸出.通常在零時刻,I(0)=0,O(0)=0.

定義 3.給定一個定義域為t≥0 的廣義增函數(shù)α,當(dāng)且僅當(dāng)?u≤t:I(t)-I(u)≤α(t-u)時,才稱α為I的到達(dá)曲線,或者說I受限于到達(dá)曲線α.也可以將其表示為

定義 4.對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點NE,當(dāng)且僅當(dāng)

3.1.2 隊列門控設(shè)置與服務(wù)曲線

相較于傳統(tǒng)的隨機排隊論,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)演算可以建立更為準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)模型,這使得網(wǎng)絡(luò)極端情況下的性能計算變得簡單明了.特別是最小加代數(shù)的引入,使得到達(dá)曲線、服務(wù)曲線等演算工具更具有一般性,并且性能的表示形式也更加簡潔.因此,網(wǎng)絡(luò)演算是計算端到端時延的一種重要而有效的方法.

從圖1 可以看到,給定業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線α(t)和系統(tǒng)的服務(wù)曲線β(t)后,圖中函數(shù)α和β之間水平方向上的最大偏差Dmax為時延的上界,而垂直最大距離Bmax為積壓的上界,即系統(tǒng)中等待服務(wù)的最大數(shù)據(jù)量

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)演算的性能指標(biāo)分析Fig.1 The performance indicators analysis based on network calculus

其中,T≥0.

2 網(wǎng)絡(luò)演算在TSN 中的應(yīng)用

本文利用網(wǎng)絡(luò)演算對TAS 機制下TSN 的端到端時延上界進行分析.在求解過程中,服務(wù)曲線只與TSN 交換機的GCL 有關(guān),而與其他因素?zé)o關(guān).而本文所求端到端時延的上界,即為最差情況下,到達(dá)曲線和服務(wù)曲線之間的最大水平偏差.

第四項工作是課程實施流程。實施流程一般分六步：一是準(zhǔn)備，包括背景知識的準(zhǔn)備，課程信息的準(zhǔn)備和方法設(shè)備的準(zhǔn)備；二是選題，一般要經(jīng)歷選題意向、選題范圍、選題的課題、要解決的問題四個階段；三是開題評審；四是課題實施；五是總結(jié)展示；六是答辯和評價。

首先,對本文后續(xù)所要用到的基本參數(shù)符號進行歸納,如表1 所示.

表1 基本參數(shù)符號Table 1 Basic parameter symbols

2.1 到達(dá)曲線

2.1.1 業(yè)務(wù)模型

在傳統(tǒng)的排隊系統(tǒng)理論中,多數(shù)業(yè)務(wù)模型是基于隨機過程的.其中,應(yīng)用較為廣泛的有: 描述普通數(shù)據(jù)的泊松模型,描述語音數(shù)據(jù)的開關(guān)模型和更為復(fù)雜的描述視頻數(shù)據(jù)的馬爾科夫模型.但總體而言,這些模型都是統(tǒng)計模型,常用于對平均性能的分析,而無法滿足網(wǎng)絡(luò)確定性分析的需求[24].因此,為獲取確定的性能結(jié)果,本文針對周期性業(yè)務(wù)流,采用通用信元速率算法(Generic cell rate algorithm,GCRA)模型,它只用于限制業(yè)務(wù)流,而且能夠確切地描述整個過程.GCRA 使用形式為ωυT,τ的到達(dá)曲線[25],其中υT,τ是一個階梯狀函數(shù),其定義如下

強化工程運行維護管理。對工程度汛安全狀況進行普查，完成河道整治工程根石探測352處，對3座直管水庫進行了防汛安全核查。對工程管理重點難點問題進行專項整治，督促落實治理措施，促進工程面貌持續(xù)改善。編制《黃河水閘技術(shù)管理辦法》，對水閘運行管理進行規(guī)范。發(fā)揮管理先進單位的示范引領(lǐng)作用，山東局牡丹黃河河務(wù)局通過國家一級水管單位考評驗收。

其中,參數(shù)T和τ以時間為單位.

如圖1所示，與對照組比較，TGF組HLFs細(xì)胞α-SMA、ColI蛋白表達(dá)水平升高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.01);與TGF組比較，Tβ4中劑量組及高劑量組HLFs細(xì)胞α-SMA、ColI蛋白表達(dá)水平降低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05或P＜0.01);提示中劑量(10 mg/L)及高劑量(100 mg/L)Tβ4對TGF-β1誘導(dǎo) HLFs細(xì)胞 α-SMA、ColI蛋白表達(dá)有顯著抑制作用。

在該到達(dá)曲線函數(shù)中,ω是以協(xié)議數(shù)據(jù)單元為單位的數(shù)據(jù)分組長度.以 (T,τ)為參數(shù)的GCRA 描述的是到達(dá)分組大小恒為ω個數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流,其中信元之間的時間間隔為T個時間單位,τ被稱為信元時延抖動容限(Cell delay variation tolerance,CDVT).可以看到較長的時間內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的到達(dá)速率為ω/T,即單位時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)量,而τ是用來量化數(shù)據(jù)分組相對于理想信元時間間隔T早到的時間.

2.1.2 周期性業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線

對上述GCRA 模型中業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線函數(shù)進行簡單變形,可得到本文所用的到達(dá)曲線模型,若以fr為目標(biāo)流量,則其到達(dá)曲線可用來表示,其中r=1,2,···,R,R表示同一優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的種類.因為在交換機的出端口側(cè),有8 個優(yōu)先級隊列可供業(yè)務(wù)流進行傳輸,并且同一優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流在到達(dá)交換機后,會進入相同的隊列,因此對于?fr,其優(yōu)先級∈[1,8].對于一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠?若業(yè)務(wù)流fr從源端周期性到達(dá)第一個交換機的輸入端口,且周期為Tfr,則其到達(dá)曲線可以表示為

其中,lfr表示一個數(shù)據(jù)幀的長度;k為第k個TSN交換節(jié)點.

根據(jù)式(8),可將到達(dá)曲線表示為如圖2 所示的圖形.

圖2 到達(dá)曲線圖形Fig.2 The diagram of the arrival curve

另外,交換機多輸入端口的同一優(yōu)先級業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)幀存在 “自排隊”競爭,此時,優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線為各輸入端口同一優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線之和,其公式為

其中,N為同一隊列上同種業(yè)務(wù)流的數(shù)目.

式中，N0為液化判別標(biāo)貫擊數(shù)基準(zhǔn)值；d0為標(biāo)貫點在地面下的深度（m）；dw為工程正常運用時，地下水水位在當(dāng)時地面以下的深度（m)，當(dāng)?shù)孛嫜蜎]于水面以下時，dw取 0；ρc代表土的黏粒含量百分率（%），當(dāng)其小于3時，取3。核算陡河水庫壩基砂層頂部標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)臨界值，見表1。

2.2 最差情況下服務(wù)曲線分析

對于服務(wù)曲線,當(dāng)業(yè)務(wù)流到達(dá)相應(yīng)隊列,在窗口之間存在重疊的情況下,其在隊列上的傳輸會受到來自其他隊列的干擾.因為所求為最差情況時延上界,因此便考慮干擾情形最壞時的服務(wù)曲線.圖3是針對一個給定隊列所對應(yīng)的服務(wù)曲線樣例.

生前曾被冊立為太子而沒能繼承皇位，死后保留或恢復(fù)太子名號者有六人，其中唐玄宗的第二子李瑛只恢復(fù)了太子名號而沒有獲得謚號；獲得謚號者有隱太子建成，章懷太子賢，節(jié)愍太子重俊，惠昭太子寧，莊恪太子永，共五人。這五位太子中只有李寧是病死的，其他四人均死于宮廷斗爭之中，其謚號用字各有深意。

服務(wù)曲線β(t)是指網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的服務(wù)能力,即在交換機隊列門控開啟時,轉(zhuǎn)發(fā)至交換機出端口的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量.因為TAS 通過GCL 來確定每一時刻業(yè)務(wù)流的傳輸,因此β(t)與交換機內(nèi)部隊列門結(jié)構(gòu)的開閉情況、窗口開啟時長等因素有關(guān).

圖3 服務(wù)曲線樣例Fig.3 Service curve sample

從圖3 可以看出,與到達(dá)曲線類似,服務(wù)曲線也是一個累積函數(shù).對于TSN 交換機,每個出端口都對應(yīng)于8 個優(yōu)先級的隊列,以流量fr為對象,在隊列m上對其進行服務(wù),其中m∈M,而M={1,2,···,8}表示隊列集合,則服務(wù)曲線是由各個時隙窗口的服務(wù)過程加和確定.其中,Qm,i表示一個GCL超周期TGCL內(nèi),m隊列傳輸時隙i能夠服務(wù)的數(shù)據(jù)量.數(shù)學(xué)上TGCL為所有隊列門控周期的最小公倍數(shù).

當(dāng)業(yè)務(wù)流在優(yōu)先級隊列上傳輸時,不僅會受到高、低優(yōu)先級隊列的干擾,同時還會受到保護帶(Guard band)的影響.下面對這三種影響因素分別進行討論.

需要交代一個前提,不同優(yōu)先級隊列在數(shù)據(jù)幀傳輸時是非幀搶占[26]的,即,當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級業(yè)務(wù)流在隊列上傳輸時,在其傳輸?shù)哪骋粫r刻,高優(yōu)先級隊列的門控窗口開啟,并且已有數(shù)據(jù)幀在等待傳輸,這時需要等到低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流這一幀數(shù)據(jù)傳輸完成后,高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀才能開始傳輸.

2.2.1 來自低優(yōu)先級隊列的干擾分析

首先是來自低優(yōu)先級隊列的干擾.對于這種情況,隊列的門控形式如圖4 所示.圖4 中低優(yōu)先級門控窗口先行開啟,此時可能存在大量低優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀發(fā)送的情況,因為當(dāng)不同優(yōu)先級隊列同時開啟時,業(yè)務(wù)在隊列上的傳輸嚴(yán)格遵循優(yōu)先級機制,這使得高優(yōu)先級隊列門控開啟時,如果已有高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀在隊列上排隊等待,則需要優(yōu)先對高優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)進行傳輸;同時在高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸期間,不會受到低優(yōu)先級隊列的干擾.

圖4 低優(yōu)先級隊列干擾時的門控形式Fig.4 The gate control setting under the interference from the low-priority queue

至于公攤測繪里的“貓膩”，吳永輝表示，測繪單位一般按照“誰使用，誰分?jǐn)偂痹瓌t計算公攤面積，基本交由開發(fā)商指認(rèn)，而業(yè)主不具備專業(yè)知識，雙方信息嚴(yán)重不對等。

在一個GCL 超周期TGCL內(nèi),如果低優(yōu)先級隊列的門控窗口先于高優(yōu)先級開啟,而關(guān)閉是在高優(yōu)先級隊列門控窗口的開啟時間之后,即1.則低優(yōu)先級隊列門控窗口的關(guān)閉時間可用下式來表示

圖4 中,m的值越大,隊列的優(yōu)先級越高.對于隊列m,當(dāng)門結(jié)構(gòu)為開啟狀態(tài)時,門控值Gm(t)=1,否則該值為0.

既然是考慮最差情況,因為隊列上數(shù)據(jù)幀的傳輸遵循非幀搶占機制,當(dāng)高優(yōu)先級隊列數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)受到干擾時,其轉(zhuǎn)發(fā)的開始時間應(yīng)與低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)幀最大長度有關(guān),如下式所示

結(jié)合上述參數(shù),隊列當(dāng)前超周期內(nèi)數(shù)據(jù)幀開始傳輸?shù)淖畲蟮却龝r間為

2.2.2 保護帶因素影響

隨著菲律賓融入世界經(jīng)濟，帶來的是西方消費標(biāo)準(zhǔn)前所未有地涌入，也造成了菲律賓經(jīng)濟再分配和發(fā)展中出現(xiàn)的嚴(yán)重問題，貧富差距拉大正是其中一例，而在節(jié)日中能夠觀察到“貧”“富”的差別除了擁有實際意義外，其象征意義也同樣重大。借此，社會區(qū)隔也在慢慢為人們所感知，人們對待鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)慶的態(tài)度也不完全是正面的。越來越多的人選擇跳出節(jié)慶禮儀規(guī)范，以更客觀的態(tài)度看待海外僑民群體。節(jié)慶的變遷體現(xiàn)了人們對外來影響的反應(yīng)，在菲律賓的僑鄉(xiāng)案例中，這種外來影響表現(xiàn)為資本主義的“入侵”、政府權(quán)威對慶典的再造、內(nèi)部群體關(guān)系變化等多重影響。

為防止業(yè)務(wù)流傳輸過程中的沖突,保證在其下一幀數(shù)據(jù)發(fā)送之前,整個鏈路是空閑的,在TAS 機制中,引入了 “保護帶”機制.這里將它設(shè)置在所有隊列每個門控窗口的尾部,占用一部分門控窗口的長度,并且該長度是網(wǎng)絡(luò)中最大長度數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)時長,表示為公式就是

由此可見,業(yè)務(wù)流通過一個門控窗口的截止時間最晚不能超過

2.2.3 來自高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的干擾分析

相較于低優(yōu)先級隊列的干擾,高優(yōu)先級隊列對低優(yōu)先級隊列的干擾更強.下面分為4 種情況進行討論,如圖5 所示.

圖5 來自高優(yōu)先級隊列干擾的4 種門控設(shè)置場景Fig.5 Four scenes of the gate control setting under the interference from the high-priority queue

場景3 兩隊列門控窗口的重疊狀態(tài)可以看作是場景1 和場景2 的結(jié)合,并且低優(yōu)先級隊列兩個門控窗口之間不留縫隙.而場景4 中低優(yōu)先級隊列的門控窗口全部被高優(yōu)先級隊列所包圍,這樣會導(dǎo)致低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流難以進行傳輸,而且這種情況在實際交換機隊列GCL 設(shè)置中很少出現(xiàn),因此對其不做考慮.

（2）合理設(shè)定成本利潤率，考慮制劑融合了自身的知識產(chǎn)權(quán)及醫(yī)院的商譽，同時醫(yī)院需要為制劑的持續(xù)創(chuàng)新提供科研經(jīng)費及激勵，醫(yī)院適當(dāng)提高成本利潤率，

2.2.4 最大等待時間

由圖6 可見,兩個優(yōu)先級隊列的門控窗口之間存在重疊,并且以其中高優(yōu)先級隊列的第i個窗口為基準(zhǔn),該重疊發(fā)生在前一個窗口.在重疊部分中,低優(yōu)先級隊列門控的開啟時間要小于高優(yōu)先級隊列上數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)慕刂箷r間則用公式可以表示為

圖6 最大等待時間示意圖Fig.6 The diagram of maximum waiting time

因此,在一個超周期的開始階段,由于最差情況非幀搶占所造成的時延為

由上述分析可知,來自低優(yōu)先級隊列干擾主要影響的是高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流在隊列上傳輸?shù)拈_始時間.

其中,Nm為優(yōu)先級隊列m在一個TGCL內(nèi)門控窗口的個數(shù),其值等于TGCL/Tm.

到此,目標(biāo)流量fr在第k個交換節(jié)點處隊列m上的到達(dá)曲線和服務(wù)曲線便分別表示完成.將兩條曲線置于同一張圖中進行顯示,便是本文所應(yīng)用的 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型,如圖7 所示.

圖7 到達(dá)-服務(wù)曲線模型Fig.7 Arrival-service curve model

通過第1 節(jié)和第2 節(jié)的介紹,面向TAS 機制,針對多節(jié)點組網(wǎng)應(yīng)用場景,基于網(wǎng)絡(luò)演算的時延量化分析模型建立完成.接下來,對給定門控情況下的端到端時延上界進行評估,以此來判斷門控設(shè)置的合理性和可行性.

3 模型仿真及分析

仿真實驗分為兩部分進行,一部分是基于Matlab 仿真軟件,在給定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下,通過不同的門控設(shè)置對時延上界進行分析;另一部分基于搭建的OMNeT++仿真平臺,通過對真實場景的模擬,并進行長時間的仿真運行,得到時延分布的統(tǒng)計,從而驗證時延上界的合理性.表2 為設(shè)定的仿真參數(shù)及參數(shù)值的大小[27].

表2 仿真參數(shù)設(shè)定Table 2 Simulation parameters setting

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8 所示.圖8 中,ES1～ES5為業(yè)務(wù)流的發(fā)送源端,ES6 為接收目的端,SW1 和SW2 對應(yīng)于兩個TSN 交換節(jié)點.

圖8 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Network topology

3.1 基于網(wǎng)絡(luò)演算的時延上界求解

介紹完時延上界分析模型,開始對給定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)端到端時延的上界進行計算.在實際應(yīng)用中,是按照優(yōu)先級的順序優(yōu)先保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的端到端時延,因此,本文集中對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流端到端時延的上界進行考察.該部分是基于仿真軟件Matlab 2016a 進行的.

當(dāng)t＜0 時,(f ?g)(t)=0.

首先對業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級進行定義.優(yōu)先級不同的業(yè)務(wù)流,從TSN 交換機的入端口輸入后,會進入到不同的隊列進行緩沖.優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)流對于時間的敏感性強,需要在一定的時間范圍內(nèi)對其完成傳輸,反之,優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)流對于時間的敏感性較差.本文所采用的業(yè)務(wù)模型為階梯函數(shù),即業(yè)務(wù)流由源端周期性產(chǎn)生并發(fā)送給交換機,因此業(yè)務(wù)流到達(dá)交換節(jié)點的時間也呈周期性.定義業(yè)務(wù)流f的到達(dá)周期為Tf,Tf為常量,該值與f在端節(jié)點的產(chǎn)生周期相等.業(yè)務(wù)流f的優(yōu)先級pf與其到達(dá)周期Tf之間成反比關(guān)系,即Tf越小,業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級pf越高.由此可知,如果業(yè)務(wù)流的產(chǎn)生周期相同,其優(yōu)先級也是相同的,相同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流在其到達(dá)交換節(jié)點后,會進入到同一隊列進行緩沖,等到門控窗口開啟后再進行傳輸.由于業(yè)務(wù)流到達(dá)交換節(jié)點的時間不同,會導(dǎo)致同一隊列上業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線不是一個周期函數(shù),用圖形表示則是一個不規(guī)則圖形.以一個隊列上有兩種同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流為例進行說明,如圖9 所示.

圖9 同一隊列業(yè)務(wù)流的到達(dá)過程示意圖Fig.9 The arrival process of the traffic on the same queue

圖9 中,lf表示流量的一幀數(shù)據(jù)包,根據(jù)表2,對于不同業(yè)務(wù)流,其值大小均為400 Bytes.

本文設(shè)置4 種業(yè)務(wù)流,它們分別從5 個業(yè)務(wù)流發(fā)送端發(fā)往TSN 交換機,按照到達(dá)周期可以將這4 種業(yè)務(wù)流分成3 個優(yōu)先級,它們到達(dá)交換機后,在其內(nèi)部的三個隊列上進行傳送,將它們分別定義為高、中和低優(yōu)先級隊列.如前文所述,本文只對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的端到端時延的上界進行求解,因此只需要給出高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的情況,并表示出它的到達(dá)曲線,而不需要對其他優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的信息進行定義.在這4 種業(yè)務(wù)流中,有兩種高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流,用符號fh,r,r=1,2 來表示,分別由ES1、ES2 和ES5 產(chǎn)生,其到達(dá)周期為100 μs.然后對其一個周期內(nèi)的到達(dá)時間進行設(shè)定,相對于零時刻,在初始周期內(nèi),其中由ES1 和ES2 產(chǎn)生的兩種業(yè)務(wù)流到達(dá)交換節(jié)點SW1 的時間分別為40 μs 和80 μs,而由ES5 產(chǎn)生的業(yè)務(wù)流到達(dá)SW2 的時間為20 μs.到此,高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的業(yè)務(wù)模型便被初步建立完成,如表3 所示.

表3 業(yè)務(wù)流信息定義Table 3 The traffic information definition

結(jié)合階梯函數(shù)模型,將兩個交換機高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的到達(dá)曲線如下表示

1)SW1 的到達(dá)曲線為

2)由于SW2 所接收到的業(yè)務(wù)流來自于兩部分,則其到達(dá)曲線可以表示為加和的形式

稱節(jié)點NE向業(yè)務(wù)流提供了服務(wù)曲線β.即對于任意t≥0,都存在 0≤t0≤t,滿足O(t)-I(t0)≥β(t-t0).

服務(wù)曲線表明網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)的能力,與網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)有關(guān),這里便涉及到TSN 交換機的門控設(shè)置問題.根據(jù)圖8,網(wǎng)絡(luò)中共有兩個TSN 交換機,對它們均需要進行門控設(shè)置.已知隊列門控是周期性進行開啟和關(guān)閉的,因此參數(shù)設(shè)定包括隊列門控周期,以及初始周期內(nèi)門控窗口的開啟和關(guān)閉時間.已知“1”表示門的開啟狀態(tài),“0”表示門的關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)門的狀態(tài)為 “1”時,會對數(shù)據(jù)進行傳輸,反之?dāng)?shù)據(jù)將不再進行傳輸.因為需首先保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的傳輸,因此,根據(jù)隊列優(yōu)先級由高到低的順序,對隊列門控進行設(shè)置,并且優(yōu)先保證高優(yōu)先級隊列門控窗口的寬度.不同隊列的門控周期Tm相同,均為150 μs.定義交換機SW1 初始周期內(nèi)各隊列門控窗口的開啟時間為關(guān)閉時間為則其他周期的門控窗口開啟時間和關(guān)閉時間可通過與加和的形式來表示:其中i表示門控窗口的序號且i＞0,因此,門控周期確定后,只需要對初始周期內(nèi)門控窗口的開啟時間和關(guān)閉時間進行定義即可.首先設(shè)定各隊列的門控均為150 μs,因此一個超周期內(nèi)各優(yōu)先級隊列均只有一個門控窗口.另外,按照優(yōu)先級由高到低的順序,結(jié)合業(yè)務(wù)流到達(dá)交換機的時間,依次對初始周期內(nèi)各隊列門控窗口的開閉時間進行設(shè)定.設(shè)置高優(yōu)先級隊列門控窗口的開閉時間分別為20 μs 和60 μs,而在對其他兩個優(yōu)先級隊列的門控窗口進行設(shè)計時,為了說明隊列間的干擾問題,使其與高優(yōu)先級隊列的門控窗口之間具有一定程度的重疊,設(shè)置中優(yōu)先級隊列門控窗口的開閉時間為45 μs 和80 μs,低優(yōu)先級為5 μs 和20 μs.這時,交換機SW1 的一組GCL 便設(shè)置完成,如圖10 所示.

圖10 SW1 門控仿真圖Fig.10 The simulation diagram of SW1's gate control

同理,對SW2 門控的定義也是如此,其門控周期與SW1 相同,但各隊列門控窗口的開閉時間有所不同,在此不再進行詳細(xì)贅述.為能夠得到多組門控設(shè)置下的時延上界值,依照上述方式,再設(shè)置其他4 組門控參數(shù),并對每個組別下的GCL 均進行時延上界的計算.對兩個交換機定義后的GCL進行整體列表,如表4 和表5 所示.

表4 SW1 的GCL 定義Table 4 The GCL definition of SW1

表5 SW2 的GCL 定義Table 5 The GCL definition of SW2

根據(jù)表4 和表5,門控參數(shù)設(shè)置完畢后,在窗口重疊方面:

1)第2 組各優(yōu)先級隊列的門控窗口之間無重疊,其他4 組均存在重疊現(xiàn)象;

2)在存在重疊情況的4 個組別中,第1、4、5這三組高優(yōu)先級隊列與其他兩個隊列之間門控窗口的重疊程度相同,相較于這三組,第3 組窗口的重疊部分較大.

對于門控窗口存在重疊情況的組別,在高優(yōu)先級隊列窗口的開閉時間及開啟時長方面:

1)第1、3 這兩組高優(yōu)先級隊列門控窗口的開閉時間相同,開啟時長因此也相同;

2)為了比較區(qū)分,與第1、3 這兩組不同的是,保持第4 組高優(yōu)先級隊列門控窗口開啟時間不變,而延長其關(guān)閉時間,因而窗口的開啟時長也會相應(yīng)增加;

3)對于最后一組門控的設(shè)定,是以第1 組為基準(zhǔn),改變高優(yōu)先級隊列門控窗口的開啟時間,但不改變開啟時長.

確定了5 組門控參數(shù)的配置,便開始對相應(yīng)GCL下高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的端到端時延的上界進行仿真實驗計算.但在求解之前,根據(jù)門控參數(shù),并結(jié)合交換機的出隊轉(zhuǎn)發(fā)速率,首先將高優(yōu)先級隊列所對應(yīng)的服務(wù)曲線進行圖形表示.以第1 組為例,利用Matlab 仿真工具,針對交換機SW1 進行畫圖,如圖11所示,SW2 同理.

圖11 SW1 高優(yōu)先級隊列服務(wù)曲線Fig.11 The service curve of the high-priority queue at SW1

圖11 中,交換機隊列開始對業(yè)務(wù)流進行服務(wù)時,服務(wù)的速率,即數(shù)據(jù)幀出隊轉(zhuǎn)發(fā)速率,為服務(wù)曲線的斜率,如表2 所示,在數(shù)值上該斜率的大小為1 Gb/s.

3.1.3 基于 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型的時延上界求解

業(yè)務(wù)流及各隊列門控信息給定后,將 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型圖形化.同樣使用Matlab 軟件進行仿真,仿真結(jié)果如圖12 和圖13 所示,其中 “實線”代表到達(dá)曲線,“虛線”代表服務(wù)曲線.

圖12 SW1 高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型Fig.12 The “arrival-service curve”model of the high-priority traffic at SW1

圖13 SW2 高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型Fig.13 The “arrival-service curve”model of the high-priority traffic at SW2

圖12 中,SW1 交換機時延的上界對應(yīng)于D1,即兩條曲線間的水平最大距離,從圖中可以看出,D1是高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)幀時得到的.同理,對于圖13,圖中D2為SW2 的時延上界,對應(yīng)縱坐標(biāo)為800 Bytes.基于 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型,對5 組門控下業(yè)務(wù)流經(jīng)過兩個交換機時時延的上界分別進行求解,并將數(shù)據(jù)結(jié)果列于表6.

表6 各交換機WCD 的上界Table 6 The upper-bound of WCD at each switch

從表6 可以看出,根據(jù)仿真結(jié)果,在兩個交換機SW1 和SW2 處,不同組別下高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的端到端時延上界有所不同:

1)通過前兩組數(shù)據(jù)對比,如果門控窗口無重疊,兩個交換機的時延上界均會減小,這也符合業(yè)務(wù)流實際傳輸時的情況.與第1 組數(shù)據(jù)相比,第2組減小的時延值大小在6 μs 左右.

2)在對第3 組時延進行分析時,與第1 組相比,SW1 的時延上界相等.而受到窗口重疊的影響,增加了最大等待時間S,因而導(dǎo)致業(yè)務(wù)流經(jīng)過SW2時的時延上界較大.

3)對第4 組來說,由于延長了高優(yōu)先級隊列門控窗口的開啟時長,在業(yè)務(wù)流到達(dá)曲線不變的情況下,相應(yīng)增加了隊列服務(wù)時長,從而影響服務(wù)曲線第一次轉(zhuǎn)折的時間.該時間的提前會縮短兩條曲線間的最大水平距離,即時延上界的減小,因此第4組的時延值較小,也是5 組時延數(shù)據(jù)中最小的.

4)相較于第1 組,第5 組只改變了門控窗口的開啟時間,而開啟時長和窗口重疊程度不變,因此在其 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型中,兩條曲線的位置關(guān)系未發(fā)生變化,兩個交換機的時延上界因此也與第1 組相同.

為同時表示時延上界隨門控窗口重疊變化而變化的情況,選取SW1 的第2 組門控,保持高、中優(yōu)先級隊列門控設(shè)置不變,在低優(yōu)先級門控窗口長度15 μs 不變的情況下,改變其開啟時間,使低優(yōu)先級窗口在時間軸上向右滑動,在與高優(yōu)先級窗口從無重疊到完全重疊范圍內(nèi)連續(xù)變化,觀察這個過程中高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流時延上界的變化情況,如圖14 所示.圖中橫軸表示窗口間的重疊程度,即高、低優(yōu)先級窗口重疊部分的大小.

圖14 重疊程度對時延上界變化的影響Fig.14 The influence of overlap on the latency upper-bound

根據(jù)表6 和圖14 實驗結(jié)果,影響交換機時延上界的因素有: 門控窗口間的重疊程度,門控窗口開啟時長.兩種因素也是門控設(shè)置的關(guān)鍵,但它們對時延上界的作用程度不同,相對而言,門控窗口開啟時長對時延上界的影響更大,因此在進行門控設(shè)置時,該參數(shù)優(yōu)先被重點考慮.

因為交換節(jié)點處的時延是由處理時延和排隊等待時延兩部分組成,而通過網(wǎng)絡(luò)演算求解的時延上界,是業(yè)務(wù)流在交換機隊列上進行排隊等待的時間,因此在交換機內(nèi)部,除排隊時延上界外,還需要加上各自的處理時延.而排隊時延上界已由仿真給出,只需要對處理時延進行設(shè)定即可,如表2 所示,兩個交換機內(nèi)部的處理時延相等,且為固定值5 μs.這時,若以第1 組為例,如表7 所示,在加上交換機處理時延后,當(dāng)業(yè)務(wù)流經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中這兩個交換機時,所需的時延上界分別為:tSW1=87.9 μs,tSW2=129.7 μs,其他組別同理.

表7 組別1 各交換機內(nèi)部時延Table 7 The internal delay of each switch in the group 1

而業(yè)務(wù)流在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時,端到端時延等于源端發(fā)送時延、交換機內(nèi)部時延和鏈路時延之和,因此端到端總時延除交換機內(nèi)部時延外,還包括源端的發(fā)送時延以及數(shù)據(jù)幀在每條鏈路上的傳播時延.圖8 給出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?在業(yè)務(wù)流傳輸?shù)穆窂缴?由ES3 和ES4 兩個源端產(chǎn)生的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流fh,1和fh,2會同時經(jīng)過兩個交換機,由ES5 產(chǎn)生的fh,1則只經(jīng)過SW2.基于端到端時延公式,對公式中所列的各分段時延進行加和,根據(jù)表2,發(fā)送速率設(shè)置為1 Gb/s,每條鏈路傳播時延為0.1 μs,因此對于組別1,由ES3 和ES4 產(chǎn)生的兩種業(yè)務(wù)流的端到端時延上界均為221.1 μs,而由ES5 產(chǎn)生的fh,1的端到端時延上界為133.1 μs.對于其他組別,計算方式類似,在此便不再贅述.

對于第一部分仿真實驗,通過建立端到端時延上界分析模型,基于Matlab 仿真軟件,對多組門控下TSN 端到端時延上界進行定量分析,從而判斷門控設(shè)置是否能夠滿足業(yè)務(wù)QoS 的要求.

3.2 基于OMNeT++的TSN 端到端時延仿真實驗

在得到時延上界后,為了說明它的準(zhǔn)確性,接下來選擇第1 組門控參數(shù),利用傳統(tǒng)的排隊理論,基于OMNeT++搭建的仿真平臺對上述實驗結(jié)果進行驗證.

OMNeT++模型設(shè)計方式由使用消息傳遞方式進行通信的模塊實現(xiàn),主要包括簡單模塊、復(fù)合模塊和網(wǎng)絡(luò).其中,簡單模塊是用C++語言結(jié)合仿真庫編寫的可以執(zhí)行特定行為的模塊.簡單模塊通過門的有線連接或無線連接組合后構(gòu)成了復(fù)合模塊,整個復(fù)合模塊在OMNeT++中被稱作網(wǎng)絡(luò)[28].對于每個簡單模塊,均會為其定義兩種行為: 首先是初始化行為,對模塊參數(shù)進行初始化[29],其中部分模塊會產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀;其次是接收到數(shù)據(jù)幀后的行為,當(dāng)模塊接收到數(shù)據(jù)幀后,會對其進行處理轉(zhuǎn)發(fā).通過對所有簡單模塊定義以上兩種行為,并將簡單模塊組合成復(fù)合模塊乃至完整的網(wǎng)絡(luò),便可進行仿真.

本仿真平臺是在OMNeT++TSN 開源庫Nesting 的基礎(chǔ)上搭建而成,能夠?qū)崿F(xiàn)TSN 的部分機制,例如TAS、CBS 以及幀搶占功能等.針對圖8給定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?仿真過程中,在初始化參數(shù)設(shè)定方面,首先根據(jù)表4 和表5 對兩個交換機的GCL進行配置;其次根據(jù)表3 對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流進行配置,而對于其他兩個優(yōu)先級業(yè)務(wù)流,也需要對其參數(shù)進行設(shè)置,設(shè)置的參數(shù)如表8 所示.

表8 中、低優(yōu)先級業(yè)務(wù)流參數(shù)配置Table 8 The parameter configuration of the medium and low priority traffic

經(jīng)過上述一系列的操作,基于OMNeT++的仿真平臺便初步搭建完成,如圖15 所示,其中,發(fā)送端3、發(fā)送端4 和發(fā)送端5 為三個高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流發(fā)送源端,接下來便開始進行仿真實驗.

圖15 OMNeT++仿真場景Fig.15 The simulation scene of OMNeT++

為表示出高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流端到端時延的分布情況,在不改變其他兩個優(yōu)先級的前提下,改變?nèi)齻€發(fā)送端高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)幀源端的產(chǎn)生時間,并調(diào)整多次以生成三組、每組10 個不同、但組與組之間相同的數(shù)據(jù).對每組參數(shù)設(shè)定下高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的端到端時延進行仿真,根據(jù)業(yè)務(wù)流設(shè)置的不同,也會相應(yīng)得到對應(yīng)組別下的大量時延數(shù)據(jù)樣本,在獲取大量數(shù)據(jù)樣本后,按照業(yè)務(wù)流的產(chǎn)生端,將三組數(shù)據(jù)樣本進行統(tǒng)計,并通過箱線圖的形式顯示不同產(chǎn)生端下業(yè)務(wù)流的端到端時延分布情況.如圖16所示,圖中橫軸為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的產(chǎn)生端,分別為發(fā)送端3、發(fā)送端4 和發(fā)送端5;縱坐標(biāo)表示高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的端到端時延.

圖16 高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流端到端時延分布統(tǒng)計Fig.16 The end-to-end delay distribution statistics of the high-priority traffic

圖16 中,根據(jù)人為設(shè)置的業(yè)務(wù)流參數(shù),每個 “?”圖形對應(yīng)端到端時延的每個確定值,而對于矩形框,其上、下邊緣分別表示時延統(tǒng)計值的上四分位數(shù)和下四分位數(shù),圖中虛線將上、下四分位數(shù)分別與最大非離群時延值和最小非離群時延值相連,而其中的最大非離群時延值便是指對應(yīng)參數(shù)設(shè)置下,端到端時延分布的上界值i=1,2,3.而箱線圖上方的點劃線表示的則是表7 所列出的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流端到端的時延上界.由于由發(fā)送端3 和發(fā)送端4發(fā)送的業(yè)務(wù)流會順次流經(jīng)交換機SW1 和SW2,而發(fā)送端5 產(chǎn)生的業(yè)務(wù)流只流經(jīng)SW2,因此,由第3.1 節(jié)可知,圖16 中兩條點劃線所對應(yīng)的縱坐標(biāo)時延值分別為221.1 μs 和133.1 μs.

4 結(jié)論與展望

本文針對TSN 引入的TAS 機制,在多節(jié)點組網(wǎng)場景下,基于不同隊列門控間可 “重疊”情形,通過網(wǎng)絡(luò)演算對網(wǎng)絡(luò)端到端時延的上界進行求解.在交換節(jié)點處,通過 “到達(dá)-服務(wù)曲線”模型中兩曲線間的最大水平偏差對時延上界進行表示.對于本文所做的工作,可分為如下幾點:

1)對多交換節(jié)點進行了多組GCL 設(shè)置,基于Matlab 仿真軟件,對每組門控設(shè)置下高優(yōu)先級業(yè)務(wù)端到端時延上界進行了分析.通過時延上界值之間的比較,分析了影響實驗結(jié)果的因素,其中隊列間門控窗口的重疊、隊列窗口的開啟時長均會對結(jié)果的大小造成影響.

2)為說明時延上界結(jié)果的準(zhǔn)確性,在門控確定的情況下,通過改變業(yè)務(wù)流信息,并將其輸入至OMNeT++仿真平臺,通過輸出的端到端時延分布對其加以驗證.根據(jù)文中箱線圖的顯示,統(tǒng)計的時延均小于時延上界,這證明了基于網(wǎng)絡(luò)演算時延上界分析模型的有效性.

在未來的工作中,一方面,對于有線與無線融合組網(wǎng)的工業(yè)場景,為實現(xiàn)工廠內(nèi)局域確定性機制,如何對基于網(wǎng)絡(luò)演算的端到端時延分析模型進行刻畫還有待進一步研究;另一方面,根據(jù)業(yè)務(wù)性能的QoS指標(biāo),如何自適應(yīng)地調(diào)整TSN 交換節(jié)點的GCL 也有待進行更多的探索.