安景新　趙昶宇

摘 要：為了提高VxWorks系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃耘c實(shí)時(shí)性，用排隊(duì)論對(duì)數(shù)據(jù)幀排隊(duì)延時(shí)及丟包建立基于通信損失代價(jià)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出最佳消息緩存隊(duì)列長(zhǎng)度，給出了提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?、緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的思路和方法。仿真結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化緩存隊(duì)列的長(zhǎng)度，減少了排隊(duì)延時(shí)，提高了通訊性能，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：VxWorks系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)建模；緩存隊(duì)列；排隊(duì)論

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.118

為了確保VxWorks系統(tǒng)下以太網(wǎng)傳輸滿足實(shí)時(shí)性和可靠性要求，如何對(duì)VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行檢測(cè)成了最重要的問(wèn)題。本文根據(jù)以太網(wǎng)緩存隊(duì)列數(shù)學(xué)模型，利用排隊(duì)論對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)進(jìn)行了準(zhǔn)確的性能預(yù)測(cè)、分析評(píng)估和優(yōu)化。

1 以太網(wǎng)緩存隊(duì)列數(shù)學(xué)模型建立及優(yōu)化

以太網(wǎng)在VxWorks系統(tǒng)傳輸過(guò)程中的延時(shí)包括介質(zhì)的傳輸延時(shí)和以太網(wǎng)消息在緩存隊(duì)列時(shí)的排隊(duì)延時(shí)。消息數(shù)據(jù)幀在緩存隊(duì)列中等待被發(fā)送時(shí)，如果在一次傳輸周期時(shí)間內(nèi)未能及時(shí)發(fā)送出去，則需等待下一次傳輸周期到來(lái)時(shí)才能發(fā)送，這樣會(huì)產(chǎn)生較大的排隊(duì)延時(shí)。因此，如何減少排隊(duì)延時(shí)是提高通信性能的關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)VxWorks鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程進(jìn)行分析，建立與之對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。如果上位機(jī)中數(shù)據(jù)幀的發(fā)送任務(wù)相互獨(dú)立且發(fā)送次數(shù)沒(méi)有限制，則由排隊(duì)論可知發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過(guò)程服從泊松分布。

設(shè)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入緩存隊(duì)列的平均數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)（即數(shù)據(jù)幀的平均到達(dá)速率）為λ，則到達(dá)時(shí)間間隔服從參數(shù)為λ的負(fù)指數(shù)分布：

設(shè)以太網(wǎng)在單位時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)幀的平均個(gè)數(shù)（即以太網(wǎng)的平均傳輸速率）為μ（μ>λ），則傳輸強(qiáng)度為：

設(shè)數(shù)據(jù)幀排隊(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，當(dāng)L過(guò)大時(shí)，以太網(wǎng)處于繁忙期，可能使得緩存隊(duì)尾的部分?jǐn)?shù)據(jù)幀在一次傳輸周期內(nèi)不能及時(shí)傳輸而被丟棄，需要等到下一次傳輸周期的到來(lái)，導(dǎo)致排隊(duì)延時(shí)較長(zhǎng)，影響了系統(tǒng)性能；當(dāng)L過(guò)小時(shí)，以太網(wǎng)處于閑置期，其通訊利用率很低。如何找到合適的緩存隊(duì)列長(zhǎng)度，保證在VxWorks系統(tǒng)中，緩存隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)幀都能成功發(fā)送，同時(shí)以太網(wǎng)的利用率最高是本文研究的核心問(wèn)題。為方便問(wèn)題研究，本文做出如下假設(shè)。

設(shè)在VxWorks系統(tǒng)中最佳緩存隊(duì)列長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，當(dāng)數(shù)據(jù)幀排隊(duì)長(zhǎng)度L>L0時(shí)，不能及時(shí)發(fā)送而被丟棄的每個(gè)數(shù)據(jù)幀的損失代價(jià)為c1，當(dāng)數(shù)據(jù)幀排隊(duì)長(zhǎng)度L

大多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)幀在發(fā)送緩存隊(duì)列中未能及時(shí)傳輸而被丟棄造成的損失對(duì)VxWorks系統(tǒng)性能的影響較大，即損失代價(jià)c1較大。而由于以太網(wǎng)閑置造成的損失對(duì)VxWorks系統(tǒng)性能的影響較小，即損失代價(jià)c2較小，所以滿足c1≥c2.

2 需要注意的問(wèn)題

為保證VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕徑饩W(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，在實(shí)際應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)問(wèn)題。：①合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是提高網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。針對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于某些重要節(jié)點(diǎn)，應(yīng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加冗余度。②在VxWorks系統(tǒng)中，通訊雙方都應(yīng)有信息發(fā)送緩沖隊(duì)列和信息接收緩沖隊(duì)列。對(duì)于發(fā)送方來(lái)說(shuō)，可不必考慮接收方死時(shí)間，信息產(chǎn)生后立即將其填入信息發(fā)送隊(duì)列，并且在填入過(guò)程中仍然響應(yīng)其它信息的產(chǎn)生，相當(dāng)于在操作層面實(shí)現(xiàn)了零通信死時(shí)間。使用緩沖隊(duì)列實(shí)現(xiàn)了

信息的流水線處理，降低了信息通信雙方時(shí)間上的關(guān)聯(lián)性，帶來(lái)了操作人員層面的系統(tǒng)零死時(shí)間。同時(shí)，提高了CPU的利用率和軟件的效率。③通過(guò)增加資源能力來(lái)避免擁塞。比如，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，將傳輸分配在多個(gè)路由器進(jìn)行，也可使用備份路由器來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)帶寬等。④在VxWorks系統(tǒng)中，通訊雙方建立超時(shí)和確認(rèn)重傳機(jī)制，但超時(shí)太短將造成不必要的重傳，既浪費(fèi)主機(jī)的處理時(shí)間，又浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。超時(shí)太長(zhǎng)，又將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的低吞吐量和短響應(yīng)時(shí)間。理想化的超時(shí)值應(yīng)正好等于一個(gè)數(shù)據(jù)包穿過(guò)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的地，接收方對(duì)它進(jìn)行處理，然后發(fā)回的確認(rèn)包又回到發(fā)送方的時(shí)間。合適的超時(shí)時(shí)間是實(shí)施超時(shí)重傳的關(guān)鍵。⑤為加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，通訊雙方各建立兩個(gè)socket端口，一個(gè)作為數(shù)據(jù)通道專門用來(lái)傳遞數(shù)據(jù)信息，另一個(gè)用作監(jiān)控通道，傳遞應(yīng)答信號(hào)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的連通性，并監(jiān)控通道負(fù)責(zé)管理和維護(hù)數(shù)據(jù)通道。在每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，采樣節(jié)點(diǎn)都會(huì)向服務(wù)器發(fā)起一次連接，服務(wù)器端收到采樣節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求后，與其建立連接，然后向其發(fā)送命令信號(hào)。采樣節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)指令后，向服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，服務(wù)器如果能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則判定網(wǎng)絡(luò)通暢，否則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中斷。如果某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線，那么重新建立連接后，服務(wù)器會(huì)向采樣節(jié)點(diǎn)發(fā)送重新連接指令，采樣節(jié)點(diǎn)收到重新連接指令后，會(huì)關(guān)閉原有的數(shù)據(jù)傳輸socket，重新和服務(wù)器建立數(shù)據(jù)傳輸通道。上述做法使系統(tǒng)能夠快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障并作出響應(yīng)，待網(wǎng)絡(luò)故障排除后系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在VxWorks系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議棧中發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過(guò)程中建立數(shù)學(xué)模型，得出數(shù)據(jù)幀排隊(duì)延時(shí)及丟包是影響VxWorks系統(tǒng)通信性能的主要因素。結(jié)合排隊(duì)論推導(dǎo)出通訊損失代價(jià)最小的最佳消息緩存隊(duì)列長(zhǎng)度，從而對(duì)VxWorks系統(tǒng)緩沖隊(duì)列的長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化，并給出了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)囊恍┧悸泛徒ㄗh，在一定程度上對(duì)改善在VxWorks系統(tǒng)中以太網(wǎng)的通訊性能具有指導(dǎo)意義。

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〔編輯：王霞〕