一類面向網(wǎng)絡(luò)化控制的QoS策略框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

徐　飛，劉明雍，高俊釵（．西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安70072；2．西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科與工程學(xué)院，西安7002）

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一類面向網(wǎng)絡(luò)化控制的QoS策略框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

徐飛1，2，劉明雍1，高俊釵1，2
（1．西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072；2．西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科與工程學(xué)院，西安710021）

摘 要：針對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)存在丟包、時延等典型問題，本文從網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)優(yōu)化的角度展開研究，構(gòu)建了面向網(wǎng)絡(luò)化控制中間件的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）語義模型和服務(wù)模型，提出了多層次的QoS保證策略、QoS資源服務(wù)算法；在一類網(wǎng)絡(luò)化控制中間件原型系統(tǒng)上開展構(gòu)件網(wǎng)絡(luò)資源滿足仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，通過對任務(wù)節(jié)點(diǎn)的帶寬和優(yōu)先級進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)控制信息流的合理、高效傳輸，從而達(dá)到縮短網(wǎng)絡(luò)時延，改善網(wǎng)絡(luò)性能，使得構(gòu)件的資源滿足率能達(dá)到0．3左右．

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制；QoS策略；中間件；資源滿足；構(gòu)件部署

基金資助：國家自然科學(xué)基金（50979093）；陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目計(jì)劃（15JK1364）

網(wǎng)絡(luò)資源共享是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在通過給控制系統(tǒng)帶來的優(yōu)點(diǎn)，但同時也給控制界引入了新的挑戰(zhàn)．網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜性是由其自身特點(diǎn)決定的，如數(shù)據(jù)包丟失、網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、數(shù)據(jù)包亂序及網(wǎng)絡(luò)調(diào)度等問題，本文稱之為“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)字化約束”［1］．

網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用需要共享使用異質(zhì)、多樣的資源，各個任務(wù)間的協(xié)作往往需要根據(jù)業(yè)務(wù)場景進(jìn)行調(diào)整，使得資源的調(diào)度分配、任務(wù)執(zhí)行變得復(fù)雜．目前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施大多采用“盡力服務(wù)”的服務(wù)模型，服務(wù)質(zhì)量得不到完全保障．多個服務(wù)協(xié)作并使用共享資源時，資源調(diào)度的性能和效率也容易造成服務(wù)效能的降級．許多研究人員從QoS機(jī)制設(shè)計(jì)入手，解決此類問題．Ian Eoster等學(xué)者提出了基于Globus Toolkit的QoS框架——GARA（Globus Architecture for Reservation and Allocation，GARA）［2-3］，其目標(biāo)提供中間件內(nèi)核層、服務(wù)層的端到端QoS保障．GARA利用GRAM進(jìn)行資源管理，為各類異構(gòu)資源定義了通用的描述機(jī)制并提供統(tǒng)一的控制接口，但對體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方式缺乏擴(kuò)展性，不能適用于一般的網(wǎng)絡(luò)化控制領(lǐng)域要求．英國Cardiff大學(xué)的Rashid教授提出的QoS管理框架——G-QoSM［4］，利用QoS的資源信息注冊、發(fā)現(xiàn)和選擇進(jìn)行資源預(yù)留，資源協(xié)同分配和任務(wù)調(diào)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，該框架缺乏完整的QoS語義建模能力，對業(yè)務(wù)環(huán)境的變化不能很好的適應(yīng)．文獻(xiàn)［5-6］提出基于最大化用戶滿意度的服務(wù)組合中間件，給出了局部任務(wù)級服務(wù)選擇和全局協(xié)同分配兩種策略．局部服務(wù)選擇對多維QoS屬性采用規(guī)一化和加權(quán)兩個步驟實(shí)現(xiàn)服務(wù)的度量．文獻(xiàn)［7］指出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提出基于一種稱為彈性約束的需求定義方案，將多目標(biāo)問題建模為一個復(fù)合選擇的背包問題，基于動態(tài)規(guī)劃法提出動態(tài)約束算法進(jìn)行求解，但用戶很難清晰地確定應(yīng)用需求．文獻(xiàn)［8］提出了“跨層設(shè)計(jì)”的思想，并在Ad Hoc無線自組織網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域展開研究，保留原有分層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)并綜合考慮協(xié)議棧層間的相互關(guān)系，打破了傳統(tǒng)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中層間的通信限制，允許協(xié)議棧各層間交互通信．文獻(xiàn)［9］提出了面向網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的五層“跨層感知”理念，將“跨層設(shè)計(jì)”的思想推廣到網(wǎng)絡(luò)五層標(biāo)準(zhǔn)上．上述研究成果大多是支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的部分QoS功能，單純的網(wǎng)絡(luò)QoS機(jī)制不能保證其要求的QoS，且現(xiàn)有的QoS保證策略均基于“盡力而為”的服務(wù)機(jī)制之上，且不能提供面向構(gòu)件化的中間件平臺支撐．

1　QoS語義模型

本文提出了一種開放的、可擴(kuò)展的QoS語義模型，可根據(jù)上下文參數(shù)對QoS特征數(shù)據(jù)進(jìn)行定義、交換及互操作，使得QoS的表示邏輯與參數(shù)數(shù)量、QoS管理層次、QoS管理機(jī)制等特征解耦，從而更好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用的多種業(yè)務(wù)場景．該語義模型由QoS元模型和QoS管理模型組成．

1．1 元模型

QoS元模型定義了QoS表示體系的原子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一方面增強(qiáng)了QoS表示體系的嚴(yán)格性，另一方面QoS的擴(kuò)展定義奠定基礎(chǔ)．QoS元模型表示體系如圖1所示．

圖1　QoS元模型結(jié)構(gòu)Fig．1 QoS Meta Model Structure

1）根元素（Model Root Element，MRE）是元模型中各元對象繼承層次的根元素，是最基本的抽象塊．

2）標(biāo)識符（Identifier，ID），是模型元素用于標(biāo)識自身的字符串，在整個命名空間中是唯一的．

3）類別（Classifier）：是用于派生數(shù)據(jù)類型及類二種元對象的抽象構(gòu)造塊．它是方法和屬性的聚合體．

4）數(shù)據(jù)類型（Data Type），定義了用于描述QoS的基本數(shù)據(jù)類型、構(gòu)造數(shù)據(jù)類型、模板數(shù)據(jù)類型以及自定義數(shù)據(jù)類型．

5）類（Class）：是對相同行為、屬性、關(guān)系和語義的對象集合的抽象．

6）模式（Schema）：是由一個或多個類聚集而成的框架．

7）限定符（Qualifier）是對類、屬性及其大綱等元素規(guī)格的說明及約束．

8）事件（Event）是在時間和空間上可以定位并且可以帶有參數(shù)的有實(shí)際意義的發(fā)生．

9）規(guī)則（Rule）是當(dāng)事件發(fā)生時用于指示類進(jìn)行狀態(tài)遷移的策略．

1．2 QoS管理模型

從網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的角度，可將網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用視為是一組具有QoS特征的構(gòu)件實(shí)例集合．構(gòu)件實(shí)例為部署到某類框架中的物理單元．運(yùn)行時實(shí)例可以表現(xiàn)為容器環(huán)境中的一個進(jìn)程、線程或者其他自主運(yùn)行單元．本文將其抽象為由其實(shí)例組成的有向無環(huán)圖，稱之為QoS構(gòu)件的應(yīng)用配置圖（Configuration Graph，CG），如圖2所示．

圖2　QoS語義構(gòu)件應(yīng)用配置圖Fig．2 QoS semantic component application configuration diagram

從構(gòu)件實(shí)例Ci到Cj的有向邊，其中Ci的輸出是Cj的輸入．構(gòu)件的QoS特征表現(xiàn)為

式（1）～（4）中，QoSdemand，ReS，QoSprovide中的QoS屬性值都為實(shí)數(shù)類型，其中QoSprovide表示構(gòu)件實(shí)例所提供QoS屬性列表；Res則為構(gòu)件實(shí)例運(yùn)行時所占用的系統(tǒng)資源列表，這些QoS屬性由系統(tǒng)資源管理服務(wù)所提供．

2　QoS策略框架

2．1 框架結(jié)構(gòu)

基于策略的QoS的監(jiān)測和保障機(jī)制，它是QoS框架運(yùn)行核心組件，不僅為資源服務(wù)的管理和通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行提供性能保障，還對運(yùn)行中動態(tài)的QoS參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，為QoS策略的執(zhí)行提供指導(dǎo)．將資源服務(wù)根據(jù)其對通信網(wǎng)絡(luò)性能的需求進(jìn)行分類，并將這些需求映射到通信網(wǎng)絡(luò)的QoS標(biāo)準(zhǔn)上，在通信網(wǎng)絡(luò)中采用合適的協(xié)議及QoS策略為資源服務(wù)管理提供滿意的數(shù)據(jù)傳輸性能．其框架示意如圖3所示．

2．2 QoS需求映射機(jī)制

為了能夠?yàn)閼?yīng)用提供隨需定制的QoS資源服務(wù)，必須從業(yè)務(wù)需求中提煉出明確的QoS需求集合．這里給出了網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用資源組（Networked Control Application Resource Group，NCARG）的概念，表示可以對資源服務(wù)需求的最小業(yè)務(wù)單元．完整的控制領(lǐng)域應(yīng)用通?？梢杂卸鄠€NCARG構(gòu)成，QoS服務(wù)框架根據(jù)NCARG請求進(jìn)行相應(yīng)的QoS模式推理．從領(lǐng)域應(yīng)用中分解NCARG并提煉出明確QoS參數(shù)特性的過程如圖4所示．

從領(lǐng)域中分解子應(yīng)用、抽象NCARG的并對其進(jìn)行QoS分類的過程為

其中NCSAppi表示一個完整的網(wǎng)絡(luò)化控制領(lǐng)域應(yīng)用，｛A1，A2，…，An｝表示將領(lǐng)域應(yīng)用分解為子系統(tǒng)，而｛N1，N2，…，Nm｝則表示若干個NCARG組．NCARG組根據(jù)QoS網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行分類后，QoS參數(shù)被提煉，用戶則可根據(jù)QoS參數(shù)與其他的合作伙伴進(jìn)行資源請求的協(xié)商，共同使一個完整的業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠在確定QoS水平基礎(chǔ)上完成．資源服務(wù)由處于中間層相關(guān)算法調(diào)度執(zhí)行的，因此過程可以被看成是從應(yīng)用層業(yè)務(wù)抽象到中間層QoS映射的實(shí)現(xiàn)．

2．3 QoS資源滿足算法

QoS資源滿足可以描述為：①針對已分解好的NCARG組，建立其與服務(wù)構(gòu)件的請求對應(yīng)關(guān)系（配置結(jié)構(gòu)圖）；②根據(jù)請求網(wǎng)絡(luò)資源的QoS參數(shù)集合QoSreq和系統(tǒng)當(dāng)前資源狀態(tài)，進(jìn)行QoS模式的預(yù)分配；若得到滿足，則執(zhí)行該QoS模式；若預(yù)分配不滿足，則選擇其他QoS模式，并且并計(jì)算QoS模式切換開銷；一旦預(yù)分配開銷超過了給定的閾值，則退出資源滿足服務(wù)，返回不可提供網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)標(biāo)志．下圖給出了由NCARG組請求資源到完成QoS構(gòu)件實(shí)例配置圖的過程，并依此給出QoS資源滿足算法的描述．

圖3　QoS管理框架Fig．3 QoS Management Eramework

圖4　QoS需求映射過程Fig．4 QoS Requirements Mapping Process

上述NCARG的QoS資源請求過程中，首先根據(jù)選定QOS模式進(jìn)行資源預(yù)分配，形成服務(wù)構(gòu)件實(shí)例間的滿足關(guān)系，模式規(guī)劃器根據(jù)功能配置圖CG和QoS規(guī)格來構(gòu)造服務(wù)的QoS關(guān)系圖．具體算法流程如下所示：

算法1：QoS資源滿足算法

輸入：單個NCARG組構(gòu)件功能配置圖及系統(tǒng)當(dāng)前可用資源集合，給定的分配開銷閾值HOLDVALUE；

輸出：可選QoS構(gòu)件配置集合－－ConfigSet［］或不可服務(wù)狀態(tài)Return Value．

①進(jìn)行一次預(yù)分配；

②初始化功能配置圖（CG）中的每條邊，置入Edge［N］數(shù)組；

③找出Edge［N］中的所有源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，置入StartPt［］和End Pt［］數(shù)組中．

首先根據(jù)某類NCARG來初次QoS模式的分配，并將圖中的源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別放置到對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去；將臨時邊集合QCitem置為空；然后啟發(fā)式對源節(jié)點(diǎn)的每個節(jié)點(diǎn)調(diào)用生成配置集合函數(shù)Construct（U，QC）；在該函數(shù)中，對于每個QoS配置項(xiàng)，檢查每個構(gòu)件的實(shí)例中的QoS屬性是否滿足，如果滿足，則檢查目的節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件實(shí)例是否滿足QoS配置項(xiàng)；并采用遞歸的方式，直到輸出每個可行的QoS配置項(xiàng)并輸出結(jié)果．在每次判斷過程中計(jì)算累計(jì)的分配開銷；如果滿足資源的請求，則返回最終的QoS配置圖，如果滿足，則判斷累計(jì)分配開銷是否超出輸入的閾值，如果超出則返回不可服務(wù)標(biāo)志；如果未超過，則進(jìn)行下一次QoS模式選擇．QoS資源滿足過程，如圖5所示．

圖5　QoS資源滿足過程Fig．5 QoS resources meet process

3　仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)對構(gòu)件化QoS管理框架及相關(guān)分層策略設(shè)計(jì)中的核心算法進(jìn)行驗(yàn)證．

定義1 QoS需求滿足率：（QRMR：QoS Requirements Meet Rate），假設(shè)在所有Totalreq，個服務(wù)申請請求中，Successrequest個服務(wù)申請成功，則QoS需求滿足率［10］定義為

本文仿真實(shí)驗(yàn)采用不同構(gòu)件選擇算法的QRMR進(jìn)行對比，如圖6所示，仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境由四臺部署具有QoS構(gòu)件容器的的PC聯(lián)網(wǎng)組成｛P1，P2，P3，P4｝．

QoS仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境假設(shè)，影響QRMR的因素為資源約束和服務(wù)的資源需求．仿真實(shí)驗(yàn)中，每隔Random（3，8）秒反復(fù)隨機(jī)地從P1產(chǎn)生一個復(fù)合服務(wù)請求，被模擬的四種復(fù)合服務(wù)的構(gòu)件功能配置圖及服務(wù)構(gòu)件部署如圖7所示，且經(jīng)過算法1計(jì)算得到的可行QOS配置資源需求見表1．

實(shí)驗(yàn)中，QoS構(gòu)件只對CPU的資源預(yù)留管理，r1，r2，r3，r4分別代表P1，P2，P3，P4的CPU資源．

仿真實(shí)驗(yàn)每隔1s統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的QRMR．設(shè)定每個申請成功服務(wù)的持續(xù)時間為Random（30，180）秒，當(dāng)服務(wù)完成后，其資源將被相應(yīng)資源管理器回收．實(shí)驗(yàn)中Capabilityr1，Capabilityr2，Capabilityr3和Capabilityr4大小均設(shè)定為100%．在構(gòu)件準(zhǔn)入算法中，r1，r2，r3，r4資源的權(quán)重分別設(shè)定為Qr1＝0．5，Qr2＝0．4，Qr3＝0．35，Qr4＝0．45．

圖6　QoS仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig．6 QoS Simulation Environment Network Structure

圖7　仿真實(shí)驗(yàn)中構(gòu)件功能配置圖Fig．7 Configuration diagram of component function in the simulation experiment

因此，仿真采用窮舉方法計(jì)算協(xié)商算法中的整數(shù)規(guī)劃最優(yōu)解．圖8給出了QRMR隨時間的變化情況．從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看在仿真初期兩種算法均能達(dá)到較高的成功率，但隨著仿真過程的進(jìn)行，啟發(fā)式構(gòu)件準(zhǔn)入算法的QRMR滿足率在0．3附近，要高于構(gòu)件基本選擇算法．結(jié)果表明，通過啟發(fā)式調(diào)節(jié)資源權(quán)重和通過服務(wù)資源協(xié)商方法，QRMR能夠顯著提高．

表1　復(fù)合服務(wù)可行QoS配置的資源需求（%）Tab．1 Resource requirements of the composite service QoS configuration（%）

圖8　不同構(gòu)件準(zhǔn)入算法的QRMR比較Fig．8 QRMR comparison between different components’access algorithms

4　結(jié)論

本文針對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)存在丟包、時延的等典型問題，從網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)優(yōu)化的角度入手展開相關(guān)研究．構(gòu)建了面向網(wǎng)絡(luò)化控制中間件的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）語義模型和服務(wù)模型，提出了多層次的QoS保證策略，以網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用資源組（NCARG）作為對象設(shè)計(jì)了啟發(fā)式的QoS資源服務(wù)算法．開展了構(gòu)件網(wǎng)絡(luò)資源滿足仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，通過QoS管理模型的抽象并合理調(diào)整任務(wù)節(jié)點(diǎn)的帶寬和優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)控制信息的高效傳輸，從而達(dá)到縮短網(wǎng)絡(luò)時延，改善網(wǎng)絡(luò)性能，啟發(fā)式資源服務(wù)算法構(gòu)件的資源滿足率能達(dá)到0．3左右，比常規(guī)構(gòu)件資源滿足算法有較好的適應(yīng)性和分布式擴(kuò)展性；同時本文所提出的方法為大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的自適應(yīng)中間體系架構(gòu)設(shè)計(jì)資源優(yōu)化理論及相關(guān)研究的深入開展提供了參考．

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（責(zé)任編輯、校對 張立新）

Design and Implementation of QoS Guarantee Strategy Framework for Networked Control System

XU Eei1，2，LIU Mingyong1，GAO Junchai
（1．School of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；2．School of Computer Science and Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Abstract：In order to solve the typical problems of packet loss and delay in the networked control system，a research was conducted from the perspective of service resources optimization．The QoS semantic model and service model were built for the networked control middleware．The multi-level QoS guarantee strategy deployment algorithm and QoS resources service algorithm were presented．On a class of networked control middleware prototype system，a simulation experiment of network resources satisfaction of components and component deployment was conducted．The results show that，by properly adjusting the bandwidth and priority of the task node，the controlling information can be efficiently transmissed，thus shortening the network time delay，improving the network performance and increasing the efficiency of the controller．The component resources satisfaction rate reaches to about 0．3．

Key words：networked control；QoS strategy；middleware；resources satisfaction；component deployment

作者簡介：徐 飛（1980－），男，西安工業(yè)大學(xué)副教授．主要研究方向?yàn)榉植际接?jì)算、中間件．E-mail：xinfei2000＠qq．com．

*收稿日期：2015-11-07

DOI：10．16185／j．jxatu．edu．cn．2016．01．007

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖號： TP273 A

文章編號：1673-9965（2016）01-0031-06