VxWorks系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)性能的建模和分析

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實時性，用排隊論對數(shù)據(jù)幀排隊延時及丟包建立基于通信損失代價的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出最佳消息緩存隊列長度，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，通過優(yōu)化緩存隊列的長度，減少了排隊延時，提高了通訊性能，具有一定的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：VxWorks系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)建模；緩存隊列；排隊論

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

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

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

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

通過對VxWorks鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)過程進(jìn)行分析，建立與之對應(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)沒有限制，則由排隊論可知發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程服從泊松分布。

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

設(shè)以太網(wǎng)在單位時間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)幀的平均個數(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)幀排隊長度為L，當(dāng)L過大時，以太網(wǎng)處于繁忙期，可能使得緩存隊尾的部分?jǐn)?shù)據(jù)幀在一次傳輸周期內(nèi)不能及時傳輸而被丟棄，需要等到下一次傳輸周期的到來，導(dǎo)致排隊延時較長，影響了系統(tǒng)性能；當(dāng)L過小時，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列長度，保證在VxWorks系統(tǒng)中，緩存隊列中的所有數(shù)據(jù)幀都能成功發(fā)送，同時以太網(wǎng)的利用率最高是本文研究的核心問題。為方便問題研究，本文做出如下假設(shè)。

設(shè)在VxWorks系統(tǒng)中最佳緩存隊列長度為L0，當(dāng)數(shù)據(jù)幀排隊長度L>L0時，不能及時發(fā)送而被丟棄的每個數(shù)據(jù)幀的損失代價為c1，當(dāng)數(shù)據(jù)幀排隊長度L

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

2 需要注意的問題

為保證VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，在實際應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)問題。：①合理設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是提高網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。針對不同的節(jié)點(diǎn)采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于某些重要節(jié)點(diǎn)，應(yīng)設(shè)計成網(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)送緩沖隊列和信息接收緩沖隊列。對于發(fā)送方來說，可不必考慮接收方死時間，信息產(chǎn)生后立即將其填入信息發(fā)送隊列，并且在填入過程中仍然響應(yīng)其它信息的產(chǎn)生，相當(dāng)于在操作層面實現(xiàn)了零通信死時間。使用緩沖隊列實現(xiàn)了

信息的流水線處理，降低了信息通信雙方時間上的關(guān)聯(lián)性，帶來了操作人員層面的系統(tǒng)零死時間。同時，提高了CPU的利用率和軟件的效率。③通過增加資源能力來避免擁塞。比如，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，將傳輸分配在多個路由器進(jìn)行，也可使用備份路由器來增加網(wǎng)絡(luò)帶寬等。④在VxWorks系統(tǒng)中，通訊雙方建立超時和確認(rèn)重傳機(jī)制，但超時太短將造成不必要的重傳，既浪費(fèi)主機(jī)的處理時間，又浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。超時太長，又將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的低吞吐量和短響應(yīng)時間。理想化的超時值應(yīng)正好等于一個數(shù)據(jù)包穿過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的地，接收方對它進(jìn)行處理，然后發(fā)回的確認(rèn)包又回到發(fā)送方的時間。合適的超時時間是實施超時重傳的關(guān)鍵。⑤為加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，通訊雙方各建立兩個socket端口，一個作為數(shù)據(jù)通道專門用來傳遞數(shù)據(jù)信息，另一個用作監(jiān)控通道，傳遞應(yīng)答信號，監(jiān)測網(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。在每個循環(huán)周期內(nèi)，采樣節(jié)點(diǎn)都會向服務(wù)器發(fā)起一次連接，服務(wù)器端收到采樣節(jié)點(diǎn)的連接請求后，與其建立連接，然后向其發(fā)送命令信號。采樣節(jié)點(diǎn)收到信號指令后，向服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答信號，服務(wù)器如果能在規(guī)定的時間內(nèi)收到應(yīng)答信號，則判定網(wǎng)絡(luò)通暢，否則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中斷。如果某時刻網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)斷線，那么重新建立連接后，服務(wù)器會向采樣節(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

本文對實時以太網(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)幀的過程中建立數(shù)學(xué)模型，得出數(shù)據(jù)幀排隊延時及丟包是影響VxWorks系統(tǒng)通信性能的主要因素。結(jié)合排隊論推導(dǎo)出通訊損失代價最小的最佳消息緩存隊列長度，從而對VxWorks系統(tǒng)緩沖隊列的長度進(jìn)行了優(yōu)化，并給出了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)囊恍┧悸泛徒ㄗh，在一定程度上對改善在VxWorks系統(tǒng)中以太網(wǎng)的通訊性能具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王剛，岳韶華，李延磊，等.網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2013（2）.

[2]邱愛華，張濤，顧逸東.航天器可應(yīng)用實時以太網(wǎng)分析[J].空間科學(xué)學(xué)報，2015（3）.

[3]繆學(xué)勤.基于國際標(biāo)準(zhǔn)的十一種工業(yè)實時以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究（上）[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2009（3）.

[4]陸傳來.排隊論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2000.

〔編輯：王霞〕