??? 摘 要： 依據實時系統(tǒng)中的周期任務模型，研究了一種帶寬分配" title="帶寬分配">帶寬分配算法實現合理的帶寬分配，以保證各節(jié)點的消息均能實時傳輸，并用粒子群算法" title="粒子群算法">粒子群算法對其進行了實現。
??? 關鍵詞： 仲裁環(huán)? 實時傳輸? 公平算法? 帶寬分配? 粒子群算法
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??? 光纖通道" title="光纖通道">光纖通道(Fibre Channel)協(xié)議是由ANSI(American Nation Standards Institute)的X3T11小組制定的一種高速串行通信協(xié)議標準。光纖通道仲裁環(huán)（FC-AL）提供了在共享式網絡中把多個節(jié)點連接在一起的方法，是光纖通道的一種重要的拓撲結構，并以其相對低廉的價格獲得了廣泛的應用。在實時通信領域中，要求網絡能夠提供在實時約束下的消息傳輸。因此改善FC-AL的實時性" title="實時性">實時性能，是目前研究的重點。
??? 粒子群優(yōu)化算法PSO（Particle Swarm Optimization）是一種新興的進化計算技術，具有有效的搜索和優(yōu)化能力。它的優(yōu)點在于流程簡單易實現，算法參數簡潔，無需復雜的調整。因此在近幾年，粒子群算法得到迅速發(fā)展，已廣泛應用于函數優(yōu)化、神經網絡訓練、模糊系統(tǒng)控制以及其他遺傳算法的應用的領域。
??? 在實時通信領域中，要求網絡提供嚴格實時約束下的消息傳輸，強調對每個特定消息的延時控制，網絡帶寬在各節(jié)點之間的分配直接影響到網絡的實時特性，網絡的可達負載率UA（當網絡負載率低于這個值時，網絡中所有的消息的實時性都能得到滿足）是評判網絡實時性能的標準之一。參考文獻[1-5]在這方面都做了有益的研究，但由于各種原因，在網絡的可達負載率方面效果都不太理想。本文對光纖通道仲裁環(huán)帶寬分配算法進行了研究，提出了保證環(huán)路上各節(jié)點消息實時傳輸的帶寬確定方法，并證明了即使在最差的情況下，保證消息集嚴格實時的網絡可達負載率幾乎可以達到100％。在此基礎上，利用優(yōu)化設計的思想將問題轉換為多約束條件的函數優(yōu)化問題，并用粒子群算法對其進行優(yōu)化計算，使之成為提高網絡實時性能的新思路。
1 FC-AL的網絡模型[6-7]
??? 光纖通道的環(huán)路仲裁協(xié)議與令牌環(huán)訪問協(xié)議一樣，屬于公共信道多址接入協(xié)議，環(huán)路上的各節(jié)點共享環(huán)路帶寬。當前環(huán)路上有消息需發(fā)送的所有節(jié)點組成一個訪問窗，窗內優(yōu)先級最高的節(jié)點最先贏得仲裁，贏得仲裁的節(jié)點向環(huán)路發(fā)送一個數據包，如果此節(jié)點還有消息需要發(fā)送，即使它擁有較高的優(yōu)先權，也必須等到“訪問窗”中的其他節(jié)點都有機會發(fā)送一次后才能申請下一次環(huán)路仲裁。對網絡中的實時消息流來說，某節(jié)點當前到達的消息，必須在下一個消息到來的時間間隔之內發(fā)送完畢，否則將不能實時傳輸。由于光纖通道幀格式中數據域較大（2KB），在“公平算法”下，如果各節(jié)點都以最大" title="最大">最大數據發(fā)送，則當前“訪問窗”中其他節(jié)點消息的總發(fā)送時間，可能會造成該節(jié)點消息不能實時傳輸。根據參考文獻[4]的思想，可以對各節(jié)點在贏得仲裁后發(fā)送的數據包大小(packet size)加以限制，即對其在一個“訪問窗”中的消息發(fā)送長度加以限制，從而防止節(jié)點占有環(huán)路使用權的時間過長，以至影響其他消息的實時傳輸。
1.1 消息模型
??? 消息模型采用實時通信中的周期任務模型，假設網絡中有n個節(jié)點，每個節(jié)點各有一個實時消息流需要在網絡中傳輸，因而有n個消息流S1，S2,…,Sn，由它們組成一個消息集合M，即:
??? M={S1,S2,…，Sn}???????????????????????????????????????? ?(1)
??? 每個消息流均可表示為一個二維數組，對于Si，有:
??? Si=(Ci,Pi)????????????????????????????????????????????? ? (2)
??? 消息流負載率Ui定義為:
??? Ui=Ci/Pi????????????????????????????????????????????????????? ????? (3)
式中,Pi表示消息產生的周期，對非周期性消息，表示消息產生的最小時間間隔。Ci表示消息的長度，即該消息的傳輸時間，內容包括網絡協(xié)議規(guī)定的分隔符、幀頭信息、信息域和校驗碼等幀的全部信息。
??? 網絡總的負載率為:
??? 
1.2 帶寬計算方法及性能分析
1.2.1 實時限制條件
??? 若fi為節(jié)點i在一次“訪問窗”內分配的網絡帶寬，則一個訪問窗的最大帶寬（傳輸時間上限）為：
??? 
??? 對特定消息流，如果所采用的帶寬分配方法既能滿足協(xié)議限制條件又能滿足時限限制條件，則在該帶寬分配方法下，對特定消息流可實現實時傳輸。
??? (1)協(xié)議限制條件
??? 在一個采用公平算法的訪問窗口中，用于發(fā)送消息的總帶寬應滿足:
??? 
式中，Pmin=min(P1,P2,…Pn),δ表示建立一個訪問窗需要的其他開銷。
??? (2)時限限制條件
??? 對于任意時間間隔t，用Xi(t)表示節(jié)點發(fā)送消息的最小時間量，根據FC-AL的在最差情況下實時消息的調度原則[5]，有：
??? 
式中，θ=min(fi,t-[t/(Fmax+?啄)]×(Fmax+δ)), [·]取整符號。
??? 消息集合M中每個消息在其最大允許時間內，應有足夠發(fā)送該消息的時間，因此對于任意消息流Si，應有:
??? Xi(Pi)≥Ci ? i=1,2,…n??????????????????????????????????? (8)
1.2.2 帶寬分配方法
??? 通過以上分析，可以采用如下方法確定各個節(jié)點在一次訪問窗內所分配的帶寬fi：
??? mi×(Fmax+δ)+(Fmax+δ)≤Pi??????????????????????????????? (9)
式中，
表示向上取整，亦即節(jié)點在隨后的mi次贏得仲裁后，可將一個消息流Ci全部發(fā)送完，其中每個訪問窗內發(fā)送的信息段為cij(j=1,2,…,mi)。需要指出的是，盡管節(jié)點i在一個訪問窗內發(fā)送cij時分配的帶寬（“用時”）為fi，但由于在該訪問窗內需要等待其他節(jié)點發(fā)送信息（等待時間為Fmax-fi），因此，發(fā)送cij的實際最大“耗時”為Fmax。根據最差情況下實時消息的調度原則，節(jié)點i沒能進入第一個訪問窗，所以還必須等待一個訪問窗的時間，最大為Fmax+δ。
1.2.3 實時性能分析
??? 定理1 如果各節(jié)點以（9）式提供的方法分配帶寬，則M中所有消息實時性均能得到保證，即對所有消息都能滿足協(xié)議限制條件和時限限制條件。
??? 證明:
??? (1)因為fi≤Ci，則mi≥1，又mi×(Fmax+δ)+(Fmax+δ)≤Pi
2(Fmax+δ)≤mi×Fmax+Fmax≤Pi
??? 則(6)式也成立。
??? (2)因為mi×(Fmax+δ)+(Fmax+δ)≤Pi，其中，
即：
??? 
??? 即（8）式也成立。
??? 通過證明，可知定理1成立。
??? 定理1說明了只要按（9）式分配帶寬，就能滿足消息實時傳輸的兩個限制條件，而不需對網絡負載率加以限制，因此，可以將網絡的可達負載率看成UA≈100%。
2 粒子群算法
2.1 粒子群算法
??? 粒子群優(yōu)化算法PSO是Kennedy和Eberha于1995年提出的一種集群優(yōu)化算法，同遺傳算法相似，是一種基于迭代的優(yōu)化工具。PSO算法采用的是速度－位置搜索模型，每個粒子代表一個候選解，解的優(yōu)劣程度由適應度函數來決定。xi=(xi1,xi2,…xin)表示第i個粒子在n維空間的位置。速度vi=(vi1,vi2,…vin)表示第i個粒子在搜索空間單位迭代的位移。PSO算法隨機初始化一群粒子，然后通過迭代找到最優(yōu)解。在每一次迭代中，粒子通過跟蹤兩個“極值”來更新自己。一個是粒子本身所找到的最優(yōu)解，即個體極值pbest；另一個是整個種群目前找到的最優(yōu)解，即全局極值gbest。粒子在找到上述兩個最優(yōu)值后，根據以下公式更新其速度和位置：
??? 
式中，rand()是(0，1)區(qū)間上服從均勻分布的隨機數;c1、c2稱為學習因子，通常c1=c2=2；w是慣性權重，取值在0.4～0.9之間，一般的做法是將w初始取為：
??? 
式中，iter為當前的迭代次數，itermax為最大的迭代次數。為了防止粒子遠離搜索空間，粒子的每一維速度都被限制在[-vmax,vmax]之間。假設搜索空間為[-xmax,xmax]，通常：
??? 
2.2 利用粒子群算法求解帶寬
??? 這里利用粒子群算法求解FC-AL的帶寬分配問題。因為在發(fā)送的每幀數據中都包含有固定的控制信息，幀長越短，其控制比特占的比例越大，而使得帶寬利用率下降，在這種帶寬分配方法中，應該在滿足消息的時限要求的同時，使各節(jié)點所獲得的帶寬盡可能地大。綜合節(jié)點優(yōu)先級和鏈路利用率兩方面因素，可將適應度函數設為：
??? 
式中,(α1,α2,…αn)表示各個節(jié)點優(yōu)先級對應權值。
??? 根據上面對消息實時傳輸所需條件的討論，將每個fi看成一個“粒子”，通過設立目標函數和約束條件，可將FC-AL帶寬分配問題轉換成如下的優(yōu)化問題：
??? 
2.3 PSO求解的算法流程
??? (1)初始化粒子群，包括種群規(guī)模，每個粒子的位置和速度。
??? (2)計算每個fi。
??? (3)對每個fi，比較它的適應值和個體最優(yōu)值pbesti，如果較好則替換pbesti。
??? (4)對每個fi，比較它的適應值和全局最優(yōu)值gbesti，如果較好則替換gbesti。
??? (5)根據公式(10)、(11)更新粒子的速度和位置。
??? (6)如果滿足結束條件(誤差足夠好或達到最大循環(huán)次數)則退出，否則回到(2)。
3 仿真實例
??? 端到端延遲是構成仲裁環(huán)節(jié)點間的信息交互的一個重要組成部分，如果不能滿足端到端延遲，則無法保證消息的實時性。為了滿足消息傳輸的實時性要求，需對信息包進行拆分，這必然會引起一些控制信息的增加，鏈路利用率會有所下降。通過試驗將本文方法（方法A）與耗盡型（方法B）和比例型（方法C）方法[1]進行了對比。表1給出了實驗中的一組消息集，由仲裁環(huán)1Gbps的標準速率將消息周期轉換為對應的消息長度,在方法A中取(α1,α2,…α10)=（10，9，…1），種群大小為30，最大迭代次數為10 000。表2為A、B、C三種方法的帶寬分配結果。圖1、圖2、圖3和表3為三種方法下的仿真結果比較，主要比較了三種方法下消息的平均延遲。由圖可知，方法A的端到端延遲明顯比其他兩種方法小。由表3可以看出，本文提出的帶寬分配方法在保證實時性上明顯好于其他兩種方法，而由此帶來的鏈路利用率的損失并不大。仿真結果表明，本文方法可以很好地滿足網絡的實時性要求。
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?????????????????? ?圖1 方法A端到端延遲曲線??????????????????????????? 圖2 方法B端到端延遲曲線
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圖3 方法C端到端延遲曲線
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??? 光纖通道仲裁環(huán)節(jié)點帶寬分配，是以保證網絡消息的實時傳輸為目標的。本文從FC-AL的網絡特性出發(fā)，根據協(xié)議規(guī)定的公平訪問機制，提出了一種能保證消息實時傳輸的帶寬分配約束條件，并通過粒子群算法對帶寬進行優(yōu)化求解。通過實驗證明，該算法在滿足節(jié)點消息傳輸的實時性要求上具有良好效果。
參考文獻
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