夏白樺 李洪業(yè) 張 海

(通信指揮學(xué)院 武漢 430012)

1 引言

描述數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)性能主要用系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、消息更新率、網(wǎng)絡(luò)容量、多網(wǎng)能力等[1]。這些指標(biāo)從不同側(cè)面描述了數(shù)據(jù)鏈的作戰(zhàn)能力,但它們之間往往存在著相互影響和制約的關(guān)系。如為了降低數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間以提高作戰(zhàn)反應(yīng)速度,可能需要降低網(wǎng)絡(luò)容量[2],使得網(wǎng)絡(luò)的潛力不能充分地發(fā)揮出來。為了保證在滿足實(shí)時(shí)性要求前提下提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,王瑩提出了由從站申請(qǐng)、主站根據(jù)從站要求動(dòng)態(tài)改變輪詢表,使某個(gè)需要發(fā)送高實(shí)時(shí)性消息的從站立刻獲得呼叫的策略[3]。但該策略的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大。張海等人則提出根據(jù)各成員的呼叫時(shí)限(成員所發(fā)消息的最小響應(yīng)時(shí)間)要求,通過合理設(shè)置成員在一個(gè)輪詢周期內(nèi)的呼叫次數(shù),構(gòu)建了單網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈輪詢網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[4]。利用該理論對(duì)Link-11的優(yōu)化設(shè)計(jì)表明,分析計(jì)算簡(jiǎn)單易行,網(wǎng)絡(luò)容量及網(wǎng)絡(luò)資源利用率都大幅提升,系統(tǒng)的整體性能得到優(yōu)化。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)也可以采用輪詢多網(wǎng)方式組網(wǎng),但網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。本文將在分析輪詢多網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合文獻(xiàn)[4]輪詢單網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,給出輪詢多網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2 輪詢網(wǎng)絡(luò)及工作方式[5]

數(shù)據(jù)鏈輪詢單網(wǎng)由一個(gè)主站和一個(gè)或多個(gè)從站組成,如圖1所示。所有網(wǎng)絡(luò)成員使用相同的頻率、波形、加密信息等網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù),共享系統(tǒng)資源。網(wǎng)絡(luò)工作時(shí),主站依次呼叫各從站以及主站自身,被呼者根據(jù)要求應(yīng)答并報(bào)告消息。在通常的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法中,每個(gè)從站(包括主站)在一個(gè)輪詢周期內(nèi)均只被呼叫一次,以此方式循環(huán)往復(fù)。

圖1 數(shù)據(jù)鏈輪詢單網(wǎng)示意圖

圖2 數(shù)據(jù)鏈輪詢多網(wǎng)示意圖

圖2所示為數(shù)據(jù)鏈輪詢多網(wǎng)示意圖。其中,主網(wǎng)由一個(gè)主站和若干個(gè)次主站組成,子網(wǎng)由一個(gè)主/次主站和若干從站組成。主站和次主站都具有雙重身份。主站是主網(wǎng)和子網(wǎng)的主站,而次主站既是各子網(wǎng)的主站,又是主網(wǎng)的從站。主網(wǎng)和子網(wǎng)不同時(shí)運(yùn)行,但為了提高時(shí)間資源的利用率,各子網(wǎng)應(yīng)同時(shí)運(yùn)行。這樣,主網(wǎng)運(yùn)行時(shí),由主站輪詢呼叫各次主站(包括主站自身),被呼者應(yīng)答。呼叫完畢后主網(wǎng)工作模式被切換到子網(wǎng)工作模式,由主/次主站輪詢呼叫各子網(wǎng)從站以及主/次主站自身,被呼者應(yīng)答,然后再將子網(wǎng)工作模式切換到主網(wǎng)工作模式。

主網(wǎng)與每個(gè)子網(wǎng)都采用不同的頻率、波形、加密信息等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行區(qū)分,子網(wǎng)之間通過主網(wǎng)協(xié)同通信。

子網(wǎng)中的各從站可以參加多個(gè)子網(wǎng),但這會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)雜度,圖2中未給出這種情況。另外,圖2中所示是三層結(jié)構(gòu)的輪詢網(wǎng),多于三層的輪詢網(wǎng)因?yàn)樘珡?fù)雜,實(shí)際應(yīng)用中可能難以運(yùn)轉(zhuǎn),這里也不作討論。

3 輪詢多網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

輪詢多網(wǎng)雖然在形式上是由多個(gè)輪詢單網(wǎng)組成,但與輪詢單網(wǎng)有很大的不同,因此優(yōu)化設(shè)計(jì)方法較之單網(wǎng)也有很大的不同。

假設(shè)輪詢多網(wǎng)中的主網(wǎng)有m+1個(gè)成員。不失一般性,定義第0個(gè)成員為主站,其余第1至第m個(gè)成員為次主站,且共有m+1個(gè)子網(wǎng)。令nl(l=0,1,…,m)表示第l個(gè)子網(wǎng)的成員數(shù)(若nl=1則表示主/次主站 l下沒有從站),且用 p(p=0,…,nl-1)表示子網(wǎng)中的成員。不失一般性,定義p=0對(duì)應(yīng)各子網(wǎng)中的主/次主站。

1)子網(wǎng)成員呼叫時(shí)限。子網(wǎng)中每個(gè)成員發(fā)送的幾類不同消息的響應(yīng)時(shí)間要求各不相同[6]。每個(gè)成員相隔多長(zhǎng)時(shí)間需要呼叫一次,取決于其中的最小響應(yīng)時(shí)間要求,稱為呼叫時(shí)限。令τ子lp表示子網(wǎng)l中成員p的呼叫時(shí)限,即表示該成員在τ子lp時(shí)間內(nèi)必須獲得一次呼叫。如果同一子網(wǎng)中的τ子lp彼此間相差很大,對(duì)不同成員的呼叫要求很不相同,給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來很大困難,系統(tǒng)的運(yùn)行效率也大為降低。在實(shí)際作戰(zhàn)中,各個(gè)子網(wǎng)對(duì)應(yīng)的可能是一個(gè)作戰(zhàn)飛機(jī)編隊(duì)或水面艦艇編隊(duì),成員性質(zhì)相同或相近,它們所發(fā)消息的實(shí)時(shí)性要求也相同或相近。所以這里給出:

假定一 子網(wǎng)內(nèi)所有從站可近似當(dāng)成同一種平臺(tái)處理。

由此得子網(wǎng)l的呼叫時(shí)限為:

由假定一知,在子網(wǎng)l的一個(gè)輪詢周期內(nèi),每個(gè)成員(包括主/次主站)只需呼叫一次。如果給出各成員所傳送的消息類別及其響應(yīng)時(shí)間,就可計(jì)算出τ子lp值。假如成員p總共傳送n類消息,每類消息的響應(yīng)時(shí)間為τ子lpq(q=1,…,n),由此得到[4]:

結(jié)合式(1)和式(2),便可求得τ子l。

2)子網(wǎng)工作時(shí)間。令 T子l表示子網(wǎng)l的輪詢周期(即子網(wǎng)輪詢完網(wǎng)內(nèi)全部成員的時(shí)間),T子lp表示子網(wǎng)l輪詢時(shí),每一次呼叫成員p的輪詢時(shí)隙(p=0表示發(fā)送次主站報(bào)告時(shí)間),故有:

供子網(wǎng)工作的時(shí)間由(T子0,…,T子m)中的最大值確定,這樣可確保各子網(wǎng)輪詢完網(wǎng)內(nèi)全部成員。所以,如果某個(gè)子網(wǎng)的 T子l值很大,其它子網(wǎng)很快輪詢完,該子網(wǎng)還在工作,將造成網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。為此,這里給出:

假定二 各子網(wǎng)輪詢周期相近或相差較小。

我感到一股熱血呼呼地沖上了頭頂，把我的頭脹得大了一圈兒。里面山呼海嘯巨浪滔天。我覺得自己應(yīng)該毫不猶豫地沖過去，啪啪啪啪，朝李老黑的臉上一陣耳刮子，把那張黑臉揍個(gè)七歪八扭皮開肉綻。或者飛起一腳把李老黑踹倒，再撲過去一頓拳打腳踢，乒乒乓乓，然后在李老黑痛苦的呻吟聲里揚(yáng)長(zhǎng)而去。

由此得到分配給子網(wǎng)的工作時(shí)間 Δ t2為:

在實(shí)際組網(wǎng)運(yùn)用中,如果個(gè)別子網(wǎng)成員較多,輪詢周期(每個(gè)成員只呼叫一次)與其他子網(wǎng)相比過長(zhǎng),可以將這樣的子網(wǎng)拆分成幾個(gè)子網(wǎng),使其滿足第二條假設(shè)的要求。

如果給出子網(wǎng)內(nèi)各成員所傳送的消息量及成員數(shù),就可計(jì)算出 T子lp值,從而得到 Δ t2。以 Link-11為例,其計(jì)算公式如下[4]:

式中bp為子網(wǎng)工作時(shí),成員p發(fā)送消息的總幀數(shù),Rbp為發(fā)送消息的速率,常設(shè)定為75幀/s。

式中Δ t1表示子網(wǎng)暫停時(shí)間,該時(shí)間用于主網(wǎng)輪詢次主站。

5)主網(wǎng)成員輪詢表[4]。分析完子網(wǎng)并設(shè)定虛擬從站后,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分析就回到了主網(wǎng)并參考單網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行。假定成員(此時(shí)指主/次主站及虛擬從站)i(i=0,1,…,m+1,其中 i=m+1對(duì)應(yīng)為虛擬從站)的輪詢時(shí)隙為 Ti,且在一個(gè)輪詢周期內(nèi)每個(gè)成員被呼叫ki次,則主網(wǎng)輪詢周期T為:

圖3 輪詢多網(wǎng)簡(jiǎn)化為輪詢單網(wǎng)示意圖

若每個(gè)成員的呼叫時(shí)限用 τi表示,且τij(j=1,2,…,n)為成員i傳送j類消息的響應(yīng)時(shí)間,則有:

取ki的全部初始值為 1,將式(7)、(8)迭代計(jì)算。若τi≥T,則在一個(gè)輪詢周期內(nèi),成員 i被呼叫ki次不變,否則,應(yīng)增加一次呼叫,即ki→ki+1,最后得到網(wǎng)絡(luò)的輪詢周期及各成員在一個(gè)周期內(nèi)的呼叫次數(shù)。根據(jù)輪詢次數(shù),可安排它們?cè)谝粋€(gè)輪詢周期內(nèi)的輪詢順序,得到輪詢表。

子網(wǎng)的呼叫時(shí)限Δ t1不能太小,否則就不能給主網(wǎng)留有較多的時(shí)間輪詢次主站,導(dǎo)致以上的計(jì)算結(jié)果不能收斂。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況,通過減少子網(wǎng)中的從站數(shù)量,或減少次主站數(shù)目等方式進(jìn)行調(diào)整,使其收斂。

4 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)示例

1)模型建立。這里以Link-11組建輪詢多網(wǎng)為例。假設(shè)主網(wǎng)中有1個(gè)主站和6個(gè)次主站,其中次主站1、次主站2和次主站3下分別設(shè)置3個(gè)、3個(gè)和4個(gè)完全相同的從站。另外,這簡(jiǎn)單起見,假定每個(gè)成員只傳輸3類消息,每次呼叫時(shí)發(fā)送的消息量及響應(yīng)時(shí)間等如表1所示(表中0/500表示該成員不發(fā)送該類消息。為了方便分析,將響應(yīng)時(shí)間設(shè)為500s)。

表1 各成員發(fā)送的戰(zhàn)術(shù)消息量/響應(yīng)時(shí)間

2)計(jì)算結(jié)果及分析。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)及上述分析理論,計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)輪詢周期為19.656s,各主/次主站及虛擬從站的輪詢時(shí)隙、呼叫時(shí)限和一個(gè)周期內(nèi)的呼叫次數(shù)如表2所示。呼叫時(shí)限小的成員在一個(gè)周期內(nèi)的呼叫次數(shù)多。根據(jù)各成員的呼叫次數(shù)安排呼叫順序,便可以實(shí)現(xiàn)各成員間消息的實(shí)時(shí)傳送。

表2 計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

論文在分析了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出利用網(wǎng)絡(luò)成員所傳送消息的響應(yīng)時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本要求,建立了輪詢多網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。在該理論中,通過分析計(jì)算子網(wǎng)的輪詢時(shí)間和子網(wǎng)兩次呼叫的間隔時(shí)間,將子網(wǎng)輪詢和等待的過程看作是主網(wǎng)對(duì)一個(gè)虛擬從站的輪詢,從而將輪詢多網(wǎng)問題轉(zhuǎn)變成輪詢單網(wǎng)問題,并繼承了輪詢單網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的優(yōu)點(diǎn):網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)利用率均得到提高。通過一個(gè)示例的計(jì)算表明,輪詢多網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論簡(jiǎn)單易行,可用于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)工作。

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