CC BY
31
УДК 65.011.56:004.75
С.А. Даденков, Е.Л. Кон
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ОЦЕНКА И АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ LONWORKS-СЕТИ НА ОСНОВЕ PREDICTIVE P-PERSISTENT CSMA-ПРОТОКОЛД
Решается задача оценки и анализа производительности Lon-cemu, содержащей узлы различных уровней приоритета. Представлены аналитические соотношения для расчёта основных характеристик производительности. Выполнены количественная оценка и анализ производительность сегмента Lon-cemu. Сделан вывод о целесообразности использования приоритетов в LonWorks.
LonWorks - одна из ведущих технологий построения распределённых информационно-управляющих систем (РИУС). Наиболее широкое распространение технология получила в области автоматизации зданий и технологических процессов промышленных предприятий.
LonWorks является системой реального времени, поэтому одной из её основных характеристик является производительность. Сложность оценки производительности Lon-сети связана с множеством факторов и параметров, которые требуют учёта в моделях сетей. Основными факторами, оказывающими влияние на производительность Lon-сети, являются задержки прикладного уровня LonTalk, связанные с циклической проверкой условий наступления событий и выполнением инструкций программы, задержки канального уровня LonTalk, связанные с конкуренцией узлов за канал, межпроцессорные задержки, связанные с получением доступа к определённому процессору, общая загруженность сети и другие параметры, связанные с ограничениями на передачу сообщений. Анализ публикаций, посвящённых анализу производительности LonWorks, выявил, что одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на производительность сети, является алгоритм множественного доступа к среде передачи прогнозирующего псевдопостоянного (predictive p-persis-
tent) CSMA-протокола. Этот факт обусловлен тем, что уровень доступа определяет результирующую производительность сети в случае низких скоростей передачи и длинных пакетов и требует учёта в случае высоких скоростей передачи и коротких пакетов, когда производительность сети в значительной мере определяется быстродействием Neuron Chip [1, 2]. Сложность оценки производительности Lon-сети на основе уровня доступа к среде обусловлена множеством параметров, требующих учёта в моделях сетей: интенсивностью формирования и обслуживания сообщений узлами сети, неоднородностью потока с различными типами и размерами сообщений, различными уровнями приоритетов, параметрами алгоритма доступа к среде и другими. В известных работах [3, 4] решается задача оценки производительности без учёта приоритетов в сети. Данная работа направлена на решение задачи оценки и анализа производительности сегмента Lon-сети с приоритетами, что позволит учитывать в моделях сетей трафик различного приоритета - телеуправления (ТУ), телесегнализа-ции (ТС), телеизмерения (ТИ), передачи данных (ПД) и, как следствие, получить более точные результаты моделирования.
1. Исходные данные для анализа производительности сети
В данной работе для оценки и анализа производительности сети используются аналитические выражения, полученные в работе «Исследование производительности алгоритма доступа к среде predictive p-persistent CSMA-протокола». Основные формулы, используемые в работе, представлены ниже.
Вероятность коллизии в системе определяется формулой:
^max W 'к ,,, , ,
Аои (л) = 1 - X Л/ -X in) ,
(1)
i=o L s=i
где
(2)
1, если выполненоусловие (•),
О, если условие(-)невыполнено,
(3)
f w. к - s + г Л”г
---------- , есливыполненоусловие (•),
Dv) = W ■ к )
1, если условие (•) невыполнено.
Среднее количество слотов, выбираемых в случае успешной и неудачной передачи,
S'
W-к
•max , ,
S п1 • Аш*® (и) /=0
'=1 1 - Лоп(И)
(5)
S-1
г-i/ ¥ лХ
= Х(^г Г • (6)
s=i^ W ■ к )
Средняя продолжительность пакетного цикла х = Pi + Кон (и)(п) + <исс (и)Аш* (и) - ЧР2 + PktLength$3. (7)
Среднее время задержки доступа к каналу
^mean = - • £ —г---PktLength$3. (8)
П 1"° Рsucc(l)
Исходные данные для вычисления представленных параметров производительности:
- данные протокола:
• pi, р2, Рз - временные интервалы,
• W- ширина базового состязательного окна (СО),
• к = BL - уровень отставания (backlog) в сети;
- данные сегмента сети;
• п,щ- количество активных узлов в сети и количество активных узлов с приоритетом /,
• /шах - максимальное количество приоритетных слотов в системе,
• PktLength - длина пакета в битах.
Все указанные исходные данные на протяжении времени функционирования сегмента сети носят неизменный характер, за исключением количества активных узлов, конкурирующих за канал, и параметра отставания канала. Поэтому для выполнения оценки и анализа производительности необходимо рассматривать устойчивое состояние сети со средним количеством активных узлов в сети и средней величиной отставания. Для нахождения устойчивого состояния системы применяется аналитическая модель изменения величины отставания канала в сети с постоянным средним количеством активных узлов, представленная в работе [3].
Система ограничений используемой модели основана на следующих основных положениях:
- сеть состоит из одного сегмента и содержит в среднем п активных узлов-соперников за канал, сеть находится в насыщенном состоянии, то есть предполагается, что канал всё время занят передачей и не содержит свободных пакетных циклов;
- тип сообщений - одноадресный (unicast), адреса назначения передаваемых сообщений равномерно распределены между узлами сети,
- тип сервиса обмена сообщениями - с подтверждением (acknowledgement);
- канал бесшумен, то есть физический уровень не вводит несогласованность в подсчёт отставаний и все приёмопередатчики сети способны обнаружить коллизии.
В рамках используемой модели зададимся исходными данными, и выполним моделирование для расчёта отставания канала при конкретной нагрузке на систему. Рассмотрим сегменты сети двух типов -с приоритетами и без приоритетов. Сеть LonWorks является событийно-ориентированной, это означает, что в такой сети нет постоянной конкуренции большого числа узлов. По этой причине в работе исследуются сегменты сети со средним количеством узлов п, равным 2 и 16. Для этого количества узлов и представленной системы ограничений с помощью модели [3] получены значения отставания. Исходные данные для детального анализа производительности исследуемых сегментов сети представлены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные для анализа производительности сегмента сети
Наименование Pi P2 Рз W к 1 П (И/) PktLength (бит)
(мкс)
Сегмент без приоритетов 868 168 12.8 16 1,3 0 2 96
2,0 16
Сегмент с приоритетами < і,з 0,4 0,2 2 пй и4 1 1
<2,0 0,4 16 пй и4 8 8
0,2 «0 «2 4 12
Среда передачи Twisted pair (TP/FT-10) ANSI/CEA-709.3
Выбранные исходные данные позволяют исследовать влияние использования механизма приоритезации на производительность сегмента сети при различной степени загруженности канала.
2. Анализ производительности сегмента сети LonWorks
Представленные в работе аналитические соотношения громоздки и имеют высокий уровень вычислительной сложности. Поэтому для выполнения полноценной оценки и анализа производительности сегмента сети разработана и использована программа в среде математического моделирования зсИаЬ.
Для выполнения оценки производительности исследуемых сегментов сети необходимо произвести расчёт и сравнительный анализ следующих показателей производительности:
- вероятность успешной/неудачной передачи;
- среднее количество слотов при успешной/неудачной передаче;
- средняя задержка доступа к каналу.
2.1. Вероятность успешной/неудачной передачи
Произведём оценку вероятности коллизии для исследуемых систем. Проиллюстрируем характер изменения вероятности коллизии в зависимости от величины отставания канала на рис. 1 и сведём полученные результаты в табл. 2.
Отставание канала
non priority
priority 0-:':4 priority О:':!1
Рис. 1. График изменения вероятности коллизии: а-и = 2;б-и=16
Таблица 2
Результаты вычисления вероятности коллизии и отставания канала
Наименование РгБШя п (и,) к (ВЦ Рбисс, РсОІ1, %
Сегмент без приоритетов 0 2 1,3 95,1 4,9
16 2,0 77,1 22,9
Сегмент с приоритетами 0,4 0,2 2(1, 1) 1,0 95,1 4,9
1,16
16 (8, 8) 1,2 77,1 22,9
16(4, 12) 1,6
Анализ характера изменения вероятности коллизии позволяет сделать следующие основные выводы:
- уменьшение вероятности коллизии с ростом числа параметра к (ВЬ) при постоянном количестве активных узлов в сети обусловлено значительным уменьшением вероятности выбора узлами одинаковых номеров слотов при ширине состязательного окна (Ж-к). Для систем с приоритетами вероятность выбора слотов с одинаковыми номерами смещается в сторону слотов с большими номерами, поэтому вероятность коллизии в системе ниже, чем в системе без приоритетов, при одинаковой ширине СО. Влияние приоритетов в системе с ростом ширины состязательного окна снижается;
- в работе [3] показано, что изменение уровня отставания канала происходит при определённой частоте коллизий в сети. Уровень, до которого происходит изменение отставания канала, заложен разработчиками протокола доступа в алгоритм подсчёта отставаний, чувствителен к значению ширины базового состязательного окна и системе приоритетов. Очевидно, что если в системе без приоритетов устанавливается уровень отставания при определённой вероятности коллизий, то и для системы с приоритетами вероятность коллизий сохраняется при прочих равных условиях;
- при больших значениях отставания канала вероятность коллизии для систем остаётся практически неизменной малой величиной, что обусловлено малым числом конкурирующих за канал устройств при большой ширине состязательного окна.
2.2. Среднее количество слотов при успешной/неудачной передаче
Произведём расчёт и анализ среднего числа слотов в случае успешной/неудачной передачи для случая приоритетных и неприоритетных систем (рис. 2) и систематизируем полученные результаты в табл. 3.
Система без приоритетов
1-1--1----1---1---1----1---1----1---1----1--- 1 п-£---1---1---1---1----1---1---1----1---1---
1.32.00 2.89 3.78 4.67 5.56 6.44 7.33 8.22 9.1110.00 ' 2.00 2.89 3.78 4.67 5.56 6.44 7.33 8.22 9.1110.00
Отставание канала Отставание канала
Система с приоритетами 0&4
2.00 2.89 3.78 4.67 5.56 6.44 7.33 8.22 9.111 0.00 ' 1.202.00 2.89 3.78 4.67 5.56 6.44 7.33 8.22 9.111 0.00
Отставание канала Отставание канала
Система с приоритетами 0&2
Рис. 2. График изменения среднего количества слотов при передаче
Таблица 3
Среднее количество слотов при успешной/неудачной передаче
Наименование Рг81о1в П (И/) к(В1) ^исс (^исс) ^со11
Сегмент без приоритетов 0 2 1,30 7,60 10,80
16 2,00 2,39 2,54
Сегмент с приоритетами 0,4 2(1,1) 1,00 7,60 10,30
0,2 1,16 7,60 10,60
0,4 16(8, 8) 1,20 2,45 (2,30; 5,50) 2,62
0,2 16(4,12) 1,60 3,15 (2,35; 4,05) 3,37
Анализ полученных графиков:
- с ростом величины отставания линейно возрастает среднее число слотов, выбираемых при успешной/неудачной передаче, что обусловлено линейным изменением ширины состязательного окна (Ж-к);
- для систем с приоритетами характерно следующее: узлы с меньшим приоритетом имеют больший номер выигрышного слота при передаче. В случаях, когда высокоприоритетных узлов много, наблюдается ситуация, когда частота появления коллизий в системе выше, чем частота успешной передачи низкоприоритетных сообщений. Для системы 0&2, п= 16, которая характеризуется меньшей разницей между числом приоритетных и неприоритетных узлов, а также меньшим числом приоритетных узлов, наблюдается примерное равенство слотов успешной/неудачной передачи низкоприоритетных сообщений. Однако в установившемся состоянии системы частота коллизий всё ещё больше частоты успешной передачи низкоприоритетными узлами.
2.3. Средняя задержка доступа к каналу
Выполним оценку и анализ среднего времени задержки узла по доступу к каналу tmean по формуле (8). Из формулы очевидно, что характер изменения времени задержки при изменении отставания канала носит нелинейный характер, что обусловлено изменением среднего времени пакетного цикла т, а также среднего числа попыток ^ по доступу к каналу. Результат оценки среднего времени доступа к каналу представлен на рис. 3 и в табл. 4.
Система без приоритетов
Отставание канала
Отставание канала
Рис. 3. График зависимости времени задержки от величины отставания канала
Рис. 3. Окончание
Таблица 4
Результат оценки среднего времени задержки
Наименова- ние РгБШв п (и,) к(ВЬ) Ттеап (/=0), мс Ттеап (/=/тах), мс Ттеап, мс
Сегмент без приоритетов 0 2 1,30 4,7
16 2,00 45,5
Сегмент с приоритетами 0,4 2(1, 1) 1,00 2,9 9,4 6,1
0,2 1,16 3,6 6,3 5,0
0,4 16 (8, 8) 1,20 25,0 585,0 310,0
0,2 16(4,12) 1,60 22,0 76,0 63,0
Анализ полученных графиков:
- в системах с маленьким количесвом узлов соперников (п = 2) наблюдается практически линейный рост времени задержки
с увеличением величины отставания канала. Это соответствует формуле (8), потому что происходит рост величины пакетного цикла, а вероятность успешной передачи узлами сети возрастает незначительно;
- для систем с большой конкуренцией с ростом величины отставания при малых ВЬ и благодаря резкому снижению вероятности коллизии в системе наблюдается резкое снижение времени доступа к каналу. При больших ВЬ вероятность коллизии устанавливается практически неизменной и происходит дальнейший рост величины пакетного цикла, что приводит к росту величины задержки;
- в системах с приоритетами узлы с высшим уровнем приоритета характеризуются значительно большими вероятностями успешной передачи, поэтому обладают меньшей задержкой по доступу к каналу в сравнении с низкоприоритетными узлами. Меньшее значение среднего времени задержки узлов в целом по системе наблюдается в системах без приоритетов;
- для систем с большим количеством конкурентов за канал алгоритм доступа не позволяет выбрать оптимальное по производительности значение уровня отставания канала, что проюллистрировано на рис. 3 для систем с п = 16. Этот факт связан с тем, что при увеличении загрузки канала отставание канала равномерно изменяет ширину состязательного окна, тем самым выбирая оптимальную ширину только для систем с определённым числом активных узлов, и не может гарантировать оптимального уровня производительности для любого количества узлов-соперников в сети. Введение в протокол динамически изменяемого параметра ширины базового СО, а также изменение алгоритма подсчёта отставаний в сети не решат проблему выбора оптимального размера состязательного окна для всех типов нагрузок в сети.
2.4. Анализ полученных результатов
На основе выполненного анализа производительности можно сделать следующие выводы о целесообразности использования механизма приоритезации в сегментах Ьоп-сетей.
Использование приоритетов в ЬопШогкя приводит к значительному преимуществу во времени доступа приоритетных узлов, но при этом низкоприоритетные узлы характеризуются значительно большими задержками в системе. Кроме этого, использование приоритетов
в системе приводит к меньшему уровню вероятности коллизии в системе, однако, как показано на рис. 2, в системе с большим количеством приоритетных узлов и значительной разницей в уровнях приоритета частота успешных передач низкоприоритетными узлами гораздо ниже частоты коллизии. По этой причине принцип наделения узлов приоритетами в сети должен следовать строгим правилам, основными из которых являются: 1) суммарная интенсивность формирования приоритетных сообщений в сети должна быть гораздо ниже интенсивности низкоприоритетных сообщений; 2) высшая степень приоритета должна назначаться узлам сети с низшей интенсивностью формирования сообщений. Руководствуясь представленными рекомендациями, становится возможным повышение уровня производительности по передаче сообщений высокоприоритетными узлами сети практически без потери производительности низкоприоритетных узлов.
Заключение
В статье решена задача оценки производительности Lon-сети, содержащей узлы с различными уровнями приоритетов, в основу которой положен анализ прогнозирующего p-CSMA протокола. Представлены основные аналитические соотношения для определения характеристик производительности p-CSMA. Выполнена оценка следующих параметров производительности и построены соответствующие графики: отставание канала, вероятность успешной/неудачной передачи, средняя задержка доступа к каналу. Выполнен анализ полученных результатов и сделаны выводы о целесообразности применения приоритетов в Lon-сети.
Библиографический список
1. Тирш Ф. Введение в технологию LonWorks. - М.: Энерго-атомиздат, 2001.
2. LonTalk protocol specification, ANSI/CEA-709.1-B. United States: ISO/IEC JTC 1 SC 25, 2006.
3. Miskowicz Marek. Analysis of Mean Access Delay in Variable-Window CSMA // Sensors. - Krakow, Poland: MDPI, 2007.
4. Moshe Kam. Collision Resolution Simulation for Distributed Control Architectures using LonWorks // IEEE International Conference on Automation Science and Engineering. - Edmonton, Canada: IEEE, 2005.
Получено 05.09.2012
