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-persistent) 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.
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) ,
i=o L s=i
О, если условие(-)невыполнено,
f w. к - s + г Л”г
---------- , есливыполненоусловие (•),
Dv) = W ■ к )
Среднее количество слотов, выбираемых в случае успешной и неудачной передачи,
•max , ,
S п1 • Аш*® (и) /=0
&=1 1 - Лоп(И)
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
Сегмент с приоритетами < і,з 0,4 0,2 2 пй и4 1 1
<2,0 0,4 16 пй и4 8 8
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.
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.
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
Сегмент с приоритетами 0,4 0,2 2(1, 1) 1,0 95,1 4,9
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.
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
Отставание канала Отставание канала
Система с приоритетами 04
Отставание канала Отставание канала
Система с приоритетами 02
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
Сегмент с приоритетами 0,4 2(1,1) 1,00 7,60 10,30
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 02, 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.
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
Сегмент с приоритетами 0,4 2(1, 1) 1,00 2,9 9,4 6,1
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.
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
Получено 05.09.2012