四、共享介质网络实时通信的调度

四、共享介质网络实时通信的调度 课程代码：021556 北京航空航天大学电子信息工程学院

引言 • 共享介质网络 • 总线网络 • 多用户控制 • 监听 • 局域网 • 附录：几种“历史上”的局域网（选讲）

引言共享介质网络与交换网络的访问控制策略的异同… • 访问策略 • 考虑数据链路层控制——主要在MAC子层 • 固定（集中式指令/响应型，离线（off-line）访问控制设计/资源分配） • 动态 • Access Arbitration process based • 访问权仲裁 • Transmission Control process based • 传送控制（持有时间控制）为了区别ISO OSI的传输层的“传输”，这里称“transmission”为“传送”

解释： • 共享介质LAN--MAC层访问分为两个过程 • Access Arbitration process 访问仲裁 • 多用户站点按照一定的规则竞争访问信道的权利 • Transmission Control process 传送控制 • 站点在取得介质的访问权后，以什么样的方式、占据通信资源多长的时间来组织传送简而言之： • AA: determines when a node can send a message over the channel • TC: determines how long a node can continue to send messages over the channel

总线网络MAC层访问控制的考虑 • “when”和“how long”都能成为资源分配的措施，但是 • 为了减少访问控制机制的开销，对于特定的实时LAN，其访问控制机制只基于“Access Arbitration”和“Transmission Control”两个过程之一设计，另外的一个过程被“短路”。

复杂/大规模网络的访问控制考虑 共享介质网络与交换网络的访问控制策略的异同… • 复杂的实时系统——实时性能控制剖面（profile） • RT-QoS: Admission Control / Server Level Control相结合（工程化的）系统综合的解决方案 QoS框架任务系统的集成工程师应用资源分配性能资源分配性能 “鸿沟” 弱化了的“鸿沟” 计算机调度算法的研发人员底层机制访问控制机制访问控制机制两部分内容被对象化、层次化、角色化，有助于抽象和系统的扩展参数映射检验验证

提纲 • 固定访问控制的总线网络 • 案例一、1553B总线的调度表 • 案例二、最小延迟抖动分配 • 访问权仲裁的调度方式 • 案例：CAN总线 • 持有时间控制的调度方式 • 案例：线性令牌传递总线（LTPB）（略）

引言固定访问控制的总线网络动态访问控制的总线网络访问权仲裁的调度方式持有时间控制的调度方式四、共享介质网络实时通信的调度 2013

固定访问控制的总线网络 以下案例为选讲： • 案例一、指令/响应型 MIL-STD-1553B（GJB-289A）总线 • 案例二、离线Timeline设计——最小延迟抖动分配

Case Study 固定式访问控制（指令/响应型）指令响应 e.g. 1553 • 1553总线：连接任务系统，HRT • 访问控制：集中控制，BC总线控制器，RT远程终端 • 会话：BCRT RTBC RTRT BC广播 RT广播全部由BC发起 • 资源分配与性能保证 • 消息的截止期限（deadline）：Di • （状态）消息的周期period：Pi • 延迟delay：di • 性能保证的目标：……

指令响应 e.g. 1553 • Di=Pi • di≤Di • 通信资源： • 传送开销：Ci • 带宽（时间）利用率：Ui= • 通信资源的分配：静态调度表 • BC上的“总线表” • 离线设计，离线设计验证

t C0 C1 PMIN t C0 C2 t C0 C1 t C0 C3 PMAX t C0 C1 t C0 C2 t C0 C1 t C0 指令响应 e.g. 1553 • 使各个周期任务的周期符合2的幂次 • 小周期、大周期

Case Study 最小延迟抖动分配[Dong 2000] • 例：TDMA固定时隙分配——最小延迟抖动分配 • 设：每条消息只用一个数据包，数据包的长度固定，且等于帧的长度 • 定义：周期任务的TDMA延迟抖动（jitter） • 设：主帧中划分为T个时隙，时间长度为H • 给定周期任务M，刷新周期为p • 则：每个主帧中，M要占用n =个时隙 • 集合S={S1, S2, …, , Sn}，Si表示消息在主帧中分配的位置 • 消息间距（相邻时隙的时间距离）：Lj=Sj- Sj-1（当j=1时， L=S1+T- Sn） • 有：

Case Study 最小延迟抖动分配 • 定义：周期任务的TDMA延迟抖动（续） • “抖动”定义：分配给某任务的所有相邻时隙的时间距离的变化 • 考虑所有的延迟抖动： • 抖动的“方差”：

Case Study 最小延迟抖动分配 • 分配过程： • 按优先级从高到低逐任务进行分配 • 分配问题等价转换为全连通图的最短路径问题 • 图 G ={v,e}，全连通形成凸多边形 • v节点集， e边集 • 节点集：所有空（未分配）的时隙，位置ti • （有向）边集的权重： • w(Eij) • 如 j>i， w(Eij)=(tj- ti -avg L)2 • 否则，w(Eij)=(tj- ti+T -avg L)2

Case Study 最小延迟抖动分配 • 算例： • T=6，空闲周期m=4，如图；任务需要的时隙数目n=3个， avg L= T / n =2 ——————主帧 —————— 6 已占用 2 已占用 4 5 6 已占用 2 已占用 V1 V2 V3 V4 0 V1 V2 4 0 1 1 4 9 0 4 1 V4 1 V3 4

Case Study 最小延迟抖动分配 • 算例（续）： • 求任务M的n个实例的抖动最小的调度方法等价于求n个顶点的封闭多边形回路，使之边上权重之和最小 • 权重矩阵

Case Study 最小延迟抖动分配 • 算例（续）： • min-plus代数结构 • min() -- “+” • “+” -- × • 零元 -- ∞ • 幺元 -- 0 • 矩阵的乘法（幂次）

P1 P2 P3 110 010 100 1 1 1 线或 Idle 1 _ 0 1 Idle Idle 0 _ _ 0 MAC层—访问仲裁 • 访问控制：优先级机制 • 固定优先级： e.g.硬件固定优先级

Case Study MAC层—访问仲裁 • CAN总线 • Control Area Network——ISO Intl. Std. 1.1898 • 早期的CAN：传输码速率1Mbit/s（500kbit/s） • 端到端长度不超过50m（100m） • 1 bit-time，所有节点有足够的时间侦听总线 • 线与wire-ANDed • 每个消息包都有唯一的ID • TX——流中每个消息包都以这个ID开始（开销） • RX——根据ID号决定是否接收 • 每个消息包数据长度1Byte-8Btype

CAN总线（续） • CSMA/CA • Carrier-Sense Multiple Access • Collision Avoidance 与 Collision Detection • 也有叫作 CSMA/BA • BA—— Bitwise Arbitration • 发送站点 • 听到空闲才开始传输数据包的ID号 • 同时侦听，如果自己传输“1”，而网络被拉低“0”，主动中断自身传输 • 有利于竞争的是具有最小ID的消息包

CAN总线（续） • 相当于信息包被分配固定优先级，ID号11-bit • 优先级足够多——2048 !?  • 不用担心有限优先级带来的可调度性损失 • 固定优先级调度方法可以确定消息流的可调度性 •  • 可以被抢占，但必须重传 • 不确定的延迟 • （或者说确定，但最坏情况很“坏”） • Why?——实时、安全关键性？合理地设计、严格地认证

Case Study MAC层—访问仲裁 • 又如：BAT（总线活动定时器）在初始化上电时的作用 BAT1 节点1 节点2 节点3 BAT4 节点4 如果设定：BAT1<BAT4 BATi=(PSAi+1)×(Ttp+Tsr+Tpd+Tba)

T2 T1 场景切换 MAC层—访问仲裁 • 访问控制：优先级机制（续） • e.g. Rate Monotonic Algorithm, RMA • 1973年，原为单处理器静态调度算法 • 周期最小的任务（消息）具有最高的优先级 • 抢占 preempt • 不可抢占——低优先权对高优先权的阻塞 • 将消息拆成小数据包，近似于可抢占 • trade-off: 拆包组包的开销与可调度性

4.2.2.2.3. MAC层--传送控制 • e.g. Timed Token Passing Bus • Linear 线型（总线型），LTPB • 类似：IEEE802.4，IEC/SC65C组织的Process Data Highway • LTPB的定义： • LTPB协议是一个限时令牌多优先级传输协议，网络上的节点共享一条广播式传输介质。当LTPB工作时，网络上的节点根据它们的物理地址编码的大小组成逻辑环路，令牌沿逻辑环路逐节点传输。环路上获得令牌的节点得到机会向其他节点发送消息。（框图） • 每个节点中令牌持有定时器THT限制了该节点能够使用的网络带宽(占用总线的时间)，节点中令牌旋转定时器TRT确定了消息紧要程度与网络“忙碌”状态的关系。（How? Why?） • 每个节点上的多级TRT，确定了消息的优先等级。

Case Study MAC层--传送控制 • e.g. Timed Token Passing Bus • Linear “线形”（总线型），LTPB • 类似：IEEE802.4，IEC/SC65C组织的Process Data Highway • SAE AS4074 • F-22战机上的任务系统总线（“宝石柱”计划HSDB/LTPB）

12 1 16 7 申请入环恢复入环 9 13 3 退环说明：这里的“优先权”是本地的优先权，节点间LTPB访问权的交接不存在竞争。 • LTPB的定义： • LTPB协议是一个限时令牌多优先级传输协议，网络上的节点共享一条广播式传输介质。当LTPB工作时，网络上的节点根据它们的物理地址编码的大小组成逻辑环路，令牌沿逻辑环路逐节点传输。环路上获得令牌的节点得到机会向其他节点发送消息。

LTPB的定义：（续） • 每个节点中令牌持有定时器THT限制了该节点能够使用的网络带宽(占用总线的时间)，节点中令牌旋转定时器TRT确定了消息紧要程度与网络“忙碌”状态的关系。（How? Why?） • 每个节点上的多级TRT，确定了消息的优先等级。

MAC层--传送控制 • 访问控制 • 硬件THT定时器，令牌到达的每轮被复位，是每轮最大可以“holding”信道的时间 • 硬件TRT定时器，每轮被复位注：复位（加载计数值，启动倒计数）注：两个计数器都不是循环计数器，启动停注：TRT是本地节点对令牌旋转一周所需时间的估计以TRT1为例：令牌到达 THT复位传送控制 THT=min[THT,TRT1当前的残值]; TRT1复位 N THT>0 ? Y 发送一个数据包注：如果数据包发送完，也会退出

MAC层--传送控制 • 多优先级：多个TRT，本地对令牌旋转时间的估计可以不同： • TRT初始值大：信道比较忙碌也能获得访问时间 • TRT初始值小：信道比较空闲才能获得访问时间，空闲的时候低优先级的数据才能得以发送 • 优先级高低 P0 P1  P2  P3 • TRT初始值大小 (无条件)TRT1 >TRT2 >TRT3 （框图见下页）

min[THT,TRT2] min[THT,TRT1] min[THT,TRT3] N N N THT>0 ? THT>0 ? THT>0 ? Y Y Y P2 P1 P3 例：多优先级令牌总线 LTPB：（本地）多优先级令牌到达 THT复位 N THT>0 ? Y 发送一个P0数据包令牌传递

MAC层--传送控制 • 资源分配与性能保证 • 有效带宽： • 何谓“有效”——使性能得到有效的保证 • 性能保证的要求——这里是Hard RT的时候… • Hard RT -- P0（极少量非常重要的消息）,P1 • 协议限制条件 • 到底令牌旋转一周最长需要多少时间（暂不考虑P0）：

MAC层--传送控制 • 协议限制条件（续） • 令牌传播的时延，以及协议处理的开销 • 可以认为TMR类似于一个“帧周期”，则： • P1级消息负载 • 消息传送时间: Ci • 消息的截止期限：Di，则：…

MAC层--传送控制 • 考虑Hard RT的实时性能保证： • 在Di时间内，最坏条件下，至少可以有多少时间用来传送P1级消息 • 则，为了保证Hard RT： • 则各节点THT的设置为：…，称为“负载匹配式”带宽分配方法 • 注意：正常情况下Di>TMR

MAC层--传送控制 • THT设置方法（续） • 更细致地考虑，每个消息的Pi有可能小于Di • 定义：消息流负载率Ui • 改进的公式：

MAC层--传送控制 • 其它“不成功的”带宽分配方法 • 耗尽方式 THTi=Ci • 轮询方式 • 无法进行实时性、可调度性分析

MAC层--传送控制 • 最坏条件下的性能保证： • 由于作的是Worst Case的假设， “负载匹配方式”下分配可以保证Hard RT • 最坏条件下的可达负载率WCAU的研究

证明：负载匹配带宽分配方法是保证任务硬实时条件的充要条件证明：负载匹配带宽分配方法是保证任务硬实时条件的充要条件 • [熊华钢 1999] • 条件与假设 • 协议限制条件 • 时间延迟限制条件 • 任意时间间隔t，节点i发送消息的最小时间量Xi(t)

证明 • 如果对消息集M，根据负载匹配方法分配“带宽”，则满足各个周期任务的实时性条件 [熊华钢 1999]引理3.1 证明：对于截止期限Di 由

证明：最坏情况下的可达负载率 • 先要证明引理——与协议限制条件连锁的消息集的负载率不等式 • [熊华钢 1999]引理3.2 • 如果按照负载匹配方法分配网络带宽，则如果消息集负载率满足：则：

证明思路 • 先需证明 • 可知： • 是Di的“非降”*函数，且Di≥Dmin则可证。 • 设Di是使最小的取值**，结合题设和上面的不等式，有

（续） • 整理 • 由于由假设： • 则不等式成立—— • 即：，满足协议约束条件，得证。

证明：最坏情况下的可达负载率 • [熊华钢 1999]定理3.2 • 如果按照负载匹配的方法设置LTPB的THTi定时器，则最坏情况下网络的可达负载率为： • 推论：当设TMR=Dmin（或者Dmin比TMR大很多），且TMR>>θ时，the WC Reachable Schedulability Utility ≈ 50%

证明 • 已知当 • 协议限制条件成立 • 按照“负载匹配”方式分配满足任务的消息传递实时性条件 • 反证法（构造反例） • 对于任意实数ε，0< ε <1，至少存在一种消息集的网络负载率使得不满足协议限制条件

证明（续） • 对于给定的参数，假设 • 可知 • 构造任务集 D1=Dmin，P1=Dmin，C1= ε’ Dmin D2=(α+1-ε’)TMR，P2= D2，

证明（续） • 则有

证明（续） • 负载匹配分配 • 违例！中间过程

MAC层--传送控制案例——LTPB总线网络的优点 • Timed Passing Token机制的优点（与“访问仲裁”相比 • 机制直接与时间参数挂钩，而不是通过“优先级”映射，便于资源分配和实时性能保证的检验 • 资源分配可以细化到消息，与应用相联系，而不是局限于特殊的站点 • 完全分布式的信道情况估计——通过硬件计时器

四、共享介质网络 实时通信的调度