主从模式下通信协议策略及优化算法研究

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应用层协议是否都高效实时的问题。针对于此，本文通过分析无效数据流产生的原因，建立点对点主从通信延时的协议性能描述模型，抽象描述块、离散、混合协议及其优化策略，并通过实验对比分析各协议策略的通信性能，阐明各自优缺点及其适用情况。
１主从通信中的无效数据流
常用主从通信应用层协议：Ｍｏｄｂｕｓ、Ｍｅｍｏｂｕｓ、ＰＰＩ、ＦＸ、ＨｏｓｔＬｉｎｋ等一般包含如图１所示结构的协议数据单元（ＰＤＵ），一次会话只具有读写一块连续内存地址区的能力，而主设备通信应用层要求读写从设备内存地址分布是随机的，造成这些协议有无法避免的缺陷。基于如图１块状存取的ＰＤＵ，常用组态软件惯用做法是读写每帧包含最大的内存地址数的贪心策略，从而对给定的通信地址集合，所用通信帧数最少。但是，当读／写内存地址分布离散时，块状存取贪心策略ＢＡＧＰ（ＢｌｏｃｋＡｃｃｅｓｓＧｒｅｅｄｙＰｏｌｉｃｙ）并无优势，且往往导致读写无效的内存地址值，如ＣＡＳＳ＿１。
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨａｎｇｚｈｏｕＤｉａｎｚｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
ｋ＝Ｋ
（３）（４）（５）
定义４加括号子序列划分ＢＳＰ（ＢｒａｃｋｅｔＳｕｂｓｅｑｕｅｎｃｅＰａｒｔｉｔｉｏｎ）。设序列ａｄｄｒｓ＝（ａ，ａ， …，ａ），元素ａ－１，ｉ之１２ｎｉ在位置ｉ间，在位置ｉ＝１，２， …，ｎ－１处加Ｋ－１个“）（” ，形成Ｋ个子序列，称序列的加括号子序列划分。定义５块协议ＢＰ（Ｂｌｏｃｋｐｒｏｔｏｃｏｌ）。一次会话只能对从机内存中的某一块连续地址区域读写，在主帧中蕴含读写起始地址ＳｔａｒｔＡｄｄｒ，区域长度Ｂｌｅｎ，一次最多读写ＢＳ个地址，则ＢＰ可ｆｉｘ描述为三元组：ＢＰ＝｛ＳｔａｒｔＡｄｄｒ，Ｂｌｅｎ，ＢＳ｝。ｆｉｘ定义６离散协议ＤＰ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅｐｒｏｔｏｃｏｌ）。一次会话能对从机内存中多个离散地址读写，在帧中蕴含各离散地址或与其对应的数据。记地址集ＤＡｄｄｒｓ，数据集Ｄｄａｔａ，一次最多读写ＤＳｆｉｘ个地址。则ＤＰ描述为三元组：ＤＰ＝｛ＤＡｄｄｒｓ，Ｄｄａｔａ，ＤＳ｝。ｆｉｘ定义７通信任务ＣＴ（ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＴａｓｋ）。设主（Ｍａｓｔｅｒ）、从（Ｓｌａｖｅｒ）对象通过信道Ｃ连接，采用应用层协议Ｐ ∈ ｍｓ｛ＢＰ，ＤＰ｝，底层协议栈ＰＳ通信，其中Ｍａｓｔｅｒ、Ｓｌａｖｅｒ、Ｃ的主频ｍｓ分别为：ＦＦ、Ｆ。不妨设Ｍａｓｔｅｒ要求读写Ｓｌａｖｅｒ内存地址Ａｄｍ、ｓｃｄｒｓ＝｛Ａ，Ａ， …，Ａ｝处数据，则ＣＴ可描述为六元组：ＣＴ＝｛Ｆ１２ｎｍ，Ｆ，Ｆ，Ｐ，ＰＳ，Ａｄｄｒｓ｝。ｓｃ定义８通信会话时延（Ｔ。Ｍａｓｔｅｒ和Ｓｌａｖｅｒ间一次来回ｍ）请求回答读写内存地址的时间，由协议延迟Ｐ传输延迟Ｃｍ、ｍ和Ｓｌａｖｅｒ处理延迟Ｓ即ＴＰＣＳ如图３所示。ｍ组成，ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ，
收稿日期：２０１０－１１－０８。严义，教授，主研领域：计算机控制与智能化技术。
２４２
计算机应用与软件
２０１２年
设实例ＣＡＳＳ＿１，要读取从设备内存地址Ａｄｄｒｅｓｓ＝｛４－６，２０－２２，３４，３６－４８，７４，８０－８３，９２，１０４－１１２，１３４，１５４，１７０，２０４，２１８－２２０，２３６－２３８，２７６－２７８｝处的值，其应用的块状存取ＰＤＵ最大能容纳３２个地址。ＢＡＧＰ通信帧时序如图２所示，地址集合Ａｄｄｒｅｓｓ被分为８个子集分别组帧读，第１、３、４帧读取了较多的无用内存地址值，而第２、５、７、８帧读取有用内存地址数极少，却都需一次会话，且ＢＡＧＰ并不是最优策略，若将第１帧中的３４地址放入第二帧读，则通信帧数不变，而无用内存地址数将减少１０个。通过以上分析，得三点结论：（１）常用组态软件的ＢＡＧＰ不是最优的。（２）具有块状存取ＰＤＵ的传统主从协议在读写过于离散内存地址分布时低效。（３）主从通信过程中无效数据有两种：如ＳｌａｖｅＡｄｄｒｅｓｓ、Ｅｒｒｏｒ ① 协议帧中固有通信数据，Ｃｈｅｃｋｉｎｇ等。② 无效读写内存地址通信数据。
定义３无交叉子集分段划分ＵＳＳＰ（Ｕｎｃｒｏｓｓｓｕｂｓｅｔｓｅｃｔｉｏｎａｌｐａｒｔｉｔｉｏｎ）。集合Ａｄｄｒｓ＝｛Ａ，Ａ， …，Ａ｝划分为Ｋ个子集：ｓｕｂ１２ｎＡｄｄｒｓ，ｓｕｂＡｄｄｒｓ， …，ｓｕｂＡｄｄｒ，且满足式（３）－式（５），则称对１２ＫＡｄｄｒｓ的子集划分为无交叉子集分段划分。ｕｂＡｄｄｒｄｄｒｓ ∪ ｋ＝１ｓｋ＝ＡｓｕｂＡｄｄｒｉ，ｊｕｂＡｄｄｒｉ ≠ｊ ≤Ｋ ∩ｓｉｊ＝ＡＡ或ＡＡｉｉ，ｊ ≠ｊ ≤Ｋｉｍａｘ＜ｊｍｉｎｊｍａｘ＜ｉｍｉｎ
０引言
主从模式通信大量应用在工业控制系统中，尤其在ＰＬＣ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、ＤＣＳ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ）等工业现场设备中，主设备实时读取或写入从设备内存量，监控、协调各工业仪器设备运行。而控制功能的日益繁杂和控制对象的增多，使读写数据量剧增，导致通信效率低下无法满足系统要求。针对该问题，一方面增强通信模块硬件配置，如从ＲＳ２３２到ＲＳ４８５、再到ｒｅａｌｔｉｍｅＥｔｈｅｒｎｅｔ等，文献［１，２］分析测量了配置不同通信硬件模块ＰＬＣ通信系统的实时性。另一方面优化通信机制，文献［３，４］提出了基于ＣＡＮ总线实现的远程ＩＯ模块中断代替主机轮询的通信软硬件架构，文献［５］用分层的网络拓扑结构代替总线式的，来优化一主与多从机间的通信速度，文献［６，７］根据Ｍｅｍｏｂｕｓ、Ｍｏｄｂｕｓ协议可地址块组帧特点，分别提出地址块组合判据规则和逻辑地址映射、物理地址重分配的静态主动优化方法来减少数据传输量提高通信效率。加强通信硬件模块配置，必需加大投资，并会产生新旧通信模块间的兼容性问题，而从软件模块层面优化具有经济、简单等优点。文献［６，７］并未求解到可地址块组帧协议的最优地址组
第２９卷第１期２０１２年１月
计算机应用与软件ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ
Ｖｏｌ２９Ｎｏ．１１２Ｊａｎ．２０
主从模式下通信协议策略及优化算法研究
严义孔志泉
（杭州电子科技大学计算机学院浙江杭州３１００１８）
摘要针对主从通信数据流冗余、实时性差问题，分析传统通信协议特点，提出块、离散、混合三种协议策略。通过建立地址集合通信延迟协议性能描述模型，分别证明动态规划、贪心算法求解块、离散策略最优地址组帧解的完备性，并用二元任务分优先级的通信架构解决了遗传算法在求解混合协议时实时性差的瓶颈。通过实验，分析三种策略随读写内存地址分布的适用情况，表明混合协议策略具普适性。关键词主从通信协议策略优化算法遗传算法中图分类号ＴＰ３０１文献标识码Ａ
ＳＴＵＤＹＯＮＭＡＳＴＥＲＳＬＡＶＥＭＯＤＥＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＰＲＯＴＯＣＯＬＳＴＲＡＴＥＧＩＥＳＡＮＤＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮＡＬＧＯＲＩＴＨＭＳ
ＹａｎＹｉＫｏｎｇＺｈｉｑｕａｎ
Hale Waihona Puke Baidu
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｍａｓｔｅｒｓｌａｖｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｒｅｄｕｎｄａｎｔｄａｔａｓｔｒｅａｍｉｎｇａｎｄｐｏｏｒｔｉｍｅｌｉｎｅｓｓ，ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，ｔｈｒｅｅｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｂｌｏｃｋｙ，ｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅａｎｄｔｈｅｍｉｘｅｄ，ａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇａｎａｄｄｒｅｓｓｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｅｌａｙｐｒｏｔｏｃｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｎｅｓｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｐｌａｎｎｉｎｇ，ｇｒｅｅｄｙａｌｇｏｒｉｔｈｍｒｅｓｏｌｖｉｎｇｂｌｏｃｋａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｓｔｒａｔｅｇｙｏｐｔｉｍａｌａｄｄｒｅｓｓｇｒｏｕｐｆｒａｍｅｓｏｌｖｉｎｇｉｓｓｅｐａｒａｔｅｌｙｖａｌｉｄａｔｅｄ，ｂｕｔａｌｓｏｔｈｅｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｏｆｐｏｏｒｔｉｍｅｌｉｎｅｓｓｉｎｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｍｉｘｅｄｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｒｅｍｅｄｉｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｄｕａｌｔａｓｋｓｐｒｉｏｒｉｔｉｚｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅａｄｗｒｉｔｅｍｅｍｏｒｙａｄｄｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｓｏｔｈａｔｉｔｉｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｉｘｅｄｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｕｎｉｖｅｒｓａｌｌｙａｐｐｌｉｃａｂｌｅ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＭａｓｔｅｒｓｌａｖｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌｓｔｒａｔｅｇｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ帧解，也未回答在读写各内存地址分布时，Ｍｏｄｂｕｓ、Ｍｅｍｏｂｕｓ等