（计算机软件与理论专业论文）ieee+80211无线通讯协议的建模与性能分析.pdf

摘要无线局域网( w l a n ) 由于具有安装便捷、使用灵活及易于扩展等优点，逐渐在变动频繁以及不便布线的环境中成为最佳的网络部署方案，广泛应用于学校、机场及流动办公等场合。而性能良好的无线通讯协议是w l a n 的基础，i e e e8 0 2 1 1 系列协议，尤其是i e e e8 0 2 1 1 b ，由于其带宽高、频段通用等突出的优势已成为w l a n 无线通讯协议的主流。由于无线信道的带宽资源非常有限，如何对无线通讯协议的性能进行有效分析，以便对协议进行改进以提高其性能，是无线网络研究领域中的一个热点。前人针对i e e e8 0 2 1 1 协议做了大量研究工作，尤其集中在对协议中d c f机制的性能分析与改进，但是大多数研究只是针对某一方面展开，缺乏系统性。另一方面，研究中所采用的场景以a dh o e 网络为主，对带有基础设施的网络下协议性能分析较少。本文采用建模仿真的方法，对a dh o e 模式和带有a p 的w l a n 两种场景下的i e e e8 0 2 1 l 协议性能进行了全面系统的分析。以p o o s l语言作为建模工具，基于软硬件工程( s o f t w a r e h a r d w a r ee n g i n e e r i n g ，s h e ) 方法建立了i e e e8 0 2 1 1 协议的性能抽象模型。在建模过程中，使用8 0 2 1 l bl l m b p s的信道容量，重点解决了无线信道的仿真等难点问题，准确模拟了d c f 的两种工作方式( 基本方式和r t s c t s ) 。并从行为验证和理论值验证两方面验证了模型的正确性，通过模型的模拟执行，分析了相关参数( 站点个数、竞争窗口大小、帧的长度) 对协议性能指标( 有效吞吐量、平均延时、发送碰撞概率和带有基础设施网络中上下行吞吐量公平性) 的影响，并得出了不同站点下使系统有效吞吐量达到最大的竞争窗口的最佳取值。本文的模型可以直接应用于支持i e e e8 0 2 儿无线通讯的嵌入式系统模型中，从而在系统设计早期，通过分析相关的性能指标，得到合适的设计方案，能够节约开发时间，降低成本。因此本文的工作对无线通讯类嵌入式系统的设计开发也有重要的参考意义。关键词i e e e8 0 2 1 l ；性能分析；p o o s l 建模；嵌入式系统设计方法a b s t r a c tw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) h a sg r a d u a l l yb e c o m et h eb e s tn e t w o r kd e p l o y m e n tp l a ni nt h ec h a n g i n gf r e q u e n t l ya n dc a b l i n gi n c o n v e n i e n t l ye n v i r o n m e n t s ，嬲i t sa d v a n t a g e so fi n s t a l l i n ge a s i l y , u s i n gf l e x i b l ya n de x p a n d i n ge a s i l y i ti sw i d e l yu s e di ns c h o o l s ，a i r p o r t s ，m o b i l eo f f i c ea n ds oo n aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fg o o dp e r f o r m a n c ei st h eb a s i so fw l a n t h e r e f o r e ，i e e e8 0 2 1l b ，o n eo fi e e e8 0 2 11s e r i e sp r o t o c o l s ，w i t hh i g hb a n d w i d t ha n dc o m m o nf r e q u e n c yb a n d ，h a sb e c o m et h em a i n s t r e a mi nw l a nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a sw i r e l e s sc h a n n e li sd y n a m i ca n dc h a n g e a b l e ，h o wt oa n a l y z e - t h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o le f f e c t i v e l ya n di no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fi e e e8 0 2 11h a sb e c o m eah o ts p o ti nt h ef i e l do fw i r e l e s sn e t w o r kr e s e a r c h a1 0 to fr e s e a r c h e so ni e e e8 0 2 ，1 1h a db e e nd o n e p a r t i c u l a r l yo nt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to fd c fm e c h a n i s m h o w e v e lm o s to ft h es t u d i e sw e r eo n l yo ns o m ea s p e c ta n dl a c k e do fs y s t e m i c o nt h eo t h e rh a n d ，t h es c e n a r i o si np r e v i o u s s t u d i e sw e r em o s t l yi na dh o en e t w o r ko n l yf e wi nt h en e t w o r kw i t hi n f r a s t r u c t u r e t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ei e e e8 0 2 11c o m p l e t e l ya n ds y s t e m a t i c a l l yi nb o t h a dh o cn e t w o r ka n dw l a nw i t l la pb ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gm e t h o d ap e r f o r m a n c ea b s t r a c tm o d e lo fi e e e8 0 2 11w a sc r e a t e db yu s i n gp o o s la n dt h es o f t w a r e h a r d w a r ee n g i n e e r i n g ( s h e ) m e t h o d t h em o d e lu s e d8 0 2 1l b1i m b p sc h a n n e lc a p a c i t yi no r d e rt os o l v es e v e r a ld i f f i c u l tp r o b l e m ss u c ha st h es i m u l a t i o no fw i r e l e s sc h a n n e la n ds i m u l a t ea c c u r a t e l yt w ok i n d s ( b a s i ca n dr t s c t s ) o fd c fa c c e s s i n gm e t h o d t h i sp a p e ra l s o v e r i f i e dt h em o d e lb yb o t ha c t i o n v e r i f i c a t i o na n dt h e o r e t i c a lv e r i f i c a t i o n b ys i m u l a t i n g ，t h ee f f e c t so fr e l a t e dp a r a m e t e r s ( t h en u m b e ro fs t a s ，c w m i n ，f x a l n es i z e ) o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o c o l( v a l i dt h r o u g h p u t ，a v e r a g ed e l a y , s e n dc o l l i s i o nr a t ea n dt h ef a i m e s so fu p l o a da n dd o w n l o a dt h r o u g h p u t ) w e r ea n a l y z e da n dg o tt h eo p t i m i s tv a l u e so f t h ec w m i n t h em o d e lo ft h i sp a p e rc a nb ea p p l i e dd i r e c t l yi nt h ee m b e d d e ds y s t e m sm o d e l sw h i c hs u p p o r ti e e e8 0 2 1 1 ，s ot h a tt h ed e v e l o p m e n tt i m e sc a nb es a v e da n dc o s t sc a ni i i 北京丁业大学工学硕j 学位论文b el o w e r e d ，a sd e s i g n e r sc a ng e ts u i t a b l ed e s i g nb ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sd u r i n gt h ee a r l yp e r i o di nt h es y s t e md e s i g n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ra l s oh a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ei ne m b e d d e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n t k e y w o r d si e e e8 0 2 1i ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；p o o s lm o d e l i n g ；d e s i g nm e t h o df o re m b e d d e ds y s t e mi v 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：王三丝i 星日期：坐关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：圣盗5 垒导师签名1 1 引言第1 章绪论近年来，计算机网络的迅猛发展与局域网技术的发展密不可分，随着应用的普及，有线局域网的弊端逐渐暴露出来，即布线繁琐、不支持终端移动等。因此，无线网络技术应运而生，尤其是基于i e e e8 0 2 1 i l 的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 技术发展非常迅速，在很多场合，如宾馆、学校、医院、大型商场、展厅等已经得到广泛的应用。与有线相比，无线局域网有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点，因此有广阔的应用前景。当今，8 0 2 ，1 1 b 【2 1对8 0 2 1 1 的物理层协议进行了高速的扩展，大大增加了无线信道的容量，逐渐成为应用的主流。由于w l a n 的灵活便利性，成为未来网络的发展方向，各式各样的移动终端( 如手持终端、p d a ( p e r s o n a ld a t aa s s i s t a n t ) 、智能手机等) 随着w l a n 的普及也迅速产生，这类设备的特点是便携小巧，且大都属于嵌入式设备。无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 是实现w l a n 移动功能的关键嵌入式设备，它在w l a n 中为移动终端提供接入i n t e m e t 和管理移动终端的服务p 】。无线通讯模块是w l a n 设备中不可缺少的部分，w l a n 性能的好坏直接由8 0 2 1 1 协议栈的性能决定，是w l a n 设备中不可缺少的部分。为了提高性能、降低成本和节省开发时间，在嵌入式产品的设计上一般采用系统级设计方法，即在设计的早期阶段，通过对多种可选的系统设计方案建立模型，评估方案的性能是否满足系统需求，从而确定一种或几种可行的设计方案。传统的设计方法的缺陷在于缺乏相关工具的支持，设计者无法从众多的设计思路及设计方案中选择一个正确的设计方案，往往仅凭个人经验取舍，无法保证产品设计正确性，因而不能满足嵌入式系统持续增长的设计复杂性挑战。本文采用荷兰e i n d h o v e n 大学研究和设计的面向对象的形式化建模语言p o o s l t 4 1 ( p a r a l l e lo b j e c t o r i e n t e ds p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ) 和与之相匹配的软硬件工程1 5 l 【6 】( s h e ) 方法建立8 0 2 1 i b 无线通讯协议的p o o s l 抽象模型，并分析相关参数对协议性能的影响，以指导无线a p 的实际软硬件设计。1 2 国内外研究现状1 2 1i e e e8 0 2 1 1 协议性能分析现状无线网络与有线网络的主要区别是信息传输媒介的不同，从而导致媒介访问控制层( m a c ) 的不一样。i e e e8 0 2 1 】标准协议主要是m a c 层与物理层的规范。由于8 0 2 1 1 在带宽上的限制，i e e e 相继制定了8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g等对物理层的扩展协议，但是，这些协议在m a c 层上还是沿用8 0 2 1 】协议的规范。无线网络相对于有线网络，具有信号传播距离有限、链路状况不稳定带宽资源非常有限等特点。因此，一个能够充分、有效的提高无线信道利用率的介质访问协议，就显得尤为重要，所以，对无线网络m a c 层协议的性能进行分析、评价，以便对协议进行改进以提高其性能，是无线网络研究领域中的一个热点。从二十世纪7 0 年代早期的a l o h a 无线网络至今的三十多年中，对无线网络的介质共享协议性能评价方面的研究就一直在进行。研究者在理论与模拟上都作了大量的论证与实验。对i e e e8 0 2 1 1d c f 机制的性能分析研究，大致可以分为以下几类n( 1 ) 基于k l e i n r o c k 理论的分析k l e i n r o c k 等人对a l o h a 、c s m a 等m a c 协议进行了较详细的性能分析i 引，基于这些分析方法，一些研究【9 j 【1 0 l 对i e e e8 0 2 1 l 中的c s m a c a 机制以及异步传输方法进行了性能评价。其中，文献【9 】针对d c f 的基本访问方式和r t s c t s访问方式，分析系统的吞吐率及其与网络负载之间的关系，但是没有对延时进行分析。文献【1 0 1 只给出了系统吞吐率的计算公式，并利用l i t t l e 定理直接导出系统的平均延时公式。( 2 ) 基于b i a n c h i 模型的分析根据d c f 的指数退避机制，b i a n c h i 提出了一个简单的二维m a r k o v 模型m l ，在假设节点数目固定、理想信道、没有隐藏节点以及冲突概率为常数且独立的情况下，通过求解一个节点在任意时隙内的发送概率，推导出饱和负载下的吞吐率的计算公式，并分别对基本访问方式和r t s c t s 访问方式进行性能评价。b i a n c h i 的模型准确的分析了d c f 在饱和情况下的性能，后续大量对d c f的相关研究 1 3 1 9 1 均引用了b i a n c h i 的工作。在这些研究中，大多数是基于b i a n c h i提出的m a r k o v 模型，加以改进后，分析饱和负载或者非饱和负载情况下的系统吞吐率性能，相对来说，分析介质访问延时性能的研究比较少。( 3 ) 基于仿真实验的性能分析除了理论分析，还有一些研究是通过仿真实验对i e e e8 0 2 1 ld c f 进行性能分析和评价【2 0 2 4 1 ，主要是通过设计不同的实验场景，变换各种实验参数，如d c f机制中的初始竞争窗口大小，数据帧的重传次数限制，决定是否使用r t s c t s访问方式的数据帧大小的阈值等，已及网络的负载，节点数目，数据包大小等参数，通过仿真实验结果，评价d c f 的吞吐率、延时、公平性等性能，及其与各参数之间的关系。( 4 ) 基于其它方法的d c f 性能分析一还有一些文献 2 5 2 9 】，采用近似估计的方法，统计的方法，或者建立m a r k o v模型的分析方法，做了，d c f 性能相关方面的研究。如文献 2 5 2 6 1 分析了i e e e8 0 2 1 1 d c f 协议的容量( c a p a c i t y ) ；文献 2 7 1 针对a dh o e 网络，为了在a dh o e网络中传输实时业务，或者进行业务的区分服务等，分析了a dh o e 网络中m a c层的吞吐率或延时性能；文献 2 8 1 1 2 9 1 利用简单的m a r k o v 分析模型，提出用面积分布分析隐臧节点问题的思想，对8 0 2 1 ld c f 的r t s ( 3 t s 访问方式，分析吞吐率性能。以上诸多的研究中，大都是在吞吐率、延时、公平性等性能指标中选择一个或两个对8 0 2 1 1 协议的性能展开分析，缺乏全面系统的分析。另外，在协议的应用场景基本是在a dh o c 网络中，而对带有a p 的w l a n 的网络性能分析较少本文采用建模仿真的方式，在a dh o e 和带有a p 的w l a n 两种场景中，对8 0 2 1 l协议的性能进行了全面的分析。1 2 2 系统级设计方法现状对复杂嵌入式系统设计方法，国内目前的研究水平跟国外还是有一定差距的，各科研单位在嵌入式系统设计过程中，都比较重视系统级设计在整个研制过程中的作用。但是由于缺乏相关工具的支持，在进行复杂系统的系统级设计时大部分主要采用文本形式对系统规格说明进行描述，这种非正规的、不可测试的设计方法常常导致代价高昂的修改。与此同时，国内目前所从事的嵌入式系统系统级设计相关研究工作，主要集中在系统级模型的有效描述的研究，以及嵌入式系统软硬件协同设计po j 现有方法的改进，而没有提出一套完整的嵌入式系统系统级建模分析的思路。目前，商业系统还没有支持对复杂嵌入式系统的需求进行评估与分析的工具，而在研究领域，一些支持系统级嵌入式系统设计的工具或环境，明确提出采用多层抽象模型思路，从系统级开始，逐级细化，用软硬件协同设计的方法，实现嵌入式系统。这些典型系统有：u c b e r k e l y 大学的p t o l r m y 及p o l i s p “，c a d e n c e公司的v c c i 强】，a r m 、c a d e n c e 、s y n o p s y s 等1 3 家e d a 公司及电子共同控制的开放性设计标准s y s t e m c i l ，a r e x y s 公司的s d l ，s p a d e i ”j ( s y s t e m l e v e lp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dd e s i g n s p a c ee x p l o r a t i o n ) ，c o s y 川( c o d e s i g ns i m u l a t i o na n ds y n t h e s i s ) 等等。下面简单介绍四个典型的支持多层抽象模型的设计工具p o l i s 、v c c 、s y s t e m c 和p o o s l 。p o l i s ：是面向控制领域的嵌入式系统设计环境。该系统支持形式验证、系统协同仿真、设计划分、硬件综合、软件综合及接口连接等功能。它能从系统设计模型中产生软件部分c 代码( 包括简单微处理器实时操作系统) ，同时也能产生为硬件综合到h d l 代码。在p o l i s 环境中，它采用c i ? s m ( 协同设计有限状态机)方法对嵌入式系统进行描述。p o l i s 方法的缺点在于：( 1 ) 系统不能表示除c f s m 外的m o c ( m o d e lo f c o m p u t a t i o n ) 模型的系统规格说明；。( 2 ) 由于忽略传递事件的时间，缺少表示处理器之间的通讯机制；( 3 ) 对复杂嵌入式系统模型缺少性能评估技术。v c c ：主要特点是系统结构与系统功能是相对独立的，能对当前基于精确时钟仿真模型提供更高一层的结构评估模型，并可通过建立从系统功能到相应结构实现的映射，通过y - c h a r t 方法对系统结构进行评估，对系统性能进行分析。利用v c c 设计平台建立的性能分析模型是在精确时钟仿真之上的，在建立性能模型过程中需要模拟非常详细的系统功能，如系统结构及功能映射关系等，这样，由于需要花费大量的时间、人力与物力，用这种方法不能对同一产品的众多不同设计方案进行详细的搜索，显然，在系统设计之初用这种方法来评估系统设计方案是不合适的。s y s t e m c ：通常c 和c + + 只适合于软件设计，不适合于描述硬件系统。然而，s y s t e m c 通过建立特殊的类库，从而达到描述软硬件混成系统的目的，而且还得到工业界与学术界很好的支持，并有可能成为基于系统级设计中建模语言的标准。虽然s y s t e m c 可以建立任何层次上的抽象模型，但是s y s t e m c 仍然存在很多缺陷：( 1 ) s y s t e m c 不适合于系统级的设计空自j 搜索；( 2 ) 用s y s t e m c 建立的抽象模型，语句繁多，不够简洁，工作量大，同时也不利于设计者之间的交流；( 3 ) 用s y s t e m c 建立的模型缺乏性能分析及评估功能。p o o s l ：是荷兰e i n d h o v e n 大学研究和设计的面向对象的形式化建模语言。p o o s l 基于数学定义的语义使得它能够在单一个执行模型中精确地描述系统的并发性、分布性、通讯、时间和功能特性。p o o s l 语言有一个强有力的原语集，而且原语可以无限制地组合在一起精确表达确定的意思。它包括进程部分和数据部分，进程部分基于实时扩展的进程代数( c c s ) p ”，能够用于描述组成部分的实时行为。数据部分基于传统的面向对象语言( 如s m a l l t a l k 、c + + ) 的概念，能够用于描述组件之间产生和交换的信息。为了在早期设计阶段开发出执行模型，软硬件工程( s o f t w a r e h a r d w a r ee n g i n e e r i n g ，s h e ) 方法被引入，并且设计出了s h e s i m 工具，s 眦s i m 能够生成用p o o s l 语言描述系统行为和体系结构的执行模型。为了支持工业级系统的模拟，e i n d h o v e n 大学开发了快速执行引擎r o t a l u m i s 3 9 l ，它能够快速模拟大型p 0 0 s l 模型。1 3 论文的主要研究内容支持无线网络的嵌入式设备逐渐繁多，为了便于在系统的设计中对无线通讯模块做出合理的评估，急需建立一种通用的无线通讯模型。本文主要的研究内容是建立i e e e8 0 2 1 1 的行为级模型，在对模型的正确性进行验证的基础上，对i e e e 9 0 2 1 1 b 在a dh o e 模式和带有a p 的无线网络的性能进行了详尽的分析。具体内容如下：( 1 ) 使用p o o s l 语言建立了i e e e8 0 2 1 1 协议的行为级性能抽象模型。首先，对协议进行行为级抽象，用u m l 语言描述了模型的类图、状态图、顺序图等，然后，用s h e s i m 工具建立了系统级模型。最后，从行为验证和理论值验证两方面对模型的正确性进行检验。( 2 ) 采用模型仿真方式分析l e e e8 0 2 1 1 协议性能。对i e e e8 0 2 1 1 协议的性能指标( 有效吞吐量、平均延时等) 进行系统评价，在a dh o c 网络和带有基础设篪的网络两种场景中分析协议性能。i 4 论文的结构本文的章节安排如下：第一章绪论部分，介绍论文的主要研究对象，课题的背景和国内外现状以及论文的研究内容和论文的结构。第二章主要介绍p o o s l 语言及其建模工具，同时，详细阐述了系统级设计方法的流程和s h e 框架。第三章描述了i e e e8 0 2 1 l 协议的核心机制，主要介绍了d c f 机制和a p 的软硬件结构。第四章是论文的重点，即i e e e8 0 2 1 l 协议行为模型的详细建立过程。包括系统的抽象、模型的设计及模型的验证。第五章用第四章建立的模型进行仿真执行，并根据测试结果分析8 0 2 1 l 协议性能。结论部分包括对论文的总结和下一步工作展望。第2 章p o o s l 语言及系统级设计方法2 1 几种典型建模语言的比较系统级设计的先决条件是建立一个准确的系统模型，该模型应具有高度抽象性、准确性、直观性和可执行性。为此需要设计一融表达力丰富的建模语言，优秀的建模语言应具备表达能力强、具有精确的数学语义和平台无关性等特点。在实时分布式软硬件系统领域应用广泛的建模语言有p o o s l 、s d l 、s y s t e m c 、e s m m l 及r o o m 等几种。表2 一l 从系统级设计框架、数学框架、结构、并发机制和并发粒度、通讯机制、数据类型、时间、概率分析、平台无关性、模型可执行性及模块化支持等方面对它们进行了比较。表2 - 1 典型系统级设计方法及建模语言的比较t a b l e2 - 1t y p i c a ls y s t e m - l e v e ld e s i g nm e t h o da n dm o d e l i n gl a n g u a g ec o m p a r i s o n建模语言p o o s ls d ls y s t e m ce s t e r e lr 0 0 mc i n d e r e l l a系统级设s h es d ls y s t e m ce s t e r e lr o s e r t计框架( c s d l )数学框架是是无是是进程进程方法，进程，线进程进程结构( 静态创建)( 动态创建)程( 静态创建)( 动态创建)同步并发( 线程)并发机制异步并发异步并发同步并发异步并发异步并发( 进程)介于语句级与进并发粒度语句级进程级进程级进程级程级之间单一的发送全局变量、信号、信号异步缓存通讯机制( ! ) 和接收异步缓存端口( ? ) 机制各种数据类宿主机决各种数据数据类型抽象数据类型各种数据类型型定类型内置时间处离散时间异步定时时间异步定时器多重时钟理模型器r a n d o m g e n e执行引擎执行引擎概率分析执行引擎决定执行引擎决定r a l o r决定决定平台无关性具备不具备具备具备不具备模型可执行性可执行可执行可执行可执行可执行模块化支持支持有限支持支持支持有限支持北京工业火学工学顺一学位论文通过比较可以看出，p o o s l 同其他建模语言相比，有许多方面的优势，主要的特点是它基于精确的数学语义，能够精确分析系统的概率行为及性能，更适合于嵌入式的软硬件设计。因此本文选用了p o o s l 作为建模语言。2 2p o o s l 语言介绍2 2 1p o o s l 语言的特点p o o s l ( p a r a l l e lo b j e c t o r i e n t e ds p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ) 是荷兰e i n d h o v e n 大学研究和设计的面向对象的形式化建模语言【4 j o 它是专门为复杂实时软硬件系统开发而设计的，它已经被证明是一种非常高效的分析和评估工业级系统的建模语言，并已成功地建模分析了以下几种系统：i b mz u r i c hr e s e a r c hl a b o r a t o r y 的p a c k e ts w i t c hs y s t e m t 4 0 1 、n e t w o r kp r o c e s s o 一4 ”、t h ed e c tw i r e l e s sp r o t o c o l l 4 2 1 。p o o s l 基于数学定义的语义使得它能够在单一执行模型中精确地描述系统的并发性、分布性、通讯、时问和功能特性。p o o s l 语言有一个强有力的原语集，而且原语可以无限制地组合在起精确表达确定的意思。它包括进程部分和数据部分，进程部分基于实时扩展的进程代数( c c s ) 0 7 】，能够用于描述组成部分的实时行为。数据部分基于传统的面向对象语言( 如s m a l l t a l k 、c + + ) 的概念，能够用于描述组件之间产生和交换的信息。p o o s l 的显著特点【3 8 】1 4 lj 有：( 1 ) 基于离散马尔科夫链。能够有效地描述系统并发的、分布的和实时的行为：( 2 ) 执行速度快，能够以直观的方式描述大型工业级系统；( 3 ) 能够再现模拟执行结果，即执行结果具有确定性和唯一性。下面详细阐述p o o s l 语言的组成及建模工具s h e s i m 和r o t a l u m i s 。2 2 2p o o s l 语言的组成p o o s l 语言基于古典的进程代数，其功能正确性。p o o s l 语言由数据类、介绍它们。2 - 2 2 1 数据类很适合描述复杂系统的实时行为和验证进程类以及聚类三部分组成。下面分别数据类是基于传统的面向对象语言如s m a l h a l k 、c + + 等，能够用于描述进程类之间产生和交换的数据信息。其语法形式如表2 ，2 所示：表2 - 2 数据表达式t a b l e2 - 2d a t ae x p r e s s i o nd a t ae x p r e s s i o n ( d e )d e s c r i p t i o nn e w ( c )c r e a t en e wd a mo b j e c to f d a mc l a s scs e l fr e f e r e n c es e l fd em ( d e j ，d e )d a t am e t h o dc a l id e i i i ( d e l ，d e , )s u p e r c l a s sd a t am e t h o dc a l l，2 ，- i 0 ，1 ，2 ，一i n s t a n c e so f p r i m i t i v ed a t ac l a s si n t e g e ra ，b ，i n s t a n c e so fp r i m i t i v ed a t ac l a s sc h a r，3 1 4 1 5 ，2 4 ，i n s t a n c e so fp r i m i t i v ed a t ac l a s sr e a lt r u 厶f a i s ei n s t a n c e so f p r i m i t i v ed a t ac l a s sb o o l e a n，s t r i n g ”，p o o s l ”，i n s t a n c e so f p r i m i t i v ed a t ac l a s ss t r i n gn i lu n d e f i n e dd a t a o b j e c t ；c o n s i d e r e da sa m e m b e r o f a n yd a t ac l a s s表2 - 3 数据描述t a b l e2 3d a t as t a t e m e n t sd a t as t a t e m e n t ( d s )d e s c r i p t i o n工：= d ea s s i g n m e n to f d et oxd s t ；d s zs e q u e n t i a lc o m p o s i t i o nw h i l e d e d od so dr e p e t i t i o nb a s e do l le v a l u a t i o no f e x p r e s s i o nd ei f d et h e nd s ie l s ed s 2d e t e r m i n i s t i cs e l e c t i o nb a s e do ne v a l u a t i o no f e x p r e s s i o nd er e t u r n ( 傩)r e t u r nv a l u ef o rm e t h o dc a l ld ed a t ae x p r e s s i o n2 | 2 2 2 进程类进程类由进程方法、变量及实例化参数组成，其中进程方法由并行、顺序、重复、条件或选择等语句构成，用于描述进程体的行为，变量是进程方法的操作对象，而实例化参数是进程方法的初始化参数。进程之间通过静态通道上消息传送进行通讯。其语法形式如下：表2 _ 4 进程描述t a b l e2 - 4p r o c e s ss t a t e m e n t ( p s )p r o c e s ss t a t e m e n t ( p s )d e s c r i p t i o ns y n c h r o n o u sr e c e p t i o no fm e s s a g emf r o mp o r tc hw i t hc h ? m ( p ，p fd e ) d s p a r a m e t e r s p ，西s y n c h r o n o u so f f e r i n go fm e s s a g emt op o r tc hw i t hc h ! m ( d e i ，d e n ) d s p a r a m e t e r sd e ，d e np s t ；p s 2s e q u e n t i a lc o m p o s i t i o ns e ! p s i o r o r 只i 目n o n d e t e r m i n i s t i cs e l e c t i o np a r a l l e lc o m p o s i t i o n ，c o n c u r r e n c yo fa c t i v i t i e sp a r p s ta n d a n dp s 。r a p( i n t e r l e a v i n gs e m a n t i c s )p s ti n t e r r u p tp s 2i n t e r r u p ts t a t e m e n tp s ta b o r tp s 2a b o as t a t e m e n t【d 明雎g u a r d e dc o m m a n dp r o c e s sm e t h o dc a l lf i n p u tv a l u e sd e t ，d 晶a n dm ( d e t ，d e ) ( p l ，办)r e t u r nv a l u e s p t ，p m )d e l a y ( d e )t i m es y n c h r o n i z a t i o nt i m e s t a m p ( x )a s s i g n m e n to f t h ec u r r e n tm o d e lt i m et oxw h i l ed e d o p s o dr e p e t i t i o nb a s e do ne v a l u a t i o ne x p r e s s i o nd ed e t e r m i n i s t i cs e l e c t i o nb a s e do ne v a l u a t i o no f e x p r e s s i o ni f d et h e np s te l s ep s zd d sd a t as t a t e m e n t( d s j ；d s )a t o m i cd a t as t a t e m e n t s2 2 2 3 聚类表2 - 5 聚类描述t a b l e2 5c l u s t e rs t a t e m e n t sc l u s t e rs t a t e m e n t sd e s c r i p t i o nn e w ( c )c r e a t en e wd a t ao b j e c to f d a t ac l a s scp s t ；p s 2s e q u e n t i a lc o m p o s i t i o nd em ( d e l ，d 晶)d a t am e t h o dc a l li f d et h e np s le l s ep s 2d e t e r m i n i s t i cs e l e c t i o nb a s e do ne v a l u a t i o no f e x p r e s s i o nd ew h i l ed e d o p s o dr e p e t i t i o nb a s e do ne v a l u a t i o ne x p r e s s i o nd e1 0 -第2 章p o o s l 语言及系统级设计方法聚类用于建立进程类和其他聚类的层次化结构，隐藏其内部结构，包括实例化参数、通讯端口、通讯信道等组成，它适于描述系统的体系结构和拓朴结构。语法形式如表2 5 所示。2 3 建模工具s h e s i m 和r o t a l u m i s为了在早期设计阶段开发出p o o s l 可执行模型，荷兰e i n d h o v e n 大学开发了交互式建模工具s h e s i m 和高速执行引擎r o t a l u m i s 3 8 】【3 9 j ，下面简要介绍s h e s i m 和r o t a l u m i s 两个工具的特点及使用方法。2 3 1s h e s i ms h e s i m 能够生成用p o o s l 语言描述的可执行抽象模型，它以可视化的方式建立和修改p o o s l 数据类、进程类及聚类，提供方便地调试功能。利用模型执行中产生的交互图可以分析消息交互情况，并动态验证模型的正确性。( 1 ) s h e s i m 能够用于可视化地创建p o o s l 模型，如图2 1 ，在模型建立过程中，使用自顶向下的方式，按照面向对象的思想将模型的设计与实现结合与一体。在调试模型时，能够以语句步进、时间步进、单步等多种方式调试和模拟执行。图2 - is h e s i m 的应用f i g 2 - 1a p p l i c a t i o no f s h e s i m( 2 ) s h e s i m 能够方便地建立数据类、进程类和聚类，如图2 2 所示。图中从左到右分别为数据类、进程类及聚类的浏览窗口，可以方便地创建、修改它们。图2 - 2 数据类、进程类及聚类示意图f i g 2 - 2d a t ac l a s s ，p r o c e s sc l a s sa n dc l u s t e rc l a s s( 3 ) i n s p e c t o r s 能够查看模型执行的当前时间点的状态( 如图2 3 所示) 。通过i n s p e c t o r s ，可以查看当前进程或聚类的变量的值及功能的执行情况，从而可以验证模型的行为特征，据此对模型进行调试。幽2 - 3 用i n s p e c t o r 进行调试闰f i g 2 - 3u s ei n s p e c t o rf o rd e b u g i n g( 4 ) 交互图能够显示模拟执行中的通讯情况及消息交互情况( 如图2 4 所示) 。从交互图中可以了解在不同时阃点，各个进程间的消息或数据交互情况，从而可以从一定程度上验证模型的正确性。2 - 3 2r o t a l u m i se l2 - 4 交互图f i g 2 - 4i n t e r a c t i o nd i a g r a mr o t a l u m i s 是一种高速执行引擎，能够快速执行大型的工业级系统模型，获取用s