基于分層思想的基本通信系統(tǒng)CPN建模論文
摘要：針對(duì)通信系統(tǒng)建模復(fù)雜度高、可靠性差、模型缺乏形式化驗(yàn)證方法以及可重用性差的問題，提出一種基于分層思想，并結(jié)合面向?qū)ο蟮母拍睿弥玃etri網(wǎng)(CPN)對(duì)基本通信系統(tǒng)進(jìn)行建模的方法。該方法融合CPN和面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從形式化、可視化的角度描述基本通信系統(tǒng)的運(yùn)行過程。以一個(gè)簡(jiǎn)單的基本通信系統(tǒng)為例進(jìn)行建模，證明該模型與實(shí)際系統(tǒng)中的對(duì)象可以相互對(duì)應(yīng)，易于理解和實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：基本通信系統(tǒng);分層思想;對(duì)象子網(wǎng);著色Petri網(wǎng);建模
1概述
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)越來越復(fù)雜，體現(xiàn)出空間分布性、并發(fā)性、異步性、不穩(wěn)定性、多樣性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，不能僅靠工程直覺方法設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的系統(tǒng)[1]。
基本通信系統(tǒng)由發(fā)端設(shè)備、收端設(shè)備、傳輸媒介以及三者之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，是一種較為普遍的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
基于計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)基本通信系統(tǒng)進(jìn)行分析、建模和驗(yàn)證，從而提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，已經(jīng)成為十分重要和普遍的研究課題。
目前，普遍采用面向?qū)ο蟮慕ＴO(shè)計(jì)方法對(duì)基本通信系統(tǒng)進(jìn)行建模，用UML標(biāo)準(zhǔn)建模語言對(duì)模型進(jìn)行描述。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型用類圖描述，而系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型用交互圖和順序圖描述。使用UML構(gòu)建的模型清晰易懂，模型中類的概念可以直接與系統(tǒng)的代碼實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。但是，面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)方法缺乏形式化基礎(chǔ)，對(duì)建立的模型缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊万?yàn)證手段[2]。
作為一種形式化建模方法的Petri網(wǎng)[3]，能夠方便有效地描述帶有并發(fā)性、異步性、分布性、非確定性、并行性的系統(tǒng)，被廣泛地應(yīng)用于基本通信系統(tǒng)的建模。該方法具備強(qiáng)大的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和嚴(yán)格的形式化描述。但是，由于模型元素的單義性，容易產(chǎn)生“狀態(tài)空間爆炸”的問題，并且建立的模型對(duì)系統(tǒng)的依賴性很高，也容易導(dǎo)致模型可重用性差。
為了解決上述問題，結(jié)合著色Petri網(wǎng)[4](Colored Petri Net,CPN)和面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，本文針對(duì)基本通信系統(tǒng)，提出了一種基于分層思想[5]的CPN建模方法。利用分層思想對(duì)基本通信系統(tǒng)進(jìn)行劃分，降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，減少“狀態(tài)空間爆炸”的問題;將面向?qū)ο蟮母拍钜隒PN，并利用CPN中的顏色集描述系統(tǒng)的工作狀況，以提高模型的正確性、可維護(hù)性和可重用性。
2基本通信系統(tǒng)的分層
一般來講，基本通信系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端以及兩者之間的通信關(guān)系構(gòu)成，這也可以視為基本通信系統(tǒng)的第1層。
發(fā)送端和接收端內(nèi)部各對(duì)象之間，以及對(duì)象與外界之間的通信關(guān)系定義為第2層。通信關(guān)系一般包括建立連接、即時(shí)通信與斷開連接3種。根據(jù)通信關(guān)系的不同，確定了對(duì)象之間不同的通信內(nèi)容，從而形成不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，不同的通信關(guān)系也形成了各個(gè)對(duì)象內(nèi)部不同相關(guān)的操作與狀態(tài)。所以，對(duì)象內(nèi)部的操作與狀態(tài)定義為第3層。其形式定義為：定義1一個(gè)基本通信系統(tǒng)為一個(gè)三元組：SYS=(O,Net,I)。其中，O表示發(fā)送端對(duì)象;I表示接收端對(duì)象;Net表示根據(jù)兩者之間的通信關(guān)系而確定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
通信關(guān)系一般包括建立連接、即時(shí)通信和斷開連接3種類型。根據(jù)通信關(guān)系的不同，可以定義基本通信系統(tǒng)的不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
定義2基本通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為一個(gè)四元組：Net=(OBJ,R,ST,G)。其中，OBJ表示非空有限對(duì)象子網(wǎng)集合，是由發(fā)送對(duì)象子網(wǎng)和接收對(duì)象子網(wǎng)構(gòu)成的，即OBJ{OBJ|1,2,,}i=i =n;R表示對(duì)象子網(wǎng)間的通信關(guān)系集合，即R={建立連接，即時(shí)通信，斷開連接};ST是替代變遷;G是一種特殊的變遷，稱為“門”變遷，起到對(duì)象子網(wǎng)間消息傳遞作用。
定義3對(duì)象OBJi表示為CPN(既可以是發(fā)送對(duì)象子網(wǎng)中的對(duì)象，也可以是接收對(duì)象子網(wǎng)中的對(duì)象)，定義為一個(gè)九元組：OBJ(,P,T,F,N,C,G,E,I)i=Σ。其中：(1)Σ是非空托肯顏色集合(Color Set)，決定了在網(wǎng)描述中所使用的token類型、運(yùn)算和函數(shù);
(2)P是有限庫所集，P={PP,MP}，PP是基本狀態(tài)庫所，MP={OMP,IMP}是用于對(duì)象間消息傳遞的輸入輸出消息庫所;
(3)T是有限變遷集;
(4)F是有限弧集，P ∩T=P ∩F=T ∩F=Φ;
(5)N是節(jié)點(diǎn)函數(shù)，定義為N:F→(P ×T)U(T ×P)，映射每一個(gè)弧到一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)，且前一個(gè)節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，后一個(gè)節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，這2個(gè)節(jié)點(diǎn)類型不同，一個(gè)是變遷，另一個(gè)是庫所;
(6)C:P→Σ是顏色函數(shù)，把每一個(gè)庫所p∈P映射到顏色集C(p)，p中每一個(gè)token顏色必須屬于C(p);
(7)G是保護(hù)函數(shù)，映射T到布爾型;
(8)E是一個(gè)弧表達(dá)式函數(shù)，定義為從F到表達(dá)式的函數(shù)E(f)，使得MS?f ∈F:(Type(E(f))=C(p))∧(Type(Var(E(f)))?Σ)，即弧表達(dá)式函數(shù)映射每個(gè)弧f∈F到一個(gè)表達(dá)式，且這個(gè)表達(dá)式的類型是C(p)MS，E(f)的每一個(gè)求值都生成一個(gè)依賴于相鄰庫所顏色集的多重集;
(9)I是初始化函數(shù)，映射每一個(gè)p∈P到一個(gè)閉表達(dá)式，且這個(gè)表達(dá)式是C(p)上的多重集，即?p ∈P:Type(I(p))=MSC(p)。
其中，用類型Type()映射表達(dá)式或變量的類型值，分別為Type(expr)或Type(v);函數(shù)Var(expr)表示表達(dá)式expr中的變量的集合;B表示布爾類型值，即true或false;C(p)MS表示顏色集C(p)上的多重集;不含任何變量的表達(dá)式稱為閉表達(dá)式[6]。
圖1是根據(jù)以上定義建立的一個(gè)簡(jiǎn)單通信系統(tǒng)模型的例子，采用CPN Tools輔助繪制。
圖1表示的是一個(gè)只包含一個(gè)發(fā)送端設(shè)備和一個(gè)接收端設(shè)備的通信系統(tǒng)，通信關(guān)系為建立連接的系統(tǒng)模型。建立連接的過程可簡(jiǎn)單描述為：(1)發(fā)送端發(fā)送hello數(shù)據(jù)包給接收端;(2)接收端接收后反饋發(fā)送端一個(gè)hello數(shù)據(jù);(3)通信連接建立。
在圖1中，由發(fā)送端對(duì)象S_O和接收端對(duì)象R_I構(gòu)成第1層模型，用矩形框與雙向箭頭表示;發(fā)送對(duì)象send和接收對(duì)象receive之間的通信關(guān)系是第2層模型，用圓角矩形表示;2個(gè)對(duì)象內(nèi)部的狀態(tài)和操作是第3層模型。
在圖1中，用圓角矩形來表示對(duì)象，對(duì)象所屬的變遷和庫所被封裝在對(duì)象內(nèi)部，對(duì)象的外部接口由消息接口、門以及它們之間的流關(guān)系給出。庫所上的小圓內(nèi)的數(shù)字表示庫所當(dāng)前所含的token數(shù)目。各對(duì)象內(nèi)部的庫所顏色集分別可以有若干token，各token所處的庫所表示各對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)，隨著變遷的引發(fā)，顏色token從一個(gè)庫所移動(dòng)到另一個(gè)庫所，相應(yīng)地，對(duì)象也從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)。
上述基本通信系統(tǒng)的形式描述為：第1層SYS=(S_O,NET,R_I);第2層Net=({send,receive},{建立連接},Φ,{T1,T2});第3層是對(duì)2個(gè)對(duì)象子網(wǎng)send和receive的描述，這2個(gè)對(duì)象子網(wǎng)都只包含一個(gè)對(duì)象，以send為例，send={Σ,P,T,F,N,C,G,E,I}，其中，Σ={STRING,BOOL|colsetSTRING=string,colset BOOL=boolean};P={P0,P1,P2,P3,P21,P24};T={T21,T22};C(P)={STRING,BOOL}，弧表達(dá)式見圖1，I(P24)=“hello”;對(duì)象receive與send類似，圖1中未使用保衛(wèi)函數(shù)。
3建模方法及模型驗(yàn)證
3.1建模方法利用上述定義建模一個(gè)基本通信系統(tǒng)，首先要了解該通信系統(tǒng)在不同階段對(duì)象之間的通信關(guān)系;然后對(duì)每個(gè)階段的執(zhí)行過程進(jìn)行詳細(xì)描述。對(duì)通信系統(tǒng)及其執(zhí)行過程進(jìn)行整體把握后，分以下3步創(chuàng)建系統(tǒng)的各層CPN模型：(1)從基本通信系統(tǒng)中抽象出發(fā)送端對(duì)象和接收端對(duì)象，從整體上把握系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成第1層系統(tǒng)模型。
(2)根據(jù)整個(gè)通信系統(tǒng)所處的運(yùn)行階段，抽象出發(fā)送對(duì)象子網(wǎng)與接收對(duì)象子網(wǎng)，并確定兩者之間的通信關(guān)系，同時(shí)，將其中相關(guān)的對(duì)象提取出來，給出對(duì)象子網(wǎng)內(nèi)部的各個(gè)對(duì)象之間、以及它們與外界的交互關(guān)系，形成第2層模型。該模型清晰地描述出在通信系統(tǒng)所處的運(yùn)行階段各個(gè)對(duì)象子網(wǎng)之間的通信關(guān)系，并顯示了對(duì)象子網(wǎng)內(nèi)部的相關(guān)信息。
(3)對(duì)于對(duì)象子網(wǎng)中的每個(gè)對(duì)象進(jìn)行更進(jìn)一步的細(xì)化，給出對(duì)象子網(wǎng)內(nèi)部的各個(gè)對(duì)象的詳細(xì)描述，建立第3層模型，該模型描述了每個(gè)對(duì)象內(nèi)部的操作和狀態(tài)。
3.2模型驗(yàn)證
在定義1中描述了一個(gè)基本通信系統(tǒng)的發(fā)送對(duì)象與接收對(duì)象之間一般存在的3種關(guān)系：建立連接關(guān)系，即時(shí)通信關(guān)系以及斷開連接關(guān)系。通信系統(tǒng)建模期間是基于這3種關(guān)系分別建立CPN模型的。
對(duì)于每一種關(guān)系所建立起來的模型，應(yīng)用普通CPN的公式化驗(yàn)證方法(如狀態(tài)空間分析和不變量的分析方法等)就可得出所建Petri網(wǎng)模型的各種性質(zhì)，從而使通信系統(tǒng)在這種關(guān)系上得到驗(yàn)證。
在此基礎(chǔ)上，將建立連接模型的輸出作為即時(shí)通信模型的輸入，將即時(shí)通信模型的輸出作為斷開連接模型的輸入，把整個(gè)通信系統(tǒng)的各個(gè)階段的模型連接起來，從而使得通信系統(tǒng)在整個(gè)通信過程中得到嚴(yán)格的分析和驗(yàn)證。
4系統(tǒng)建模實(shí)例
本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的基本通信系統(tǒng)為例說明如何進(jìn)行分析并建立模型，因?yàn)橹饕鉀Q系統(tǒng)建模的問題，所以忽略與本文討論無關(guān)的問題，例如數(shù)據(jù)幀格式等。
4.1基本通信系統(tǒng)及通信過程描述該基本通信系統(tǒng)采取“一去一回”的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳送方式，通信仍然分為3個(gè)階段：建立通信連接階段，進(jìn)行即時(shí)通信階段和斷開通信連接階段。本文以建立通信連接為例來說明整個(gè)建模過程，其他2個(gè)階段與其情況相似，先不予討論。
建立通信連接階段所采用的通信過程如下：
(1)由發(fā)送端發(fā)起進(jìn)行連接，發(fā)送攜帶協(xié)商參數(shù)的初始化信息給對(duì)方接收端;
(2)接收端檢查從發(fā)送端發(fā)來的信息，如果信息中攜帶的參數(shù)能夠被接受，則自己也發(fā)一個(gè)初始化信息給發(fā)送端，并攜帶參數(shù);
(3)發(fā)送端檢查接收端發(fā)送來的參數(shù)，如果認(rèn)同，對(duì)接收端發(fā)送keep alive消息，接收端收到后也發(fā)送keep alive消息，連接建立。
4.2通信系統(tǒng)的CPN模型
該通信系統(tǒng)僅存在一個(gè)發(fā)送端設(shè)備和一個(gè)接收端設(shè)備，針對(duì)這種情況，確定5個(gè)對(duì)象子網(wǎng)中各存在一個(gè)對(duì)象。該通信系統(tǒng)可以用一個(gè)三層的模型結(jié)構(gòu)來描述。
基于通信過程中提出的“一去一回”的交互方式，以建立通信連接為例，通信系統(tǒng)模型如圖2所示。
在圖2所顯示的模型中，在第1層模型中，如圖2矩形框與雙向箭頭顯示，從整體上確定了系統(tǒng)結(jié)構(gòu);在第2層模型中，如圖2圓角矩形顯示，描述了2個(gè)對(duì)象子網(wǎng)之間的通信關(guān)系;在第3層模型中，對(duì)于每個(gè)對(duì)象進(jìn)行了詳細(xì)建模，描述了在建立連接過程中對(duì)象內(nèi)部所有的操作以及經(jīng)歷的狀態(tài)，并且顯示了與接口的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。
4.3模型的驗(yàn)證
本文采用可達(dá)圖的方法對(duì)圖2的模型進(jìn)行驗(yàn)證。P={P1,P2,P3,P4,P5,P6,P21,P22,P23,P24,P25,P26,P27,P28}，初始標(biāo)識(shí)為[10000000101111]T，如圖3所示。
從圖4中可以看到，隨著時(shí)間輪數(shù)的延長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量都隨之下降，與LEACH協(xié)議和文獻(xiàn)[11]中節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量相比，本文算法的存活節(jié)點(diǎn)大于上述協(xié)議和算法。從而說明了本文算法中節(jié)點(diǎn)剩余能量高于LEACH協(xié)議和文獻(xiàn)[11]中節(jié)點(diǎn)的剩余能量，進(jìn)而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存周期，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)資源。
第3種情況是選擇不同覆蓋區(qū)域100 m×100 m、200 m×200 m、400 m×400 m，比較不同區(qū)域覆蓋率變化情況，如圖5所示。從圖5中可以看到，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，要滿足一定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率需求時(shí)，所須部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也會(huì)隨之增加，并且網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率越高，需要部署節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加得越快，要實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域完全覆蓋的前提是在覆蓋區(qū)域內(nèi)完成對(duì)不同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的完全覆蓋。可以看出，在不同的覆蓋區(qū)域內(nèi)，完成對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋也需要不節(jié)點(diǎn)數(shù)量，在對(duì)某一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行時(shí)，不同的區(qū)域所覆蓋的范圍也是不同的。在滿足一定覆蓋要求下，以相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)作為基數(shù)，對(duì)100 m×100 m區(qū)域進(jìn)行覆蓋所需節(jié)點(diǎn)最少，而400 m×400 m需要的節(jié)點(diǎn)最多。
6結(jié)束語
通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論分析，本文提出一種基于事件驅(qū)動(dòng)的覆蓋算法。該算法利用傳感器節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)和喚醒機(jī)制完成了對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋，通過節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)屬性確定最多目標(biāo)集和最小節(jié)點(diǎn)集，而后對(duì)其優(yōu)化，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。通過對(duì)LEACH算法和不同覆蓋區(qū)域進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)后，驗(yàn)證了該算法的有效性和適應(yīng)性。下一步研究的重點(diǎn)是如何布置最少節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界區(qū)域K度覆蓋以及如何設(shè)計(jì)和完善節(jié)點(diǎn)移動(dòng)控制機(jī)制，從而進(jìn)一步提高事件監(jiān)測(cè)概率。
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