基于UML的仲裁環(huán)公平訪問算法研究

王薊翔

0 引言

光纖通道(FC，F(xiàn)ibre Channel)協(xié)議由美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ANSI)負(fù)責(zé)制定和維護(hù)，具有很高的可靠性與實(shí)時(shí)性，適用于高帶寬、多媒介、長(zhǎng)距離傳輸[1]，具有傳輸效率高、支持上層協(xié)議種類多、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開放等特點(diǎn)[2]，是倍受關(guān)注的通道標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

光纖通道協(xié)議具有分層結(jié)構(gòu)，其中：FC-0與FC-1位與光纖通道底層。負(fù)責(zé)定義系統(tǒng)的物理鏈路、傳輸介質(zhì)，為數(shù)據(jù)傳輸提供適應(yīng)性編碼方法。FC-2是中間層，主要功能是定義獨(dú)立于上層協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸方法或機(jī)制，比如，分幀協(xié)議和流控制。上層協(xié)議包括 FC-3層和 FC-4層，它們不僅增強(qiáng)了纖維通道的功能還提供了更大范圍內(nèi)的互操作性。

光纖通道協(xié)議還提供了三種用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、仲裁環(huán)和交換結(jié)構(gòu)。所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是基于GB/s數(shù)據(jù)傳輸速度的，其中有效帶寬為100 MB/s(對(duì)于全雙工模式可以達(dá)到200 MB/s)[3]。

現(xiàn)將重點(diǎn)研究仲裁環(huán)結(jié)構(gòu)下的端口仲裁機(jī)制，結(jié)合UML語言進(jìn)行系統(tǒng)建模，并且通過 C++代碼實(shí)現(xiàn)端口類相關(guān)功能。

1 仲裁環(huán)拓?fù)涞墓ぷ鳈C(jī)制分析

1.1 端口尋址

仲裁環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，成環(huán)狀連接的每一個(gè)端口都被分配一個(gè)物理地址(AL_PA)，它能夠確立該端口的優(yōu)先級(jí)高低：地址越小，優(yōu)先級(jí)越高。

光纖通道協(xié)議 FC-FS[4]提出了一種光纖通道通用的數(shù)據(jù)編碼方式及尋址機(jī)制：8b/10b編碼和地址的中型不均衡性機(jī)制。滿足這 2個(gè)條件的有效地址覆蓋從 hex'00'到 hex'EF'的總共127個(gè)數(shù)據(jù)。

1.2 仲裁機(jī)制

1.2.1 原語信號(hào)及端口歷史變量

光纖通道仲裁環(huán)的有序集[5]是一個(gè) 32個(gè)比特位傳輸字。其中第一個(gè)字節(jié)是 K28.5專用字符。原語信號(hào)是有特殊意義的有序集，它分配傳輸過程中的動(dòng)作或者事件，環(huán)路端口觸發(fā)一次響應(yīng)只需要接收一個(gè)原語信號(hào)。歷史變量是一個(gè)二值變量，用來記憶端口操作過程，方便了系統(tǒng)其它部分隨時(shí)檢查端口之前的工作記錄。

仲裁機(jī)制下的原語信號(hào)及端口歷史變量如表 1和表 2所示。

表1 原語信號(hào)

表2 端口歷史變量

1.2.2 公平訪問算法

公平訪問算法能夠避免高優(yōu)先級(jí)端口壟斷環(huán)路。它通過需要發(fā)送消息的端口組成一個(gè)窗口，其中的端口都有機(jī)會(huì)申請(qǐng)仲裁并且贏得環(huán)路訪問權(quán)。如果一個(gè)贏得控制權(quán)的端口沒有完成所有數(shù)據(jù)的發(fā)送就放棄控制權(quán)，那么它必須等到所有端口都有一次訪問了環(huán)路后，一個(gè)新的訪問窗口開始建立時(shí)，重新贏得仲裁繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

如果同一時(shí)刻多個(gè)端口競(jìng)爭(zhēng)控制權(quán)，具有最高優(yōu)先級(jí)AL_PA的那個(gè)才會(huì)贏。例如，某個(gè)端口正在仲裁，同時(shí)又收到了上游端口傳來的 ARB(x)，它就會(huì)將 AL_PA的值同自己的值進(jìn)行比較，發(fā)送出優(yōu)先級(jí)相對(duì)較高的 AL_PA的ARB(x)。所以在同時(shí)仲裁時(shí)，只有優(yōu)先級(jí)最高的設(shè)備才能回收自己發(fā)出的ARB(x)，從而贏得仲裁。

公平算法由 ARB(F0)監(jiān)控：當(dāng)一個(gè)環(huán)端口贏得仲裁時(shí)，它將所有接收到的原語信號(hào)都用 ARB(F0)代替，告知其他設(shè)備已經(jīng)有端口贏得仲裁。而參與競(jìng)爭(zhēng)的端口在收到ARB(F0)之后，又會(huì)用自己的 ARB(AL_PA)代替ARB(F0)(F0的優(yōu)先級(jí)最低)，告知取得控制權(quán)的端口，環(huán)路還有其他端口正在申請(qǐng)仲裁。因此，只要還有活躍的仲裁者在競(jìng)爭(zhēng)控制權(quán)，ARB(F0)就會(huì)不斷的流向當(dāng)前的勝利者。

2 UML語言

作為一種可視化建模語言，UML在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。它能夠可視化構(gòu)造系統(tǒng)開發(fā)的各階段，并提供豐富的表達(dá)方式，系統(tǒng)用戶、分析人員、測(cè)試人員和管理人員都可以從 UML模型中無歧義地獲取所需信息[7]。

標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML 的主要內(nèi)容可歸納為靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模兩大類：其中用例圖、 類圖等主要用來描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，活動(dòng)圖等主要描述系統(tǒng)對(duì)象之間的交互關(guān)系及相應(yīng)的時(shí)序狀態(tài)[8]。

3 基于仲裁機(jī)制的系統(tǒng)建模及代碼實(shí)現(xiàn)

3.1 需求分析

端口需求分析如圖1所示。

圖1 仲裁機(jī)制需求分析

“底層電路”是光纖通道仲裁環(huán)協(xié)議硬件電路。主要負(fù)責(zé)定義光纖通道中的傳輸介質(zhì)和傳輸速率；“上層請(qǐng)求”映射上層協(xié)議規(guī)則，使系統(tǒng)工作于不同的環(huán)境中，這里研究仲裁環(huán)環(huán)路端口的仲裁請(qǐng)求。“端口仲裁”是仲裁環(huán)端口競(jìng)爭(zhēng)對(duì)環(huán)路控制權(quán)的工作機(jī)制。結(jié)合“接收數(shù)據(jù)”和“發(fā)送數(shù)據(jù)”完成數(shù)據(jù)接收、編碼、格式轉(zhuǎn)換等任務(wù)。

3.2 結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)環(huán)路仲裁機(jī)制設(shè)計(jì)的端口類如圖2所示。

圖2 仲裁環(huán)端口類

該類包含的端口屬性有：仲裁歷史變量以及端口物理地址；端口操作有：接收上層請(qǐng)求、接收下層數(shù)據(jù)、判斷信號(hào)類型和發(fā)送信號(hào)及解析信號(hào)。

3.3 行為建模

行為建模是針對(duì)需求分析中“端口仲裁”這一用例，依賴“接收消息”和“發(fā)送消息”兩個(gè)用例的業(yè)務(wù)流程建模。以不同原語信號(hào)作為消息，通過活動(dòng)圖描述不同端口類對(duì)象之間收發(fā)消息的關(guān)系，以及端口申請(qǐng)仲裁并且贏得環(huán)路控制權(quán)的過程。

假定環(huán)路拓?fù)錇橐粋€(gè)三端口結(jié)構(gòu)，優(yōu)先級(jí)高低順序?yàn)槎丝?＞端口1＞端口3，端口連接方式為：端口1-＞端口2-＞端口3-＞端口1。詳細(xì)行為建模如圖3所示。

圖3 環(huán)路仲裁行為建模

3.4 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上建模結(jié)果，可以用 C++編寫端口類（代碼省略構(gòu)造函數(shù)）及相關(guān)操作函數(shù)，對(duì)仲裁環(huán)環(huán)路端口從申請(qǐng)仲裁到贏得環(huán)路控制權(quán)這一工作機(jī)制進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)。

初始化端口地址為hex'0xc1'，所有歷史變量都為0，上層發(fā)送仲裁請(qǐng)求，端口開始從底層依次接收原語信號(hào)：IDLE、ARB(E1)、ARB(A3)、ARB(F0)、ARB(C1)、ARB(E1)和IDLE、ARB(A3)。端口仲裁實(shí)現(xiàn)為圖4所示。

圖4 端口仲裁實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)語

仲裁環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種重要的光纖通道網(wǎng)絡(luò)連接方式，它比交換結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且較點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)潇`活，有很強(qiáng)的研究意義。這里結(jié)合UML建模語言對(duì)公平訪問算法進(jìn)行重點(diǎn)分析。這種語言具有圖形化的建模風(fēng)格，讓端口建模條理清晰、功能描述全面，適于在通信協(xié)議分析領(lǐng)域大范圍推廣。

[1]孫琦,吳勇,鄭昕,等.光纖通道技術(shù)在統(tǒng)一航空電子網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].信息安全與通信保密,2009(05):80-82.

[2]于曉磊,陳紹緯,周虎.FC-AE-1553B通信結(jié)構(gòu)的仿真研究[J]. 信息安全與通信保密,2010(05):52-54.

[3]NGT.存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)概念與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[4]INCITS.Fibre Channel-Framing And Signaling(FC-FS).[EB/OL].(2008-10-23)[2011-02-11]. http://www.t11.org/ftp/t11/pub/fc/fs-3/08-137v3.pdf.

[5]INCITS. Fibre Channel Arbitrated Loop(FC-AL-2).[EB/OL].(1999-06-28)[2011-02-11].http://www.t11.org/ftp/t11/member/fc/al-2/99-524v0.pdf.

[6]BOOCH G. Object-oriented Analysis and Design with Applications[M]. USA:Benjamin/Cummings Publishing Company,1994.

[7]張龍祥.UML與系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2001.

[8]方紅萍，陳和平.信息系統(tǒng)建模研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2006,27(09):3613.

[9]郭寧.UML及建模[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007:66-76.