连续时间的优先级完全服务与限定服务轮询系统研究

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轮询为系统服务资源分配提供了非竞争的访问控制机制,其控制实现过程简洁可靠,可以有效避免接入对象间的竞争冲突,特别在高负载情况下能够获得较优的共享资源利用率。近几十年来,国内外学者对轮询系统的理论研究一直在不断充实和发展,对轮询系统的理论研究取得了丰硕的成果。轮询系统的研究成果也广泛应用于工业控制、通信网络、生产管理和经济发展预测等领域。应用轮询系统模型分析实际问题,对计算机系统及通信网络QoS进行研究,可以定量地分析网络系统性能、评估网络的服务质量。因此,进一步深入对轮询系统的研究有着很重要的现实的意义。轮询系统模型是典型的多队列多服务器排队系统架构,服务器按照队列的次序周期性地访问各个队列。控制过程包括顾客进入队列的到达过程、服务器在队列间的查询转换过程和服务器对各个队列的服务过程,服务器的服务方式可分为门限、完全和限定服务三类基本策略。所以,轮询系统是由三个n维随机过程组成的复杂系统。由此可见,对其一阶系统特性分析如平均排队队长、平均查询周期和二阶系统特性如平均等待时间的精确解析都有很大的难度。应用概率论、排队论、随机过程等理论工具,结合工业过程控制、多址接入控制、资源分配调度等实际应用过程的控制机理,建立起相应的数学分析模型,精确解析出系统的关键性能参数表达式(如平均排队队长、平均查询周期、吞吐量、平均等待时延等),对系统进行定量的性能评估是轮询系统研究的主要内容和难点。由于实际应用需求的不断提升,系统结构的日趋复杂,轮询系统的分析和研究的难度也在不断增大。在近二十年时间里,随着微电子技术与通信理论的迅速发展,通信网络获得了跨越式的发展。由于系统服务资源毕竟是有限的,MAC层协议作为决定资源使用权的技术是提高整体网络性能的重要保障。MAC机制不仅能使共享资源得到充分利用,同时还影响着上层协议的性能实现。所以,高效的MAC机制是系统支持QoS的关键。如何设计出高效的MAC层协议是一个有价值的课题研究方向。随着网络的发展和多媒体业务需求的提升,就需要突破单一轮询服务控制策略的均衡思想,在周期性的访问基础上拓展多样化查询服务次序和混合服务策略等控制措施,使得系统服务性能得到更大的优化和完善。目前,为多优先级业务提供实时的、较优鲁棒性的和高质量的QoS保证是轮询问题研究的热点。本论文在国家自然科学基金项目(No.61072079,“轮询系统理论演进及应用控制协议研究”)、国家自然科学基金项目(No.60362001,“通信网络中动态优先级控制理论及方法研究”)、中央与地方共建高等学校特色优势学科“网络通信与无线通信技术实验室”项目和云南大学理(工)科校级科研项目(No.2007Q021C,“多队列多服务器轮询系统控制策略研究”)的支持下,在两级优先级控制轮询系统模型和概率流控的轮询系统模型详细研究的基础上,重点对通信与计算机领域媒体接入控制MAC协议的控制策略做了比较深入系统的分析和优化,并取得了一些创新性的研究成果,主要创新内容包括:1、论文在总结、归纳门限、完全和限定服务基本轮询系统的控制机理、排队系统建模、对关键性能指标的数学解析过程、仿真实验和系统性能分析的基础上,综合分析了三个基本排队系统的典型特点,指出传统系统体系结构的固有不足,难以满足网络服务进入更高层次的应用需求。从优化与改进查询顺序、服务策略和服务顺序三个基本要素入手,提出了完全与限定混合服务策略控制的两级优先级站点轮询系统,确保了通信网络中高优先级业务的顾客得到更优质网络服务质量保证,优化了系统性能。2、本文进一步以排队理论为基础,采用嵌入式Markov链、多维概率母函数和LST变换等数学分析工具,为该轮询系统及其拓展系统构造出相对完善的数学模型,推导出系统状态变量的概率母函数,并对中心站点和普通站点的平均等待队长、平均查询周期和顾客的平均排队时延进行精确的数学解析和仿真实验分析。理论计算和仿真实验对比分析的结果说明了理论分析与实验的一致性。新的轮询系统模型中实现了区分不同优先级的控制以满足基于优先级服务的实际需求,优化和提高了系统性能,具有较好的公平性、灵活性和针对性。3、本文还提出概率流控的完全服务与限定服务轮询系统,系统模型中各站点信息分组按M/G/1规则,以多重休假和按特定几何概率p批量到达。该模型同样采用嵌入式Markov链和多维概率母函数方法,在连续时间状态下对系统模型进行解析。又采用数值分析和计算机仿真实验方法,在系统运行环境和初始参数相同的情况下,从信息分组到达率、服务时间、系统转换时间以及几何概率p变化等方面进行分析。理论数值分析和计算机仿真实验具有较好的一致性验证了系统模型理论分析的有效性。最后通过系统性能分析验证了该模型除了仍具有优先级完全服务与限定(K=1)服务轮询系统的优点外,通过引入几何概率p的分析方法,起到了业务流量控制(0<p<1)、休眠(p=0)和唤醒(p=1)的功能,使得系统模型在应用研究中更有实用价值。4、本文以Web服务器集群系统、片上网络系统NoC (Network on Chip)以及无线传感器网络WSNs的媒体接入控制MAC协议的调度策略为主要研究对象,详细分析了以上三种网络系统的特点和服务需求,基于优先级的轮询调度算法分别对Web服务器集群系统的负载均衡调度策略、片上网络的仲裁器调度策略(Arbitration policy)和无线传感器网络的分簇调度控制策略做进一步科学的优化,建立了相应的理论模型,完成了对系统性能关键参数的数学解析和仿真实验,结果证明了新的调度策略能基于不同的优先级需求提供针对性的服务质量保障,优化网络系统性能,减低了系统开销,对系统性能的提高有较好的帮助。最后对全文的主要工作及创新点进行了总结,并讨论了论文不完善的方面,指出课题今后研究的方向。
摘要第12-15页
Abstract第15-18页
第一章 绪论第19-33页
    1.1 轮询系统概况第19-30页
        1.1.1 轮询控制策略的应用实践第19-22页
        1 1.2 轮询系统理论研究的发展第22-28页
            1.1.2.1 轮询系统的基本排队模型第22-23页
            1.1.2.2 早期的轮询系统理论研究第23-24页
            1.1.2.3 计算机网络时代的轮询系统理论研究第24-26页
            1.1.2.4 优先级的轮询系统理论研究第26-28页
        1.1.3 轮询系统在通信网络MAC协议中的应用第28-30页
    1.2 本文的研究意义和创新第30-31页
    1.3 本文的课题来源和内容安排第31-33页
        1.3.1 课题来源第31页
        1.3.2 内容安排第31-33页
第二章 轮询系统基本排队模型第33-52页
    2.1 引言第33-34页
    2.2 门限服务轮询系统第34-39页
        2.2.1 数学模型第34-36页
        2.2.2 一阶和二阶特性解析第36-39页
    2.3 完全服务轮询系统第39-44页
        2.3.1 数学模型第40-42页
        2.3.2 一阶和二阶特性解析第42-44页
    2.4 限定(K=1)服务轮询系统第44-49页
        2.4.1 数学模型第45-46页
        2.4.2 一阶特性解析第46-49页
    2.5 三类基本轮询系统的性能比较第49-51页
    2.6 本章小结第51-52页
第三章 连续时间优先级完全服务与限定(K=1)服务轮询系统第52-67页
    3.1 系统模型第53-58页
        3.1.1 系统模型和运行机理第53-54页
        3.1.2 随机变量定义第54-55页
        3.1.3 系统运行条件第55页
        3.1.4 系统状态的概率母函数第55-58页
    3.2 系统一阶特性和二阶特性解析第58-61页
        3.2.1 中心队列的平均排队队长第58页
        3.2.2 平均循环周期第58-59页
        3.2.3 系统吞吐量第59页
        3.2.4 普通队列的平均排队队长第59-60页
        3.2.5 顾客的平均时延第60-61页
    3.3 理论计算和系统仿真实验第61-66页
    3.4 本章小结第66-67页
第四章 概率流控的完全服务与限定服务轮询系统第67-80页
    4.1 到达过程中的概率流量控制模型第67-73页
        4.1.1 系统模型和运行机理第67-68页
        4.1.2 随机变量定义第68-69页
        4.1.3 系统运行条件第69-70页
        4.1.4 系统状态的概率母函数第70-73页
    4.2 系统一阶特性和二阶特性解析第73-76页
        4.2.1 中心队列的平均排队队长第73页
        4.2.2 平均循环周期第73-74页
        4.2.3 系统吞吐量第74页
        4.2.4 普通队列的平均排队队长第74-75页
        4.2.5 信息分组的平均时延第75-76页
    4.3 理论计算和系统仿真实验第76-79页
    4.4 本章小结第79-80页
第五章 优先级完全服务与限定服务轮询系统应用研究第80-144页
    5.1 Web服务器集群中分配器的轮询控制第80-96页
        5.1.1 Web服务器集群的研究背景第81-84页
            5.1.1.1 Web负载特点和瓶颈分析第81-82页
            5.1.1.2 Web服务器集群系统第82-83页
            5.1.1.3 典型集群的解决方案和层次结构第83-84页
        5.1.2 算法的研究依据和意义第84-86页
        5.1.3 算法控制机理第86-87页
        5.1.4 理论模型及解析第87-91页
        5.1.5 仿真实验分析及性能评估第91-96页
    5.2 片上网络仲裁器区分端口优先级轮询控制第96-114页
        5.2.1 片上网络的研究背景第98-105页
            5.2.1.1 NOC技术的发展概况第98-100页
            5.2.1.2 NOC基本拓扑结构第100-103页
            5.2.1.3 2D Mesh NOC系统结构第103-104页
            5.2.1.4 NoC的通信协议栈第104-105页
        5.2.2 算法的研究依据和意义第105-107页
        5.2.3 调度运行方式第107-108页
        5.2.4 理论模型及解析第108-111页
        5.2.5 实验分析与性能评估第111-114页
    5.3 无线传感器网络中汇聚节点优先级路由轮询控制策略第114-142页
        5.3.1 无线传感器网络的研究背景第115-124页
            5.3.1.1 无线传感器网络的发展概况第115-116页
            5.3.1.2 无线传感器网络的体系结构第116-118页
            5.3.1.3 无线传感器网络的特性第118-120页
            5.3.1.4 无线传感器网络协议栈第120-121页
            5.3.1.5 无线传感器网络的关键技术第121-123页
            5.3.1.6 无线传感器网络的主要应用第123-124页
        5.3.2 算法的研究依据和意义第124-131页
        5.3.3 算法控制机理第131-133页
        5.3.4 理论模型及解析第133-136页
        5.3.5 实验分析与性能评估第136-142页
    5.4 本章小结第142-144页
第六章 全文的总结与展望第144-147页
参考文献第147-166页
攻读博士学位期间完成的工作及取得的成果第166-169页
致谢第169页
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