網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與建模

張軍++劉文杰

摘 要： 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器往往運(yùn)算量大、操作復(fù)雜，造成控制器自身對(duì)網(wǎng)絡(luò)非波動(dòng)數(shù)據(jù)持有時(shí)間過短、通信誤差偏大等缺陷。為此，設(shè)計(jì)一種更加智能化、實(shí)用化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器。所設(shè)計(jì)的控制器通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型，給出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)的最優(yōu)控制方案，并使用AT91SAM9260微處理器對(duì)其進(jìn)行提取。AT91SAM9260微處理器將最優(yōu)控制方案插入到網(wǎng)絡(luò)初始數(shù)據(jù)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)中，對(duì)數(shù)據(jù)波動(dòng)小、干擾參數(shù)少的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聚集控制，對(duì)相反類型的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)的持有時(shí)間較長(zhǎng)，并具有極小的通信誤差，與傳統(tǒng)控制器相比，其性能更加優(yōu)異、應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)； 數(shù)據(jù)波動(dòng)； 控制器； 建模

中圖分類號(hào)： TN711?34； TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）12?0043?03

Abstract： The computation burden of the traditional network data fluctuation controller is often heavy， and its operation is complex， which may cause the phenomena that the controller itself has too short time to hold the non?fluctuation data of network， and communication error is big. Therefore， a more intelligent and practical controller against network data fluctuation is designed. The designed controller provides the optimal control scheme of the network data fluctuation by building a network data fluctuation control model， employs AT91SAM9260 microprocessor to extract the optimal control scheme， and inserts it into the corresponding node of the network initial data to make an aggregated control for the networks with small data fluctuation and less interference parameters and make the distribution control for the contrary types of networks. The experimental results show that the designed controller has a long hold time for non? fluctuation data， and little communication error. Compared with the traditional controller， it has more outstanding performance and more extensive application fields.

Keywords： network； data fluctuation； controller； modeling

0 引 言

隨著電子科技的不斷發(fā)展壯大，網(wǎng)絡(luò)已成為人們生活中必不可少的通信工具，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量也越來越多，因網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失和通信誤差，已逐漸導(dǎo)致一些重大安全隱患出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器由此產(chǎn)生[1?3]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器往往運(yùn)算量大、操作復(fù)雜，造成控制器自身對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)持有時(shí)間過短、通信誤差偏大等缺陷。為此，近年來設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器已不斷向著更加智能化、實(shí)用化的方向發(fā)展，使控制器的性能更加優(yōu)異、應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。

1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型的建立

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)[4?6]通信中，數(shù)據(jù)通常以數(shù)據(jù)包的狀態(tài)被傳遞到相應(yīng)用戶節(jié)點(diǎn)，通信工作能否順利完成與網(wǎng)絡(luò)帶寬有很大關(guān)系。如果數(shù)據(jù)包容量超出網(wǎng)絡(luò)帶寬所能承受的最大載荷，數(shù)據(jù)包中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)便會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。此時(shí)，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器需要通過建模方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，旨在將超出網(wǎng)絡(luò)帶寬載荷的數(shù)據(jù)包劃分成若干個(gè)最佳通信容量數(shù)據(jù)包，以增加控制器對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)的持有時(shí)間，縮小通信誤差。圖1為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型結(jié)構(gòu)圖。

從圖1可以看出，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型劃分成最佳通信容量的數(shù)據(jù)包，其通信路徑也不盡相同。此時(shí)，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器最終接收到的網(wǎng)路數(shù)據(jù)有可能發(fā)生順序顛倒，為此，在控制模型與控制器之間加入一臺(tái)緩沖設(shè)備，緩沖設(shè)備會(huì)將規(guī)定任務(wù)時(shí)間內(nèi)的用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起并進(jìn)行排序，再傳遞到所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器中進(jìn)行控制。

通過分析式（4）中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型，能夠給予所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器最優(yōu)控制方案，進(jìn)而縮減控制器運(yùn)算量、簡(jiǎn)化控制器使用步驟。通過變更控制模型的參數(shù)取值并進(jìn)行對(duì)比分析，還能夠進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)影響控制器性能的因素，便于進(jìn)行控制器的后期維護(hù)工作。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型，給出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器的整體設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。由圖2可知，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器由輸入模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊和可視化模塊組成。

2.2 控制器聚集控制設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型能夠得知網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的具體波動(dòng)情況。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小、干擾參數(shù)較少的情況下，為了延長(zhǎng)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)的持有時(shí)間，控制器將自動(dòng)選擇聚集控制方式來進(jìn)行對(duì)被控網(wǎng)絡(luò)的控制工作。

在聚集控制中，被控網(wǎng)絡(luò)中的最佳通信容量數(shù)據(jù)包將被統(tǒng)一傳遞到控制模塊，形成一種映照式的拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)將統(tǒng)一制定控制細(xì)節(jié)，在大體上平復(fù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型的幫助下，聚集控制中各最佳通信容量數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)是可隨意進(jìn)行交互的，這使得控制器的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，符合設(shè)計(jì)初衷。

2.3 控制器分布控制設(shè)計(jì)

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大、干擾參數(shù)較多的情況下，為了縮小所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器的通信誤差，控制器將選擇分布控制方式來進(jìn)行對(duì)被控網(wǎng)絡(luò)的控制工作，如圖4所示。

由圖4可知，分布控制與聚集控制是相對(duì)應(yīng)的，即只有在前一個(gè)最佳通信容量數(shù)據(jù)包的控制工作結(jié)束，并且將控制結(jié)果傳遞到下一個(gè)最佳通信容量數(shù)據(jù)包后，控制模塊才會(huì)開始進(jìn)行下次控制工作。分布控制擁有回路式橫向數(shù)據(jù)流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后面的最佳通信容量數(shù)據(jù)包能夠接收到前面最佳通信容量數(shù)據(jù)包的控制結(jié)果，并根據(jù)控制結(jié)果的成功與否對(duì)下次控制工作的方案進(jìn)行調(diào)整。這種控制方式的控制效果非常好，但控制效率不如聚集控制，因此在實(shí)際應(yīng)用中，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器通常將聚集控制和分布控制交互使用，以令控制器的性能更加優(yōu)異、應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)使用OPNET軟件對(duì)本文控制器、基于非線性控制的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器和基于停留時(shí)間方法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。OPNET軟件通過模擬被控網(wǎng)絡(luò)的性能和參數(shù)，并調(diào)試上述三種控制器所建立的控制模型，對(duì)控制器非波動(dòng)數(shù)據(jù)持有時(shí)間和通信誤差的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輸出。

3.1 非波動(dòng)數(shù)據(jù)持有時(shí)間驗(yàn)證

OPNET軟件給出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)軌跡能夠直接反映出控制器對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)持有時(shí)間，如圖5～圖7所示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)軌跡穩(wěn)定得越快，證明控制器控制效果的穩(wěn)定性越好，控制器對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)持有時(shí)間就越長(zhǎng)。

從圖5～圖7中能夠非常明顯地看出，本文控制器中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)軌跡穩(wěn)定的最快，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降?7個(gè)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，被控網(wǎng)絡(luò)中便已經(jīng)不存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)，證明本文控制器對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)具有較長(zhǎng)的持有時(shí)間。

3.2 通信誤差驗(yàn)證

表1為三種控制器通信誤差輸出結(jié)果，從中能夠看出，本文控制器的通信誤差極小，不高于0.15 cm，證明其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，能夠較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)初衷。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)一種更加智能化、實(shí)用化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制器，其由輸入模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊和可視化模塊組成。輸入模塊內(nèi)包含網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)波動(dòng)控制模型和網(wǎng)絡(luò)初始數(shù)據(jù)?？刂颇K是控制器中最重要的模塊，其核心是AT91SAM9260微處理器。存儲(chǔ)模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)設(shè)備和通信接口?？梢暬K包括同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和可視化插件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)非波動(dòng)數(shù)據(jù)的持有時(shí)間較長(zhǎng)，并且具有極小的通信誤差。

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