第三章基于中斷的離散事件仿真

3.1

離散事件仿真3.2

驅(qū)動問題的深入討論3.3事件的類型

仿真是一個(gè)動態(tài)的過程，需要按一定邏輯去處理許多任務(wù)。仿真可以比擬成人的走路。人在走路中，不僅要有骨骼、肌肉等人體運(yùn)動結(jié)構(gòu)的支持，還需要腦和神經(jīng)系統(tǒng)的指揮。同樣地，仿真不僅需要一個(gè)由圖形語言和代碼所構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)，還需要有一個(gè)驅(qū)動機(jī)制，去指引仿真中各個(gè)動作邏輯有序地進(jìn)行。3.1

離散事件仿真一仿真事件表在OPNET仿真中，事件是指狀態(tài)的變化，如數(shù)據(jù)源發(fā)送數(shù)據(jù)包、定時(shí)器超時(shí)、信道空閑與繁忙的轉(zhuǎn)變等，都構(gòu)成了事件。而中斷是對事件的處理。

事件和中斷是一對相互關(guān)聯(lián)的范疇。一般地，一個(gè)事件總會引起一個(gè)中斷。但此中斷不一定真正去執(zhí)行，例如用事件類核心函數(shù)op_ev_cancel()可以刪除已經(jīng)預(yù)設(shè)（schedule）但尚未執(zhí)行（excution）的事件。

事件和中斷在OPNET的仿真中發(fā)揮著極其重要的作用，可以說，OPNET仿真就是一系列事件和中斷相互引發(fā)、交替作用的動態(tài)過程。在這個(gè)過程中，需要對事件進(jìn)行有效管理。OPNET是通過仿真事件表（SimulationEvnetList）來完成這項(xiàng)工作的。

仿真事件表是一個(gè)動態(tài)的列表，包括時(shí)間、事件標(biāo)識、中斷類型、源、數(shù)據(jù)和執(zhí)行模塊等屬性：時(shí)間(time)：表征事件執(zhí)行的仿真時(shí)間，為非負(fù)的雙精度浮點(diǎn)值。事件（event）：包括執(zhí)行ID、調(diào)度ID和中斷類型源（source）：表示事件產(chǎn)生的模塊及源模塊中事件的執(zhí)行ID。數(shù)據(jù)（data）：包括輸入流標(biāo)識（instrmID）、數(shù)據(jù)包標(biāo)識（PacketID）、代碼（code）等事件信息。模塊（module）：表征仿真事件的執(zhí)行模塊。事件屬性的觀察方法

在ODB窗口中截取的rx_sink模塊的一個(gè)事件的屬性實(shí)例

事件執(zhí)行的仿真時(shí)間約為16秒；事件的執(zhí)行ID為70，調(diào)度ID為78，處理事件的中斷類型為流中斷；源模塊為rx節(jié)點(diǎn)的radio_receiver，源模塊的流中斷事件的執(zhí)行ID為68；執(zhí)行模塊是rx節(jié)點(diǎn)的rx_sink；數(shù)據(jù)中輸入流號為0，數(shù)據(jù)包ID為11。

我們還可以用一個(gè)模塊間的接收過程，將上述事件的主要屬性串接起來，以便更好地理解其中的內(nèi)涵：作為接收機(jī)的源模塊收到來自接收天線的一個(gè)數(shù)據(jù)包（ID=11），發(fā)給instrm為0的包流線，并通過仿真內(nèi)核預(yù)設(shè)了包流線的輸出節(jié)點(diǎn)——rx_sink中的事件（流中斷事件），執(zhí)行的仿真時(shí)間約為16秒。在OPNET中，對仿真事件表的管理是由仿真內(nèi)核（SimulatonKernel,SK）施行的。仿真內(nèi)核是OPNET中的控制中心。如果將OPNET仿真平臺比擬成一臺計(jì)算機(jī)，那么仿真內(nèi)核就是CPU。在仿真中，仿真內(nèi)核能夠?qū)κ录M(jìn)行管理和調(diào)度進(jìn)程。二離散事件驅(qū)動

在實(shí)際應(yīng)用中，仿真要對網(wǎng)絡(luò)通信的某個(gè)過程進(jìn)行模擬；而網(wǎng)絡(luò)通信涉及諸多的協(xié)議，節(jié)點(diǎn)、實(shí)體間彼此又相互作用。因此，仿真必然涉及許多的事件和中斷。而這些事件中，一個(gè)事件可能是由另一個(gè)事件觸發(fā)的，彼此間存在著復(fù)雜的時(shí)序關(guān)系和邏輯關(guān)系。如何將這些紛繁復(fù)雜的事件進(jìn)行合理的調(diào)度并有效地控制進(jìn)程的行為，是仿真中的核心問題。OPNET采用了一種稱為離散事件驅(qū)動(DiscreteEventDriven)的仿真機(jī)制，其基本思想如下所述：盡管物理世界的網(wǎng)絡(luò)通信是連續(xù)發(fā)生、進(jìn)行的，但我們總可以將其分解為離散的事件。而離散事件總是在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生的，不發(fā)生事件的時(shí)間段本質(zhì)上對我們的仿真不產(chǎn)生任何影響。因此，盡管時(shí)間是連續(xù)的，我們可以僅對事件發(fā)生的離散時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行處理，從而簡化仿真的模型和過程。下面我們以simple_source進(jìn)程為例，描述離散事件驅(qū)動的主要過程。

在仿真開始時(shí)刻（仿真時(shí)間為0），通常要對進(jìn)程進(jìn)行初始化。這種對進(jìn)程進(jìn)行初始化的事件稱為初始仿真（BeginSimulation，BEGSIM）事件。初始事件是在進(jìn)程接口（ProcessInterface）的begsimintrpt屬性中設(shè)置的：

初始事件的設(shè)置

當(dāng)設(shè)為使能時(shí)，初始化代碼將在仿真開始后最先執(zhí)行。初始化代碼位于進(jìn)程的初始狀態(tài)中，以箭頭表征：

在仿真開始前，仿真內(nèi)核按照進(jìn)程的優(yōu)先級，將這些初始事件加入到仿真事件表中。在OPNET仿真中，還涉及一個(gè)仿真控制權(quán)的概念。由于一般情況下，離散事件仿真是在串行計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的，同一時(shí)刻只能處理一個(gè)事件。一個(gè)實(shí)體要對事件進(jìn)行處理，必須獲取執(zhí)行仿真的權(quán)利，我們稱這種權(quán)利為仿真控制權(quán)。

仿真開始后，仿真內(nèi)核將首先執(zhí)行位于表頭的事件，并將仿真控制權(quán)轉(zhuǎn)給模塊1。模塊1獲得控制權(quán)后，將執(zhí)行該模塊進(jìn)程模型的初始狀態(tài)，進(jìn)行進(jìn)程的初始化，通常包括讀取對象屬性、注冊統(tǒng)計(jì)量和設(shè)置自中斷等工作。其中，自中斷可預(yù)設(shè)未來的中斷事件，可通過中斷函數(shù)集中的自中斷函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的作用為調(diào)用函數(shù)預(yù)設(shè)一個(gè)中斷事件。自中斷函數(shù)的調(diào)用形式為：op_intrpt_schedule_self(time,code)其中，第一個(gè)參數(shù)time為double型，表示預(yù)設(shè)事件的執(zhí)行時(shí)間；該值為絕對仿真時(shí)間，而不是當(dāng)前仿真時(shí)間的時(shí)延。第二個(gè)參數(shù)是用戶自定義的中斷代碼，用以標(biāo)識該自中斷。simple_source進(jìn)程初始狀態(tài)中包產(chǎn)生的啟動自中斷代碼如下：//Scheduleaselfinterruptthatwillindicateourstarttimefor//packetgenerationactivities.Ifthesourceisdisabled,//scheduleitatcurrenttimewiththeappropriatecodevalue.if(start_time==SSC_INFINITE_TIME) { op_intrpt_schedule_self(op_sim_time(),SSC_STOP); }else { op_intrpt_schedule_self(start_time,SSC_START); …… }

模塊1在獲得控制權(quán)后，若其初始狀態(tài)為非強(qiáng)制狀態(tài)（unforcedstate），則執(zhí)行完入口（EnterExecs）程序后，模塊1停止運(yùn)行，并等待激活，進(jìn)入阻塞狀態(tài)。同時(shí)，把控制權(quán)歸還仿真內(nèi)核。仿真內(nèi)核在獲得控制權(quán)后，首先將已處理的事件（即表頭事件）刪除，并將自中斷引發(fā)的預(yù)設(shè)事件按執(zhí)行時(shí)間加入到仿真事件表中。若初始狀態(tài)為強(qiáng)制狀態(tài)，則繼續(xù)執(zhí)行至下一狀態(tài)。直至到達(dá)一個(gè)非強(qiáng)制狀態(tài)，再執(zhí)行入口后阻塞和轉(zhuǎn)讓控制權(quán)。

執(zhí)行上一事件表表頭的初始事件后，仿真內(nèi)核將其從列表中刪除，并加入模塊1的自事件，如下表所示：

之后，仿真內(nèi)核將控制權(quán)轉(zhuǎn)讓給模塊2，執(zhí)行相應(yīng)的初始事件，并按上述排序規(guī)則加入模塊2的自事件（自事件2）。應(yīng)該指出，自事件2不一定是在自事件1后面。事實(shí)上，若自事件2的執(zhí)行時(shí)間小于t，則其將被插入到自事件1之前。

以此類推，當(dāng)執(zhí)行完初始事件n后，將執(zhí)行表頭的自事件。此時(shí)，仿真內(nèi)核將控制權(quán)轉(zhuǎn)讓至生成該自事件的模塊。該模塊將從阻塞中被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行初始狀態(tài)的出口程序，并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)中。若下一個(gè)狀態(tài)為非強(qiáng)制狀態(tài)，則執(zhí)行入口程序后，阻塞并返回控制權(quán)；若為強(qiáng)制狀態(tài)，則繼續(xù)執(zhí)行下一狀態(tài)，直至執(zhí)行到非強(qiáng)制狀態(tài)。

隨著狀態(tài)的執(zhí)行，進(jìn)程還會預(yù)設(shè)其他類型的事件，如流事件、遠(yuǎn)程事件等。這些事件將按照執(zhí)行時(shí)間的先后插入到時(shí)間表中；若執(zhí)行時(shí)間相同，則按優(yōu)先級及自然順序排序。如上所述，事件處理（即中斷）將導(dǎo)致仿真內(nèi)核的控制權(quán)轉(zhuǎn)讓，得到控制權(quán)的進(jìn)程將執(zhí)行狀態(tài)，狀態(tài)代碼

又會生成新的事件。就這樣，仿真像一臺啟動的機(jī)器連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，直到事件表已空或仿真時(shí)間已經(jīng)到達(dá)，才停止運(yùn)行。

3.2

驅(qū)動問題的深入討論

為了進(jìn)一步理解離散事件驅(qū)動，我們將以下問題提煉出來做專題討論。

一深刻理解仿真事件中的時(shí)間在仿真事件表中，事件是以仿真執(zhí)行時(shí)間排序的。執(zhí)行時(shí)間是一個(gè)單向遞增的過程，其只向前或保持不變，不會向后發(fā)展，這和我們的物理世界中的時(shí)間是一致的。

執(zhí)行時(shí)間反應(yīng)真實(shí)的物理現(xiàn)象的時(shí)間規(guī)律。例如，在數(shù)據(jù)包產(chǎn)生中，我們經(jīng)常根據(jù)通信中的業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，假設(shè)為泊松分布，到達(dá)時(shí)間間隔服從于指數(shù)分布。我們可以將自中斷函數(shù)的時(shí)間參數(shù)設(shè)置為一個(gè)具有指數(shù)分布的隨機(jī)變量，從而預(yù)設(shè)具有泊松分布的多個(gè)自事件；再通過自事件的調(diào)用，生成具有泊松分布的業(yè)務(wù)量，客觀反映實(shí)際業(yè)務(wù)的規(guī)律。

在離散事件驅(qū)動中，只有執(zhí)行時(shí)間才是有效的時(shí)間；本質(zhì)上，我們在非執(zhí)行時(shí)間中什么也不做。而且在執(zhí)行一個(gè)事件的過程中執(zhí)行時(shí)間總是不變的。事實(shí)上，執(zhí)行一個(gè)事件的過程就是仿真內(nèi)核將控制權(quán)轉(zhuǎn)讓給執(zhí)行事件的進(jìn)程，進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)代碼，直到執(zhí)行至非強(qiáng)制狀態(tài)，并執(zhí)行入口代碼后阻塞，并返回給仿真內(nèi)核的過程。該過程中仿真時(shí)間不會變化。執(zhí)行時(shí)間不同于在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真的時(shí)間（我們稱之為仿真運(yùn)行時(shí)間）。盡管仿真運(yùn)行時(shí)間也是單向遞增的，但其不會出現(xiàn)同時(shí)發(fā)生的情況，同時(shí)也不會產(chǎn)生跳躍。仿真運(yùn)行時(shí)間總是線性地遞增，不可能發(fā)生非線性地跳躍。

二同一時(shí)刻的事件排序

我們知道，在仿真事件表中，同時(shí)發(fā)生的事件是按優(yōu)先權(quán)排序的。那么優(yōu)先權(quán)又是如何確定的呢？OPNET提供了對象優(yōu)先權(quán)和中斷優(yōu)先權(quán)兩種方法。

對象優(yōu)先權(quán)適合確定不同執(zhí)行模塊下事件的優(yōu)先權(quán)。仿真內(nèi)核用優(yōu)先權(quán)速率（priorityrating）來決定對象優(yōu)先權(quán)的高低。仿真速率可視為二個(gè)參數(shù)的函數(shù)：模塊優(yōu)先權(quán)：適用于處理器和隊(duì)列模塊。節(jié)點(diǎn)和子網(wǎng)優(yōu)先權(quán)：適用于包含模塊的節(jié)點(diǎn)和直接包含模塊的子網(wǎng)。

對象優(yōu)先權(quán)適合確定不同執(zhí)行模塊下事件的優(yōu)先權(quán)。仿真內(nèi)核用優(yōu)先權(quán)速率（priorityrating）來決定對象優(yōu)先權(quán)的高低。仿真速率可視為二個(gè)參數(shù)的函數(shù)：模塊優(yōu)先權(quán)：適用于處理器和隊(duì)列模塊。節(jié)點(diǎn)和子網(wǎng)優(yōu)先權(quán)：適用于包含模塊的節(jié)點(diǎn)和直接包含模塊的子網(wǎng)。

對象優(yōu)先權(quán)的比較規(guī)則如下，其中節(jié)點(diǎn)（X）表示包含模塊X的節(jié)點(diǎn)，子網(wǎng)（X）表示直接包含節(jié)點(diǎn)（X）的子網(wǎng)。A.超級優(yōu)先權(quán)使能并且B.超級優(yōu)先權(quán)未使能子網(wǎng)(A).優(yōu)先權(quán)>子網(wǎng)(B).優(yōu)先權(quán)子網(wǎng)(A).優(yōu)先權(quán)=子網(wǎng)(B).優(yōu)先權(quán)并且節(jié)點(diǎn)(A).優(yōu)先權(quán)>節(jié)點(diǎn)(B).優(yōu)先權(quán)子網(wǎng)(A).優(yōu)先權(quán)=子網(wǎng)(B).優(yōu)先權(quán)并且節(jié)點(diǎn)(A).優(yōu)先權(quán)=節(jié)點(diǎn)(B).優(yōu)先權(quán)并且A.優(yōu)先權(quán)>B.優(yōu)先權(quán)A優(yōu)先權(quán)高于B優(yōu)先權(quán)

那么，多個(gè)事件在同一模塊中同時(shí)執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先權(quán)是如何確定的呢？OPNET采用了中斷優(yōu)先權(quán)方法。不同于對象優(yōu)先級，中斷優(yōu)先權(quán)是基于進(jìn)程，而非基于模塊的（或者說是基于模型，而非基于對象的），可通過模型代碼實(shí)現(xiàn)。OPNET中斷函數(shù)集提供了op_intrpt_priority_set()核心函數(shù)，可以對中斷優(yōu)先權(quán)進(jìn)行設(shè)置。

op_intrpt_priority_set()函數(shù)包含三個(gè)參數(shù)：類型（type）：中斷的類型，如自中斷、流中斷、統(tǒng)計(jì)中斷等。代碼（code）：用戶自定義的中斷號。例如：對于流中斷來說，表示輸入流的索引號。優(yōu)先權(quán)（priority）：優(yōu)先權(quán)值，默認(rèn)值為0。3.3事件的類型

以上介紹的事件都是通過“調(diào)度”的方式執(zhí)行的，即仿真事件被按執(zhí)行時(shí)間或優(yōu)先權(quán)及自然順序插入仿真事件表；仿真內(nèi)核執(zhí)行事件表的表首事件，調(diào)度該事件所對應(yīng)的模塊進(jìn)程；進(jìn)程執(zhí)行至非強(qiáng)制狀態(tài)的入口結(jié)束，阻塞并交還控制權(quán)。調(diào)度是OPNET中最為常用的一種事件類型，大多數(shù)仿真都是依靠調(diào)度驅(qū)動的。調(diào)度型事件只能執(zhí)行到非強(qiáng)制狀態(tài)的入口代碼結(jié)束，才能執(zhí)行其他事件。反映在數(shù)據(jù)包傳輸上，發(fā)送模塊通過op_pk_send()產(chǎn)生流中斷，接收模塊獲得控制權(quán)后才能獲取數(shù)據(jù)包。如果接收模塊需要在執(zhí)行進(jìn)程代碼的過程中，立即接收數(shù)據(jù)包；接收之后，再繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)程代碼。這該怎么實(shí)現(xiàn)呢？顯然，用調(diào)度型事件是無能為力的。為了解決這個(gè)問題，OPNET提出了一種稱為“強(qiáng)制”的事件類型。調(diào)度型事件只能執(zhí)行到非強(qiáng)制狀態(tài)的入口代碼結(jié)束，才能執(zhí)行其他事件。反映在數(shù)據(jù)包傳輸上，發(fā)送模塊通過op_pk_send()產(chǎn)生流中斷，接收模塊獲得控制權(quán)后才能獲取數(shù)據(jù)包。如果接收模塊需要在執(zhí)行進(jìn)程代碼的過程中，立即接收數(shù)據(jù)包；接收之后，再繼續(xù)執(zhí)行進(jìn)程代碼。這該怎么實(shí)現(xiàn)呢？顯然，用調(diào)度型事件是無能為力的。為了解決這個(gè)問題，OPNET提出了一種稱為“強(qiáng)制”的事件類型。

不同于調(diào)度事件，強(qiáng)制事件的發(fā)起模塊，在產(chǎn)生一個(gè)接入中斷后，將掛起（suspended）正在執(zhí)行的進(jìn)程，而立即去執(zhí)行接入中斷指向的流輸入進(jìn)程。執(zhí)行完數(shù)據(jù)流的輸入進(jìn)程后，再返回原進(jìn)程，從被掛起的地方繼續(xù)執(zhí)行代碼。

下面以被動隊(duì)列為例，描述強(qiáng)制執(zhí)行方式。下圖為一個(gè)包含被動隊(duì)列的節(jié)點(diǎn)模型。圖中，數(shù)據(jù)包從Upstream處理器模塊，經(jīng)Passive_Queue隊(duì)列模塊，到達(dá)Downstream處理器模塊；模塊間是通過包流線（packetstream）連接的。

該實(shí)例中，Passive_Queue隊(duì)列接收來自Upstream的數(shù)據(jù)包，但其不會主動傳遞數(shù)據(jù)包。該隊(duì)列將等待外界中斷（來自其前向模塊Downstream的接入中斷）的觸發(fā)，才向前傳包。為此，處理器Downstream將執(zhí)行op_strm_access()，該函數(shù)為被動隊(duì)列中的進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)制性的接入中斷（AccessInterrupt）。op_strm_access()僅有一個(gè)整型的函數(shù)參數(shù)instrm_index，表征輸入流的索引號。處理器Downstream中相關(guān)的進(jìn)程代碼如下：/*Requestapacketfromthequeue.*/op_strm_access(INPUT_STREAM);/*Testifapackethasarrived.Ifso,forwardit.*/if(op_strm_empty(INPUT_STREAM)==OPC_FALSE){pk=op_pk_get(INPUT_STREAM);op_pk_send(pk,INPUT_STREAM);}當(dāng)執(zhí)行完op_strm_access()函數(shù)時(shí)，Downstream將程序掛起（阻塞），并將仿真控制權(quán)返回給仿真內(nèi)核。請讀者對比：調(diào)度方式下，執(zhí)行完非強(qiáng)制狀態(tài)入口代碼后的驅(qū)動過程。仿真內(nèi)核將調(diào)用Passive_Queue隊(duì)列，轉(zhuǎn)交控制權(quán)。被動隊(duì)列獲得控制權(quán)后，將查詢是否有可傳的數(shù)據(jù)包；若有，則傳遞數(shù)據(jù)包。隊(duì)列Passive_Queue中的相關(guān)代碼如下：/*ARequesthasbeenmadetoaccessthequeue:checkifitisempty.*/if(!op_supq_empty(SUBQ)){/*Removethefirstpacket.*/pk=op_supq_pk_remove(SUBQ,OPC_QPOS_