基于分层思想的基本通信系统CPN建模论文.docx

基于分层思想的基本通信系统CPN建模论文

摘要：针对通信系统建模复杂度高、可靠性差、模型缺乏形式化验证方法以及可重用性差的问题，提出一种基于分层思想，并结合面向对象的概念，利用着色Petri网(CPN)对基本通信系统进行建模的方法。该方法融合CPN和面向对象技术的优点，从形式化、可视化的角度描述基本通信系统的运行过程。以一个简单的基本通信系统为例进行建模，证明该模型与实际系统中的对象可以相互对应，易于理解和实现。关键词：基本通信系统;分层思想;对象子网;着色Petri网;建模1概述随着计算机网络技术的发展，通信系统越来越复杂，体现出空间分布性、并发性、异步性、不稳定性、多样性和实时性等特点，不能仅靠工程直觉方法设计出高质量的系统[1]。基本通信系统由发端设备、收端设备、传输媒介以及三者之间的关系网络构成，是一种较为普遍的通信系统结构。基于计算机技术对基本通信系统进行分析、建模和验证，从而提高系统的可靠性和可维护性，已经成为十分重要和普遍的研究课题。目前，普遍采用面向对象的建模设计方法对基本通信系统进行建模，用UML标准建模语言对模型进行描述。系统的结构模型用类图描述，而系统的动态模型用交互图和顺序图描述。使用UML构建的模型清晰易懂，模型中类的概念可以直接与系统的代码实现相对应。但是，面向对象的分析和设计方法缺乏形式化基础，对建立的模型缺乏严谨的分析和验证手段[2]。作为一种形式化建模方法的Petri网[3]，能够方便有效地描述带有并发性、异步性、分布性、非确定性、并行性的系统，被广泛地应用于基本通信系统的建模。该方法具备强大的数学理论基础和严格的形式化描述。但是，由于模型元素的单义性，容易产生“状态空间爆炸”的问题，并且建立的模型对系统的依赖性很高，也容易导致模型可重用性差。为了解决上述问题，结合着色Petri网[4](ColoredPetriNet,CPN)和面向对象的技术，本文针对基本通信系统，提出了一种基于分层思想[5]的CPN建模方法。利用分层思想对基本通信系统进行划分，降低系统结构的复杂性，减少“状态空间爆炸”的问题;将面向对象的概念引入CPN，并利用CPN中的颜色集描述系统的工作状况，以提高模型的正确性、可维护性和可重用性。2基本通信系统的分层一般来讲，基本通信系统由发送端、接收端以及两者之间的通信关系构成，这也可以视为基本通信系统的第1层。发送端和接收端内部各对象之间，以及对象与外界之间的通信关系定义为第2层。通信关系一般包括建立连接、即时通信与断开连接3种。根据通信关系的不同，确定了对象之间不同的通信内容，从而形成不同的网络结构。同时，不同的通信关系也形成了各个对象内部不同相关的操作与状态。所以，对象内部的操作与状态定义为第3层。其形式定义为：定义1一个基本通信系统为一个三元组：SYS=(O,Net,I)。其中，O表示发送端对象;I表示接收端对象;Net表示根据两者之间的通信关系而确定的网络结构。通信关系一般包括建立连接、即时通信和断开连接3种类型。根据通信关系的不同，可以定义基本通信系统的不同的网络结构。定义2基本通信系统的网络结构为一个四元组：Net=(OBJ,R,ST,G)。其中，OBJ表示非空有限对象子网集合，是由发送对象子网和接收对象子网构成的，即OBJ{OBJ|1,2,,}i=i=n;R表示对象子网间的通信关系集合，即R={建立连接，即时通信，断开连接};ST是替代变迁;G是一种特殊的变迁，称为“门”变迁，起到对象子网间消息传递作用。定义3对象OBJi表示为CPN(既可以是发送对象子网中的对象，也可以是接收对象子网中的对象)，定义为一个九元组：OBJ(,P,T,F,N,C,G,E,I)i=Σ。其中：(1)Σ是非空托肯颜色集合(ColorSet)，决定了在网描述中所使用的token类型、运算和函数;(2)P是有限库所集，P={PP,MP}，PP是基本状态库所，MP={OMP,IMP}是用于对象间消息传递的输入输出消息库所;(3)T是有限变迁集;(4)F是有限弧集，P∩T=P∩F=T∩F=Φ;(5)N是节点函数，定义为N:F→(P×T)U(T×P)，映射每一个弧到一个节点对，且前一个节点为源节点，后一个节点为目标节点，这2个节点类型不同，一个是变迁，另一个是库所;(6)C:P→Σ是颜色函数，把每一个库所p∈P映射到颜色集C(p)，p中每一个token颜色必须属于C(p);(7)G是保护函数，映射T到布尔型;(8)E是一个弧表达式函数，定义为从F到表达式的函数E(f)，使得MS?f∈F:(Type(E(f))=C(p))∧(Type(Var(E(f)))?Σ)，即弧表达式函数映射每个弧f∈F到一个表达式，且这个表达式的类型是C(p)MS，E(f)的每一个求值都生成一个依赖于相邻库所颜色集的多重集;(9