程 禹，趙宏偉，龍曼麗，李玉翠

（1.吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.吉林大學(xué) 公共外語教育學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量可以由許多參數(shù)來評(píng)定，這些參數(shù)主要包括網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和延時(shí)抖動(dòng)等，其中網(wǎng)絡(luò)延時(shí)是評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的重要參數(shù)。很多應(yīng)用諸如視頻通話，在線直播等都需要良好的實(shí)時(shí)性支持，調(diào)度算法的使用能夠很好地保障多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)時(shí)性。EDF調(diào)度算法是一種基于最早截止時(shí)間優(yōu)先調(diào)度的算法，可以有效保證延時(shí)。在實(shí)際應(yīng)用中，EDF算法的調(diào)度分為搶占式的EDF算法和非搶占式的EDF算法。在非搶占式的EDF算法中，一段時(shí)間內(nèi)只能完成一個(gè)任務(wù)，在一個(gè)任務(wù)未完成之前不能調(diào)度其他任務(wù)執(zhí)行，這樣就無法保證動(dòng)態(tài)到來的分組對(duì)延時(shí)的要求。搶占式的EDF算法可以動(dòng)態(tài)地調(diào)用延時(shí)最小的分組，但是在搶占式EDF算法中，搶占會(huì)占用系統(tǒng)的許多資源，而且這些搶占對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說影響很大，是不可忽略的。本文主要針對(duì)以上EDF算法的優(yōu)缺點(diǎn)提出了一些改進(jìn)，并在IEEE8021.6d協(xié)議中驗(yàn)證了改進(jìn)后的EDF算法的優(yōu)越性。

1 非搶占式EDF算法

EDF算法中的分組是以到達(dá)時(shí)間和分組的延時(shí)之和來做參數(shù)插入隊(duì)列的，在EDF算法選擇分組調(diào)度時(shí)選擇到達(dá)時(shí)間和分組的延時(shí)之和最小的分組［1］。每一個(gè)服務(wù)流的QoS中都會(huì)有一個(gè)時(shí)延參數(shù)，假設(shè)這個(gè)參數(shù)為Tdelay，分組到達(dá)的時(shí)間為Tarrive，分組的截止時(shí)間為Tdeadline，有

非搶占式EDF算法比搶占式EDF調(diào)度算法的復(fù)雜度低。非搶占式EDF調(diào)度算法在單一的處理器中，只要開始調(diào)度一個(gè)任務(wù)，則在這個(gè)任務(wù)執(zhí)行完畢之前不能被其他的任務(wù)搶占。這種調(diào)度方式使得搶占的次數(shù)為零，直到任務(wù)執(zhí)行完畢才進(jìn)行線程的轉(zhuǎn)換，所以相對(duì)于搶占式EDF算法來說，這種非搶占式EDF算法的運(yùn)作系統(tǒng)資源消耗比較少。但是，由于非搶占式EDF算法一次只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，并且直到這個(gè)任務(wù)執(zhí)行完才能調(diào)度下一個(gè)任務(wù)，因此不能保證隨時(shí)到來的最高優(yōu)先級(jí)的分組最先被調(diào)度。本文的EDF算法應(yīng)用的對(duì)象為調(diào)度IEEE802.16d協(xié)議中的RTPS服務(wù)流，RTPS服務(wù)流是一種周期性的服務(wù)流，本文討論的非搶占式EDF算法的可調(diào)度性主要基于服務(wù)流的截止時(shí)間等于周期，對(duì)截止時(shí)間小于周期的服務(wù)流不做詳細(xì)的討論［2］?；诜?wù)流的截止時(shí)間等于周期這個(gè)假設(shè)條件，非搶占式EDF算法的可調(diào)度性的充分必要條件是：假設(shè)一個(gè)任務(wù)集有n個(gè)任務(wù)，ei是任務(wù)i的最壞執(zhí)行時(shí)間，pi是任務(wù)i的執(zhí)行周期，任務(wù)是按照周期非遞減的方式排列的。如果下面兩式成立，則說明任務(wù)i在非搶占式EDF方式下的調(diào)度是允許的［3］。

非搶占式EDF算法實(shí)現(xiàn)了搶占次數(shù)的減少，但是卻無法保證最高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)流首先被服務(wù)，因此，本文改進(jìn)EDF算法的主要方向就是在非搶占式EDF算法和搶占式EDF算法之間取得一個(gè)折中。

2 搶占式EDF算法

搶占式EDF算法的運(yùn)作也是基于一些理想的假設(shè)條件，例如搶占時(shí)搶占的代價(jià)是可以忽略不計(jì)的。在這種理想的運(yùn)行狀況下，搶占式EDF算法是單一處理器調(diào)度算法中最優(yōu)的調(diào)度算法。但是，在實(shí)際的實(shí)時(shí)處理器系統(tǒng)中，該算法運(yùn)行的效果比理想的狀況下差很多。特別是對(duì)一些系統(tǒng)資源比較緊張的實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)資源尤其珍貴，搶占式EDF算法發(fā)生搶占時(shí)所占用的資源是無法忽略不計(jì)的，在這種情況下，搶占資源占用系統(tǒng)資源比例大，可能會(huì)影響系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)的運(yùn)行速率。因此，搶占式EDF算法能夠調(diào)度的條件是與系統(tǒng)的處理器的利用率有關(guān)的，要視運(yùn)行搶占式EDF算法時(shí)所用資源占系統(tǒng)資源的比例多少而定［4］。

搶占式EDF算法是根據(jù)數(shù)據(jù)流的最小延時(shí)來排列分組的，具體的計(jì)算方式如式（1）所示。每次都是調(diào)用Tdeadline最小的分組n發(fā)送，當(dāng)在發(fā)送過程中有新的分組j到來時(shí)，一樣按式（1）計(jì)算Tdeadline，如果新來的服務(wù)流j的Tdeadline小于正在發(fā)送的分組n的Tdeadline，則發(fā)生搶占，這也就是所謂的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。這樣EDF算法才能保證在數(shù)據(jù)流分組的截止日期到來之前發(fā)送該數(shù)據(jù)流。對(duì)于可調(diào)度的周期性任務(wù)來說，搶占式EDF算法的可調(diào)度性應(yīng)該滿足：式中：n為任務(wù)集中所有的任務(wù)個(gè)數(shù)［5］。

式（4）是搶占式EDF算法可調(diào)度性的充分必要條件。從式（4）可以看出，只要所有任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間之和不大于所有周期時(shí)間之和，即處理器的利用率不超過百分之百，則搶占式EDF算法就是可調(diào)度的［6］。因此，搶占式EDF算法可以很好地滿足服務(wù)流的延時(shí)需要，保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但是其搶占時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間和資源也是不可忽視的，特別是在資源緊張的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，所以對(duì)于搶占式EDF算法要改進(jìn)，必須從搶占時(shí)所消耗的系統(tǒng)資源來入手。

3 EDF算法的改進(jìn)

在搶占式EDF算法中，系統(tǒng)資源的利用率很高，而且能保證高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)流分組得到最先發(fā)送，但是如果實(shí)時(shí)系統(tǒng)使用搶占EDF算法時(shí)，發(fā)生搶占的次數(shù)太頻繁，這樣的消耗對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說又是很難承受的［7］。非搶占式EDF算法沒有搶占式EDF算法對(duì)系統(tǒng)資源的消耗大，但同時(shí)也無法保證高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)流分組的最先發(fā)送。所以對(duì)EDF算法的改進(jìn)主要從這兩個(gè)方面綜合考慮。原算法的分組是按截止時(shí)間從小到大的順序排隊(duì)，改進(jìn)后考慮服務(wù)流的其他特性，從不同的方面更詳細(xì)地描述服務(wù)流分組的調(diào)度方式，把服務(wù)流的各種特性應(yīng)用到EDF算法的調(diào)度中去，既使得在服務(wù)流分組中的高優(yōu)先級(jí)服務(wù)流優(yōu)先得到服務(wù)，同時(shí)又要對(duì)系統(tǒng)的資源消耗有所降低。

由于在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中傳輸?shù)姆?wù)流的類型具有多樣性，可以讓更多的因素來影響EDF算法調(diào)度的決策，例如，數(shù)據(jù)分組的重要性、數(shù)據(jù)包的剩余時(shí)間、數(shù)據(jù)包的緊迫程度等。在充分考慮分組截止時(shí)間的基礎(chǔ)上，綜合以上各種因素來實(shí)現(xiàn)新的EDF算法的改進(jìn)［8］。改進(jìn)的EDF算法主要涵蓋以下幾個(gè)方面：

（1）時(shí)間特性。原來的EDF算法對(duì)到來的分組插入隊(duì)列的處理都是以截止時(shí)間為參數(shù)，按照從小到大的順序把分組插入到隊(duì)列當(dāng)中，調(diào)用時(shí)首先調(diào)用排在前面的分組。而在搶占式EDF中，因?yàn)榭赡艽嬖诒粨屨嫉姆纸M，所以可以考慮將分組剩余的要執(zhí)行時(shí)間作為參數(shù)來選擇分組發(fā)送，剩余時(shí)間小的優(yōu)先［9-10］。

（2）重要性特性。因?yàn)閿?shù)據(jù)流的特性不同，在一種傳輸中可能有些信息比較重要，例如，控制信息、掉電信息等。如果一些比較重要的信息的截止時(shí)間大，則得不到優(yōu)先服務(wù)，因此，有必要把信息的重要性也考慮到EDF算法調(diào)用中［11］。

（3）順序參考。嚴(yán)格來說，在一個(gè)時(shí)刻同時(shí)到達(dá)多個(gè)服務(wù)流的概率很小，但是可以把微小的一段時(shí)間到達(dá)的服務(wù)流分組看成是同一時(shí)間到達(dá)。所以到來的順序也可以作為EDF算法調(diào)度的一個(gè)參數(shù)之一［12］。

對(duì)于傳統(tǒng)的EDF算法的改進(jìn)要從多方面考慮，綜合選擇參考因素，從以上3個(gè)方面可以把EDF算法調(diào)度的參數(shù)綜合為

本文根據(jù)所調(diào)度服務(wù)流的特性，也對(duì)EDF算法進(jìn)行了合適的改動(dòng)。在本文應(yīng)用IEEE802.16d協(xié)議覆蓋的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)SS站和BS站之間傳送的數(shù)據(jù)服務(wù)流類型幾乎都是一樣的。傳送主要是以MEPG視頻信息為主，但是每個(gè)SS站和BS站相距的距離是不同的，所以每個(gè)服務(wù)流分組的QoS（服務(wù)質(zhì)量保證）參數(shù)中的延時(shí)項(xiàng)可能設(shè)置相同，但是其傳送的距離是各不相同的。因此，可以把BS站和SS站之間的傳輸距離作為EDF算法調(diào)度的一個(gè)參數(shù)。距離越遠(yuǎn)的服務(wù)流分組，其重要性越大。這樣就可以把分組簡(jiǎn)化為

調(diào)度參數(shù)＝重要性／截止期限 （6）式（6）中的重要性是根據(jù)BS站和SS站之間的距離來確定的，距離越遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)流分組越重要。這樣在改進(jìn)的EDF算法中，參與調(diào)度的有兩個(gè)參數(shù)。改進(jìn)后的EDF算法稱為半搶占式EDF算法。半搶占式EDF算法的具體操作過程如下。

（1）在半搶占式EDF算法中，新到的服務(wù)流分組根據(jù)被分配的試驗(yàn)參數(shù)Tdelay以及該分組的到達(dá)時(shí)間Tarrive按照式（1）計(jì)算Tdeadline，根據(jù)分組中Tdeadline的大小，如果當(dāng)前沒有正在處理的分組，則按照Tdeadline由小到大的順序?qū)⑿碌椒纸M插入隊(duì)列當(dāng)中。優(yōu)先調(diào)用Tdeanline最小的分組，即最早達(dá)到截止期限的分組，該調(diào)度過程類似于非搶占式EDF算法，調(diào)度過程不發(fā)生搶占。

（2）如果在一個(gè)分組i處理的過程中，新到來一個(gè)服務(wù)流分組j，則首先計(jì)算服務(wù)流分組j的，比較和的大小，如果≥，則把服務(wù)流分組j按的順序插入隊(duì)列。如果＜區(qū)別于搶占式EDF調(diào)度算法立刻發(fā)生搶占的調(diào)度方式，增加一步根據(jù)重要性對(duì)是否搶占進(jìn)行的二次判斷，即在分組當(dāng)中，根據(jù)目標(biāo)BS站和SS站之間的距離來設(shè)置重要性這個(gè)參數(shù)的值V，按照式（6）分別計(jì)算服務(wù)流分組i和j的調(diào)度參數(shù)，再次比較服務(wù)流分組j的重要性參數(shù)Vj和服務(wù)流分組i的重要性參數(shù)Vi的值的大小。如果Vj＞Vi，則服務(wù)流分組j搶占服務(wù)流分組i，否則，把服務(wù)流分組j按Tjdeadline的值插入隊(duì)列，等待當(dāng)前正在處理的服務(wù)流i完成后執(zhí)行。

從半搶占式EDF算法的執(zhí)行過程可以看出，通過在搶占之前對(duì)服務(wù)流分組做了一次比較，使得一部分按照搶占式EDF算法必然發(fā)生的搶占，因?yàn)橹匾詤?shù)的比較而被拒絕搶占，在減少搶占次數(shù)的同時(shí)也保證了比較重要的服務(wù)流分組得到優(yōu)先傳送。這里比較重要的數(shù)據(jù)流分組是指?jìng)鬏斁嚯x比較遠(yuǎn)的服務(wù)流分組。在面對(duì)不同調(diào)度業(yè)務(wù)時(shí)，可根據(jù)業(yè)務(wù)流的特點(diǎn)，按照式（5）調(diào)整調(diào)度參數(shù)的計(jì)算方法。按照本文所支持的RTPS業(yè)務(wù)流調(diào)度方式對(duì)重要性參數(shù)的設(shè)置，可保證離BS較遠(yuǎn)的SS站服務(wù)流分組的延時(shí)不會(huì)過長(zhǎng)［13-14］。

4 實(shí) 驗(yàn)

IEEE802.16協(xié)議是一種重要的第三代無線網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)，廣泛支持寬帶固定及移動(dòng)無線接入系統(tǒng)，具有一定的代表性。因此本文基于IEEE802.16協(xié)議對(duì)改進(jìn)后的半搶占式EDF算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)［15］。

在IEEE802.16中有4種不同的服務(wù)流，UGS、RTPS、NRTPS和BE服務(wù)流，每種服務(wù)流都有自己的Qos參數(shù)和特點(diǎn)，根據(jù)不同的服務(wù)流特點(diǎn)可以選擇不同的調(diào)度方法來滿足每種服務(wù)流的Qos參數(shù)的要求。RTPS服務(wù)流是一種周期性的、傳送速率可變的服務(wù)流，并且要求的延時(shí)性特別高。為此本文為RTPS服務(wù)流使用了改進(jìn)后的EDF算法來調(diào)度。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1中g(shù)edf.txt為改進(jìn)后的EDF算法應(yīng)用在調(diào)度RTPS服務(wù)流上的平均延時(shí)；nedf.txt為非搶占式的EDF算法應(yīng)用在調(diào)度RTPS服務(wù)流上的平均延時(shí)；zedf.txt為搶占式EDF算法應(yīng)用在調(diào)度服務(wù)流RTPS上的平均延時(shí)。

在仿真實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果中，改進(jìn)后的半搶占式EDF算法延時(shí)為0.31～0.33μs，而非搶占式EDF算法的延時(shí)為0.21～0.7μs，未改進(jìn)的搶占式EDF算法延時(shí)在0.24μs至0.67μs之間，搶占式EDF算法平均延時(shí)要略小于非搶占式EDF算法，而改進(jìn)后的半搶占式EDF算法平均延時(shí)要遠(yuǎn)小于前兩者，且從仿真結(jié)果看，改進(jìn)后的半搶占式EDF算法延時(shí)隨數(shù)據(jù)傳輸變化很小，基本維持在0.32μs。

圖1 RTPS的平均延時(shí)Fig.1 Average delay of RTPS

5 結(jié)束語

通過改進(jìn)基于最早截止時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法（EDF），有效解決了EDF算法保證優(yōu)先級(jí)較高的服務(wù)流優(yōu)先調(diào)度和執(zhí)行搶占算法占用系統(tǒng)資源較多的矛盾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的半搶占EDF算法在調(diào)度RTPS服務(wù)時(shí)的平均延時(shí)較改進(jìn)前的EDF算法有一定縮短，且占用的資源較搶占式EDF算法要少，在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性方面有一定的意義。

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