交换式工业以太网QoS的研究

摘要 I 交换式工业以太网 研究 摘 要 传统制造商一直在努力使其企业更为高效与灵活，并快速转至工业以太网技术，实现工业自动化与控制系统的一体化网络。从昂贵的现场总线技术转向成熟的标准以太网技术能够让企业有效控制成本。标准以太网已经被证实具有易集成、支持技术广泛、更安全可靠并能够达到实时通信要求。工业以太网技术已成为工业控制领域未来发展的趋势。 当前存在 10 种工业以太网标准，但不存在这样的标准：既 能 支持工业控制网络实时数据的 实时 传输，又能够 满足 从工 控网络 到企业网络的无缝整合 。 本文提出了一种改进的工业以太网协议栈， 能够 实现这样的要求。协议栈 利用 全双工 交换式 以太网 交换机从而 彻底杜绝D 访问控制方式 产生 冲突域 的特性 ， 通过资源预留的思想，解决交换节点上发生拥塞或带宽不足造成的不确定性问题。协议栈的设计 借鉴了综合服务模型 中 提供保证服务质量的方法， 在传输层启用议，通过改进的接纳控制算法与优化的队列调度算法保证工控网络实时数据流的实时通信要求。改进的接纳控制算法对非周期性实时数据流的接纳方式进行了优化，能够有效 提高 网络资源利用率。优化的队列调度算法对非周期性实时数据流提供了更细的调度控制，从而有效保证重要的数据得到实时转发。 关键词： 工业以太网 、 服务质量 、 资源预留 协议 、综合服务模型 I oS s of a to to of to by to a is to is of of 0 of is no in an be to D by or II of on to of at by of of by of so as to be of 海交通大学硕士学位论文 目录 录 交换式工业以太网 研究 . I 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 究背景 . 1 究现状 . 2 业以太网标准 . 2 有标准的不足与改进 . 3 文章节安排 . 3 第二章 工业以太网与服务质量 . 5 业以太网标准介绍 . 5 P . 6 O . 7 . 7 换式工业以太网 . 8 务质量（ 绍 . 9 . 10 P . 11 合服务模型（ . 11 分服务模型（ . 13 协议标签交换（ . 14 几种解决方案优缺点比较 . 15 章小结 . 15 第三章 综合服务模型的研究 . 16 述 . 16 列调度模块 . 17 来先服务（ . 17 格优先权队列（ . 18 转队列（ . 18 用处理机共享（ . 18 权公平队列（ . 19 列调度模块应用于工业以太网分析 . 21 纳控制模块 . 21 上海交通大学硕士学位论文 目录 V 于参数的接纳控制（ . 21 于测量的接纳控制（ . 22 于探测的接纳控制（ . 22 纳控制算法的比较 . 23 纳控制模块应用于工业以太网分析 . 23 类器 . 24 源预留协议（ . 24 述 . 24 息类型 . 25 息 . 26 息 . 27 息 . 27 息 . 28 认消息 . 28 作流程 . 28 资源预留类型 . 29 章小结 . 30 第四章 交换式工业以太网 案的仿真与验证 . 31 络仿真简介 . 31 绍 . 31 同队列调度算法的仿真与分析 . 32 据流的定义 . 32 络模型设计 . 33 真结果与分析 . 33 源预留 方案的仿真与分析 . 37 络模型的设计 . 37 据流定义 . 38 真结果与分析 . 39 章小结 . 41 第五章 交换式工业以太网改进方案 . 42 进方案 . 42 进的队列调度算法 . 43 类器的实现 . 44 进的接纳控制算法 . 45 章小结 . 46 上海交通大学硕士学位论文 目录 六章 总结与展望 . 47 要工作与创新点 . 47 续研究工作 . 48 参 考 文 献 . 49 致 谢 . 52 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 . 53 上海交通大学硕士学位论文 图录 录 图 2业以太网协议栈 6 图 3格优先权队列调度 18 图 3数据流控制机制 25 图 4络模型拓扑结构 33 图 4种调度算法产生的丢包统计 34 图 4期性实时数据流端到端时延统计 35 图 4周期性实时数据流端到端时延统计 36 图 4期性实时数据流接收字节数统计 36 图 4络模型拓扑结构 37 图 4周期性实时数据流 38 图 4期性实时数据流的端到端延时统计 39 图 4期性实时数据流端到端延时波动信息统计 40 图 4期性实时数据流接收字节数统计 41 图 5进工业以太网协议栈 42 图 5进调度算法流程 43 图 5类器流程图 44 图 5进接纳控制算法流程 46 上海交通大学硕士学位论文 表录 录 表 2业以太网标准 5 表 2格式 10 表 2先级说明 11 表 3息类型 26 表 3源预留类型 30 表 4验一数据流参数 32 表 4验二数据流参数 38 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究 背景 当今 世界，工业领域正在逐渐向自动化、信息化、网络化发展。集散控制系统，作为分散控制和管理集中的计算机网络系统，在工业自动化领域获得广泛应用。 工业控制网络 1用于连接工业 控制系统的工业计算机控制器，其地位非常重要，其服务质量（ 直接关系着控制系统的运行性能。 工业控制网络构建初期，较多使用的是现场总线技术。 现场总线 控制系统能够 将各种测量控制设备变为网络节点，实现互连，从而形成 一种新型的全分布式控制系统结构。现场总线的引入，提高了系统的实时性与可靠性，并在工业控制领域 被广泛采纳，但 仍然 存在诸多问题。首先，现场总线是专门的实时通信网络，成本较高。其次，现场总线的传输速度偏低。随着设备功能的增强，设备之间及设备与上层网络之间需要交互的数据流倍增，再加上某些工业现场音频、视频等信号的传输，现场总线方式无法提供高带宽的传输速率。而且，目前存在的现场总线标准较多，各种总线之间互不兼容。 以太网作为目前广泛应用的局域网通信技术，随着其技术的成熟和应用范围的不断发展，无论从价格还是开放性而言，相较其他局域网技术具有明显优势，在商业 应用中获得了巨大成功 ,这也是越来越多的工业自动化领域采 用 标准 以太网或 定制 以太网应用于现场层 的原因 。 通过以太网技术构建工业以太网控制网络已 成为近 几年 工控领域 研究 的热门课题。 2007年 12月，国际电工委员会 （ 版了 11582现场总线第四版国际标准， 16 种标准中 10 种类型支持 工业以太网标准。 它标志着工业以太网技术成为与现场总线技术并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案。 由于以太网技术标准开放性好，应用广泛，使用透明、统一的通讯协议，以太网将成为工业控制领域唯一的统一通信标准。 以太网较现场总线能够更好地适应工业领域的发展趋势。 工业以太网与标准 以太网都符合 针对工业控制实时性、 高可靠性的要求，工业以太网在链路层、网络层增加了不同的功能模块，在物理层增加了电磁兼容性设计，解决了通信实时性、网络安全性、抗强电磁干扰等技术问题。目前工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭、石油化工等工业领域中。作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于产业发展的导入期，最近十年的上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 增长速度远高于互联网和现场总线的增长速度。 究现状 业以太网标准 目前， 0种，分别为 P、 P、 P、 。 标准定义的是工业以太网协议。这些 工业以太网标准中使用的 协议 可以分为三类，第一类为基于标准以太网和 P 协议栈实现工业过程数据传输。这类协议包括 P、 P、P、 二类协议同样基于标准以太网协议，但在网络层 及 以上重新定义了应用层 用于 实现实时数据传输。这种简化协议层的方式减少了数据流的处理开销，能够改进数据传输的实时性能。 O 于该类协议。第三类协议通过在 合专用交换机硬件支持，具有传输时延低、抖动小的高 精度同步实时数据传输能力。这类协议包括O 由于标准 以太网中使用 D4（载波监听多路访问 /冲突检测）的介质访问控制（ 议。当某个终端要发送报文时，首先监听网络端口，如果网络忙，则等待，否则立即发送；如果发送过程中检测到发生冲突，则立即停止发送，并随机等待一段时间后重新发送。 为了避免冲突域造成的不确定性， 可行的策略有 分时复用 5( 令牌环 6（ 、轮询 7、优先级 8、窗口协议 9等 。 分时复用通过周期性地将时间分割成若干间隙分配给每个设备，每个设备在规定的时间间隙内发送数据。令牌环通过定义一类特殊的令牌消息，只有拥有令牌的设备才有权向环路上发送数据。 轮询机制中，每个网段有且仅有一个主设备，其余为从设备，并由主设备发送显式消息告知某从设备 开始 发送数据。优先级策略中数据包被赋予不同优先级。 窗口协议根据链路碰撞状态通过动态调整时间窗口优化网络性能。 除了这些工业以太网标准以及工业以太网协议 外 ，国内外的学者还提出了很多的的优化策略 和改进方案 。 0 11等提出了采用通信平滑技术 来控制网络流量 。 通信平滑技术主要是根据网络上的传输情况，控制非实时数据的网络负荷 ，降低实时数据与其他非实时数据发生冲突的概率，在保证一定网络吞吐率的同时，保证实时数据传输的实时要求。 12基于网络计算理论，通过分析数据流在服 务节点的到达曲线和服务曲线， 计算其服务时延，并将该方法扩展到具有星型和线性拓扑结构的交换式以太网中，得 出 不同 优先级数据流的上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 最大网络时延 。 有标准 的不足 与改进 虽然当前存在 10 种工业以太网标准，但这 三类工业以太网 协议 都存在一定缺陷。 第一类为基于标准以太网和 P 协议栈实现工业过程数据传输， 能够提供从工业 网络 到企业网络的无缝整合 ，但是由于缺乏保证服务质量的解决方案，只能够提供“尽力而为”的传输保证 15。 第二类协议同样基于标准以太网协议，但在网络层及以上重新定义了应用层用于实现实时数据传输，只能够提供可预测服务， 依然 不能够提供绝对保证服务。第三类协议通过在 合专用交换机硬件支持，能够提供绝对保证服务，但失去了 从工业 网络 到企业网络 无缝整合 的可能 。 能否提供这样一种 工业以太网 标准，既使用标准以太网协议 实现 从工业 网络 到企业网络的无缝整合 ，又能够提供工业控制网络实时数据传输的绝对保证，值得探索。 文章节安排 本论文的主要工作包括： 研究并总结了 存在的工业以太网标准和各自特点 ，并提出了各自的不足之处。分析总结了 为 数据流提供服务质量的方法，并比较了各种方法的优缺点。阐述了 工业控制网络环境中数据流的特点， 研究分析了三种典型的 队列调度算法， 并利用网络仿真软件验证 得出加权公平队列算法更适合 应用于 交换式工业以太网的 实时 调度。 研究了接纳控制对服务质量的作用以及 接纳控制算法的实现机制。然后， 详细分析了 议的 消息机制和工作流程。最后， 提出了 工业以太网协议栈 的改进方案 。本文共分为六 章，各章的内容安排如下： 第二章： 介绍最新的 工业以太网标准， 分析交换式工业以太网的特点，总结并 比较各种实现机制的优缺点。 第三章： 综合服务模型 的 方案研究 。 本章 将 详细分析、比较各种队列调度模块的实现机制和优缺点 ，以及工业以太网中队列调度算法需要满足的特性； 研究接纳控制模块算法的分类、实现方式和特点 ，工业以太网中对接纳控制的要求；分类器的功能特点 ，工业以太网中分类器的功能； 并 分析 议的消息机制和运作过程 以及协议如何和队列调度模块、接纳控制模块相互协作 。 第四章：利用 通过两个实验，验证两个结论： 加权公平队列 能够有效隔离不同数据流的相互影响；通过资源预留协议结合加权公平队列和接纳控制能够为周期性数据提供低抖动的确定时延传输。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 第五章：提出工业以太网协议栈 的改进方案 ，并给出改进的队列调度算法 、分类器的实现 和接纳控制算法 。 第六 章：总结与展望。本章将对全文的工作做一 个总结，并对接下来需要做的工作进行了概述，同时阐述了研究的不足之处。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 交换式工业以太网与服务质量 5 第二章 工业以太网与 服务质量 业以太网标准介绍 根据 007年 12月出版的 业以太网标准一共有 10个 ，见表 2 表 2业以太网标准 型 工业以太网 实时数据 非实时数据 2 P P 3 P 4 P 令牌环 P 10 P P 11 牌环 P 12 P 13 P 14 P 15 P 16 于工业以太网中的实时数据， 由于标准以太网中采用 D（载波监听多路访问 /冲突检测）的介质访问控制（ 议， 它是一种不确定式的介质访问机制，允许同一时间有多个设备向总线发送消息。 当某个终端要发送报文时，首先监听网络端口，如果网络忙，则等待，否则立即发送；如果发送过程中检测到发生冲突，则立即停止发送，并随机等待一段时间后重新发送。这种方式 造成的 不确定性，在工控网络中是无法 忍受 的。 为了避免冲突域的存在，有以下几种策略： （ 将整过传输过程划分为 若干 周期，每个循环周期将时间分割成若干不相交的时间片分配给设备，每个设备必须在规定的时间片内发送上海交通大学硕士学位论文 第二章 交换式工业以太网与服务质量 6 数据。一般， 为了考虑工业自动化控制网络中同步数据和异步数据的实时特性，式会将一个周期 分 为同步阶段和异步阶段。在同步阶段，发送窗口被平均分配给每个设备，即使有些设备没有数据传送也会被分配。到了异步阶段， 将按设备的实际需求分配发送窗口，没有数据传送需求的设备将不会被 服务。 令牌环网络的基本原理是利用令牌 来避免网 络中的冲突 。 令牌可以理解为 代表 发送 讯号的许可 。 令牌环网的 媒体接入控制 机制采用的是分布式控制模式的循环方法。在令牌环网中有一个令牌 (着环形总线在入网节点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一 个节点能够独占信道。当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。节点 只有取 得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生碰撞。由于令 牌在 环网 上是按顺序依次传递的，因此对所有入网计算机而言，访问权是公平的。 轮询机制中，每个网段有且仅有一个主设备，其余为从设备。主设备发送轮询消息，需要发送数据的从设备需要先告知主设备。然后主设备发送显式消息告知某从设备可以发送数据。 由于工业以太网标准太多，本节将根据工业以太网协议的三个类型介绍三种典型的工业以太网。它们的通信协议栈如图 2图 2业以太网协议栈 通信协议栈中可以看出，这些工业以太网标准针对实时数据流和非实时数据流均采用了不同的处理方式