（计算机应用技术专业论文）交换式工业以太网的实时性研究.pdf

中文摘要 随着工业自动化技术和信息技术的不断发展，建立统一开放的通讯协议、构建 信息和控制一体化的网络成为网络控制系统急待解决的问题。工业以太网具有通信 协议简单、开放性良好等特点，是解决上述问题的有效方法，工业以太网已经成为 网络控制系统的发展方向。 确定性和实时性问题是工业以太网在网络控制系统中应用的关键问题。为了能 够实现基于以太网工业应用的实时通信，通信的时延必须被限制在一个可以接受的 范围内。共享式以太网技术遵循c s m a c d 介质访问控制方式，信息传输的实时性和 确定性都无法得到保证。以太网的实时通信不确定性是阻碍其应用于实时性要求较 高的工业控制系统中的障碍，而交换式以太网的出现使这一问题得到了改善，交换 式以太网技术能缩小甚至消除冲突域，提供更好的网络带宽和更好的实时性。 本文首先简要阐述了工业以太网的发展历史和背景知识，并从工业控制网络的 特点出发指出了以太网所具有的优势和存在的问题。 其次，研究了传统以太网和交换式以太网的网络时延问题，根据网络中央节点 设备的不同，通过构建工业以太网模型，研究不同负载下网络的性能，仿真结果表 明了交换式以太网良好的实时性能。通过仿真实验，得出线型和树型两种不同网络 结构的交换式以太网的网络时延，分析了不同负载下两种拓扑的实时性能，证明了 树型交换式以太网良好的实时性能。 第三，介绍了i e e e 8 0 2 i p 标准及其在交换机中的队列特性，通过对以太网通信 时间延迟的分析，针对交换式以太网的排队延迟，采用合适的调度算法减少排队延 迟以改进交换式工业以太网的实时性。在对几种典型调度算法进行研究与比较的基 础上，根据工业生产控制过程的传输数据特点，通过设置合理的信息优先级，本文 采用一种改进的混合通信调度策略。基于该调度策略，分析了交换式以太网的网络 时延，并采用o p n e t 仿真软件进行了仿真，分析和仿真结果表明，该算法进一步提 高了网络的实时性能，更有效地保证了实时信息的传输。 关键词：交换式工业以太网；实时性；网络时延；o p n e t 仿真 r e s e a r c ho nr e a l t i m ep e r f o r m a n c ef o rs w i t c h e di n d u s t r i a le t h e r n e t g r a d u a t en a m e ：g o n gl i n i n g ( c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db y ：x uy u b i n a b s t r a c t a st h ei n c e s s a n t d e v e l o p m e n t o ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o na n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , b u i l d i n gau n i f i e de x o t e r i cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l a n dn e t w o r kt oe a r lyo u tt h ea m a l g a m a t i o no fc o n t r o ln e t w o r ka n d i n f o r m a t i o nn e t w o r kc o m e sa st h eu r g e n tp r o b l e mf o rn e t w o r kc o n t r o l s y s t e m i n d u s t r i a le t h e m e tn e t w o r ki st h ee f f e c t i v em e a n s t os o l v et h ea b o v e p r o b l e mw i t ht h ea d v a n t a g eo fs i m p l yc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n do p e n i n g p r o p e r t y t h e r e f o r ei th a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h en e t w o r k c o n t r o ls y s t e m t h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dd e t e r m i n a t i o no ft r a n s m i s s i o na r et h ek e v o ft h ei n d u s t r i a le t h e r n e ti nt h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt or e a l i z e t h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no v e ri n d u s t r i a le t h e m e t ，o n em u s tb ea b l et o m a k et h ed e l a yt i m ew i t l l i na na c c e p t a b l ei i m i t s h a r e de t h e m e ti sf o l l o w e d c s 删c dm a c s ot h er e a l t i m e p e r f o r m a n c e a n dd e t e r m i n a t i o no f t r a n s m i s s i o nh a sn oa s s u r a n c e s t h ea p p l i c a t i o no fe t h e m e ti ni n d u s t r i a l c o n t r o l s y s t e m s w i t h h i g hs p e c i f i c a t i o n i n r e q u i r e m e n t o fr e a l t i m e p e r f o f i n a n c e i s l i m i t e db e c a u s eo fi t s i n d e t e r m i n a c y i n r e a lt i m e c o m m u n i c a t i o n t h i sd e m e r i th a sb e e no v e r c o m ed u et ot h ea p p e a r a n c eo f s w i t c h e de t h e r n e t s w i t c h e de t h e m e tc a nr e d u c eo re l i m i n a t et h ec o l l i s i o n d o m a i n ，a n di tc a np r o v i d ew i d e rn e t w o r kb a n d w i d t ha n dh i g h e rr e a l - t i m e p e r f o r m a n c e a tf i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r i a le t h e m e ta n dp o i n t so u tt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f i n d u s t r i a le t l l e r n e tf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s e c o n d l y , t h i sp a p e rs t u d i e st h ee t h e r n e td e l a yo f e t h e r n e ta n ds w i t c h e d e t h e m e t 、胁e nu s i n gd i f f e r e n tc e n t r a ld e v i c e s ，t h ep l a t f o r mc a ns i m u l a t et h e r e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fe t h e r n e t sw i t ht h e s es t r u c t u r e su n d e rd i f f e r e n tl o a d s t h er e s u l t s1 n d i c a t et h eg o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft l l es w i t c h e de t h e m e t t h ee t h e m e td e l a yo fs w i t c h e de t h e r n e tw i t hl i n et o p o l o g ya n dt r e et o p o l o g y a r es i m u l a t e d ，a n dt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo fe t h e r n e tw i t ht h e s es t r u c t u r e s u n d e rd i f f e r e n tl o a d sa n dq u a n t i t yo fd a t ai sa n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h e f e a s i b i l i t yo fa p p l y i n ge t h e m e ti nr e a l - t i m ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h i r d l y , t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ei e e e 8 0 2 1 p q u e u i n gf e a t u r e i n s w i t c h e s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe t h e m e td e l a y , a na p p r o p r i a t es t r a t e g y a i m e da tt h eq u e u i n gd e l a yo ft h es w k c h e de t h e m e ti sp r o p o s e di no r d e rt o r e d u c et h eq u e u i n gd e l a yo fs w i t c h e de t h e m e t b a s e do nt h ea n a l y s i so fs o m e c l a s s i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，a ni m p r o v e dm i x e dt r a f f i cs c h e d u l i n gs t r a t e g y i sg i v e nb ys e t t i n gt h ea p p r o p r i a t ef r a m e sp r i o r i t ya c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r o fi n d u s t r i a ld a t a t h ee t h e m e td e l a yo fs w i t c h e de t h e m e ti sa n a l y z e db yt h i s m e t h o d ，w h i c hi s s i m u l a t e dw i t ho p n e tt e c h n o l o g y t h er e s u l to ft h e a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o w st h a tt h er e a l - t i m ec a p a c i t yo ft h en e t w o r ki s e n h a n c e de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：s w r c h e di n d u s t r i a le t h e r n e t ；r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ；e t h e m e t d e l a y ；o p n e tm o d e l e r 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 现代工业控制领域中，由于控制对象的多回路性、仪器设备的分散性、监控实 时性以及数据管理的集中性等诸多特点，工业控制需要一种分布式实时控制系统一 网络控制系统来实现控制任务。所谓网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) ， 即网络化的控制系统，又称为控制网络【lj 。集散型计算机控制系统、现场总线系统和 工业以太网都属于网络控制系统，它体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、 节点智能化方向发展的趋势。 目前的网络控制系统不仅能满足企业不同层次信息交换的需求，更是工业生产 及制造过程中的关键支撑系统，但网络控制系统的非开放性和不兼容性一直是网络 控制系统发展过程中面j 陆的问题。在工业自动化领域，为了满足特定工业过程中的 实时控制和安全性要求，不能将商用网络的技术和设备直接应用于工业环境中；同 时，由于缺乏统一的国际性标准，来自不同生产商的产品之间无法兼容，系统费用 踞高不下，这对工业自动化的发展和许多新技术的应用产生极大的阻碍。 随着计算机领域的局域通信逐步被以太网垄断，过程控制领域中上层的通信也 逐步统一到以太网和快速以太网。以太网被用于网络控制系统己成为一种趋势，但 由于当初以太网并不是为工业控制设计的，以太网自身的特点使其不满足工业现场 控制要求，所以目前还只能用于网络控制系统顶层( 信息层和管理层) ，但这种状况 会随着新的以太网标准的提出和技术的发展而有所改观。 1 2 网络控制系统及其发展 1 2 1i n t e r n e t 对传统控制系统的影响 传统的控制系统以单片机、p c 、p l c 为主，一般采用集中控制方式，这些控制系 统需要实时操作系统和一定的图形化界面，其基本调节器是微型计算机，难以实现 完全分散控制。随着计算机局域网( l a n ) 技术的成熟与完善，出现了基于l a n 的集 散控制系统( d c s ) 。 集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m s ) ，简称集散系统f 2 】。它是一种应用于过程控制的工程化的分布式计 算机控制系统，它的特点在于可实现硬件积木化、软件模块化、松耦合多处理机系 统、控制系统用组态方法生成，解决了原有计算机集中控制时导致的危险集中和常 交换式工业以太网的实时性研究 规模拟仪表控制功能单一的局限性。集散型控制系统是计算机( c o m p u t e r ) 、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、c r t 显示和控制( c o n t r 0 1 ) 技术发展的产物，它采用危险分散、控 制分散、操作和管理集中的基本设计思想，多层次、合作自治的结构形式，适应现 代化的生产和管理要求。 但d c s 还是封闭式的专用通信、集中与分散结合的控制体系，d c s 大部分为模拟 数字混合的系统，并未形成从控制设备到计算机的完整网络，且l a n 主要用于中、 低速的分布式控制系统网络。在工业企业中作为主流的d c s 和p l c 属于非开放系统， 并且技术复杂，大大制约了我国现阶段控制系统的发展。 1 2 2i n f r a n e t 和i n t r a n e t 与现场总线的结合 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，它作为过程自动化、制 造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，沟通了生产过程 现场控制设备之间及其与更高控制管理网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的 信息孤岛创造了条件。 总线是计算机、控制系统及网络系统的基础，2 0 世纪9 0 年代以来，控制系统的 现场总线( f i e l d b u s ) 迅猛发展。现场总线以全数字化、开放的、独立的双向多变 量通信逐步取代4 - 2 0 m a 传统现场仪表，它具有开放性、可互操作性 ( i n t e r p e r a b i l i t y ) 、分散性、网络化、智能化等特点，顺应了控制网络的发展需 求。现场总线将工业过程现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控 制室内的仪表和控制装置连成控制系统，这种基于现场总线的开放型分散控制系统 ( f c s ) 即第五代控制系统。它打破了d c s 控制系统专用通信的局限性，采用公开、 标准的通信协议，控制功能完全分散到现场的智能仪表及装置上，即使计算机出现 故障，控制系统也不会瘫痪。把d c s 系统集中与分散结合的集散结构改变成全分散 式结构，基于现场总线的f c s 和集散控制系统均是i n f r a n e t ，因此，现场总线出现 形成的底层网络也称为i n f r a n e t 。i n f r a n e t 和i n t r a n e t 与现场总线的结合，使传 统的、封闭的、僵化的集中式控制系统正在被开放的、灵活的、网络化控制系统替 代，用f c s 系统替代模拟数字混合的集散控制系统d c s 已成为控制系统的发展方向【3 】。 与传统的集散控制系统相比，现场总线控制系统有两个新特征： ( 1 ) 现场总线控制系统是将传统集散控制系统中的数据公路、控制器、i 0 卡 及模拟信号传输线四部分用统一标准的现场总线来替代，减少了层次传递，使控制 系统的结构更趋于扁平化。 ( 2 ) 现场总线控制系统用智能现场仪表替代传统集散系统中的模拟现场仪表， 2 第一章绪论 其智能体现在：变送器不仅仅具有信号变换、补偿、累加功能，而且具有诸如p i d 等运算控制功能；执行器不仅具有驱动和调节功能，而且有特性补偿、自校验和自 诊断功能。 1 2 3 现场总线控制系统的不足 现场总线控制系统和d c s 系统相比具有明显的优点，但随着网络控制系统的发 展，也暴露了以下不足【4 】【5 】1 6 】： ( 1 ) 没有统一的标准 由于各种现场总线代表着不同的商业利益，厂商出于保护市场的考虑制定了各 自的现场总线标准，各种现场总线并存，竞争激烈。而不同总线的技术侧重面不同， 各有针对的应用领域，缺乏可以满足不同工业应用需求、为各工业领域所普遍接受 的统一的现场总线标准，不同总线设备之间难以实现互联互换相互操作。i e c 组织制 订的现场总线国际标准实质上也是对这种情况的一个妥协，而事实上有些未成为国 际标准的现场总线，如l o n w o r k s ，同样占有很大的市场份额，可能在某一个或者某 几个领域占有主导地位。 ( 2 ) 开放性差，系统集成难度大 由于不同类型的现场总线各有各自的应用位置，如f f 的h 1 和d e v i c e n e t 主要 用于控制网络的最底层，连接各种现场设备；p r o f i b u s 的d p 主要用于控制层的控制 器、数据集中器等设备，这就使得在实际应用中，系统可能采用多种形式的现场总 线，从而造成工业控制网络与数据网络的无缝集成难度很大。 由于不同现场设备功能块可能存在着雷同，因而设计网络布局时不仅要考虑现 场节点的距离，还要考虑现场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等， 增加了系统集成的难度，同时各种现场总线需要采用各自相应的专用开发工具，影 响了现场总线的推广应用。 ( 3 ) 通讯能力不够 随着现场设备功能的增强和企业信息交换需求的不断增长，现场设备交换的数 据量发生了成倍的增长，而现场总线通讯速率普遍较低，难以保证通讯。尽管有些 总线可以得到更高的通信速度，但需要特定通信芯片的支持，难以达到市场所提出 的技术成熟度高、鲁棒性好、成本低的要求。 为了解决以上问题，现场总线技术也在不断地发展完善，如在原有的现场总线 的技术上引入t c p i p 协议、在以太网物理层和链路层的基础上引入已有的现场总线 应用层协议、采用基于发布订阅模型的通信结构等，同时对于现场总线的国际标准 3 交换式工业以太网的实时性研究 也不断进行研究和更新，但由于受到市场利益的驱动，无法实现真正的开放性和标 准化。 1 3 以太网技术 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，随着网络 技术的发展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术，这主要 是由于工业自动化系统向分布化、智能化的方面发展需要一个开放透明的通讯协议。 目前的现场总线由于种类繁多、互不兼容，不能满足这一要求，而以太网的c s m a c d 协议的开放性使以太网在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的优势。 相对于现场总线技术而言，基于t c p i p 的以太网具有许多明显的优势 7 】【8 】网： ( 1 ) 兼容性好，有广泛的技术支持。基于t c p i p 的以太网是一种标准的开放 式网络，能够解决控制系统中不同厂商之间的设备兼容和互操作等问题，不同厂商 的设备易于互联，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。以太网 是目前应用最为广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用 开发，如v b 、j a v a 、v c 等。采用以太网作为现场总线，可以保证有多种开发工具、 开发环境可供选择。工业控制网络采用以太网，就可以使工业控制网络与信息网络 技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展。 ( 2 ) 容易与信息网络集成，有利于资源共享。由于具有相同的通信协议，以太 网能实现办公自动化网络和工业控制网络的无缝连接；随着实时嵌入式操作系统和 嵌入式平台的发展，嵌入式控制器、智能现场测控仪表将方便地接入以太网控制网 络，直至与i n t e r n e t 相连，容易与信息网络集成，组建统一的企业网络。网络上的 用户无论处于什么地方，也无论资源的物理位置在哪里，都能共享网络中的数据、 设备及其它服务，极大地解除了“地理位置上的束缚 ，这种强大的资源共享能力得 益于以太网巨大的用户群，是目前其它任何一种现场总线都无法比拟的。 ( 3 ) 成本低廉。采用以太网能降低成本，包括技术人员的培训费用、维护费 用及初期投资。由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的广泛 支持，具有丰富的软硬件资源，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉。 同时大量的软件资源、应用和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，在技 术升级方面无需单独的研究投入，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快 系统的开发和推广速度。 ( 4 ) 可持续发展潜力大。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的 4 第一章绪论 重视，在信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而 有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，保证 了以太网技术的持续发展。 ( 5 ) 通信速率高。目前以太网的通信速率为i o m 或1 0 0 m ，1 0 0 0 m 、1 0 g 的快速 以太网也开始应用，以太网技术逐渐成熟，其速率比目前的现场总线快得多，可以 满足数据通信对带宽的更高要求。以太网从扁平的总线共享模式发展到结构化的交 换模式后，任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，由于每个端口都是独 立的冲突域( t o l l i s i o nd o m a i n ) ，不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容 量成倍增加。在相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而 网络负荷的减轻则意味着确定性的提高。 ( 6 ) 支持多种的物理介质和拓扑结构。以太网支持多种传输介质，包括同轴电 缆、双绞线、光缆、无线等，用户可根据带宽、距离、价格等因素作出多种选择。 以太网支持总线型和星型拓扑结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余连接方式， 提高网络的性能。 以上这些优势使得以太网非常适合应用于工业控制系统。然而，原先以太网的 发展是以办公自动化为目标，为商业网络而设计的，这使得以太网必然带有不适合 应用于工业控制系统的缺陷，这种缺陷有时是致命的。 1 4 以太网应用于工业控制系统的问题 近年来，在现场总线多标准并存和异种网络通信困难的技术背景下，以太网进 入工业自动化领域并且快速发展。以太网是i t 业最主要的局域网技术，它的优势明 显表现在技术积累、资本积累以及发展动力和空间等各个方面。以太网进入工业控 制领域的最大障碍是它的通信实时性不能得到保障。随着不断提高通信速度，加上各 种降低冲突域的技术，以太网的确定性、实时性得到提高，并且开始广泛应用于工 业控制领域的信息层、控制层。以太网用于工业现场是控制网络的发展趋势，世界 各大工控产品制造商也纷纷将以太网技术补充到各自的现场控制体系中。f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，现场总线基金会) 推出了h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ，高 速以太网) ；p r o f i b u s 推出了p r o f i n e t ；c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 推出了 e t h e r n e t i p ；i n t e r b u s 和m o d b u s 推出了i d a 。 虽然以太网在工控领域得到了迅猛发展，但是位于现场设备层的工业控制系统 仍然有其独特的特点，现有的工业以太网技术和设备还不能完全满足其要求。工业 交换式工业以太网的实时性研究 控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制系统对实时性的要 求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。而以太网采用的介质访问方式 c s m a c d 协议，即“带冲突检测的载波监听多路访问”协议，在工作过程中，某节点 要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送； 如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将在网 络上发生冲突。因此，每个节点在发送时还必须继续监听网络。当检测到两个或更 多个报文之间出现碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段时间后重新发送。节点 通信发生冲突后，等待重发的时间长度是随机的，这个时间将由标准二进制指数补 偿算法确定，重发时间在0 ( 2 1 - 1 ) 个时间片中随机选择( i 代表被节点检测到的碰撞 事件次数) 一个时间片为重发循环所需的最小时间。但是，在1 0 次碰撞发生后，该 间距将被冻结在最大时间片( 即1 0 2 3 ) 上，经过1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向 节点微处理器回报失败信息。正是由于c s m a c d 的工作原理，造成数据传输有可能 经历不可预见的延时，甚至长时间无法发送。而且以太网的整个传输体系没有有效 的措施及时发现某一节点故障而加以隔离，从而有可能使故障节点占用总线而导致 其它节点数据通信失败【lo 】。 以太网的这种不确定性，在其它应用领域中也许无关紧要，但是对于工控领域 直接测控生产过程的现场设备来说却是致命的。当紧急状态发生时，往往有大量的 事故信息向中央监控室发送( 即报警风暴) ，这样一来冲突是不可避免的，而累积冲 突重发带来的结果必将造成网络瘫痪。 对于工业现场控制网络，以太网的这种通信不确定性会导致信息从一个设备到 另一个设备的传输延迟或长或短，某些节点甚至可能会由于连续检测到冲突而丢弃 需要传送的数据，从而导致系统控制性能的下降，控制效果的不稳定，甚至会引起 系统振荡，这是工业控制的大忌。因此具有通信延迟不确定的缺陷，成为以太网在 工业实时控制应用中的主要障碍。 1 5 国内外研究动态 对于以太网的通信延迟不确定性，国内外学者提出了各种改进方法。这些方法 可分为两类：硬实时方法和软实时方法。前者通过设计适当的硬件电路，限制节点 访问网络的时间和速率来减少网络碰撞和排队延迟。但与目前广泛使用的以太网标 准相比，这种方法大大提高了节点的硬件成本，不利于推广。软实时方法，是指在 不增加节点成本的同时，用软件调度策略对c s m a c d 和b e b 机制进行改进。虽然 6 第一章绪论 有不少学者提出了以太网的改进协议，但不是增加了现有协议的复杂性，就是使得 改进后的协议与现有的协议不再兼容。 关于以太网在通信的确定性和冲突等方面的问题，目前使用最为广泛的方法就 是通过使用以太网交换技术来解决。在物理链接上，用基于全双工通信模式的交换 机替代传统的共享式h u b ，构建一个交换式以太网。交换式以太网可以在源端与目 的端之间提供快速的点到点连接，使站点独占带宽、完成快速实时的通信。 交换式以太网是通过交换机来达到各个网段互连的，其各个端口之间可以形成 多个数据通道，某一特定网段中的节点要通过该网段所连端口与其他端口建立数据 通道来实现不同网段节点间的通信，这使得在一个由交换机为互连媒介的以太网系 统中同一时间建立多个数据通道成为可能。由此可以看出，端口之间的数据传输不 再受到介质访问控制协议( c s m 刖c d ) 的约束，从而使网络的带宽得以成倍的增长， 这是交换式以太网最显著的特点。 目前针对交换式工业以太网的研究热点，主要集中在针对实时工业通信的确定 性改进和实时性能评价上【i i 】：通过网络调度改进交换式以太网传输实时数据的能力， c h e n 等针对工业以太网需要传输不同数据的需求，如周期性实时数据、非周期性实 时数据和一般消息，通过以太网交换机的i e e e s 0 2 1 p 排队特性来区分不同数据的实 时要求，基于i e e e 8 0 2 1 p 排队特性把经以太网交换机转发的数据划分为三个不同的 服务级别，对不同的数据赋予不同的优先级，分别分析数据的最坏响应时间以及平 均响应时间【1 2 j 【1 3 】。i 砷i n g 等分析了不同拓扑( 线型、环型和树型) 的交换式以太网 中，主从式通信模型的最小周期时间1 1 4 1 。w a t s o n 和j a s p e m e i t e 基于更加成熟的网络 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，来计算其服务时延， 并把这种方法扩展到了具有星型和线型拓扑的交换式以太网中，得到了不同优先级 数据流的最大网络时延【1 5 】。w i l w e r t 和r o n d e a u 采用网络时间协议来同步交换式以太 网中的通信节点，研究了不同数据帧长和发送频率下单级和两级交换式以太网的性 能【1 6 】。p e d r e i r a s 通过实验指出，因为共享服务资源，交换式以太网中的不同v l a n 之间，甚至不同优先级的数据流之间都会互相影响，为使交换式以太网为实时数据 传输提供服务质量保证，有必要在源节点引入流量控制机n t l 。7 1 。 1 6 课题研究内容 现场总线技术虽然已经为工业过程中遇到的许多通讯问题提供了便捷有效的解 决手段，但它们缺乏一个统一的国际标准。工业以太网具有通信协议简单、开放性 7 交换式工业以太网的实时性研究 好、价格低廉等特点，为有效构建一体化的网络控制系统提供了可能，成为网络控 制系统的发展方向。 工业现场对数据的实时性要求较高，以太网在数据链路层采用带碰撞检测的载 波侦听多路访问协议( c s m a c d ) ，而这种协议会使通信时延具有不确定性。然而以太 网交换技术的出现，通过全双工交换技术，可以避免c s m a c d 中的碰撞，改进以太 网通信的实时性。 本文将就交换式工业以太网的实时能力做主要分析，论文的研究内容主要包括 以下几方面： ( 1 ) 简要阐述工业以太网的发展历史和背景知识，并从工业控制网络的特点出 发指出了以太网所具有的优势和存在的问题。通过对以太网介质访问控制方式的研 究，分析研究以太网应用中实时通信不确定性的问题。 ( 2 ) 介绍交换式以太网的发展历程及工作原理，分析交换式以太网应用于实时 性要求较强的工业控制领域的优势和存在的问题。 ( 3 ) 通过对以太网通信时间延迟的分析，针对交换式以太网的排队延迟，根据 i e e e 8 0 2 1 p 标准及其在交换机中的队列特性，在对几种典型调度算法进行分析比较 后，通过采用改进的混合调度算法作为系统的实时调度算法以减少排队延迟，在一 定程度上解决工业控制的实时性问题。 ( 4 ) 构建基于o p n e t 的交换式以太网仿真模型，进行不同负载下共享式和交换 式以太网的时延对比，研究不同网络结构下交换式以太网的时延性能，在交换式以 太网仿真模型中，根据工业控制网络中的传输数据特点，结合信息优先级给网络流 量分配相应的优先级，实时性越高，信息分配到的优先级越高，对不同的数据流根 据各自的优先级及相应的调度算法进行调度处理，对所建立的仿真模型进行仿真， 分析对比得到的仿真数据，通过模拟仿真的方式验证改进交换式以太网实时性能方 法的有效性。 ( 5 ) 总结与讨论，主要是论文研究内容的总结以及研究过程中存在的问题和进 一步研究方向的想法。 8 第二章交换式工业以太网 第二章交换式工业以太网 2 1 网络参考模型 目前有两种重要的网络参考模型：o s i 参考模型和t c p i p 参考模型。前者由国 际标准化组织( i s 0 ) 制订，全称为开放系统互连( o s i ) 参考模型，后者最早被网 络先驱a r p a n e t 采用，后来又被国际互联网( i n t e m e t ) 采用，成为目前网络参考 模型的工业标准。 2 1 10 s i 参考模型 o s i 参考模型分为七层，如图2 1 所示： 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 1o s i 参考模型 物理层：物理层的目的是在数据链路实体之间传送原始的二进制比特流。物理 层并不是指连接的具体物理设备或具体的传输介质，它是通过提供和通信介质的连 接，向上层( 数据链路层) 提供传送原始比特流的物理连接，使数据链路层感觉不 到各种介质和通信手段存在的差异。 数据链路层：负责在两个相邻终端间的线路上无差错的传输以帧为单位的数据， 每一帧由控制信息和数据组成。控制信息中包括同步信息、地址信息、差错控制、 以及流量控制信息等。数据链路层就是在一条可能出差错的物理链路上，为网络层 9 交换式工业以太网的实时性研究 提供一条不出差错的逻辑链路。 网络层：负责为报文选择从源终端到目的终端的传输路由，解决不同网络间报 文转换、介质转换、速率转换等问题。在发生拥挤时，通过控制算法解决拥挤造成 的阻塞，保证报文从源端顺利到达目的端。 运输层：从会话层接受数据，然后将它分割成报文进行传送，它的任务就是为 会话层提供端到端之间的可靠传输。从运输层以上各层就不再涉及信息传输问题。 会话层：对数据传输进行管理，在两个互相通信的应用进程之间建立、组织和 协调其交互过程。当发生意外时，从中断处重新恢复会话。 表示层：主要解决用户信息的语法表示问题，它将进行交换的数据从适合于特 定用户的抽象语法转换为适合于o s i 系统内部使用的传输语法。 应用层：确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要，负责用户信息的语义 表示，并在两个通信者之间进行语义匹配。 2 1 2t c p ip 参考模型 t c p i p 参考模型如下图2 2 所示，该参考模型分为四层，每一层功能如下： 应用层 运输层( t c p ) 网络互连层( 口) 主机和网络连接层 图2 2t c p i p 参考模型 主机和网络连接层：该层在t c p i p 参考模型中不作定义，只要让主机发送的口 报文能够经该连接层进行传送。 网络互连层：该层定义了互连网络协议( i p ) 的报文格式和传送过程。该层的 工作是负责把口报文从源端送到目的端，协议采用非连接传输方式，不保证口报文 顺序到达；负责解决路由选择，跨网络传送等问题。 传输层：该层定义了传输控制协议( t c p ) ，它是面向连接的，在两个对等实体 间进行可靠传输的协议。它保证源终端发送的字节流毫无差错的、顺序到达目的终 端。该层还定义了另一个传输协议：用户数据报协议( u d p ) ，它是一个不加差错控 1 0 第二章交换式工业以太网 制、非连接的传输协议。 应用层：该层包含了大多数目前流行的、面向应用的协议，如虚拟终端( t e l n e t ) 、 文件传输协议( f t p ) 、电子邮件( e m a i l ) 等。 针对交换式以太网的t c p i p 的网络参考模型和网络协议如下图2 3 所示： t e l n e tf t pe m a i ld n s t c pu d p i p 逻辑链路层( l l c ) 媒体访问控制层( m a c ) 物理层 图2 3 交换式以太网的t c p i p 参考模型 2 1 3 控制网络的i e e e s 0 2 标准 i e e e 于1 9 8 0 年2 月成立了局域网标准委员会( 简称i e e e 8 0 2 委员会) ，专门从 事局域网标准化工作，并制定了i e e e 8 0 2 标准。图2 4 给出了i e e e 8 0 2 标准描述的 局域网参考模型与o s i 参考模型结构。 从图2 4 可见，i e e e 局域网参考模型对应于o s i 参考模型的数据链路层与物理 层。数据链路层分为逻辑链路控制子层( l l c ) 与介质访问控制子层( m a c ) 。 交换式工业以太网的实时性研究 o s l 参考模型 图2 4o s i 参考模型与i e e e 8 0 2 参考模型与标准 i e e e 8 0 2 标准有： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 标准，它包括局域网体系结构、网络互连以及网络管理与性能测试； ( 2 ) i e e e 8 0 2 2 标准，定义了逻辑链路控制l l c 子层功能与服务； ( 3 ) i e e e 8 0 2 3 标准，定义了c s m a c d 总线介质访问控制子层与物理层规范： ( 4 ) i e e e 8 0 2 4 标准，定义了令牌总线介质访问控制子层与物理层规范； ( 5 ) i e e e 8 0 2 5 标准，定义了令牌环介质访问控制子层与物理层规范； ( 6 ) i e e e 8 0 2 6 标准，定义了城域网( m a n ) 介质访问控制子层与物理层规范； ( 7 ) i e e e 8 0 2 7 标准，定义了宽带技术； ( 8 ) i e e e 8 0 2 8 标准，定义了光纤技术； ( 9 ) i e e e 8 0 2 9 标准，定义了综合语音与数据局域网技术； ( 1 0 ) i e e e 8 0 2 1 0 标准，定义了可互操作的局域网安全性规范； ( 1 1 ) i e e e 8 0 2 1 l 标准，定义了无线局域网技术。 2 2 交换式技术发展过程 以太网按其信息交换的方式可分为共享式以太网和交换式以太网。共享式以太 网通过集线器进行网络互联，集线器将每个端口收到的数据帧向所有其它端口以广 第二章交换式工业以太网 播形式发送，因此任意主机都可以通过将网卡设置为混杂模式来监听网内的所有通 信；而交换式以太网是通过交换机将网内主机相连，交换机将对每个端口收到数据 帧进行源和目的m a c 地址检测，然后与内部动态的m a c 端口映射表进行比较，若数 据帧的源m a c 地址不在映射表中，则将该m a c 地址和对应接收端口加入映射表中， 同时根据映射表中与目的m a c 地址对应的端口号，交换机把数据帧仅从该端口发送 出去。因此交换机的每个端口可平行、安全、同时地互相传输信息，其它端口的主 机即使将网卡设置为混杂模式，也只能监听到连结在同一端口上主机间的数据传输。 传统以太网的局限性可以归结为以下几点： ( 1 ) 不断增加的用户数目，导致争用网络的可能性越来越大，使用户的平均带 宽减少。 ( 2 ) 随着工作站和服务器性能的提高，要求在网络上有更高的带宽、更快的通 信支持。由于带宽饱和，工作站和服务器的高性能被大大地削弱。 ( 3 ) 多媒体以及高速应用要求极高的性能。高性能服务器和工作站的使用，实 时性强的多媒体应用和c a d c a m 的出现，使网络通信流量迅速增长，要求网络有很 高的承受能力。 2 2 1 局域网的发展过程 2 0 世纪8 0 年代中后期，由于通信量的急剧增加，促使通信技术的发展，使局域 网的性能越来越高，最早的1 m b i t s 的速率已广泛的被今天的l o o b a s e t 和 i o o v g - a n y l a n 替代，但是，传统的媒体访问方法都局限于使大量的站点共享对一个 公共传输媒体的访问，即c s m a c d 。 2 0 世纪9 0 年代初，随着计算机性能的提高及通信量的剧增，传统局域