（计算机应用技术专业论文）实时通信协议及应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近几年来，随着计算机技术的发展及其应用的普及，实时系统已经在工业、交通、 能源、科学研究和科学试验、国防等各个领域发挥极其重要的作用。以太网因其结构简 单、成本低廉、带宽易于扩展及其兼容性、稳定性和可靠性等诸多优点，受到人们的极 大关注。尽管以太网本身所采用的介质访问控制协议，其存在不可预见的特性，限制它 应用于实时通信领域，如何实现以太网终端之间实时的、可靠的数据通信，就成为了关 键。 本文就是在这种背景下设计并建立了基于以太网络的实时通信传输模型。同时完成 新的实时通信传输协议，使此协议完全兼容现有的通信协议，又全面支持了实时通信。 为了满足网络的实时性要求，保证各个节点的实时性的访问仲裁过程以及保证整个网络 的实时性的传输控制过程，两个过程有机地组合在一起，才能保证通信协议具有良好的实 时性。 本文主要从发送队列中待发数据之间的优先级问题着手来提高网络实时性。分析网 络适配器在发送数据包时寄存器的变化情况，并剖析缓冲页面的读取顺序。提出修改数 据帧格式和数据的接收、发送流程的方法，使实时数据自身附带一个时间戳域，以反映 对时间的限制信息，使传输协议能够根据数据的时间戳对数据进行处理，对接收的数据 进行相应的优先级选择，使实时的数据能先于非实时数据得到发送上的优先，从而满足数 据的实时要求。 关键词：实时；以太网；优先级 大连理工大学硕士学位论文 t h e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a b s t r a c t r e c e n t l y ，耐也t h ep e r v a s i v ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e m e t ，t h e r e a l t i m es y s t e m , n o wi sa l r e a d yp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea r e a ss u c ha si n d u s t r y t r a f f i c ， p o w e r ，n a t i o n a ld e f e n s es c i e n c er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t i th a sb e e nn e a r l yt h i r t yy e a r ss i n c e t h ee t h e r n e tc a i l eo u t n o wi ti ss p a r k i n gw i t hf u l lo fv i g o rb e c a u eo fc o n t i n u o u su p d a t e d n e wt e c h n o l o g y e s p e c i a l l y ，i ti ss i g n i f i c a n t l yn o t i c e df o ri t sa d v a n t a g e sa ss i m p l es t r u c t u r e ， c h e a pc o s t ，e x t e n d a b l eb a n d w i d t h , c o m p a t i b i l i t y , s t a b i l i t y , a n dr e l i a b i l i t y a l t h o u g ht h e m e d i u ma c c e s sc o n t r o lt h a ti s u n p r e d i c t a b l el i m i t s i t s a p p l i c a t i o n i nt h er e a l t i m e c o m m u n i c a t i o na r e a , i ti sc r u c i a lt op u tr e a l t i m ea n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n e t h e m e tt e r m i n a l si n t op r a c t i c e t h i ss t u d yh a sd e s i g n e da n ds e tu par e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n m o d e lu n d e rt h ea b o v e b a c k g r o u n d , m e a n w h i l e ，an e wr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o nm o d eh a sb e e nr e a l i z e d , s ot h a t ，t h e m o d ef u l l ys u p p o r tt h e r e a l t i m ec o m m u n c a t i o na n dt h o r o u g h l yc o m p a t i b l ew i t ht h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt h a ta l r e a d ye x i s t s i no r d e rt om e e tt h en e e do fr e a l t i m ed e m a n d , w es h o u l dn a t u r a l l yc o m b i n et h ep r o c e d u r eo fa c c e s s i n ga n da r b i t r a t i n gw h i c hg u a r a n t e e st h e r e a l - t i m eo fe v e r yn o d e sa n dt h e p r o c e d u r eo ft h et r a n s m i t t i n ga n dc o n t r o l l i n gw h i c h g u a r a n t e e st h er e a l - t i m eo ft h ew h o l en e t w o r k s ow ec a ng u a r a n t e et h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sr e a l - t i m e t h i ss t u d yi m p r o v e st h er e a l t i m eo ft h en e t w o r km a i n l yf r o mi n v e r t i n gt h ep r i o r i t y b e t w e e nt h ed a t at h a tw a i t i n gt ob es e n ti nt h es e n d i n gq u e u e a n a l y z i n gt h es i t u a t i o no ft h e r e g i s t e ro ft h en e t - a d a p t o rd u r i n gt h ep a c k e ts e n d i n gp e r i o da n dt h er e a d i n gs e q u e n c eo ft h e b u f f e rp a g e s w ep u tf o r w a r dap r o p o s a lt h a tm o d i f y i n gt h ef o r mo ft h ed a t af r a m ea n dt h e s e n d i n ga n dr e c e i v i n gf l o wi no r d e rt om a k et h er e a l t i m ed a t aw h i c hi sa t t a c h e dw i t hat i m e s t a m pc a nr e f l e c tt h et i m el i m i t a t i o ni n f o r m a t i o n s ot h et r a n s m i s s i o np r o t o c o lw o u l db ea b l e t op r o c e s st h ed a t aa c c o r d i n gt ot h et i m es t a m pa n di n v e r tt h ep r i o r i t yo ft h ec o r r e s p o n d i n g p a g e so f t h er e c e i v e dd a t a t h i sp r o c e d u r ec o u l d p e r m i tt h er e a l - t i m ed a t as e n d i n gp r i o r t ot h e n o n r e a l - t i m eo n ei no r d e rt om e e tt h ere a l - t i m en e e d s k e yw o r d s ：r e a l t i m e ；e t h e m e t ；p r i o r i t y i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 夕 作者签名：盘盥鱼日期：皇型堑：篁：! ! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 在今天快节奏的环境中，人们对实时信息的需求越来越多，同时对实时信息的质量 和传输要求也日益严格因此，为保证系统的实时性和确定性，实时控制网络显得极为重 要【l 】。说到控制网络，人们都会想到现场总线，近年来，现场总线确实得到快速发展， 并且在过去的2 0 年里，种类繁多的现场总线已广泛应用于各种工业的底层控制系统当 中。虽然现场总线技术标准正c 6 l1 5 8 已经出台，但是8 种现场总线：i e c 6 11 5 8 t s 、 c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p - n e t 、f fh s e 、s w i f t n e t 、w 0 r l d f m 和i n t e r b u s 都成为国际电工 委员会( i e c ) 的现场总线技术标准，其实质是没有真正统一的通信标准 2 1 。目前国际公 认的现场总线标准主要有8 种，但由于各个标准的产品互相难以兼容，一旦购买并使用 某一厂家的系统，后续的设备升级改造都将产生依赖性，并且昂贵的硬件费用以及不同 总线设备之间难以通信的缺点限制了现场总线应用于我国中小型企业当中。因此，无论 是最终用户还是开发商都在寻找高性能、低成本的解决方案。 随着以太网的迅速发展，以太网已成为事实上的工业标准。目前不仅在办公自动化7 领域，而且在各个企业的管理网络也都广泛使用以太网技术。如今，已无法想象一个现 代化的企业在办公大楼和厂区内没有安装以太网络。而非屏蔽电缆和光纤作为o s i 模 型物理层和数据链路层的一部分，意味着以太网本身已天生获得了进入工厂现场的许 可，更主要的是，以太网本身具有【列： ( 1 ) 应用广泛：以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，具有广泛的技术支 持。几乎所有的编程语言都支持以太网应用开发，如j a v a 、v i s u a lc + + 及v i s u a lb a s i c 等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。 因此，如果采用以太网技术，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 ( 2 ) 成本低廉：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高度 重视与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低 廉。目前以太网网卡的价格只有p r o f i b u s ，f f 等现场总线产品的十分之一，并且随 着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。 ( 3 ) 通信速率高：以太网的通信速率已由1 0 m 转向1 0 0 m 的快速以太网，1 0 0 0 m 以太网技术已经开始应用，1 0 g 以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快得多， 可以满足对带宽的更高要求。 实时通信协议及应用研究 ( 4 ) 软硬件资源丰富：由于以太网己应用多年，人们在以太网的设计、应用等方面 有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的 开发和培训费用，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。 ( 5 ) 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重视 和吸引大量的技术投入。并且，在这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，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。 ( 6 ) 易于与企业内部网( i n t r a n e t ) 和互联网( i n t e m e t ) 连接：能实现办公自动化网络与 工业控制网络的信息无缝集成。 但同时以太网在运用于实时的工业控制系统也有其不足之处，这主要是因为【3 】： ( 1 ) 以太网采用c s m a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，网络通 信具有不确定性，不能满足工业控制的实时性要求。 ( 2 ) 传统以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的， 不符合工业现场恶劣环境的要求，在工厂环境中，以太网抗干扰( e m i ) 性能较差。 ( 3 ) 若用于可燃、易爆等危险场合，以太网不具备本质安全性，同时以太网不具备 通过信号线向现场仪表供电的性能。 本文就是在基于这样的应用需求背景和计算机技术发展趋势下，在l i n u x 系统下， 设计并实现了新的实时通信协议，通过在数据链路层的上一层增加自己的一层特定协 议，来控制总线访问时机的方法来保证以太网的实时性。即在基于建立实时网络模型的 基础上，实现一种实时通信传输模式，此模式充分考虑现有的t c p i p 、以太网等协议， 以及现有的通信设备所遵循的传输协议。同时实现实时数据能先于非实时数据发送，并 且实时数据附带有时间戳信息，以反映对时间的限制信息。从而在提高网络效率的前提 下，达到实时通信的目的。 1 2实时以太网的研究现状 1 2 1 实时以太网 以太网络出现于1 9 7 5 年，并于1 9 8 2 年制定成为i e e e 8 0 2 3 标准的第一版本，1 9 9 0 年2 月该标准正式成为i s o i e c 8 8 0 2 3 国际标准。在这期间，以太网从最初1 0 m b i t s 以 太网，过渡到1 0 0 m b i t s 快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的光纤以太网和 万兆以太网【4 】。可以说，开放的以太网是3 0 年来发展最成功的网络技术，它是在与i e e e 8 0 2 4 令牌总线局域网和i e e e 8 0 2 5 令牌环局域网两个对手的竞争中脱颖而出的，并导 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 致了一场信息技术革命。以太网的快速发展和广泛应用，有力地推动了高技术芯片和系 统开发，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本。因而，以太网每年在世界上的安 装量超过上亿个节点【5 j 。 通常，人们习惯上将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。但是，如果仔 细划分，按照国际电工委员会s c b s c 的定义，工业以太网是用于工业自动化环境，符 合i e e e 8 0 2 3 标准，按照i e e e 8 0 2 1 d 介质访问控制( m a c ) 网桥规范和i e e e 8 0 2 1 q 局域网虚拟网桥规范，对其没有进行任何实时扩展( e x t e n s i o n ) 而实现的以太网。通 过采用减轻以太网负荷，提高网络速度，采用交换式以太网和全双工通信，采用信息级、 流量控制以及虚拟局域网等技术，到目前为止可以将工业以太网的实时响应时间做到 5 1 0 m s ，相当于现有的现场总线。工业以太网在技术上与商用以太网是兼容的。对于响 应时间小于5 m s 的应用，工业以太网己不能胜任。为了满足高实时性能应用的需要，各 大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。这些方案建立 在i e e e 8 0 2 3 标准基础上，通过对其和相关标准的实时扩展，提高实时性，并且做到与 标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网( r e a lt i m ee t h e m e t ，简称r t e ) i 6 j 。 1 2 2 六类标准实时以太网 为了规范这部分工作的行为，2 0 0 3 年5 月，i e c s c b s c 专门成立了w a l l 实时以 太网工作组，该工作组负责制定i e c 6 1 7 8 4 2 基于i s o i e c 8 8 0 2 3 的实时应用系统中工 业通信网络行规国际标准，在该标准中包括：c o m m u n i c a t i o np r o f i l ef a m i l y - 2 e t h e m e t i p ，c p f 3 p r o f i l 寸e t ，c p f 4 p n e t ， c p f 6 i n t e r b l l 8 ，c p f10 一、，n e t ，i p ， c p f l l - t c n e t ，c p f l 2 e t h e 妃a t ，c p f l 3 e m e m e tp o w e r l i n k ，c p f l 4 - e p a ( 中国) ， c p f l 5 - n o d b u s 厂r c p 以及c p f l 6 一s e r c o s 等1 1 种实时以太网进行规化。其中，包括 我国e p a 实时以太网标准的6 个新增实时以太网将以i e cp a s ( p u b l i c l ya v a i l a b l e s p e c i f i c a t i o n ) 公共可用规范予以发表。在上述实时以太网技术中，将有6 个主要竞争者： ( 1 ) 我国的e p a 实时以太网 e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 用于工业测量与控制系统的以太网标准是在国 家科技部“8 6 3 ”计划的支持下，浙江大学、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、大连 理工大学和清华大学等单位联合成立了浙江中控技术股份有限公司，由该公司总裁金建 祥教授为组长的标准起草工作组起草。 ( 2 ) e m e m e t p 实时以太网 e t h e m e t i p 实时以太网技术由c o n t r o l n e t 国际组织c i 、工业以太网协会i e a 和开放 的d e v i c en e t 供应商协会o d v a 等共同开发的工业网络标准。 实时通信协议及应用研究 ( 3 ) m o d b l l 卜d a 实时以太网 m o d b u s 组织和i d a ( i n t e r f a c ef o rd i s t r i b u t e da u t o m a t i o n ) 集团都致力于建立基于 e t h e m e tt c p i p 和w e b 互联网技术的分布式智能自动化系统，为了提高竞争力，2 0 0 3 年1 0 月，两个组织宣布合并，联手开发m o d b u s i d a 实时以太网。 ( 4 ) p r o f i n e t 实时以太网 p r o f i n e t 实时以太网是由p r o f i b u si n t e r n a t i o n a l ( p i ) 组织提出的基于以太网的自动 化标准。从2 0 0 4 年4 月开始，p i 与i n t c r b u sc l u b ( i n t o b u s ) 总线俱乐部联手，负责合作 开发与制定标准。 ( 5 ) e t h c m e tp o w e r l i n k 实时以太网 由奥地利b & r 公司于2 0 0 1 年开发的e t h e m c tp o w e r l i n k 。 ( 6 ) e t h e r c a t 实时以太网 e t h c r c a t ( e t h c m e tf o rc o n t r o la u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ) 由德国b e c k h o f f 公司开发， 并得到e t g ( e t h c r c a tt e c h n o l o g yg r o u p ) 组织的支持【7 j 。 1 2 3 实时以太网常见的解决方案 为了使传统的以太网具有较好的实时性，国内外的一些学者提出了冲突解决方案， 目前主要有以下几个方式【8 】： ( 1 ) 修改m a c 协议 由于导致以太网不确定性通信的c s m a c d 机制位于以太网m a c 层，所以最直接 的方法是修改以太网的m a c 层协议。采用这种方式的有英国斯特拉思克莱德大学开发 的t e m p r a 协议，美国加州大学开发的c s m a d c r 协议，以及佩特雷大学开发的 g i t c s m a c d 协议等。 其中，c s m a d c r 协议保持了与标准c s m a c d 的兼容，该协议在未发生冲突的 情况下，采用c s m a c d 协议，当发生冲突时，采用一种确定性的冲突解决算法来保证 一个确定性数据的最坏信道访问时间。 虽然这类方案在一定程度上保证了实时性服务的时限要求，但其缺点是显而易见的： 首先，由于以太网的m a c 协议是固化在硬件芯片中的，要修改m a c 层协议，就必须 对相关硬件进行改动，从而提高了应用成本；其次，该类方案通常无法做到冲突避免， 只能保证确定时间内解决冲突，并且其最坏冲突解决时间通常远大于平均冲突解决时 间，而实时系统中最关注的正是系统在最坏条件下的表现。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 降低网络负载或者提高网络传输速率 如果网络中没有太多的数据通信那么冲突的概率会很低。实际应用经验表明，以太 网数据冲突概率随着数据通信的增加而呈指数级的增长，当通信负荷在2 5 以下时，可 以保证通信畅通；当通负荷在5 左右时，网络上碰撞的概率几乎为零；当网络负载低 于或等于1 0 的时候，有方案会假设冲突是可避免的。降低网络负载的方法，是在传输 层( 如t c p u d p ) 与以太网之间增加了一个流量整形器，以使网络的平均负载始终保持 在某个较低的规定值，利用低负载、低冲突概率的原理来保证消息传输时间的可预测性。 k w e o n 和s h i n 描述了通过限制整个网络的流量，使得网络冲突的概率为有界的，来达 到基于统计的实时性担保。在此基础上l ob e l l o 引入了模糊的流量平滑机制进行了扩展。 实际上，这时候冲突仍在发生，尽管概率很低。而且，过低的网络负荷大大降低了实际 利用的以太网带宽。 ( 3 ) 冲突避免的改进技术 冲突避免的改进技术，在保留标准的以太网接口的基础上，在m a c 层之上增加一 个实施确定性调度的软件层。主要分为基于令牌和基于时间片划分两种类型。一些学者 提出的是基于令牌的方法，即网络上只有一个主站，其他站均为从站，主站负责定时向 各个节点发送令牌，只有收到该令牌的从站才能向网络上发送数据，否则处于监听状态， 因此也可以避免冲突，提高通信的实时性。缺点是令牌管理占用的时间和带宽降低了网 络的性能。 另一类方法是基于时间片划分的方法，最直接的是采用时分多路访问策略t d m a 。 通过给每个节点预先分配一定的带宽，使节点只有在分配给它的固定时间片内才能向网 络上发送信息，可以保证每个节点信息的发送时间确定，t d m a 机制对网络带宽的利用 是高效的，因为网络上除了传输同步消息外，都是传输的控制消息。但是其实现的前提 是网络中各节点实现高精度的时钟同步。由于t d m a 采用的是基于节点的方法，不能 反应每个节点的实际带宽需求，于是有人提出了可预测的c s m a ( p r e d i c t a b l ec s m a ， p c s m a ) 策略，p c s m a 假定每个节点的信息发送都是周期的，首先利用离线调度策略 计算网络上所有信息的调度方案，然后把信息的调度方案下载到每一个节点，之后各个 节点按照下载的调度方案发送信息。但是该方法不能够满足动态的变化需要。 ( 4 ) 交换式以太网 这种方法充分利用了交换机具有私有冲突域的特点，用交换机取代集线器( h u b ) ， 以把整个以太网分割成多个独立的冲突域，这样在降低冲突的同时保证了传输时间的可 预测性。 实时通信协议及应用研究 传统以太网采用共享式集线器，由于共享式集线器的结构和功能仅仅是一种物理层 中继器，因此连接到共享式集线器上的所有站点共享一个带宽，遵循c s m a c d 协议进 行发送和接收数据。以太网交换机可以认为是一个受控的多端口开关矩阵，各个端口之 间的信息流是隔离的，只有在同一个端口上的信息流才会发生冲突，即每个端口是一个 冲突域。通过对网络负荷进行测算，利用交换机可以合理分割网络。这样，不同端口可 以形成多个数据通道，端口之间的数据输入和输出不再受c s m 刖c d 的约束，从而可以 大大提高网络上每个站点的带宽。这种方案附加成本偏高，尤其是应用于现场仪表的情 况较多。而且，交换机的存储转发也会带来时间的延迟和不确定性【9 - 2 0 1 。 1 3 课题研究内容及意义 从上面的介绍和分析可以看出，国内外对于实时以太网的研究是十分广泛的。据美 国权威调查机构a r c ( a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o m p a n y ) 报告指出，今后e t h e r n e t 不仅继续 垄断行业计算机网络通信和工业控制系统的上层网络通信市场，也必将领导未来现场总 线的发展，e t h e m e t 和t c p i p 将成为器件总线和现场总线的基础协议。美国v d c ( v e n t u r e d e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o n ) 调查报告也指出，e t h e m e t 在工业控制领域中的应用将越来越 广泛，市场占有率的增长也越来越快，将从2 0 0 0 年的1 1 增加到2 0 0 5 年的2 3 。而且 根据a r ca d v i s o r yg r o u p2 0 0 3 年发布的市场报告，实时以太网络产品在过去3 年中每 年有超过5 0 的成长率，今后的6 年更将以平均8 4 以上的复合成长率持续增长【2 。本 课题研究的内容主要是，分析实时网络的一些特性以及影响网络实时性的因素，并对网 络发送数据包的过程进行分析，对该过程中可能造成传输延迟的原因进行总结。建立网 络实时通信模型。并在这基础上实现该模型，定义和描述该模型中的各协议。修改数据 帧格式和数据的接收、发送流程，使实时数据自身附带时间限制信息，实时应用程序可 以根据数据的时间限制信息，对接收的数据进行相应的操作。 1 4 本文的结构 本文主要是围绕如何建立一种新型的网络传输协议模型来展开的。第1 章分析了国 内外实时以太网的发展状况以及一些解决方案；第2 章介绍了实时网络的一些相关理论， 以及相关的技术；第3 章分析实时通信系统中所涉及到的关键问题，提出相应的解决办 法，完成实时通信的系统模型的建立。第4 章主要是实时通信协议的设计与实现。该章 详细地论述了整个通信模型的实现过程。第5 章给出系统模型运行的效果。最后是结论 和展望，阐述了实时以太网通信的优点及有待改进和进一步研究的地方。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 相关理论和相关技术 2 1实时系统概述 实时系统要求在外界指定的时间间隔内，对来自外界的激励信号作出立即的响应 ( 包括物理时间的过渡) 。从输入时间到输出时间的延迟必须足够小，以满足可以接受的 时间值。通常实时系统需要对环境作出连续及时的响应。其计算的正确性不仅依赖于结 果，而且取决于输出发生的时间。一个实时系统必须满足有限响应时间约束条件，否则 会产生严重的后果【2 2 2 3 | 。 2 1 1实时系统概念 实时系统在工业、商业和军事等领域都有着非常广泛的用途，并且己经有很多实际 的应用。一般来说，实时系统通常是比较复杂的。在实时计算中，系统的正确性不仅仅 依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时间。实时计算任务与常见的只要求逻辑 正确性的计算任务之间的最大不同之处就是要满足处理与时间的关系。它经常要处理很 多并发事件的输入数据流，这些事件的到来次序和几率通常是不可预测的，而且还要求 系统必须在事先设定好的时限内做出相应的响应。因此，实时系统的在设计时面临着与 我们常见的分时系统( 如基于w i n d o w s ，u n i x 和l i n u x 等的系统) 相比有更复杂的和不同 的考虑因素。 值得注意的是，实时系统并非就是指“快速 的系统。实时系统的另一个关键因素 在于在时间上系统必须具有可预测性，系统必须确保每个实时应用有限定的响应时间。 根据对实时性能的要求程度不同，实时系统可分为两种类型：软实时系统和硬实时系统。 软实时系统仅要求事件响应是实时的，并希望某一进程必须在多长时间内完成，但这并 不是强制的，即使超过了最后期限，调度和完成这个进程仍然是有意义的；而在硬实时 系统中，不仅要求进程响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理，否则会 给系统带来不希望的破坏或者致命的错误。由于实时系统大多应用于一些关键性的场 合，所以系统的稳定性和容错性也非常重要。另外实时系统的特性决定了传统的性能衡 量标准对其是不适用的。对传统的分时系统来说，软件的执行在时间上的要求并不严格， 要求的是尽可能大的吞吐量，合理的响应速度。然而在实时系统中，实时的数据响应放 到首先必须确保的位置，而不是追求任务的系统吞吐量；根据实时需求对任务的优先响 应取代了分时系统对每个任务的公平恰当的响应速度阱】。 一般来说，实时系统的软硬件结构需要满足以下要求【2 5 】： 实时通信协议及应用研究 ( 1 ) 可满足系统中实时任务负载的运算速度； ( 2 ) 延迟时间可预测并可满足响应时间要求的中断处理机制； ( 3 ) 具有时间指标保障能力的i o 处理： ( 4 ) 合理的处理器和i o 设备的拓扑连接； ( 5 ) 高速可靠的和有时间约束的通信； ( 6 ) 实时的出错处理； ( 7 ) 实时任务调度和并发处理，主要要求是满足时间指标的正确要求，然后提供满 足运行时需求的，适应范围尽可能广的实时调度； ( 8 ) 实时多任务操作系统，这是现代实时系统所主要依赖的基础平台，提供实时应 用的开发环境。 在现代的实时系统当中一般都有实时多任务操作系统的存在。因为操作系统使系统 的设计更加的简便，保证系统的质量以及能够提供其他分时操作系统所提供的服务。这 样实时的操作系统就面临着更高的设计要求。 另外，由于实时系统很多应用于一些关键性的场合系统的稳定性和容错也非常重 要。还有实时系统很多在自然的形态上有分布式的特点，所以还要考虑到实时的分布式 应用。此外实时的通信也是实时系统的一大要求，很显然在分布式实时系统中实时的通 信是最基本的，实时通信必须满足：逻辑正确，要有确定的延迟时间( 或通信延时时间 的上限) 其中包括建立通信的延迟和消息传递的延时。 2 1 2 实时系统特点 实时系统与其他普通的系统之间的最大的不同之处就是要满足处理与时间的关系。 在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算的逻辑结果而且依赖于结果产生的时 间。对于实时系统来说最重要的要求就是实时操作系统必须有满足在一个事先定义好的 时间限制中对外部或内部的事件进行响应和处理的能力。这样，实时系统可以定义为： 一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间作 出响应的系统。此外作为实时操作系统还需要有效的中断处理能力来处理异步事件和高 效的i o 能力来处理有严格时间限制的数据收发应用。就是系统应该有在事先定义的时 间范围内识别和处理离散的事件的能力【2 6 1 。 实时通信网络中的信息有两个特征：一、服务时间( s e r v i c et i m e s ) ；二、最后期限 ( d e a d l i n e ) 。在一个实时通信网络中，及时将信息在它的最后期限之前传输到目的节点 是非常重要的。这些信息对实时环境中的应用程序非常重要，如果应用程序属于硬实时 任务，那么属于该应用程序的信息，丢失或错过最后期限都将是不可容忍的，可能会导 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 致系统错误、造成重大事故等。属于软实时任务的信息，一部分信息的丢失或超过最后 期限，则是可以容忍的( 如：多媒体应用程序) 。同时根据实时信息传输的规律又可分为 周期性实时信息和非周期性实时信息。 由于上述的关于实时系统的应用有关的特点，导致在实时系统的设计时面临着与原 来的通用系统所极为不同的考虑因素。首先在实时系统中最基本的是，系统应该能够提 供对时间正确性进行指定的方法。也就是在实时系统中不管是用户还是开发人员都需要 系统提供一种指定时间尺度的方法。比如，在有的实时系统中指定每隔一段时间就运行 一段程序，或者是提供指定程序必须在某个时间点之前完成的方法等等。在实时系统中 这是最基本的要求，这时通用系统中的功能就完全的不适用了。例如u n i x 和许多类似 的通用系统中都提供一种延时的手段，但这种方法在实时系统中就无法达到要求，因为 这种延时手段无法保证应用能够在d e a d l i n e 之前完成计算。 由于实时系统应用的特殊性，以往通用系统中以大吞吐量为目标的调度算法必须改 进以适应实时应用的需要，主要要求是满足时间的正确性，然后提供高度动态的，满足 在线需求的，适应性的实时调度。 2 1 3 实时系统通信 实时系统的通信在实时操作系统中实时的进程间通信也十分重要。特别是多处理器 的情况，通过系统总线或局域网进行通信。这里主要讨论在分布式系统中的实时通信。 在实时分布式系统中的通信有着特殊的要求。与普通的分布式系统不同，也与基于总线 的多处理器或单处理器不同。由于系统中没有可以用来通信的共享内存，进程之问的通 信完全依靠网络协议来实现。而现有的网络协议没有一种是为实时应用设计的。对于实 时通信来说当然是网络速度越快越好了。但光有高速的网络通道还是不够的。必须有可 预见的和有确定开销的网络协议。在分布式系统或网络上实现实时应用的关键点在于实 现可预见的和有确定开销的网络协议。最常用的以太网从本性来说就是个随机的协 议。载波侦听冲突检测( c s m a c d ) 本身就是一个随机的协议。想发送数据的机器可能 与网络上的其他机器发生冲突。一旦发生，就放弃发送，随机等待一段时间后再次发送。 无法给出最坏情况的上下限，这样就造成了发送数据所需要的时间的不确定性，而这恰 恰是实时操作系统所不允许的【2 7 】。 实时通信协议及应用研究 2 2 实时通信 2 2 1 实时通信协议 为保证节点间数据传输的实时性，在对网络通道进行调度时，实时通信协议需要考 虑两个过程：访问仲裁过程和传输控制过程。访问仲裁过程决定一节点什么时候可以通 过网络通道发送数据；而传输控制过程决定节点可在通道上不间断传输数据的时间。访 问仲裁过程是为了保证各个节点的实时性，而传输控制过程则是为了保证整个网络的实 时性。由于通道是共享介质，如果不能有效限制节点占用通道的时间，那么其它节点的 实时性将无法保证。两个过程只有有机地组合在一起，才能保证通信协议具有良好的实 时性。 目前的实时通信协议大都侧重于其中的一个过程。如令牌环( t o k e nr i n g ) 协议 i e e e 8 0 2 5 ( i e e e l 9 8 9 ) 强调的是访问仲裁过程，而定时令牌协议( t i m e dt o k e np r o t o c 0 1 ) ， 如m e e 8 0 2 4 ( a n s i l 9 8 5 ) ，f d d i ( a n s l l 9 9 0 ) 则强调的是传输控制过程。因此，它们的 实时性能并不理想【2 8 之9 1 。 比较以太网协议与其它实时网络通信协议可以发现，以太网节点主动争用通信介 质，而实时网络一般都是被动获得通信介质使用权后( 或者是获得令牌、或者是收到命 令) ，方可发送数据，因而在传输过程中不会发生碰撞。 在基于广播的以太网中，所有的工作站都可以收到发送到网上的信息帧。每个工作 站都要确认该信息帧是不是发送给自己的，一旦确认是发给自己的，就将它发送到高一 层的协议层。在采用c s m a c d 传输介质访问的以太网中，任何一个c s m a c dl a n 工作站在任何一时刻都可以访问网络。发送数据前，工作站要侦听网络是否堵塞，只有 检测到网络空闲时，工作站才能发送数据。在这种竞争的以太网中，只要网络空闲，任 一工作站均可发送数据。当两个工作站发现网络空闲而同时发出数据时，就发生冲突。 两个传送操作都被破坏，工作站必须在一定时间后重发，何时重发由延时算法决定。 2 2 2 实时通信方式 一个典型的实时控制系统中实时数据在各实时站点中产生和交换，同时实时站点还 要和其它非实时站点也要通讯。在每一个节点中把传输的网络包分为实时数据包和非实 时数据包。实时数据定义为在现代分布式控制网络中，为实现生产和过程控制之间的同 步和异步，各实时站点之间需要传输的数据。非实时数据则指为实现网络管理而传递的 数据包、一些不需要及时处理的网络数据的发布以及文件的下载等。通过试验和观察， 我们发现一个控制数据的传递往往是少量的数据，而对于非实时的数据包则不确定，在 以太网中最大可达1 5 0 0 个字节，因此在传输中我们不能把两种数据等同看待，否则非 大连理工大学硕士学位论文 实时数据的发送会严重影响实时数据的发送导致不能接受的延迟。据统计在一个控制网 络中约有1 0 的实时数据在网上传输，而9 0 的非实时数据像f t p 文件传输，h t t p 的 w e b 页面、以及网络管理和网络自身通讯的数据占据着主要的通讯信道 3 0 - 3 1 1 。 2 2 3 影响网络实时性的因素 ( 1 ) 介质访问控制 实时通信网络的介质访问控制，即上文提到的访问仲裁过程，主要采用的有两种方 法：一、是控制各节点访问总线的时机，避免在同一时刻有两个或多个节点同时访问总 线而产生冲突；二、像c s m a c d 协议一样，各节点可以在任何总线空闲的时候访问总 线，但是在产生冲突后，对各个节点的退避和重发进行控制，避免再次冲突，使信息在 确定的时间内成功发送。 ( 2 ) 协议处理 协议栈实现有两种选择：一、每个进程实现一个协议( p r o c e s s - p e r - p r o t o c 0 1 ) ，每个 协议由一个特殊的进程实现，这意味着一条信息处理完，需要从一个进程切换到另一个 进程( p r o c e s ss w i t c h ) ；二、每个进程处理一条信息( p r o c e s s - p e r m e s s a g e ) ，每一个协议 处理是一些静态的代码，通过消息和进程联系起来，一条信息处理完只需要调用这些静 态代码( p r o c e d u r ec a l l ) 。前者可能更具有层次分明，实现方便等优点，但是后者更具有 效率，因为在大多数微机上过程调用要比进程切换有效的多。而且还有实现者将所有的 协议实现在一个过程中，以省掉过程调用的开销。 ( 3 ) 任务调度和通信调度的协调关系 传送一个消息要涉及到任务调度和通信调度两个领域，同样一个活动优先级要从这 一部分传到另一部分，任务的优先级要和消息的优先级相互匹配，防止出现低优先级任 务要发送高优先级的消息等情况，所以需要处理两种调度之间的协调问题。同时一个系 统运行有多个任务，但是在同一时刻，只可以有一个任务在运行。因此处理好涉及网络 通信的实时应用程序与无需通信的应用程序之间的任务调度，也有着重要的意义。 ( 4 ) 优先级问题 这里仅讨论消息的优先级问题。消息的优先级不能完全按照消息的类别来划分，应 根据消息的类型、最后期限和紧急程度来划分。同时要按优先级进行排队，保证资源抢 占式调度，防止由于资源限制，而导致优先级翻转。 ( 5 ) 资源预留 对于一些多媒体传输，为了获取更好的服务质量( q o s ) ，常常采用资源预留策略， 如：带宽预留、缓冲区预留等【2 9 】。 实时通信协议及应用研究 2 3 实时网络相关技术 目前，实时网络技术正处于不断地发展中，各种技术都有一定的应用范围和市场。 其中主要流行的技术有如下几种：非破坏性的位仲裁方式、令牌方式、确定性冲突解决 以及一些其他的方法和手段。 2 2 1 非破坏性位仲裁 采用这种方式的典型技术