（信号与信息处理专业论文）epa通信调度策略的优化与应用.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 近年来，随着通信技术、以太网技术的迅速发展，工业以太网已经成为工业 自动化控制领域一个新的研究热点。在控制网络中，现场设备的确定性通信与实 时性同等重要，而确定性调度技术是e p a 协议的核心技术之一。因此，e p a 确定 性调度的性能至关重要，关系到整个e p a 网络的可靠有序的运行。 本文简要介绍了工业以太网和几种国内外确定性调度的研究现状。在基于深 入研究e p a 标准及确定性通信调度特点的基础上，分析了各种边界条件对e p a 通 信调度的影响，如e p a 网络时延、实时性问题等，以及目前通信调度实现过程中 存在的报文缓冲区利用率低、消耗大量系统资源和非周期低优先级报文较大传输 延迟等问题。 鉴于以上情况，提出了相应的改进方法来改善通信调度的可靠性和稳定性。 特别是针对基于e p a 固定优先级机制的非周期低优先级报文，可能出现传输延迟 很大的问题，提出了一种动态优先级调度策略。该策略结合改进的p q 队列调度算 法形成了动态优先级调度算法，使非周期报文的优先级别在传输过程中随着时间 而变化，并且随着等待时间的增长，优先级别也随之提高，这样等待时间较长的 低优先级别的非周期报文，总会因其优先级别不断提高而被调度传输，从而解决 了非周期报文较大的传输延迟问题。与此同时，利用改进的p q 队列将报文分类存 储在不同优先级队列内，节约内存资源，提高数据缓冲区利用率。然后，基于改 进的优先级调度策略，设计了通信调度控制算法，在通信宏周期t 内控制周期报 文和非周期报文的发送，同时通过减少非周期结束声明报文的发送量，为非周期 数据发送阶段提供更多的剩余时间供非周期报文的发送使用，提高资源利用率。 最后，将上述改进后的e p a 通信调度在a r m 7 平台上实现，进行性能测试与分析， 并应用在设备中。 关键词：工业以太网，e p a 协议，确定性调度，调度策略 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d e t h e r n e tt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a le t h e r n e th a sb e c o m ean e w r e s e a r c hh o t s p o ti nt h ef i e l d o fi 1 1 d u s t r i a la u t o m a t i o na n dc o n t r 0 1 i nt h ec o n t r o ln e t w o r k , t h ed e t e r m i n i s t i c c o m m u n j c a t i o ni s 弱i m p o r t a n t 鹞t h er e a l - t i m ei nt h ef i e l de q u i p m e n t s ，w h i l et h e d e t e 锄i n js t i cs c h e d u l i n gt e c h n o l o g yi so n eo fc o r et e c h n o l o g i e so fe t h e r n e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ( e p a ) p r o t o c 0 1 t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c e o fe p ad e t e r m i n i s t i c s c h e d u l i n gi se s s e n t i a la n dr e l a t i o nt h er e l i a b l ea n do r d e r l yo p e r a t i o no f t h ee n t i r ee p a n e t w o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa l lo v e r v i e wo fi n d u s t r i a le t h e r n e ta n ds e v e r a ld e t e r m i n i s t i c s c h e d u l i n go ft h es t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a d o nt h eb a s i so fi n - d e p t hs t u d y 锄d a n a l y s i so fe p as t a n d a r d sa n d t h ed e t e r m i n i s t i cc o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gf e a t u r e s ， a n a l y s i st h e v a r i o u sb o u n d a r yc o n d i t i o n so nt h ei m p a c to fe p ac o m m u n i c a t i o n s c h e d u l i n g ，s u c ha se p an e t w o r kl a t e n c ya n dr e a l t i m ei s s u e s a n dc u r r e n t l yt h e r e a r e m a n yp r o b l e m se x i s t i n gi nt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，s u c h a sl o wu t i l i z a t i o nr a t eo f p a c k e tb u f f e r , c o n s u m el a r g ea m o u n t so fs y s t e mr e s o u r c e s ，n o n p e r i o d i c l o w - p r i o r i t y p a c k e tt r a n s m i s s i o nd e l a yl a r g ea n d s oo n i nv i e wo ft h ea b o v e ，t h ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tm e t h o d sa r ep r o p o s e dt o i m p r o v et h e c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gr e l i a b i l i t y a n ds t a b i l i t y e s p e c i a l l y f o r n o n p e r i o d i cl o w p r i o r i t yp a c k e t sb a s e do n e p af i x e dp r i o r i t ym e c h a n i s m ，i tw o u l db ea 口e a td e l a yi nt h et r a n s m i s s i o n ，ad y n a m i cp r i o r i t ys c h e d u l i n gs t r a t e g yi sp r o p o s e d ，t h e n e ws t r a t e g yc o m b i n ew i t ht h ei m p r o v e d 面o r i 够q u e u i n g ( p q ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h m f o m l e dt h ed y n a m i cp r i o r i t ys c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，n o n - p e r i o d i cp a c k e tp r i o r i t yl e v e l c h a n g eo v e l t i m ei nt h et r a n s m i s s i o na c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h m , a n dt h ew a i t i n gt i m e i n c r e a s e s t h ep r i o r i t ya l s ow i l lb ei m p r o v e d ，s ow a i tf o rl o n g e rp e r i o d so fn o n - p e r i o d i c l o w p r i o r 时p a c k e t sw i l lb es c h e d u l i n gt r a n s m i s s i o nb e c a u s e 鹊t h e i rp r i o r i t yh a sb e e n c o n t i n u o u s l yi m p r o v e ，a b o v em e t h o d s s o l v en o n - p e r i o d i cp a c k e tt r a n s m i s s i o nl a r g e d e l a v s a tt h es a m et i m e ，p a c k e t sw i l lb ec l a s s i f i c a t i o n s t o r e di nad i f f e r e n tp r i o r i t y q u e u eb yu s i n gt h ei m p r o v e dp qq u e u e ，s a v i n gm e m o r yr e s o u r c e s ，t m p r o v eu t i l i z a t i o n 0 f 恤d 2 l 诅b u f r e r t h e n ，d e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n gc o n t r o la l g o r i t h mb a s e d o ni m l ：i r o v e dp r i o r i t ys c h e d u l i n gs t r a t e g y , a c h i e v e dt h es e n d i n go fp e r i o d i cp a c k e t sa n d i l n o n p 撕o d i cm e s s a g e sw i t h i nt h ec o m m u n i c a t i o n m a c r oc y c l e ，w h i l em l p r 0 v i n g 也ee i l d o fn l es t a t e m e mo f1 1 0 1 1 p e r i o d i cp a c k e td e l i v e r ym e t h o d ，r e d u c i n gt h es e n d i n ga m o u n t o fn o n - p e r i o d i cd a t at r a n s m i s s i o np h a s et op r o v i d em o r e t i m ef o rn o n - p e n o d i cm e s s a g e s t os e n dt ou s e ，i m p r o v e s r e s o u r c e su t i l i z a t i o n f i n a l l y , t h ei m p r o v e d e p a c o i n m u n i c a t i o ns c h e d u l i n ga c h i e v e di nt h ea r m 7p l a t f o r m ，p e r f o r m a n c et e s t i n ga n d a n a l y s i s ，a n da p p l i e di nt h ee q u i p m e n t k e yw o r d s ：i n d u s t r me t h e m e t ，e p ap r o t o c o l ，d e t e r m i n i s t i cs c h e d u l i n g ，s c h e d u l i n g s t r a t e g y i i l 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1工业以太网概述 第一章绪论 随着以太网技术的飞速发展，工业以太网已经成为工业控制领域一个新的研 究热剧。所谓工业以太网，一般是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼 容，但是在产品设计时，在材质的选用、适用性、可靠性以及实时性等方面能满 足工业现场的需要。简而言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制的局域网 技术。工业以太网作为一种新兴、统一、快速发展的标准，满足了工业网络在开 放性、互联性、带宽方面提出的高要求，所以通信确定性、可靠性、稳定性、实 时性等方面的问题也逐步得到解决【2 1 。在当前多种现场总线并存、无法混用的情况 下，实时以太网技术将i t 领域的最新技术与工业控制相结合，提供了一种比较有 前途的工业数据通信系统解决方案。工业数据通信网络与信息网络不同，工业数 据通信不仅要解决设备的互连，而且需要解决信息的互通问题，即信息的互相识 别、互相理解和互可操作。从产业发展趋势上看，网络化、智能化、信息化、集 成化是未来工业自动化控制系统的发展趋势，而网络技术多样化、标准系列化、 信息集成化也成为当今工业自动化国际标准的现状与发展趋势。 随着工业以太网的快速发展，许多现场总线组织和国际化大公司都在致力于 发展和推动以太网技术进入工业控制领域的工作，研究基于工业以太网的全新控 制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。各现场总线组织纷纷将以 太网引入其现场总线体系的高速部分，利用以太网和t c p i p 技术，以及原有的 低速现场总线应用层协议，从而构成了工业以太网协议。当前典型的工业以太网 如：h s e 、p r o f i n e t 、e t h e m e t i p 、以及e p a 等。 1 ) h s e ( h i g hs p e e de t h e m e t ) 高速以太网( h i g hs p e e de t h e r n e t ，h s e ) 是f f 现场总线基金会在2 0 0 0 年3 月提出的，并将h s e 作为一个分布式系统，实现控制网络与互联网的集成。h s e 在物理层、数据链路层、网络层和传输层采用的是以太网和t c p i p 的结合，在 应用层和用户层则是采用f f 的h l 的应用层服务和功能块应用进程规范【3 1 。在 h s e 网络上，设备通过h s e 链接设备进行通信，且该链接设备具有网桥的功能， 连接多个不同的h 1 网段，使不同网段内的设备能够直接进行通信。 2 ) p r o f i n e t p r o f i n e t 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工业自动化 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 标准。目前已有3 个版本，在这些版本中，p r o f i n e t 提出了对i e e e 8 0 2 1 d 和 i e e e l 5 8 8 进行实时扩展的技术方案，并对不同实时要求的信息采用不同的实时通 道技术。p r o f i n e t 提供一个标准通信通道和两类实时通信通道1 4 】，标准通道是使用 t c p i p 协议的非实时通信通道，主要用于设备参数化、组态和读取诊断数据。实 时通道主要用于过程数据的高性能循环传输、事件控制的信号与报警信号等。 3 ) e t h e m e t 口 e t h e m e t i p ( e t l l e m e t i n d u s t r i a lp r o t o c o l ，以太网工业协议) 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 e n e t 供应商协会o d v a 等共同 开发的工业网络标准。e t h e m e t i p 协议由i e e e8 0 2 3 物理层和数据链路层标准、 t c p i p 协议以及控制与信息协议c i p ( c o n t r o li n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 等组成【5 】， 为了提高设备间的互操作性，采用了c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 控制网络中的c i p ， c i p 一方面提供实时i o 通信，另一方面实现信息的平等传输。 4 ) e p a e p a 标准是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术的适用 于工业自动化控制系统装置与仪器仪表、工业自动化仪器仪表相互间数据通信的 工业控制网络通信标准，包括相互之间的通信操作、为用户应用程序提供的服务 接口以及相关管理方面的规范。目前e p a 标准已经通过t c l 2 4 s c 4 的技术审查， 成为我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准，同时也是中国工业自动 化领域第一个被国际认可接收的标准【1 1 1 。 1 2确定性工业以太网的研究 为了满足工业现场对确定性通信的要求，各大公司采用不同的通信调度机制， 提出各自的工业以太网，以解决其通信确定性问题。下面将介绍其中的几种确定 性工业以太网以及其通信调度机制。 1 ) 时间片通信网络管理机制 所谓的时间片通信网络管理机制( s l o t c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k m a n a g e m e n t ， s c n m ) 是指将同步数据和异步数据分别分配时间片，其中专用的时间片用于同步 数据的传输，而共享的时间片则用于异步数据的传输，保证了在任意时刻只有一 个设备可以占用网络进行无冲突的数据信息传输，从而彻底避免了网络冲突的发 生，保证实时以太网通信的确定性1 6 j 。 2 0 0 1 年，奥地利贝加莱( b & r ) 公司的e t h e m e tp o w e r l i n k 采用了s c n m 机 制，在通信管理上引入了管理节点( m a n a g i n gn o d e ，m n ) 和控制节点( c o n t r o ln o d e 2 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 q d 。整个网络拥有唯一的管理节点，控制节点必须在管理节点上登记组态，管理 节点对网络进行统一的调度，为各个节点之间数据通信分配时间信道。管理节点 可以独立地发送数据，以广播的形式或指定发送；而控制节点仅在得到允许后才 能发送数据，且以广播的形式发送，其它的节点可以接收数据并且进行监督。对 于实时数据，信道时间较窄，可以精确管理；而对于标准以太网数据包，先拆成 小包，然后纳入相应的信道进行管理，因此数据也是确定性的。则p o w e r l i n k 的通 信周期包括开始阶段、同步阶段、异步阶段和空闲阶段，如图1 1 所示。 图1 1p o w e r l i n k 通信周期 2 ) 现场总线存储器管理和i e e e l 5 8 8 机制 德国倍福公司( b e c k h o f f ) 提出了e t h e r c a t ( e t h e m e tf o rc o n t r o la u t o m a t i o n t e c h n o l o g y ) 技术，即采用现场总线存储器管理( f i e l d b u sm e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ， f m m u ) 技术和i e e e l 5 8 8 机制，避免通信总线传输的延迟问题，以解决通信确定 性问题，并得到了e t g 组织的支持。它可应用于现场级的超高速i o 网络，采用 标准的以太网物理层和常规的以太网卡，传输介质采用双绞线或光纤。 在整个系统中，只有一个用于系统的控制主站，其它的都是从站，当数据报 文从主站发出后，每个从站根据f m m u 技术读出数据报文中指定到此站的数据【7 】o 同样，输出数据也可以在数据报文通过时插入到报文中，仅需几纳秒的延迟。网 络内的最后一个从站则向主站发送一个完整的帧，以形成和创建一个物理和逻辑 环。e t h e r c a t 通过内部优先级系统，使实时以太网数据比其它的数据( 如组态或诊 断数据等) 具有更高的优先级。组态数据只是在传输实时数据的间隙中传输( 前提 条件是时间间隙足够传输) ，或者通过特定的通道传输。 在同步方面，e t h e r c a t 采用了i e e e l 5 8 8 标准中定义的精确时钟同步机制实 现分布时钟的精确同步【s 】【9 】。这在广泛要求同时动作的分布系统中显得尤为重要， 而同步的最有效解决方案是分布时钟的精确校准。在e t h e r c a t 中，数据的交换是 完全建立在硬件“主时钟和“子时钟”的基础上。与此同时，e t h e r c a t 还引入 了时间戳数据类型作为扩展，与自由同步误差测量技术相比可以获得的值更加精 确。 3 ) e p a 确定性调度算法 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 e p a 通信调度采用基于时间片调度和优先级调度相结合的调度算法，按预先 组态的调度方案，对e p a 设备向网络上发送的周期报文与非周期报文的发送时间 进行控制，保证在任意时刻网络上都只有个报文在传输，以避免碰撞，同时保 证了e p a 周期报文和优先级高的非周期报文优先发送，加强了实时性【l o l 。其具体 的实现过程将在第二章中进行详细描述。 1 3课题的研究目的及意义 十五期间，在国家8 6 3 计划的支持下，重庆邮电大学作为“e p a 研发团队 的核心成员，参与制定的用于工业测量与控制系统的工业以太网e p a 系统结构 和通信标准( 简称“e p a 标准 ) 【u 】【1 2 1 ，作为我国制定的第一个拥有自主知识产 权的现场总线国家标准，实现了我国工业自动化领域国际标准化工作的零的突破， 使我国打破国外在现场总线控制系统方面的技术与产业垄断成为可能。 在控制网络中，通信的确定性往往比通信的实时性还要重要。与此同时，确 定性通信调度技术是e p a 协议的关键技术之一【1 3 】【1 4 1 15 1 ，它关系到整个e p a 网络 的可靠有序地运行，运用该技术可以使e p a 网络有效地避免了乱序、丢包、重发 报文等情况，从而保证了e p a 网络中报文传输的确定性和实时性【1 6 1 1 刀。然而，当 前e p a 协议栈在数据链路层确定性调度实现方面还存在一些问题，比如报文缓冲 区利用率低、消耗大量内存资源、消耗大量系统资源以及非周期低优先级报文传 输延迟大，甚至等待无限长时间等问题。 鉴于以上存在的问题，对通信调度进行改进，提出了相应的改进方案来提高 通信调度的性能。特别是针对e p a 协议的通信调度策略提出了新的e p a 优先级 调度策略和设计方法，并将改进后的e p a 通信调度在a r m 7 平台下实现，改善 确定性调度的可靠性和稳定性，提高通信调度性能以及改善e p a 网络通信质量具 有较好的现实意义。 1 4 研究内容和论文结构 1 4 1 论文的研究内容 本文简要介绍了e p a 标准，针对e p a 通信调度策略的优化与应用，重点进 行了以下几方面工作： 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 ) 分析几种具有确定性调度的工业以太网，如e t h e m e tp o w e d i n k 、e t h e r c a t 、 e p a 等工业以太网，以及其通信调度机制。 2 ) 研究各种边界条件对e p a 通信调度的影响，并提出相应的改进方法，提 高通信调度性能。 3 ) 针对e p a 协议的固定优先级机制在e p a 网络负载较重时非周期低优先级 报文的传输会有很大延迟问题，研究一种动态优先级调度策略，减少非周期低优 先级报文的传输延迟，实现非周期低优先级报文的调度功能。 4 ) 基于改进的优先级调度策略，设计了通信调度控制算法，在通信宏周期r 内控制周期报文和非周期报文的发送，同时通过减少非周期结束声明报文的发送 量，为非周期发送阶段提供更多剩余时间供非周期报文的发送使用，提高资源利 用率；以及为了减少内存的开销，提出将非周期报文根据报文的优先级进行分类 管理。 5 ) 将上述改进后的e p a 通信调度在a r m 7 平台下实现，进行性能测试与分 析，并应用在实验室的设备中。 1 4 2 论文结构 本论文一共分为五章，各章内容安排如下： 第一章“绪论 ，对工业以太网、几种国内外确定性工业以太网的研究进行 了概述，并阐述了本课题的研究目的和意义。 第二章“e p a 通信调度的性能分析”，深入研究e p a 通信调度算法，分析边 界条件对e p a 通信调度的影响，以及目前e p a 通信调度实现过程中存在的问题。 第三章“改进的e p a 通信调度在a r m 7 平台下的实现，针对第二章提出的 e p a 通信调度实现过程中的问题，设计了相应的解决办法和算法，并对上述改进 后的e p a 通信调度在a r m 7 平台下实现。 第四章“e p a 通信调度的性能测试与分析，针对e p a 通信调度改进前后进 行确定性调度的性能测试，验证了通信调度的改进效果。 第五章“结论与展望，对全文进行总结，并指出了本设计中存在的不足和 需要进一步研究及完善的方面，为后续的研究工作指名了方向。 1 5 本章小结 本章简要介绍了工业以太网、几种具有确定性调度的工业以太网，如e t h e m e t 重鏖坚皇奎兰堡主笙壅 一一 第一章绪论 一一 ： ：= p o w e r l i n k 、e t h e r c a t 、e p a 等工业以太网。确定性调度技术是e p a 协议的关键技 术之一，它关系到整个e p a 网络的可靠有序地运行，本课题的研究重点就是e p a 通信调度策略的优化与应用，提出新的优先级调度策略，以及改进实现过程中存 在的问题，使e p a 通信调度能达到更高的性能指标。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章e p a 通信调度的性能分析 第二章e p a 通信调度的性能分析 随着以太网的迅速发展，e p a 协议栈通信的确定性、实时性等性能对e p a 网 络越来越重要。在数据链路层，将用户层的报文分为周期报文和非周期报文，根 据设备组态信息使周期报文按照固定的时间片发送，而非周期报文按照报文优先 级大小发送，即确定性调度。确定性调度技术是e p a 协议的关键技术之一【1 3 1 ，它 关系到整个e p a 网络的可靠有序地运行，运用该技术使e p a 网络有效地避免了 乱序、丢包、重发报文等情况，从而保证了e p a 网络中报文传输的确定性和实时 性。而目前e p a 通信调度实现过程中还存在的一些不足，本章正是通过深入研究 e p a 通信调度算法，分析各种边界条件对e p a 通信调度的影响，以及分析目前 e p a 通信调度实现过程中存在的问题。 2 1e p a 通信协议模型与调度原理 2 1 。1e p a 通信协议模型 e p a 通信模型参考i s o o s i 通信参考模型，取其物理层、数据链路层、网络 层、传输层、应用层，并在应用层之上增加用户层( 采用i e c 6 1 4 9 9 5 6 1 8 0 4 1 6 标 准) ，在网络层和m a c 层之间增加e p a 实时通信管理接口，共构成6 层结构的通 信模型，其中，e p a 通信调度管理实体用于对e p a 设备向网络上发送报文的调度 管理。如图2 1 所示。 图2 1e p a 通信协议模型 7 用户层 应用层 1 l 传输层 f 网络层 j 1 i 数据链 l 路层 j 物理层 重庆邮电大学硕士论文 第二章e p a 通信调度的性能分析 1 ) e p a 管理信息库 e p a 管理信息库s m i b 存放了e p a 系统管理实体、e p a 通信调度管理实体和 e p a 应用访问实体操作所需的信息。在s m i b 中，这些信息被组织为对象，如： 设备描述对象描述的设备位号、通信宏周期等信息，而连接对象描述了e p a 应用 访问实体服务所需要的访问路径信息等。 2 ) e p a 应用进程 应用进程( a p p l i c a t i o np r o c e s s ，a p ) 是在网络上为具体应用执行信息处理的 元素，它是驻留在e p a 设备中的分布式应用的组成部分。e p a 系统中，有两类应 用进程，即e p a 功能块应用进程和非实时应用进程，它们可以在一个e p a 系统 中并行运行。 e p a 功能块应用进程是根据i e c 6 1 4 9 9 1 、i e c 6 1 4 9 9 2 、i e c 6 1 4 9 9 4 协议定义 的“工业过程测量和控制系统用功能模块”和i e c 6 1 8 0 4 协议定义的“过程控制 用功能块所构成的应用进程。在功能块之间的互操作被模型化为将一个功能模 块的输入链接到另一个功能模块的输出。功能模块间的链接存在于功能块a p 之 内及之间。位于同一个设备中的功能模块之间的接口由本地定义。不同设备之间 的功能块使用e p a 应用层服务。 非实时应用进程是指基于h t t p 、f t p 以及其它应用协议的应用进程，如 h ”限服务应用进程、电子邮件应用进程、f t p 应用进程等。 3 ) 应用层 e p a 的应用层为用户层的应用进程提供接口，主要包括s n m p ( 简单网络管 理协议) 、s n t p ( 系统时钟同步协议) 、d h c p ( 地址分配协议) 、聊、h t t p 等。此外，还包括e p a 应用访问实体、e p a 系统管理实体和e p a 套接字映射实 体。 e p a 应用访问实体 e p a 应用访问实体描述通信对象、服务以及与上下层接口的关系模型。它为 组成一个功能块应用进程的所有功能块实例间的通信提供通信服务，包括域上载 厂f 载服务、变量访问服务和事件管理服务等。通过这些服务，组成功能块应用进 程的功能块实例之间就可以实现测量、控制值传输、下载上载程序、发出事件通 知和处理事件等功能。 e p a 系统管理实体 e p a 系统管理实体用于管理e p a 设备的通信活动，将e p a 网络上的多个设 备集成为一个协同工作的通信系统。e p a 系统管理实体支持设备声明、设备识别、 设备定位、地址分配、时间同步、e p a 链接对象管理等功能。为了支持这些功能， e p a 系统管理实体规定了e p a 通信活动所需的对象和服务。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章e p a 通信调度的性能分析 e p a 套接字映射实体 e p a 套接字映射实体提供e p a 应用访问实体和e p a 系统管理实体与u d p i p 软件实体之间的映射接口，同时具有报文优先发送管理、报文封装、响应信息返 回、链路状况监视等功能。 4 ) 网络层与传输层 e p a 的网络层和传输层为e p a 应用层提供报文传输平台，采用t c p ( u d p ) i p 协议集，其中u d p 协议不需要在通信两端建立连接和确认，可用于实时数据 通信。而对于实时性要求不高、对传输的可靠性要求高的应用，可使用t c p 协议， 若使用u d p 协议，则必需在应用层提供传输可靠性保障机制。其中，e p a 应用 访问实体与e p a 系统管理实体的服务报文均可采用u d p 协议传送。 5 ) 物理层与数据链路层 物理层的任务是为数据链路层提供一个物理连接，规定了机械、电气、功能 和过程特性。数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上无差错地传送数据，并 进行流量控制。在e p a 通信标准中，物理层和数据链路层采用了i s o i f _ , c 8 8 0 2 3 ， i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 5 规范。此外，在数据链路层的m a c 子层与网络层之间 定义了e p a 通信调度管理实体。 e p a 通信调度管理实体用于对e p a 设备向网络上发送报文的调度管理。e p a 通信调度管理实体采用分时发送机制，按照预先组态的调度方案，对e p a 设备向 网络上发送周期报文与非周期报文的发送时问进行控制，以避免碰撞。其中，e p a 周期报文按预先组态的时间片发送；e p a 非周期报文按照时间有效性、报文优先 级以及e p a 设备的口地址大小顺序发送。所谓时间有效性，是指在一个通信宏 周期内的剩余时间能够将该非周期报文完整发送出去。在此情况下，优先级高的 报文优先发送；如果两个或两个以上设备的非周期报文优先级相同，则按p 地址 小的e p a 设备优先发送。 2 1 2i ：p a 设备间的通信 图2 2 表明了两个e p a 设备之间的通信过程。每个e p a 设备由至少一个功能 块实例、e p a 应用访问实体、e p a 系统管理实体、e p a 套接字映射实体、e p a 链 接对象、通信调度管理实体以及u d p f l p 协议等几个部分组成。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章e p a 通信调度的性能分析 图2 2e p a 设备间的通信模型 按服务类型分，两个e p a 设备的通信服务关系可分为需要确认的通信和无需 确认的通信，其中需要确认的通信关系为e p a 设备间提供可靠的数据传输服务， 而无需确认的通信关系则为e p a 设备间提供时间关键( 或时间优先) 的数据传输 服务。在两个e p a 设备进行正常通信前，首先要初始化并建立套接字，将i p 端口 绑定到e p a 通信接口。如果单播通信采用t c p 协议的话，需要在发送之前建立 t c p 连接，而采用u d p 协议，则仅需建立u d p 套接字即可。 2 1 3e p a 通信调度原理 1 ) 报文的优先级及帧格式 e p a 协议将所有报文的优先级分为6 级，即0 、1 、2 、3 、4 、5 ，其中o 表示 最高的优先级。将优先级为0 的报文称为周期报文，只在周期时间阶段发送；其 它五个优先级的报文称为非周期报文，只在非周期时间阶段发送。 e p a 标准规定，所有e p a 报文优先级均高于其它不符合e p a 协议的报文。而 不符合e p a 协议的报文是指符合a r p 、r a r p 、h 1 瞪、f t p 、t f t p 、i c m p 、i g m p 等协议的数据报文。e p a 标准采用以太网帧格式中长度类型( l e n g t h t y p e ) 字段， 通过向i e e e 注册分配的特定值( o x 8 8 c b ) 标识e p a 报文( 如图2 3 ) 。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章e p a 通信调度的性能分析 以太网封装 2 4 6 - 1 5 0 0 字节 图2 3e p a 报文标志 2 ) 通信调度原理 在一个e p a 微网段内，所有e p a 设备的通信均按周期进行，完成一个通信周 期所需的时间t 称为一个通信宏周期( c o m m u n i c a t i o nm a c r oc y c l e ) 。一个通信宏 周期t 分为两个阶段，其中第1 个阶段为周期报文传输阶段t p ，第2 个阶段为非 周期报文传输阶段t n ( 如图2 4 ) 。 图周期报文图髫；：冀孽_ 非周期报文囵非8 ；：；黪柬时闯 图2 4e p a 通信调度原理示意图 在周期报文传输阶段t p ，每个e p a 设备向网络上发送的报文是包含周期数据 的报文。周期数据是指与过程有关的数据，如需要按控制回路的控制周期传输的 测量值、控制值，或功能块输入、输出之间需要按周期更新的数据。周期报文的 发送优先级应为最高。 在非周期报文传输阶段t n ，每个e p a 设备向网络上发送的报文是包含非周期 数据的报文。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传输的数据【1 1 】， 如：程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知、趋势报告等数据，以及诸如 a r p 、r a r p 、h 1 1 啤、f 1 1 p 、t f t p 、i c m p 、i g m p 等应用数据。非周期报文按其 优先级高低、m 地址大小及时间有效方式发送。另外，在宏周期t 内有非周期报 文要发送，则在发送完周期报文后立即发送非周期数据声明报文，在发送完非周 期报文后应当发送非周期数据结束声明报文。 m 砚 ：s 重庆邮电大学硕士论文第二章e p a 通信调度的性能分析 2 2 影晌e p a 通信调度的因素分析 e p a 确定性通信调度解决了传统以太网冲突检测的载波侦听多路访问 ( c s m a c d ) 的介质访问机制的通信延迟不确定性。但是e p a 通信调度受到各种 边界条件的影响，如：e p a 网络负载、e p a 网络时延以及实时性问题等因素。 2 2 1e p a 网络负载分析 网络负载是产生较大时延和时延抖动的直接原因之一【1 8 】。在工业以太网的设 计中，对网络负载的分析显得尤为重要，因为它作为考察网络的可调度性和预估 网络性能的重要参数，以及了解网络中时延分布特征的重要环节，对整个网络的 实时性影响很大。网络负载是指接入网络的所有设备的通信总量，受到网络通信 中所发送的报文量以及报文长度等因素的影响。然而，网络负载包括理论负载和 实际负载。那么，对理论负载和实际负载分别进行讨论和分析可以作为改善网络 性能的依据。理论负载是指在理想的情况下( 无信道冲突和干扰) 由所有发送任 务产生的信息总量的单位时间平均值；而实际负载是指在网络运行过程中，单位 时间内成功发送到信道上的数据信息( 包括冲突重发数据) ，即单位时间内占用信 道资源的信息量。下面以e p a 网络为例，分析其网络负载的情况。e p a 网络负载 的构成如图2 5 所示。 周期任务周期数据- 1、 理论负载i 猝发任务叫非周期数据j 实际负载 f 重发数据j 图2 5e p a 网络负载的构成 理论负载主要包括周期任务产生的周期性数据信息和随机产生的非周期数据 信息。周期数据信息是指与过程有关的数据，如需要按照控制回路的控制周期传 输的测量值、控制值，或功能块输入、输出之间需要按照周期更新的数据：非周 期数据信息是指用于以非周期方式在两个或两个以上通信设备间传输的数据1 1 1 】， 如程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知、趋势报告等数据，以及诸如a r p 、 r a r p 、h t t p 、f t p 、i c m p 、i g m p 等应用数据。由于e p a 网络的周期性发送任 务主要是控制周期传输的测量值、控制值的发送，当发送周期和控制回路的采样 周期一致时，在确定了各回路的采样周期后，就可以大致估计出这段时间内的理 论负载。而非周期数据信息是随机产生的，不可预知，但是通常产生的信息量较 重庆邮电大学硕士论文第二章e p a 通信调度的性能分析 少，可以按照上界来计算。假设网络中共有m 个周期数据信息要发送，选取所有 数据信息的周期的最小公倍数作为运行时间乙，这段时间内的理论负载描述为： 匕= 挪 o i = l 乙 + s 式( 2 1 ) 式中，乙= 三伽( r ( n ，t 0 2 ) ，t ( ”) ：( 。) 表示周期数据信息i 发送的信息量 ( 比特数) ；t “表示周期数据信息f 的周期，s 表示运行时间内产生的非周期数据 信息量。 实际负载除了理论负载外，还要包括由于各种原因产生的重发数据信息。那 么，实际负载的平均值可以表示为= 圪+ 。非周期数据和信息冲突造成的重 传数据引起了负载的波动时，实际负载瓦只是一个瞬间值，其值随负载的波动不 断变化。若在e p a 网络运行过程中，其它导致时延不确定性的因素不在发生任何 变化的话，则此时负载的波动是产生时延抖动的直接原因。 如果网络负载超出了网络的承载能力时，就会出现丢包现象，甚至造成整个 e p a 网络的调度性能变差。为了避免这种现象的发生，必须考虑网络负载是否与 本网络的承载能力相适应，通常的方法是采用带宽利用率u 作为衡量指标。带宽 利用率可以定义为网络上传输信息的总时间( 包括由于信道冲突或其它因素引起 的信息重传时间) 和网络总运行时间之比，或者实际负载的平均值和网络带宽之 比，其表达式表示为： m t ( i ) u = 毛2 式( 2 2 ) 式中，k 表示所有待发送的周期数据信息和非周期数据信息的总数；兹表示 数据信息f 的传输时间；m t ( i ) 表示在运行时间l 。内，数据信息f 成功发送的次数 ( 包括重发次数) 。显然m t ( i ) 是不确定的，只能通过试验得到测量值。宽带利用 率也可以按照网络的理论负载来估计，即圪用代替公式中瓦。当u 在小、中、大 3 个不同的数值范围内时，对应的网络状态分别为轻负载、中负载和重负载。轻负 载网络，绝大部分信道处于空闲状态，传输时延成为网络时延的主要因素，此时 时延抖动较小。随着u 值的增大，信息冲突也随之增多，势必会造成时延抖动的 加剧，平均时延也随之增大。当u 值接近l 时，则整个网络趋于饱和，这时网络 资源将被使用殆尽，网络的可调度性变差，很可能出现丢包现象，因此必须尽量 避免。 重庆邮电大学硕士论文第二章e p a