基于QoS的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性研究.pdf

1、以以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向，但先天不足的MAC機(jī)制，導(dǎo)致以太網(wǎng)本質(zhì)上不具備傳輸實(shí)時(shí)性與延時(shí)可確定性，實(shí)時(shí)性始終是工業(yè)以太網(wǎng)致力于解決的難點(diǎn)。企業(yè)綜合自動(dòng)化要求下，工業(yè)以太網(wǎng)成為承載各種類型信息并能夠滿足不同QoS（Quality of Service）要求的匯聚網(wǎng)絡(luò)，具有不同QoS需求的不同類信息龐雜交織，使工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)谋Ｕ献兊酶悠D難。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸

2、，但它們對(duì)常規(guī)工業(yè)以太網(wǎng)采用的不同實(shí)時(shí)擴(kuò)展技術(shù)而導(dǎo)致任意兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸都不具備互操作性，喪失了工業(yè)以太網(wǎng)的真正意義。因此，實(shí)現(xiàn)常規(guī)工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，在確保工業(yè)生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)前提下，兼顧滿足其他信息類型的傳輸服務(wù)質(zhì)量要求，對(duì)整個(gè)世界的工業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。
　　對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求取決于網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的通信任務(wù)。為明確工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸功能及實(shí)時(shí)性要求，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)特有網(wǎng)絡(luò)特征、信息組成、每一種信息特征及QoS

3、要求進(jìn)行了全面而具體的分析。為明確產(chǎn)生工業(yè)以太網(wǎng)端到端延時(shí)的各網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)，分析了網(wǎng)絡(luò)端到端延時(shí)的構(gòu)成、各組成成分產(chǎn)生的環(huán)節(jié)及原因，建立了網(wǎng)絡(luò)端到端延時(shí)的計(jì)算模型。通過對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性QoS策略的分析，確定了實(shí)現(xiàn)QoS機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)節(jié)與手段。在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)背景下，通過仿真研究了網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)中各組成成分所占比重，并驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)擁塞管理與擁塞避免是控制網(wǎng)絡(luò)端到端延時(shí)的決定因素，奠定了本文的研究基礎(chǔ)。
　　為減少網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)中的可變

4、延時(shí)成分，實(shí)施了節(jié)點(diǎn)QoS控制，在網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中分別實(shí)現(xiàn)了QoS，并設(shè)計(jì)了支持其QoS實(shí)現(xiàn)的端節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧模型與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)輸出端口的QoS結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，為了能夠保障網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時(shí)工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并同時(shí)兼顧其他信息類型的傳輸延時(shí)要求，提出了變量子值DRR隊(duì)列調(diào)度算法QV-DRR。在一般信息網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)背景下，選擇PQ與DRR調(diào)度算法作為比較算法，在轉(zhuǎn)發(fā)鏈路容量充足和擁塞兩種情況下，對(duì)各種類型數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)進(jìn)行了仿真

5、研究，驗(yàn)證了QV-DRR算法能夠在為工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供傳輸延時(shí)保證的同時(shí)，為其它類型數(shù)據(jù)類型的延時(shí)提供適當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量。
　　網(wǎng)絡(luò)擁塞是控制網(wǎng)絡(luò)可變延時(shí)的決定因素，為了避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，對(duì)QoS路由算法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為解決蟻群路由算法中螞蟻在網(wǎng)絡(luò)中尋徑時(shí)出現(xiàn)的卡住問題，提高路由算法本身的尋徑性能，詳細(xì)分析了蟻群算法與蟻群路由算法在尋徑機(jī)制上三處本質(zhì)上的不同，得到了發(fā)生螞蟻卡住現(xiàn)象的原因。繼而對(duì)蟻群路由算法的尋徑機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，提

6、出了持續(xù)性尋徑方法，使蟻群路由算法中螞蟻卡住問題與循環(huán)路徑構(gòu)建問題同時(shí)得到解決。選擇螞蟻拋棄與螞蟻新生尋徑方法作為比較，對(duì)采用新尋徑方法的蟻群路由算法進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果驗(yàn)證了所提方法能夠使蟻群路由算法的最優(yōu)尋徑能力獲得提高并能夠提供更多優(yōu)良的次優(yōu)路徑選項(xiàng)。
　　有限網(wǎng)絡(luò)資源條件下，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的最主要方法是均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，使網(wǎng)絡(luò)資源利用率最優(yōu)化。為此提出了在工業(yè)以太網(wǎng)中應(yīng)用QoS多路路由算法，并對(duì)采用前述蟻群路由算法來獲得各類型數(shù)

7、據(jù)傳輸?shù)膫溥x路徑集的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析。為能夠最有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)減少路徑集的獲得時(shí)間，進(jìn)一步提出了QoS不同類多路路由算法，能夠于一次獲得的路徑集中同時(shí)為具有不同QoS要求的流量選擇傳輸路徑。為使不同類多路路由的算法能夠得以實(shí)現(xiàn)，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)中不同數(shù)據(jù)的不同QoS需求，對(duì)QoS度量參數(shù)選擇、不同業(yè)務(wù)路徑分配策略及路徑選擇的相關(guān)性進(jìn)行了深入的分析與探討，并建立了工業(yè)以太網(wǎng)中不同類多路路由算法設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)對(duì)基于蟻群路由算法