王 銀，俞建定，駱國慶

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波315211)

0 引言

以太網(wǎng)是開放的、數(shù)字化的通信網(wǎng)絡(luò)，能簡單方便地把工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)工控企業(yè)管理的一體化，且通信速率極高，數(shù)據(jù)傳輸量超大，擁有良好的擴(kuò)展性和自適應(yīng)特性，相比其他通信協(xié)議它更具開放性［1］。這些優(yōu)秀的性能使它成為了現(xiàn)在大部分局域網(wǎng)采用的最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。我們的目的是在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信，實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)的要求是數(shù)據(jù)傳輸時間的確定性，即保證在可以衡量的時間范圍內(nèi)系統(tǒng)得到響應(yīng)。

為此，在過去的幾年里，已經(jīng)提出了多種基于以太網(wǎng)確定性通信方案的協(xié)議。此文中，將應(yīng)用與CAN現(xiàn)場總線通信的相似傳輸特性。我們知道CAN網(wǎng)絡(luò)是一個實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)場合，它對于少量信息的傳輸是一個最佳的通信協(xié)議。CAN總線上的信息有不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的信息總是能獲得訪問總線的權(quán)限。因此，對于高優(yōu)先級的信息的傳輸延時長短是可以保證的，能夠進(jìn)行實(shí)時傳送，但是和其他網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議相比，CAN總線有明顯的不足，通信速率很小，最大才1 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸量也很小(8字節(jié))，難以滿足大型數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場合。鑒于此，在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上，結(jié)合CAN的實(shí)時傳輸特性，提高以太網(wǎng)的傳輸時間實(shí)時性，來滿足現(xiàn)代工業(yè)控制場合的大數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸控制要求。

1 以太網(wǎng)的傳輸特性

1．1 以太網(wǎng)協(xié)議

標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議是以CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)技術(shù)為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)上的各工作站點(diǎn)對總線進(jìn)行偵聽以確認(rèn)總線是否空閑［2］。如果監(jiān)測到總線處于空閑狀態(tài)，需要發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個或兩個以上的站點(diǎn)同時開始傳輸數(shù)據(jù)，那么沖突就產(chǎn)生了。在這種情況下，訪問機(jī)制會首先確保站點(diǎn)單元停止傳輸數(shù)據(jù)，而后根據(jù)預(yù)定義的隨機(jī)選擇算法，工作站點(diǎn)再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個過程將會反復(fù)執(zhí)行直到碰撞消失。

1．2 實(shí)時性

實(shí)時性的一個重要特征就是時間的確定性，通信時數(shù)據(jù)傳輸時間不是隨機(jī)的，而是可事先確定的。若一個事件發(fā)生后，則系統(tǒng)會在一個可確切預(yù)料的時間范圍內(nèi)做到響應(yīng)。反應(yīng)速度由被控制過程來決定。對于高精密性的控制系統(tǒng)，實(shí)時性的要求就會更高了［2］。

由以上可知，雖然以太網(wǎng)具有很高的傳輸速率，但是卻不能確保實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備間的實(shí)時控制通信。如上以太網(wǎng)協(xié)議只確保了數(shù)據(jù)的安全傳輸，可是從確定性方面來看，這卻是一個很大的障礙。它允許數(shù)據(jù)傳輸時間可以被任意推遲，所以也就不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時快速通信(時間的確定性)。要想使以太網(wǎng)技術(shù)在不改變其已有標(biāo)準(zhǔn)的大前提下實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸?shù)拇_定性，以太網(wǎng)傳輸?shù)拇_定性又由傳輸時的抖動和延時以及碰撞所影響，因此要找到一種解決方案來減少傳輸時的抖動、碰撞，來提高以太網(wǎng)傳輸?shù)拇_定性［3－4］。

1．3 抖動

在高速傳輸通道中，抖動也是影響以太網(wǎng)確定性的關(guān)鍵因素，目前存在的常用的所有通信協(xié)議中，都有一定程度范圍內(nèi)的抖動。在實(shí)時控制系統(tǒng)中，抖動的范圍應(yīng)保證它可以衡量，使系統(tǒng)服務(wù)得到及時響應(yīng)，若系統(tǒng)不能實(shí)時響應(yīng)，有可能會引起災(zāi)難性后果，抖動示意圖如圖1所示。

圖1 抖動

有關(guān)信息傳輸時的抖動的標(biāo)準(zhǔn)偏差如式(1)所示，N是數(shù)據(jù)包的總數(shù)量，xi是每個延時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包是每個包延時的平均值:

在下面的仿真分析中，將會用標(biāo)準(zhǔn)偏差來測試傳輸時的抖動性。

1．4 BEB算法及作用

算法原理:選取最小退讓時間作為基數(shù) ，假設(shè)2τ，也就是一個爭用期時間。定義一個參數(shù)N，為碰撞后重傳的次數(shù)，N=min［重傳次數(shù)，10］［5，6］。從離散型整數(shù)集合［0，1，2，……，(2N－1)］中，隨機(jī)取出一個數(shù)記做R。那么重傳所需要的退讓時間為R倍的基本退讓時間，如式(2)所示，即:

同時，重新傳輸?shù)拇螖?shù)也不是不眠不休地進(jìn)行，當(dāng)已經(jīng)重新傳輸了16次還不成功，就放棄該幀，發(fā)送失敗，報告給高層協(xié)議。此算法的作用:站點(diǎn)檢測到碰撞并發(fā)完阻塞信號后，為了降低再次碰撞的幾率，需要等候一段時間，然后再傳輸數(shù)據(jù)［7］。二進(jìn)制指數(shù)退讓算法保證了這種退讓操作的穩(wěn)定，但是也帶來了等待時間的不確定性，無法進(jìn)行實(shí)時傳輸。

2 建模原理與實(shí)現(xiàn)

2．1 網(wǎng)絡(luò)仿真模型原理

在通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個站點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會先監(jiān)聽總線(傳輸介質(zhì))，若傳輸總線已被占用，它將推遲發(fā)送直到總線空閑。若多個站點(diǎn)同時檢測到空閑并開始傳輸數(shù)據(jù)，那么碰撞就會產(chǎn)生［8］。在這種情況下，隨機(jī)時間間隔的二進(jìn)制指數(shù)退讓算法的具體應(yīng)用如下:

當(dāng)碰撞發(fā)生時，每個CSMA/CD站點(diǎn)會選擇一段時間延時來避免沖突，這段時間的大小由退讓值來決定。每個單元在每次沖突碰撞中的退讓時間值將會乘以2(最大值的上限為1 024)。初始化退讓時間值為最小退讓值，每個CSMA/CD站點(diǎn)根據(jù)平等分配原則在最大退讓值范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個退讓時間。當(dāng)數(shù)據(jù)成功傳輸后，傳輸單元把退讓值設(shè)置為0。如果同一數(shù)據(jù)包由于碰撞的發(fā)生，傳輸了16次還沒成功，二進(jìn)制指數(shù)退讓算法將會強(qiáng)迫該單元丟棄該數(shù)據(jù)包，而且退讓值也將會清零，若有新的數(shù)據(jù)包，則重新分配最小退讓值。

2．2 網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)組成

結(jié)合以上原理在Matlab上建立模型框架，控制系統(tǒng)由12個CSMA/CD站點(diǎn)組成，它們共享以太網(wǎng)總線帶寬。為了能夠評估系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時的平均延遲和消息傳輸時的抖動等特征。在這個特定的設(shè)置中，把所有的站點(diǎn)單元平均都以每秒100個數(shù)據(jù)包的速度傳輸數(shù)據(jù)，包的固定大小為128 bytes。每個站點(diǎn)單元由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成:數(shù)據(jù)處理有關(guān)的應(yīng)用程序模塊、MAC控制器管理以太網(wǎng)單元使用的共享通道和T型結(jié)點(diǎn)，把該站點(diǎn)鏈接到網(wǎng)絡(luò)模型上，具體模型如圖2所示(由于篇幅原因只畫部分，共12個)。

在這個模型框架中，可以指定數(shù)據(jù)包生成率和應(yīng)用程序塊的數(shù)據(jù)包大小范圍、MAC控制器塊的發(fā)送緩沖區(qū)的長度。為了便于實(shí)驗(yàn)，規(guī)定緩沖區(qū)大小為20個數(shù)據(jù)包長度，發(fā)送速度為100數(shù)據(jù)包/s(數(shù)據(jù)源有一定的抖動:假設(shè)每個數(shù)據(jù)包抖動為10 μs(標(biāo)準(zhǔn)偏差))。

圖2 仿真模型總框圖

2．3 以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)現(xiàn)

在以太網(wǎng)通信方案模型中需要設(shè)置3步:首先要有同步觸發(fā)信號，其次為每個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包分發(fā)一個發(fā)送時間槽，最后分配給每個MAC不同的最小退讓時間。在這模型中，數(shù)據(jù)包的長度固定為128 bytes，傳輸速度為100 Mbps。固定的長度和固定的順序使包的傳輸時間可以預(yù)測，減少數(shù)據(jù)包傳輸期間的碰撞。

同步信號:實(shí)時應(yīng)用程序要求嚴(yán)格同步，以便于在定義的傳輸周期內(nèi)，消息的傳送控制得到保證。在這個模型中使用內(nèi)部時鐘信號作為同步信號，這意味著在這些站點(diǎn)中共用一個精確的時鐘，以便于所有的站點(diǎn)能夠給在自己的時間槽上傳輸數(shù)據(jù)。

專用時間槽:在這個通信網(wǎng)絡(luò)模型中，為每個站點(diǎn)單元指定專有的時間槽，消息在各個已經(jīng)分配好的時間槽上發(fā)送數(shù)據(jù)，避免發(fā)生碰撞。圖3顯示了通信方法。

圖3 時間槽

應(yīng)用不同的最小退讓時間:盡管數(shù)據(jù)在已經(jīng)定義好的各自的時間槽內(nèi)發(fā)送，但是由于抖動的影響，有的CSMA/CD單元的傳輸時間可能超過它們的時間槽，從而引起沖突的發(fā)生。

對于這個問題，在半雙工以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中采用二進(jìn)制指數(shù)退讓算法(BEB)，為每個站點(diǎn)單元分配專有的最小退讓時間值。

3 測試數(shù)據(jù)采集及性能指標(biāo)

我們的目的是通過分析研究不同的最小退讓值和發(fā)送時間對實(shí)時通信的影響，所以在以下分析方法中，給這12個MACs分配不同的最小退讓時間或者隨機(jī)分配，或者按線性方法分配，以此來分析比較各種方法的性能。圖4、圖5、圖6分別是在4種方案下測得的抖動、延時及碰撞次數(shù)的數(shù)據(jù)曲線圖。

圖4 抖動時間統(tǒng)計(jì)

圖5 延時時間統(tǒng)計(jì)

圖6 碰撞次數(shù)統(tǒng)計(jì)

方案一:線性增加最小退讓時間。給這12個MACs線性分配最小退讓時間，如表1所示。這種方法的思想是不同數(shù)據(jù)包在第一次發(fā)生碰撞時，給每個MAC站點(diǎn)單元線性分配不同的最小退讓時間，然后運(yùn)用二進(jìn)制指數(shù)退讓算法來降低數(shù)據(jù)包發(fā)送時的碰撞概率。因此，在此網(wǎng)絡(luò)模型中指定的最小退讓時間如表1所示，通信性能如圖所示，最小抖動為0.690 1 ms，最大抖動為1.236 1 ms，平均抖動和平均延時分別為0.916 0 ms和1．221 9 ms，但是前一半的MAC站點(diǎn)單元的碰撞次數(shù)卻很大，尤其是第一次竟達(dá)到112 228次，平均碰撞90 098次。

表1 退讓時間

方案二:相同的最小退讓時間，數(shù)據(jù)包在各自的時間槽中發(fā)送。同上述一樣，在以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中每個站點(diǎn)單元的最小退讓時間均為51．2 μs，但是發(fā)送時間不同，每個數(shù)據(jù)包都在分配好的時間槽內(nèi)發(fā)送。通過觀察數(shù)據(jù)可知最大抖動為1．100 3 ms，最小抖動為0．696 1 ms，平均抖動為0．895 6 ms，平均延時為1．166 6 ms，沖突次數(shù)平均80 137次，明顯減小。

方案三:相同的最小退讓時間和相同的發(fā)送時間。在這種情況下所有的數(shù)據(jù)包的最小退讓時間為51．2 μs，測 得 數(shù) 據(jù) 如 上 圖 所 示，最 大 抖 動 為1．519 3 ms，最小抖動和平均抖動分別為1．012 1 ms和1．326 8 ms。平均數(shù)據(jù)傳輸延時為1．763 6 ms。觀察可知，由于數(shù)據(jù)在相同的時間段發(fā)送，發(fā)生延時的時間和抖動時間明顯高于方案一和方案二，對于實(shí)時性有較大影響。

方案四:隨機(jī)分配最小退讓時間。在這次模擬測試中，用產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)乘以51．2 μs作為各個站點(diǎn)單元的最小退讓時間值，如表1所示。這樣做的目的是保證每個站點(diǎn)單元的最小退讓值隨機(jī)性不同，這樣引起的抖動也小。隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)所得到的最小退讓時間值如表1所示，這種情況下統(tǒng)計(jì)得知最小抖動和平均抖動分別為0．465 6 ms和0．699 6 ms。最大抖動和平均延時分別為1．032 8 ms和1．061 5 ms。綜合以上方案可知，當(dāng)一個站點(diǎn)的最小退讓值很大時，它的抖動也很大?？傮w來說，在不同的最小退讓值時間情況下，隨機(jī)產(chǎn)生的最小退讓時間值能夠有效避免站點(diǎn)單元重復(fù)進(jìn)入退讓狀態(tài)。隨機(jī)產(chǎn)生最小退讓值的情況下，平均沖突次數(shù)也大幅減少到71 026次。

4 實(shí)驗(yàn)對比分析

通過以上4種方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析，方案四為最佳，可以看出最小退讓時間對網(wǎng)絡(luò)通信性能的影響:較小的和相似的最小退讓時間很容易引起較高的抖動。隨機(jī)的最小退讓時間能使站點(diǎn)單元不再重復(fù)進(jìn)入退讓(等待)狀態(tài)，碰撞概率和抖動也大幅減少，提高了整個網(wǎng)絡(luò)通信的快速實(shí)時性和成功率，而且還能很好地利用網(wǎng)絡(luò)擁塞控制，充分利用了網(wǎng)絡(luò)寬帶，極大提高了網(wǎng)絡(luò)通信性能［8，9］。

5 結(jié)束語

通過Matlab事件仿真模塊構(gòu)建了一個基于CSMA/CD協(xié)議的仿真模型。通過時鐘同步信號觸發(fā)，數(shù)據(jù)包在各個站點(diǎn)單元的時間槽內(nèi)發(fā)送，當(dāng)碰撞發(fā)生時，結(jié)合隨機(jī)產(chǎn)生的最小時間退讓值，應(yīng)用二進(jìn)制指數(shù)退讓算法進(jìn)行避讓，減少沖突。在這個實(shí)驗(yàn)中，通過傳輸時的碰撞、抖動和延時來分析最小退讓時間值對通信網(wǎng)絡(luò)性能的影響［10］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，給MAC控制器選擇合理的最小退讓時間值，能有效減少延時和抖動。如果現(xiàn)實(shí)中有設(shè)備要求高，也可以為特定的某一個MAC站點(diǎn)單元指定一個專有的退讓時間值，以期使它的抖動降到最低。通過這種簡單的方法，在實(shí)際應(yīng)用中，可以結(jié)合自己的需求，來減少站點(diǎn)的延時和抖動，可以有效提高以太網(wǎng)通信的確定性(實(shí)時性)。

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