英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
交换工业以太网中实时IP通信的及时性
摘要 - 经过几个巨大的变革之后，以太网已成为一种几乎无处不在的通信技术。 它具有足够的多功能性，可以用于新的和各种应用领域，现在它正在进入工厂。 然而，自动化系统与以太网的许多其他应用不同，首先是因为它们需要网络技术来提供实时性。 在目前的研究中，对以太网的许多关键方面进行了修改，通常称为工业以太网。 更具体地说，当使用诸如UDP和TCP之类的互联网协议时，重点在于这种网络的应用程序到应用程序延迟和抖动特性。 由于主要通信延迟发生在节点内部，并且呈现用于控制这些延迟的不同解决方案，所以证明了控制站节点中的等待时间是多么重要。 具体而言，评估基于优先级的协议栈。 结果表明，即使对于要求苛刻的自动化应用，基于以太网的实时IP通信现在也足够了。 在本文中，变电站自动化（配电）被用作要求苛刻的自动化系统的一个例子。
索引术语 - 通信标准，互联网络，实时系统，模拟，变电站，交换系统
介绍
为了跟上计算机的发展步伐以及数据服务器，应用程序处理和企业计算所带来的日益增加的负担（由互联网的普及所产生），近年来，为提高性能而提出了若干新技术互连（嵌入式）网络。所有这些技术都依赖于通过现成交换机互连的点对点链路。 以太网技术也是如此，最近，这种技术在基于网络和基于电缆的以太网，向办公自动化中的交换式快速以太网方面发生了巨大的变化。 通过几个巨大的变革之后，以太网已成为一种几乎无处不在的通信技术，应用于从企业或局域网到高性能背板互连到城域（电信）网络的广泛领域。 它具有足够的多功能性，可用于新的和各种应用领域，目前正在工厂中使用。将以太网切换成传统的自动化系统有很多优点，最重要的是以下几点。
- 最初的以太网总线仲裁方案不再是必需的，这意味着从节点看，网络似乎不会永远忙碌。因为它不再发生冲突或重传，从而提高可靠性和可预测性。
- 节点可以以不同的速度连接到交换机。 交换机将为每个节点协商最高的连接速度。 交换机完全可以在一个端口上接收10 Mb / s的数据包，并以100 Mb / s的速率将数据包发送到另一个端口上。
- 对于交换式以太网，与基于集线器的以太网相反，如果配置为一个节点，则可以同时发送和接收数据。 这被称为全双工连接; 原始以太网只能运行半双工连接（发送或接收，但不能同时发送）。
- 但是，应该指出，交换式以太网确实有其缺点。
- 由于每个数据包在被移动到输出端口之前必须完整接收，交换机会延迟数据包总接收时间。 这种技术被称为存储转发交换，目前市场上的大多数以太网交换机都使用这种技术。 存储转发原则使得交换机在检测到循环冗余校验（CRC）不一致的情况下丢弃数据包。如果输出端口繁忙，则延迟将增加更多; 通过输出端口再次可用的时间量。
- 多播数据包没有特定的目的地，因此被转发（复制）到每个输出端口。 这极大地降低了开关的效率。 为了解决这个问题，开发了许多智能交换机（通常称为管理型交换机）。
在本文中，将讨论交换以太网的应用程序到应用程序延迟问题，并且在所报告的实验中，延迟是通过完整的TCP / UDP / IP堆栈嵌入的。 这与以前关于工业以太网的工作形成对比，后者主要研究网络基础设施的延迟特性。 在要求苛刻的自动化系统分析中，一个主要发现是在站点节点内发生80-90％的延迟是端到端延迟。 这强烈地表明了服务质量（QoS）机制应该被引入到站点节点中，以前的这些缺点已经排除了实现基于IP的通信的端到端确定性属性的可能。 在本文中，尝试引入这种QoS。 提出了一种通用的概念，将优先级机制引入协议栈，符合IEEE 802.1D标准。此前，该概念已在VxWorks实时操作系统环境中实施，并通过实际测量评估有结果。
本文强调了互联网协议（IP）通信以及标准以太网在自动化网络中的使用。 工业以太网计划EtherNet / IP也支持这项任务， 分布式自动化接口（IDA），和基金会现场总线高速以太网（FF HSE）。IP是全球主导的网络协议，对于实现独立于个人网络技术的独立性非常重要。IP由任何现代操作和网络系统支持。 因此，有关使用IP用于自动化网络的成本，维护和技术有明确的原因。
另外，TCP / UDP / IP协议套件是实现方面不断发展的主题。 例如，TCP / IP的硬件实现正在出现，其目标是减少CPU的负载。 此外，近来已经开发了允许IP通信用于传感器网络的堆栈 。然而，超出本文的范围讨论EtherNet / IP，IDA和FF HSE标准的各个细节，因为它们都旨在管理自动化系统和TCP / UDP / IP协议族。
相比之下，另一个基于实时以太网的系统则使用特殊的专有协议，优化的堆栈或两者兼而有之。 以太网Powerlink就是这种情况，控制自动化技术的以太网（EtherCAT）和PROFINET同步实时（IRT）。这些系统在以太网上实现确定性传输控制层，用于控制对网络的访问，该层仅用于关键任务流量。 它们还提供TCP / IP服务，但是为此使用双栈，其中IP栈的优先级较低。 本文提到的堆栈的延迟和抖动问题在这些系统中并未达到相同的程度。 然而，一个缺点是可用带宽较低。 此外，此类系统可能需要专用硬件，这些硬件需要可能导致其解决方案不具成本效益且难以维护。
在本文的其余结构如下。 第二节介绍了以前关于工业以太网的工作。本部分针对应用研究方法进行组织。 第三节， 报告了关于变电站自动化的快速以太网的可行性研究，其中分析是通过全面模拟进行的。 第四节 提出了将优先级机制引入协议栈的通用概念，并给出了在自动化网络中应用这些机制以获得可预测的端到端传输的参数。
以前的工业以太网工作
在过去的三到五年中，在研究快速以太网在工业应用中的适用性方面做了大量的工作。 评估这些网络的性能有三种基本技术：分析建模，模拟和实际测量。所有这些技术都得到了应用，并取得了不同程度的成功。
作为讨论的初步，应该注意的是，工业设备产生的流量模式通常包括具有时间约束的周期性数据（通常是由控制器节点订购的采样数据），非周期性消息（例如，控制器向执行器）也是时间关键的部分。 另外，可能还有其他非周期性数据源，例如文件传输，导致自动化网络上出现“突发”流量模式。
- 分析方法：网络演算
网络演算已成为评估通信网络实时性能的广泛接受的分析技术; 特别是它已被用于ATM网络在互联网社区以及最近，在工业应用环境中评估快速以太网的实时特性。因为它可以建模周期性流量和非周期性流量。 传统的排队理论处理随机过程和概率分布（如泊松，二项式和伯努利过程），并且不能很好地模拟自动化设备产生的周期性流量。
网络微积分首先由Cruz在开创性论文中介绍，并描述了获得延迟边界和缓冲区要求的理论。 这个概念假定进入网络的数据满足突发性约束函数，这意味着非周期性流量也必须是有界的。 传统上，流量通过以/参数为特征的泄漏桶原则来建模，其中最大流量突发大小（以比特为单位）并且是长期平均流量速率（比特/秒）。 在克鲁兹在穿越单个开关元件时推断出上限延迟，他推导出了网络拓扑的端到端延迟。 后来，Le Boudec和Thiran完善了微积分理论，将其转化为代数模型。 结果是一样的; 然而，代数模型在实际应用中更加优雅 。乔治等人提出了对交换式以太网网络进行建模的一般表示法，并提出了网络计算公式，该公式可以计算不同工业通信场景下的最大端到端延迟。 乔治等人。 将推导出的公式应用于星形和线形拓扑中。
基于网络演算理论的交换式以太网，其中考虑了先到先服务（FCFS）和固定优先级排队（FPQ）排队原则。 此外，他们将分析模型的结果与星型和线型拓扑的仿真结果进行了比较，他们发现评估技术之间存在显着偏差（仿真实验显示延迟范围低于分析）。 作者建议，这可能源于一个输入到分析和仿真模型中的流量模式之间的不完全相关性。 但是，在
Koubaa和Song提出，网络演算和模拟评估之间的任何差异可能是前者给出的延迟上限过于悲观的结果（这个问题将在后面详细讨论）。
如果在基于网络演算的制度中要满足延迟界限，则流量模式必须满足突发性限制（通常由漏桶原理模拟）。 这是Kweon等人的论文的主题。 他提出了一种自适应流量平滑概念来调节进入共享以太网网络的流量，从而产生软实时特性。流量平滑器首先给予实时数据包优先于非关键数据包的优先级，以消除每个站点节点内的争用，并且形成非关键流以减少与来自其他节点的实时数据包的冲突。 结果表明，这种更平滑的方法降低了传统（基于集线器）以太网网络的数据包冲突率。 Louml;ser和Hauml;rtig还提出了一个限制流量的流量整形器（平滑器），基于Le Boudec和Thiran的Network Calculus工作。该整形器已在实时操作系统环境中实现为一个瘦中间件层，并针对交换式以太网进行评估。 Choi等人 采取了不同的方法来满足延迟范围; 他们没有像Kweon和Loeser所提出的那样对交通进行整形，而是考虑了一种准入控制方法来管理依赖于概率分析的交通。他们考虑了两个QoS参数：端到端延迟以及不违反延迟的最小概率。 当一个主机发布一个新的请求时，它首先广播流量信息，以便所有的站点节点知道需求。 接入控制的概念已经用于在互联网和互连网络社区中实现多年的QoS保证 。
- 证明决定论：最坏情况调度分析
另一种计算交换式以太网网络中延迟上限的主要分析方法是最差情况调度分析，该分析也已在工业界获得认可 。这项技术基于Liu和Layland的开创性工作，他提出了一个理论来确定具有固定优先级的一组周期性任务的实时响应时间（他们假设要实现的最后期限等于任务周期，然后关注系统的利用情况）。 这个理论后来被约瑟夫和潘雅推广了。这里的基本问题是，为了在分布式实时系统中为计算机任务或通过网络传输消息提供有界响应时间，分配与时间约束相关的资源是至关重要的不同来源（任务执行或分组传输）。 Song等人应用了约瑟夫等人提出的调度理论， 并推导出用于计算多优先级周期性业务的交换式以太网网络的最坏情况等待时间的表达式 。在这篇文章中，作者还表明传统的排队论可以用于软实时保证分析在单一优先权制度下尊重非周期性流量（其中评估泊松和二项过程），即消息在交换机中不必等待超过时间单位的概率。
Hoang和Jonsson试图通过以下方式扩展交换式以太网概念：i）交换机被看作是一个非标准的智能以太网交换机，负责通过增加的软件来实施准入控制；ii）考虑修改后的协议栈作为TCP / IP和MAC层之间的额外层，用于执行最后期限分区。当一个站点节点想要建立一个实时通道（连接）时，它发送一个请求包lt;源，目的地gt;节点MAC / IP地址到交换机，这将评估是否可以批准请求（这将决定是否仍能保证实时期限）。 基于调度的分析应用于评估网络概念，其中最早截止时间优先（EDF）是在站点节点和交换机中使用的特定调度方法。 将组播通信引入了Hoang和Jonsson提出的扩展网络概念，并评估了使用智能以太网交换机的好处。
Koubaa和Song比较了网络演算和基于调度的模型通过使用模拟作为参考来计算周期性流量的精确上延时限的能力。 他们声称，这两种分析模型都会对最悲观的延迟产生过于悲观的估计结果，网络演算会给出更悲观的估计。 然而，网络演算对计算要求不高，在这方面可适用于在线评估。Koubaa和Song还提出了一种网络演算和基于调度的分析之间的混合模型，通过汇总每种技术的优点来实现更精确的上延时界。 这种新方法已经被评估，并且显示出比基本模型更适合于最坏情况延迟分析。
- IT方法：模拟
模拟评估可能是预测网络性能最具吸引力的通用技术，并且已被各个研究团体使用了数十年，其中包括从事自动化研究的人员 。 模拟作为一种评估方法是很好理解的，并且在文献中已经进行了全面的讨论。分析建模被认为是可以产生最快结果的模拟方法的替代方法，但随着要评估的系统或协议变得更大或更复杂，分析建模的局限性将变得更加明显。 为了构造可解模型，一般来说，必须执行一些简化并做出可能不现实的假设。 相比之下，仿真可能包含更多细节并需要更少的假设，因此应该为更大和更复杂的系统生成更真实的结果。 因此，在评估通信网络的性能时，模拟应该是选择的评估技术之一。 但是，应该注意的是，设计师有可能出现错误，其结果是在模拟期间可能不会产生有问题的操作情况。
Jasperneite和Neumann部署了用于预测交换式以太网相对于工厂车间性能的模拟。 他们考虑了星形和总线拓扑结构，并使用包含循环和非循环数据传输的工作负载模型，其中包括非周期性文件传输。 他们认为站点节点的处理时间为零。 他们认为，交换式以太网可能适用于大量自动化应用，但可能不足以实现时间同步。Dolejs和Han-zalek通过仿真研究了传统以太网的实时属性，并得出结论：基于集线器的以太网只能在网络负载保持很低时才用于任务关键型应用，从而最大限度地减少冲突的可能性 。 这种方法只能用于实现软实时。
类似于Lo Bello等人所提出的流量平滑以调节站点节点的网络访问，以便减少在传统以太网中发生分组冲突的可能性 。他们提出了一个动态的交通平滑概念; 根据网络上当前的工作负载，每个终端都分配了一部分带宽，因此是动态的。 在预先确定的时间段内收集工作负载，并考虑不同的负载指标（吞吐量，冲突次数和延迟时间）。 平滑概念通过仿真进行评估，并被证明可以改善以太网的实时特性和网络性能。 在Lo Bello等人通过依靠遗传算法来调整基于模糊的交通平滑器的参数，改进了他们的（模糊）自适应平滑概念。Wang和Ravindran专注于MAC层调度，并设计了一种启发式软实时分组调度算法 。使用Jensen的时间效用函数来指定端到端的及时性要求 。时间效用函数提供了一种方法，用于在不同时间确定系统的效用，以在其所需的活动完成时间内完成任务。 例如，假
全文共9085字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[15407]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
