工業(yè)以太網(wǎng)傳輸延時特性分析

1、工業(yè)以太網(wǎng)傳輸延時特性分析摘要目前以太網(wǎng)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，這里通過對其A子層控制方式的數(shù)據(jù)傳輸模型分析，從考慮實際各節(jié)點之間差異性的角度，結(jié)合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的特性要求，提出了一種分析網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的方法和思路，推導(dǎo)出了一些對分析和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有一定指導(dǎo)意義的計算公式，并用仿真試驗加以驗證。關(guān)鍵詞以太網(wǎng)SA/D模型延時隨著計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的開展，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化開展的方向；但是現(xiàn)場總線技術(shù)在其開展過程中存在許多缺乏，由于以太網(wǎng)在AediaAessntrl層采用SA/D(arrierSenseultipleAessithllisin

2、Detetin)的媒體訪問機制，各節(jié)點采用P-堅持二進制指數(shù)后退算法處理沖突，因此具有通信延時不確定的缺陷，成為它在工業(yè)實時控制應(yīng)用中的主要障礙。因此本文針對目前應(yīng)用最廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)，通過分析其A子層的SA/D協(xié)議模型，考慮實際各節(jié)點的之間的差異性，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對其進展了數(shù)學(xué)分析。由于IS/SI對通信協(xié)議模型底三層的網(wǎng)絡(luò)拓撲、傳輸介質(zhì)、A方式等都已有明確的定義，因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)參照IS/SI模型，結(jié)合實際控制系統(tǒng)的需要進展了一定的簡化。從信息發(fā)送數(shù)據(jù)到信息接收之間的全部通信延時，稱為端到端的通信延時。主要包括下面幾個因素：排隊延時：從信息進入排隊隊列，到此信息獲取通信網(wǎng)絡(luò)所需的時間

3、。發(fā)送延時：從信息的第一個字節(jié)開場發(fā)送到信息最后一個字節(jié)發(fā)送完畢所需的時間。傳輸延時：信息在現(xiàn)場設(shè)備間傳輸所需的時間。在本文中用，分別表示排隊延時，發(fā)送延時，傳輸延時。一般而言，隨不同的A子層協(xié)議變化較大，各網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時間延時也主要表如今A子層的排隊延時上，而其他的延時時間由網(wǎng)絡(luò)本身的硬件和軟件決定，其值為確定的1。因此分析出影響排隊延時的因素，通過減小必將有利于進步整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸性能。由于信道的傳輸延時，所以SA/D方式仍然存在沖突的可能。在一次沖突之后，時間被分成離散得時槽，其長度等于最差情況下在以太介質(zhì)上往返傳播所需要的時間。為了到達以太介質(zhì)所允許的最長途徑，時槽的長度被設(shè)置

4、為512位時間，即。假設(shè)tn時刻A節(jié)點檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)，見圖1，但是要經(jīng)過一個信道傳輸延時才能被B節(jié)點檢測到，所以B節(jié)點在t1時刻完全可能因為檢測不到信道載波而發(fā)送數(shù)據(jù)。這種情況沖突就必然產(chǎn)生了，也就產(chǎn)生了爭用期，即排隊延時。分析整個沖突過程就可以導(dǎo)出爭用期的大校圖1顯示了兩種極端的情況。左圖是A、B節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，在t1兩節(jié)點都檢測到?jīng)_突，同時停頓數(shù)據(jù)發(fā)送和各自發(fā)送一個周期為Ti的加強干擾信號，實際中，強化干擾周期，由系統(tǒng)設(shè)定t2時刻各自傳送到對方。爭用期等于。圖中右圖是A節(jié)點在t4時發(fā)送數(shù)據(jù)，在一個信道傳輸延時后的t5，B節(jié)點剛好發(fā)送數(shù)據(jù)，又馬上檢測到A節(jié)點數(shù)據(jù)的沖突，即時停頓數(shù)據(jù)

5、發(fā)送，并且發(fā)送一個周期為Ti的加強干擾信號，t6傳送到A節(jié)點。A節(jié)點停頓發(fā)送數(shù)據(jù)也發(fā)送一個周期為Ti的加強干擾信號。t7傳送到B節(jié)點，并延續(xù)到t8，爭用期等于。顯然，最大爭用期等于，最小爭用期為。3.1一次爭用期的平均時間假設(shè)各節(jié)點數(shù)據(jù)幀到達過程服從Pissn分布，其到達率用表示。由排隊論可知，Pissn分布的數(shù)據(jù)幀到達時間的間隔服從負指數(shù)分布，其概率密度函數(shù)為：1設(shè)為最先發(fā)生沖突的兩個數(shù)據(jù)幀開場發(fā)送的時間差，那么在時間間隔內(nèi)有數(shù)據(jù)幀到達的概率為：2Z的分布函數(shù)為：3那么Z的平均值期望4那么信道的一次爭用期T可表示為：53.2爭用期的平均個數(shù)當節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)不成功時，就出現(xiàn)一個爭用期，實際的狀況

6、是假設(shè)干個爭用期后跟著一個成功的發(fā)送，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般對數(shù)據(jù)幀發(fā)送次數(shù)進展一定的限制，當重發(fā)次數(shù)超過16次后就不再重發(fā)，而放棄此數(shù)據(jù)鄭假設(shè)為某個節(jié)點的數(shù)據(jù)幀發(fā)送的成功概率；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為均勻狀態(tài)，節(jié)點發(fā)送的概率均為p，節(jié)點個數(shù)為N，某個節(jié)點的數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功概率為：6當有N個節(jié)點時，要使得每個節(jié)點成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率最大，此時，所以某個節(jié)點最大成功發(fā)送概率是：7當時，實際上，只要有十幾個節(jié)點，就接近于0.368這個極限值了。這點從下面表1的詳細數(shù)值計算中即可看出。表1N和的對應(yīng)值81632641282560.3930.3800.3740.3710.3690.369當節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)不成功時，就

7、出現(xiàn)一個爭用期，所以一個爭用期出現(xiàn)的概率為1-，實際的狀況是假設(shè)干個爭用期后跟著一個成功的發(fā)送，所以出現(xiàn)n個爭用期后跟著一個成功發(fā)送的概率U為：8所以爭用期的平均個數(shù)9把代入9式可計算得爭用期的平均個數(shù)10所以由5、10兩式得爭用期的平均時間為：11定義數(shù)據(jù)幀的定長為L字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)線路的容量為b/s，那么發(fā)送一幀數(shù)據(jù)所用的時間12那么網(wǎng)絡(luò)的吞吐率為13下面以網(wǎng)絡(luò)線路的容量為10b/s的以太網(wǎng)，傳輸延時是64字節(jié)的時槽時間2為51.2S，干擾周期，網(wǎng)絡(luò)延時的不確定性是由于數(shù)據(jù)幀的到達率不確定性決定的，不妨假設(shè)在某一時刻數(shù)據(jù)幀的到達率為，用athlab對式7-13進展仿真得如下數(shù)據(jù)和仿真：表2網(wǎng)絡(luò)傳

8、送延時、排隊延時、吞吐量對應(yīng)表此表說明在數(shù)據(jù)幀長一定的情況下，數(shù)據(jù)幀越長，傳送延時就越大，當數(shù)據(jù)幀長度超過128B時，傳送延時在總延時里占主導(dǎo)地位；從表格的第二行和第三行可以看出，在幀長度一定的情況下，增加網(wǎng)絡(luò)的帶寬，那么會大大的降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。但現(xiàn)實的許多關(guān)于網(wǎng)絡(luò)硬件的研究工作都要增大帶寬，上面的公式和表格數(shù)據(jù)顯示，用這種方式實現(xiàn)的以太網(wǎng)可能并不是合適這些應(yīng)用的最正確系統(tǒng)。另外可以看出，數(shù)據(jù)幀越長，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率就越高。圖2幀長與節(jié)點數(shù)對網(wǎng)絡(luò)吞吐率的影響從圖2可以看出，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率隨著節(jié)點數(shù)的增加而減小，但當發(fā)送數(shù)據(jù)幀的節(jié)點數(shù)超過64時，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率幾乎處于平穩(wěn)狀態(tài)；數(shù)據(jù)幀越長，網(wǎng)絡(luò)的吞吐率

9、就越大。工業(yè)以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)的實時性要求較高，從文中數(shù)據(jù)幀發(fā)送延時公式可知欲減少延時，可通過減少數(shù)據(jù)幀的長度；假如通過減小數(shù)據(jù)幀的長度來減小網(wǎng)絡(luò)延時，那么從表2和圖2可以看出這將導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐率降低，所以在滿足一定的吞吐率的條件下，可盡量減少數(shù)據(jù)幀長，這對進步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能具有重大意義。1郭敏強王樹青基于模型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)傳輸特性分析儀器儀表學(xué)報2022.245：453-4562李文中李春洪葉保存計算機網(wǎng)絡(luò)清華大學(xué)出版社2022.43alshG，HngYe,BushnellL.Stabilityanalysisfnetrkedntrlsystes.Aerianntrlnferene,2022,4：287628804ZhangEi,BranikyS,PhillipsS.Stabilityfnetrkedntrlsystes.IEEEntrlSystesagazine,2001,21(1)：84-995LEEYS,NYS,KNH,etal.DelayDependentRbustntrlfrUnertainSystesithaState-delayJ.Autati,2022,