交换式工业以太网与时间触发CAN总线系统的实时性研究

论文题目: 交换式工业以太网与时间触发CAN总线系统的实时性研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 电力电子与电力传动

作者: 王晓欣

导师: 刘鲁源

关键词: 工业以太网,时间触发总线系统,实时性,网络微积分,带宽分配

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 实时性是工业网络系统的关键问题之一。目前,国内外学术组织和自动化厂商纷纷开始了工业以太网的研究,并提出了基于Ethernet+TCP/IP的工业以太网标准,而这些标准并没有针对数据链路层提供完美的实时性解决方案,因此对其进行实时性能研究是十分必要的。应用网络微积分理论对阵列式以太网交换机建立了NC(Network Calculus)模型,并结合网络的传输特性给出了工业数据流的到达曲线和交换机的服务曲线。基于该模型导出了以太网交换机的传输延迟边界以及满足该延迟边界的缓存需求边界值。这些结论为交换式工业以太网的设计和实施提供了理论指导。针对交换机传输可靠性和输出缓存调度延迟问题,提出了一种延迟担保型的窗口带宽分配策略。该策略基于窗口流控原理,将信用元闭环引入到交换机内部,实现了数据的可靠交换。在对交换机建立网络微积分模型的基础上,导出了满足数据流最大传输延迟所需的信用元数量,进而对数据流进行带宽分配,实现了工业以太网中硬实时数据流的延迟担保型传输。针对工业以太网中实时数据与非实时数据共同竞争交换机资源的情况,基于IEEE802.1p,提出了一种双通道工业以太网交换机模型。该模型在交换机内部建立了实时和非实时逻辑通道来实现区分服务。为了提高实时通道的实时性和非实时通道的公平性,分别给出了MR-WRR和I-DWRR两种改进的调度算法。为了验证所提模型和调度算法的有效性,应用PC机、多端口网卡ZX346Q和Linux等软、硬件资源设计了一台双通道仿真工业以太网交换机和相应的测试平台,并进行了仿真实验。针对CAN总线提出了一种混合时间触发CAN总线结构——MTT-CAN,同步相和异步相的划分在充分利用时间触发机制的高可靠性和高实时性的同时也有效保留了CAN总线自身事件触发机制的灵活性。采用确定与随机Petri网理论建立了MTT-CAN的DSPN模型,并进行仿真研究,结果表明通过选择异步相的带宽利用率范围可以实现非周期性消息的实时传输,总体上提高了总线的实时性和带宽利用率。

论文目录:

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 现代企业网络系统模型

1.1.1 现代企业网络系统功能模型

1.1.2 当前工业网络的通信模型

1.1.3 工业以太网通信模型

1.2 工业以太网

1.2.1 以太网的发展历程

1.2.2 工业以太网标准

1.2.3 现有工业以太网实时性

1.3 工业系统的实时性分析

1.4 工业以太网的实时性研究

1.4.1 共享式工业以太网

1.4.2 交换式工业以太网

1.4.2.1 确定性研究

1.4.2.2 理论研究

1.4.2.3 实验研究

1.5 本文研究内容

1.5.1 本文研究内容

1.5.2 本文创新点

第二章 网络微积分理论

2.1 网络微积分的产生

2.2 网络微积分的线性转化原理

2.3 最小加代数( Min-plux Algebra )

2.3.1 最小加代数的运算符特性

2.3.2 广义增函数(Wide-sense Increasing Function)

2.3.3 最小加卷积(Min-plus Convolution)

2.3.4 次加函数与次加近似

2.3.5 最小加解卷积( Min-plus Deconvolution )

2.4 最小加系统理论

2.4.1 最小加系统操作符

2.4.1.1 ∧和+

2.4.1.2 最小加卷积运算

2.4.1.3 最小加系统操作符

2.4.2 定点等式法(Fixed Point Equation)

2.5 网络微积分

2.5.1 到达曲线(Arrival Curve)

2.5.2 次加近似与到达曲线

2.5.3 服务曲线(Service Curve)

2.5.4 严格服务曲线(Strict Service Curve)

2.6 三个特征参数

2.6.1 沉积边界( Backlog Bound )

2.6.2 延迟边界(Delay Bound)

2.6.3 输出数据流(Output Flow)

2.7 有效带宽与等价容量

2.8 统计网络微积分

2.9 总结

第三章 交换式以太网NC 建模与实时性能分析

3.1 交换式工业以太网的实时性能

3.2 IEEE802.1D

3.3 交换机结构

3.3.1 交换机的物理结构

3.3.2 三种交换逻辑( Switch Fabric)

3.3.2.1 共享内存交换机

3.3.2.2 共享总线交换机

3.3.2.3 阵列交换机

3.3.3 交换机逻辑结构抽象

3.4 工业以太网传输模型

3.5 交换式工业以太网的到达曲线和服务曲线

3.5.1 到达曲线

3.5.2 服务曲线

3.5.2.1 实时消息队列服务曲线

3.5.2.2 非实时消息队列服务曲线

3.6 交换式以太网的实时性能评估

3.7 实例分析

3.8 总结

第四章 延迟担保型窗口带宽分配策略

4.1 窗口流量控制服务曲线的建模与分析

4.1.1 窗口流量控制的NC 建模

4.1.2 窗口流量控制NC 模型分析

4.1.3 结论

4.2 基于阵列交换机的延迟担保型窗口带宽分配策略

4.3 延迟担保型窗口带宽分配策略NC 建模与分析

4.3.1 基于DNC 模型的带宽分配

4.3.1.1 建立DNC 模型

4.3.1.2 带宽分配

4.3.2 基于SNC 模型的带宽分配

4.4 实例分析

4.5 总结

第五章 基于区分服务的双通道工业以太网交换机模型

5.1. 双通道交换模型的提出

5.2 双通道交换模型

5.2.1 基于区分服务的双通道交换机结构

5.2.2 交换流程

5.3 实时通道与非实时通道的调度

5.3.1 调度算法概况

5.3.2 实时通道MR-WRR 调度

5.3.3 非实时通道I-DWRR 调度

5.3.3.1 交织DWRR 调度算法I-DWRR

5.3.3.2 非实时通道的实现

5.3.3.3 非实时通道调度的公平性评估

5.4 仿真工业以太网交换机的实现

5.4.1 以太网帧结构映射

5.4.2 仿真工业以太网交换机的结构

5.4.3 双通道的的实现

5.4.4 时间戳设定

5.4.5 测试平台的实现

5.5 性能分析

5.5.1 整体交换性能

5.5.1.1 非拥塞状态下的双通道性能参数

5.5.1.2 拥塞状态下的双通道性能参数

5.5.2 MR-WRR 实时性能评估

5.5.3 I-DWRR 公平性能评估

5.6 总结

第六章 时间触发CAN 总线系统实时性研究

6.1 CAN 总线

6.2 TTCAN 协议

6.2.1 TTCAN

6.2.2 TTCAN 的优点

6.3 一种混合时间触发CAN 总线系统——MTT-CAN

6.4 确定与随机Petri 网DSPN

6.5 MTT-CAN 的DSPN 建模

6.5.1 CAN 总线的DSPN 建模

6.5.2 MTT-CAN 的DSPN 建模

6.6 MTT-CAN 的异步相传输性能分析

6.6.1 吞吐量与带宽利用率

6.6.2 消息平均延迟(D)

6.6.3 成功传输率

6.7 总结

第七章 总结与展望

7.1 交换式工业以太网的实时性研究

7.2 时间触发CAN 总线系统实时性研究

7.3 展望

参考文献

博士期间发表的论文和参加的科研项目

致谢

发布时间: 2007-07-10

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