硬实时综合业务以太网的研究与实现

论文摘要

随着以太网技术的广泛应用,各个应用领域对以太网数据传输的性能也提出了越来越多的要求,人们对以太网的应用已经不仅仅局限在传统的非实时数据的传输,而在一些实时数据传输的领域也希望能够使用以太网作为底层数据传输的基础。又由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点,目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用,并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。在满足以太网在工业控制领域的强实时性、高带宽、高可靠性和性价比的需求的同时,希望在传输硬实时数据空闲的时候充分利用网络资源也能够进行软实时数据和非实时数据的混合传输。本论文以此为目标展开了理论上和实践上的研究,取得了若干有用的成果,并有所突破。　　论文首先对现有实时和非实时以太网进行深入地研究,并对工业以太网技术进行了论述,也进一步深入研究了现场总线网络的实时通信调度算法。紧接着讨论了令牌总线媒体访问控制协议、实时通信局域网的基本实现技术及以太网应用于现场设备间通信的关键技术,理清了研究和建立实时通信系统的思路。在上述基础上,研究了硬实时综合业务以太网-RISE 的主要原理和机制。主要从以下几个方面进行了重点研究:　1.硬实时综合业务以太网（RISE）的体系结构研究:在分析现有实时和非实时以太网的基础上,本文提出了一种基于以太网技术的综合业务网络的体系架构。此架构是在不改变以太网硬件设备的前提条件下, 通过工作在RTCC 模式下进行硬实时数据的通信, 在RETHER 模式下传输软实时和非实时数据。2.硬实时综合业务以太网的主要驱动模型,即RTCC 模式下的以全局时钟为核心的时间-事件混合驱动模型及RETHER 模式下的令牌驱动模型。这两种模式通过模式仲裁器进行统一管理,协调相互间各自的工作。并对模式切换的时间确定性进行了详细分析。3.与RISE 协议驱动模型相适应的消息机制,七种消息结构和帧数据结构4.对RISE 协议的时间延迟性能及静态和动态带宽分配进行了详

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 课题来源及主要工作
• 1.3 论文的组织和安排
• 第二章 实时和非实时以太网
• 2.1 以太网传输技术
• 2.2 实时以太网传输技术
• 2.2.1 以太网相关特性的研究与改进
• 2.2.1.1 服务质量的改进
• 2.2.1.2 交换式以太网
• 2.2.1.3 虚拟冲突
• 2.2.1.4 虚拟局域网
• 2.2.1.5 可靠性
• 2.2.1.6 OPC问题
• 2.2.2 RETHER协议
• 2.2.3 RTCC协议
• 2.2.3.1 帧
• 2.2.3.2 消息
• 2.2.3.3 实时控制协议的通信调度
• 2.2.3.4 MS的工作流程
• 2.2.3.5 管理及可靠性支持
• 2.2.4 RT-CSMA/CD协议
• 2.2.4.1 实时以太网介质访问控制方法描述
• 2.2.4.2 RT-CSMA/CD的帧间隙
• 2.2.4.3 实时信号最大发送时延
• 2.3 工业以太网技术
• 2.4 令牌总线媒体访问控制
• 2.5 局域网中的硬实时通信
• 2.5.1 实时通信协议的实现方式
• 2.5.2 IEEE 802.5令牌环协议
• 2.5.3 硬实时通信调度算法
• 2.5.3.1 任务调度算法分类
• 2.5.3.2 周期任务调度算法
• 2.5.3.3 非周期任务调度算法
• 第三章 硬实时综合业务以太网系统（RISES）
• 3.1 RISES概述
• 3.2 RISES系统的网络拓扑结构及概念
• 3.3 RISES媒体访问控制方法
• 3.4 RISES的时间延迟性能分析
• 3.4.1 硬实时周期性消息延迟
• 3.4.2 硬实时非周期性消息抢占延迟
• 3.4.3 软实时周期性消息抢占延迟
• 3.4.4 软实时非周期性消息抢占延迟
• 3.5 RISES的可靠性机制
• 3.5.1 RISES冗余主控站机制
• 3.5.2 RISES软件的可靠性机制
• 3.6 RISES的实时调度算法
• 3.6.1 待调度消息集合的建立
• 3.6.2 可调度性的判定
• 3.6.3 生成调度表
• 3.7 RISES协议的带宽分配策略
• 第四章 RISES 协议设计与实现
• 4.1 RISES媒体访问控制协议
• 4.1.1 RISES媒体访问控制协议模型切换
• 4.1.2 RISES媒体访问控制协议层次模型
• 4.1.3 RISES媒体访问控制协议模块结构
• 4.1.4 RISES功能需求与程序模块的关系
• 4.2 RISES协议的主要数据结构
• 4.2.1 通信表数据结构
• 4.2.2 节点表数据结构
• 4.2.3 总线表数据结构
• 4.2.4 消息表数据结构
• 4.3 RISES协议主流程
• 4.3.1 MS协议主流程
• 4.3.2 监控站协议主流程
• 4.3.3 BT协议主流程
• 4.4 RISES原型应用编程接口
• 4.4.1 消息通信接口
• 4.4.2 协议管理维护接口
• 第五章 RISES 的测试与结论
• 5.1 软硬件测试环境
• 5.1.1 软件环境
• 5.1.2 硬件环境
• 5.2 RISES的DEMO程序
• 5.2.1 主控站的人机监控界面
• 5.2.2 监控站的人机监控界面
• 5.2.3 基本终端的人机监控界面
• 5.3 实时性能测试
• 5.3.1 测试目的
• 5.3.2 测试用例设计
• 5.3.3 测试结果
• 5.3.4 消息传输性能分析
• 5.3.5 网络吞吐率与带宽利用率
• 5.3.6 与CAN总线的性能比较
• 5.4 可靠性保障功能测试分析
• 5.5 总结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历