面向制造的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域,尤其在制造領(lǐng)域中,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和推廣取得了令人矚目的成績。制造網(wǎng)絡(luò)可以被認(rèn)為是通過先進制造模式(如制造網(wǎng)格和云企業(yè)等)實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化資源共享管理機制和曲Internet實現(xiàn)的計算機通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的集成,因此服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障和優(yōu)化的觀念對于制造網(wǎng)絡(luò)尤其重要,一方面需要保證用于數(shù)據(jù)傳輸和交互的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的良好運行性能,另一方面還需要對各類網(wǎng)絡(luò)化

2、的制造資源進行有效管理,以提升相關(guān)制造企業(yè)的運行效率以及協(xié)同和資源共享能力。在制造網(wǎng)絡(luò)中,如果沒有QoS機制的支持,整個網(wǎng)絡(luò)企業(yè)系統(tǒng)的性能都將降低,各類制造資源也無法得到有效利用。針對上述問題,按照“相關(guān)理論--關(guān)鍵技術(shù)--應(yīng)用系統(tǒng)”的研究路線,本文對面向制造的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究,開展的主要工作如下:
　　 (1)討論了制造網(wǎng)絡(luò)QoS的概念,建立了制造網(wǎng)絡(luò)整體QoS保證模型,提出了QoS導(dǎo)向的制造網(wǎng)絡(luò)服

3、務(wù)體系框架。該體系框架集成了網(wǎng)絡(luò)化資源服務(wù)管理和通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)兩部分的QoS策略,一方面采用蜜蜂優(yōu)化算法實現(xiàn)對制造資源服務(wù)的QoS管理,另一方面在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中利用網(wǎng)絡(luò)QoS策略以滿足資源服務(wù)管理對于網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的需求。此外,基于系統(tǒng)自上而下的QoS參數(shù)映射機制使整體QoS性能優(yōu)化的目標(biāo)得以實現(xiàn)。
　　 制造網(wǎng)絡(luò)中底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)是整個系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸和交互的前提和支撐,在后續(xù)的內(nèi)容中,主要面向制造中底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的QoS性

4、能優(yōu)化展開相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。
　　 (2)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control System,NCS)是制造網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用系統(tǒng)之一。NCS中分組傳遞時延的隨機性和動態(tài)性對系統(tǒng)控制性能有著較大影響,因此網(wǎng)絡(luò)分組傳遞的單向時延估計對于NCS控制性能的優(yōu)化設(shè)計十分重要。分析了當(dāng)前單向時延估計算法存在的不足,提出了一種適用于NCS、結(jié)合在線式測量和端到端估計的混合式單向時延估計算法--HOWDE。該算法針對NCS的運行方式

5、和特點而設(shè)計,僅對系統(tǒng)中控制啟動初始幀的單向時延采用在線式測量方法進行估計,并將其作為端系統(tǒng)運算的參考標(biāo)量,而對于后續(xù)前向和反向通道中的單向時延,則采用端到端的估計方法,基于前期獲得的控制啟動初始幀參考標(biāo)量,結(jié)合系統(tǒng)兩端統(tǒng)計所得的RTT值,通過端系統(tǒng)的運算得出分組傳遞的單向時延估計值。從而在準(zhǔn)確獲取NCS中前向和反向通道的單向時延值的同時,不會給系統(tǒng)造成過多的計算開銷和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。
　　 (3)高速網(wǎng)絡(luò)是Future Intern

6、et的發(fā)展方向之一,制造網(wǎng)絡(luò)中采用高速網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu),可以有效滿足日益復(fù)雜的制造協(xié)同和信息共享對數(shù)據(jù)傳輸和交互的高性能需求。在底層通信網(wǎng)絡(luò)中,用于傳輸實時數(shù)據(jù)的UDP協(xié)議由于不具有任何控制機制而十分容易引起網(wǎng)絡(luò)的擁塞,造成共存的TCP數(shù)據(jù)流性能降低,使整個網(wǎng)絡(luò)運行的QoS性能下降。針對這個問題,提出了面向高速網(wǎng)絡(luò)、具有擁塞控制機制的不可靠傳輸協(xié)議--FAST DCCP和EEFAST DCCP?；贒CCP協(xié)議并采用FAST控制

7、機制而實現(xiàn)的FAST DCCP協(xié)議,通過多Options策略克服了DCCP協(xié)議無法在大擁塞窗口下正常運行的缺陷,利用FAST機制實現(xiàn)了對不可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿砣刂?并且能夠區(qū)別的對待數(shù)據(jù)包丟失事件,對丟失的數(shù)據(jù)包不再重傳,以滿足數(shù)據(jù)傳遞的實時性需求。在FAST DCCP的基礎(chǔ)上,提出了加強型端到端協(xié)議EEFAST DCCP。該協(xié)議基于所測量的單向時延對擁塞窗口大小進行動態(tài)控制,從而消除反向流所造成的不良影響。
　　 (4)在高速網(wǎng)

8、絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中,現(xiàn)有的高速傳輸協(xié)議在RTT公平性、TCP友好性等網(wǎng)絡(luò)QoS性能等方面仍存在著缺陷和不足。基于此,提出了采用混合式擁塞控制機制的高速傳輸協(xié)議--HCC TCP。該協(xié)議將隊列時延作為首要的擁塞度量指標(biāo),而將分組丟包作為次要的擁塞度量指標(biāo)。協(xié)議中基于時延的控制機制通過對前向單向時延的統(tǒng)計測量,準(zhǔn)確的估計出前向路徑中的擁塞狀態(tài),從而根據(jù)時延信息動態(tài)調(diào)整擁塞窗口的大小,使其穩(wěn)定在可以完全利用可用帶寬資源的窗口值上。當(dāng)基于時延的擁塞控

9、制機制由于設(shè)置參數(shù)的制約而無法在網(wǎng)絡(luò)中有效運行時,協(xié)議則采用基于分組丟包的控制機制對窗口大小進行調(diào)整,使窗口的增長呈線性到曲線的變化,從而將窗口能夠盡可能長時間的維持在分組丟包事件窗口值附近,降低分組丟包的發(fā)生概率,取得良好的帶寬利用率。
　　 (5)針對制造產(chǎn)業(yè)中中小型企業(yè)(Small and Medium Size Enterprises,SMEs)所面臨的挑戰(zhàn),基于Future Internet提出了能夠使SMEs運行于未