基于QoS的工業(yè)以太網實時性研究.pdf

1、以以太網技術為基礎的工業(yè)以太網是工業(yè)控制網絡未來的發(fā)展方向，但先天不足的MAC機制，導致以太網本質上不具備傳輸實時性與延時可確定性，實時性始終是工業(yè)以太網致力于解決的難點。企業(yè)綜合自動化要求下，工業(yè)以太網成為承載各種類型信息并能夠滿足不同QoS（Quality of Service）要求的匯聚網絡，具有不同QoS需求的不同類信息龐雜交織，使工業(yè)以太網對工業(yè)數(shù)據實時傳輸?shù)谋Ｕ献兊酶悠D難。實時以太網國際標準雖然能夠實現(xiàn)對工業(yè)數(shù)據的實時傳輸

2、，但它們對常規(guī)工業(yè)以太網采用的不同實時擴展技術而導致任意兩種標準對工業(yè)實時數(shù)據的傳輸都不具備互操作性，喪失了工業(yè)以太網的真正意義。因此，實現(xiàn)常規(guī)工業(yè)以太網的實時性，在確保工業(yè)生產控制數(shù)據傳輸延時前提下，兼顧滿足其他信息類型的傳輸服務質量要求，對整個世界的工業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。
　　對通信網絡的傳輸要求取決于網絡所承擔的通信任務。為明確工業(yè)以太網的傳輸功能及實時性要求，對工業(yè)以太網特有網絡特征、信息組成、每一種信息特征及QoS

3、要求進行了全面而具體的分析。為明確產生工業(yè)以太網端到端延時的各網絡環(huán)節(jié)，分析了網絡端到端延時的構成、各組成成分產生的環(huán)節(jié)及原因，建立了網絡端到端延時的計算模型。通過對實現(xiàn)工業(yè)以太網實時性QoS策略的分析，確定了實現(xiàn)QoS機制的網絡傳輸環(huán)節(jié)與手段。在工業(yè)以太網網絡背景下，通過仿真研究了網絡傳輸延時中各組成成分所占比重，并驗證了網絡擁塞管理與擁塞避免是控制網絡端到端延時的決定因素，奠定了本文的研究基礎。
　　為減少網絡傳輸延時中的可變

4、延時成分，實施了節(jié)點QoS控制，在網絡端節(jié)點與轉發(fā)節(jié)點中分別實現(xiàn)了QoS，并設計了支持其QoS實現(xiàn)的端節(jié)點協(xié)議棧模型與轉發(fā)節(jié)點輸出端口的QoS結構。在此基礎上，為了能夠保障網絡擁塞發(fā)生時工業(yè)實時數(shù)據的實時傳輸，并同時兼顧其他信息類型的傳輸延時要求，提出了變量子值DRR隊列調度算法QV-DRR。在一般信息網絡和工業(yè)以太網背景下，選擇PQ與DRR調度算法作為比較算法，在轉發(fā)鏈路容量充足和擁塞兩種情況下，對各種類型數(shù)據的網絡傳輸延時進行了仿真

5、研究，驗證了QV-DRR算法能夠在為工業(yè)實時數(shù)據提供傳輸延時保證的同時，為其它類型數(shù)據類型的延時提供適當?shù)姆召|量。
　　網絡擁塞是控制網絡可變延時的決定因素，為了避免網絡擁塞，對QoS路由算法進行了系統(tǒng)的研究。為解決蟻群路由算法中螞蟻在網絡中尋徑時出現(xiàn)的卡住問題，提高路由算法本身的尋徑性能，詳細分析了蟻群算法與蟻群路由算法在尋徑機制上三處本質上的不同，得到了發(fā)生螞蟻卡住現(xiàn)象的原因。繼而對蟻群路由算法的尋徑機制進行了深入的研究，提

6、出了持續(xù)性尋徑方法，使蟻群路由算法中螞蟻卡住問題與循環(huán)路徑構建問題同時得到解決。選擇螞蟻拋棄與螞蟻新生尋徑方法作為比較，對采用新尋徑方法的蟻群路由算法進行了仿真研究，結果驗證了所提方法能夠使蟻群路由算法的最優(yōu)尋徑能力獲得提高并能夠提供更多優(yōu)良的次優(yōu)路徑選項。
　　有限網絡資源條件下，避免網絡擁塞的最主要方法是均衡網絡負載，使網絡資源利用率最優(yōu)化。為此提出了在工業(yè)以太網中應用QoS多路路由算法，并對采用前述蟻群路由算法來獲得各類型數(shù)

7、據傳輸?shù)膫溥x路徑集的具體實現(xiàn)進行了分析。為能夠最有效地利用網絡資源，同時減少路徑集的獲得時間，進一步提出了QoS不同類多路路由算法，能夠于一次獲得的路徑集中同時為具有不同QoS要求的流量選擇傳輸路徑。為使不同類多路路由的算法能夠得以實現(xiàn)，結合工業(yè)以太網中不同數(shù)據的不同QoS需求，對QoS度量參數(shù)選擇、不同業(yè)務路徑分配策略及路徑選擇的相關性進行了深入的分析與探討，并建立了工業(yè)以太網中不同類多路路由算法設計的數(shù)學模型，同時對基于蟻群路由算法