基于四层交换的工业实时同步交换技术的研究.pdf

浙江理工大学学报(自然科学版)，第 33卷，第4期，2015年 7月 JournalofZh@angSci—TechUniversity(NaturalSciences) Vo1．33，No．4，Ju1．2015 文章编号：1673—3851(2015)04—0508—07 基于四层交换的工业实时同步交换技术的研究 杨 明。赵新龙 (浙江理工大学机械与 自动控制学院，杭州 310018) 摘 要：网络控制系统中通常存在着大量短帧结构的实时数据，当网络负载增加时，传统的端对端交换技术会 产生明显的排队时延，使得传输效率低、带宽占用高。在四层交换技术基础上提出了适于工业控制的实时同步交换 技术，在非周期数据传输阶段，对交换机各端 口通信任务的数量和执行时间分别进行优化与调度，在周期数据传输 阶段，执行数据包的接收、拆分、重组、转发四个步骤，实现 了数据包的同步接收和 同步转发。提 出的方法减少了数 据包在交换机中的排队时延，提高了数据传输的同步性，数据传输效率高，网络带宽占用小。仿真实验验证 了该方 法的可行 性和优越 性 。 关键词：交换式网络；工业以太网；实时；网络控制系统；调度 中图分类号：TP23 文献标志码：A 和交换机处理性能直接相关。在工业控制中，各节 0 引 言 点的通信数据通常为短帧结构，数量多、分布广，而 以太网具有传输速率高、协议标准统一、成本低 且网络数据流向具有汇总性，因而会导致产生很多 等优势，在工业网络控制系统中得到了越来越高的关 零碎的小数据包。又由于传统端对端交换技术工作 注，以太网的实时性研究已成为热点[1]。传统端对 于异步模式下，不能同步处理缓存队列中的所有数 端(end-to-end)交换式以太网相比于共享总线式以太 据包，必须根据调度算法来处理各数据包的转发。 网，虽然数据传输的实时陛得到了改善，但由于各端 综上这几点，传统端对端交换技术数据排队时延长、 口存在缓存队列，因而依旧会造成数据传输的不确定 数据传输效率低、网络带宽占用高，所以不能很好地 性，严重时则会造成缓存溢出并导致数据丢包 。 适应工业环境 。 交换机缓存分为输出队列 OQ(outputqueue) 本文在四层交换技术的基础上提出了适用于工 模式和输入队列 IQ(inputqueue)模式，为保证数据 业控制的实时同步交换技术。该技术的优化与调度 传输的实时陛通常需要采取一定的拥塞管理调度算 过程完全在非周期阶段进行，从而在一定程度上减 法 。0Q模式主要有经典的PQ、WFQ、RR、WRR、 少了周期阶段实时数据的传输时延。通过 TCP／ SRR等算法，但该类调度算法并不能完全保证各数 UDP端 口来映射不同的交换机 IO端 口，从而使得 据传输的实时性，甚至存在缓存溢出的风险[5]。IQ 一 个数据包中可以包含多个 目的端 口的数据 内容， 模式经典的调度算法为 iSLIPE，与OQ模式相比， 这些数据在交换机中按照端 口号进行拆分和重组之 此类算法提高了数据传输的实时性，减少了数据丢 后再进行转发，将原本零碎的数据包进行了合并，可 包的可能[7]。但无论是OQ模式还是IQ模式，实时 以提高数据传输效率，减小数据包头信息传输所 占 数据的接收与任务调度都需要交换机同步参与，因 用的网络带宽以及排队时延，数据传输的同步性也 而会产生一定的处理时延，其时延量与通信数据量 得到了提升。 收稿 日期：2O14—1O一16 基金项 目：国家 自然科学基金项 目 作者简介；杨 明(1987一)，男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向为工业以太网的实时应用。 通信作者：赵新龙，E-mail：zhaoxin