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交换式工业以太网中的优先级调度1
张奇智，张卫东
上海交通大学自动化系 （200030）
摘 要： 分析了工业以太网的数据特点，指出了交换式以太网直接应用于网络控制系统时，
不能保证周期性实时数据具有确定的传输延迟上界。然后针对工业以太网中不同数据的传输
要求，通过在源节点和交换机的媒介访问控制层引入基于 的优先级调度方法，
使周期性实时数据具有确定传输延迟上界，并使突发性实时数据的网络延迟也得到改善。然
后基于网络演算理论给出了计算周期性实时数据网络延迟上界的方法，并通过 OPNET
Modeler 网络仿真验证了在交换式工业以太网中实行优先级调度的可行性。
关键词：工业以太网 实时数据 优先级调度 网络延迟
1. 引 言
以太网是目前应用最为广泛的局域网通信技术，尽管不是为工业通信设计的，但它的一
些属性和优点：像易于与互联网集成，与工业控制系统高层网络内在的兼容性，大量的制造
商和较低的价格等都使它在工业领域的应用具有很大的吸引力。然而传统共享式以太网采用
的非确定式网络访问仲裁机制 CSMA/CD，一直是其应用于工厂底层网络的主要障碍。在寻
求方法使以太网支持工业实时通信的过程中，有不少学者提出了以太网的改进协议，比如修
改 MAC 层，在 MAC 层上引入传输控制层等[1, 2]，但不是增加了现有协议的复杂性，就是使
得改进后的协议与标准协议不再兼容。
以太网交换机的引入为从本质上解决以太网通信的“确定性”提供了可能。当采用全双工
微网段通信方式后，每个站点都具有独立的冲突域，不再受限于原有的CSMA/CD工作方式，
可以随时接收和发送数据，大大改进了以太网通信的实时性。但交换式以太网并不没有完全
消除实时通信中的传输延迟不确定性，当实时数据与非实时数据竞争服务资源时，仍会导致
实时通信无法预知的性能。
Chen等针对网络繁忙时交换机输出缓冲区存在队列的情况，对缓冲区数据采用了不同
的调度方法：周期性实时数据采用了RM(Rate Monotonic)调度，突发性实时数据采用
FCFS(First Come First Served)调度[3, 4]。Wang等假设跨节点的应用程序的数据帧都有端到端
的时延要求，采用最大化收益函数的方法来调度MAC层的数据帧[5]。这两种方法虽然改善交
换式以太网传输实时数据的能力，但仍不能保证周期性实时数据具有确定的延迟上界。
本文在通信站和以太网交换机的 MAC 缓冲区同时引入基于 的非抢占式优
先级调度方法，使得周期数据因为传送其他数据的延迟被降低到最小，保证了周期性实时数
据具有确定的延迟上界。在此基础上基于网络演算理论给出了计算周期性实时数据延迟上界
1 本课题得到国家 973 计划子课题项目(2002cb312200-01-1)资助。
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的方法，并通过网络仿真试验验证了该方法的可行性。
2. 交换式以太网的延迟分析
工业以太网中的数据特点
目前工业以太网应用中所面临的主要问题之一是：如何在保证不改变底层协议 (主要是
MAC 协议) 并兼容现有的高层协议(主要是 TCP/IP 协议)的基础上，使以太网能够支持典型
的实时工业通信。不改变底层协议保证了工业以太网可以跟踪以太网技术的最新进展；兼容
高层协议则保证了底层控制网络与高层管理网络，以及与互联网的无缝集成。
考虑到工业以太网中的各种实时和非实时应用，网络中需要传输以下几种数据(图 1)：
1) 周期性实时数据：以一定的周期按时发送，主要用来进行闭环控制，一般为短数据帧，
需要实时传输。在典型的现场总线控制系统 WorldFIP 和 FF 中，周期性实时数据被赋予了
最高的优先级，它们总是优先于后两种数据进行传输[6, 7]。
2) 突发性实时数据：当预先设定的条件被触发时进行传送，如报警信号和设备状态信号等，
一般为短数据帧，需要实时传输。在 WorldFIP 和 FF 中，突发性实时数据的传输是在周期
性实时数据的空闲期内进行的，它的优先级比周期性实时数据低，但比一般消息高。
3) 一般消息：当需要时进行传送，如系统和节点初始化、网络的监控和诊断以及与高层的
交互操作等，一般为长数据帧，不需要实时传输。
交换式以太网的延迟分析
以太网应用于工厂底层网络的一个根本要求是，要保证周期性实时数据具有确定的延迟
上界。然而传统的交换式以太网并没有为工业通信提供有效的优先级传输机制，当网络繁忙
时，非周期数据有可能对实时数据的发送造成延迟。
在交换式以太网中，数据帧从源节点出发到被目的站点完全接收，要经历以下几种延迟：
1) 源节点延迟：①协议栈处理时间；②源节点繁忙时数据帧在其 MAC 层缓冲区的排队等
待时间；③数据帧发送时间，与帧长成正比。后两项合起来称为数据帧在源节点的缓冲区响
媒质访问控制层(MAC)
实时任务
HTTP,FTP, SNMP...
UDP TCP
网络层(IP)
优先级调度方法
物理层(PHY)
非实时任务
实时API
报警
控制 HTTP服务
FTP服务
图 1 工业以太网的协议栈模型
- 3 -
应时间。
2) 交换机延迟[8]：①查表和交换机构建立时间，它为交换机基本时间，依赖于交换机性能，
由交换机制造商提供，对于 10M 的以太网交换机其典型值为 70 sµ ；②交换机繁忙时数据帧
在其 MAC 层缓冲区的排队等待时间，主要取决于交换机的输入流量特性以及缓冲区的调度
机制；③数据帧转发时间，依赖于转发模式，如果交换机采用存储转发模式，转发时间则与
帧长成正比。后两项合起来称为数据帧在交换机的缓冲区响应时间。
3) 目的站点延迟：①数据帧的接收时间，与帧长成正比；②协议栈处理时间。
4) 传输线路延迟：取决于连接两个通信节点的电缆长度，当采用双绞线时，由于电信号在
电缆中的传播速率为 10 ms× ，对于长度为 200ms的电缆，传播延迟约为1 sµ 。
由以上分析可知，交换式以太网中的网络传输延迟延可以分成两部分：一部分是由数据
帧长、信道速率、交换机基本时间、通信节点的协议栈处理性能和传输线路的长度所决定的；
另一部分是数据帧在源节点和交换机的 MAC 缓冲区可能经历的排队时间。当网络繁忙时，
后一部分将在总的延迟中占主导作用，并在很大程度上取决于网络中所采用的调度机制。
当 MAC 层采用传统的单队列 FCFS 服务方式时，周期性实时数据帧在源节点和交换机
的缓冲区响应时间可由下式给出[9]。
1
1
i
i w
w
responsed c
σ σ−
=
+
=
∑
(1)
式中 i imσ µ= + ， w wmσ µ= + ， im 和 wm 分别为被考察数据帧和队列中已缓存的数据帧的帧
长，µ 为以太网的最小帧间隙，c为信道速率。由于突发性实时数据和一般消息的产生都具
有突发的特点，使得周期性实时数据帧 i 到达缓冲区时，队列中已缓存的数据帧w是不确定
的，因此传统交换式以太网并不能保证周期性实时数据具有确定的延迟上界。
3. 优先级调度方法的应用
排队特性
可以定义到达数据帧的优先级，从而赋予了调度机构对数据流进行区分服
务的能力[10]。对于未区分优先级的数据流，当出现拥塞时所有数据帧都必须在同一个队列
里排队等待，相比之下，具有多个队列的缓冲区能够给予高优先级的数据帧更快的响应时间。
排队特性采用带 VLAN(虚拟局域网)标记的以太网数据帧格式(图 2)，标记
标记类型 标记控制信息
0x8100 优先级 CFI VLAN ID
目的地址 源地址 VLAN标记 长度/类型 数据 FCS
6 6 4 2 46～1500 4
截止期限
针对实时数据
引入截止期限字段
图 2 带 VLAN 标记的以太网数据帧格式
- 4 -
字段的长度是 4 个字节，插入在原以太网 MAC 帧的源地址字段和长度/类型字段之间。前两
个字节总是设置为 0x8100，称为 标记类型；在后面的两个字节中，前 3 个比特是用
户优先级字段，接着一个比特是规范格式指示符 CFI，最后 12 比特用来定义 VLAN 标识号
[11]。 可以提供 8 种优先级别，这里仅采用三种优先级别，周期性实时数据帧、
突发性实时数据帧和一般消息数据帧的优先级字段值分别设为 7、6 和 5。
基于 的优先级调度
基于 排队特性对工业以太网中的数据帧进行优先级调度，到达的数据根据
其优先级分别进入周期性实时数据队列、突发性实时数据队列和一般消息队列(图 3)。缓冲
区调度器对三个队列采用非抢占式的优先级服务方法，它总是优先传输周期性实时队列中的
数据帧，当周期性实时队列为空时才传送突发性实时队列中的数据，仅当前两个队列都为空
时才传送一般消息队列中的数据帧。这种调度方法使得低优先级数据对高优先级数据延迟被
降低到最小。
由于不同实时数据的实时性要求也不一样，比如周期较小的数据帧一般要求比周期较大
的数据帧具有更小的网络延迟，为此考虑在实时数据帧的数据字段起始部分引入截止期限信
息(图 2)，该工作由图 1 中的实时 API 接口完成。缓冲区的周期性实时数据队列和突发性实
时数据队列根据数据帧携带的截止期限信息进行 EDF(Earliest Deadline First)排队，可以给予
紧急程度高(截止期限小)的数据帧更快的队列响应时间[12]，一般消息队列则采用 FCFS 排队
方式。
文献[13]给出了确定性排队系统中计算最大排队时间的方法。设 jm 、 jT 分别为周期性实
时数据的帧长和生成周期，其到达特性可以用参数 ( , )j jσ ρ 来描述，其中 j 为数据帧的优先
级( j 越小优先级越高)， j jmσ µ= + 为数据流的突发长度， /j j jTρ σ= 为数据流的平均到达
速率。周期性实时数据的最大排队时间出现在，当被考察周期数据帧 i 准备好发送时，恰好
有一个低优先级的最长周期数据帧 |max( )j i j nσ < < 刚刚开始传输；而在传输低优先级数据帧时，
所有比被考察数据帧优先级高的周期数据流都有突发数据到达。设 c为总的信道带宽，则周
期性数据帧的最大排队时间为[9]
调度
器
周期性实时数据
突发性实时数据
一般消息
服务优先级
高
低
排队方式
EDF
FCFS
EDF
图 3 基于 的优先级调度方法
- 5 -
1
|
1
1
1
max( )
.
i
j i j n j i
j
queue i
j
j
d
c
σ σ σ
ρ
−
< <
=
−
=
+ +
=
−
∑
∑
(2)
考虑到突发性实时数据队列和一般消息队列对周期性实时数据队列最大延迟，为一个最
长突发性实时数据帧 sσ 或一般消息数据帧 mσ 的发送时间，因此可以得到周期性实时数据帧
在源节点和交换机缓冲区的最大响应时间为
1
|
1
1
1
max( )
max( , )
.
i
j i j n j i
js m
response i
j
j
d
c c
σ σ σσ σ
ρ
−
< <
=
−
=
+ +
= +
−
∑
∑
(3)
4. 实行优先级调度后的网络延迟分析
周期性实时数据网络延迟上界的计算
网络模型采用图 4 所示的全双工交换式结构，用主站模拟中央控制器，用从站模拟现场
设备。交换机采用存储转发模式， 2n 个从站对称地连接在两个二级交换机上。设所有信道
的通信速率都为 c，通信节点的协议栈处理时间、交换机的基本时间和单段导线的传输延迟
分别为 1τ ， 2τ 和 3τ 。根据式(3)可以得到数据帧在源节点和交换机的最大缓冲区响应时间，
结合 节的分析可以计算周期性实时数据帧在每个传输环节的最大延迟。
1) 源节点最大延迟
1
max( , )
;s m isenderd c c
σ σ στ= + + (4)
2) 二级交换机最大延迟
1
| 1
1
2 2 1
1
max( )
max( , )
;
i
j i j n j i
js m
switch i
j
j
d
c c
σ σ σσ στ
ρ
−
+ < <
=
−
=
+ +
= + +
−
∑
∑
(5)
3) 一级交换机最大延迟
主站
一级交换机
...
二级交换机
...
从站5 从站n从站1 从站2 从站4 从站6 从站2n从站3
图 4 交换式工业以太网模型
- 6 -
1
| 1 2
1
1 2 1
1
max( )
max( , )
;
i
j i j n j i
js m
switch i
j
j
d
c c
σ σ σσ στ
ρ
−
+ < <
=
−
=
+ +
= + +
−
∑
∑
(6)
4) 接收站延迟
1 ;
i
recieverd c
στ= + (7)
5) 传输线延迟
33 .lined τ= (8)
仿真试验
采用网络仿真软件 OPNET Modeler[14]对图 4 中的工业以太网模型进行仿真试验。在通
信站和交换机的 MAC 模块加入基于 的优先级调度方法。周期性数据帧、突发
性实时数据帧和一般消息在源节点的分别由三个信源模块产生，仿真结果的搜集由目的节点
相应的三个信宿模块完成。所有端口都采用10M 的传输速率，连接导线的长度设为 200m。
由于主站和它直接相连的一级交换机之间通信线路的负荷是最大的，通过考察该线路的负荷
即可以估计整个网络的负荷.
考虑到 以太网数据帧格式的最小帧长为 64 字节，最大帧长为 1522 字节，
计算传输时间时要加入 8 字节的帧前同步码和 12 字节的帧间隙。在网络中设定周期性实时
数据占通信总量的80％，突发实时帧和一般消息分别占通信总量的10％；周期性实时数据和
突发性实时数据都采用最小帧长，一般消息采用最大帧长。如果从站的个数为 30，要获得
最大的网络负荷，则每个从站应向主站每秒发送 个周期数据帧 (发送周期为 )。
同时每个从站应向主站每秒发送 个突发性实时数据帧(发送间隔为参数 的负指
数分布)和 个一般消息数据帧 (发送间隔为参数 的负指数分布)。
0 5 10 15 20 25 30
0
1
2
3
4
5
x 10-3
从站个数
(s
)
平
均
延
迟
周 期性实时数据
突发性实时数据
一般消息
0 5 10 15 20 25 30
0
从站个数
(s
)
最
大
延
迟
周 期性实时数据
突发性实时数据
一般消息
图 5 平均延迟和最大延迟随接入从站个数的变化
- 7 -
当 30 个从站都按以上述参数向主站发送数据时，主站和其直接相连的一级交换机之间
线路的利用率也最大，但网络是不稳定的，所以连入网络的从站最多设置为 28 个。通过改
变从站的个数，并依次记录三种数据平均迟延和最大迟延，可以得到如图 5 所示的仿真曲线。
从图中可以看到，优先级调度方法取得了预期的效果。周期性突发数据的平均延迟和最
大延迟都是最小的，而且突发性实时数据的网络延迟也优于一般消息，利用公式(4-8)可以得
验证周期性实时数据帧的延迟上界。如当有 20 个站接入时，计算得到的周期性实时数据帧
的最大网络传输延迟等于 ，计算值大于仿真中得到的相应值 (图 5)，与理论分析相符。
5. 结 论
排队特性在交换式以太网中的引入，为其支持典型实时工业通信带来了新
的契机。本文通过在交换机和通信站的 MAC 层同时引入基于 的优先级调度方
法，使得网络繁忙时实时数据由于和非实时数据竞争信道引起的传输延迟被降低到最小。同
时还在周期性实时数据队列和突发性实时数据队列中引入 EDF 排队方法，用来区分具有不
同优先级的实时数据。最后给出了计算周期性实时数据网络延迟上界的方法，并利用网络仿
真试验证实了上述方法的可行性。
参考文献
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- 8 -
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Priority Scheduling for Switched Industrial Ethernet
ZHANG Qizhi, ZHANG Weidong
Automation Department, Shanghai Jiao Tong University
Abstract
The data characteristics of industrial Ethernet is firstly introduced, which indicates that when
switched Ethernet is directly applied in networked control system, it cannot provide deterministic
network transfer delay for periodic real-time data. To meet the transfer requirement of different data in
industrial Ethernet, priority-scheduling method based on is introduced into MAC of
source station as well as switch, to make periodic real-time data have deterministic maximum transfer
delay and also improve the transfer delay of sporadic real-time the calculation of maximum
network delay for periodic real-time data is given based on Network Calculus theory, and the
effectiveness of priority scheduling in switched industrial Ethernet is verified by simulation using
OPNET Modeler.
Keywords: industrial Ethernet real-time data priority scheduling network delay
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