研究报告
2013
Science and Technology Innovation Herald E!!E~~副E砸嚣i跚
基于交换式以末网的实时工业通信研究
陈本源
(湖北工业大学理学院湖北武汉 430068)
摘 要:该文探讨了将交换式以太网应用于实时控制领浅的改造策略。介绍基于与现有以太网技术是客程度的分类。其中该文的重点在保持录
容性的修改策略中的异构策略，且将异构策略划分为了基于就节点的策略和基于网络节点的策略。对各类策略进行了定性的分析和比较，并针对
当前基于网络节点的异构策略的不足提出了一种改造思路。最后总结了基于交换式以太网的实时工业通信今后的研究方向。
关键词 z 交换式以太网 控制网络 实时工业通信 确定性
中图分类号: TP393 文献标识码，A 文章编号: 1674-098X(2013)09(b)-OOOl-04
Real-time Industrial Communication Based on Switched Ethernet
CHEN Benyuan
Abstract: Switched Ethernet improvements toward real time for i I\dustrial apþlications are investigation. follows the
classification according to the solutions' degree of compatibility with standard heterogeneous solutions which belong to
modifications that keep compatibility are emphasized in this paper and are categorized into two subclasses,solutions in end nodes and
solutions in qualitative analysis and comparisons of all kinds of solutions are addition ,an improvement is þroposed
by the author considering the shortages of current heterogeneous solutions in ìnally the future work and directions about the
real-time ìndustrial communication based on switched Ethernet are summarized.
Key words:Switched Ethernet, Control network , Real-time industrial communication, Determinacy
控制网络的一个发展方向就是基于以 较短的实时数据包可能无怯及时传输…. 调度模型，提高了带宽利用率、减小了延时
太网的控制网络。为了提高以太网的可预 而除了上述这些问题外，随着以太网速率的 和丢包率。
测性，各研究机构提出了各种解决方案。该 不断提升以及交换机结构的变化，还出现 J. 等[7]提出了软实时调度算法
文将不考虑那些需要修改队太网硬件的方 了很多新的问题有待解决。 UPA，并基于该算路设计了一个实时MAC
案。由于采用了专门的芯片或者改造以太 该文针对基于交换式以太网构建控制 层模型，替换了端节点和交换节点内原始
网实现的专用芯片，不能采用标准以太网设 网络所存在的诸多问题，分析当前的各类解 的标准MAC层。 等 [8]针对数控系
备，便失去了使用通用以太网芯片和硬件的 决方案的机制、特点以及有待研究的问题。 统设计了一套实时以太网EtherMAC ，它
优势。排除这类策略后，剩余的策略可以大 本文将按照A类 B1类-BI1类的顺序来进 采用主从式通信结构，移除了从节点MAC
致分为两类:改变了兼容性的修改策略(以 行论述。其中BII类是本文的侧重点。 BII类 层中的CSMA/CD协议且修改了LLC层，
下称为A类策略)和保持兼容性的修改策略 解决方案依据其实施位置的不同又分为两 但主节点仍然采用标准以太网从而可以由
(以下称为B类策略) • A类策略指的是那 类:基于网络的控制和基于终端的控制。基 主节点实现与未采用EtherMAC的外网
些需要修改 MAC协议的策略， 于网络的控制的核心是网络元件，即交换 节点的连接，并通过发送同步帧机制来控
但是它们可以与现有的以太网硬件兼容，不 机，基于终端的控制则是通过各收发端节 制整个系统的运转。L. Boncagni等 [9]用
过采用了这类策略的网络节点与那些禾采 点对的协调，调整各通信任务所获得的带宽 TDMA策略修改了MAC层并实现了用于
用该策略的通用以太网节点无怯共存。而采 资源，以适应网络的状态。该文将从这两万 分布式控制系统的RTnet交换式以太网。
用了B类策略的节点则可以与标准以太网 面分别进行论述。 等 [10]为数据包打时间戳，
节点共存和通信。 B类策略又分为了两个子 并通过判断MAC层数据帧的"年龄"来决
类:同构策略(以下称为BI类策略)和异构 1 A类策略 定其调度优先权。可以看出， A类策略的共
策略(以下称为BII类策略)。前者需要各节 这类策略中最著名的是 性在于改进策略位于数据链路层且修改了
点采用同样的改进措施来提供实时保证， 等[ 2]提出的一种实时以太网 FTT一 该层，需要为数据帧添加各种截止期字段，
后者则没有这样的要求，即便存在未做修 Ethernet. FTT-Ethernet基于主从式轮 而后基于此引人一些经典的调度思想，如
改的节点，这类策略往往是对某类节点进行 询结构，整合了带宽预留机制和在线;佳人 EDF。
改进。 J. D. Decotignie[l]认为这种基于与 控制机制，其中前者用于保证同步实时消
现有以太网技术兼容程度的分类更具有实 息的可靠传输，后者用于协调整个网络变 2 81类策略
际意义。 化的通信需求，实现了网络的动态QoS控 本类策略中的一类代表是流量平滑，
J . D. Decotignie将基于交换式以太网 制。 等 [3]将FTT-Ethernet的思 通过流量平滑使得数据包维持一个定常的
构建控制网络归入BII类策略。但这只是一 想应用于交换式以太网，提出了基于FTT一 到达速率。流量平滑对工业通信中的实时数
个宏观的归分，事实上，当前针对交换式以 Ethernet的交换式以太网 (FTT-SE) 调 据流控制效果不明显，因为实时数据流一
太网的改进策略也可以按A/B (BI/BII) 度模型。 等[4]在FTT-SE中集成 般由小数据包组成，但可以有效地减小具
来进行分类。交换技术的出现并不意味着 了Server-SE协议，该协议能够为特殊应 有较长数据包的非实时数据流对网络时延
以太网变成了确定性的，将交换式以太网直 用提供流量管制。由于FTT-Ethernet采 特性的影响。流量平滑策略可以位于标准
接应用于控制领域还存在相当多的问题: 用了带宽预留机制，并且FTT-SE模型将不 以太网协议的任何一个层面，但位于较下层
现有的交换式以太网缺乏对典型的控制网 同长度的数据包分割成信元进行调度，因 面的平滑器效果较好。
络数据流量的支持，交换机缓冲区存在溢 此其在线调度的成功率与最大信元长度密 另一类代表是添加实时层，加层策略
出的风险，丢包导致通信错误，当大量数据 切相关， 等[5]在这方面做了深入 的主要思想是通过在增加的实时层内实
包拥挤在交换机某一输出端口时，截止期 的研究。檀明等[6]则进一步改进了FTT-SE 现实时调度，从而不影响其他层的工作。
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 1
阻塞问题。但由于输入输出竞争之间的关
联和制约，导致iSLIP算法及其类、衍生算
法还有当前其它基于分组(Cell-based)的
算法要提供确定性的QoS保证很难。一种
改善方怯是加入优先级机制，如P-iSLIP
算法、 等[川的PWDRR丰口 CPRR算毡，
它们可以提供某种程度的分级服务和公平
性，但是仍无怯彻底消灭通信的不确定性。
等 [28]和 [29]提出了一种适
用于控制网络的IQ交换机并对其性能进行
了评估，它采用了结构性(Frame-based)
的调度算法以实现确定性的QoS保证，但
是，结构性调度算能不容易在一个较低的
复杂度水平上实现一个较高的成功率。从上
面的分析可以看出，当前关于IQ交换机在
实时工业通信中应用的研究还比较缺乏，对
IQ交换机的相关研究较少涉及对信元行为
的有效控制和对周期性流量的支持等关键
问题。
针对此类策略的研究，笔者也提出了→
种新的IQ交换机结构。该交换机采用两级
调度机制来提供确定性的实时保障，包括
链接调度和交换调度。交换调度采用周期
性的frame-based算泣。提出的基于VOQ
的IQ交换机结构模型及其调度机制如图 l
所示。
在每个输入端口的VOQ 队列之前
设置了三个优先级队列 VPQ(Virtual
Priority Queue) ，以端口 1为例，交换机
将到达数据包分类并分别放入周期性实时
数据队列(VPQlcr)、突发性实时数据队列
(VPQlbr)和非实时数据队列(VPQlnr) 中。
而后通过链接调度为各类数据提供分级服
务。数据包在进入VOQ之前被分割成定长
信元，并将信元区分为周期性信元和非周期
性信元。信元依据其目的端口地址进入对应
VOQ。每个VOQ由两个子队要1]组成，VOQXYC
和VÓQxync (X 、 y分别表示源端口号和目的端
口号)，分别对应周期性信元子队列和非周期
性信元子队列，不同类型的信元进入相应的
子队列。记录信元进入的顺序，并将每交换
机周期内的记录转换为需求向量，所有端口
的需求向量便组成了该周期内的交换调度需
求矩阵，再依据交换调度算沾解得相应的调
度矩阵，输入输出端口形成匹配[30]0 (如图1)
在基于VOQ结构的交换机中，一方面，
为了支持优先级，各输入端口需要为不同类
型的输入数据自己置不同的优先级队列，另一
方面， VOQ体制要求各输入端口为每个输
出端口配置缓冲队列。图 1的队列结构可以
将二者有效融合，同时为信元行为的有效
控制提供了可能。
究报告研
己通信相关联的链路带宽信息。设一个源节
点需向一个目的节点发起通信，源节点首先
检查自己输出链路的带宽，在不影响已有通
信任务的基础上，判断新添加的通信任务能
否在剩余带宽中满足其实时要求，若能满
足，则将输出链路的带宽使用信息连同该通
信任务的实时要求发送至目的节点，否则拒
绝该任务。目的节点根据收到的信息并参照
其输入链路的带宽使用状况，判断新添加
的通信任务能否在剩余带宽中满足其实时
要求，若能满足，返回分配给该任务的带宽
定位，由源节点添加该通信任务，且输入输
出链路带宽信息同时更新，否则返回调度失
败信息，并由源节点拒绝该通信任务。该策
略解决了主从式机制中主节点易成为通信
瓶颈的问题，缺点在于它们主要面向周期性
数据通信，并不能灵活地应对突发性任务
较多以及通信任务频变的情况。
可见，基于终端的控制策略由各端节点
来执行调度任务，交换机只需要完成简单的
先来先服务的转发工作即可。分布式惆度的
思想较前几类策略而言具有一定的局限性，
但其代价是最小的。
位于网络节点的改进措施
目前的高速交换机一般采用基于VOQ
的IQ结构。在IQ交换机中，其交叉开关被
建模成一个二分图，其调度策略的研究主
要是求解二分阁的匹配问题。匹配惆度算单
中最经典是提出的iSLIP算
在去，另外原始的iSLIP算法也经历了→些修
改，衍生出了优先级iSLIP算棒、加权iSLIP
算法等。不少学者从不同的角度对iSLIP
算法提出改进，研究出了许多各具特色的
类iSLIP算泣。如M. J. Rostami等 [20]提出
的FRGA算法实现了更好的收敛性和公平
性， 等 [21]的 HE-WiSLIP和HE
iSLIP算站、 等 [22]的HRF/RC算法降
低了匹配调度的开销。 等 [23]提出
的非冲突RR调度算法解决了iSLIP算法中
授权/接受指针冲突的问题。 等[24]
提出的单次D一LQF算也和J. R. Liao等[匀]
提出的LQFRRM算法实现了更大的吞吐
量。 等 [26J提出的增强FIFORR多播调
度算法消灭了IQ交换机在组播时候的队头
2013
Science and Technology Innovation Herald
如V. 等 [11] 、 [121 、
等 [13]以及等[1 4一 15] 方法比较类
似，在端节点和交换机的数据链路层之上
添加实时层以支持EDF调度机制。在实时
数据传输前，源节点、交换机和目的节R"之
间将构建起一条实时数据通道，实时数据
包在实时层内按照其截止期的先后排队，
然后被安排在实时通道内传送，无需经过
网络层和传输层而直接交给应用层的数据
处理任务，而非实时数据包仍然按照标准
以太网协议架构进行传输。可见，这种方法
需要对交换机和端节点的协议架构做→定
的修改。
3 BII类策略
位于端节点的改进措施
等 [16]采用了主从式集中调度
结构，网络中的各节点被分为了主节点和从
节点，整个网络的通信调度交给一个主节点
负责，所有从节点在主节点的控制下运转。
首先，所有从节点向主节点发送通信需求和
实时要求，通信需求包括源、目的节点信息
和数据包长度，实时要求指通信任务的周
期。主节点依据收到的信息组成通信任务
集，检查可调度性，并基于EDF调度策略对
任务集进行调度，而后将结果广播至所有从
节点。主节点周期性地广播触发信息，触发
信息一方面用于同步整个网络的运转，另→
方面，触发信息内还包含了调度表，指定了
在各基本周期内将被执行的通信任务。从节
点依据触发信息的内容发送数据包，可保证
所有节点都有可预测性的定时行为。当网络
中有新的通信任务加入或旧的通信任务退
出时，主节点将对新的任务集重新调度，更
新调度表。该方案无需修改交换机的软硬
件，但是当网络内的节点数目较多时，各从节
点到主节点的通信将产生瓶颈。
M. K. K í m [171 、 H. C. Lee[18]以及
[19]等则将访问控制环节和调度环
节分散在了各发送一接收节点对上，目口某一
发送一接收节点对的通信失败不会影响其
它节点对的正常交互。主从式控制机制需
要获取所有链路的带宽信息，而分布式调度
回Ij将该任务均衡化，每个节点只需获取与自
E1ft噩由自盟器1回
4 结语
将交换式以太网直接应用于工业控制
领域所要解决的关键问题在于提供确定性
的实时通信保证。这→问题具体可细分为如
下几点: (1)要考虑控制网络数据通信的特
点，比如周期性和突发性实时数据、非实时
VOQNlnc
VOQNlc
VOQN2c
科技创新导报 Science and Technology Innovéltion Herald
c
c-n NFN N-N A革
AM
吨
。
-o
v-v
VOQN2nc
周期性
倍元
囹1 提出的交换机结构及其调度机制
/1:周期性
恼元
-1·. ···:nununu
Mm
露蟠掣
分
类
VPQNnr
宿
舍VPQNbr
VPQNcr
2
研究报告
表1 各类改进策略的对比
BI类策略
A类策略
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BII类策略
E!If~剧目瞌嚣i踵
流量平滑类 添加RL类
基于端节点
的策略
基于网络节点的策略
重新设计或修 添加一个实时 分布式的协 改变交换机的交换机制和服务
措施的共性 改数据链路层 添加流量平滑器 层以开通实时 同带宽分配 策略，但不改变数据链路层协
协议 通道 机制l 议本身
各类节点的数
一般位于各类节点数据链路层
各类节点的数
端节点的数
定位
据链路层
和网络层之间或传输层和应用
据链路层之上
据链路层之 交换机的交换体系
层之间
综合效果 最好 一般
代价 大 小
数据的共存问题，小数据块的频繁交换问
题等。 (2)要提升交换式以太网的通信可靠
性，缓冲区溢出对于控制网络来说是致命
的。(3)要满足各类实时数据的通信时限，非
实时数据包可能比较长，会影响实时数据
的传输，而各类实时数据之间也会相互影
响。 (4)要提升交换式以太网的时延可预测
性 g 对通信资源(如带宽、端口)的竞争将带
来通信的不确定性。交换式以太网内必须
有一个合理通信控制策略来管制信元的行
为，这是一个动态的管制。 (5)代价小，目H改
进策略复杂度不应太高，应该易于实现。
当前的各类改进策略的共同特点，包括
所采用措施的共性、所位子的层面以及策略
的综合效果和代价总结如表l所示。
在改进策略中， A类策略比B类策略
要直接有效，但是代价较大，它需要修改
标准以太网的MAC层。或者移除CSMA/
CD协议植入新的通信控制策略，或者保留
CSMA/CD协议让三者共存。新的通信控
制策略一般基于-些经典的调度思想如
EDF等，经典的资源管理分配思想如预留、
TDMA等，这些思想在B类策略中也有用
到，不同之处在于二者所位于的层面不同。
B类策略不像A类策略，直接针对-个
标准以太网层进行改进，而是在层与层之间
添加改进措施。 BI类策略中的流量平滑对工
业通信中短而频的实时数据流控制效果不
明显，所以也有一些研究是将平滑机制作为
其他调度策略的辅助。添加实时层的总体做
法比较类似，实时层一般位于数据链路层之
上，为实时数据构建了一条实时通道。加层
的思想实际上在一些BII类策略中也有用到，
但是BI类策略需要同时修改交换节点和端
节点的协议架构，代价相对也比较大。
BII类策略(位于端节点的)是所有策
略中实现代价最小的，这类策略大部分是
在端节点添加的实时层内实现，然后通过端
节庚、之间的协调来实现带宽资源的分配。这
是一种分布式的调度，它需要比较精确的同
步机制，有时候同步信息的通信开销可能
影响策略的可行性，另外当网络内通信任务
频繁变化时，收发节点对相关调度需求信息
的交互也会变的频繁，调度开销剧增，同时
上
较好 一般
中 最小
由于调度粒度的问题，通信任务的频繁增减
会产生大量的带宽碎片，造成带宽的浪费。
因此当前的分布式调度策略还有许多有待
改进的地方。
BII策略(位于网络节点)是比较特殊
的一类策略，因为它的重心在交换机结构
和体制本身的改善，而与网络协议的相关度
很小，它也是所有策略中性能代价比最好
的一类。当前关于OQ交换机在控制领域中
的应用研究已经很成熟了。而目前关于IQ交
换机实时性改进的研究主要针对多媒体、
传感器网络，它们与工业控制网络还是有不
少区别的，因此这部分研究成果虽然有参
考价值但不能直接应用于控制网络，比如
相应的改进措施品然可以降低时延及时延
抖动、提高匹配成功率、吞吐量等等，但都
没有办主主提供时延的确定性，无法有效控
制信元在交换机内的行为。这一点是这类
策略未来有待研究的课题，即交换机结构、
信元行为的控制方法以及相应的匹配算
法。匹配算总方面，基于VOQ的iSLIP算总
及其衍生算怯因其简单和并行性得到了广
泛应用，但它对于QoS的保证却不如人意。
另外，前面提到的frame-based匹配调度
算法可以实现确定性，但是较RR类调度算
法的弱点是算法复杂度普遍偏高，且固定
frame结构的时隙粒度问题一定程度上限
制了其应用，如何在提高匹配成功率的同时
降低算法复杂度将是下一步研究的重点。
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