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交换式以太网用于工业
实 时 通 信 的 分 析 米
彭 杰， 应启戛
(1．南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330029；
2．上海理工大学 光学与电子信息工程学院，上海 200093)
摘 要：基于网络演算理论，对 FCFS调度和 IEEE 802．1P调度的交换式以太网实 木 r 1976
一 、
时性进行了分析。根据用于过程控制和运动控制领域的工业以太 网实时要求及特点， 舅 憾+ 丰尊 从喜
对交换式以太网在满足工业实时性方面进行了具体说明。 控制网络研究
。
关键词 ：交换式以太网；工业通信；实时性
中图分类号 ：TP 393．11 文献标识码：A 文章编号 ：1001．5531(2007)01-0035 3
Analysis for Switched EtherNet Applied into
Industrial Rea1．Time Communication
PENG jie， YING Qi-jia
(1．College of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330029，China；
2．College of Optical& Electronic Information Engineering．Shanghai University of Science and
Technology，Shanghai 200093，China)
Abstract：By means of network calculus，the real time behavior of switched EtherNet with FCFS scheduling
and IEEE 802．1 P scheduling were analyzed．Based on the real time requirements and characteristic of industrial
EtherNet used in process control and motion control，the difference in industrial real time evaluation of switched
EtherNet Was explained in detail．
Key words：switched EtherNet；industrial communication：real time behavior
0 引 言
以太网交换机基于硬件处理，全双工的交换
式以太网已经具有优 良的传输性能，能满足一定
程度的通信“实时性”要求。本文对传统的 FCFS
调度和基于 IEEE 802．1 P严格优先权调度的交换
式以太网分别进行分析。
1 FCFS调度的交换式以太网理论
分析
工业以太网不仅要支持典型的工业通信(如
周期性控制数据和实时报警信号)，还要支持各
种典型的非实时通信(如 Hn甲、FTP和 SMTP服
务等)。FCFS调度方法的交换式以太网未提供
有效的优先级传输机制，若实时数据和非实时数
据在同一个网络里进行传输，就会发生端口竞争
的情况。非实时数据往往帧长更大，且有突发的
特点，当网络中瞬间出现大量的非实时数据，就会
延误实时数据的发送。如果无流量区分机制，在
“Worst Case”情况下，就会因交换机的排队延迟
导致通信不确定性。假定有一个实时周期数据包
，，若无优先权划分，则它在交换机中的排队延迟
为
一 1
∑E~ng(w)+ul+Lena(i)
。 = —————_————一 (1)
应启戛(1942一)，男，教授，博士生导师，研究方向为控制网络、自动化仪表。
基金项 目：上海市 自然科学一般基金资助项目(05EZ37)
一 33 —
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式中：Leng(i)为当前数据包的大小；Leng( )为
目的端口队列中已经排队等待处理的各种类型数
据包帧长，单位为 bit；／2,为帧间隙 96 bit(Inter
Frame Gap，IFG)；C为带宽速率。由于队列中已
经等待处理的数据包数 目不确定，该实时数据包
的延迟无确定性，甚至可能因为没有足够的缓冲
区而被丢失。
以下选用网络演算方法 ¨ 对采用 FCFS调
度方法的交换式以太网缓冲区溢出的可能性进行
分析。它是基于最tl,~n代数理论(Min—Plus Alge—
bra)，利用其衍生推论来分析网络的一些基本特
性。
本文 以因特 网业务特性 (Traffic Specifica—
tion)T—spec(C，M，ri，b ) 来指定进人曲线，推
导缓冲区上界。其中：C为传输链路速率；M为最
大数据包大小；r 为平均速率；b 反映猝发长度，
称为桶深。
． 以A 代表进人端口i流量的进人曲线，则有
A (￡)=min{ + ，rit+bi} (2)
由于A(￡)=∑A ，故
i=l
A(￡)=∑min{Ct+M，rit+bi} (3)
定义 t 为进人曲线A 出现反曲点的时间，则
b —
t = 一 (4)
— r
设 ￡一是 t 中的最大值，交换机多路转换时
间为t ，结合积压的上界，得
B(A，．s)=su~l A(“)一．s(“)} (5)
如果 ￡一 一tM ≥O，则最大积压为
： ∑bi+∑ t 一c(￡～一tuux)(6)
如果 ￡一 一tMux<O，则
= ∑bi+∑rit (7)
i=1 i=l
通过以上分析可知，如果数据猝发(Burst)突
出(即 bi比较大时)，会造成 大于交换机所能提
供的缓存，从而使数据包丢失。在许多工业应用
环境中，网络负载构成复杂，单个设备的数据需要
同时向多个设备发送 (如以发布者／预定者方式
发送)，且往往有多个节点需要发送数据，在交换
式以太网中，当这些报文同时传递到某一个交换
一 34 一
机端口时，就会出现端口竞争现象，导致排队。如
果形成流量猝发，使得网络负载大大加重，就会出
现数据包阻塞甚至连续丢失数据包的现象，故采
用 FCFS调度方法的交换式以太网无法保证工业
通信所需的实时性。
2 IEEE 802．1 P严格优先权调度的
理论分析
IEEE 802．1 P原本是用于商用网络改进多媒
体语音服务质量的。但由于可用它对流量进行优
先权分类 ，故其对工业以太网的实时性改进有很
大的意义。IEEE 802．1P为了处理不同优先级的
数据流，在每个交换机端口采用多个缓冲区队列。
FCFS机制在输出端口只有单个队列。当出现拥塞
时，所有数据帧都必须在同一个队列里等待。相
比之下，IEEE 802．1P输出端口具有多个队列的
交换机，能够给予优先级高的数据帧以更快的响
应时间。按照 IEEE 802．1 P的严格优先权调度方
法，若将0级表示为最高优先权，则发生端口竞争
时，某一优先级为P的报文在交换机内部的排队
时间应该是以下时间之和：① 正在交换机中被处
理的某个报文离处理完还需要的时间 ；②
比P优先级高的交换机端口队列中的所有报文处
理所需时间；③ 优先级同为P，但在交换机端口队
列中比该报文靠前的报文处理所需时间。如果用
』、『代表符合上述后两种类型中的报文数目，i为优
先级，交换机内部传送时间 (帧发送时间和
帧间隙时间之和)为
71sw
- lr = + 。 ： 。 ‘I
C
Leng(frame)+96 rR、
C
＼u ／
则该报文在交换机的排队时间表示为
P ， ，
7’Q⋯ (p)=∑I』、『( )T ，+Ts l(9)
其中，可能出现的最小排队时间为
71Q⋯ 一mi (p)=0
表示：① 交换机的某个报文处理刚被处理完或无
报文在处理；② 比P优先级高的队列中恰好没有
报文等待处理；③ 优先级同为P的其他报文排在
后面 或没 有。而 可能 出现 的最大 排 队时 间
TQ⋯ ⋯ (P)将出现在以下情况：① 交换机有个报
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文刚刚开始处理，且报文长度为最大，以太网的速
率为 10 Mbit／s，则
d： ： 1 224
art ( s)10 。t d一 一 ＼ 。／
② 比p优先级高的报文恰好都在等待处理；③ 优
先级同为P的其他报文恰好都排在前面。
了分析，然后基于这些分析，根据用于过程控制和
运动控制领域的工业以太网实时要求及特点对交
换式以太网在工业实时性满足方面进行了具体说
明。
从上面的分析也可知，报文的抖动最大可能 r 1 1
为 ⋯ 一一(P)一 ⋯ (P)，大于几百微秒。
3 工业以太网实时通信的要求
工业以太网根据用于过程控制领域或离散控 [2]
制领域可分为两大类。用于离散控制尤其是运动
控制、精密制造等领域的工业以太网实时性要求
严格，其主要难点除延迟的控制外，还要对抖动进
行控制。因此，基于以上分析，尽管商用网络软、 l3j
硬件技术得到了很大发展，但可以认为基于商用
COTS技术的交换式以太网目前仍然无法满足有
严格要求的离散控制领域实时以太网的构建。但
是，对用于过程控制的工业以太网并不需要对抖
动进行控制，故实时要求没有用于离散控制工业 、
以太网的严格，同时商用网络软、硬件技术还在不
断发展，可以采用基于交换式以太网等新技术，如
微网段、基于 IEEE 802．1P的优先级服务和虚拟
局域网技术等，进行过程工业实时通信以太网的
构建。
4 结 语 E6]
本文首先采用网络演算理论对 FCFS调度和
IEEE 802．1P调度的交换式以太网的实时性进行
【参 考 文 献】
BOUDEC J Y L。THIRAN P．A Short Tutorial on Net-
work Calculus i：Fundamental Bounds in Communica-
tion Networks[C]／／Proceedings of ISCAS，Geneva，
2O00：93-96．
BOUDEC J Y L．THIRAN P，GIORDANO S．A Short
Tutorial on Network Calculus ii： Min-Plus System
Theo-ry Applied to Communication Networks[c]／／
Proceedings of ISCAS，Geneva，2000：97-100．
BOUDEC J Y L。THIRAN P．Network Calculus：A
Theory of Deterministic Queuing Systems for the Inter-
net[M]．Grerman：Springer-Verlag，2002．
GUrRIN R，PERIS V．Quality of Service in Packet
Networks：Basic Mechanisms and Directions『J 1．
Computer Networks，1999，31(3)：169-189．
IEC 61 850 Communication Networks and Systems in
Substations-Part 5：Communication Requirements for
Functions and Device Models CDV．200l，Part 7-2：
Basic Communication Structure for Substations and
Feeder Equipment-Abstract Communication Service
Interface(ACSI)，2001[s]．
IEC 6l588 Ed．1： Precision Clock —Synchronization
Protocol for Networked Measurement and Control Sys．
tems[S]．
收稿 日期 ：2006-03．09
(上接第32页)
4 结 语
随着总线技术应用的日益普及，带有总线接
口的工控产品也 日益增多。DeviceNet模拟量 I／
O模块作为通用的远程输入／输出终端模块，用户
可以通过 DeivceNet网络对其进行远程控制，是总
线分布式系统中的基本部件。本设计具有成本
低、便于产业化、模块化程度高等优点，模块的精
度可满足大多数场合要求，能被广泛应用 ，具有较
为广阔的应用前景和实际应用价值。此外，通过
对 DeviceNet模拟量 I／O模块的研制，也可以积累
现场总线设备的研发经验，为进一步研制其他类
型的从设备以及更加复杂的 DeviceNet主设备铺
平道路。
【参 考 文 献】
[1] ODVA．DeviceNet Specification．Release 2．0[z]．
1999．
[2] 张 戟 ，程 曼，谢剑英．基于现场总线 DeviceNet
的智能设备开发指南[M]．西安 ：西安电子科技大
学出版社，2004．
收稿 日期 ：2006-07-25
— 35 —
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