控制網(wǎng)絡的性能評估以太網(wǎng)控制網(wǎng)以及設備網(wǎng)

1、 南 京 理 工 大 學畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯學院（系）： 自動化學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓 名： 劉丹 學 號： 0908190137 (用外文寫)外文出處： IEEE Control Systems M agazine 附 件： 1.外文資料翻譯譯文2.外文原文。 指導教師評語： 簽名： 年 月 日注：請將該封面與附件裝訂成冊。附件1：外文資料翻譯譯文控制網(wǎng)絡的性能評估：以太網(wǎng)，控制網(wǎng)，以及設備網(wǎng)Feng-Li Lian, James R. Moyne, and Dawn M. Tilbury引言：控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)通信體系結(jié)構(gòu)是點對點的，在工業(yè)上已經(jīng)成功應用了幾十年。然而，

2、日益擴張的物理設備和網(wǎng)絡顯示出點對點體系的局限性。因此，一個傳統(tǒng)的發(fā)散式的點對點控制系統(tǒng)不再滿足新的需求，比如說：模塊化，分散控制，綜合診斷，快捷維護和低成本1。擁有公共總線的網(wǎng)絡系統(tǒng)被稱為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCS），它有幾個優(yōu)點，如布線體積小和分布式處理。特別是對制造系統(tǒng)，NCS架構(gòu)的處理能力可以利用每個節(jié)點容許模塊化和標準接口的互換性以及互操作性?；趯ο竽Ｐ蛦为毜耐ㄓ迷O備,設備類型具體由生產(chǎn)商的特殊用戶的功能決定。許多不同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被應用在控制系統(tǒng)。本文中，我們將比較其中的三種：以太網(wǎng)總線（CSMA/CD），令牌環(huán)總線(e.g., ControlNet)，控制器局域網(wǎng)總線(e.g., Dev

3、iceNet)。我們將考慮每種控制網(wǎng)絡怎么被應用為一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的通信主干，連接傳感器，致動器和控制器。我們將詳細討論每一種網(wǎng)絡的介質(zhì)訪問控制（MAC）的子層協(xié)議。對于每一種協(xié)議，我們學習相應網(wǎng)絡應用于控制情形的關(guān)鍵參數(shù)，包括網(wǎng)絡應用，預期時間延遲的幅度和時間延遲的特點。不同情形下的模擬結(jié)果將被展示，并總結(jié)每一種網(wǎng)絡的優(yōu)缺點。性能指標：分布式系統(tǒng)包含大量的互聯(lián)設備一起執(zhí)行所需的操作，應用于很多領(lǐng)域。例子包括工業(yè)自動化、樓宇自動化、辦公室和家庭自動化,智能車輛系統(tǒng)和先進的飛機和航天器2 - 6。根據(jù)不同的信息交換數(shù)據(jù)網(wǎng)絡或控制網(wǎng)絡可能被使用。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的特點是大數(shù)據(jù)包，相對少的猝發(fā)性傳播和高數(shù)據(jù)

4、率。他們一般不會有嚴格的真實時間約束?？刂凭W(wǎng)絡，正相反，必須在一個相對較大的組節(jié)點穿梭無數(shù)小而多的數(shù)據(jù)包來滿足要求的時效性。區(qū)分控制網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的關(guān)鍵元素是滿足實時和時效性要求高應用的能力7。一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，決策和控制功能(包括信號處理)可以分布在網(wǎng)絡上的控制器。然而，當設計一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，一個新的約束條件必須滿足要求有線寬帶的通信網(wǎng)絡。有效帶寬的網(wǎng)絡被定義為最大數(shù)量的有意義的數(shù)據(jù),可以將單位時間傳輸,不包括標題、填充、填料等，網(wǎng)絡帶寬等于原始比特每單位時間傳輸?shù)臄?shù)量。四個因素會影響網(wǎng)絡帶寬的可用性：網(wǎng)絡中各種通信設備的采樣率，需要同步操作的元素的數(shù)量，數(shù)據(jù)或消息大小的信息，以及控制信息

5、傳輸?shù)慕橘|(zhì)訪問子成協(xié)議8。因此，為了實現(xiàn)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)定時約束和保證性能，必須分析網(wǎng)絡流量的優(yōu)化和設備控制器的設計。影響控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)性能指標包括訪問延遲、傳輸時間、響應時間、消息延遲、消息沖突(比例的沖突),消息吞吐量(比例的數(shù)據(jù)包丟棄),數(shù)據(jù)包大小、網(wǎng)絡利用率和設定帶寬。對于控制系統(tǒng)，待選的控制網(wǎng)絡一般必須滿足兩個標準：有界時滯和傳輸保證；也就是，一條消息必須在有界時滯的情況下成功傳輸。例如，傳感器到致動器不成功的傳輸或大的延時的信息可能降低系統(tǒng)性能或造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。幾個協(xié)議的擬定必須滿足這些控制系統(tǒng)的要求。他們包括以太網(wǎng)（IEEE 802.3：CSMA/CD），令牌總線（IEEE 8

6、02.4）,令牌環(huán)網(wǎng)（IEEE 802.5）,和控制器局域網(wǎng)（CSMA/AMP）.典型的控制系統(tǒng)都是基于兩個介質(zhì)訪問協(xié)議之一的：控制器局域網(wǎng)，被智能分布系統(tǒng)（SDS），設備網(wǎng)利用，和控制器局域網(wǎng)界限；和令牌環(huán)網(wǎng)或者令牌總線，應用在現(xiàn)場總線（PROIFIBUS）10,生產(chǎn)自動化協(xié)議（MAP）11，控制網(wǎng)12,光纖式數(shù)據(jù)接口（FDDI）13。 控制網(wǎng)絡基礎在這個部分，我們討論三個備選控制網(wǎng)絡的MAC子層協(xié)議：以太控制網(wǎng)（令牌總線網(wǎng)），和設備網(wǎng)（控制器局域網(wǎng)）。（考慮到以太網(wǎng)不完全是解決協(xié)議而只是一個MAC子層定義，然而，控制網(wǎng)和設備網(wǎng)是完全的解決協(xié)議。根據(jù)當下流行的用法，我們用詞條“以太網(wǎng)”來指代

7、基于以太網(wǎng)的完全協(xié)議。）MAC子層協(xié)議，也就是描述獲得網(wǎng)絡訪問權(quán)限的協(xié)議，必須滿足網(wǎng)絡嚴格時限/真是時間響應，以及滿足各節(jié)點之間傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性14.因此我們的討論和對比集中在MAC子層協(xié)議上。以太網(wǎng)（CSMA/CD）以太網(wǎng)用CSMA/CD機制來解決傳輸媒介的連接。CSMA/CD協(xié)議被歸類于IEEE 802.3網(wǎng)絡標準，在15-17中簡略描述。當一個節(jié)點想要傳輸，它收聽網(wǎng)絡。如果網(wǎng)絡忙，他就一直等到網(wǎng)絡閑置；否者它就會立即傳輸。如果兩個或者更多的節(jié)點收聽閑置網(wǎng)絡并且決定同時傳輸，這些節(jié)點的消息和消息就會發(fā)生沖突。而當傳輸?shù)臅r候，節(jié)點也必須注意消息沖突。一旦察覺到兩個或多個節(jié)點的消息沖突，一個

8、節(jié)點的傳輸立即停止然后等待一個隨機長度的時間延遲傳輸。這個延遲時間的長度取決于標準二進制指數(shù)后退(BEB)算法：之前的時間再次嘗試是隨機選擇介于0和(2i-1)段時間,在那里i表示第i沖突事件檢測節(jié)點和一個段時間是最小往返傳輸所需時間。然而，經(jīng)過10次沖突之后,間隔的最大值被固定在1023。在16次消息沖突后，節(jié)點停止嘗試傳輸并返回失敗信息給節(jié)點微處理器。進一步的恢復會在高一層嘗試17。以太網(wǎng)的構(gòu)架形式在表17和18?？偣蚕?6字節(jié)。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)尺寸在46字節(jié)到1500字節(jié)之間。目的地址到校驗和（72字節(jié)，包括序言和開始分隔符）之間有一個非零的最小數(shù)據(jù)規(guī)模的要求,因為標準規(guī)定的有效幀必須至少6

9、4個字節(jié)長。如果數(shù)據(jù)部分的一個幀像是少于46字節(jié)，那字段是用來填寫框到最小值。用這個最小值限制有兩個理由。第一。這使得可用的“垃圾”幀像容易識別。當一個收發(fā)器檢測到?jīng)_突,它將縮短當前幀,這意味著流浪零碎的幀頻繁出現(xiàn)在線路中。第二，它可以防止一個節(jié)點在第一位已達到盡頭電纜前完成短幀傳輸,它可能會沖突與另一個幀像。對于一個10Mb/s且最大長度是2500m和四個中繼器的以太網(wǎng)，最小幀像周期或時槽間隔是51.2微秒，這個時間是在10Mb/s中傳輸64字節(jié)17。優(yōu)點：因為低的介質(zhì)訪問消耗，以太網(wǎng)用一個簡單操作算法和一個幾乎無延時的低的網(wǎng)絡載入11。相比于令牌總線和令牌環(huán)網(wǎng)沒有傳輸帶寬。以太網(wǎng)就像控制網(wǎng)

10、常用的10Mb/s的標準（e.g.,Modbus/TCP）;高速（100Mb/s甚至1Gb/s）以太網(wǎng)主要應用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡17,22.缺點：以太網(wǎng)是一個非確定性的協(xié)議且不支持任何信息優(yōu)化的。在搞網(wǎng)絡負載的情況下，信息沖突是一個主要的問題因為它們大大的影響數(shù)據(jù)吞吐量和也許不受限制的時間延時11,20。以太網(wǎng)俘獲效應存在一標準BEB算法，這種情況下，節(jié)點傳送時間是固定的長時間，不管其他節(jié)點的介質(zhì)訪問，造成不公平，導致大量的性能退化21。基于BEB算法，消息可能會在多次沖突中被丟棄；因此，點對點傳輸不會得到保證。因為必須的最小可用幀尺寸，以太網(wǎng)用一個大的信息長度去傳輸小量的數(shù)據(jù)。在控制段提出各個解決方

11、法。例如，每一條信息可以在傳輸之前被時間標記。然而，這就要求時鐘同步，顯然，不好實現(xiàn)，特別是這種類型的網(wǎng)絡22?；贑AMA/CD協(xié)議的確定性傳輸延遲的數(shù)據(jù)包的各種方案的結(jié)果是對于所有數(shù)據(jù)包的上限延遲。然而，這是一低級性能的代價實現(xiàn)的，且中度信道延遲吞吐量利用率低14。別的解決方法也試著優(yōu)化CAMA/CD來提高對關(guān)鍵信息包的響應23。利用交換式以太網(wǎng)，細分網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體系是另一種提高它的效率的方法17?？刂凭W(wǎng)（令牌總線）MAP，PROFIBUS，和控制網(wǎng)是典型的令牌總線控制網(wǎng)絡。這些是確定的網(wǎng)絡因為在傳輸信息之前的最大等待時間是以令牌循環(huán)時間為特征的。令牌總線協(xié)議（IEEE 802.4）允許直線型

12、的，多支路型的，樹形的或者是分段的優(yōu)化11。每一個令牌總線的節(jié)點都被合理的排成一個環(huán)，而且，在控制網(wǎng)的情況下，每一個節(jié)點都知道它們的接受節(jié)點以及發(fā)送結(jié)果。在網(wǎng)絡操作期間，使用令牌的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)幀直到它運行的數(shù)據(jù)幀傳輸和它待傳的數(shù)據(jù)幀達到極限。然后重新生成數(shù)據(jù)節(jié)點和傳送到網(wǎng)絡邏輯上的下一任節(jié)點。如果一個節(jié)點沒有數(shù)據(jù)傳送，它就僅僅是到下一任節(jié)點。物理位置的下一任節(jié)點并不重要，因為令牌被發(fā)送到邏輯上的相鄰節(jié)點。沖突的數(shù)據(jù)幀不可能發(fā)生，因為只有一個節(jié)點可以一次發(fā)送。協(xié)議也保證了每個節(jié)點之間網(wǎng)絡訪問的最長時間，如果持有令牌的節(jié)點停止傳輸或者不傳遞令牌給它下一任節(jié)點，協(xié)議可以規(guī)定重新生成令牌。節(jié)點也可以動

13、態(tài)添加到總線，也可以請求從邏輯環(huán)被刪除?？刂凭W(wǎng)的消息幀格式在圖2中顯示12?？偣蚕?字節(jié)，包括序言，開始分隔符，MAC源身份，循環(huán)冗余校驗（CEC），和結(jié)束定界符。數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)幀，即協(xié)調(diào)幀或鏈接幀，可能包括幾個協(xié)調(diào)幀，包含長度，控制標簽，數(shù)據(jù)碼，和一個介于0到500字節(jié)的獨立目標地址。字段指定大小的字節(jié)對（3到255字節(jié)）包含在一個單獨的協(xié)調(diào)幀。每個字節(jié)對必須包括尺寸，控制標簽，和鏈接數(shù)據(jù)字段?？刂凭W(wǎng)采用隱式的令牌傳送機制，給每一個節(jié)點分配一個獨一無二的MAC ID（1到99字節(jié)）。在一般的令牌傳送總線，節(jié)點于令牌可以發(fā)送數(shù)據(jù)；然而，在網(wǎng)絡中并沒有真正的令牌傳輸。取而代之的是，每個節(jié)點監(jiān)控每

14、一個消息幀收到的MAC ID源。在在消息幀的末端，每一個節(jié)點設置一個“隱性標記寄存器”到源MAC ID+1.如果隱性寄存器標記等于節(jié)點自己的MAC ID，這個節(jié)點可能真在傳送數(shù)據(jù)。在隱式寄存器中，所有的節(jié)點具有相同的價值，防止介質(zhì)沖突。如果一個節(jié)點沒有數(shù)據(jù)來傳送，它只發(fā)送一個空的協(xié)調(diào)幀字段，稱為空字符。一個周期的長度，在控制網(wǎng)中稱為網(wǎng)絡更新時間（NUT）或者一般叫做令牌傳遞時間（TRT），被分為三個主要的部分；預定的，非預定的，和保護頻帶，就像圖3中展示的那樣。在預定部分的網(wǎng)絡更新時間，每一個節(jié)點可以通過獲得從0到S隱性標記傳送失效性的預定的數(shù)據(jù)。在非預定部分的網(wǎng)絡更新時間，節(jié)點0到U分享發(fā)送

15、無時效性數(shù)據(jù)在一個循環(huán)的方式直到非預定的時間過期。當保護頻帶的時間到達，所有節(jié)點停止傳送，且，只有最低的MAC ID節(jié)點，稱為“調(diào)節(jié)器”可以一傳輸一個維護消息，稱為“調(diào)節(jié)幀”，它實現(xiàn)了所有每個節(jié)點計時器的同步和關(guān)鍵鏈接參數(shù)的導出，如網(wǎng)絡更新時間，節(jié)點時間，是，S，U等等。如果調(diào)節(jié)幀不是接收到兩個連續(xù)的網(wǎng)絡更新時間，最低MAC ID的節(jié)點就會在頻帶的第三個網(wǎng)絡更新時間開始發(fā)送調(diào)節(jié)幀。而且，如果一個調(diào)節(jié)節(jié)點知道其他節(jié)點的MAC ID比它更低，它會立即取消它的調(diào)節(jié)角色。優(yōu)點：令牌總線網(wǎng)是一個確定性的協(xié)議，在高速網(wǎng)絡負荷下它提供了卓越的吞吐能力和效率11,14。在網(wǎng)絡操作的過程中，令牌總線網(wǎng)可以從網(wǎng)絡

16、中動態(tài)的添加節(jié)點或者移動節(jié)點。這與令牌環(huán)路的情況不同，令牌環(huán)網(wǎng)的節(jié)點在物理上組成一個環(huán)且不能被添加和動態(tài)的移動11。在每一個NUT中預定的和非預定的分塊使得控制網(wǎng)適合時效性和無時效的信息。缺點：雖然令牌總線協(xié)議在高負荷網(wǎng)絡中是高效的和確定性的，但是在低通道傳送中，它的性能不能匹配。大體上，當在一個邏輯環(huán)上有大量節(jié)點時，低流量時網(wǎng)絡中的大部分時間是在各個節(jié)點之間傳送令牌14。設備網(wǎng)（CAN總線）CAN是一個連續(xù)傳送的協(xié)議被廣泛應用于自動化工業(yè)，但在高時效要求的工業(yè)也有較好的性能。CAN協(xié)議在短消息的傳送中表現(xiàn)卓越，且用CSMA來確定訪問的優(yōu)先級（CMSA/AMP）。因此這個協(xié)議是面向消息的，且每

17、條消息都有具體的優(yōu)先級，在消息同時傳輸時被用于判斷對總線的訪問。比特流的傳輸在起始位置同步，判斷是執(zhí)行下面的消息標識符，其中邏輯0優(yōu)先于邏輯1。一個節(jié)點想要傳送消息要等到總線閑置然后一個字節(jié)一個字節(jié)的發(fā)送消息標識符。傳送過程的消息沖突通過在判斷過程中的位判斷段，這是最初每個幀的一部分。因此，如果兩臺設備想在同一時間傳送消息，他們必須先傳送消息幀然后監(jiān)聽總線。如果它們其中的一個收到與它發(fā)送的消息不同時，它們就失去發(fā)送消息的權(quán)利，另一個就獲得了發(fā)送的權(quán)利。通過這個方法，一個進行中嘚傳送就不會被中止。在CAN總線的網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時用消息幀，它攜帶者一個傳輸節(jié)點到另一個甚至多個節(jié)點的接收節(jié)點

18、的消息。傳輸數(shù)據(jù)不一定包含源節(jié)點或目的節(jié)點的信息。取而代之的是，每一條消息都被在網(wǎng)絡中獨一無二的標識符標記。所有網(wǎng)絡中其他的節(jié)點接受或者拒絕消息取決于過濾器標識的配置。這種方式的操作被稱為多點傳送。設備網(wǎng)是一個設備與網(wǎng)絡直接連的相對低成本的傳輸。設備網(wǎng)的分類是基于CAN（只有11比特標識符）與一個額外的應用程序和物理層規(guī)范9,19。CAN 協(xié)議支持兩種信息幀形式：CAN標準（版本2.0A，11比特標識符）和擴展的CAN（版本2.0B，29比特標識符）?？刂凭W(wǎng)幀形式顯示于圖4中19?？偣蚕?7比特，其中包括開頭幀（SOF），判別（11比特標識符），控制，CEC，確認（ACK），結(jié)束幀（EOF）

19、間歇（INF）字段。一個數(shù)據(jù)字段的大小介于0到8字節(jié)。設備網(wǎng)協(xié)議使用判別段提供源地址和目的地址以及消息優(yōu)先級。優(yōu)點：CAN是一個確定性的協(xié)議，在短消息的傳送中有獨特的優(yōu)勢。消息的優(yōu)先級根據(jù)判別段分類。在判別中高優(yōu)先級的消息總是獲得對介質(zhì)的訪問權(quán)限。因此，依賴于高優(yōu)先級的傳輸信息可以得到保證。缺點：相比于其他網(wǎng)絡，CAN主要的缺點是低數(shù)據(jù)率（最大500Kb/s）。因此吞吐比其他網(wǎng)絡受到限制。CAN位同步的要求也限制了最大長度。CAN也不適合傳送大容量的數(shù)據(jù)。雖然它支持數(shù)據(jù)超過8個字節(jié)的分塊數(shù)據(jù)。比較分析三個控制網(wǎng)絡三個控制網(wǎng)絡的典型特征以太網(wǎng)，控制網(wǎng)和設備網(wǎng)在圖5和6中進行了對比。這些參數(shù)所用的數(shù)據(jù)在表一。就像圖5中那樣，設備網(wǎng)的傳輸時間比其他的長因為低數(shù)據(jù)（500Kb/s）。以太網(wǎng)在較大的數(shù)據(jù)（>20比特）傳輸中需要較少的傳輸時間相比于其他。盡管控制網(wǎng)使用更少的時間來傳輸相同大小的小數(shù)據(jù)，但它需要一定的時間（NUT）來訪問網(wǎng)絡。圖6展示三個控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)大小的數(shù)據(jù)編碼效率對比。數(shù)據(jù)編碼被定義為數(shù)據(jù)大小和消息的大小的比值（即用于傳輸數(shù)據(jù)的總的字節(jié)）。對于小的數(shù)據(jù)，設備網(wǎng)是三者之間的最佳選擇，而以太網(wǎng)是最差選擇。對于較大數(shù)據(jù)，控制網(wǎng)和以太網(wǎng)要優(yōu)于設備網(wǎng)（對于大數(shù)據(jù)的傳