工业控制网络的交换拓扑结构性能评价高压胶管

侯维岩1，邓记才2，S．Ruping3，费敏锐1

（1．上海大学机电工程与自动化学院，上海200072；2．郑州大学信息工程学院，河南郑州450051；3．Univ．Paderbrn，HNI，Germany）

1　引言工业以太网是在现场总线之后，结合以太网的优点而发展起来的，适合于工业控制的一种网络，它克服了现场总线的厂家标准繁多、速度低、不易与高层网络集成的缺点，是在工业控制网络领域中发丝钉展迅速伺服驱动器的一个研究方向。在工业控制环境要求下使用以太网技术（指IEEE的802．3协议）存在的一个主要问题是数据包传输的实时性要求难以保证［1］。为了保证数据传输时间的确定性，目前最广泛使用的方法是Switch技术，即将原来的总线式共享结构变为交换式独占结构［2］。工业控制环境中的数据除了要求可靠、传输实时性强以外，有两个特点：（1）数据包的长度较之办公商用距离短、且交换频率高。（2）每一个传感器、执行器都组成一个点，一个工业控制网络中散布的点数量较多。如图1—1所示的典型系统有一个服务器和N个数据采集点，各个点通过总线方式与Server间的通讯。Server与各个点间的一次信息交换通讯周期时间定义为Tc，它包括两个过程：①Server向下到一个点的请求或响应的数据传输；②由一个数据点向上的请求或响应的数据传输。

2　交换结构的引入交换机采用虚连接工作方式以提供大容量的动态交换带仁怀宽，克服了传统以太网中由于传输链路共享所造成的信道冲突，在全网络内形成点对点的连结［3］。因此用它代替传统的集线器、网桥和路由器后可较理想地满足工业控制对实时性的要求。结合图1—1的结构图可给出如图2—1所示的具有交换结构的理想工业控制网络示意图旋转吊钩。需注意的是：（1）每个设备连接一个交换器，使整个网络能形成一种点对点连接。（2）每个交换器工作于存储转发Store－and－forward方式。

由图2—1出发又推出基于环型和树型的两种不同拓扑结构，分别如图2—2和图2—3所示。

3　Tc的理论公式导出从Server到每个点的数据传输有两种方式：a：单方式（Unicast），向各个点发送单个的数据包，b：宏方式（Multicast）建立一个大的数据包，含有发往各点的所有数据，每点截获此包后将对应自己的数据“剥离”下来。为了方便下列公式的推导，假定：（1）使用快速以太网Fast Ethernet方式。（2）使用简单网络协议SNAP（Subnetwork Access Protocol）。（3）服务器的运算响应时间设为0。（4）不考虑数据的优先级。3．1　Unicast方式对Unicast方式可推知在以太网的一个网段上，发送一个数据包的时间为Tfu＝max｛h＋b；512｝·Tb＋Tg［4］其中：h＝802．3数据帧中的非用户数据的长度，包括控制码、地址码等数据域，等于8B；b＝要传送的用户数据（位）：Tb＝传送一个bit的时间0．01μs；Tg＝帧间间隙Inter Frame Gap，0．96μs［5］。在802．3协议中，64B≤每帧长度≤1518B，故最小的帧长度为512b。对总线型拓扑系统（如图2—1所示），服务器与一个数据点的通讯响应时间周期推导出：其中：N指网络中有N个点；Ts指在一个交换器中的数据包转发延迟时间，约4μs。注意：（1）最坏情况指该点处于图2—1中的最远点，即第N点处，与Server的通讯要经过N＋1个交换器。（2）由各个点向上发送一个数据包的时间也同样为Tfu。 对环型系统：Tc≤（N＋3）·Ts＋（N＋5）·Tfu（2—2） 对树型系统：Tc≤2 E·Ts＋2（E＋1）·Tfu（2—3）注意：（1）对环型系统而言，点的位置与Tc无关。（2）式（2—3）中的E为交换结构的层数，假定在最坏情况下使用双出口的Switch HUB，则E≤log2 N［6］。3．2　Multicast方式对Multicast方式，数据包从服务器发往各点的传输时间为：其中：h，b，Tg的含义同前，N为点数。所不同的是，由各个数据点发往Server的传输时间为西安白癜风医院
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