控制网络的性能评估以太网控制网以及设备网.doc

南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)外文资料翻译学院（系）： 自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 刘丹 学 号： 0908190137 (用外文写)外文出处： IEEE Control Systems M agazine 附 件： 1.外文资料翻译译文2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文控制网络的性能评估：以太网，控制网，以及设备网Feng-Li Lian, James R. Moyne, and Dawn M. Tilbury引言：控制系统的传统通信体系结构是点对点的，在工业上已经成功应用了几十年。然而，日益扩张的物理设备和网络显示出点对点体系的局限性。因此，一个传统的发散式的点对点控制系统不再满足新的需求，比如说：模块化，分散控制，综合诊断，快捷维护和低成本1。拥有公共总线的网络系统被称为网络控制系统（NCS），它有几个优点，如布线体积小和分布式处理。特别是对制造系统，NCS架构的处理能力可以利用每个节点容许模块化和标准接口的互换性以及互操作性。基于对象模型单独的通用设备,设备类型具体由生产商的特殊用户的功能决定。许多不同的网络结构被应用在控制系统。本文中，我们将比较其中的三种：以太网总线（CSMA/CD），令牌环总线(e.g., ControlNet)，控制器局域网总线(e.g., DeviceNet)。我们将考虑每种控制网络怎么被应用为一个网络控制系统的通信主干，连接传感器，致动器和控制器。我们将详细讨论每一种网络的介质访问控制（MAC）的子层协议。对于每一种协议，我们学习相应网络应用于控制情形的关键参数，包括网络应用，预期时间延迟的幅度和时间延迟的特点。不同情形下的模拟结果将被展示，并总结每一种网络的优缺点。性能指标：分布式系统包含大量的互联设备一起执行所需的操作，应用于很多领域。例子包括工业自动化、楼宇自动化、办公室和家庭自动化,智能车辆系统和先进的飞机和航天器2 - 6。根据不同的信息交换数据网络或控制网络可能被使用。数据网络的特点是大数据包，相对少的猝发性传播和高数据率。他们一般不会有严格的真实时间约束。控制网络，正相反，必须在一个相对较大的组节点穿梭无数小而多的数据包来满足要求的时效性。区分控制网络和数据网络的关键元素是满足实时和时效性要求高应用的能力7。一个网络控制系统，决策和控制功能(包括信号处理)可以分布在网络上的控制器。然而，当设计一个网络控制系统，一个新的约束条件必须满足要求有线宽带的通信网络。有效带宽的网络被定义为最大数量的有意义的数据,可以将单位时间传输,不包括标题、填充、填料等，网络带宽等于原始比特每单位时间传输的数量。四个因素会影响网络带宽的可用性：网络中各种通信设备的采样率，需要同步操作的元素的数量，数据或消息大小的信息，以及控制信息传输的介质访问子成协议8。因此，为了实现网络控制系统定时约束和保证性能，必须分析网络流量的优化和设备控制器的设计。影响控制系统的网络系统性能指标包括访问延迟、传输时间、响应时间、消息延迟、消息冲突(比例的冲突),消息吞吐量(比例的数据包丢弃),数据包大小、网络利用率和设定带宽。对于控制系统，待选的控制网络一般必须满足两个标准：有界时滞和传输保证；也就是，一条消息必须在有界时滞的情况下成功传输。例如，传感器到致动器不成功的传输或大的延时的信息可能降低系统性能或造成系统的不稳定。几个协议的拟定必须满足这些控制系统的要求。他们包括以太网（IEEE 802.3：CSMA/CD），令牌总线（IEEE 802.4）,令牌环网（IEEE 802.5）,和控制器局域网（CSMA/AMP）.典型的控制系统都是基于两个介质访问协议之一的：控制器局域网，被智能分布系统（SDS），设备网利用，和控制器局域网界限；和令牌环网或者令牌总线，应用在现场总线（PROIFIBUS）10,生产自动化协议（MAP）11，控制网12,光纤式数据接口（FDDI）13。 控制网络基础在这个部分，我们讨论三个备选控制网络的MAC子层协议：以太控制网（令牌总线网），和设备网（控制器局域网）。（考虑到以太网不完全是解决协议而只是一个MAC子层定义，然而，控制网和设备网是完全的解决协议。根据当下流行的用法，我们用词条“以太网”来指代基于以太网的完全协议。）MAC子层协议，也就是描述获得网络访问权限的协议，必须满足网络严格时限/真是时间响应，以及满足各节点之间传输的质量和稳定性14.因此我们的讨论和对比集中在MAC子层协议上。以太网（CSMA/CD）以太网用CSMA/CD机制来解决传输媒介的连接。CSMA/CD协议被归类于IEEE 802.3网络标准，在15-17中简略描述。当一个节点想要传输，它收听网络。如果网络忙，他就一直等到网络闲置；否者它就会立即传输。如果两个或者更多的节点收听闲置网络并且决定同时传输，这些节点的消息和消息就会发生冲突。而当传输的时候，节点也必须注意消息冲突。一旦察觉到两个或多个节点的消息冲突，一个节点的传输立即停止然后等待一个随机长度的时间延迟传输。这个延迟时间的长度取决于标准二进制指数后退(BEB)算法：之前的时间再次尝试是随机选择介于0和(2i-1)段时间,在那里i表示第i冲突事件检测节点和一个段时间是最小往返传输所需时间。然而，经过10次冲突之后,间隔的最大值被固定在1023。在16次消息冲突后，节点停止尝试传输并返回失败信息给节点微处理器。进一步的恢复会在高一层尝试17。以太网的构架形式在表17和18。总共消耗26字节。数据包结构尺寸在46字节到1500字节之间。目的地址到校验和（72字节，包括序言和开始分隔符）之间有一个非零的最小数据规模的要求,因为标准规定的有效帧必须至少64个字节长。如果数据部分的一个帧像是少于46字节，那字段是用来填写框到最小值。用这个最小值限制有两个理由。第一。这使得可用的“垃圾”帧像容易识别。当一个收发器检测到冲突,它将缩短当前帧,这意味着流浪零碎的帧频繁出现在线路中。第二，它可以防止一个节点在第一位已达到尽头电缆前完成短帧传输,它可能会冲突与另一个帧像。对于一个10Mb/s且最大长度是2500m和四个中继器的以太网，最小帧像周期或时槽间隔是51.2微秒，这个时间是在10Mb/s中传输64字节17。优点：因为低的介质访问消耗，以太网用一个简单操作算法和一个几乎无延时的低的网络载入11。相比于令牌总线和令牌环网没有传输带宽。以太网就像控制网常用的10Mb/s的标准（e.g.,Modbus/TCP）;高速（100Mb/s甚至1Gb/s）以太网主要应用于数据网络17,22.缺点：以太网是一个非确定性的协议且不支持任何信息优化的。在搞网络负载的情况下，信息冲突是一个主要的问题因为它们大大的影响数据吞吐量和也许不受限制的时间延时11,20。以太网俘获效应存在一标准BEB算法，这种情况下，节点传送时间是固定的长时间，不管其他节点的介质访问，造成不公平，导致大量的性能退化21。基于BEB算法，消息可能会在多次冲突中被丢弃；因此，点对点传输不会得到保证。因为必须的最小可用帧尺寸，以太网用一个大的信息长度去传输小量的数据。在控制段提出各个解决方法。例如，每一条信息可以在传输之前被时间标记。然而，这就要求时钟同步，显然，不好实现，特别是这种类型的网络22。基于CAMA/CD协议的确定性传输延迟的数据包的各种方案的结果是对于所有数据包的上限延迟。然而，这是一低级性能的代价实现的，且中度信道延迟吞吐量利用率低14。别的解决方法也试着优化CAMA/CD来提高对关键信息包的响应23。利用交换式以太网，细分网络结构体系是另一种提高它的效率的方法17。控制网（令牌总线）MAP，PROFIBUS，和控制网是典型的令牌总线控制网络。这些是确定的网络因为在传输信息之前的最大等待时间是以令牌循环时间为特征的。令牌总线协议（IEEE 802.4）允许直线型的，多支路型的，树形的或者是分段的优化11。每一个令牌总线的节点都被合理的排成一个环，而且，在控制网的情况下，每一个节点都知道它们的接受节点以及发送结果。在网络操作期间，使用令牌的节点传送数据帧直到它运行的数据帧传输和它待传的数据帧达到极限。然后重新生成数据节点和传送到网络逻辑上的下一任节点。如果一个节点没有数据传送，它就仅仅是到下一任节点。物理位置的下一任节点并不重要，因为令牌被发送到逻辑上的相邻节点。冲突的数据帧不可能发生，因为只有一个节点可以一次发送。协议也保证了每个节点之间网络访问的最长时间，如果持有令牌的节点停止传输或者不传递令牌给它下一任节点，协议可以规定重新生成令牌。节点也可以动态添加到总线，也可以请求从逻辑环被删除。控制网的消息帧格式在图2中显示12。总共消耗7字节，包括序言，开始分隔符，MAC源身份，循环冗余校验（CEC），和结束定界符。数据包的数据帧，即协调帧或链接帧，可能包括几个协调帧，包含长度，控制标签，数据码，和一个介于0到500字节的独立目标地址。字段指定大小的字节对（3到255字节）包含在一个单独的协调帧。每个字节对必须包括尺寸，控制标签，和链接数据字段。控制网采用隐式的令牌传送机制，给每一个节点分配一个独一无二的MAC ID（1到99字节）。在一般的令牌传送总线，节点于令牌可以发送数据；然而，在网络中并没有真正的令牌传输。取而代之的是，每个节点监控每一个消息帧收到的MAC ID源。在在消息帧的末端，每一个节点设置一个“隐性标记寄存器”到源MAC ID+1.如果隐性寄存器标记等于节点自己的MAC ID，这个节点可能真在传送数据。在隐式寄存器中，所有的节点具有相同的价值，防止介质冲突。如果一个节点没有数据来传送，它只发送一个空的协调帧字段，称为空字符。一个周期的长度，在控制网中称为网络更新时间（NUT）或者一般叫做令牌传递时间（TRT），被分为三个主要的部分；预定的，非预定的，和保护频带，就像图3中展示的那样。在预定部分的网络更新时间，每一个节点可以通过获得从0到S隐性标记传送失效性的预定的数据。在非预定部分的网络更新时间，节点0到U分享发送无时效性数据在一个循环的方式直到非预定的时间过期。当保护频带的时间到达，所有节点停止传送，且，只有最低的MAC ID节点，称为“调节器”可以一传输一个维护消息，称为“调节帧”，它实现了所有每个节点计时器的同步和关键链接参数的导出，如网络更新时间，节点时间，是，S，U等等。如果调节帧不是接收到两个连续的网络更新时间，最低MAC ID的节点就会在频带的第三个网络更新时间开始发送调节帧。而且，如果一个调节节点知道其他节点的MAC ID比它更低，它会立即取消它的调节角色。优点：令牌总线网是一个确定性的协议，在高速网络负荷下它提供了卓越的吞吐能力和效率11,14。在网络操作的过程中，令牌总线网可以从网络中动态的添加节点或者移动节点。这与令牌环路的情况不同，令牌环网的节点在物理上组成一个环且不能被添加和动态的移动11。在每一个NUT中预定的和非预定的分块使得控制网适合时效性和无时效的信息。缺点：虽然令牌总线协议在高负荷网络中是高效的和确定性的，但是在低通道传送中，它的性能不能匹配。大体上，当在一个逻辑环上有大量节点时，低流量时网络中的大部分时间是在各个节点之间传送令牌14。设备网（CAN总线）CAN是一个连续传送的协议被广泛应用于自动化工业，但在高时效要求的工业也有较好的性能。CAN协议在短消息的传送中表现卓越，且用CSMA来确定访问的优先级（CMSA/AMP）。因此这个协议是面向消息的，且每条消息都有具体的优先级，在消息同时传输时被用于判断对总线的访问。比特流的传输在起始位置同步，判断是执行下面的消息标识符，其中逻辑0优先于逻辑1。一个节点想要传送消息要等到总线闲置然后一个字节一个字节的发送消息标识符。传送过程的消息冲突通过在判断过程中的位判断段，这是最初每个帧的一部分。因此，如果两台设备想在同一时间传送消息，他们必须先传送消息帧然后监听总线。如果它们其中的一个收到与它发送的消息不同时，它们就失去发送消息的权利，另一个就获得了发送的权利。通过这个方法，一个进行中嘚传送就不会被中止。在CAN总线的网络中，数据的发送和接收时用消息帧，它携带者一个传输节点到另一个甚至多个节点的接收节点的消息。传输数据不一定包含源节点或目的节点的信息。取而代之的是，每一条消息都被在网络中独一无二的标识符标记。所有网络中其他的节点接受或者拒绝消息取决于过滤器标识的配置。这种方式的操作被称为多点传送。设备网是一个设备与网络直接连的相对低成本的传输。设备网的分类是基于CAN（只有11比特标识符）与一个额外的应用程序和物理层规范9,19。CAN 协议支持两种信息帧形式：CAN标准（版本2.0A，11比特标识符）和扩展的CAN（版本2.0B，29比特标识符）。控制网帧形式显示于图4中19。总共消耗47比特，其中包括开头帧（SOF），判别（11比特标识符），控制，CEC，确认（ACK），结束帧（EOF）间歇（INF）字段。一个数据字段的大小介于0到8字节。设备网协议使用判别段提供源地址和目的地址以及消息优先级。优点：CAN是一个确定性的协议，在短消息的传送中有独特的优势。消息的优先级根据判别段分类。在判别中高优先级的消息总是获得对介质的访问权限。因此，依赖于高优先级的传输信息可以得到保证。缺点：相比于其他网络，CAN主要的缺点是低数据率（最大500Kb/s）。因此吞吐比其他网络受到限制。CAN位同步的要求也限制了最大长度。CAN也不适合传送大容量的数据。虽然它支持数据超过8个字节的分块数据。比较分析三个控制网络三个控制网络的典型特征以太网，控制网和设备网在图5和6中进行了对比。这些参数所用的数据在表一。就像图5中那样，设备网的传输时间比其他的长因为低数据（500Kb/s）。以太网在较大的数据（20比特）传输中需要较少的传输时间相比于其他。尽管控制网使用更少的时间来传输相同大小的小数据，但它需要一定的时间（NUT）来访问网络。图6展示三个控制网络数据大小的数据编码效率对比。数据编码被定义为数据大小和消息的大小的比值（即用于传输数据的总的字节）。对于小的数据，设备网是三者之间的最佳选择，而以太网是最差选择。对于较大数据，控制网和以太网要优于设备网（对于大数据的传输