基于硬实时数据通信的二层交换机研究

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1、基于硬实时数据通信的二层交换机研究第一章绪论1.1工业自动化的发展历程上世纪50年代中后期，随着计算机技术的快速发展，计算机被引入控制系统取代了传统的模拟仪表，产生了第一代控制系统CCS(计算机集中控制系统）。在CCS中，计算机不仅能够完成对数据的处理操作，更主要的是可以运行复杂的控制算法，使用更加先进的控制技术，如PID等高级控制算，使自动化控制系统产生了质的飞跃。由于其结构简单，直接面向控制对象，并未形成网络体系。之后，随着生产过程的复杂化，软件方面的幵销开始急剧增大，通常一个PCU需要控制几十上百个回路，这就使

2、得系统的实时性、可靠性无法得到保证。经过人类的研究创造，第二代计算机控制系统，即DCS集散控制系统于上世纪七十年代问世，这是真正意义上的工业控制网络系统。DCS的特点是集中管理，分散控制，体现了分散化和分层化的控制思想。然而，DCS中许多现场仪表仍然沿用传统的4-20inA模拟信号，传输可靠性较差，成本高，不易数字化处理。DCS的机构是多级主从结构，系统中所有设备的通信都必须经过主机，这就加重了主机的负荷，降低了效率，而且一旦主机发生故障，整个系统就会瘫痪。DCS开发初期，各大厂商为了争夺市场，纷纷制定了自己的DCS

3、标准，各个标准协议的差异很大，极大的制约了系统的集成，阻碍了现代跨国公司的发展。.1.2以太网简介及其应用于工业领域的问题在现场总线技术广泛应用于工业控制领域的同时，在商用领域出现了商用局域网技术。在数十种商用局域网技术中，以太网技术以期优越的性能脱颖而出，并迅速占领办公自动化网络市场。以太网的原型是1975年美国Xerox公司的ALTO研究中心和Stanford大学合作研制的ALTOALOHA网络，以历史上用于表示传播电磁波的物质以太来命名。1980年9月，DEC、Intel和Xerox等3个公司合作制定了著名的蓝

4、皮书《以太网：数据链路层和物理层规范1.0版》，即DIX规范。DIX规范只涉及了OSI模型的数据链路层和物理层。20世纪80年代初期IEEE802委员会制定了IEEE802参考模型，1983年又以DIXEtherV2为基础，退出了载波监听多路访问/冲突检测介质访问控制技术的网络标准。以太网与IEEE802.3略有区别，但人们习惯将IEEE802.3成为以太网。70年代中期，TCP/IP高层通信协浙出现并将以太网作为其物理层和数据链路层的协议。近年来，由于Inter采用了以太网和TCP/IP协议并且得到广泛应用，人们把

5、以太网和TCP/IP协议组放在一起称为以太网技术。以太网支持多种传输介质，包括粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等。其最大优点是简单、经济，所以深受广大用户欢迎。最初的以太网主要针对网络只传输数据的特点，所以采用共享式，网络上所有节点具有相等的访问网络的机会。同时，采用CSMA/CD介质访问机制和坚持二进制指数后退算法处理冲突。CSMA/CD协议要求，信息包的发送权要通过竞争来获取：节点首先进行载波监听，如果信道忙碌，退避等待；退避结束，继续监听；只有在监听到信道空闲时才能向介质发送信息。退避时间是一个随机数，由二

6、进制指数退避算法决定。..第二章IEEE802.1P严格优先权协议分析2.1IEEE802.1P协议及其实时性分析IEEE802.1P严格优先权协议是基于流量优先级的控制标准，工作在媒体访问控制（MAC)子层（OSI参考模型第二层）。加入IEEE802.1P协议之后，二层交换机能够提供流量优先级和动态组播过滤服务。IEEE802.1P标准还提供了组播流量过滤功能，以确保该流量不超出第二层交换网络范围[24]。IEEE802.IP协议是ffiEE802.1Q协议标准的扩充，它们协同工作。IEEE802.1Q协议标准定义

7、了在MAC侦中添加的VLAN标签，VLAN标签分为两部分：12比特VLANID和3比特优先级。IEEE802.1QVLAN协议标准中没有定义和使用优先级字段，而IEEE802.1P中则定义了该字段。该字段支持将数据包分组为各种流量种类。IEEE极力推荐网络管理员使用这种流量控制种类，但它并不是强制性的。流量种类也可以定义为第二层服务质量（QoS)或服务类（CoS)，并且在网络适配器和交换机上实现，而不需要任何预留设置。IEEE802.1P流量被简单分类并发送至目的地，而没有带宽预留机制。IEEE802.1P中定义的优

8、先级有8种。最高优先级为7，应用于关键性网络流量，如伺服运动控制信息，报警信息等；优先级6和5主要用于延迟敏感(delay-sensitive)应用程序，如周期性实时数据，信息采集数据等；优先级4到1主要用于受控负载（controlled-load)应用程序，如流式多媒体和关键性业务流量（business-criticaltraffic);优先