工业以太网传输延时特性分析(1)

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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果工业以太网传输延时特性分析(1)摘要目前以太网在工业网络控制系统中已得到广泛应用，这里通过对其MAC子层控制方式的数据传输模型分析，从考虑实际各节点之间差异性的角度，结合工业网络的特性要求，提出了一种分析网络控制系统的方法和思路，推导出了一些对分析和设计网络控制系统有一定指导意义的计算公式，并用仿真试验加以验证。关键词以太网　CSMA/CD　模型　延时随着计算机、通信

2、、网络等信息技术的发展，现场总线的出现适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向；但是现场总线技术在其发展过程中存在许多不足，由于以太网在MAC层采用CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)的媒体访问机制，各节点采用P-坚持二进制指数后退算法处理冲突，因此具有通信延时不确定的缺陷，成为它在工业实时控制应用中的主要障碍。因此本文针对目前应用最广泛的以太网技术，通过分析其MAC子层的CSMA/CD协议模型，考虑实际各节点

3、的之间的差异性，建立相应的数学模型，并对其进行了数学分析。1协议模型由于ISO/OSI对通信协议模型底三层的网络拓扑、传输介质、MAC方式等都已有明确的定义，因此网络控制系统参照ISO/OSI模型，结合实际控制系统的需要进行了一定的简化。课题份量和难易程度要恰当，博士生能在二年内作出结果，硕士生能在一年内作出结果，特别是对实验条件等要有恰当的估计。从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果从信息发送数据到信息

4、接收之间的全部通信延时，称为端到端的通信延时。主要包括下面几个因素：①排队延时：从信息进入排队队列，到此信息获取通信网络所需的时间。②发送延时：从信息的第一个字节开始发送到信息最后一个字节发送结束所需的时间。③传输延时：信息在现场设备间传输所需的时间。在本文中用，，分别表示排队延时，发送延时，传输延时。一般而言，随不同的MAC子层协议变化较大，各网络控制系统的时间延时也主要表现在MAC子层的排队延时上，而其他的延时时间由网络本身的硬件和软件决定，其值为确定的[1]。因此分析出影响排队延时的因素，通过

5、减小必将有利于提高整个网络控制系统的传输性能。2数学模型分析由于信道的传输延时，所以CSMA/CD方式仍然存在冲突的可能。在一次冲突之后，时间被分成离散得时槽，其长度等于最差情况下在以太介质上往返传播所需要的时间。为了达到以太介质所允许的最长路径，时槽的长度被设置为512位时间，即。若tn时刻A节点检测到信道空闲发送数据，见图1，但是要经过一个信道传输延时τ才能被B节点检测到，所以B节点在t1时刻完全可能因为检测不到信道载波而发送数据。这种情况冲突就必然产生了，也就产生了争用期，即排队延时。分析整个

6、冲突过程就可以导出争用期的大小。图1显示了两种极端的情况。左图是A、B节点同时发送数据，在t1两节点都检测到冲突，同时停止数据发送和各自发送一个周期为Ti的加强干扰信号，课题份量和难易程度要恰当，博士生能在二年内作出结果，硕士生能在一年内作出结果，特别是对实验条件等要有恰当的估计。从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果t2时刻各自传送到对方。争用期等于。图中右图是A节点在t4时发送数据，在一个信道传输延时

7、τ后的t5，B节点刚好发送数据，又马上检测到A节点数据的冲突，即时停止数据发送，并且发送一个周期为Ti的加强干扰信号，t6传送到A节点。A节点停止发送数据也发送一个周期为Ti的加强干扰信号。t7传送到B节点，并延续到t8，争用期等于。显然，最大争用期等于，最小争用期为。3数学模型建立一次争用期的平均时间假设各节点数据帧到达过程服从Poisson分布，其到达率用表示。由排队论可知，Poisson分布的数据帧到达时间的间隔服从负指数分布，其概率密度函数为：设为最先发生冲突的两个数据帧开始发送的时间差，则

8、在时间间隔内有数据帧到达的概率为：Z的分布函数为：则Z的平均值则信道的一次争用期T可表示为：3.争用期的平均个数当节点发送数据不成功时，就出现一个争用期，实际的状况是若干个争用期后跟着一个成功的发送，为了保证系统的稳定性，一般对数据帧发送次数进行一定的限制，当重发次数超过16次后就不再重发，而放弃此数据帧。假设W为某个节点的数据帧发送的成功概率；网络系统为均匀状态，节点发送的概率均为p，节点个数为N，某个节点的数据帧发送成功概率为：当有N个节点时，要使得每个节点成功发