工業(yè)以太網(wǎng)中層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

現(xiàn)在市場(chǎng)上工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)生了幾十種方案，卻沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialEthemet)成為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流方向，傳統(tǒng)以太網(wǎng)具有傳輸速度高、造價(jià)低、易于安裝和兼容性好等優(yōu)勢(shì)，在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用．但它采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)／沖突檢測(cè)(CSMA／CD)方式，在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生延滯，具有“不確定性”．工業(yè)以太網(wǎng)通過(guò)增加信道帶寬、采用全雙工通信、設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)文優(yōu)先級(jí)等方法改善了網(wǎng)絡(luò)性能．其中還有很重要的一項(xiàng)措施就是采用層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)網(wǎng)段，使得網(wǎng)絡(luò)碰撞概率下降，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的確定性和實(shí)時(shí)性。

網(wǎng)絡(luò)分段技術(shù)有硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩種實(shí)現(xiàn)方式．典型的硬件技術(shù)是采用以太網(wǎng)交換機(jī)或集線器將網(wǎng)絡(luò)劃分成更小的網(wǎng)段．交換機(jī)可對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行，而不需經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)．典型的軟件技術(shù)是將CSMA／CD協(xié)議改進(jìn)成一種Token-CSMA／CD混合控制協(xié)議．在輕負(fù)荷時(shí)，采用CSMA／CD協(xié)議，在重負(fù)荷時(shí)，采用總線優(yōu)先級(jí)輪循Token Bus方式(高級(jí)別的總線傳輸優(yōu)先級(jí)，類似于Token Bus協(xié)議中的令牌，在各節(jié)點(diǎn)之間輪循傳遞)．這兩種方法都是基于“網(wǎng)絡(luò)分級(jí)”思想，由數(shù)級(jí)網(wǎng)絡(luò)迭代而成的網(wǎng)絡(luò)稱為層次拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

層次拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)太復(fù)雜，技術(shù)的合理性還沒(méi)有嚴(yán)格的理論證明．而且這種方案也存在一些“副作用”，它的不確定性從本質(zhì)上仍未得到解決，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該使用單總線結(jié)構(gòu)還是使用層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要視具體情況而定．本文借助數(shù)學(xué)方法著重從理論角度分析了層次拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)與原來(lái)的單總線網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣，分析了它們的適用場(chǎng)合。

1 網(wǎng)絡(luò)模型的建立與分析

1．1 模型假設(shè)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，分析起來(lái)非常困難，為了簡(jiǎn)化模型，在分析兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能時(shí)，采用如下假設(shè)：

1)每個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)數(shù)目都為N，在網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)數(shù)小于N時(shí)網(wǎng)絡(luò)能正常運(yùn)行。

2)每個(gè)站對(duì)載波的偵聽(tīng)是瞬間完成的，即不引入收發(fā)切換時(shí)延，也不考慮外來(lái)噪音干擾。

3)空閑用戶在每一個(gè)時(shí)隙內(nèi)以概率P產(chǎn)生新的消息，每一消息所含的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度服從幾何分布。

4)碰撞沖突的分組將在后面的某一時(shí)刻重傳，重傳的分組對(duì)信道的到達(dá)過(guò)程沒(méi)有影響。

1．2 模型建立

本文構(gòu)造了一種理想模型——，．級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型．這是一種深度為，．的“滿N叉樹(shù)”模型，N為某個(gè)特定的常數(shù)，是網(wǎng)段微化后每個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)．所謂“滿』V叉樹(shù)”是指除葉子節(jié)點(diǎn)(度為0的節(jié)點(diǎn))外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有N棵子樹(shù)的樹(shù)型結(jié)構(gòu)，即分支節(jié)點(diǎn)(度不為0的節(jié)點(diǎn)稱為分支節(jié)點(diǎn))的度為N的樹(shù)．圖l就是一棵級(jí)數(shù)為3的滿三叉樹(shù)。

已經(jīng)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)分段后每個(gè)網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)都為N，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，z小于N時(shí)沖突概率極小，網(wǎng)絡(luò)處于實(shí)時(shí)活躍狀態(tài)，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信應(yīng)用的要求。

圖1 級(jí)數(shù)為3的滿三叉樹(shù)

利用r級(jí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型就把現(xiàn)場(chǎng)總線中雜亂無(wú)章的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)抽象成了一種有序的樹(shù)形結(jié)構(gòu)．這種樹(shù)形結(jié)構(gòu)符合層次拓?fù)涞囊?guī)律，跟現(xiàn)實(shí)中的情況在一定程度上吻合，具有說(shuō)服性．同時(shí)它還具有一些規(guī)范的數(shù)學(xué)性質(zhì)，簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)分析的難度，例如：