物流企業(yè)以太網(wǎng)的實時性能分析

摘要：實時性是影響以太網(wǎng)在物流企業(yè)應(yīng)用的最重要的限制因素，本文著重分析了傳統(tǒng)以太網(wǎng)缺陷和交換式以太網(wǎng)的實時性上的優(yōu)勢，交換式以太網(wǎng)可以滿足物流現(xiàn)場的控制要求，并用OPNET仿真軟件進行網(wǎng)絡(luò)仿真。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；實時性；OPNET

中圖分類號：F251 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-6432(2008)36-0079-02

Research on the Ethernet Real Time Performance ofLogistics Enterprise

Zhen Li1 Miao Bin2 Liu Ke1

(1.Hebei Software Vocational and Technical College;2.Hebei Software Vocational and Technical College， NorthChina Power University)

Abstract: Real-time Ethernet is the impact of enterpriseapplications in the logistics of the most important constraints;the paper will focus on analyzing the shortcomings oftraditional Ethernet and switched Ethernet real-time on theadvantages of switched Ethernet to meet the logistics of thescene control requirements. OPNET and used simulationsoftware to network simulation.

Key Words: Ethernet; real-time; OPNET

一、工業(yè)以太網(wǎng)是現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的結(jié)果

以太網(wǎng)基于CSMA/CD的訪問方式不能保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇_定性。以太網(wǎng)的實時性問題一直比較突出，商業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延遲一般為2～30m s，這在某些物流企業(yè)是無法忍受的。實驗表明，以太網(wǎng)的負(fù)荷在30%以下的時候?qū)崟r性較好，可以滿足大部分物流企業(yè)控制的要求。本文力求在理論的基礎(chǔ)上分析交換式以太網(wǎng)的實時性，并使用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進行驗證。

二、以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)

以太網(wǎng)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方法)進行訪問控制。CSMA/CD思想是在沖突引起的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加的情況下，使用退避算法解決通信沖突。但是在物流現(xiàn)場有些信息必須及時送達(dá)，這類信號無法容忍退避時間引起的延遲。交換式以太網(wǎng)的優(yōu)勢在于兩個方面：第一，交換式以太網(wǎng)的核心是交換機，可以降低單個網(wǎng)段的沖突，提高網(wǎng)絡(luò)實時性；第二，傳統(tǒng)基于H U B的以太網(wǎng)廣播引起的沖突非常明顯，而交換網(wǎng)絡(luò)不以廣播方式發(fā)送信息，降低了沖突次數(shù)。交換機一個典型技術(shù)是存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

三、交換式以太網(wǎng)的最大網(wǎng)絡(luò)延遲

1.以太網(wǎng)的最大網(wǎng)絡(luò)延遲

如果沒有沖突，網(wǎng)絡(luò)上端到下端延遲可以用下式表示:

(1)公式中為空閑狀態(tài)下總網(wǎng)絡(luò)延遲；為發(fā)送端發(fā)送過程延遲；為接收端接收過程延遲；PRO D 為發(fā)送端到交換機信號的線路延遲，它決定于發(fā)送端到Hu b之間的距離和傳輸速率，一般認(rèn)為電信號在電纜中傳輸1000米需要5μs；TD為幀傳輸延遲，決定于幀大小和傳輸速率之比。

可根據(jù)以太網(wǎng)二進制指數(shù)退避算法得出：

BOK D =( 2i #8722;1) s t (1≤i≤10) (2)

一般在第i次后退時的等待時隙為2i #8722;1，然后重新發(fā)送，如果幾個站點的等待時隙相同，則要繼續(xù)等待；當(dāng)達(dá)到第10次沖突后，時隙固定210-1=1023個等待時隙s t ，16次等待以后，即通告發(fā)送失敗； s t 為等待時隙，對于10M b p s的網(wǎng)絡(luò)，時隙即為傳輸512bit所需的時間，即51.2μs。

以太網(wǎng)的最大傳輸延遲在以下幾種情況出現(xiàn)：發(fā)生16次等待；退避時間為允許的最大時間間隔；源和目的站與交換機距離為最大允許值，對于10M b p s以太網(wǎng)而言為100 米。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的最大網(wǎng)絡(luò)延遲約為418.7m s，而一般實時系統(tǒng)要求的最大延遲為10m s，可見，傳統(tǒng)以太網(wǎng)并沒有達(dá)到要求。

2.交換式以太網(wǎng)的最大網(wǎng)絡(luò)延遲

確保以太網(wǎng)穩(wěn)定性有兩個重要前提：第一，以太網(wǎng)交換機的容量大于整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量；第二，單個站點的接收鏈路足夠接收所有傳送給此站點的數(shù)據(jù)幀。

當(dāng)發(fā)送到一個站點的數(shù)據(jù)幀達(dá)到最多時，交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延遲達(dá)到最大。以太網(wǎng)中幀的大小對延遲的影響也比較明顯，幀越小，傳輸相同數(shù)據(jù)要封裝的幀越多，假定控制系統(tǒng)的采樣時間為1m s（可以滿足大多數(shù)的控制要求），系統(tǒng)一共有15個工作站，那么系統(tǒng)交換機的排隊時間可以大概得出交換機中排隊的幀個數(shù)為：(576+96)b i t s/frame×1000frame/s×15=10.08Mbps，幀個數(shù)略微大于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。為了滿足網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求，只有14個工作站允許發(fā)送。意味著如果一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送到交換機緩存時，至少會遇到13個排隊幀在等待。所以Q D 可以得出：Q D = q N [96+max(k L +432，576)] b t=13×672×0.1=873.6μs

可以看到交換式以太網(wǎng)實時性比傳統(tǒng)以太網(wǎng)有了較大提高，網(wǎng)絡(luò)延遲即實時性可以滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求，但是這個結(jié)論有兩個重要前提，如前所述。以太網(wǎng)的負(fù)荷也是滿足實時性的一個重要方面。

3.網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延遲的影響

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的物理意義可以理解為構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的全部負(fù)擔(dān)。從以太網(wǎng)的傳輸成分來看，以太網(wǎng)的負(fù)載可以由下式得 出：

(3)其中N 為網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點數(shù)目；n為網(wǎng)絡(luò)每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的平均個數(shù)； r B 為一個有效的數(shù)據(jù)幀長度； z T 為爭用期周期； 為征用的平均個數(shù)； v 為網(wǎng)絡(luò)速率； g B 為數(shù)據(jù)幀的最小間隔； k B 為查詢開銷。

根據(jù)式（3）可見，網(wǎng)絡(luò)上工作站的數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載成正比，所以，工作站數(shù)目的增加是網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加的最主要因素。另外，由于征用期與傳輸時延緊密相關(guān)，因此，傳輸時延是影響網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的一個重要因素。在我們的仿真工作中也是主要針對這兩方面的網(wǎng)絡(luò)性能進行討論。

四、以太網(wǎng)性能的仿真研究

仿真使用O P N E T網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，采用10M b p s的以太網(wǎng)，建立三個場景的項目，三個場景的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分別是30、20、10個，然后分別收集統(tǒng)計量，比較網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷對性能的影響。

(1)節(jié)點數(shù)目對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響。10個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)在150秒后利用率趨向28%，而30個節(jié)點的總線利用率已經(jīng)達(dá)到58%。因此，在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)帶寬10M b i p s的以太網(wǎng)的時候，要想得到好的網(wǎng)絡(luò)性能，保證物流企業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的可靠傳輸，最好限制單個網(wǎng)段上節(jié)點數(shù)目在10個以下。

(2)網(wǎng)絡(luò)數(shù)目對網(wǎng)絡(luò)延遲的影響。隨著網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點數(shù)目的增大，單個工作站的負(fù)載沒有明顯增加，而網(wǎng)絡(luò)上沖突會明顯增加，網(wǎng)絡(luò)延遲也會明顯增 大。

作者單位：

甄 力 劉 克 河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院

苗 斌 河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院華北電力大學(xué)

參考文獻:

[1]茍建兵.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)可靠性探討[J].自動化博覽，1999，(6):26-31.

[2]車駕雄.以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載討論[J].計算機工程，2000，(8):135-137.

[3]陳壘，馮冬琴，金建祥.以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的實時性能分析[J].計算機技術(shù)，2003，(1):44-47.