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以太网统计性实时通信应用于制造自动化系统中
Seok-Kyu Kweon and Kang G. Shin
Dept. of Electrical Engineering and Computer Science
The University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109-2122
fskkweon,kgshing@eecs.umich.edu
Qin Zheng
Argon Networks, Inc.
25 Porter Road, Littleton, MA 01460
zheng@argon.com
摘要
为了在以太网和快速以太网中实现实时通信,必须把访问时间绑定在一个可接受的极限。以太网的多路访问性质使它无法保证确定的介质访问时间(因此包的传递超过实现)处于独立状态。然而,我们可以通过限制在介质访问控制(MAC)层的数据包到达率来统计性地绑定介质访问时间。专注于自动化制造系统的主要应用,本文就连接允许控制(CAC)问题来介绍统计性地绑定以太网的介质访问时间的方法。具体来说, 如果瞬时数据包到达率一直低于某个阈值，则保证包的媒介访问时间有一定概率地小于一个预定义的界限。通过分析,我们首先推导出这样的一个阈值。为了保持给定阈值下的数据包到达率,我们采用交通顺畅工具和平滑数据包流（位于传输层和以太网数据链层）。这个交通顺畅的实现只需要最小的变化，没有任何修改操作系统内核的以太网MAC协议或TCP或UDP / IP堆栈的当前标准。为了解决CAC问题,我们通过模拟以太网的MAC协议、1-persistent CSMA / CD、和碰撞解析协议，推导出在每个试验传输一个数据包成功的概率。我们实现了一个交通顺畅的Linux操作系统,实验证明了我们的方法提供以太网实时通信的有效性。
1 介绍
高速网络技术的发展已经使人们有可能通过网络运输各种新的应用程序所产生的信息,导致互联网的爆炸式增长。实时音频/视频通信等新兴互联网应用要求网络有传统的包交换网络并不支持的新功能。特别地,许多这些应用程序需要某种形式的服务质量QoS(Quality-of-Service)保证。例如,自动化行业一直追求使用COTS (commercial off-the-shelf)网络产品在PLC(Programmable Logic Controllers)之间交换控制消息。传统上,专有网络如Allen Bradley的RIO(Remote Input/Output)网络和控制网络已被用于自动化工厂网络,以满足应用程序的严格的QoS要求和应对恶劣的工作环境。然而,低价格和可靠稳定的COTS网络对自动化制造更有吸引力。虽然，目前ATM和FDDI等各种高速网络仍可用，但是以太网通过广泛部署和使用实现了极低价格,成熟和稳定，它已经占据了大部分的市场收益。然而,尽管它的受欢迎程度和低成本,以太网作为消息控制网络，有一个严重的缺点，其基于抢占式的介质访问控制(MAC)协议不可能为组件提供可预测的介质访问时间。不像其他局域网(如FDDI或现场总线),以太网没有机制来控制媒介/通道访问时间。虽然交换式以太网可以通过消除数据包碰撞的可能性提供确定性延迟保证,然而更高的价格已经阻碍了其部署在制造业的脚步。
在本文中,我们展示了使用一个通用的以太网在一个自动化工厂传输实时控制消息的可能性。我们首先分析以太网的介质访问延迟特性。推导一个以太网介质访问时间的确定界限一般是棘手的。如果数据包到达模式是de-terministic形式,可能派生出我们想要的界限,但它是没有价值的,因为来自最坏的交通场景的延迟界限非常大，即使是非常轻的负载条件下。根据1-persistent CSMA / CD的MAC协议,那些经历过碰撞的数据包在重发时可能会经历更多的碰撞，在最坏的情况下,一旦两个包相互碰撞,如果碰撞15次将被丢弃。所以，延迟界限的导出使用最坏的情况来分析是没用的。因此我们想得出一个有意义的(例如,统计性的) 以太网通道访问时间界限，在一些输入通信和其MAC协议功能的合理假设下。具体来说,我们分析得出统计界限之间的关系和相应的允许输入电平。通过这个分析,我们可以获得实现统计性的以太网实时通信的CAC。我们的分析考虑1-persistent CSMA / CD的MAC协议，它目前采用用于以太网的二进制指数倒扣(BEB)策略。
我们的分析假设数据包不爆发性到达，且最大数据包到达率受限于速率控制和通信的平滑。为了执行这样一个数据包到达的行为,我们在协议栈实现了通信平滑函数。最小化当前网络协议标准的变化,我们开发了一个交通顺畅器,位于transport和MAC层之间。早些时候的大部分工作重点是在支持实时通信的以太网修改以太网MAC子层,这样可能实现一个有界通道访问时间[7、6、3]。相比使用成熟和广泛使用的当前以太网标准，这些方法非常的昂贵。
Venkatramani和Chiueh[8]提出为了避免数据包碰撞，在以太网实现一个虚拟令牌环。令牌管理是由更高级别的协议执行而不是MAC,因此他们的方法不需要修改硬件,只有软件。具体地说,他们的令牌传递和管理协议在修改了的操作系统内核中。令牌管理需要大量的功能（如恢复失去的令牌）,而且可能过载操作系统。虽然我们的方法也需要修改内核,但是实现平滑函数很简单,因此,这些变动很小。实现有限的信道访问时间的另一种方法是使用全双工以太网交换机而不是普通的共享以太网集线器。这种方法也是昂贵的，相比使用共享以太网集线器。特别地,它不经济，在一个自动化工厂网络将以太网交换机的端口分配给各个控制站时，每个控制站的通信到达速度比链接固有容量低得多，太浪费。在大多数情况下,一个以太网交换机可能用于大规模局域网分割成多个由一个共享以太网组成的副网。在这种环境下, 为了达到端对端延迟保证，我们必须仍然能够控制每个副网通信来往的行为。我们的方法也可以用于此。
我们已经在分析CSMA / CD协议方面完成了大量的工作。假设数据包到达、研究人员派生的吞吐量和平均分组延迟是一个泊松过程。然而, 在实现实时通信中吞吐量和平均延迟分析是不可接受也不够的。实现实时通信要求的知识包括封包延迟的最终分布,而不是这样的平均性能参数。Beuerman和Coyle[1]介绍了在非持久性CSMA / CD协议中数据包延迟的最终分布,假设重新传输的平均等待时间是足够大于数据包传输时间的。然而,1-persistent CSMA / CD协议结合BEB的特点完全不同于他们的非持久性版本。
虽然我们工作的目标应用程序是工厂自动化网络,但是提供以太网延迟保证在许多其他领域也拥有广泛的影响。例如,在全球网络互连环境像互联网,最终端用户通过局域网连接到全球网络,而最流行的局域网标准就是以太网。在这样的环境下, 以太网的控制延误是实现端到端QoS保证的第一步。如果两个局域网通过一个源节点和目标节点连接,分别使用我们的交通顺畅器提供本地延迟,并且如果有界的骨干网络可以提供延迟的担保,我们可以在一对源和目的地之间实现一个完整的端对端延迟保证。
剩下的文章组织如下。第二节讨论在以太网提供统计性实时担保的问题。第三节给出在以太网中包延迟的最终分布,第五节演示了通过一个实验分析有效性。第六部分是本文结尾。
2 问题描述
我们首先回顾一些必要的概念，以方便陈述我们的主要问题和讨论实现统计性以太网实时通信的软件体系结构。确定性实时通道被定义为一个两个端点之间的单向虚拟连接，提供一个在分组交换网络及时交付数据包的先天确定或绝对保证。另一方面,统计实时信道的定义是一个保证数据包在统计层面及时交付的单向的虚拟电路。在传输中或错过交货期限时数据包丢失的概率小于一定的损失度Z[2]:
(1)
或
(2)
不像局域网或FDDI和现场总线等广域网、以太网无法控制个人站或连接的介质访问时间。因此,(1)只有一个类型的QoS提供给整个组件站和建立在网络上的所有连接,和(2)整个以太网只能支持一个统计实时频道，由所有站点共享。出于这个原因,不使用上述为一般数据包交换网络定义的统计实时通道概念,我们为在以太网运行的统计实时通道引入一个新的定义。在以太网中，如果一个新到的数据包在传输过程中造成了冲突，传输将被停止，经过一些随机延迟后数据包将被重新安排传输。因此,数据包的延迟取决于试验的数量,直到其成功传输。因此我们使用直到成功传输数据包的试验的数量代替分组延迟作为衡量工作表现的定义。一个统计实时以太网通道的数据包必须满足以下条件:
(3)
当数据包到达时，设置应用程序中的网络，计数开始。通过将试验的数量与一个数据包在成功传输之前的延迟大小挂钩,我们可以很容易地运算Eq.(3)得到延迟值。若数据包在第K次试验时成功，命DK为最坏情况下的数据包延迟。然后,保证满足以下条件：
(4)
我们在下一节将展示Eq. (3)的充分条件。条件是, 从组件站新生成的数据包的总到达率必须保持低于某一称为网络范围的输入限制的阈值。由于以太网MAC协议是全发布的,不可能每个组件站都知道当前瞬时全网数据包到达率。每个组件只站所能做的就是控制自己的包到达率,使全网输入限制不会被违背。为此,部分网络范围的输入限制——站输入限制分配给每个组件。可以确定网络范围的输入限制和分布式组件站根据他们的需求。每个车站调节它的数据包流到达从应用程序,以便在MAC层数据包到达率保持在车站输入限制。与合作的所有组件,我们可以确保网络范围的输入限制并不违背。交通需要平滑特别是当数据包到达一个爆发点。包在爆发点抵达比偶尔到达更有可能发生碰撞。此外,平滑数据包流将使数据包到达过程建模为泊松过程,这是一个在下一节用于我们的分析的基本假设。
交通规则或交通平滑是由在每个组件站的交通顺畅器实现的。如果数据包到达一个爆发点,交通顺畅器缓冲并发送他们的方式是到达MAC层的时间是随机的，同时保持到达率低于站输入的限制。图1显示了我们在以太网实现统计实时通信的方法采用的软件架构。为了最小化在当前以太网标准中所需加入的变化,我们在运输(TCP / IP)层和以太网数据链接层之间插入交通顺畅器。
在下一节中,我们为给定的损失限度和延迟界限推导出网络范围的输入限制。
3 分析1-Persistent CSMA-CD协议
我们利用半马尔科夫过程模拟的以太网MAC协议：1-persistent CSMA / CD协议。
3.1 1-persistent CSMA / CD网络建模
正如我们在第二节认为,交通平滑使数据包到达模式适合在以太网中数据包延迟的分析和控制。假设数据包的到达过程形成一个泊松过程,这不同于一般局域网。我们的分析是基于以下的假设:
A1:以太网的流量来源包括无限数量的用户共同组成一个独立的泊松源与，参数包括一个聚合平均包生成速率lambda;包/秒。此外,数据包的到达过程由包被重新安排传输或重新传输的时间组成,称为频道提供交通,被认为是来自另一个无限的人口组成的一个泊松过程的时变参数mu;,称为频道提供交通速度。显然, mu;gt;=lambda;。这无限的人口模型假定每个站都有一个包在任何时候要求传输。因此, 在我们的分析中我们忽略了在每个站的排队延迟。我们使用信道的时变参数提供交通率以处理以太网的突发交通特征。
A2:通道达到稳态时吞吐量仍然保持在一个常数(稳态)值。让每个数据包不断要求T秒长度的传输,并让S = T。然后,S是在数据包传输时间生成的数据包平均数量。在稳态条件下的交通到达率等于输出速度,S也可以称为吞吐量。
A3:相比网络的传输容量(10 Mbps以太网和100 Mbps快速以太网)，新的包到达率足够低。这种假设是通过以太网实现实时通信不可避免的。稍后我们将确定到达率要多低。如果到达率没有足够低,包的一部分将会经历多次碰撞,因此导致大的延误。这种低到达率的假设将数据包遇到多个碰撞的概率减至微不足道的小。
A4:当发生碰撞时,只有两个数据包参与碰撞。在到达率较低的情况下,这是合理的假设。同样, 为了获得有条件的数据包传送时碰撞概率，我们必须知道参与碰撞的数据包数量。
A5:任意两个站点之间的传播延迟等于一个常数。这对采用星形布局布线的10 BaseT网络是现实的。对于其他拓扑结构像一条总线型,必须设置一个任何两站之间的最大的传播延迟。随着传播延迟的增加自碰撞概率增加,选择最大的传播延迟作为一个网络参数使我们能够推导出最坏情况下的性能参数。
在描述我们的模型之前,我们先简要地检查BEB操作。当一个数据包碰撞另一个数据包时,BEB设置补偿时间指示尝试重传数据包的时间。补偿时间是从slot_time【m =min(10,n)】随机选择的。n是包与其他包碰撞的次数,slot_time是512位每秒 (以太网是51.2秒,快速以太网是5.12秒)。自补偿时间的范围随数据包与其他包碰撞的次数增加而增加，当数据包经历碰撞次数很多时重发率高，因此包到达率也高。
基于上述假设和观察,我们模拟1-persistent CSMA / CD网络作为半马尔科夫过程SMP (semi-Markov process): 根据包到达率，SMP有两种操作模式: QUIET, BURST。这两种操作模式反映了以太网信息交通丛发性的本质。在安静模式, 相较于新数据包的到
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