工業(yè)以太網(wǎng)中層次拓撲結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

現(xiàn)在市場上工業(yè)現(xiàn)場總線產(chǎn)生了幾十種方案，卻沒有形成統(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、造價低、易于安裝和兼容性好等優(yōu)勢，在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用．但它采用總線式拓撲結(jié)構(gòu)和載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測(CSMA／CD)方式，在實時性要求較高的場合下，數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生延滯，具有“不確定性”．工業(yè)以太網(wǎng)通過增加信道帶寬、采用全雙工通信、設(shè)置數(shù)據(jù)報文優(yōu)先級等方法改善了網(wǎng)絡(luò)性能．其中還有很重要的一項措施就是采用層次拓撲結(jié)構(gòu)．層次拓撲結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個網(wǎng)段，使得網(wǎng)絡(luò)碰撞概率下降，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的確定性和實時性。

網(wǎng)絡(luò)分段技術(shù)有硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩種實現(xiàn)方式．典型的硬件技術(shù)是采用以太網(wǎng)交換機或集線器將網(wǎng)絡(luò)劃分成更小的網(wǎng)段．交換機可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行過濾，使每個網(wǎng)段內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的傳輸只限在本地網(wǎng)段內(nèi)進行，而不需經(jīng)過主干網(wǎng)．典型的軟件技術(shù)是將CSMA／CD協(xié)議改進成一種Token-CSMA／CD混合控制協(xié)議．在輕負荷時，采用CSMA／CD協(xié)議，在重負荷時，采用總線優(yōu)先級輪循Token Bus方式(高級別的總線傳輸優(yōu)先級，類似于Token Bus協(xié)議中的令牌，在各節(jié)點之間輪循傳遞)．這兩種方法都是基于“網(wǎng)絡(luò)分級”思想，由數(shù)級網(wǎng)絡(luò)迭代而成的網(wǎng)絡(luò)稱為層次拓撲網(wǎng)絡(luò)。

層次拓撲網(wǎng)絡(luò)在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)太復(fù)雜，技術(shù)的合理性還沒有嚴格的理論證明．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)還是使用層次拓撲結(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撲網(wǎng)絡(luò)與原來的單總線網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣，分析了它們的適用場合。

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，分析起來非常困難，為了簡化模型，在分析兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能時，采用如下假設(shè)：

1)每個網(wǎng)段的節(jié)點數(shù)目都為N，在網(wǎng)段節(jié)點數(shù)小于N時網(wǎng)絡(luò)能正常運行。

2)每個站對載波的偵聽是瞬間完成的，即不引入收發(fā)切換時延，也不考慮外來噪音干擾。

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

4)碰撞沖突的分組將在后面的某一時刻重傳，重傳的分組對信道的到達過程沒有影響。

1．2 模型建立

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

已經(jīng)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)分段后每個網(wǎng)段的節(jié)點個數(shù)都為N，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)，z小于N時沖突概率極小，網(wǎng)絡(luò)處于實時活躍狀態(tài)，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)實時通信應(yīng)用的要求。

圖1 級數(shù)為3的滿三叉樹

利用r級網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型就把現(xiàn)場總線中雜亂無章的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)抽象成了一種有序的樹形結(jié)構(gòu)．這種樹形結(jié)構(gòu)符合層次拓撲的規(guī)律，跟現(xiàn)實中的情況在一定程度上吻合，具有說服性．同時它還具有一些規(guī)范的數(shù)學(xué)性質(zhì)，簡化了數(shù)學(xué)分析的難度，例如：