工業(yè)以太網(wǎng)中層次拓撲結構對網(wǎng)絡性能的影響

1)排隊延遲：從信息進入排隊隊列到此信息獲取通信網(wǎng)絡所需的時間．排隊延遲主要由通信網(wǎng)絡的存取控制協(xié)議和相應的信息調(diào)度算法決定．工業(yè)以太網(wǎng)采用的是CSMA／CD協(xié)議，每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道上是否有其他節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果信道空閑，此節(jié)點才可發(fā)送數(shù)據(jù)．由于存在傳播延遲，采用這種辦法不可能絕對避免沖突，因此，CsMA／CD要求用戶邊發(fā)送邊監(jiān)聽．如果監(jiān)聽到?jīng)_突，雙方首先停止發(fā)送，然后再發(fā)送一個強干擾信號，以通知網(wǎng)上的其他用戶，并等待一個隨機時間，重新發(fā)送．當一個數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突時，其等待時間具有不確定性，甚至連續(xù)沖突超過一定次數(shù)，數(shù)據(jù)信息會遭到丟棄，很多情況下在工業(yè)現(xiàn)場總線中是無法容忍的。

2)發(fā)送延遲：從信息的第一個字節(jié)開始發(fā)送到最后一個字節(jié)發(fā)送結束所需的時間．發(fā)送延遲等于數(shù)據(jù)塊長度L與信道帶寬B之比：

3)傳輸延遲：信息在現(xiàn)場設備問傳輸所需的時間．傳輸延遲取決于通信網(wǎng)絡在現(xiàn)場設備間的物理長度z，等于信道長度與電磁波在信道上的傳播速率C之比：

單總線型網(wǎng)絡時延分布如圖2所示．層次網(wǎng)絡拓撲的網(wǎng)絡時延分布如圖3所示(由于排隊時延發(fā)生概率很小，圖中忽略)．

圖2單總線型網(wǎng)絡時延

圖3 層次拓撲網(wǎng)絡時延

在最理想狀態(tài)下，單總線網(wǎng)絡和層次拓撲網(wǎng)絡都不發(fā)生沖突碰撞，所有的數(shù)據(jù)都一次性成功發(fā)送，這就不用考慮排隊延遲，通信延遲變?yōu)?P> tD=ts+tT． (7)

由式(7)可以看出，在網(wǎng)絡負載非常小，幾乎不發(fā)生沖突碰撞的情況下，層次拓撲網(wǎng)絡就不如單總線網(wǎng)絡有優(yōu)勢．因為層次拓撲網(wǎng)絡要經(jīng)過多級網(wǎng)絡，增加了傳輸時延，而且每經(jīng)過一層網(wǎng)絡就會增加一次發(fā)送時延．層次拓撲網(wǎng)絡比單總線網(wǎng)絡固有延遲增加，實時性變差，增加了網(wǎng)絡負擔．在實際工程中，排隊延遲是不可忽略的，有時候它比發(fā)送延遲和傳輸延遲要大得多，而且具有不確定性，是工業(yè)以太網(wǎng)實時性最大的軟肋．對于已知的兩個節(jié)點互相發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送延遲和傳輸延遲幾乎都是固定的，對網(wǎng)絡不確定性幾乎沒有影響．下面忽略發(fā)送延遲和傳輸延遲，單從確定性方面對排隊延遲進行分析。

假設每個時隙節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為P，沖突后在后面某個時刻重發(fā)，但對網(wǎng)絡不造成影響(這里的假設與實際情況有出入，先不考慮重傳造成的影響和退避時延)，則總的節(jié)點發(fā)送規(guī)律符合參數(shù)為(n，聲)二項隨機變量的伯努利實驗分布．在r級網(wǎng)絡模型中，第r層節(jié)點(即葉子節(jié)點)的