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摘 要：为满足不同类型的数据在交换式工业以太网中传输的不同要求，在交换机中引入具有优先级队列的加权轮循(Weighted Round Ring, WRR)策略，应用网络演算理论推导不同类型的数据在该策略下的等待时延上界，得出计算公式，并与绝对优先级调度算法进行比较，展现该策略在工业以太网中应用的优越性.
关键词：网络演算； 交换式工业以太网； 最大时延； 加权轮循
中图分类号：TP393.11
文献标志码：A
Calculation of maximum delay in switched industrial Ethernet with improved WRR policy
PAN Zhongying, WANG Zhongjie, YAN Bo
(School of Electronic & Info. Eng., Tongji Univ., Shanghai 201804, China)
Abstract： To satisfy the different requirements for different real-time data in switched industrial Ethernet, the Weighted Round Ring (WRR) policy with a per-priority queue is introduced into switches. Network calculus is used to derive the maximum waiting delay boundary for different data under the policy, and the formula is obtained, which is compared with strict priority algorithm. The advantages of applying the improved WRR policy into industrial Ethernet is presented.
Key words： network calculus; switched industrial Ethernet; maximum delay; weighted round ring
0 引 言
目前，工业通信主要采用FIP，Profibus和CAN等现场总线.它们虽然已经为工业过程中遇到的许多通讯问题提供有效的解决手段，但因缺乏真正统一的国际标准,制造商提供的不同现场总线解决方案之间不具备互操作性.一些新的工业应用已显示出现场总线控制系统的局限性,不仅表现在有限的通信带宽上，也表现在与外部世界的互联上.以太网是目前应用最为广泛的局域网通信技术，交换式技术在以太网中的引入为从本质上解决以太网实时通信的确定性提供可能.当采用全双工微网段通信方式后，每个站点都具有独立的冲突域,不再受限于原有的CSMA/CD工作方式,可以随时发送和接收数据，大大改进以太网通信的实时性.[1]
网络演算是计算网络确定性延迟上界重要而有效的方法，是最大、最小代数在流问题上的具体应用，最初的工作来自CRUZ[2，3].WATSON[4]针对一般实时应用,基于网络演算给出星型和线型交换网络中的最大时延计算方法；GEORGES等[5，6]也基于网络演算给出交换式以太网中的最大时延计算方法.本文提出一种具有优先级队列的加权轮循(Weighted Round Ring, WRR)策略，并用网络演算的方法推导在工业以太网中应用的最大等待延时的计算公式，最后与PQ策略进行比较.
1 交换式工业以太网中的传输分析
考虑到工业以太网中的各种实时和非实时应用，网络中一般要传输以下几类数据.
(1) 周期性实时数据: 设备的采集信号、闭环回路的控制信号等，有着严格的时间约束，时间周期一般由控制器定义.
(2) 突发性实时数据: 用于传送报警和设备状态的信号是随机突发的，但必须在规定的时间周期内到达控制器.
(3) 一般消息: 用于系统和节点初始化、网络监控和诊断以及高层交互操作等,一般无实时要求.
使用漏桶管制器[7]对非周期性数据进行流量管制(见图1).漏桶管理机制是有关流量调节的算法.它具有长度为σ的桶深，底部以最大速率为ρ的速度漏出.这里假设σ足够大，即桶不会溢出，则到达为R(t)的流经过漏桶管制后，变为
2 具有绝对优先级队列的WRR策略
IEEE 802.1 p 至多能提供 8 种优先级.基于IEEE 802.1 p的优先级服务[8]是指调度器执行优先级策略，而每个队列都采用FIFO策略.PQ策略的主要缺点是有可能导致无法访问最低优先级队列里的帧，因此基于CoS的交换技术提供一个补充[9]：加权公平排列(WFQ).WFQ按照不同的业务流和IP优先级分组，自动按照散列算法，划分成不同的队列，在保证高优先级业务的同时，按照配置权重，将带宽公平地分给低优先级业务.但是，WFQ策略计算复杂，比较消耗路由器处理能力，因此工业以太网的交换机中通常采用一种更为简单的公平策略：WRR[10]，如Cisco Catalyst 3550.
然而，在工业生产控制过程中，通常要求突发的报警信号为绝对最高优先级，而不同的周期信号又能公平传递，如50 ms和100 ms.因此，本文基于网络演算研究一种具有优先级队列的WRR策略.
2.1 PQ策略
GEORGES在文献[6]中基于网络演算给出交换式以太网中采用PQ策略的最大时延计算方法.本文研究的策略仅采用一个最优队列，因此其服务曲线和最大延迟的计算被简化.
3 与PQ策略的比较
设进入交换机队列的有3类数据流：(1)突发性实时数据；(2)周期为t1的实时数据；(3)周期为t2的实时数据.计算3类数据端到端的最大延时.
3.1 应用PQ策略
最高优先级的第1类数据具有最小的最大延时，但是当(ρ1+ρ2)→C时，式(8)趋于无穷大，第3类数据几乎被无限期延迟.
3.2 应用具有优先级队列的WRR
具有绝对优先权的第1类数据具有最小的最大延时，而第2类和第3类数据的延时取决于权值i，这样就保证不同周期实时数据的公平调度.
4 结束语
在工业生产过程中，报警等信号需要提供优先级最高的服务，而压力、温度等信号具有相同的优先级别，且采样周期不同.针对这种情况提出具有优先级排列的WRR策略，并基于网络演算推导该策略的最大时延计算公式，同时与PQ策略进行比较，展现利用网络演算理论分析网络时延的简洁性.
参考文献：
[1] WANG Zhi, SONG Yeqiong, CHEN Jiming, et al.， Real-time characteristics of Ethernet and its improvement [C]//Proc 4th World Congress on Intelligent Control and Automation. Shanghai, China, 2002: 1 311-1 318.
[2] CRUZ R L. A calculus for network delay, part I: network elements in isolation [J]. IEEE Transactions on Info Theory. 1991, 37(1): 114-131.
[3] CRUZ R L. A calculus for network delay, part II: network analysis [J]. IEEE Transactions on Info Theory, 1991, 37(1): 132-141.
[4] WATSON K S. Network calculus in star and line networks with centralized communication [R]. Karlsruhe: Fraunhofer IITB, 2002.
[5] GEORGES J P, RONDEAU E, DIVOUX T. Evaluation of switched Ethernet in an industrial context by using the network calculus [C]//Proc 4th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems. Sweden, 2002: 19-26.
[6] GEORGES J P, DIVOUX T, RONDEAU E. Comparison of switched Ethernet architectures models [C]//Proc 9th IEEE International Conference Emerging Technologies and Factory Automation [C]. Portugal, 2003: 375-382.
[7] BOUDEC J L, THIRAN P. Network calculus: a theory of deterministic queuing systems for the Internet [M]. Berlin: Springer-Verlag, 2002.
[8] ANSI/IEEE Std 802.1D, IEEE standard for local and metropolitan area networks, part 3: media access control (MAC) bridges [S]. 1998.
[9] ANSI/IEEE Std 802.1Q, Virtual bridged local area networks [S]. 1998.
[10] GEORGES J P, DIVOUX T, RONDEAU E. Strict priority versus weighted air queuing in switched Ethernet networks for time critical applications [C]//Proc 19th IEEE International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS'05) - Papers, 2005: 1 530-2 075.
(编辑 廖粤新)
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关键词：网络演算； 交换式工业以太网； 最大时延； 加权轮循
中图分类号：TP393.11
文献标志码：A
Calculation of maximum delay in switched industrial Ethernet with improved WRR policy
PAN Zhongying, WANG Zhongjie, YAN Bo
(School of Electronic & Info. Eng., Tongji Univ., Shanghai 201804, China)
Abstract： To satisfy the different requirements for different real-time data in switched industrial Ethernet, the Weighted Round Ring (WRR) policy with a per-priority queue is introduced into switches. Network calculus is used to derive the maximum waiting delay boundary for different data under the policy, and the formula is obtained, which is compared with strict priority algorithm. The advantages of applying the improved WRR policy into industrial Ethernet is presented.
Key words： network calculus; switched industrial Ethernet; maximum delay; weighted round ring
0 引 言
目前，工业通信主要采用FIP，Profibus和CAN等现场总线.它们虽然已经为工业过程中遇到的许多通讯问题提供有效的解决手段，但因缺乏真正统一的国际标准,制造商提供的不同现场总线解决方案之间不具备互操作性.一些新的工业应用已显示出现场总线控制系统的局限性,不仅表现在有限的通信带宽上，也表现在与外部世界的互联上.以太网是目前应用最为广泛的局域网通信技术，交换式技术在以太网中的引入为从本质上解决以太网实时通信的确定性提供可能.当采用全双工微网段通信方式后，每个站点都具有独立的冲突域,不再受限于原有的CSMA/CD工作方式,可以随时发送和接收数据，大大改进以太网通信的实时性.[1]
网络演算是计算网络确定性延迟上界重要而有效的方法，是最大、最小代数在流问题上的具体应用，最初的工作来自CRUZ[2，3].WATSON[4]针对一般实时应用,基于网络演算给出星型和线型交换网络中的最大时延计算方法；GEORGES等[5，6]也基于网络演算给出交换式以太网中的最大时延计算方法.本文提出一种具有优先级队列的加权轮循(Weighted Round Ring, WRR)策略，并用网络演算的方法推导在工业以太网中应用的最大等待延时的计算公式，最后与PQ策略进行比较.
1 交换式工业以太网中的传输分析
考虑到工业以太网中的各种实时和非实时应用，网络中一般要传输以下几类数据.
(1) 周期性实时数据: 设备的采集信号、闭环回路的控制信号等，有着严格的时间约束，时间周期一般由控制器定义.
(2) 突发性实时数据: 用于传送报警和设备状态的信号是随机突发的，但必须在规定的时间周期内到达控制器.
(3) 一般消息: 用于系统和节点初始化、网络监控和诊断以及高层交互操作等,一般无实时要求.
使用漏桶管制器[7]对非周期性数据进行流量管制(见图1).漏桶管理机制是有关流量调节的算法.它具有长度为σ的桶深，底部以最大速率为ρ的速度漏出.这里假设σ足够大，即桶不会溢出，则到达为R(t)的流经过漏桶管制后，变为
2 具有绝对优先级队列的WRR策略
IEEE 802.1 p 至多能提供 8 种优先级.基于IEEE 802.1 p的优先级服务[8]是指调度器执行优先级策略，而每个队列都采用FIFO策略.PQ策略的主要缺点是有可能导致无法访问最低优先级队列里的帧，因此基于CoS的交换技术提供一个补充[9]：加权公平排列(WFQ).WFQ按照不同的业务流和IP优先级分组，自动按照散列算法，划分成不同的队列，在保证高优先级业务的同时，按照配置权重，将带宽公平地分给低优先级业务.但是，WFQ策略计算复杂，比较消耗路由器处理能力，因此工业以太网的交换机中通常采用一种更为简单的公平策略：WRR[10]，如Cisco Catalyst 3550.
然而，在工业生产控制过程中，通常要求突发的报警信号为绝对最高优先级，而不同的周期信号又能公平传递，如50 ms和100 ms.因此，本文基于网络演算研究一种具有优先级队列的WRR策略.
2.1 PQ策略
GEORGES在文献[6]中基于网络演算给出交换式以太网中采用PQ策略的最大时延计算方法.本文研究的策略仅采用一个最优队列，因此其服务曲线和最大延迟的计算被简化.
3 与PQ策略的比较
设进入交换机队列的有3类数据流：(1)突发性实时数据；(2)周期为t1的实时数据；(3)周期为t2的实时数据.计算3类数据端到端的最大延时.
3.1 应用PQ策略
最高优先级的第1类数据具有最小的最大延时，但是当(ρ1+ρ2)→C时，式(8)趋于无穷大，第3类数据几乎被无限期延迟.
3.2 应用具有优先级队列的WRR
具有绝对优先权的第1类数据具有最小的最大延时，而第2类和第3类数据的延时取决于权值i，这样就保证不同周期实时数据的公平调度.
4 结束语
在工业生产过程中，报警等信号需要提供优先级最高的服务，而压力、温度等信号具有相同的优先级别，且采样周期不同.针对这种情况提出具有优先级排列的WRR策略，并基于网络演算推导该策略的最大时延计算公式，同时与PQ策略进行比较，展现利用网络演算理论分析网络时延的简洁性.
参考文献：
[1] WANG Zhi, SONG Yeqiong, CHEN Jiming, et al.， Real-time characteristics of Ethernet and its improvement [C]//Proc 4th World Congress on Intelligent Control and Automation. Shanghai, China, 2002: 1 311-1 318.
[2] CRUZ R L. A calculus for network delay, part I: network elements in isolation [J]. IEEE Transactions on Info Theory. 1991, 37(1): 114-131.
[3] CRUZ R L. A calculus for network delay, part II: network analysis [J]. IEEE Transactions on Info Theory, 1991, 37(1): 132-141.
[4] WATSON K S. Network calculus in star and line networks with centralized communication [R]. Karlsruhe: Fraunhofer IITB, 2002.
[5] GEORGES J P, RONDEAU E, DIVOUX T. Evaluation of switched Ethernet in an industrial context by using the network calculus [C]//Proc 4th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems. Sweden, 2002: 19-26.
[6] GEORGES J P, DIVOUX T, RONDEAU E. Comparison of switched Ethernet architectures models [C]//Proc 9th IEEE International Conference Emerging Technologies and Factory Automation [C]. Portugal, 2003: 375-382.
[7] BOUDEC J L, THIRAN P. Network calculus: a theory of deterministic queuing systems for the Internet [M]. Berlin: Springer-Verlag, 2002.
[8] ANSI/IEEE Std 802.1D, IEEE standard for local and metropolitan area networks, part 3: media access control (MAC) bridges [S]. 1998.
[9] ANSI/IEEE Std 802.1Q, Virtual bridged local area networks [S]. 1998.
[10] GEORGES J P, DIVOUX T, RONDEAU E. Strict priority versus weighted air queuing in switched Ethernet networks for time critical applications [C]//Proc 19th IEEE International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS'05) - Papers, 2005: 1 530-2 075.
(编辑 廖粤新)
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