物流企业以太网的实时性能分析

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摘要：实时性是影响以太网在物流企业应用的最重要的限制因素，本文着重分析了传统以太网缺陷和交换式以太网的实时性上的优势，交换式以太网可以满足物流现场的控制要求，并用OPNET仿真软件进行网络仿真。

关键词：以太网；实时性；OPNET

中图分类号：F251 文献标识码:A

文章编号: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、工业以太网是现场总线技术发展的结果

以太网基于CSMA/CD的访问方式不能保证网络传输的确定性。以太网的实时性问题一直比较突出，商业以太网的网络延迟一般为2～30m s，这在某些物流企业是无法忍受的。实验表明，以太网的负荷在30%以下的时候实时性较好，可以满足大部分物流企业控制的要求。本文力求在理论的基础上分析交换式以太网的实时性，并使用OPNET网络仿真软件进行验证。

二、以太网和交换式以太网

以太网使用CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测方法)进行访问控制。CSMA/CD思想是在冲突引起的网络负荷增加的情况下，使用退避算法解决通信冲突。但是在物流现场有些信息必须及时送达，这类信号无法容忍退避时间引起的延迟。交换式以太网的优势在于两个方面：第一，交换式以太网的核心是交换机，可以降低单个网段的冲突，提高网络实时性；第二，传统基于H U B的以太网广播引起的冲突非常明显，而交换网络不以广播方式发送信息，降低了冲突次数。交换机一个典型技术是存储转发。

三、交换式以太网的最大网络延迟

1.以太网的最大网络延迟

如果没有冲突，网络上端到下端延迟可以用下式表示:

(1)公式中为空闲状态下总网络延迟；为发送端发送过程延迟；为接收端接收过程延迟；PRO D 为发送端到交换机信号的线路延迟，它决定于发送端到Hu b之间的距离和传输速率，一般认为电信号在电缆中传输1000米需要5μs；TD为帧传输延迟，决定于帧大小和传输速率之比。

可根据以太网二进制指数退避算法得出：

BOK D =( 2i −1) s t (1≤i≤10) (2)

一般在第i次后退时的等待时隙为2i −1,然后重新发送，如果几个站点的等待时隙相同，则要继续等待；当达到第10次冲突后，时隙固定210-1=1023个等待时隙s t ,16次等待以后，即通告发送失败； s t 为等待时隙，对于10M b p s的网络，时隙即为传输512bit所需的时间，即51.2μs。

以太网的最大传输延迟在以下几种情况出现：发生16次等待；退避时间为允许的最大时间间隔；源和目的站与交换机距离为最大允许值,对于10M b p s以太网而言为100 米。传统以太网的最大网络延迟约为418.7m s，而一般实时系统要求的最大延迟为10m s，可见，传统以太网并没有达到要求。

2.交换式以太网的最大网络延迟

确保以太网稳定性有两个重要前提：第一，以太网交换机的容量大于整个网络的吞吐量；第二，单个站点的接收链路足够接收所有传送给此站点的数据帧。

当发送到一个站点的数据帧达到最多时，交换式以太网的网络延迟达到最大。以太网中帧的大小对延迟的影响也比较明显，帧越小，传输相同数据要封装的帧越多，假定控制系统的采样时间为1m s（可以满足大多数的控制要求），系统一共有15个工作站，那么系统交换机的排队时间可以大概得出交换机中排队的帧个数为：(576+96)b i t s/frame×1000frame/s×15=10.08Mbps，帧个数略微大于网络传输速率。为了满足网络稳定性要求，只有14个工作站允许发送。意味着如果一个数据帧发送到交换机缓存时，至少会遇到13个排队帧在等待。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

可以看到交换式以太网实时性比传统以太网有了较大提高，网络延迟即实时性可以满足工业现场的要求，但是这个结论有两个重要前提，如前所述。以太网的负荷也是满足实时性的一个重要方面。

3.网络负载对以太网网络延迟的影响

网络负载的物理意义可以理解为构成网络的全部负担。从以太网的传输成分来看，以太网的负载可以由下式得 出：

(3)其中N 为网络上节点数目；n为网络每秒传输的数据帧的平均个数； r B 为一个有效的数据帧长度； z T 为争用期周期； 为征用的平均个数； v 为网络速率； g B 为数据帧的最小间隔； k B 为查询开销。

根据式（3）可见，网络上工作站的数目与网络负载成正比，所以，工作站数目的增加是网络负荷增加的最主要因素。另外，由于征用期与传输时延紧密相关，因此，传输时延是影响网络负载的一个重要因素。在我们的仿真工作中也是主要针对这两方面的网络性能进行讨论。

四、以太网性能的仿真研究

仿真使用O P N E T网络仿真软件，采用10M b p s的以太网，建立三个场景的项目，三个场景的网络节点分别是30、20、10个，然后分别收集统计量，比较网络负荷对性能的影响。

(1)节点数目对网络负载的影响。10个节点的网络在150秒后利用率趋向28%，而30个节点的总线利用率已经达到58%。因此，在设计标准带宽10M b i p s的以太网的时候，要想得到好的网络性能，保证物流企业现场数据的可靠传输，最好限制单个网段上节点数目在10个以下。

(2)网络数目对网络延迟的影响。随着网络上节点数目的增大，单个工作站的负载没有明显增加，而网络上冲突会明显增加，网络延迟也会明显增 大。

作者单位：

甄　力　刘　克 河北软件职业技术学院

苗　斌 河北软件职业技术学院华北电力大学

参考文献:

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