工业以太网中层次拓扑结构对网络性能的影响

功发送，这就不用考虑排队延迟，通信延迟变为

tD=ts+tT． (7)

由式(7)可以看出，在网络负载非常小，几乎不发生冲突碰撞的情况下，层次拓扑网络就不如单总线网络有优势．因为层次拓扑网络要经过多级网络，增加了传输时延，而且每经过一层网络就会增加一次发送时延．层次拓扑网络比单总线网络固有延迟增加，实时性变差，增加了网络负担．在实际工程中，排队延迟是不可忽略的，有时候它比发送延迟和传输延迟要大得多，而且具有不确定性，是工业以太网实时性最大的软肋．对于已知的两个节点互相发送数据，发送延迟和传输延迟几乎都是固定的，对网络不确定性几乎没有影响．下面忽略发送延迟和传输延迟，单从确定性方面对排队延迟进行分析。

假设每个时隙节点发送数据的概率为P，冲突后在后面某个时刻重发，但对网络不造成影响(这里的假设与实际情况有出入，先不考虑重传造成的影响和退避时延)，则总的节点发送规律符合参数为(n，声)二项随机变量的伯努利实验分布．在r级网络模型中，第r层节点(即叶子节点)的

正常情况下，层次拓扑网络数据发送成功的概率为

可以证明S1

同样可以得出结论：一般情况下，层次拓扑网络比单总线网络发送成功率要高；层次拓扑网络最坏情况出现的几率远低于单总线网络。

2 网络性能分析

检验一种网络是否符合工业应用标准，有以下几个重要指标：

1)最大响应时间．经上面数学分析，在没有冲突碰撞时，由于层次拓扑网络的级数增加，导致发送延迟和传输延迟都增加，固有延迟略有增加．

但一般情况下，排队延迟是造成不确定性的主要原因．层次拓扑网络的排队延迟要远小于单总线网络，最大响应时间具有固定性，比单总线网络性能要好。

2)数据包丢失率．单总线网络在负载加重，甚至出现冲突风暴时，丢包现象比较严重．层次拓扑结构将网络进行了分段，冲突概率大大减小；硬件设备中还增加了缓冲功能和双通道功能；有的还设置了优先级．这些措施降低了数据包丢失率，增加了数据发送的确定性，保障了现场网络的可靠性。

3)传输速率．单总线网络在轻负载、无冲突的情况下，固有延迟较小，传输速率大．但一般情况下，尤其是负载重的时候，存在不确定的等待延迟，网络传输速率大大下降．层次拓扑网络的冲突碰撞概率减小，使得数据发送成功率增大，传输速率增大．由硬件划分的层次网络中还能实现多网段的并行运行，传输速率明显提高。

4)突发事件的处理．在工业以太网出现一些意外情况时，应有相应的紧急处理措施以保证数据的安全性．层次拓扑网络在突发事件处理方面占有很大的优势．在层次拓扑网络的某个网段出现问题时，其他网段还能正常使用，有利于限制故障影响和故障排除，鲁棒性较好，尤其在数据发送量突然增加时，还可以减少冲突风暴发生的可能性。

5)传输介质．工业以太网面对的是复杂的现场环境，传输介质是否能保证数据稳定、可靠地传输是重要的选择标准．现在很多工业以太网都采用了相应措施，设备可靠性得到一定程度的保证．层次拓扑网络比单总线网络增加了硬件设备，增加了网络传输距离，网络接口相应增多，传输介质的安全性略有下降。

3 结语

由上面几个性能指标可以发现，层次拓扑网络的综合性能要优于单总线网络．当网络负载较小时，采用单总线好，因为它的固有延时较小；但当网络负载增大时，采用层次拓扑较好，它能有效减少冲突风暴，增加工业以太网的确定性和可靠性，提高数据发送速率，优化网络性能。