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。
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