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时间敏感网络关键技术研究与仿真模型设计

乐晨俊  
【摘要】:现场总线技术由于其设计简单、可靠、开销少等特点,在传统自动化领域获得了巨大的成功,但是在万物互联的背景下,现场总线逐渐无法满足日益增长的带宽需求。分组交换以太网被视为下一代自动化领域的核心通信技术,然而,传统以太网无法满足自动化应用苛刻的实时要求。时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)为传统分组交换以太网修订了诸多扩展协议,旨在实现确定性传输。本文着重于TSN调度机制的研究及其构件设计,在离散事件仿真器omnetpp上实现了 TSN仿真模型,用于验证TSN调度机制对系统实时性能的提升。首先,本文针对二层交换机存储转发过程中,时间敏感帧被阻塞在消息队列这一现状,修改以太网帧格式、整形器和MAC控制器,使网卡支持帧抢占机制。利用omnetpp,在传统分组交换以太网模型的基础上构建TSN终端节点和交换机节点模型,并在单跳以及多跳网络拓扑上评估了帧抢占机制的性能。此外,本文针对分布式嵌入式系统中,不同节点因晶振漂移而导致的时间不同步现象,在各节点模型的应用层和数据链路层分别实现时间同步机制,并从精度和成本两个角度对比了这两种实现方式。最后,在各从节点同步于主节点的前提下,在TSN交换机节点模型中添加基于门控列表的时间触发调度器,评估了交叉流量对时间触发调度机制的影响。研究表明,帧抢占机制缩短了时间敏感帧被低优先级帧阻塞的时间,并减少了其被同等优先级和高优先级帧阻塞的概率;时间触发调度机制通过保护带宽,避免了阻塞的发生。仿真结果证明,在帧抢占的作用下,时间敏感帧的端到端延迟和抖动大幅降低;在牺牲部分带宽的前提下,时间同步机制和时间触发机制为时间敏感帧提供了零抖动传输。


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