时间触发以太网关键技术研究与核心模块设计

发布时间：2020-06-28 15:13

【摘要】：工业4.0与中国制造2025为中国的生产带来了巨大的变革与挑战,在推进智能工厂改造的过程中,日益增长的网络化需求意味着更复杂的网络布线、更拥塞的信息传输和更高的成本。因此,研发一种高灵活性、兼容性,同时具有高精度优势的网络通讯协议显得尤为重要。在众多新型实时以太网中,时间触发以太网(Time-Triggered Ethernet,TTE)因其优越性能受到国内外研究者广泛关注。本文重点对时间触发以太网关键算法与构件进行了研究及设计。主要工作包括分析数据传输机理、设计消息调度算法和实现同步技术,为打破国外技术壁垒、设计自主产权的TTE产品解决了最关键的技术难题。首先借助OMNeT++仿真平台对时间触发以太网的数据传输机制进行分析与仿真,主要对INET标准以太网模块进行扩展,包括建立发布——订阅系统、增加MAC中继模块、建立授权控制模组等使之具备TTE数据传输控制机制。该设计的实现也为研发基于FPGA的TTE节点提供了具体的设计思路。其次,本文结合对已有算法的研究和创新,完成了两大核心算法模块的设计。对于时间调度表生成问题,本文通过建立网络互联关系矩阵、通信任务矩阵等进行建模,将各个任务的多种约束及网络本身的传递约束、竞争自由约束等转化为代价函数,提出了粒子群模拟退火算法(SA-PSO)进行求解。该算法性能优异,通过对传统粒子群算法的改进,赋予解空间更多的可能性,从而避免了陷入局部最优,并在一定程度上加快了收敛速度。对于时间同步算法,结合AS6802协议中三大主要算法,时序保持、集中收集与时钟校准算法,同时对容错机制、集群检测、多域同步等功能进行了优化改进,最终设计了基于FPGA的能完全实现该同步功能的节点模型,为进一步开发具有完整TTE功能的硬件产品奠定了基础。最后以上述节点模型为基础搭建了小型同步网络并设计了详细的仿真方案,经验证该模型能达到预期微妙级的同步精度且具有良好的容错性。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.11
【图文】：

层次结构,仿真模型,层次图,主机

同时添加时间触发服务机制以实现ＴＴＥ协议。逡逑２．３邋ＴＴＥ网络案例描述逡逑本文基于ＯＭＮｅＴ＋＋平台搭建了邋一个六节点网络系统，如图２．４所示。该网逡逑络结构筒单，易于搭建和配置，其中交换机Ｓｗｉｔｃｈｌ和Ｓｗｉｔｃｈ２之间的链路是负逡逑载压力最大的链路，对其时间资源的合理分配是时间调度算法的难点所在，因此，逡逑我们也可通过观察该链路上资源利用率及消息传输的性能验证时间触发以太网逡逑数据传输机制的合理性与可靠性。为该网络配置１０类周期性时间触发消息，其逡逑发送周期依次为邋Ｔ＝［２００，４００，６００，６００，２００，２００，４００，６００，４００，２００］，时间单位为叫。逡逑在实际应用中，信息的周期一般数值较大，此处为显示时间触发以太网优越性将逡逑周期进行缩短。消息发送在每个周期内的时间偏差如表３．１所示。该消息调度表逡逑由下一章的ＳＡ－ＰＳＯ消息调度算法计算所得。此处设ｍｅｍｂｏｕｎｄ＝１００，ｍａｘ＿ｈｏｐｄｅ逡逑ｌａｙ＝２０，ｍａｘ＿ｌａｔｅｎｃｙ＝邋１００

网络模型

邋＇ｉ卿榦卿哪醒『．’哪娜’．丨丨、丨’逡逑｜｜邋ＴＴＥｔｈｅｍｅｔ邋ｍｏｄｅｌ邋０邋ｅｘｔｅｎｄｅｄ邋Ｉ邋ＮＥＴ邋ｍｏｄｅｌ邋Ｑ邋Ｉ邋ＮＥＴ邋ｍｏｄｅｌ逡逑图２．３邋ＯＭＮｅＴ＋＋仿真模型层次结构逡逑从设计层次图中可以看到仿真模型的层次结构，无论是ＴＴＥＨｏｓｔ主机仿真逡逑模块还是ＴＴＥＳｗｉｔｃｈ交换机仿真模块，其最底层（物理链路）和ＭＡＣ层都是沿逡逑用的ＩＮＥＴ框架中的标准以太网模型，而在数据链路层上则是继承了邋ＩＮＥＴ框架逡逑中的模型，同时添加时间触发服务机制以实现ＴＴＥ协议。逡逑２．３邋ＴＴＥ网络案例描述逡逑本文基于ＯＭＮｅＴ＋＋平台搭建了邋一个六节点网络系统，如图２．４所示。该网逡逑络结构筒单，易于搭建和配置，其中交换机Ｓｗｉｔｃｈｌ和Ｓｗｉｔｃｈ２之间的链路是负逡逑载压力最大的链路，对其时间资源的合理分配是时间调度算法的难点所在，因此，逡逑我们也可通过观察该链路上资源利用率及消息传输的性能验证时间触发以太网逡逑数据传输机制的合理性与可靠性。为该网络配置１０类周期性时间触发消息

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