LonWorks總線實(shí)時(shí)性能分析與仿真研究

任振興

摘要：該文對(duì)LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議模型進(jìn)行了分析，采用MATLAB7.4.0仿真軟件對(duì)LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，影響通信實(shí)時(shí)性能的主要因素是不同站點(diǎn)數(shù)下的負(fù)載提供情況。網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載情況下，如果提供負(fù)載不超過(guò)400包/s，節(jié)點(diǎn)數(shù)在一定數(shù)目下，沖突率就能控制在2%以下，同時(shí)平均訪問(wèn)延時(shí)在負(fù)載為400包/s時(shí)也是很小的；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載情況下，隨著B(niǎo)L值的增加，插入的隨機(jī)時(shí)間片減少，節(jié)點(diǎn)發(fā)送速度較快；在重負(fù)載下，隨著B(niǎo)L值增加，插入的隨機(jī)時(shí)間片較多，可有效避免沖突。最后初步提出幾種改善LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)通信延遲的可行性方法。

關(guān)鍵詞：LonWorks總線；實(shí)時(shí)性；沖突；仿真

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）30-0217-03

LonWorks（Local Operating Network，局部操作網(wǎng)絡(luò)）是美國(guó)Echelon公司開(kāi)發(fā)的一種局域網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠建立生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備之間及其與更高控制管理層之間的通訊，負(fù)責(zé)底層設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳和管理層控制命令的下達(dá)。實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能。已在電力監(jiān)控系統(tǒng)、制造自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、樓宇、交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1][2]。由于LonWorks網(wǎng)絡(luò)為底層控制網(wǎng)必須滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的實(shí)時(shí)性和信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝砸?。LonWorks總線使用LonTalk協(xié)議，其介質(zhì)訪問(wèn)控制層采用帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA/CD）控制方式。各個(gè)站點(diǎn)采用“優(yōu)先級(jí)可預(yù)測(cè)P—持續(xù)CSMA/CD”二進(jìn)制指數(shù)退避算法來(lái)處理沖突，導(dǎo)致每次信號(hào)重發(fā)的等待時(shí)間不一致，使得通信延遲時(shí)間不確定?？紤]LonWorks網(wǎng)絡(luò)的通信延遲降低監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，因而目前對(duì)LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能進(jìn)行分析是LonWorks技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。

1 LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型分析

1.1 協(xié)議模型

LonWorks總線采用LonTalk協(xié)議，LonTalk協(xié)議的 MAC子層的報(bào)文周期見(jiàn)圖1[3]。由圖1可知[β1]出現(xiàn)在一幀報(bào)文的后面，其中[β1]是一個(gè)空閑時(shí)間，作用是隔離信道上的所有報(bào)文幀，在[β1]期間沒(méi)有任何信息傳送才表示網(wǎng)絡(luò)空閑，任何節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前需先確定網(wǎng)絡(luò)是否空閑。緊跟在[β1]后的是優(yōu)先級(jí)時(shí)間片，它由大小相等的n個(gè)傳送延時(shí)Tslot組成，LonTalk協(xié)議規(guī)定n值可以為128，緊跟在優(yōu)先級(jí)時(shí)間片后面的是隨機(jī)時(shí)間片，它由大小相等的傳送延時(shí)[β2]組成，隨機(jī)傳送延時(shí)[β2]的個(gè)數(shù)允許為1008個(gè)，優(yōu)先傳送延時(shí)Tslot和[β2]的大小相等。LonTalk協(xié)議規(guī)定在一個(gè)報(bào)文周期內(nèi)只能有一幀報(bào)文被發(fā)送，Tslot對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)比[β2]對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)高，越靠近[β1]的傳送延時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)就越高。

節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文前隨機(jī)插入[0～w]個(gè)隨機(jī)時(shí)隙，為此信道中的任一節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文之前平均插入了[w2]個(gè)隨機(jī)時(shí)隙，公式為[w=BL×wbase]，其中[w]會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化而變化，[wbase]是基本隨機(jī)窗口內(nèi)隨機(jī)時(shí)隙的個(gè)數(shù)，在此BL為某一時(shí)刻網(wǎng)上將發(fā)送消息包的數(shù)目的預(yù)估值，[wbase]=16。

節(jié)點(diǎn)有報(bào)文需要利用信道發(fā)送時(shí)，首先需要在[β1]周期內(nèi)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是否空閑，是否有報(bào)文。若網(wǎng)絡(luò)被確認(rèn)為空閑，一個(gè)隨機(jī)等待時(shí)間會(huì)被節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，隨機(jī)等待時(shí)間為[0～w]隨機(jī)時(shí)間片[β2]中的一個(gè)，待到延時(shí)結(jié)束，網(wǎng)絡(luò)仍被確認(rèn)為空閑，這個(gè)時(shí)候節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)送報(bào)文；否則，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)是否需要接收信息，然后再重復(fù)MAC算法。

BL值是某一時(shí)刻網(wǎng)上將發(fā)送信息包的數(shù)目的預(yù)估值，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)當(dāng)前信道使用情況的BL估計(jì)值。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)MPDU（報(bào)文格式）發(fā)送或接收時(shí)，BL值會(huì)增加1；同時(shí)每隔一個(gè)固定報(bào)文周期BL值會(huì)減1，然后BL值會(huì)被放到MPDU/LPDU中。由于BL值需要大于等于1，所以當(dāng)BL值為1時(shí)就不再減了。

概率[p]值的動(dòng)態(tài)變化與隨機(jī)時(shí)隙數(shù)的動(dòng)態(tài)變化之間的關(guān)系說(shuō)明如下：

（1）概率[p]值的動(dòng)態(tài)變化取決于隨機(jī)時(shí)隙數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。

當(dāng)網(wǎng)上將發(fā)送的信息包的數(shù)目增加時(shí)，數(shù)據(jù)將被節(jié)點(diǎn)分布在更多的時(shí)隙上發(fā)送，參數(shù)BL（backlog）決定了增加的時(shí)隙數(shù)量，其中BL為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，BL的取值范圍為1～63，隨機(jī)時(shí)隙數(shù)目R=16×BL=16～1008。

（2）節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的預(yù)測(cè)能力決定了隨機(jī)時(shí)隙數(shù)目的動(dòng)態(tài)變化。

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)上啟動(dòng)發(fā)送信息之前，首先隨機(jī)時(shí)隙數(shù)會(huì)根據(jù)BL值進(jìn)行調(diào)整，然后以概率[1BL?16]在某一隨機(jī)分配的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都擁有一個(gè)自己的BL值，BL是節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的估計(jì)。BL是按照如下方法預(yù)測(cè)得出的：節(jié)點(diǎn)在它發(fā)送的消息包中增加了接收到該消息需要肯定應(yīng)答的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，也就是發(fā)送消息包將帶來(lái)的應(yīng)答數(shù)信息，新的BL值由收到該信息包的節(jié)點(diǎn)的BL值加上對(duì)應(yīng)的應(yīng)答數(shù)得來(lái)，從而達(dá)到更新隨機(jī)時(shí)隙的目的，同時(shí)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完消息包時(shí)，它的BL值將會(huì)自動(dòng)減l，必須選擇應(yīng)答服務(wù)才能實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，如果應(yīng)答服務(wù)類型被數(shù)據(jù)包所采用，則可以預(yù)測(cè)50%或更高的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

2 LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信延遲分析

2.1 LonTalk協(xié)議的實(shí)時(shí)特性

有多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)在總線上發(fā)送報(bào)文時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突，根據(jù)退避算法，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送報(bào)文之前等待一段時(shí)間。LonTalk網(wǎng)絡(luò)的通信延時(shí)主要包括以下幾點(diǎn)。

1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)[Ttran]：從數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)隊(duì)列時(shí)起，至目的節(jié)點(diǎn)成功接收該數(shù)據(jù)時(shí)止；

2）數(shù)據(jù)排隊(duì)的延時(shí)[Tque]：從數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)隊(duì)列時(shí)起，到該數(shù)據(jù)所在隊(duì)列的前面數(shù)據(jù)被發(fā)送完時(shí)止；

3）數(shù)據(jù)阻塞的時(shí)間[Tblock]：從節(jié)點(diǎn)將向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)起，到將數(shù)據(jù)真正發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上為止；

4）數(shù)據(jù)發(fā)送的凈延時(shí)[Tframe]：完整的數(shù)據(jù)被一次性成功發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)的幀長(zhǎng)度和比特位時(shí)間[Tbit]等參數(shù)決定了該時(shí)間的大小；

5）通道傳播的延時(shí)[Tprop]：該延時(shí)大小取決于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸速度和目的節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離；

6）接收的延時(shí)[Tdrv]：數(shù)據(jù)被目的節(jié)點(diǎn)完整接收所需要的時(shí)間。

由此得到：

在多數(shù)的實(shí)際控制應(yīng)用中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的新報(bào)文到來(lái)時(shí)，舊的報(bào)文就會(huì)丟失[3]，因此[Tque]可以忽略。總線傳輸距離不是很長(zhǎng)，LonWorks的總線形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最長(zhǎng)距離為2700m[5]，因此[Tprop]和[Tdrv]可以忽略。所以式（1）可簡(jiǎn)化為以下公式：

2.2 信道吞吐量和沖突率

吞吐量：指的是單位時(shí)間內(nèi)，信道成功傳輸?shù)膸颍〝?shù)據(jù)量）。在這里是信道比特率的百分比。設(shè)一個(gè)幀長(zhǎng)度為[L]。

[τsucc]是一個(gè)幀周期傳輸報(bào)文成功的平均時(shí)間長(zhǎng)度；

[τcoll]是一個(gè)幀周期傳送過(guò)程中發(fā)生碰撞的平均時(shí)間長(zhǎng)度。

[dsucc]為平均時(shí)隙個(gè)數(shù)，在此節(jié)點(diǎn)贏得總線使用權(quán)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。

[dcoll]為平均時(shí)隙個(gè)數(shù)，在此節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)程中發(fā)生沖突。

就目前所研究的吞吐量而言，一般取[β1=4bits]，[β2=2bits]，幀長(zhǎng)度[L=96bits]。

沖突率：幀傳輸過(guò)程中發(fā)生沖突的小部分時(shí)間。

3 仿真結(jié)果及其分析

影響LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信延遲的主要因素是不同站點(diǎn)數(shù)下的負(fù)載提供情況，本文是在MATLAB7.4.0軟件環(huán)境下借助于TrueTime工具箱進(jìn)行仿真，來(lái)分析這幾個(gè)參數(shù)對(duì)LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的影響。對(duì)LonTalk MAC算法在不確認(rèn)服務(wù)下仿真，假定數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為12Bytes，信道速率為78kbps。

3.1站點(diǎn)數(shù)（節(jié)點(diǎn)數(shù)）下負(fù)載與信道吞吐量之間的關(guān)系。

由圖2可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)很小時(shí)，即為2以內(nèi)，信道吞吐量隨著所提供負(fù)載的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，吞吐量達(dá)到最大值84%左右，將保持穩(wěn)定，即使負(fù)載再增長(zhǎng)，吞吐量將保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為6時(shí)，信道吞吐量隨著所提供負(fù)載的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，達(dá)到最大值75%左右，將保持穩(wěn)定，即使負(fù)載再增長(zhǎng)，吞吐量將保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)；隨著節(jié)點(diǎn)的持續(xù)增多，信道所達(dá)到的最大吞吐量的值會(huì)持續(xù)下降，便穩(wěn)定在某一范圍之內(nèi)；最后當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到30時(shí)，信道吞吐量所能達(dá)到的最大值只有56%左右。

3.2不同站點(diǎn)數(shù)下負(fù)載與沖突率之間的關(guān)系仿真分析

由圖3可知：當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為30時(shí)，對(duì)應(yīng)所提供的負(fù)載為1600包/秒時(shí)，這時(shí)的信道沖突率是最大的為60%；當(dāng)站點(diǎn)數(shù)減少到24時(shí)，信道沖突率隨著所提供負(fù)載的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)提供的負(fù)載為1600包/秒時(shí)，隨對(duì)應(yīng)的沖突率已減小到52%左右，并將穩(wěn)定在這個(gè)范圍內(nèi)，即使負(fù)載的增加。由圖可以看出，節(jié)點(diǎn)數(shù)越少，所對(duì)應(yīng)的沖突率就越小，最后當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)減少到2時(shí)，信道的沖突率基本保持在5%左右，即使負(fù)載的增加，信道沖突率將保持恒定不變。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載下，如果提供的負(fù)載不超過(guò)400包/秒，節(jié)點(diǎn)數(shù)在一定數(shù)目下，沖突率就能控制在2%以下。

3.3 不同站點(diǎn)數(shù)下的平均訪問(wèn)延時(shí)與負(fù)載之間的關(guān)系仿真分析

由圖3可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為2～30時(shí)，對(duì)應(yīng)所提供的負(fù)載在800包/秒時(shí)，平均訪問(wèn)延時(shí)將保持在最小值，延時(shí)幾乎為0，當(dāng)隨著所提供負(fù)載的增加，平均訪問(wèn)延時(shí)也開(kāi)始相應(yīng)的增加，節(jié)點(diǎn)數(shù)越多的，所對(duì)應(yīng)的平均訪問(wèn)延時(shí)就越大，當(dāng)負(fù)載增加到1600包/秒時(shí)，對(duì)應(yīng)的平均訪問(wèn)延時(shí)達(dá)到3200bit。因此可知網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載情況下，如果所提供負(fù)載不超過(guò)400包/秒，節(jié)點(diǎn)數(shù)在一定數(shù)目下，平均訪問(wèn)延時(shí)在這個(gè)范圍內(nèi)是很小的。

3.4 改善LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的方法：

為滿足工業(yè)或企業(yè)所用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，用以下方法減少LonWorks網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延和沖突：

（1）一般影響網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和信道利用率最為關(guān)鍵的因素是網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，因此可以從LonWorks的介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制入手，從沖突避免方面考慮，可以對(duì)LonTalk協(xié)議的MAC仲裁機(jī)制進(jìn)行硬實(shí)時(shí)改進(jìn)，即通過(guò)選擇網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)送同步幀，去解決因較高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)交替占用總線，而使較低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)得不到總線使用權(quán)的問(wèn)題。從而去避免沖突的發(fā)生。

（2）可以使用基于馬爾科夫鏈的方法對(duì)LonTalk協(xié)議——可預(yù)測(cè)的P-堅(jiān)持CSMA協(xié)議在沖突檢測(cè)情況下對(duì)信道進(jìn)行負(fù)荷效率預(yù)測(cè)分析與研究，分析對(duì)于指定的負(fù)載情況下的馬爾科夫鏈的轉(zhuǎn)移概率，通過(guò)計(jì)算競(jìng)爭(zhēng)窗口的平穩(wěn)分布，和傳輸成功/失敗的概率[6]。來(lái)減少?zèng)_突提高LonTalk協(xié)議的實(shí)時(shí)性能。

（3）也可以從沖突解決方面去考慮，對(duì)LonTalk協(xié)議的軟實(shí)時(shí)性去改進(jìn)，如改進(jìn)二進(jìn)制退避算法，使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臎_突率盡可能小，也就是系統(tǒng)有效吞吐量盡可能大，可以使用增強(qiáng)的二進(jìn)制退避算法—基于馬爾科夫鏈的模型來(lái)分析競(jìng)爭(zhēng)窗口[7]，通過(guò)選擇最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)窗口及動(dòng)態(tài)的估計(jì)要發(fā)送報(bào)文的站點(diǎn)數(shù)目，來(lái)改善LonWorks網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能。

4 結(jié)論

本文對(duì)LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)協(xié)議模型進(jìn)行了分析同時(shí)分析了影響實(shí)時(shí)通信的性能參數(shù)，用MATLAB7.4.0軟件對(duì)不同的站點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）的不同負(fù)載情況下的LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明基于LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)可以滿足目前工業(yè)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)提出了幾種改善LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的可行性方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張?jiān)瀑F，王麗娜，張聲勇，等.LonWorks總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2] 陽(yáng)憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：343-366.

[3] 楊育紅.LON網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[4] 張玉萍.LonWorks總線實(shí)時(shí)通信協(xié)議的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[5] LonTalk Protocol Specification，Version 3.0，Echelon Corporation.

[6] KRISHNA C M；SHIN K G Real-time systems 2001

[7] 茹鋒.控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)時(shí)性能分析與應(yīng)用研究[D].西安交通大學(xué)，2002.