基于工業(yè)以太網(wǎng)的工控領(lǐng)域流量管控設(shè)計(jì)

張根寶　張乃方

摘要：針對(duì)目前工業(yè)以太網(wǎng)有向下延伸進(jìn)入控制層的趨勢(shì)，加之工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)“一網(wǎng)到底”理念的出現(xiàn)，在此提出一種面對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)貫穿辦公管理層、數(shù)據(jù)通信層和設(shè)備層的企業(yè)級(jí)管控一體化全開放網(wǎng)絡(luò)的流量管控設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于令牌桶算法和漏桶算法，對(duì)其加以改進(jìn)，添加調(diào)度模塊和再分配模塊等，以此達(dá)到盡可能將令牌都用于傳輸數(shù)據(jù)的目的，并添加面對(duì)數(shù)據(jù)流突發(fā)時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：一網(wǎng)到底；工業(yè)以太網(wǎng)；流量管控；令牌桶；漏桶

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）14-0029-04

1背景

目前，工控領(lǐng)域大多采用分層的控制網(wǎng)絡(luò)，其標(biāo)準(zhǔn)形式為三層，從上到下依次為辦公管理層（多采用商業(yè)以太網(wǎng)）、數(shù)據(jù)通信層（多采用工業(yè)以太網(wǎng)）和設(shè)備層（多采用現(xiàn)場(chǎng)總線）。隨著工業(yè)以及自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，控制系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，且以管理與控制一體化為目標(biāo)，要求有更多的信息參與到工廠管理中去。在眾多的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，工業(yè)以太網(wǎng)脫穎而出，日益表現(xiàn)出其在控制網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)，并且有逐漸向下延伸進(jìn)入控制層的趨勢(shì)，也成為統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線的希望，致使出現(xiàn)“一網(wǎng)到底”的曙光。故在此提出一種基于改進(jìn)的令牌桶算法的流量管控設(shè)計(jì)，其能將各不同優(yōu)先級(jí)的各分組類型的多余令牌重新分配，盡量避免帶寬浪費(fèi)現(xiàn)象；同時(shí)增加調(diào)度模塊，在保證重要流量正常發(fā)送的同時(shí)用以完成有數(shù)據(jù)流突發(fā)情況時(shí)的令牌調(diào)用功能。

2流量管控設(shè)計(jì)

流量管控總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

其基本組成如下：

1）流分類器：根據(jù)報(bào)文頭部類型信息或其特征字段對(duì)不同報(bào)文進(jìn)行分類。

21令牌生成器：以一定速度生成令牌。

3）調(diào)度模塊：當(dāng)有數(shù)據(jù)流突發(fā)時(shí)用于調(diào)度令牌，根據(jù)不同情況完成不同調(diào)度策略的令牌調(diào)度工作。

4）再分配模塊：把各個(gè)令牌桶中多余出來(lái)的令牌按再分配規(guī)則進(jìn)行分配。

5）漏桶模塊：限制某類數(shù)據(jù)流最終帶寬占用，即防止過(guò)度占用帶寬。

2.1再分配模塊

該流量管控設(shè)計(jì)打破以往令牌桶算法的傳統(tǒng)模型，把其令牌桶和令牌生成器分開，在兩者之間加入調(diào)度模塊和再分配模塊。再分配模塊用于再度分配令牌，當(dāng)某些令牌桶未滿或其內(nèi)令牌數(shù)低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，新產(chǎn)生的令牌全部被放入相應(yīng)令牌桶中，以防此類令牌桶對(duì)應(yīng)類型的數(shù)據(jù)可能突發(fā)的情形；當(dāng)某些令牌桶已裝滿或其內(nèi)令牌數(shù)高于某設(shè)定值時(shí)，新生成的令牌不會(huì)因溢出而被丟棄，而是被再分配模塊重新分配到其他令牌不足的令牌桶。這樣就能很好地避免新生成令牌的浪費(fèi)，盡可能地將所有令牌都用于傳輸數(shù)據(jù)。

再分配流程如圖2所示。

再分配流程如下：

1）某令牌生成器新生成一個(gè)令牌，若其對(duì)應(yīng)的令牌桶不滿或其內(nèi)令牌數(shù)低于某設(shè)定值，則把該令牌放進(jìn)對(duì)應(yīng)令牌桶；若其對(duì)應(yīng)的令牌桶已滿或其內(nèi)令牌數(shù)高于某設(shè)定值，則把該令牌在同級(jí)同類分配器中進(jìn)行再分配。

2）同級(jí)同類分配器負(fù)責(zé)管控同一優(yōu)先級(jí)下相同類型的不同數(shù)據(jù)流總流量，掃描其下所管控的所有其他令牌桶，看是否有令牌不滿或其內(nèi)令牌數(shù)低于某設(shè)定值的令牌桶。若有，則可按一定規(guī)則分配給其中一個(gè)滿足條件的令牌桶，再分配過(guò)程結(jié)束；若沒(méi)有，則把令牌交給同級(jí)分配器。

3）同級(jí)分配器負(fù)責(zé)管控同一優(yōu)先級(jí)下不同類型的數(shù)據(jù)流總流量，掃描其下所管控的其他類型的同級(jí)同類分配器，看是否有令牌不滿或其內(nèi)令牌數(shù)低于某設(shè)定值的令牌桶。若有，則可按一定規(guī)則分配給對(duì)應(yīng)同級(jí)同類分配器，轉(zhuǎn)至2）；若沒(méi)有，則把令牌交給跨級(jí)分配器。

4）跨級(jí)分配器負(fù)責(zé)管控不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流總流量，掃描其下所管控的其它優(yōu)先級(jí)的同級(jí)分配器，看是否有令牌不滿或其內(nèi)令牌數(shù)低于某設(shè)定值的令牌桶。若有，則可按一定規(guī)則分配給其對(duì)應(yīng)的同級(jí)分配器，轉(zhuǎn)至3）；若沒(méi)有，則丟棄令牌。

2.2調(diào)度模塊

再分配模塊的目的在于盡力避免新生成令牌的浪費(fèi)，將原本可能因溢出而丟棄的令牌通過(guò)再分配放進(jìn)不滿的令牌桶，而調(diào)度模塊則是完成令牌調(diào)度工作。當(dāng)某數(shù)據(jù)流有突發(fā)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)耗盡其令牌桶內(nèi)所有令牌的情況，即分配給該數(shù)據(jù)流的令牌暫時(shí)出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生這樣的情況時(shí)，可以通過(guò)從其他數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)的令牌桶中抽調(diào)令牌以解“燃眉之急”。

為了保證高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流正常收發(fā)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)抽調(diào)低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的令牌時(shí)，可以采取附加較小限制或不加限制的措施；對(duì)于低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流，當(dāng)其向高優(yōu)先級(jí)抽掉令牌時(shí)，可以采取附加適當(dāng)限制的措施或直接不允許數(shù)據(jù)流向比它優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)流抽調(diào)令牌。經(jīng)綜合考慮，為了避免循環(huán)嵌套抽調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生，以及為了降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，在此設(shè)定不允許低優(yōu)先級(jí)向高優(yōu)先級(jí)抽調(diào)令牌。為了對(duì)令牌抽調(diào)加以限制，引入?yún)?shù)：令牌借用閾值Y、令牌借用數(shù)J和更新周期t。Y為大于零的固定值，J為初始值為零的動(dòng)態(tài)參數(shù)，每過(guò)時(shí)間t參數(shù)J被清零。某數(shù)據(jù)流抽掉一次令牌，其對(duì)應(yīng)J值加一，當(dāng)其J值大于Y值時(shí)，將無(wú)法再抽掉令牌，需等待其，值再次被清零。調(diào)度流程如圖3所示。

調(diào)度流程如下：

1）某數(shù)據(jù)流的令牌桶T耗盡其所分配的令牌，調(diào)度模塊掃描同優(yōu)先級(jí)同類型其他數(shù)據(jù)流的令牌桶，看是否存在剩余令牌數(shù)大于某設(shè)定值的同優(yōu)先級(jí)同類型令牌桶。

2）若存在符合條件的令牌桶，看該令牌桶的參數(shù)是否滿足T_Y-T_J>0。若滿足，轉(zhuǎn)至5）；若不滿足，轉(zhuǎn)至6）。

3）若不存在剩余令牌數(shù)大于某設(shè)定值的同優(yōu)先級(jí)同類型令牌桶，調(diào)度模塊掃描同優(yōu)先級(jí)不同類型的其他數(shù)據(jù)流的令牌桶，看是否存在剩余令牌數(shù)大于某設(shè)定值的同優(yōu)先級(jí)不同類型令牌桶。若存在，轉(zhuǎn)至2）。

4）若不存在剩余令牌數(shù)大于某設(shè)定值的同優(yōu)先級(jí)不同類型令牌桶，調(diào)度模塊掃描低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流的令牌桶，看是否存在剩余令牌數(shù)大于某設(shè)定值的低優(yōu)先級(jí)令牌桶。若存在，轉(zhuǎn)至2）；若不存在，轉(zhuǎn)至6）。

5）抽掉令牌。

6）結(jié)束調(diào)度。

2.3漏桶模塊

漏桶算法不同于令牌桶算法之處在于令牌桶算法輸出速度主要取決于令牌產(chǎn)生速度或當(dāng)前桶內(nèi)令牌數(shù)，而漏桶算法輸出速度是固定的，取決于桶底小孔的大小。通過(guò)將漏桶放置于令牌桶后面起到降低某段時(shí)間內(nèi)的峰值速率。同一類型的所有令牌桶后放置一個(gè)漏桶，漏桶控制同一類型所有數(shù)據(jù)流的最高速率之和。

3模擬仿真

本流量管控設(shè)計(jì)意在面向有“一網(wǎng)到底”趨勢(shì)的工業(yè)以太網(wǎng)，對(duì)“一網(wǎng)到底”情形下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量加以合理管控。工業(yè)以太網(wǎng)憑借其良好的兼容性和廣泛的開放性，當(dāng)“一網(wǎng)到底”于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及實(shí)際使用情況必定十分復(fù)雜，對(duì)其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真難度可想而知，故在此只作簡(jiǎn)單的性能模擬，重點(diǎn)在于對(duì)算法設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。NS2是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器，由UC Berkeley開發(fā)而成，本質(zhì)上是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。

假設(shè)在整網(wǎng)中有三個(gè)優(yōu)先級(jí)a、b、c（優(yōu)先級(jí)從高到低依次為a、b、c）。優(yōu)先級(jí)a對(duì)應(yīng)兩種數(shù)據(jù)類型，其中類型1有兩條數(shù)據(jù)流，分別為a11和a12，類型2有一條數(shù)據(jù)流a21；優(yōu)先級(jí)b有一種數(shù)據(jù)類型，其中類型1有一條數(shù)據(jù)流b11，類型2有一條數(shù)據(jù)流b21；優(yōu)先級(jí)c有一種數(shù)據(jù)類型，其中類型1有一條數(shù)據(jù)流e11。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)總帶寬為100M，通過(guò)不同優(yōu)先級(jí)不同類型令牌桶后的漏桶模塊限制某類數(shù)據(jù)的最大使用帶寬，設(shè)定優(yōu)先級(jí)a類型1的漏桶最大通過(guò)30MB/s，優(yōu)先級(jí)a類型2的漏桶最大通過(guò)30MB/s，優(yōu)先級(jí)b類型1的漏桶最大通過(guò)25MB/s，優(yōu)先級(jí)b類型2的漏桶最大通過(guò)10MB/s，優(yōu)先級(jí)c類型1的漏桶最大通過(guò)5MB/s。假定a11的額定輸出速度為15M/s，a12的額定輸出速度為15MB/s，a21的額定輸出速度為20MB/s，b11的額定輸出速度為20MB/s，b21的額定輸出速度為10MB/s，c11的額定輸出速度為5MB/s。

3.1模擬測(cè)試1

當(dāng)發(fā)送a11為5MB/s的數(shù)據(jù)流，逐漸增加a21數(shù)據(jù)流至25MB/s、b11數(shù)據(jù)流至25MB/s，其他數(shù)據(jù)流均按額定速度發(fā)送時(shí)，各數(shù)據(jù)流情況如下表1所示。

由于發(fā)送a11為5MB/s的數(shù)據(jù)流，而a11額定發(fā)送速率為15MB/s，故多出10M帶寬可分配。假定a21和b11發(fā)生數(shù)據(jù)流突發(fā)情況發(fā)送速度增至25MB/s，而a21和b11額定輸出速度均為20MB/s，此時(shí)a21和b11可以暫時(shí)使用a11空閑的10M帶寬，當(dāng)使用多出的10M帶寬后其通行速度均為25MB/s，都未超過(guò)其后漏桶模塊的最大限速，故a21和b11最終通行速度為25MB/s。由于優(yōu)先級(jí)c類型1后的漏桶限流為5MB/s，故c11數(shù)據(jù)流單位時(shí)間通行速度為5MB/s，其他數(shù)據(jù)流均按額定速度發(fā)送，按額定速度正常通行。

3.2模擬測(cè)試2

當(dāng)發(fā)送a11為5MB/s的數(shù)據(jù)流，逐漸增加a21數(shù)據(jù)流至27MB/s、b11數(shù)據(jù)流至25MB/s，減少c11數(shù)據(jù)流至5MB/s，其他數(shù)據(jù)流均按額定速度發(fā)送時(shí)，各數(shù)據(jù)流情況如下表2所示。

由于發(fā)送a11為5MB/s的數(shù)據(jù)流，而a11額定發(fā)送速度為15MB/s，故多出10M帶寬可分配。假定a21發(fā)生數(shù)據(jù)流突發(fā)情況，其發(fā)送速度增至27MB/s，b11也發(fā)生數(shù)據(jù)流突發(fā)情況，其發(fā)送速度增至25MB/s，而a21和b11的額定發(fā)送速度均為20MB/s，由于再分配模塊是優(yōu)先分配同一優(yōu)先級(jí)的各數(shù)據(jù)流，故a21獲得多出的7M帶寬，b11獲得多出的3M帶寬。a11通行速度為27MB/s，b11通行速度為27MB/s，且都未超過(guò)其后漏桶限定的最大通行速度，故a21最終通行速度為27MB/s，b11最終通行速度為23MB/s。其他數(shù)據(jù)流均按額定速度發(fā)送，按額定速度正常通行。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種流量管控設(shè)計(jì)，針對(duì)基于工業(yè)以太網(wǎng)的工控網(wǎng)絡(luò)，意在對(duì)工控領(lǐng)域“一網(wǎng)到底”的實(shí)現(xiàn)做出探索。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)令牌桶算法做出改進(jìn)，添加再分配模塊以彌補(bǔ)傳統(tǒng)令牌桶算法因溢出而存在的令牌浪費(fèi)現(xiàn)象，盡力避免新生成令牌的浪費(fèi)，將新生成的令牌盡可能地都用于傳輸數(shù)據(jù)；其次加上調(diào)度模塊，以在因某數(shù)據(jù)流突發(fā)而耗盡令牌時(shí)完成緊急抽調(diào)令牌的工作。最后加以漏桶模塊來(lái)對(duì)某類型數(shù)據(jù)的最終占用帶寬加以限制，完成對(duì)流量的管控功能。經(jīng)性能模擬達(dá)到預(yù)期效果。