交換式以太網周期性實時數據的混合調度

畢 昆

(華中科技大學 控制科學與工程系,湖北武漢430074)

一、引言

交換式以太網的出現改善了共享式以太網由CSMA/CD策略引起的沖突和時延的不確定性。然而,交換式以太網的一個重要問題是,交換機中各種數據競爭網絡資源的問題。交換機中有效的優先級調度顯得十分必要。RM調度策略根據信息周期的長短進行調度,采用該靜態調度策略,系統計算開銷較小,然而一旦實時數據周期相同,則調度失敗。有學者通過在周期性數據幀中引入截止期限(Deadline)字段,采用最早截止期優先(Earliest Deadline First,EDF)動態調度來保證周期性實時數據的有效調度,然而動態計算截止期,運行開銷較大。

本文結合速率單調(Rate Monotonic,RM)和最大誤差優先(Maximum Error First,MEF)提出一種RM-MEF(Rate Monotonic-Maximum Error First, RM-MEF)混合調度策略。首先根據實時數據周期長短來確定優先級,周期短的數據優先發送,若實時數據周期相同,則根據誤差大小來判斷優先級,數據誤差大則優先發送。在RM策略失效時使用MEF方法,彌補了RM策略的缺陷,同時, MEF策略保證了誤差較大的數據優先傳輸,改善了控制系統動態性能。由于僅在RM失效時調用MEF動態策略,該混合調度策略計算開銷較小。

二、系統描述

控制網絡區別于通訊網絡,其數據包短而頻繁,且實時性要求高。一般的交換式以太網網絡控制系統模型如圖1所示。該網絡控制系統有1個控制器節點,n個傳感器節點。采樣數據輸出通過交換式以太網傳輸給控制器節點。控制器根據傳輸來的數據制定控制策略,驅動被控對象。當然,控制信息也可能通過網絡傳輸給驅動器,此處僅討論傳感器信息在交換機中的調度問題。假設控制器是事件驅動的,各傳感器是時間驅動的,即各采樣數據是周期性的,并且一旦采樣立即傳輸(單包傳輸)。

圖1 交換式以太網控制系統

采用交換式以太網將網絡分段,避免了不同節點信息由于CSMA/CD策略引起的沖突和時延的不確定性。然而,由于傳感器反饋信息在交換機處產生了排隊時延,使得傳感器發出的信息與控制器接收到的信息之間產生了差異,從而影響了已經設計好的閉環系統的控制性能。在采樣數據頻繁,控制實時性要求高的場合,排隊延遲不能被忽略,甚至可能造成系統不穩定。這時在以太網交換機中引入有效的調度機制合理的調度數據包的傳輸,使對控制系統性能影響大的數據優先發送,變得十分重要。

對于一個已經設計好的控制器,我們希望盡量減小由于網絡而引入的隨機時延τ。假設第 k周期其網絡時延為τ(k),那么對于這個系統越小,網絡對這個系統的影響越小。推廣到多個節點的情況,假設系統有 n個節點,τj(i)表示第j個節點,第 i個周期的網絡誘導時延。由此,我們使用網絡調度策略調度周期性實時數據的目的就是盡可能的減小

三、周期性實時信息的調度

已有多位學者針對交換式以太網做過時延分析,并得出結論,在交換式以太網中,數據的排隊時延是時延的主要部分。因此提出有效的隊列調度策略,減小數據的排隊時延是提高控制性能的關鍵。

在分布式系統中,控制信息一般是以周期信息的形式出現的,因此周期性實時數據的調度是控制網絡最關心的問題。RM調度算法是一種直接且簡便易行的靜態調度算法,根據實時信息周期的長短設置優先級,其優先級一旦固定下來將一直按照該優先級進行判定。由于計算量小,該方法非常適用于交換機的優先級調度。然而,正是由于RM調度策略以實時信息的周期長短作為優先級判定標準,致使控制系統中的大量采樣周期相同的實時信息無法得到有效的調度,影響了控制性能。

a)RM-MEF策略基本流程

受Walsh在CAN總線上使用的MEF-TOD調度策略啟發,本節提出一種適用于交換式以太網的RM-MEF混合調度算法。其基本的調度流程如圖2所示。當來自多個節點的數據在交換機緩沖區中形成隊列時,首先根據預先制定好的RM調度策略,根據周期長短來確定實時信息的優先級。當發現多個數據采樣周期相同時,調用MEF策略,通過判定本次數據和上次數據的差別來決定其優先級,認為本次數據和上次數據差別越大,本次數據越重要,要優先傳送。

在控制系統中,變化較大的量通常是在系統發生動態過程的時候,動態數據的實時性直接影響到系統的動態性能指標和穩定性。因此優先傳輸變化量較大的數據有利于系統的動態性能優化。

圖2 RM-M EF策略基本調度流程

b)幀格式

根據MEF規則調度就需要區分數據的變化率,變化率大的優先級高。在利用IEEE 802.1Q優先級協議將數據進行分類的基礎上,在運輸層以上定義優先級字段。由于控制信息一般實時性要求高,因此在運輸層采用簡單快速的UDP協議。在UDP層添加一個4字節的“RM-MEF優先級字段”,為周期性實時數據提供優先級服務,整個以太網幀格式如圖3所示。

圖3 帶優先級字段的以太網幀格式

其中4字節的RM-MEF優先級字段中：前2個字節用于指示該實時數據的周期,后2個字節指示當前數據包傳輸的數據和上次數據的變化量,該變化量以百分比形式表示。優先級字段的格式如圖4所示。

圖4 RM-MEF優先級字段

四、仿真分析

考慮一個有8個被控對象的網絡控制系統,每個控制對象都是一個直流電機,反饋信息通過交換式以太網傳回控制器,控制器直接驅動直流電機。各對象控制周期信息如表1所示。

表1 各被控對象控制周期

由于5、6號電機具有最短的控制周期,根據RM規則其數據包優先級要高于其他被控對象。然而1、2、3、4號電機由于控制周期相同,當來自這些控制對象的多個數據包同時到達交換機并在交換機中形成隊列時,根據RM規則已無法決定其優先級,從而出現RM規則失效的情況。而RM -MEF規則則能很好的解決這一問題,當RM規則失效時,使用MEF規則,對數據變化量大的數據進行優先調度,從而能改善網絡控制系統的動態性能。

在分別使用RM調度策略和RM-MEF調度策略的情況下,對3號直流電機對象的動態性能進行了仿真比較分析,其階躍響應如圖5所示。

圖5 不同調度略下的響應曲線

仿真結果顯示,在本仿真中,使用RM-MEF策略時,3號電機的動態性能要好于使用RM調度策略的情況。主要表現在,縮短了系統上升時間和調節時間,系統的快速性加強了。可見RM -MEF策略相對于RM策略,減少了系統的調節時間,提高了動態響應速度。在具有同周期信息較多的場合,如多電機同步運動控制系統等對動態性能要求較高的場合中,能提高系統的快速響應特性。

五、結論

在交換式以太網所組成的網絡控制系統中,減少網絡的不確定時延的最有效的途徑是對數據進行有效調度。在多電機協調運動控制系統中,周期性實時數據是控制網絡中的主要數據類型,并且多數情況下,多運動軸各單元的控制周期相同,當周期相同的數據在交換式以太網中形成隊列的情況下,對周期性實時信息的調度會直接影響控制系統的整體性能。根據仿真實驗可以看到,RM-MEF混合調度算法在具有相同控制周期較多的場合,其調度性能要明顯好于單純的RM調度方式。根據控制系統的動態變化量來讓具有最大偏差的數據得以優先調度,從而提高了系統的快速響應性能。這種調度方式在多軸協同運動控制系統這類場合是十分有用的。

[1]Zhang Qi-zhi,Zhang Wei-dong.Priority Scheduling in Switched Industrial Ethernet.In：Proceedings of American Control Conference,Portland,OR,USA,2005.

[2]王萬良,蔣一波等.網絡控制與調度方法及其應用[M].北京：科學出版社,2009.

[3]Walsh GC,Ye Hong.Scheduling of networked control systems [J].IEEEControl SystemsMagazine,2001,21(1)：57-65.