網絡控制系統的時延與數據傳輸技術分析

方 林

（中興通訊股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

網絡控制系統的質量直接影響著數據信息的傳輸質量，但由于網絡控制系統中元件眾多，加上通信寬帶的限制、傳感器信號與控制信號的碰撞交互，不可避免地導致信息傳輸過程中出現延遲現象。為了保證網絡控制系統高效運行，減少信息傳輸延遲，對網絡控制系統中的數據傳輸技術進行詳細分析，總結不同信息數據傳輸技術的特點和相應的網絡協議，從而為人們的生活和工作提供便利[1-3]。

1 網絡控制系統時延產生原因

在互聯網技術的支持下，網絡系統可以將傳感器、執行器以及控制單元整合在一起，在此基礎上構建不同的網絡節點，并對各個網絡階段進行統一的連接和控制，通常以人們常用的分布式系統、工業以太網、現場總線系統等形式出現。網絡控制系統本身具有較好的靈活性和針對性，可以結合實際情況在不同的環境下創建系統。特別是在當前信息技術不斷發展的情況下，各個領域都逐漸實現了信息化創新，可以將網絡控制系統應用到工業控制、運動體控制、樓宇自動化控制等方面[4]。

從客觀上看，網絡控制系統在實踐過程中展現出較高的應用價值，目前正朝著集成化、信息化、分布式以及智能化方向發展。基于網絡控制系統中信號傳輸通道、物理信號編碼、通信協議處理等的競爭，不可避免地導致控制器、執行器和傳感器之間出現延遲，從而造成網絡控制系統的延遲。網絡延遲容易導致系統運行不穩定，個別環路之間甚至出現耦合現象，使得網絡控制系統設計更加復雜。

2 網絡控制系統時延的特點

目前，網絡控制系統時延最主要的特點是不確定性。在互聯網信息傳輸過程中，網絡任務信息是一個設備指令，可以借助網絡節點將信息傳遞給另一個網絡節點，從而實現任務信息的傳遞。網絡任務信息傳遞會經過各層協議，如果信息通過各層協議的過程中出現卡頓，就會導致網絡控制系統出現時延[5-7]。利用網絡將信息從節點A傳給節點B，B方收到信息并給予A方回應，這個過程可能會出現潛在的時延情況，如圖1所示。結合實際情況，網絡控制系統的時延可以分為4部分，分別是發送處理時延Tsend、等待時延Twait、傳輸時延Tts以及接收處理時延Trev。

圖1 網絡控制系統中端到端網絡時延示意圖

3 網絡控制系統中的數據類型

3.1 周期數據

周期數據是網絡控制系統中最常見的一種數據信息類型，由系統對一個既定的外界狀態進行循環檢測生成，例如檢測漲跌變化或數據波動變化。基于數據監測的特殊性，周期數據對時間要求較高，同時不同的周期數據需求對時間的要求也不盡相同，有的復雜設備甚至要求時延不超過毫秒。此外，由于周期數據具備一定程度的截止期限，下一個周期數據生成以后，上一個同類型周期數據就失去了意義，因此截停未及時送達的最新數據十分重要[8]。

3.2 猝發數據

猝發數據是一種產生報警信號和緊急操作指令的數據類型，數據長度較短且網絡占用量低。由于處理該數據容易引發重大危險事件并產生不可逆的結果，因此對數據處理的時間與準確性要求極高。

3.3 非實數據

非實數據對時間的要求相對較低，并且允許存在一定程度的時延情況。非實數據的特點是數據信息量大、寬帶占用率高，通常以文件的形式出現。由于其占用的數據通常是有意義的，不允許丟失，因此需要進行差錯控制，引入重發機制，從而保證非實數據的準確性和完整性。

4 網絡控制系統中的主要數據傳輸技術

4.1 CSMA技術

載波監聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）作為一種總線爭用技術，對任何節點都沒有預約發送時間，在進行數據信息傳輸時存在隨機性。使用CSMA技術進行數據傳輸，如果一個以上的節點同時向總線發送數據信息，那么就需要競爭。根據CSMA技術的規則，任何想要發送數據的節點需要先監聽總線，確保總線空閑后才能發送數據信息。如果出現總線忙碌的情況，則需要等待一段時間后重新發送數據信息。

CSMA技術監聽總線并決定是否發送時，可以采用3種退避算法，分別是不堅持算法、堅持算法、P-堅持算法。CSMA技術的實現很簡單，可以及時響應猝發數據，如果不考慮周期數據的時間限制，還可以滿足截止期限要求。因為CSMA技術隨機征用數據信息道路，數據傳輸的不確定性很大，所以該技術也被認為是不確定的數據傳輸技術手段。如果要應用于測控領域，則需要與其他技術配合[9]。

4.2 令牌輪詢技術

令牌輪詢技術是通過獨立令牌來進行時間控制的傳輸技術，主站之間通過邏輯算法對令牌進行控制調度，以保證時效性。令牌輪詢技術在運行過程中用獨立令牌過渡，在主站之間構成邏輯環，數據信息可以在邏輯環中進行循環傳遞。借助任務調度的方式來滿足周期數據傳輸需求，由于周期數據傳輸的實時性存在差異，因此令牌輪詢技術信息傳輸需具備靜態事先約定、動態調整的特性。令牌輪詢技術自身具備顯著優勢，可以預測最大網絡時延。與此同時，其缺點也比較明顯，即不能處理突發性事件。

4.3 集中式令牌技術

集中式令牌技術與令牌輪詢技術類似，都是通過令牌來作為時間觸發方式的介質。集中式令牌技術在實際應用中主線上有且只有一個節點，這個節點可以對總線進行仲裁，同時根據不同的任務調度需求來展示其他節點，在不同時間發送不同信息。將緩存在存儲系統的指定數據信息傳輸到總線后，個別節點便可以接收信息，只有收到指令之后才有控制權力來執行下一步操作。考慮到周期數據傳輸的數據要求與工作特點，一般可以使用相應的實時調度算法，并在節點中創建任務調度表。相較于令牌輪詢技術，集中式令牌技術的精準性更高，周期數據響應傳遞更加高效。為了提高集中式令牌技術對猝發信息的處理能力，可以考慮在剩余時間中主動放開節點的控制權，通過刺激增加其他節點，讓其他節點奪取猝發數據傳輸權，進而解決突發事件處理速度慢的問題[10]。

5 技術應用協定

在網絡控制系統數據信息傳輸過程中，任何數據傳輸技術都不是孤立存在的，需要結合實際需求對不同數據信息傳輸技術進行協同應用，從而形成不同的技術應用協定，如表1所示。其中Profibus協定一般在令牌輪詢技術里使用，可以對傳輸數據進行分類，并達成優先級控制。基金會總線（Foundation Fieldbus，FF）協定一般在令牌在主站之間傳遞周期數據信息的情況下使用，可以協助令牌輪詢技術處理突發性信息，對需求的時效性等級進行分類。

表1 幾種常見協議的技術構成

6 結 論

綜上所述，為了充分發揮網絡控制系統的價值，應不斷優化網絡控制系統的時延，并深入研究網絡控制系統的數據傳輸技術。借助科學合理的協議來對數據信息傳輸技術進行優化處理，確保網絡控制系統在不同的場景下可以實現高效數據信息傳輸，為社會各領域的產業化、智慧化、信息化發展奠定良好基礎。