一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于CSMA协议的以太网模型设计方法，特别是一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法。包括工业以太网网络信道传输结构模型、传输协议改进模型及网络数据传输捕获效应模型的建立。以现有的时隙非坚持CSMA协议为主要研究协议，通过对现有协议中时隙的再次分割得到数据传输所需新时隙，同时将捕获效应应用于新协议中，由此建立以太网网络模型，从而对以太网网络传输数据进行传输特性分析；相对于由原有的时隙非坚持CSMA协议模型，所建立的模型更加实时可靠。同时所建立的模型不仅减少了信道冲突、未利用等缺陷，提高了工业以太网网络的实时性，极大改善了工业以太网网络承担数据的传输效果。

An Ethernet model design method based on slotted non-persistent CSMA

【技术实现步骤摘要】
一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法
本专利技术涉及一种基于CSMA协议的以太网模型设计方法，特别是一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，可用于解决工业以太网通信网络系统由于信道传输冲突、信道空闲未利用等缺陷而引起的工业以太网网络系统的可靠性及实时性下降的问题，为工业以太网通信网络的应用及其理论研究提供基础平台。
技术介绍
以太网(Ethernet)是遵循IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络，也是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，其传输速率有10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s、10Gbit/s四种，能满足以太网快速、实时、可靠的控制要求，在动车组、地铁列车及城轨车辆等实时性要求较高的工业控制领域中得到了广泛的运用。当前以太网主要采用星型和总线型结构，其每个站点都能独立地决定帧的发送，若两个或多个站点同时向总线上发送帧，就会产生介质访问冲突(无信道复用下)，导致所发送的帧都产生碰撞被丢弃。因此，在这种以太网网络中，一个用户数据发送的成功与否，很大程度上取决于发送数据时是否会与其它用户发送的数据产生总线介质争用。为了解决总线占用的问题，提出了CSMA(载波侦听多路访问)协议，该技术能有效的确保每个站点在向总线上发送数据时，其它站点均不发送数据，同时使各个站点能尽快地检测到总线介质是否空闲。CSMA技术先侦听要访问的信道，若信道忙，则避让随机时间，不发送数据，仅当侦听到信道空闲时才进行数据发送。但由于以太网采用带冲突避免的载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance，CSMA/CA)的介质访问机制，利用1-坚持CSMA协议和二进制指数退避BEB算法处理报文冲突，这决定了普通的以太网在实时性上具有不确定性。通过对数据传输策略的理论、对实时性的影响因素额以及性能指标进行分析来提高以太网网络数据传输的实时性和可靠性，进而达到提高以太网网络系统性能的目的。基于此研究背景衍生出冗余技术、可靠性技术、总线供电、工业以太网实时性保障机制、功能安全等关键技术的研究。网络性能的优化及系统设计的关键是提高以太网网络实时性。目前，主流的对以太网实时性进行研究的方法主要包括了基于拓扑结构来、基于实时调度策略、基于以太网传统协议进行改进以及基于逻辑电路等。然而现有的方法各自有一些降低数据传输实时性的缺点，例如无法完全支持高速以太网、平稳性不够、无法进行交叉通信，因此它们都存在着一定的局限性。综上所述，提高以太网网络实时性是改进整个网络通信系统性能的核心
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有以太网网络存在的数据传输冲突等问题，提出一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法。本专利技术包括工业以太网网络信道传输结构模型、传输协议改进模型及网络数据传输捕获效应模型的建立。以现有的时隙非坚持CSMA协议为主要研究协议，通过对现有协议中时隙的再次分割得到数据传输所需新时隙，同时将捕获效应应用于新协议中，由此建立以太网网络模型，从而对以太网网络传输数据进行传输特性分析；相对于由原有的时隙非坚持CSMA协议模型，所建立的模型更加实时可靠。同时所建立的模型不仅减少了信道冲突、未利用等缺陷，提高了工业以太网网络的实时性，极大改善了工业以太网网络承担数据的传输效果。所述的工业以太网通信网络信道传输结构模型主要考虑了接入点与终端之间的距离所造成的路径损耗，以及由于建筑物与其他障碍物的遮挡所造成的阴影衰落，并对路径损耗与阴影衰落分别建模。接收到的信号功率随着接入点与终端之间的距离增加而单调下降，则称之为路径损耗。同时基于理论和实际测量的传播模型都表明，室内或室外的信道中，平均接收功率(dBm)与发射机和接收机之间的距离的对数成反比，即：同时由于信号在信道传播中遇到障碍物会使信号发生随机变化，从而造成给定距离处接收信号功率的随机变化，反射体和散射体的变化也会造成接收信号功率的随机变化。因此，需要建立一个模型来描述这些因素造成的信号随机衰减。最常见的模型则是对数正态阴影模型，衰落的标准差则在6-10dB之间。所述工业以太网网络传输协议改进模型为了解决原有的时隙非坚持CSMA协议传输数据冲突以及重传的问题，通过采用时隙再分割的方法，建立新的时隙非坚持CSMA协议。由于数据包只能在再分割的时隙开始进行传输，在当前时隙中产生的数据包只能在下一时隙开始进行传输，从而减少数据包碰撞的概率。所述工业以太网网络数据传输捕获效应模型利用了捕获效应的特性，即在一个网络系统中，当两个信号在接收端具有几乎相等的幅度时，相对幅度的较小差别会使得两个信号中较强的一个占据支配地位，在解调输出端取代另一个信号。因此当数据包发生碰撞时，根据是否考虑捕获效应，分别对碰撞的数据包进行不同的处理，从而提高数据传输成功率。与现有构建工业以太网通信网络数据传输通信建模的设计方法相比，本专利技术具有以下优点。本专利技术涉及符合TCP/IP标准的工业以太网网络控制系统，即涉及一种基于CSMA协议的以太网模型设计方法，特别是一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，通过所建立模型对工业以太网网络处于多时隙下传输数据的信道变化所引起的参数变化进行分析，保持信道容量、等待时间和数据产生间隔等参数指标的浮动变化，降低了数据冲突、丢失等，从而保证传输的可靠性、实时性等。为工业以太网网络应用及其理论研究提供基础平台，缩短研发周期。附图说明图1为本专利技术的工业以太网网络模型设计图图2为本专利技术的工业以太网网络通信系统模型示意图图3为本专利技术的工业以太网网络吞吐量仿真结果比较图图4为本专利技术的工业以太网网络延迟仿真结果比较图图5为本专利技术的工业以太网网络时隙仿真结果比较图具体实施方式下面结合附图对本专利技术作出进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术设计方法主要分为三个部分：工业以太网网络信道传输结构模型、工业以太网网络传输协议改进模型及工业以太网网络数据传输捕获效应模型，并由此搭建工业以太网网络通信系统模型。首先，本专利技术在信道模型内对路径损耗与阴影衰落进行建模，从而保证了距离与障碍物所导致的变化在数据传输时的稳定；保证信道稳定后，关注原时隙非坚持CSMA协议，将其原有的时隙进行再分割，数据包只能在再分割的时隙开始进行传输，在当前时隙中产生的数据包只能在下一时隙开始进行传输，从而减少数据包碰撞的概率，改进该协议；最后，在数据包传输冲突时，根据是否考虑捕获效应，分别对碰撞的数据包进行不同的处理：当不存在捕获效应时，所有冲突的包都被丢弃，数据包作为发送失败处理。若无冲突，产生的数据包依次传送到目的地；当存在捕获效应时，若数据包发生冲突，具有最大接收功率的数据包可能仍会被正确接收。将工业以太网网络信道传输结构模型、工业以太网网络传输协议改进模型及工业以太网网络数据传输捕获效应模型结合起来就构成了工业以太网网络通信系统模型。如图2所示，该模型包含了一个接入点以及多个终端，终端具有相同性能且带有缓冲区，数据包产生后，首先存储在缓冲区中，并按照数据链路层中的算法原则进行数据包的传输。当缓冲区容量有限时，在数据包充满缓冲区后，新产生的数据包将会被丢弃，故称之为阻塞。若数据包已经入缓冲区，却没有成功传输到接入点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，其特征在于：本专利技术包括工业以太网网络信道传输结构模型、传输协议改进模型及网络数据传输捕获效应模型的建立。以现有的时隙非坚持CSMA协议为主要研究协议，通过对现有协议中时隙的再次分割得到数据传输所需新时隙，同时将捕获效应应用于新协议中，由此建立以太网网络模型，从而对以太网网络传输数据进行传输特性分析。

【技术特征摘要】
1.一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，其特征在于：本发明包括工业以太网网络信道传输结构模型、传输协议改进模型及网络数据传输捕获效应模型的建立。以现有的时隙非坚持CSMA协议为主要研究协议，通过对现有协议中时隙的再次分割得到数据传输所需新时隙，同时将捕获效应应用于新协议中，由此建立以太网网络模型，从而对以太网网络传输数据进行传输特性分析。2.根据权利要求1所述的一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，其特征在于：所述的工业以太网通信网络信道传输结构模型主要考虑了接入点与终端之间的距离所造成的路径损耗，以及由于建筑物与其他障碍物的遮挡所造成的阴影衰落，并对路径损耗与阴影衰落分别建模。3.根据权利要求2所述的一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，其特征在于：接收到的信号功率随着接入点与终端之间的距离增加而单调下降，则称之为路径损耗。同时基于理论和实际测量的传播模型都表明，室内或室外的信道中，平均接收功率(dBm)与发射机和接收机之间的距离的对数成反比，即：4.根据权利要求1所述的一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，其特征在于：所述工业以太网网络传输协议改进模型为了解决原有的时隙非坚持CSMA协议传输数据冲突以及重传的问题，通过采用时隙再分割的方法，建立新的时隙非坚持CSMA协议。由于数据包只能在再分割的时隙开始进行传输，在当前时隙中产生的数据包只能在下一时隙开始进行传输，从而减少数据包碰撞的概率。5.根据权利要求4所述的一种基于时隙非坚持CSMA的以太网模型设计方法，其特征在于：在其中的工业以太网网络传输协议改进模型中，假设数据传输速率为R(bps)，需要传输的数据比特数位为Tt，产生的业务量G为单位时间内新产生的数据包和重传的数据包之和，即(若数据包为0，则G为0)。假设每个数据包包含的信息比特数为T,且在单位时间内成功传输的数据包个数为n，归一化吞吐量S为单位时间内成功传输到接入点的数据包总和，则若无数据包产生，或所有传输数据包由于碰撞被丢弃，则吞吐量Smin＝0；若在所有单位时间内，所有数据包被成功传输，则吞吐量Smax＝1。若负载大于某个门限，平均传输时延将急剧增加。设成功传输数据包个数达到total＝5000时，传输成功的数据包与传输失败的数据包总的传输延迟时间Tw，则平均传输延迟Tdelay为同时，在原时隙非坚持CSMA协议中，时隙长度定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏志，戚小莎，王晓宇，胡黄水，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22