面向制造的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,尤其在制造領(lǐng)域中,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和推廣取得了令人矚目的成績。制造網(wǎng)絡(luò)可以被認(rèn)為是通過先進(jìn)制造模式(如制造網(wǎng)格和云企業(yè)等)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化資源共享管理機(jī)制和曲Internet實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的集成,因此服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障和優(yōu)化的觀念對(duì)于制造網(wǎng)絡(luò)尤其重要,一方面需要保證用于數(shù)據(jù)傳輸和交互的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的良好運(yùn)行性能,另一方面還需要對(duì)各類網(wǎng)絡(luò)化

2、的制造資源進(jìn)行有效管理,以提升相關(guān)制造企業(yè)的運(yùn)行效率以及協(xié)同和資源共享能力。在制造網(wǎng)絡(luò)中,如果沒有QoS機(jī)制的支持,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)企業(yè)系統(tǒng)的性能都將降低,各類制造資源也無法得到有效利用。針對(duì)上述問題,按照“相關(guān)理論--關(guān)鍵技術(shù)--應(yīng)用系統(tǒng)”的研究路線,本文對(duì)面向制造的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,開展的主要工作如下:
　　 (1)討論了制造網(wǎng)絡(luò)QoS的概念,建立了制造網(wǎng)絡(luò)整體QoS保證模型,提出了QoS導(dǎo)向的制造網(wǎng)絡(luò)服

3、務(wù)體系框架。該體系框架集成了網(wǎng)絡(luò)化資源服務(wù)管理和通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)兩部分的QoS策略,一方面采用蜜蜂優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)制造資源服務(wù)的QoS管理,另一方面在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中利用網(wǎng)絡(luò)QoS策略以滿足資源服務(wù)管理對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的需求。此外,基于系統(tǒng)自上而下的QoS參數(shù)映射機(jī)制使整體QoS性能優(yōu)化的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。
　　 制造網(wǎng)絡(luò)中底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)傳輸和交互的前提和支撐,在后續(xù)的內(nèi)容中,主要面向制造中底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的QoS性

4、能優(yōu)化展開相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。
　　 (2)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control System,NCS)是制造網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用系統(tǒng)之一。NCS中分組傳遞時(shí)延的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性對(duì)系統(tǒng)控制性能有著較大影響,因此網(wǎng)絡(luò)分組傳遞的單向時(shí)延估計(jì)對(duì)于NCS控制性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。分析了當(dāng)前單向時(shí)延估計(jì)算法存在的不足,提出了一種適用于NCS、結(jié)合在線式測(cè)量和端到端估計(jì)的混合式單向時(shí)延估計(jì)算法--HOWDE。該算法針對(duì)NCS的運(yùn)行方式

5、和特點(diǎn)而設(shè)計(jì),僅對(duì)系統(tǒng)中控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延采用在線式測(cè)量方法進(jìn)行估計(jì),并將其作為端系統(tǒng)運(yùn)算的參考標(biāo)量,而對(duì)于后續(xù)前向和反向通道中的單向時(shí)延,則采用端到端的估計(jì)方法,基于前期獲得的控制啟動(dòng)初始幀參考標(biāo)量,結(jié)合系統(tǒng)兩端統(tǒng)計(jì)所得的RTT值,通過端系統(tǒng)的運(yùn)算得出分組傳遞的單向時(shí)延估計(jì)值。從而在準(zhǔn)確獲取NCS中前向和反向通道的單向時(shí)延值的同時(shí),不會(huì)給系統(tǒng)造成過多的計(jì)算開銷和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。
　　 (3)高速網(wǎng)絡(luò)是Future Intern

6、et的發(fā)展方向之一,制造網(wǎng)絡(luò)中采用高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu),可以有效滿足日益復(fù)雜的制造協(xié)同和信息共享對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和交互的高性能需求。在底層通信網(wǎng)絡(luò)中,用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的UDP協(xié)議由于不具有任何控制機(jī)制而十分容易引起網(wǎng)絡(luò)的擁塞,造成共存的TCP數(shù)據(jù)流性能降低,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的QoS性能下降。針對(duì)這個(gè)問題,提出了面向高速網(wǎng)絡(luò)、具有擁塞控制機(jī)制的不可靠傳輸協(xié)議--FAST DCCP和EEFAST DCCP。基于DCCP協(xié)議并采用FAST控制

7、機(jī)制而實(shí)現(xiàn)的FAST DCCP協(xié)議,通過多Options策略克服了DCCP協(xié)議無法在大擁塞窗口下正常運(yùn)行的缺陷,利用FAST機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)不可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿砣刂?并且能夠區(qū)別的對(duì)待數(shù)據(jù)包丟失事件,對(duì)丟失的數(shù)據(jù)包不再重傳,以滿足數(shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性需求。在FAST DCCP的基礎(chǔ)上,提出了加強(qiáng)型端到端協(xié)議EEFAST DCCP。該協(xié)議基于所測(cè)量的單向時(shí)延對(duì)擁塞窗口大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,從而消除反向流所造成的不良影響。
　　 (4)在高速網(wǎng)

8、絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中,現(xiàn)有的高速傳輸協(xié)議在RTT公平性、TCP友好性等網(wǎng)絡(luò)QoS性能等方面仍存在著缺陷和不足?；诖?提出了采用混合式擁塞控制機(jī)制的高速傳輸協(xié)議--HCC TCP。該協(xié)議將隊(duì)列時(shí)延作為首要的擁塞度量指標(biāo),而將分組丟包作為次要的擁塞度量指標(biāo)。協(xié)議中基于時(shí)延的控制機(jī)制通過對(duì)前向單向時(shí)延的統(tǒng)計(jì)測(cè)量,準(zhǔn)確的估計(jì)出前向路徑中的擁塞狀態(tài),從而根據(jù)時(shí)延信息動(dòng)態(tài)調(diào)整擁塞窗口的大小,使其穩(wěn)定在可以完全利用可用帶寬資源的窗口值上。當(dāng)基于時(shí)延的擁塞控

9、制機(jī)制由于設(shè)置參數(shù)的制約而無法在網(wǎng)絡(luò)中有效運(yùn)行時(shí),協(xié)議則采用基于分組丟包的控制機(jī)制對(duì)窗口大小進(jìn)行調(diào)整,使窗口的增長呈線性到曲線的變化,從而將窗口能夠盡可能長時(shí)間的維持在分組丟包事件窗口值附近,降低分組丟包的發(fā)生概率,取得良好的帶寬利用率。
　　 (5)針對(duì)制造產(chǎn)業(yè)中中小型企業(yè)(Small and Medium Size Enterprises,SMEs)所面臨的挑戰(zhàn),基于Future Internet提出了能夠使SMEs運(yùn)行于未