基于RTLINUX的实时以太网研究-通信延时.docxVIP

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基于RTLINUX的实时以太网研究

通信延时

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论文导读:：本文首先阐述了以太网的应用和实时化的改进技术，然后在研究造成网络通信延迟的三个因素基础上提出了基于RTLINUX的实时以太网的实现技术。文章描述了基于RTLINUX的实时以太网的关键技术实现：多队列数据交换机制、基于地址映射表的缓冲区管理机制、数据帧小型化机制。

论文关键词：RTLINUX，LINUX，实时以太网，通信延时

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1.引言

以太网(Ethernet)是当前应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环、FDDI和ARCNET。Ethernet遵循IEEE802.3标准，采用带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)协议解决介质访问冲突.由于CSMA/CD协议采用随机争用介质方式访问网络，使得网络节点发送与接收信息的时间变得不可预测，因此，现有Ethernet网络不具有我们所谓的实时性。为了使传统的Ethernet具有较好的实时性，很多研究人员提出了改进Ethernet网络的途径：

1)交换式以太网[1]：这种方法用交换机取代集线器(hub)，以把整个以太网分割成多个独立的冲突域通信延时，这样在降低冲突的同时保证了传输时间的可预测性。

2)传输整形[2]：这种方法在传输层(如TCP/UDP)与Ethernet之间增加了一个流量整形器，以使网络的平均负载始终保持在某个较低的规定值，利用低负载、低冲突概率的原理来保证消息传输时间的可预测性；

3)增加实时通信控制层[3]：这种Ethernet实时化改进采用最多的方法。该方法主要在MAC层上增加一个实时通信控制层控制消息的发送与接收。如令牌传递、时分多路访问、虚拟时间协议等都使用这种方法。

本文提出的基于RTLINUX的实时以太网技术是一种在RTLINUX实时操作系统平台上，通过多队列数据交换、基于地址映射表的缓冲区管理、数据帧小型化等多种机制实现的一种以太网实时化改进技术。

2.系统设计

以太网络是一个软件和硬件的结合体，数据就在网络的软件和硬件中传送。以太网络基于CSMA/CD协议的内在特性决定了以太网络很难真正意义上消除网络数据的发送冲突。使用在MAC层上增加实时通信控制层在原理上可以消除网络冲突，但往往也带来一些网诸如络系统时钟同步的困境。

要实现网络的实时性，说到底就是要尽量的减少数据在网络中的传输延迟时间。在网络中从发送数据到接收到数据之间的全部通信延时，称为端到端的通信延时发表论文。主要包括下面几个因素：①排队延时：从信息进入排队队列，到此信息获取通信网络所需的时间。②发送延时：从信息的第一个字节开始发送到信息最后一个字节发送结束所需的时间。③传输延时：信息在现场设备间传输所需的时间。

网络的传输延时在很大程度上取决于网络的传输带宽，传输带宽主要取决于网络的传输介质等硬件条件。本文主要是考虑在网络的传输延时一定的情况下，通过减少排队延时和发送延时来改善网络的实时性能。网络中的终端在RTLINUX实时操作系统下运行，以增强对实时任务的响应速度。使用多队列数据交换机制来改善数据发送时的排队延时，使用基于地址映射表的缓冲区管理机制和数据帧小型化机制来改善数据的发送延时。同时，使用交换机取代集线器(hub)，以把整个以太网分割成多个独立的冲突域，来降低网络冲突。

3.系统实现

3.1构建RTLINUX实时操作系统

LINUX是一个源代码开放的、免费，支持多任务、多种硬件平台的网络操作系统。但是，LINUX与WINDOWS一样不是实时的操作系统，因此通信延时，LINUX也很难在实时控制领域得到应用。

RTLINUX说到底其实就是LINUX的一个实时补丁，它对LINUX内核进行改造，在LINUX内核与硬件之间增加了一个虚拟层（常称作虚拟机），构筑了一个小的、时间上可预测的、与LINUX内核分开的实时内核（即RTLINUX内核）。打上实时补丁的LINUX（即RTLINUX操作系统）将所有中断信号都首先交给RTLINUX内核进行处理，RTLINUX将所有的中断分成LINUX中断和实时中断两类，如果收到的中断信号是普通LINUX中断，那就设置一个标志位，转由LINUX内核来响应该中断；如果是实时中断，则立即响应中断。这样系统将LINUX系统上的任务以及LINUX内核本身作为一个优先级最低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务。RTLINUX最先知道硬件的信息，而实时任务直接和RTLINUX内核进行交互，这样大大缩短了系统和实时任务访问硬件的时间，从而得到最快的响应速度。

3.2多队列数据交换机制

标准Linux对网络数据包的处理本质上是基于中断驱动的，因而应用层的处理总是被位于内核空间、拥有更高优先级的数据包处理（即中断处理）所抢断。在高负荷网络中，CPU的大部分资