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基于交换式以太网的列车通信网络实时性研究

作　者: 王涛
导　师: 王立德
学　校: 北京交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 列车通信网络混合优先级调度机制网络演算理论网络仿真技术交换式以太网拓扑优化时分多址机制
分类号: TP393.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 28次
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内容摘要

以太网技术具有通信速率高、成本低的优势,国内外轨道交通行业都在研究发展基于以太网的列车通信网络,本文顺应这一趋势,以不修改以太网通用芯片为前提,着重研究提高以太网实时性的方法,使其满足列车通信网络的需求。本文的主要内容及创新点包括以下几个方面：(1)通过深入研究影响以太网确定性和实时性的因素及其改进方法,提出采用全双工交换式以太网技术解决以太网的非确定性问题,设计了一种基于交换式以太网的列车通信网络拓扑方案,并对影响数据端到端时延的因素进行了分析。(2)通过对列车通信网络进行全面的需求分析,提出了一种交换机混合优先级调度机制,以降低列车实时数据在交换机缓冲队列当中的排队时延。采用网络演算理论分别给出了在固定优先级调度机制与混合优先级调度机制下,列车实时数据端到端时延上界的计算方法。并通过网络仿真技术对两种调度机制进行建模,验证了混合优先级调度机制的优越性。(3)针对列车交换式以太网拓扑设计问题进行数学建模,以确保所有实时数据流实时性需求为前提,提出了采用免疫遗传算法求解列车交换式以太网优化拓扑的方法。并分别采用理论计算和网络仿真针对一个实例验证了该优化算法的可行性和有效性。(4)在深入分析时分多址机制的基础上,搭建了基于时分多址机制的实时以太网测试网段。通过设计多种测试场景展开实验,总结了时分多址机制时间片划分的原则,验证了引入时分多址机制对以太网实时性改进的效果。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
1 绪论  12-22
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-19
    1.2.1 列车通信网络发展现状  13-16
    1.2.2 工业以太网应用与研究现状  16-18
    1.2.3 工业以太网应用于列车通信网络的特点  18-19
  1.3 主要研究内容与论文组织结构  19-22
2 基于交换式以太网的列车通信网络  22-32
  2.1 本章概述  22
  2.2 以太网通信确定性和实时性分析  22-24
  2.3 以太网通信确定性和实时性改进方法  24-27
    2.3.1 工业实时以太网技术特性分析  24-26
    2.3.2 改进方法分析  26-27
  2.4 基于工业以太网的列车通信网络组网方式研究  27-29
    2.4.1 组网方式比较  27-28
    2.4.2 基于交换式以太网的列车通信网络拓扑设计  28-29
  2.5 基于交换式以太网的列车通信网络时延分析  29-32
3 交换机混合优先级调度机制的研究  32-60
  3.1 本章概述  32-33
  3.2 列车通信网络需求分析  33-34
    3.2.1 数据分类与数据流向  33-34
    3.2.2 实时性需求  34
  3.3 交换机队列调度机制的改进  34-38
    3.3.1 固定优先级调度机制  34-36
    3.3.2 混合优先级调度机制  36-38
  3.4 基于网络演算的列车实时数据时延上界计算  38-44
    3.4.1 通信模型建立  38-39
    3.4.2 固定优先级机制下的实时数据时延上界计算  39-40
    3.4.3 混合优先级机制下的实时数据时延上界计算  40-42
    3.4.4 实例计算  42-44
  3.5 基于OPNET Modeler的网络建模仿真  44-60
    3.5.1 网络仿真平台选择  44-45
    3.5.2 网络层建模  45-46
    3.5.3 节点层建模  46-47
    3.5.4 进程层建模  47-52
    3.5.5 仿真环境配置  52-53
    3.5.6 仿真结果分析  53-60
4 列车交换式以太网拓扑优化问题研究  60-72
  4.1 本章概述  60
  4.2 交换式以太网拓扑优化问题建模  60-62
    4.2.1 优化问题构建  60-61
    4.2.2 约束条件  61-62
  4.3 基于免疫遗传算法的拓扑优化  62-65
    4.3.1 编码方案设计  62
    4.3.2 种群初始化  62-63
    4.3.3 疫苗提取  63-64
    4.3.4 适应度函数  64
    4.3.5 遗传算子与免疫算子操作  64
    4.3.6 种群更新与算法终止条件  64-65
  4.4 实例计算与仿真验证  65-72
    4.4.1 实例计算  65-69
    4.4.2 网络仿真验证  69-72
5 基于时分多址的交换式以太网实时性改进研究  72-94
  5.1 本章概述  72
  5.2 基于时分多址的以太网实时性改进方案  72-75
    5.2.1 时分多址机制  72-74
    5.2.2 RTNET实时以太网协议栈  74-75
  5.3 Linux内核实时性能改造及测试  75-82
    5.3.1 Linux内核实时性分析  75-76
    5.3.2 内核实时性改造方案  76-77
    5.3.3 X86平台下的Linux实时内核改造  77-79
    5.3.4 实时内核性能测试  79-82
  5.4 基于时分多址的以太网实时性能改进  82-84
    5.4.1 RTNET协议栈的实现  82-83
    5.4.2 RTNET下的时分多址配置方法  83-84
  5.5 基于时分多址的以太网实时性能测试  84-94
    5.5.1 本地回环测试  85-87
    5.5.2 组网测试  87-94
6 总结与展望  94-96
  6.1 完成工作总结  94-95
  6.2 未来工作展望  95-96
参考文献  96-98
作者简介  98-102
学位论文数据集  102

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