基于图像的工业控制网络调度与协议的研究

图像具有巨大的信息量,并且比其他形式的信息更具有直观性、确切性和生动性,图像信息逐步成为现代工业控制的重要依据和方法。当图像信息介入传统的工业控制网络之后,这类网络控制系统具有了新的特性:网络传输数据量大,数据类型多样,对网络的服务质量(QoS)保证要求高。选择合适的资源调度策略和优化网络传输协议均能补偿或改善大数据量的介入对控制性能的影响。本文从资源调度和网络传输协议的角度出发,设计了报文分类器,提出了基于时间片的动态缓存调度算法,并依据此调度算法思想进行了具体实现;制定了具有容错机制的UDP协议。主要内容如下:提出了多维报文分类的思想:根据报文头信息制定多维规则,每一维规则赋予不同的权值,对报文进行多维规则过滤,报文的权值等于该报文各规则的权值之和Wi,一定范围的Wi分配到一个队列,这样就将基于链接的任务流归整为满足各自QoS需求的基于优先级的服务流,为具有区分服务的资源调度提供基础。设计了基于轮循的动态调度算法:以时间片t为每一个队列轮循服务,优先级高的先服务,避免高优先级任务长时间占用资源;建立了优先级补偿模型,使优先级得到有利的偏向补偿,在保证公平的前提下,减小突发数据的排队延时抖动。运用此算法,针对资源受限的多媒体工业控制网络适应流和非适应流共存的现状,设计了快速识别非适应流,并对其占用资源进行限制的调度方法,保护了适应流的资源占有率。设计了队列自适应长度的算法,以满足系统动态时延的需求。对传统的网络演算理论进行了发展运用,推导了多输入的到达曲线和基于轮循的服务曲线。推导并计算了满足动态排队延时的最大队列长度。制定了新的协议TERUDP(Tolerate Error Reliable UDP),提出了新的丢包界定方法以及有效时延和无效时延的概念,在不改变传统UDP高效性的前提下,提高了可靠性,降低了网络的丢包率,增加了网络有效数据传输利用率。使UDP具有了拥塞感知能力,避免了过分争用带宽的弊端。新的调度算法和优化后协议的运用,将延时和丢包减小到最低,满足了控制信息的实时性,又保证了高保真图像的低丢包率。为多媒体信息在工业控制网络传输中提供了调度方法和协议运用的一个可靠模型,将有效促进基于图像的工业控制网络系统在远程控制、在线检测等领域的应用。