基于帧复制与消除的时间敏感网络可靠性研究

作     者：百玉翀 

作者单位：重庆邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王浩

授予年度：2020年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：可靠性 故障容忍 复制和消除 丢包 

摘      要：在工业控制网络,网络的实时性和可靠性对于保证系统安全运行至关重要。IEEE 802.1CB-2017协议是时间敏感网络协议簇中保证网络可靠性的标准,该协议在通往目的节点的多条冗余路径中,复制多个数据帧副本。在数据接收端,协商算法对数据帧进行选取,防止关键数据帧丢失问题。通过理论分析,发现协商处理算法中,序列号历史记录表长度影响着对接收数据帧的处理方式,但是标准中缺少对该参数的限制,这可能导致潜在的丢包现象和安全问题。因此,本文以提高网络中数据投递率,增加网络的安全可靠性为目标,提出一种序列号历史记录表长度的优化配置方案。主要工作如下:1.分析帧复制和消除机制实现网络可靠性的工作原理,研究该机制中各个功能模块以及数据帧处理算法;归纳该机制中数据流句柄、序列号子参数和序列号历史记录表长度等关键配置参数,通过理论分析得出配置参数的不完善性;总结网络存在的潜在物理故障和软件故障模式,研究现有的容错技术。2.提出一种数据帧处理算法中序列号历史记录表长度的优化配置方案。该方案以提高关键数据帧投递率和降低网络故障时间为目标,通过网络冗余路径之间存在的传输时延差、业务的实际传输速率以及数据帧大小等参数,确定数据帧处理算法中序列号历史记录表长度的最大值和最小值,规范其取值范围。理论分析表明:该参数配置方案可以有效减少故障中丢失的数据帧,增加网络数据帧投递率,提高网络的容错性能。3.利用OPNET Modeler网络仿真平台,搭建基于帧复制与消除机制的网络可靠性验证测试平台;设计故障注入模块,验证该平台对于物理和软件类故障容错性能;在此基础上,对本文对提出数据帧协商算法优化配置方案进行验证测试。使用参数化方式,测试在不同条件下,不同序列号历史记录表长度的数据帧投递情况。结果表明:在仿真时间内,本文提出的优化配置方案比标准中默认大小为2的数据投递率提高4%,最大提高达到8%,能够有效降低关键数据帧的丢失。