面向制造的网络服务质量相关理论和关键技术研究

摘要

当前,网络技术已经被广泛地应用于多个工业领域,尤其在制造领域中,网络技术的应用和推广取得了令人瞩目的成绩。制造网络可以被认为是通过先进制造模式(如制造网格和云企业等)实现的网络化资源共享管理机制和曲Internet实现的计算机通信网络基础架构的集成,因此服务质量(Quality of Service,QoS)保障和优化的观念对于制造网络尤其重要,一方面需要保证用于数据传输和交互的通信网络基础架构的良好运行性能,另一方面还需要对各类网络化的制造资源进行有效管理,以提升相关制造企业的运行效率以及协同和资源共享能力。在制造网络中,如果没有QoS机制的支持,整个网络企业系统的性能都将降低,各类制造资源也无法得到有效利用。针对上述问题,按照“相关理论--关键技术--应用系统”的研究路线,本文对面向制造的网络服务质量相关理论和关键技术进行了深入研究,开展的主要工作如下:
　　 (1)讨论了制造网络QoS的概念,建立了制造网络整体QoS保证模型,提出了QoS导向的制造网络服务体系框架。该体系框架集成了网络化资源服务管理和通信网络基础架构两部分的QoS策略,一方面采用蜜蜂优化算法实现对制造资源服务的QoS管理,另一方面在网络基础架构中利用网络QoS策略以满足资源服务管理对于网络传输能力的需求。此外,基于系统自上而下的QoS参数映射机制使整体QoS性能优化的目标得以实现。
　　 制造网络中底层网络基础架构是整个系统信息数据传输和交互的前提和支撑,在后续的内容中,主要面向制造中底层网络基础架构的QoS性能优化展开相关关键技术的研究。
　　 (2)网络控制系统(Networked Control System,NCS)是制造网络的典型应用系统之一。NCS中分组传递时延的随机性和动态性对系统控制性能有着较大影响,因此网络分组传递的单向时延估计对于NCS控制性能的优化设计十分重要。分析了当前单向时延估计算法存在的不足,提出了一种适用于NCS、结合在线式测量和端到端估计的混合式单向时延估计算法--HOWDE。该算法针对NCS的运行方式和特点而设计,仅对系统中控制启动初始帧的单向时延采用在线式测量方法进行估计,并将其作为端系统运算的参考标量,而对于后续前向和反向通道中的单向时延,则采用端到端的估计方法,基于前期获得的控制启动初始帧参考标量,结合系统两端统计所得的RTT值,通过端系统的运算得出分组传递的单向时延估计值。从而在准确获取NCS中前向和反向通道的单向时延值的同时,不会给系统造成过多的计算开销和网络负担。
　　 (3)高速网络是Future Internet的发展方向之一,制造网络中采用高速网络实现底层网络基础架构,可以有效满足日益复杂的制造协同和信息共享对数据传输和交互的高性能需求。在底层通信网络中,用于传输实时数据的UDP协议由于不具有任何控制机制而十分容易引起网络的拥塞,造成共存的TCP数据流性能降低,使整个网络运行的QoS性能下降。针对这个问题,提出了面向高速网络、具有拥塞控制机制的不可靠传输协议--FAST DCCP和EEFAST DCCP。基于DCCP协议并采用FAST控制机制而实现的FAST DCCP协议,通过多Options策略克服了DCCP协议无法在大拥塞窗口下正常运行的缺陷,利用FAST机制实现了对不可靠数据传输的拥塞控制,并且能够区别的对待数据包丢失事件,对丢失的数据包不再重传,以满足数据传递的实时性需求。在FAST DCCP的基础上,提出了加强型端到端协议EEFAST DCCP。该协议基于所测量的单向时延对拥塞窗口大小进行动态控制,从而消除反向流所造成的不良影响。
　　 (4)在高速网络基础架构中,现有的高速传输协议在RTT公平性、TCP友好性等网络QoS性能等方面仍存在着缺陷和不足。基于此,提出了采用混合式拥塞控制机制的高速传输协议--HCC TCP。该协议将队列时延作为首要的拥塞度量指标,而将分组丢包作为次要的拥塞度量指标。协议中基于时延的控制机制通过对前向单向时延的统计测量,准确的估计出前向路径中的拥塞状态,从而根据时延信息动态调整拥塞窗口的大小,使其稳定在可以完全利用可用带宽资源的窗口值上。当基于时延的拥塞控制机制由于设置参数的制约而无法在网络中有效运行时,协议则采用基于分组丢包的控制机制对窗口大小进行调整,使窗口的增长呈线性到曲线的变化,从而将窗口能够尽可能长时间的维持在分组丢包事件窗口值附近,降低分组丢包的发生概率,取得良好的带宽利用率。
　　 (5)针对制造产业中中小型企业(Small and Medium Size Enterprises,SMEs)所面临的挑战,基于Future Internet提出了能够使SMEs运行于未来企业系统的创新网络环境,同时对该环境的体系结构和相关方法论进行了描述和分析,从而使SMEs能够在快速变化和充满竞争的市场环境中生存并取得成功。最后,以欧盟第七框架计划ICT和NMP中的相关项目为应用实例对本领域的研究进展进行了分析,指出了所提出的创新网络环境较现有研究成果所具有的先进性,以期能够帮助制造企业成功应对未来市场的挑战。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究目的和意义

1.1.3 研究目标

1.2 相关领域的国内外研究现状

1.2.1 网络化制造和制造网络

1.2.2 资源服务管理的服务质量

1.2.3 工业制造中计算机网络的服务质量

1.3 本文的主要工作和结构安排

1.3.1 本文的主要工作

1.3.2 本文的结构安排

第2章 基于服务质量导向的制造网络体系框架

2.1 本章引论

2.2 面向制造网络的服务质量建模

2.3 基于服务质量导向的制造网络体系框架

2.3.1 系统概述

2.3.2 QOSF-MNet中的QoS策略

2.4 应用原型和性能评估

2.5 本章小结

第3章 面向制造网络控制系统性能优化的单向时延估计算法

3.1 本章引论

3.1.1 制造网络中的网络控制系统

3.1.2 网络诱导时延对于网络控制系统性能的影响

3.1.3 单向时延估计对于网络控制系统性能提升的意义

3.2 相关研究工作

3.3 制造网络控制系统中的混合式单向时延估计算法

3.3.1 制造网络控制系统中的单向时延估计

3.3.2 混合式时延估计策略

3.3.3 制造网络控制系统中时延估计算法和传输协议的结合

3.4 仿真实验结果与比较分析

3.4.1 无竞争流环境下的仿真结果

3.4.2 存在竞争流环境下的仿真结果

3.4.3 系统计算复杂度比较分析

3.5 本章小结

第4章 制造高速网络中服务质量导向的不可靠传输协议

4.1 本章引论

4.1.1 高速传输网络对于制造网络的意义

4.1.2 不可靠传输协议

4.1.2 不可靠传输协议在制造网络中的应用

4.2 相关研究工作

4.3 制造高速网络中具有拥塞控制的不可靠传输协议

4.3.1 Ack Vector option的改进

4.3.2 FAST DCCP协议的设计

4.3.3 EEFAST DCCP协议的设计

4.3.4 数据丢包应对方式的改进

4.4 仿真实验结果与比较分析

4.4.1 不同协议间的性能比较评估

4.4.2 公平性分析

4.4.3 反向流作用下的性能分析

4.5 本章小结

第5章 面向制造高速网络服务质量优化的拥塞控制机制

5.1 本章引论

5.1.1 TCP协议的拥塞控制机制

5.1.2 传统TCP协议在高速网络中性能低下的原因分析

5.2 相关研究工作

5.3 面向制造高速网络的混合式拥塞控制机制

5.3.1 协议架构

5.3.2 基于时延的拥塞控制

5.3.3 基于分组丢包的拥塞控制

5.3.4 窗口控制算法的执行

5.4 仿真实验结果与比较分析

5.4.1 单个流效率比较分析

5.4.2 公平性比较分析

5.4.3 TCP友好性比较分析

5.4.4 鲁棒性比较分析

5.5 本章小结

第6章 制造产业中面向中小型企业的创新网络环境

6.1 本章引论

6.2 中小型企业在制造产业中所面临的挑战

6.3 面向中小型企业的创新网络环境

6.3.1 系统结构与相关支撑技术

6.3.2 可持续的商业模式

6.3.3 支持柔性和敏捷商业过程的框架

6.3.4 Future Internet基础架构

6.4 应用实例分析

6.5 高速网络基础架构的实现设计

6.6 本章小结

第7章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的学术论文

附录 术语表