第 26 卷 第 4 期
Vol. 26 No. 4
控 制 与 决 策
Control and Decision
2011 年 4 月
Apr. 2011
基于数据流的 Internet 网络控制系统延时模型研究
文章编号: 1001-0920 (2011) 04-0513-06
程 论, 王中杰
(同济大学 控制理论与控制工程系,上海 200092)
摘 要: 在给出数据流定义的基础上, 从理论上分别针对传输控制协议 (TCP) 和用户数据包协议 (UDP) 提出了基
于数据流的 Internet 网络控制系统 (INCS) 延时模型. 数据流的定义描述了 INCS 中所有数据流的输入和输出特性, 网
络延时模型描述了 TCP 和 UDP 协议的传输延时特性. 此外, 提出了基于 Transit-Stub 的 INCS 延时测量模型, 并通过
实验验证了基于数据流的 INCS 延时模型的正确性. 分析了 INCS 中不同类型的数据流适用的传输协议, 从而为设
计 INCS 提供了理论依据.
关键词: 网络控制系统;数据流;延时模型
中图分类号: TP273 文献标识码: A
Research on time-delay model for NCS based on data streams
CHENG Lun, WANG Zhong-jie
(Department of Control Theory and Control Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China. Correspondent:
CHENG Lun,E-mail:yunccll@163.com)
Abstract: The definition of data stream is given, based on which the time-delay model for Internet network control
system(INCS) is proposed theoretically for both TCP and UDP protocol. The definition of data stream describs the
input characteristics and output charactersitics for all the data streams. The time-delay model describes the time-delay
characteristics for TCP and UDP protocol. The time-delay measurement model for INCS is proposed based on Transit-Stub.
Experiment results show the validity of time-delay model. As a result, theoretical basis is provided for designing an INCS.
Key words: networked control systems;data stream;time delay model
1 引引引 言言言
自网络控制系统 (NCS) 提出以来, 其延时问题
便 成 为 NCS 走 向 实 用 化 的 重 大 障 碍. 由 于 局 域 网
的延时基本上可以确定, 目前 NCS 延时主要指基于
Internet 的网络控制系统 (INCS) 的延时. Internet 的优
点是跨越地域性广和融合许多异构网络. 但正是这一
特点使得 Internet 延时受到许多因素的影响, 导致确
定 Internet 延时比较困难, 而确定延时几乎是所有控
制系统设计和研究的关键, 所以对 INCS 的延时研究
显得尤为重要.
现有 INCS 延时的研究比较少, 虽然在 Internet 协
议方面已有一些文献, 但主要是针对传输协议进行独
立分析和研究
[1-2]
, 没有考虑 INCS 交互数据的特性和
要求. 另外, 在提高控制系统的传输性能方面有一些
研究, 但采用的技术和方法不适用于 Internet 环境. 文
献[3]在讨论媒体访问控制 (MAC) 层的数据传输技术
时, 将数据流分为周期性数据、猝发性数据以及非
实时性数据, 并讨论了各种 MAC 层传输技术用于传
输 3 种数据流的优缺点. 但采用该传输技术实现的
INCS 无法在 Internet 中提高性能. 文献 [4] 通过仿真
实现了基于用户数据包协议 (UDP) 传输周期性数据,
使用传输控制协议 (TCP) 传输非实时性数据, 循环组
合使用 TCP 和 UDP 传输猝发性数据的过程. 但该文
没有证明各种数据在不同协议下的传输特征, 更没有
考察不同背景流量载荷下数据流传输延时的特征.
本文首先根据数据流的输入和输出特性, 提出
一个统一的 INCS 数据流定义; 然后, 在理论上分别针
对 TCP 协议和 UDP 协议提出了 INCS 的延时模型, 在
该模型中, 描述了 TCP 和 UDP 协议的传输延时特性;
同时, 提出一种基于 Transit-Stub 的 INCS 延时测量模
收稿日期: 2010-01-04;修回日期: 2010-05-30.
基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06-0382);教育部重大项目(306023);教育部博士点基金项目
(20070247075).
作者简介: 程论(1983−), 男, 博士生, 从事网络控制系统、Internet 测量等研究;王中杰(1971−), 女, 教授, 博师生导师,
从事复杂生产过程、网络控制等研究.