深度解析10BASE-T1S PLCA的多节点通信效率

       PLCA（Physical Layer Collision Avoidance）是10BASE-T1S技术中重要的冲突避免机制，启用PLCA功能后，10BASE-T1S总线上的各个节点可以在特定的时间段内发送数据，避免出现碰撞。借助PLCA机制提升多节点通信效率是10BASE-T1S技术网络设计中的重点课题之一。本篇文章将基于负载率、时延和抖动三个维度，深度解析10BASE-T1S PLCA机制多节点通信效率。
场景
       为了有一些更直观的对比，本文将选取10BASE-T1S和CANXL进行横向对比，通过两种总线技术分别发送相同的应用数据。
        场景一：“长报文，慢周期”，控制总线上节点数量分别为4、6、8个，每个节点发送5ms周期报文，报文Payload长度为600字节。

       场景二：与场景一在节点数量不变、整体数据量不变的情况下，“短报文，快周期”，每个节点发送1ms周期报文，报文Payload长度为120字节。

       针对以上两个场景中发送的数据长度，可以计算出每一帧报文的发送时间，如下图所示：
 

性能分析

• 负载率分析
  

       负载率是衡量总线利用率以及网络通信压力的重要参数，在测试场景一里，10BASE-T1S、10M CANXL以及20M CANXL的总线负载率如下图所示：
 

       在10M速率下，由于CANXL报文中报头的速率较低，10BASE-T1S的负载率大致是CANXL的70%左右。要注意的是，CANXL是竞争型总线，因此测试场景一下10M CANXL的负载率过高，无法保证报文时延，在设置为20M后，CANXL负载降低至可接收范围。由此可以得出结论：运行在同等速率下，10BASE-T1S的报文效率比CANXL更高。
       在此基础上，保留10BASE-T1S和20M CANXL，在测试场景二下进行测试，负载率的变化如下图所示：

       可以发现，10BASE-T1S与CANXL的负载率均有所上涨，但10BASE-T1S负载率增长的幅度远小于CANXL，因此在短报文、短周期的场景下，10BASE-T1S的负载率仍优于CANXL。

• 延时分析
  

       延时对比的对比内容为相同报文长度和周期下的报文最坏延时，在测试环境一下，10BASE-T1S与20M CANXL的延时对比如下：

       由上图数据可以发现，10BASE-T1S由于PLCA机制的存在，需要排队等待其他节点报文报送完成后才可以发送，无法进行抢占，因此所有所报的最坏延时一致，且节点数量越多，最坏延时时间越长。CANXL可以根据CANID竞争发送机会，优先级高的报文可以优先发送，因此每条报文的延时不同，但从整体延时来看，CANXL的延时虽然不稳定但仍然小于10BASE-T1S。对于尽快发送要求高的场景，CANXL表现更优。       在测试场景2的短报文、短周期环境下，10BASE-T1S与20M CANXL的延时对比如下：

       得益于PLCA机制，10BASE-T1S在缩短报文长度后，报文发送时间变短，发送周期循环加快，报文等待时间变短，最坏延时大幅度降低。在数值上与CANXL几乎相同，因此可以得出设计参考：在10BASE-T1S通信矩阵的设计上，较短的报文可有效降低延时。

• 抖动对比
  

       报文接收端最小延时和最坏延时表征了报文周期的变化范围，经过两个测试环境的验证，可以得出10BASE-T1S与CANXL的抖动对比：

       表格中纵向数值为接收报文周期相对于发送报文周期的变化率，观察图中数据，可以发现与延时测试类似，发送长报文时，10BASE-T1S数据周期抖动较大，CANXL比10BASE-T1S抖动情况小。发送短报文时，10BASE-T1S数据周期抖动明显降低，且略微优于CANXL。抖动验证同样印证了相同的结论，即在10BASE-T1S通信矩阵的设计上，较短的报文可有效降低延时。
       以上是从网络分析的角度，在负载率、时延和抖动层面上对10BASE-T1S与CANXL两种技术进行对比以及结果分析。在进行10BASE-T1S及CANXL总线设计时，可参考以上思路进行优化。但需要注意的是，上述网络分析是基于简化后的场景进行的，实际应用场景会更加复杂，需要在设计阶段进行完整、全面的仿真模拟分析。更多信息参见《驱动下一代E/E架构的神经脉络进化-10BASE-T1A》。
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