實時乙太網系統及其實現方法

2023-05-18 22:40:46

專利名稱：實時乙太網系統及其實現方法
技術領域：
本發明涉及乙太網通信技術領域，特別涉及一種實時乙太網系統及其實現方法。
背景技術：
乙太網作為目前應用最廣泛的計算機通信網絡之一，採用帶衝突檢測的載波監聽 多路訪問(CSMA/CD)協議，傳輸速率可以達到千兆乃至萬兆以上，但它所採用的CSMA/CD協 議，帶來了傳輸時間的不確定性，使其不能適用於實時網絡，因此研究適用於控制系統的實 時乙太網很有意義。基於TCP/IP協議，乙太網通信的分層結構為應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路 層和物理層，其中傳輸層協議主要有TCP、UDP,網絡層協議主要有IP，乙太網的數據鏈路層 又分成邏輯鏈路控制(LLC)子層及媒體訪問控制(MAC)子層。實時乙太網的實現主要通過修改乙太網MAC子層協議、增加中間軟體層(可以在 LLC子層和MAC子層之間加入，也可以在IP層和LLC子層之間加入)等許多方式。目前有許多文獻討論了實時乙太網的實現，同時有許多成熟的實時乙太網標準和 產品，例如目前已有11種實時乙太網規範被納入IEC61158現場總線標準(第四版)，包括 Ethemet/IP、PROFINET、P-NET/IP、INTERBUS TCP/IP、VNET/IP、TCnet,EtherCAT,Ethernet Powerlink、EPA、MODBUS-RTPS、SERCOS III。對於目前已有的各種實現實時乙太網的方法，主要存在以下兩個問題1、實現實時乙太網，首先要解決各節點之間的時間同步，目前的相關論文和標準 都基於各節點運行分散同步算法，不論是基於軟體的算法，如NTP、SNTP等，還是基於軟體、 硬體結合的算法，如IEEE1588等，某個或某些節點出現故障，則會影響同步算法的正常運 算和同步精度。2、實現實時乙太網，其核心是改變基於競爭機制的CSMA/⑶協議，從而實現時間 確定性通信方式，但實時乙太網的本質仍是多主通信。如果實時乙太網某個或某些節點出 現故障，則極有可能影響時間確定性通信機制的實現，而目前不論是相關論文，還是相關標 準都未提及如何將故障節點切除。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何在避免大幅度改動乙太網的硬體、軟體及協議 棧的情況下實現實時乙太網通信，並能避免故障節點自己關閉自己存在的邏輯缺陷問題。(二)技術方案一種實時乙太網系統，包括若干通信節點、乙太網通信網絡和時間同步子系統， 各通信節點分別與乙太網通信網絡和時間同步子系統連接，所述時間同步子系統用於控制 各通信節點進行實時乙太網通信。其中，所述時間同步子系統包括實時處理控制器和實時處理通信總線，所述實時
4處理控制器與實時處理通信總線相連，所述實時處理控制器包括主實時處理控制單元和 若干從實時處理控制單元，所述主實時處理控制單元通過所述實時處理通信總線與若干從實時處理控制單 元連接，用於產生各通信節點進行乙太網通信的時間分配信息，並根據各通信節點的通信 狀態判斷通信節點是否超時佔用通信資源，若超時，向從實時處理控制單元發出對超時通 信節點實施復位或切除的命令；所述時間分配信息是指讓允許某個節點開始進行乙太網通 信以及通信時間長度等控制信息。所述超時是指某通信節點在規定的時間長度內沒有完成 通信的狀態信息。每個所述從實時處理控制單元連接一個通信節點，用於向所述通信節點轉發所述 時間分配信息和對超時通信節點實施復位或切除的命令，並向主實時處理控制單元反饋所 述通信節點的通信狀態。所述通信節點的通信狀態是指該通信節點在規定的時間長度內完 成通信與否的信息以及其它與該節點乙太網通信有關的信息。其中，所述主實時處理控制單元包括定時控制子單元，超時判斷子單元和第一通 信控制子單元，所述定時控制子單元連接第一通信控制子單元，用於產生各通信節點的時間分配 信息，並設定對不同實時應用的定時控制方案；所述超時判斷子單元分別連接所述定時控制子單元和第一通信控制子單元，用於 判斷通信節點是否超時，若超時，則產生對超時通信節點實施復位或切除的命令，通過第一 通信控制子單元發送；第一通信控制子單元連接所述定時控制子單元和超時判斷子單元，並連接實時處 理通信總線，用於向所述從實時處理控制單元發送所述時間分配信息及對超時通信節點實 施復位或切除的命令，並接收所述從實時處理控制單元發來的通信節點的通信狀態。其中，所述從實時處理控制單元包括通信節點控制子單元和與其連接的第二通 信控制子單元，第二通信控制子單元連接所述實時處理通信總線，用於接收主實時處理控制單元 發來的時間分配信息及對超時通信節點實施復位或切除的命令，並向主實時處理控制單元 反饋通信節點的通信狀態；所述通信節點控制子單元用於接收第二通信控制子單元轉發的時間分配信息和 對超時通信節點實施復位或切除的命令，並將獲取的通信節點的通信狀態發送給所述第二 通信控制子單元。其中，所述主實時處理控制單元和從實時處理控制單元均採用3取2或2取2乘 2的冗餘結構。其中，所述實時處理通信總線為雙冗餘模式總線。一種利用上述的實時乙太網系統的實現方法，包括以下步驟Sl 所述主實時處理控制單元依次產生各通信節點進行乙太網通信的時間分配信 息，並將所述時間分配發送給對應的從實時處理控制單元；S2 所述從實時處理控制單元將所述時間分配信息發送到所述通信節點；S3 所述通信節點接收所述時間分配信息，開始乙太網通信；S4:通信完成後，所述通信節點通知對應的從實時處理控制單元通信完畢。
其中，所述步驟S3和S4之間還包括對超時節點實施復位和切除的步驟在通信過程中，所述從實時處理控制單元向所述主實時處理控制單元轉發所述通 信節點的乙太網通信狀態；所述主實時處理控制單元根據所述通信狀態判斷所述通信節點是否超時，若是， 則發出對該通信節點實施復位或切除的命令，否則，執行步驟Si ；所述從實時處理控制單元接收所述對該通信節點實施復位或切除的命令後，對相 應的通信節點進行復位或切除操作，並結束該通信節點的通信。其中，所述主實時處理控制單元為通信節點分配同步時間的方式為周期分配方 式，所述每個周期分成實時控制通信和非實時乙太網通信兩個時段或分成實時控制通信時 段。其中，所述實時控制通信時段包括若干個子時段。(三)有益效果本發明通過設置實時乙太網時間同步子系統實現各節點的時間同步，在通信節點 軟體的應用層和傳輸層之間加入實時處理層從而實現實時乙太網，避免了對乙太網的硬 件、軟體及協議棧進行修改，同時減少了乙太網同步數據通信開銷，並能對故障節點實施復 位或切除處理，從而解決了故障節點自己關閉自己存在的邏輯缺陷問題。


圖1是本發明實施例的實時乙太網系統結構示意圖；圖2是圖1中時間同步子系統結構示意圖；圖3是圖2中主實時處理控制單元的結構示意圖；圖4是圖2中從實時處理控制單元的結構示意圖；圖5是本發明實施例的實時乙太網分層結構框圖；圖6是本發明實施例的實時乙太網通信方法流程圖；圖7是本發明實施例的實時乙太網通信方法中對故障節點實施復位或切除的流 程圖；圖8是本發明實施例的實時乙太網通信方法中為通信節點分配同步時間示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。本發明實現的實時乙太網包括若干通信節點、乙太網通信網絡和時間同步子系 統，如圖1所示，各通信節點分別與乙太網通信網絡和時間同步子系統連接，共同實現實時 乙太網功能。所述通信節點，其通信硬體使用通用乙太網卡，其通信軟體基於通用的TCP或 UDP/IP協議棧，在其應用層和傳輸層之間加入實時處理層，實時處理層在進行實時數據通 信應基於UDP協議。所述乙太網通信網絡使用通用乙太網設備(交換機、路由器和網線等)， 完成乙太網數據傳輸功能，網絡應具備冗餘特徵。本發明實現的實時乙太網最為重要的基礎就是各節點不再運行分散同步算法，而是設置實時乙太網時間同步子系統，對各通信節點進行控制，從而達到各通信節點的時間 同步。其中，該實時乙太網時間同步子系統包括實時處理控制器和與其相連的實時處 理通信總線。如圖2所示，所述實時處理控制器包括主實時處理控制單元和若干從實時 處理控制單元，主實時處理控制單元通過實時處理通信總線和若干從實時處理控制單元連 接，主實時處理控制單元不連接任何通信節點，每個從實時處理控制單元連接一個通信節
點ο主實時處理控制單元用於依次產生各通信節點進行乙太網通信的時間分配信息， 並判斷通信節點是否超時佔用通信資源，若超時，向從實時處理控制單元發出對超時通信 節點實施復位或切除的命令。時間分配信息是指讓允許某個節點開始進行乙太網通信以及 通信時間長度等控制信息。超時是指某通信節點在規定的時間長度內沒有完成通信的狀態 信息。如圖3所述，主實時處理控制單元包括定時控制子單元，超時判斷子單元和第一通 信控制子單元。其中定時控制子單元連接第一通信控制子單元和超時判斷子單元，用於產 生各通信節點的時間分配信息，並通過配置接口設定對不同實時應用的定時控制方案。超 時判斷子單元分別連接所述定時控制子單元和第一通信控制子單元，用於判斷通信節點是 否超時，若超時，則產生對超時通信節點實施復位或切除的命令，通過第一通信控制子單元 發送。第一通信控制子單元連接定時控制子單元、超時判斷子單元，還連接所述實時處理通 信總線，用於向所述從實時處理控制單元發送所述時間分配信息及對超時通信節點實施復 位或切除的命令，並接收所述從實時處理控制單元發來的通信節點的通信狀態。從實時處理控制單元用於向所述通信節點轉發時間分配信息和對超時通信節點 實施復位或切除的命令，並向主實時處理控制單元反饋所述通信節點的通信狀態。通信節 點的通信狀態是指該通信節點在規定的時間長度內完成通信與否的信息以及其它與該節 點乙太網通信有關的信息。如圖4所示，從實時處理控制單元包括通信節點控制子單元和 與其連接的第二通信控制子單元。其中第二通信控制子單元連接所述實時處理通信總線， 用於接收主實時處理控制單元發來的時間分配信息及對超時通信節點實施復位或切除的 命令，並向主實時處理控制單元反饋通信節點的通信狀態。通信節點控制子單元用於接收 第二通信控制子單元轉發的同步時間和對超時通信節點實施復位或切除的命令，並將獲取 的通信節點的通信狀態發送給所述第二通信控制子單元。本實施例中，為了滿足高可靠、高可用要求，主實時處理控制單元和從實時處理控 制單元均採用冗餘結構，優選採用3取2或2取2乘2等結構。實時處理通信總線可使用 各種成熟的標準總線，也可使用自行開發的專用總線。由於其為主從工作方式，其通信數據 量也不大，因此可以使用低速通信總線，優選高速通信總線。為了滿足其高可靠、高可用要 求，實時處理通信總線應採用冗餘配置，優選採用雙冗餘配置方式。此外，本實施例構建的 實時乙太網要求所使用的通用乙太網設備(網卡、交換機和路由器等)以及網絡都應具備 冗餘特徵。本發明還提出了一種實時乙太網實現方法，在TCP/IP協議分層結構的應用層和 傳輸層之間添加實時處理層，如圖5所示，該實時處理層與上述實時乙太網時間同步子系 統結合完成實時乙太網通信，如圖6所示，包括以下步驟步驟S601，主實時處理控制單元為通信節點分配進行乙太網通信的時間分配信息，並將所述時間分配信息發送給對應的從實時處理控制單元。具體通過定時控制子單元 為通信節點分配進行乙太網通信的時間分配信息，並通過第一通信控制子單元經過實時處 理通信總線將所述時間分配信息發送給從實時處理控制單元。步驟S602，所述從實時處理控制單元將所述時間分配信息發送到對應的通信節 點。具體地，從實時處理控制單元的第二通信控制子單元將接收到的時間分配信息發送給 通信節點控制子單元，通信節點控制子單元將所述時間分配信息轉發給與其連接的通信節
點ο步驟S603，所述通信節點接收所述時間分配信息，開始乙太網通信。在傳輸層的 TCP和UDP兩種協議中，TCP協議是面向連接的，通信實時性得不到保證，而UDP協議是面向 無連接的，因此實時處理層在進行實時數據通信應基於UDP協議。步驟S604，通信完成後，所述通信節點通知對應的從實時處理控制單元通信完畢。其中，步驟S603和S604主要在實時處理層完成，通信節點通過實時處理層接收對 應從實時處理控制單元發送的開始乙太網通信的命令，開始乙太網通信，並且乙太網通信 完成後通知對應的從實時處理控制單元已通信完畢的狀態信息。由於在TCP/IP協議分層 結構中加入實時處理層，原有的傳輸層、網絡層和乙太網層採用的硬體、驅動軟體及協議棧 與普通乙太網完全一致，保證可充分利用乙太網的技術資源和技術優勢。在實時通信的過程中，某些節點可能會出現故障導致超時，則會影響節點的同步 通信，因此，在通信過程中還會對超時節點進行復位或切除，具體過程過如圖7所示，步驟 S701 S703與上述步驟S601 S603 —致。步驟S704，在通信過程中，從實時處理控制單元向所述主實時處理控制單元轉發 所述通信節點的乙太網通信狀態。從實時處理控制單元的通信節點控制子單元獲取其連接 的通信節點的通信狀態，並通過第二通信控制子單元發送給主實時處理控制單元。步驟S705，所述主實時處理控制單元判斷所述通信節點是否超時，若是，則執行步 驟S706，否則，執行步驟S701。主實時處理控制單元的超時判斷子單元根據定時控制子單 元分配的乙太網通信時間和由從實時處理控制單元反饋回來的通信節點的通信狀態判斷 該通信節點是否超時。步驟S706，超時判斷子單元發出對該通信節點實施復位或切除的命令，該命令通 過第一通信控制子單元發送給從實時處理控制單元。步驟S707，所述從實時處理控制單元接收所述對該通信節點實施復位或切除的命 令，由通信節點控制子單元對超時的通信節點進行復位或切除操作，並結束通信，復位或切 除後，在下一個通信周期，不再為該超時節點分配乙太網通信時間，其它通信節點不會受到影響。其中，所述主實時處理控制單元為通信節點分配乙太網通信時間的方式為周期分 配方式，根據應用對象的不同，可將每個周期劃分成實時控制通信和非實時的普通乙太網 通信兩個時段，也可將每個周期都劃分為實時控制通信時段，每個實時控制通信時段再根 據通信節點的實際情況劃分成相等或不等的子時段分配給不同的通信節點。周期和子時段 的分配可根據系統需求而定，周期和子時段的分配可以變化。其中，每個子時段為一個微小 的時間段，如圖8所示。圖8進一步描述了該實時乙太網系統通信的流程，包括正常通信和對超時的通信節點進行復位或切除的過程。同時也給出了通信周期、時段、子時段分配的示例。這樣分配 即可實現實時乙太網通信，也能兼顧普通乙太網通信，同時通信周期、時段、子時段的分配 還可根據實際需求做出調整。通信周期、時段、子時段的分配信息通過主實時處理控制單元 的配置接口進行設定。 以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。
權利要求
一種實時乙太網系統，其特徵在於，包括若干通信節點、乙太網通信網絡和時間同步子系統，各通信節點分別與乙太網通信網絡和時間同步子系統連接，所述時間同步子系統用於控制各通信節點進行實時乙太網通信。
2.如權利要求1所述的實時乙太網系統，其特徵在於，所述時間同步子系統包括實時 處理控制器和實時處理通信總線，所述實時處理控制器與實時處理通信總線相連，所述實 時處理控制器包括主實時處理控制單元和若干從實時處理控制單元，所述主實時處理控制單元通過所述實時處理通信總線與若干從實時處理控制單元連 接，用於產生各通信節點進行乙太網通信的時間分配信息，並根據各通信節點的通信狀態 判斷通信節點是否超時佔用通信資源，若超時，向從實時處理控制單元發出對超時通信節 點實施復位或切除的命令；每個所述從實時處理控制單元連接一個通信節點，用於向所述通信節點轉發所述時間 分配信息和對超時通信節點實施復位或切除的命令，並向主實時處理控制單元反饋所述通 信節點的通信狀態。
3.如權利要求2所述的實時乙太網系統，其特徵在於，所述主實時處理控制單元包括 定時控制子單元，超時判斷子單元和第一通信控制子單元，所述定時控制子單元連接第一通信控制子單元，用於產生各通信節點的時間分配信 息，並設定對不同實時應用的定時控制方案；所述超時判斷子單元分別連接所述定時控制子單元和第一通信控制子單元，用於判斷 通信節點是否超時，若超時，則產生對超時通信節點實施復位或切除的命令，通過第一通信 控制子單元發送；第一通信控制子單元連接所述定時控制子單元和超時判斷子單元，並連接實時處理通 信總線，用於向所述從實時處理控制單元發送所述時間分配信息及對超時通信節點實施復 位或切除的命令，並接收所述從實時處理控制單元發來的通信節點的通信狀態。
4.如權利要求2所述的實時乙太網系統，其特徵在於，所述從實時處理控制單元包括 通信節點控制子單元和與其連接的第二通信控制子單元，所述第二通信控制子單元連接所述實時處理通信總線，用於接收主實時處理控制單元 發來的時間分配信息及對超時通信節點實施復位或切除的命令，並向主實時處理控制單元 反饋通信節點的通信狀態；所述通信節點控制子單元用於接收第二通信控制子單元轉發的時間分配信息和對超 時通信節點實施復位或切除的命令，並將獲取的通信節點的通信狀態發送給所述第二通信 控制子單元。
5.如權利要求2 4中任一項所述的實時乙太網系統，其特徵在於，所述主實時處理控 制單元和從實時處理控制單元均採用3取2或2取2乘2的冗餘結構。
6.如權利要求5所述的實時乙太網系統，其特徵在於，所述實時處理通信總線為雙冗 餘模式總線。
7.一種利用權利要求2 4中任一項所述的實時乙太網系統的實現方法，其特徵在於， 包括以下步驟Sl 所述主實時處理控制單元依次產生各通信節點進行乙太網通信的時間分配信息， 並將所述時間分配信息發送給對應的從實時處理控制單元；52所述從實時處理控制單元將所述時間分配信息發送到所述通信節點；53所述通信節點接收所述時間分配信息，開始乙太網通信；54通信完成後，所述通信節點通知對應的從實時處理控制單元通信完畢。
8.如權利要求7所述的實時乙太網系統的實現方法，其特徵在於，所述步驟S3和S4之 間還包括對超時節點實施復位和切除的步驟在通信過程中，所述從實時處理控制單元向所述主實時處理控制單元轉發所述通信節 點的乙太網通信狀態；所述主實時處理控制單元根據所述通信狀態判斷所述通信節點是否超時，若是，則發 出對該通信節點實施復位或切除的命令，否則，執行步驟Sl ；所述從實時處理控制單元接收所述對該通信節點實施復位或切除的命令後，對相應的 通信節點進行復位或切除操作，並結束該通信節點的通信。
9.如權利要求7所述的實時乙太網系統的實現方法，其特徵在於，所述主實時處理控 制單元為通信節點分配同步時間的方式為周期分配方式，所述每個周期分成實時控制通信 和非實時乙太網通信兩個時段或只分成實時控制通信時段。
10.如權利要求9所述的實時乙太網系統的實現方法，其特徵在於，所述實時控制通信 時段包括若干個子時段。
全文摘要
本發明公開了一種實時乙太網系統，包括若干通信節點、乙太網通信網絡和時間同步子系統，各通信節點分別與乙太網通信網絡和時間同步子系統連接，時間同步子系統包括實時處理控制器和與其連接的實時處理通信總線，實時處理控制器包括通過實時處理通信總線連接的主實時處理控制單元和若干從實時處理控制單元，主實時處理控制單元和從實時處理控制單元交互來控制通信節點的實時同步通信。本發明還公開了一種實時乙太網的實現方法。本發明在避免了對乙太網的硬體、軟體及協議棧進行修改的情況下，實現了實時乙太網中節點的同步通信，並能對故障節點實施復位或切除處理，從而解決了故障節點自己關閉自己的邏輯難題。
文檔編號H04L12/28GK101908988SQ20101024802
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月6日 優先權日2010年8月6日
發明者張建明, 李開成, 王悉, 袁彬彬, 馬連川 申請人:北京交通大學