CN101908988A - 实时以太网***及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时以太网***，包括：若干通信节点、以太网通信网络和时间同步子***，各通信节点分别与以太网通信网络和时间同步子***连接，时间同步子***包括实时处理控制器和与其连接的实时处理通信总线，实时处理控制器包括：通过实时处理通信总线连接的主实时处理控制单元和若干从实时处理控制单元，主实时处理控制单元和从实时处理控制单元交互来控制通信节点的实时同步通信。本发明还公开了一种实时以太网的实现方法。本发明在避免了对以太网的硬件、软件及协议栈进行修改的情况下，实现了实时以太网中节点的同步通信，并能对故障节点实施复位或切除处理，从而解决了故障节点自己关闭自己的逻辑难题。
Description
技术领域
本发明涉及以太网通信技术领域，特别涉及一种实时以太网***及其实现方法。
背景技术
以太网作为目前应用最广泛的计算机通信网络之一，采用带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)协议，传输速率可以达到千兆乃至万兆以上，但它所采用的CSMA/CD协议，带来了传输时间的不确定性，使其不能适用于实时网络，因此研究适用于控制***的实时以太网很有意义。
基于TCP/IP协议，以太网通信的分层结构为：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，其中传输层协议主要有TCP、UDP，网络层协议主要有IP，以太网的数据链路层又分成逻辑链路控制(LLC)子层及媒体访问控制(MAC)子层。
实时以太网的实现主要通过修改以太网MAC子层协议、增加中间软件层(可以在LLC子层和MAC子层之间加入，也可以在IP层和LLC子层之间加入)等许多方式。
目前有许多文献讨论了实时以太网的实现，同时有许多成熟的实时以太网标准和产品，例如目前已有11种实时以太网规范被纳入IEC61158现场总线标准(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。
对于目前已有的各种实现实时以太网的方法，主要存在以下两个问题：
1、实现实时以太网，首先要解决各节点之间的时间同步，目前的相关论文和标准都基于各节点运行分散同步算法，不论是基于软件的算法，如NTP、SNTP等，还是基于软件、硬件结合的算法，如IEEE1588等，某个或某些节点出现故障，则会影响同步算法的正常运算和同步精度。
2、实现实时以太网，其核心是改变基于竞争机制的CSMA/CD协议，从而实现时间确定性通信方式，但实时以太网的本质仍是多主通信。如果实时以太网某个或某些节点出现故障，则极有可能影响时间确定性通信机制的实现，而目前不论是相关论文，还是相关标准都未提及如何将故障节点切除。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在避免大幅度改动以太网的硬件、软件及协议栈的情况下实现实时以太网通信，并能避免故障节点自己关闭自己存在的逻辑缺陷问题。
(二)技术方案
一种实时以太网***，包括：若干通信节点、以太网通信网络和时间同步子***，各通信节点分别与以太网通信网络和时间同步子***连接，所述时间同步子***用于控制各通信节点进行实时以太网通信。
其中，所述时间同步子***包括：实时处理控制器和实时处理通信总线，所述实时处理控制器与实时处理通信总线相连，所述实时处理控制器包括：主实时处理控制单元和若干从实时处理控制单元，
所述主实时处理控制单元通过所述实时处理通信总线与若干从实时处理控制单元连接，用于产生各通信节点进行以太网通信的时间分配信息，并根据各通信节点的通信状态判断通信节点是否超时占用通信资源，若超时，向从实时处理控制单元发出对超时通信节点实施复位或切除的命令；所述时间分配信息是指让允许某个节点开始进行以太网通信以及通信时间长度等控制信息。所述超时是指某通信节点在规定的时间长度内没有完成通信的状态信息。
每个所述从实时处理控制单元连接一个通信节点，用于向所述通信节点转发所述时间分配信息和对超时通信节点实施复位或切除的命令，并向主实时处理控制单元反馈所述通信节点的通信状态。所述通信节点的通信状态是指该通信节点在规定的时间长度内完成通信与否的信息以及其它与该节点以太网通信有关的信息。
其中，所述主实时处理控制单元包括：定时控制子单元，超时判断子单元和第一通信控制子单元，
所述定时控制子单元连接第一通信控制子单元，用于产生各通信节点的时间分配信息，并设定对不同实时应用的定时控制方案；
所述超时判断子单元分别连接所述定时控制子单元和第一通信控制子单元，用于判断通信节点是否超时，若超时，则产生对超时通信节点实施复位或切除的命令，通过第一通信控制子单元发送；
第一通信控制子单元连接所述定时控制子单元和超时判断子单元，并连接实时处理通信总线，用于向所述从实时处理控制单元发送所述时间分配信息及对超时通信节点实施复位或切除的命令，并接收所述从实时处理控制单元发来的通信节点的通信状态。
其中，所述从实时处理控制单元包括：通信节点控制子单元和与其连接的第二通信控制子单元，
第二通信控制子单元连接所述实时处理通信总线，用于接收主实时处理控制单元发来的时间分配信息及对超时通信节点实施复位或切除的命令，并向主实时处理控制单元反馈通信节点的通信状态；
所述通信节点控制子单元用于接收第二通信控制子单元转发的时间分配信息和对超时通信节点实施复位或切除的命令，并将获取的通信节点的通信状态发送给所述第二通信控制子单元。
其中，所述主实时处理控制单元和从实时处理控制单元均采用3取2或2取2乘2的冗余结构。
其中，所述实时处理通信总线为双冗余模式总线。
一种利用上述的实时以太网***的实现方法，包括以下步骤：
S1：所述主实时处理控制单元依次产生各通信节点进行以太网通信的时间分配信息，并将所述时间分配发送给对应的从实时处理控制单元；
S2：所述从实时处理控制单元将所述时间分配信息发送到所述通信节点；
S3：所述通信节点接收所述时间分配信息，开始以太网通信；
S4：通信完成后，所述通信节点通知对应的从实时处理控制单元通信完毕。
其中，所述步骤S3和S4之间还包括对超时节点实施复位和切除的步骤：
在通信过程中，所述从实时处理控制单元向所述主实时处理控制单元转发所述通信节点的以太网通信状态；
所述主实时处理控制单元根据所述通信状态判断所述通信节点是否超时，若是，则发出对该通信节点实施复位或切除的命令，否则，执行步骤S1；
所述从实时处理控制单元接收所述对该通信节点实施复位或切除的命令后，对相应的通信节点进行复位或切除操作，并结束该通信节点的通信。
其中，所述主实时处理控制单元为通信节点分配同步时间的方式为周期分配方式，所述每个周期分成实时控制通信和非实时以太网通信两个时段或分成实时控制通信时段。
其中，所述实时控制通信时段包括若干个子时段。
(三)有益效果
本发明通过设置实时以太网时间同步子***实现各节点的时间同步，在通信节点软件的应用层和传输层之间加入实时处理层从而实现实时以太网，避免了对以太网的硬件、软件及协议栈进行修改，同时减少了以太网同步数据通信开销，并能对故障节点实施复位或切除处理，从而解决了故障节点自己关闭自己存在的逻辑缺陷问题。
附图说明
图1是本发明实施例的实时以太网***结构示意图；
图2是图1中时间同步子***结构示意图；
图3是图2中主实时处理控制单元的结构示意图；
图4是图2中从实时处理控制单元的结构示意图；
图5是本发明实施例的实时以太网分层结构框图；
图6是本发明实施例的实时以太网通信方法流程图；
图7是本发明实施例的实时以太网通信方法中对故障节点实施复位或切除的流程图；
图8是本发明实施例的实时以太网通信方法中为通信节点分配同步时间示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实现的实时以太网包括：若干通信节点、以太网通信网络和时间同步子***，如图1所示，各通信节点分别与以太网通信网络和时间同步子***连接，共同实现实时以太网功能。
所述通信节点，其通信硬件使用通用以太网卡，其通信软件基于通用的TCP或UDP/IP协议栈，在其应用层和传输层之间加入实时处理层，实时处理层在进行实时数据通信应基于UDP协议。所述以太网通信网络使用通用以太网设备(交换机、路由器和网线等)，完成以太网数据传输功能，网络应具备冗余特征。
本发明实现的实时以太网最为重要的基础就是各节点不再运行分散同步算法，而是设置实时以太网时间同步子***，对各通信节点进行控制，从而达到各通信节点的时间同步。
其中，该实时以太网时间同步子***包括：实时处理控制器和与其相连的实时处理通信总线。如图2所示，所述实时处理控制器包括：主实时处理控制单元和若干从实时处理控制单元，主实时处理控制单元通过实时处理通信总线和若干从实时处理控制单元连接，主实时处理控制单元不连接任何通信节点，每个从实时处理控制单元连接一个通信节点。
主实时处理控制单元用于依次产生各通信节点进行以太网通信的时间分配信息，并判断通信节点是否超时占用通信资源，若超时，向从实时处理控制单元发出对超时通信节点实施复位或切除的命令。时间分配信息是指让允许某个节点开始进行以太网通信以及通信时间长度等控制信息。超时是指某通信节点在规定的时间长度内没有完成通信的状态信息。如图3所述，主实时处理控制单元包括：定时控制子单元，超时判断子单元和第一通信控制子单元。其中定时控制子单元连接第一通信控制子单元和超时判断子单元，用于产生各通信节点的时间分配信息，并通过配置接口设定对不同实时应用的定时控制方案。超时判断子单元分别连接所述定时控制子单元和第一通信控制子单元，用于判断通信节点是否超时，若超时，则产生对超时通信节点实施复位或切除的命令，通过第一通信控制子单元发送。第一通信控制子单元连接定时控制子单元、超时判断子单元，还连接所述实时处理通信总线，用于向所述从实时处理控制单元发送所述时间分配信息及对超时通信节点实施复位或切除的命令，并接收所述从实时处理控制单元发来的通信节点的通信状态。
从实时处理控制单元用于向所述通信节点转发时间分配信息和对超时通信节点实施复位或切除的命令，并向主实时处理控制单元反馈所述通信节点的通信状态。通信节点的通信状态是指该通信节点在规定的时间长度内完成通信与否的信息以及其它与该节点以太网通信有关的信息。如图4所示，从实时处理控制单元包括：通信节点控制子单元和与其连接的第二通信控制子单元。其中第二通信控制子单元连接所述实时处理通信总线，用于接收主实时处理控制单元发来的时间分配信息及对超时通信节点实施复位或切除的命令，并向主实时处理控制单元反馈通信节点的通信状态。通信节点控制子单元用于接收第二通信控制子单元转发的同步时间和对超时通信节点实施复位或切除的命令，并将获取的通信节点的通信状态发送给所述第二通信控制子单元。
本实施例中，为了满足高可靠、高可用要求，主实时处理控制单元和从实时处理控制单元均采用冗余结构，优选采用3取2或2取2乘2等结构。实时处理通信总线可使用各种成熟的标准总线，也可使用自行开发的专用总线。由于其为主从工作方式，其通信数据量也不大，因此可以使用低速通信总线，优选高速通信总线。为了满足其高可靠、高可用要求，实时处理通信总线应采用冗余配置，优选采用双冗余配置方式。此外，本实施例构建的实时以太网要求所使用的通用以太网设备(网卡、交换机和路由器等)以及网络都应具备冗余特征。
本发明还提出了一种实时以太网实现方法，在TCP/IP协议分层结构的应用层和传输层之间添加实时处理层，如图5所示，该实时处理层与上述实时以太网时间同步子***结合完成实时以太网通信，如图6所示，包括以下步骤：
步骤S601，主实时处理控制单元为通信节点分配进行以太网通信的时间分配信息，并将所述时间分配信息发送给对应的从实时处理控制单元。具体通过定时控制子单元为通信节点分配进行以太网通信的时间分配信息，并通过第一通信控制子单元经过实时处理通信总线将所述时间分配信息发送给从实时处理控制单元。
步骤S602，所述从实时处理控制单元将所述时间分配信息发送到对应的通信节点。具体地，从实时处理控制单元的第二通信控制子单元将接收到的时间分配信息发送给通信节点控制子单元，通信节点控制子单元将所述时间分配信息转发给与其连接的通信节点。
步骤S603，所述通信节点接收所述时间分配信息，开始以太网通信。在传输层的TCP和UDP两种协议中，TCP协议是面向连接的，通信实时性得不到保证，而UDP协议是面向无连接的，因此实时处理层在进行实时数据通信应基于UDP协议。
步骤S604，通信完成后，所述通信节点通知对应的从实时处理控制单元通信完毕。
其中，步骤S603和S604主要在实时处理层完成，通信节点通过实时处理层接收对应从实时处理控制单元发送的开始以太网通信的命令，开始以太网通信，并且以太网通信完成后通知对应的从实时处理控制单元已通信完毕的状态信息。由于在TCP/IP协议分层结构中加入实时处理层，原有的传输层、网络层和以太网层采用的硬件、驱动软件及协议栈与普通以太网完全一致，保证可充分利用以太网的技术资源和技术优势。
在实时通信的过程中，某些节点可能会出现故障导致超时，则会影响节点的同步通信，因此，在通信过程中还会对超时节点进行复位或切除，具体过程过如图7所示，步骤S701～S703与上述步骤S601～S603一致。
步骤S704，在通信过程中，从实时处理控制单元向所述主实时处理控制单元转发所述通信节点的以太网通信状态。从实时处理控制单元的通信节点控制子单元获取其连接的通信节点的通信状态，并通过第二通信控制子单元发送给主实时处理控制单元。
步骤S705，所述主实时处理控制单元判断所述通信节点是否超时，若是，则执行步骤S706，否则，执行步骤S701。主实时处理控制单元的超时判断子单元根据定时控制子单元分配的以太网通信时间和由从实时处理控制单元反馈回来的通信节点的通信状态判断该通信节点是否超时。
步骤S706，超时判断子单元发出对该通信节点实施复位或切除的命令，该命令通过第一通信控制子单元发送给从实时处理控制单元。
步骤S707，所述从实时处理控制单元接收所述对该通信节点实施复位或切除的命令，由通信节点控制子单元对超时的通信节点进行复位或切除操作，并结束通信，复位或切除后，在下一个通信周期，不再为该超时节点分配以太网通信时间，其它通信节点不会受到影响。
其中，所述主实时处理控制单元为通信节点分配以太网通信时间的方式为周期分配方式，根据应用对象的不同，可将每个周期划分成实时控制通信和非实时的普通以太网通信两个时段，也可将每个周期都划分为实时控制通信时段，每个实时控制通信时段再根据通信节点的实际情况划分成相等或不等的子时段分配给不同的通信节点。周期和子时段的分配可根据***需求而定，周期和子时段的分配可以变化。其中，每个子时段为一个微小的时间段，如图8所示。
图8进一步描述了该实时以太网***通信的流程，包括正常通信和对超时的通信节点进行复位或切除的过程。同时也给出了通信周期、时段、子时段分配的示例。这样分配即可实现实时以太网通信，也能兼顾普通以太网通信，同时通信周期、时段、子时段的分配还可根据实际需求做出调整。通信周期、时段、子时段的分配信息通过主实时处理控制单元的配置接口进行设定。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种实时以太网***，其特征在于，包括：若干通信节点、以太网通信网络和时间同步子***，各通信节点分别与以太网通信网络和时间同步子***连接，所述时间同步子***用于控制各通信节点进行实时以太网通信。
2.如权利要求1所述的实时以太网***，其特征在于，所述时间同步子***包括：实时处理控制器和实时处理通信总线，所述实时处理控制器与实时处理通信总线相连，所述实时处理控制器包括：主实时处理控制单元和若干从实时处理控制单元，
所述主实时处理控制单元通过所述实时处理通信总线与若干从实时处理控制单元连接，用于产生各通信节点进行以太网通信的时间分配信息，并根据各通信节点的通信状态判断通信节点是否超时占用通信资源，若超时，向从实时处理控制单元发出对超时通信节点实施复位或切除的命令；
每个所述从实时处理控制单元连接一个通信节点，用于向所述通信节点转发所述时间分配信息和对超时通信节点实施复位或切除的命令，并向主实时处理控制单元反馈所述通信节点的通信状态。
3.如权利要求2所述的实时以太网***，其特征在于，所述主实时处理控制单元包括：定时控制子单元，超时判断子单元和第一通信控制子单元，
所述定时控制子单元连接第一通信控制子单元，用于产生各通信节点的时间分配信息，并设定对不同实时应用的定时控制方案；
所述超时判断子单元分别连接所述定时控制子单元和第一通信控制子单元，用于判断通信节点是否超时，若超时，则产生对超时通信节点实施复位或切除的命令，通过第一通信控制子单元发送；
第一通信控制子单元连接所述定时控制子单元和超时判断子单元，并连接实时处理通信总线，用于向所述从实时处理控制单元发送所述时间分配信息及对超时通信节点实施复位或切除的命令，并接收所述从实时处理控制单元发来的通信节点的通信状态。
4.如权利要求2所述的实时以太网***，其特征在于，所述从实时处理控制单元包括：通信节点控制子单元和与其连接的第二通信控制子单元，
所述第二通信控制子单元连接所述实时处理通信总线，用于接收主实时处理控制单元发来的时间分配信息及对超时通信节点实施复位或切除的命令，并向主实时处理控制单元反馈通信节点的通信状态；
所述通信节点控制子单元用于接收第二通信控制子单元转发的时间分配信息和对超时通信节点实施复位或切除的命令，并将获取的通信节点的通信状态发送给所述第二通信控制子单元。
5.如权利要求2～4中任一项所述的实时以太网***，其特征在于，所述主实时处理控制单元和从实时处理控制单元均采用3取2或2取2乘2的冗余结构。
6.如权利要求5所述的实时以太网***，其特征在于，所述实时处理通信总线为双冗余模式总线。
7.一种利用权利要求2～4中任一项所述的实时以太网***的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述主实时处理控制单元依次产生各通信节点进行以太网通信的时间分配信息，并将所述时间分配信息发送给对应的从实时处理控制单元；
S2：所述从实时处理控制单元将所述时间分配信息发送到所述通信节点；
S3：所述通信节点接收所述时间分配信息，开始以太网通信；
S4：通信完成后，所述通信节点通知对应的从实时处理控制单元通信完毕。
8.如权利要求7所述的实时以太网***的实现方法，其特征在于，所述步骤S3和S4之间还包括对超时节点实施复位和切除的步骤：
在通信过程中，所述从实时处理控制单元向所述主实时处理控制单元转发所述通信节点的以太网通信状态；
所述主实时处理控制单元根据所述通信状态判断所述通信节点是否超时，若是，则发出对该通信节点实施复位或切除的命令，否则，执行步骤S1；
所述从实时处理控制单元接收所述对该通信节点实施复位或切除的命令后，对相应的通信节点进行复位或切除操作，并结束该通信节点的通信。
9.如权利要求7所述的实时以太网***的实现方法，其特征在于，所述主实时处理控制单元为通信节点分配同步时间的方式为周期分配方式，所述每个周期分成实时控制通信和非实时以太网通信两个时段或只分成实时控制通信时段。
10.如权利要求9所述的实时以太网***的实现方法，其特征在于，所述实时控制通信时段包括若干个子时段。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY ASSET MANAGEMENT CO., Free format text: FORMER OWNER: BEIJING COMMUNICATION UNIV. Effective date: 20110809 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20110809 Address after: 100044 Beijing city Haidian District sorghum Bridge Street No. 44 Building Room 806 Applicant after: Beijing Jiaotong University Address before: 100044 Beijing city Haidian District Shangyuan Village No. 3 Applicant before: Beijing Jiaotong University |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY ASSET MANAGEMENT CO., LTD. Effective date: 20120815 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100044 HAIDIAN, BEIJING TO: 100070 FENGTAI, BEIJING |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20120815 Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee after: Beijing Traffic Control Technology Co., Ltd. Address before: 100044 Beijing city Haidian District sorghum Bridge Street No. 44 Building Room 806 Patentee before: Beijing Jiaotong University |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee after: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee before: Beijing Traffic Control Technology Co., Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Seahawks Hospital No. 6 2, No. 3 (Park) Patentee after: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100070 Beijing science and Technology Park of Fengtai District Haiying Road No. 6 hospital of Beijing, the headquarters of the International 2 Building No. 3 Patentee before: TRAFFIC CONTROL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |