CN111147514A - 一种适用于实时以太网会话层的通信帧及设计方法 - Google Patents

一种适用于实时以太网会话层的通信帧及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种适用于实时以太网会话层的通信帧及设计方法，包括具有多个平等并且具有互相通信连接节点的实时以太网、帧头部和有效负载，帧头部包括同步帧指示位、消息类型指示位、标识符位和有效负载长度，有效负载定义可承载数据长度的范围，有负载是在发送端处于各种应用层的各种应用程序要提供需要发送的数据加上帧头部的预封装数据。本发明提供的帧格式设计可用于实时以太网会话层对于需要传输的周期性数据与非周期性数据是在静态段传输还是动态段传输做出了区分，如果数据在静态段传输，也同时定义好数据在静态段传输的时隙位置即其帧ID，非周期数据也将会统一在动态段传输，保证了数据传输的确定性与实时性。

Description

一种适用于实时以太网会话层的通信帧及设计方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种适用于实时以太网会话层的通信帧及设计方法。
背景技术
经典以太网(Ethernet)是目前应用最为广泛的一种局域以太网通信技术，通过40多年的发展，由于以太网传输的介质不断的发展，其传输速率和效率得到了很大的提升。而且随着城域以太网论坛(MEF)不断将以太网技术作为交换技术和传输技术广泛应用于城域网建设，以太网已经不仅仅局限于局域网应用，而是能够更广泛地应用到城域网(MAN)和广域网(WAN)的领域。
经典以太网(Ethernet)采用随机访问方式，节点可以根据自己的意愿随机地发送信息，允许多个节点同时访问总线。当两个或更多的节点同时发送信息时，就会产生冲突，必须找出解决冲突的办法。经典以太网使用的载波监听多路访问/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CD)法，是通过在发送信息之前先进行载波监听、边发送边监听、强化冲突和冲突退避算法来消解冲突。只有在不发生冲突的情况下，这种方法才能通过总线(通信通道)成功地发送信息。在负载的高峰期会造成报文的较大延迟，甚至影响关键设备信息的及时传送。因此，***的行为没有确定性。此外，单纯使用CSMA/CD法也无法支持双通道结构。
为了提高以太网的实时性、确定性和防护性，以经典以太网为基础，设计开发了实时以太网。OSI/ISO参考模型从高到低依次为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。经典以太网的体系结构只定义了该模型的最低两层：物理层和数据链路层。物理层用来建立实时传输网络的物理连接，是必需的。数据链路层把数据构成帧进行传输，并实现帧顺序控制、传输差错控制及流控制功能，使不可靠的链路变为可靠的链路，这也是必需的。实时以太网不仅要在经典以太网的数据链路层之上形成一个协议层，而且不以任何方式改变以太网的数据链路层和物理层结构。为了做到这一点，实时以太网协议主要位于OSI/ISO参考模型的会话层。
然而实时以太网主要位于OSI/ISO参考模型的会话层，却没有定义其在会话层的通信帧格式，这也就导致实时以太网无法保证数据传输到下面的数据链路层时，无法告知下层该数据是否为周期性数据与该数据发送的时间，因此无法保证数据传输的准确性与实时性。
实时以太网的周期性数据在其静态段发送属于时间触发类型的，非周期性数据在其动态段发送属于事件触发类型的。静态段被细分成“时隙”，确保高性能确定性通信，动态段不做划分，在动态段有足够时间发送非周期数据时发送非周期性数据，否则该数据要等待到下一个周期进行发送。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种适用于实时以太网会话层的通信帧及设计方法，用于解决上述问题。
本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供了一种适用于实时以太网会话层的通信帧，包括具有多个平等并且具有互相通信连接节点的实时以太网，包括帧头部和有效负载，所述帧头部包括同步帧指示位、消息类型指示位、标识符位和有效负载长度，所述有效负载定义可承载数据长度的范围。
更进一步的，所述同步帧指示位表明该通信帧是否为同步帧，其中1表示同步帧，0表示正常帧。
更进一步的，所述消息类型指示位表明该数据消息是否为周期性消息，1表示周期性消息，0表示非周期性消息。
更进一步的，所述标识符位为帧ID，所述帧ID定义帧的发送时隙，编码长度位11位，数值范围为1～2047，若帧的ID为0，表示该帧为无效帧。
更进一步的，定义有效负载长度为0～1472字节。
更进一步的，所述实时以太网的数据包大于或等于64个字节，其传输的用户数据包括周期性数据与非周期性数据。
更进一步的，所述实时以太网的每个节点内均设有可通信的应用进程，
第二方面，本发明提供了一种适用于实时以太网会话层的通信帧设计方法，所述设计方法使用第一方面的通信帧，所述设计方法包括以下步骤：
S1在用户数据到达该节点前会进行预封装；
S2预封装数据传输到会话层时，定义对该已经预封装处理的用户数据进行封装的通信帧格式；
S3把预封装消息帧的除了有效负载以外的部分删除，进入传输层；
S4重新封装成TCP段，之后按照传统以太网帧的封装过程进行封装以及完成发送。
更进一步的，所述通信帧需要告知数据链路层需要发送的用户数据和发送用户数据的时间。
更进一步的，所述会话层封装之前预封装用户数据通信帧。
本发明的有益效果为：
本发明提供的帧格式设计可用于实时以太网会话层对于需要传输的周期性数据与非周期性数据是在静态段传输还是动态段传输做出了区分，如果数据在静态段传输，也同时定义好数据在静态段传输的时隙位置即其帧ID，非周期数据也将会统一在动态段传输，保证了数据传输的确定性与实时性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明参考的ISO/OSI和实时以太网体系结构图；
图2是本发明所采用的通信数据在实时以太网协议里面的封装过程；
图3是本发明所设计的一种实时以太网会话层的通信帧格式；
图4是本发明所采用的实时以太网帧格式。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开如图3所示的一种实时以太网会话层的通信帧格式，主要包括帧头部和有效负载。其中帧头部包含同步帧指示位、消息类型指示位、标识符位和有效负载长度，而有效负载则定义了其可承载数据长度的范围，图4是本发明所采用的实时以太网帧格式，下面具体介绍：
同步帧指示位：表明该通信帧是否为同步帧,即帧是否用于***的通信同步。1表示同步帧，0表示正常帧。如果同步帧指示位被设置为1，表明当前的消息为同步帧消息；如果同步帧指示位被设置为0，那么该消息为正常帧消息。
消息类型指示位：表明该数据消息是否为周期性消息。1表示周期性消息，0表示非周期性消息。如果消息类型指示位被设置为1，那么表示需要传输的用户数据属于周期性消息，需要在静态段进行传输，保证该数据传输的高性能确定性；如果消息类型指示位被设置为0，那么需要传输的该用户数据属于非周期性消息，那么该数据需要在动态段进行传输。
标识符位：即帧ID，帧ID用于定义帧的发送时隙，这里编码长度位11位，数值范围为1～2047。若帧的ID为0，表示该帧为无效帧。在各个通道的每个通信循环内，一个帧ID的使用次数不能超过一次，帧ID不仅用于定义周期性信号在静态段发送的处于的时隙位置，也定义了非周期性数据在动态段的传送。
有效负载：根据图4,首先，IEEE802.3中规定，以太网帧的数据部分的长度为46～1500字节，最大是以太网所规定的，但是有最小长度限制，而且最小长度根据不同的以太网协议也是不同的。是因为，以太网采用了CSMA/CD的机制，要能够满足节点遭遇冲突后，可以实现重新发送消息。
假设A检测到网络是空闲的，开始发数据包，尽力传输，当数据包还没有到达B时，B也监测到网络是空闲的，开始发数据包，这时就会发生碰撞，B首先发现发生碰撞，开始发送碰撞信号，所谓碰撞信号，就是连续的01010101或者10101010，十六进制就是55或AA。这个碰撞信号会返回到A，如果碰撞信号到达A时，A还没有发完这个数据包，A就知道这个数据包发生了错误，就会重传这个数据包。但如果碰撞信号会返回到A时，数据包已经发完，则A不会重传这个数据包。
要保证以太网的重传，必须保证A收到碰撞信号的时候，数据包没有传完，要实现这一要求，A和B之间的距离很关键，也就是说信号在A和B之间传输的来回时间必须控制在一定范围之内。根据IEEE定义的标准，一个碰撞域内，最远的两台机器之间的来回时间小于512位时(位时：传输一个比特需要的时间)，这也是我们常说的一个碰撞域的直径。根据10Mbps以太网规定一帧的最小发送时间为51.2μs，则最小帧长度为＝10Mbps*51.2μs＝512bit＝64字节。
如果以太网数据包大于或等于64个字节，就能保证碰撞信号到达A的时候，数据包还没有传完。那么这64个字节就是以太网帧最小的长度，根据图4，去掉14字节的以太网头部，去掉4字节的CRC校验，及得到以太网帧的应用数据的长度为46个字节。已知以太网帧的数据部分其实就是IP数据报，包含了IP，TCP/UDP的一系列内容，所以当用户数据在经过TCP/UDP、以及IP封装后，没有达到46个字节，则需要补足46个字节。最小46字节是有前提条件的，条件是使用的10Mbps的以太网，同时传输距离最大是2500m。
同时已知以太网规定最大长度是1500个字节，且IP数据报的报头是20个字节，如果采用UDP协议，那么UDP段的头是8个字节，所以，可以得到有效数据的最大长度应该是1500-20-8＝1472字节。所以这里定义的有效负载长度为0～1472字节。
有效负载长度：有效负载长度用来表示有效负载(数据)的长度。根据前面定义的有效负载，定义有效负载长度为11位。
这种实时以太网会话层的帧格式设计对于需要在静态段传输的周期性数据或在动态段传输的非周期性数据进行了区分，保证了实时以太网通信数据的传输过程中的确定性与实时性。
实施例2
本实施例公开如图1所示的ISO/OSI和实时以太网体系结构图。
如图1所示国际标准化组织(ISO)制定的开放式***互连(OSI)参考模型共分为7层，从高到低依次为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。经典以太网只定义了该模型最低两层：物理层和数据链路层。而实时以太网协议主要位于数据链路层之上的会话层，实时以太网在经典以太网之上形成的协议层不以任何方式改变经典以太网的数据链路层和物理层的结构。而由此，本发明设计的帧格式不会去改变下层的结构。
实施例3
本实施例公开了一种适用于实时以太网会话层的通信帧设计方法，所述设计方法使用第一方面的通信帧，包括以下步骤：
S1在用户数据到达该节点前会进行预封装；
S2预封装数据传输到会话层时，定义对该已经预封装处理的用户数据进行封装的通信帧格式；
S3把预封装消息帧的除了有效负载以外的部分删除，进入传输层；
S4重新封装成TCP段，之后按照传统以太网帧的封装过程进行封装以及完成发送。
通信帧需要告知数据链路层需要发送的用户数据和发送用户数据的时间。会话层封装之前预封装用户数据通信帧。
图2是本发明所采用的通信数据在实时以太网协议里面的封装过程。
如图2所示：实时以太网中，在数据产生后，即封装成“预封装消息帧”，然后整个帧成为应用数据进入以太网协议，进入会话层，在会话层我们对周期性与非周期性报文分开处理。实时以太网的最终的以太网帧仍然是在数据链路层，会话层定义的通信帧格式需要满足告知数据链路层发送的数据的是否为周期性数据以及该数据的发送时间。之后，如图2把预封装消息帧的除了有效负载以外的部分删除，进入传输层，重新封装成TCP段，之后按照传统以太网帧的封装过程进行封装以及完成发送。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于实时以太网会话层的通信帧，包括具有多个平等并且具有互相通信连接节点的实时以太网，特征在于，包括帧头部和有效负载，所述帧头部包括同步帧指示位、消息类型指示位、标识符位和有效负载长度，所述有效负载定义可承载数据长度的范围。
2.根据权利要求1所述的适用于实时以太网会话层的通信帧，其特征在于，所述同步帧指示位表明该通信帧是否为同步帧，其中1表示同步帧，0表示正常帧。
3.根据权利要求1所述的适用于实时以太网会话层的通信帧，其特征在于，所述消息类型指示位表明该数据消息是否为周期性消息，1表示周期性消息，0表示非周期性消息。
4.根据权利要求1所述的适用于实时以太网会话层的通信帧，其特征在于，所述标识符位为帧ID，所述帧ID定义帧的发送时隙，编码长度位11位，数值范围为1～2047，若帧的ID为0，表示该帧为无效帧。
5.根据权利要求1所述的适用于实时以太网会话层的通信帧，其特征在于，定义有效负载长度为0～1472字节。
6.根据权利要求1所述的适用于实时以太网会话层的通信帧，其特征在于，所述实时以太网的数据包大于或等于64个字节，其传输的用户数据包括周期性数据与非周期性数据。
7.根据权利要求1或6所述的适用于实时以太网会话层的通信帧，其特征在于，所述实时以太网的每个节点内均设有可通信的应用进程。
8.一种适用于实时以太网会话层的通信帧设计方法，所述设计方法使用如权利要求1-7任一项所述的通信帧，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
S1在用户数据到达该节点前会进行预封装；
S2预封装数据传输到会话层时，定义对该已经预封装处理的用户数据进行封装的通信帧格式；
S3把预封装消息帧的除了有效负载以外的部分删除，进入传输层；
S4重新封装成TCP段，之后按照传统以太网帧的封装过程进行封装以及完成发送。
9.根据权利要求8所述的适用于实时以太网会话层的通信帧设计方法，其特征在于，所述通信帧需要告知数据链路层需要发送的用户数据和发送用户数据的时间。
10.根据权利要求8所述的适用于实时以太网会话层的通信帧设计方法，其特征在于，所述会话层封装之前预封装用户数据通信帧。
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