以太網(wǎng)協(xié)議實時性的設(shè)計方案

1 概述

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展使智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)以全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)果的通信控制網(wǎng)絡相連，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化和智能化發(fā)展。但是由于各類現(xiàn)場總線標準之間的不可兼容性無法實現(xiàn)統(tǒng)一，阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。另一方面，以太網(wǎng)技術(shù)作為壟斷辦公自動化領(lǐng)域的通信技術(shù)，以其通用性、低成本、高效率、高可靠性和高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)勢，得到了工控界越來越多的關(guān)注和認可。用以太網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)從管理層到工業(yè)現(xiàn)場層的一致性通信，人們習慣上將應用到工業(yè)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)稱為“工業(yè)以太網(wǎng)”。

　　工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡不同,工業(yè)數(shù)據(jù)通信不僅要解決信號的互通和設(shè)備的互連,而且需要解決信息的互通問題,即信息的互相識別、互相理解和互可操作。所謂信號的互通,即兩個需要互相通信的設(shè)備所采用的通信介質(zhì)、信號類型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等參數(shù)，以及數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議符合同一標準,不同的設(shè)備能連接在同一網(wǎng)絡上實現(xiàn)互連。如果僅僅實現(xiàn)設(shè)備互連,但沒有統(tǒng)一的高層協(xié)議(如應用層協(xié)議),那么不同設(shè)備之間還是不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義,就不能實現(xiàn)信息互通,也就不可能實現(xiàn)開放系統(tǒng)之間的互可操作?；タ刹僮餍允侵高B接到同一網(wǎng)絡上、不同廠家的設(shè)備之間，通過統(tǒng)一應用層協(xié)議進行通信與互用,性能類似的設(shè)備可以實現(xiàn)互換。這是工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡區(qū)別于一般IT網(wǎng)絡的重要特點。

　　對工業(yè)控制來說，還有一個很重要的區(qū)別就是實時性。實時性的一個重要標志就是時間的確定性，通信時數(shù)據(jù)傳輸時間不是隨機的，而是可事先確定的。一個事件發(fā)生后，系統(tǒng)在一個可準確預見的時間范圍內(nèi)做出反應。反應速度由被控制過程來決定。對于高傳動性的系統(tǒng)，實時性的要求就要更高了。

　　雖然以太網(wǎng)具有比現(xiàn)場總線高許多的傳輸速率，但是卻不能保證實現(xiàn)控制設(shè)備間的實時通信。這主要是因為標準的以太網(wǎng)協(xié)議是以CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection，載波*多路訪問/沖突檢測）技術(shù)為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡上的各工作站對總線進行“*”以確認總線是否空閑。如果空閑,它們就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個工作站同時試圖發(fā)送數(shù)據(jù),沖突就產(chǎn)生了。在這種情況下,訪問機制首先確保工作站停止傳輸數(shù)據(jù)，而后根據(jù)預定義的隨機選擇算法,工作站再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個過程一直重復直至沖突消失。上述機制保證了數(shù)據(jù)的安全發(fā)送，可是從確定性行為的角度來看,這卻是一個很大的障礙。它允許數(shù)據(jù)傳輸時間可被任意推遲，也就不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信。要想使以太網(wǎng)技術(shù)在不改變其現(xiàn)有標準的前提下更好地應用到工控領(lǐng)域，就要找到一種解決方案來解決這個問題。

　　為此，各大公司開始研究基于以太網(wǎng)的通信的實時性問題，并各自提出了不同的解決方案。有些成果已得到了工業(yè)現(xiàn)場標準委員會的認可，并寫入新的標準中。

　　下面就介紹幾種解決方案，看他們是如何保證通信實時性的。

　　2 幾種解決方案分析

　　2.1 Ethernet Powerlink

　　這個方案是由奧地利貝加萊公司提出的Ethernet Powerlink所采用的解決方法。Ethernet Powerlink 是以快速以太網(wǎng)為基礎(chǔ)開發(fā)出來的實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。貝加萊公司的目標是在快速以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建一個高速的、實時的、確定性的網(wǎng)絡環(huán)境。利用高速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，使抖動降到很小(小于1 μs),同時在不影響循環(huán)通信的情況下處理非循環(huán)的數(shù)據(jù)。而且，I/O與驅(qū)動數(shù)據(jù)能夠在相互之間以及與PCC系統(tǒng)間完成同步傳輸。因為是完全建立在標準快速以太網(wǎng)之上，所以Ethernet Powerlink完全符合標準的拓撲結(jié)構(gòu)和物理特性，且能夠與IT技術(shù)無縫連接，傳輸速率為100 Mbps，最小循環(huán)周期為200 μs。使用帶RJ45插頭的標準雙絞線電纜(超五類電纜)。網(wǎng)絡拓撲支持星型、樹型和菊花鏈型結(jié)構(gòu)，單個網(wǎng)段最多可以連接240個實時站點。由于有實時性的要求，因此不允許使用交換機，只能使用集線器作為連接設(shè)備。

　　2.1.1 Ethernet Powerlink的報文幀格式

　　圖1 Powerlink報文幀格式

　　報文幀格式采用了標準快速以太網(wǎng)的幀頭、幀尾，如圖1所示。在以太網(wǎng)幀頭后面的是實際的Powerlink報文，包括服務標識（SID）、目標地址（DA）、源地址（SA）和數(shù)據(jù)(Data)。其中Length/Type字段的值>1 500,這是一個保留的EtherType，用于唯一地識別Powerlink的報文幀[1]。

　　其中：SID包括SoC(Start of Cyclic)、EoC(End of Cyclic)、PollReq、PollRes、AsyncInvite、AsyncSend、AsyncAckNack；DA為目標地址；SA為源地址。

　　2.1.2 Ethernet Powerlink的工作原理

　　雖然標準的以太網(wǎng)是以CSMA/CD技術(shù)為基礎(chǔ)的，但CSMA/CD的工作原理決定了它不能實現(xiàn)通信的確定性，于是Ethernet Powerlink引入了SCNM（時間槽通信網(wǎng)絡管理）算法來保證實時以太網(wǎng)通信的確定性。

　　SCNM給同步數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)分配時槽，保證在同一時間只有一個設(shè)備可以占用網(wǎng)絡媒介，從而徹底杜絕了網(wǎng)絡沖突的發(fā)生。Ethernet Powerlink在通信管理上引入了管理節(jié)點（MN）和控制節(jié)點（CN）。整個網(wǎng)絡有唯一的管理節(jié)點，所以控制節(jié)點在管理節(jié)點上登記組態(tài)，管理節(jié)點對網(wǎng)絡進行統(tǒng)一調(diào)度，為各個節(jié)點之間數(shù)據(jù)通信分配時間信道。只有管理節(jié)點可以獨立地發(fā)送數(shù)據(jù)，可以以廣播的形式或指定發(fā)送；而控制節(jié)點只有在得到允許后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，且僅以廣播的形式，其他的節(jié)點可以接收數(shù)據(jù)并進行監(jiān)督。對于實時數(shù)據(jù)，信道時間較窄，可以精確管理；對于標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，首先拆成小包，然后納入相應的信道進行管理，因而數(shù)據(jù)也是確定性的[2]。

　　時間槽通信的周期包括開始階段、同步階段、異步階段和空閑階段，如圖2所示。

　　圖2 Powerlink的通信周期

　　每個階段的時間由管理節(jié)點預先設(shè)置，長度可以不同。管理節(jié)點隨時監(jiān)控循環(huán)時間，以保證預設(shè)的時間不會發(fā)生沖突，一旦沖突發(fā)生，將自動延續(xù)到下一個循環(huán)的開始位置。

　　開始階段：管理節(jié)點廣播發(fā)送SoC幀開始通信周期。此幀發(fā)出后，各節(jié)點就此同步。只有SoC幀由時間控制，其他幀由事件控制。

　　同步階段： 所有節(jié)點進行同步信息交換。管理節(jié)點按照一個預先定義的順序給某站發(fā)送一個PollPeq幀，要求此節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；此節(jié)點得到允許后以廣播的形式發(fā)出一幀PollRes回應信息，所有節(jié)點都可以接收到這幀數(shù)據(jù)，并對這幀數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，也包括那些應該得到這幀數(shù)據(jù)的節(jié)點。PollReq和PollRes都可以傳輸應用數(shù)據(jù)。管理節(jié)點循環(huán)訪問完所有節(jié)點后廣播發(fā)送EoC幀指示同步結(jié)束。

　　異步階段：當確認隊列中無實時數(shù)據(jù)交換需要時，系統(tǒng)進入異步階段，異步通信主要傳輸標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。如果控制節(jié)點要發(fā)送異步數(shù)據(jù)，會在PollRes幀中通知管理節(jié)點。管理節(jié)點查詢異步數(shù)據(jù)請求對列，發(fā)送“異步數(shù)據(jù)發(fā)送邀請（AInvite）”給要發(fā)送異步數(shù)據(jù)的節(jié)點。這時控制節(jié)點就可以發(fā)送異步數(shù)據(jù)到指定的節(jié)點。通過時間槽通信發(fā)送的數(shù)據(jù)報文會在接收節(jié)點還原成原始數(shù)據(jù)包。

　　空閑階段：在完成異步傳送數(shù)據(jù)后尚剩下的時間段。在這個時間段，所以網(wǎng)上的節(jié)點都處于等待狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開始。這個時間是個變量，也可能是0。

　　Ethernet Powerlink在通信管理上引入的時間槽通信網(wǎng)絡管理，使每個通信周期可以有對應的時間域用于傳輸實時數(shù)據(jù)和標準以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，既能在保證數(shù)據(jù)通信的實時性要求，又能傳輸標準的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與標準以太網(wǎng)的兼容。

　　目前，實時開放的Ethernet Powerlink工業(yè)以太網(wǎng)已順利通過IEC國際標準。所有文檔都已通過IEC組委會批準，Ethernet Powerlink已被納入IEC國際標準617842、61158300、61158400、61158500和61158600。