以太網協議實時性的設計方案

1 概述

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，現場總線技術的發(fā)展使智能現場設備和自動化系統(tǒng)以全數字式、雙向傳輸、多分支結果的通信控制網絡相連，使工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網絡化和智能化發(fā)展。但是由于各類現場總線標準之間的不可兼容性無法實現統(tǒng)一，阻礙了現場總線技術的發(fā)展。另一方面，以太網技術作為壟斷辦公自動化領域的通信技術，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注和認可。用以太網技術來實現從管理層到工業(yè)現場層的一致性通信，人們習慣上將應用到工業(yè)領域的以太網技術稱為“工業(yè)以太網”。

　　工業(yè)數據通信網絡與信息網絡不同,工業(yè)數據通信不僅要解決信號的互通和設備的互連,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備所采用的通信介質、信號類型、信號大小、信號的輸入/輸出匹配等參數，以及數據鏈路層協議符合同一標準,不同的設備能連接在同一網絡上實現互連。如果僅僅實現設備互連,但沒有統(tǒng)一的高層協議(如應用層協議),那么不同設備之間還是不能相互理解、識別彼此所傳送的信息含義,就不能實現信息互通,也就不可能實現開放系統(tǒng)之間的互可操作?；タ刹僮餍允侵高B接到同一網絡上、不同廠家的設備之間，通過統(tǒng)一應用層協議進行通信與互用,性能類似的設備可以實現互換。這是工業(yè)數據通信網絡區(qū)別于一般IT網絡的重要特點。

　　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，通信時數據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。

　　雖然以太網具有比現場總線高許多的傳輸速率，但是卻不能保證實現控制設備間的實時通信。這主要是因為標準的以太網協議是以CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection，載波*多路訪問/沖突檢測）技術為基礎的，網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)送數據。如果兩個工作站同時試圖發(fā)送數據,沖突就產生了。在這種情況下,訪問機制首先確保工作站停止傳輸數據，而后根據預定義的隨機選擇算法,工作站再次嘗試發(fā)送數據。這個過程一直重復直至沖突消失。上述機制保證了數據的安全發(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。它允許數據傳輸時間可被任意推遲，也就不能實現數據的實時通信。要想使以太網技術在不改變其現有標準的前提下更好地應用到工控領域，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 是以快速以太網為基礎開發(fā)出來的實時工業(yè)以太網協議。貝加萊公司的目標是在快速以太網的基礎上，創(chuàng)建一個高速的、實時的、確定性的網絡環(huán)境。利用高速循環(huán)數據交換，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)的數據。而且，I/O與驅動數據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之上，所以Ethernet Powerlink完全符合標準的拓撲結構和物理特性，且能夠與IT技術無縫連接，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)。網絡拓撲支持星型、樹型和菊花鏈型結構，單個網段最多可以連接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的幀頭、幀尾，如圖1所示。在以太網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）和數據(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

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

　　SCNM給同步數據和異步數據分配時槽，保證在同一時間只有一個設備可以占用網絡媒介，從而徹底杜絕了網絡沖突的發(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)點對網絡進行統(tǒng)一調度，為各個節(jié)點之間數據通信分配時間信道。只有管理節(jié)點可以獨立地發(fā)送數據，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)送數據，且僅以廣播的形式，其他的節(jié)點可以接收數據并進行監(jiān)督。對于實時數據，信道時間較窄，可以精確管理；對于標準以太網數據包，首先拆成小包，然后納入相應的信道進行管理，因而數據也是確定性的[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)送數據；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據，并對這幀數據進行監(jiān)控，也包括那些應該得到這幀數據的節(jié)點。PollReq和PollRes都可以傳輸應用數據。管理節(jié)點循環(huán)訪問完所有節(jié)點后廣播發(fā)送EoC幀指示同步結束。

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

　　空閑階段：在完成異步傳送數據后尚剩下的時間段。在這個時間段，所以網上的節(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據和標準以太網數據流，既能在保證數據通信的實時性要求，又能傳輸標準的以太網數據，實現與標準以太網的兼容。

　　目前，實時開放的Ethernet Powerlink工業(yè)以太網已順利通過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。