基于Submerge Frame方法的CAN－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

以太網(wǎng)憑借其成本低、開(kāi)放性強(qiáng)以及具有廣泛的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用軟硬件支持等明顯優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，而can總線也以星火燎原之勢(shì)成為應(yīng)用最普遍的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[1]。由于can總線的傳輸速率受到傳輸距離的限制，在應(yīng)用中往往以can總線作為現(xiàn)場(chǎng)控制局部網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備和高級(jí)智能設(shè)備，而將以太網(wǎng)作為企業(yè)信息傳輸主干網(wǎng)，連接各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制局部網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)往往無(wú)法適應(yīng)較大規(guī)模和重網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷環(huán)境，本文對(duì)在不改變操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議且不增加硬件成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效的can總線的以太網(wǎng)接入問(wèn)題的研究具有一定參考價(jià)值。

1 嵌入式can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備，一般分為協(xié)議網(wǎng)關(guān)，安全網(wǎng)關(guān)和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，對(duì)于嵌入式can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，由于can總線連接的嵌入式節(jié)點(diǎn)和智能儀表等與pc機(jī)和服務(wù)器相比功能較弱，嵌入式節(jié)點(diǎn)不直接支持tcp/ic等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，所以嵌入式can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要作為協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

1.1 嵌入式can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)性能要求

對(duì)can網(wǎng)關(guān)的具體性能要求是與應(yīng)用類(lèi)型相關(guān)的，不同應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)及其指標(biāo)也不一樣，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)can網(wǎng)關(guān)都有以下要求：

1）實(shí)時(shí)性。網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)要快，不能影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2）可靠性。網(wǎng)關(guān)須具有高可靠性，能滿足工控系統(tǒng)要求，這包括兩方面內(nèi)容：一方面，網(wǎng)關(guān)要能夠穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，在自身出現(xiàn)故障時(shí)不影響所在的網(wǎng)絡(luò)。

3）開(kāi)放性。由于can協(xié)議本身并沒(méi)有對(duì)應(yīng)用層作出規(guī)定，在應(yīng)用中存在各種互不兼容的應(yīng)用層協(xié)議，因此網(wǎng)關(guān)需要解決用層協(xié)議的兼容性問(wèn)題。

4）通用性。網(wǎng)關(guān)要能直接應(yīng)用于can總線的以太網(wǎng)接入，而無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的二次開(kāi)發(fā)。

5）高效性。網(wǎng)關(guān)要高效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫互聯(lián)，而不能構(gòu)成系統(tǒng)的瓶頸。

1.2 can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)作為企業(yè)信息傳輸主干網(wǎng)接入internet，can總線作為現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與嵌入式控制器之間的信息傳輸，網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)二者之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換，圖1為一種can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖。

本方案以philips公司的基于arm7tdmi內(nèi)核的芯片lpc2294為cpu構(gòu)建網(wǎng)關(guān)，lpc2249支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，帶有256kb高速flash存儲(chǔ)器，采用lqfp144封裝，功耗極低，并帶有32位定時(shí)器，8路10位adc，pwm通道，9個(gè)外部中斷以及112個(gè)gpio口（不使用外部存儲(chǔ)器時(shí)）；特別是它帶有4路獨(dú)立的can控制器，使得它非常適合于構(gòu)建can網(wǎng)關(guān)，由于lpc2294支持內(nèi)部總線，因此cpu與以太網(wǎng)控制芯片rtl8019之間的硬件連接以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)都比較簡(jiǎn)單，但相對(duì)于使用帶有內(nèi)置以太網(wǎng)控制器的arm芯片的網(wǎng)關(guān)方案，其抗干擾能力相對(duì)較弱，在硬件布線時(shí)須充分考慮抗電磁干擾問(wèn)題。

2 以太網(wǎng)幀與can幀分析

在網(wǎng)關(guān)效率的研究中，對(duì)以太網(wǎng)和can總線，特別是對(duì)其幀結(jié)構(gòu)的深入理解是必需的。

2.1 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)是一個(gè)局部區(qū)域多計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)，是符合ieee802.3、iso/iec8802－3或ieee802.12iso/iec8802－12標(biāo)準(zhǔn)的，采用沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn)接入（csma/cd）機(jī)制的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)[2]。

以太網(wǎng)幀是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)的基本單元，是對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能分析的基礎(chǔ)。以太網(wǎng)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，衍生出的相應(yīng)規(guī)范較多，如10mbps－10baset ethernet（802.3）、100mbps－fast ethernet（802.3u）、1000mbps－gigabit ethernet（802.3z））和10 gigabit ethernet（ieee 802.3ae）等，一般將以太網(wǎng)幀分為數(shù)據(jù)幀和管理幀。其中數(shù)據(jù)幀又分為以太網(wǎng)基本幀和vlan采用的擴(kuò)展幀等。以太網(wǎng)基本幀和vlan采用的一種擴(kuò)展幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中：

◇幀前導(dǎo)。0、1交錯(cuò)的56位圖形。

◇幀起始符（sof）。占8位，表示一幀的開(kāi)始。

◇目的地址與源地址。各占8字節(jié)，表示目的和源的mac地址。

◇幀長(zhǎng)度/幀類(lèi)型（l/t）。2字節(jié)，mac幀內(nèi)不包括任何填充的數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度或類(lèi)型。

◇數(shù)據(jù)。占用的字節(jié)數(shù)a由數(shù)據(jù)量決定，須滿足a≤1500字節(jié)。

◇填充。占用字節(jié)數(shù)b根據(jù)需要而定，須滿足a＋b≥46字節(jié)。

◇幀校驗(yàn)區(qū)（fcs）。占4字節(jié)，用于幀的差錯(cuò)校驗(yàn)。

需要注意的是，對(duì)于基本幀，mac客戶數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)最低不能少于46節(jié)，最高不能多于1500字節(jié)，網(wǎng)絡(luò)mac幀的尺寸不能小于64字節(jié)，最大不能超過(guò)1518字節(jié)。這里不包括幀前導(dǎo)和幀起始符兩個(gè)區(qū)域，共計(jì)18字節(jié)。

2.2 can總線

can是一種采用多主工作方式、非破壞仲裁技術(shù)和接收濾波工作方法的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，按照iso有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，can的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，因此也稱(chēng)為can總線[3]。

can協(xié)議中每幀的數(shù)據(jù)量都不超過(guò)8字節(jié)，以短幀多發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高實(shí)時(shí)性，糾錯(cuò)能力非常強(qiáng)，傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高，真正的高速網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率可以達(dá)到1mbit/s。它的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維[4]。

can2.0b中存在兩種不同的幀結(jié)構(gòu)，其區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符場(chǎng)的長(zhǎng)度。具有11位標(biāo)識(shí)符場(chǎng)的稱(chēng)為“標(biāo)準(zhǔn)幀”，具有29位標(biāo)識(shí)符場(chǎng)的稱(chēng)為“擴(kuò)展幀”[5]。can2.0b協(xié)議規(guī)定的兩種幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中：

◇sof幀起始，由一個(gè)顯性位構(gòu)成，占1位寬度；

◇替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求srr（substitute remote request），占1位寬度；

◇遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求rtr（remote transmission request），占1位寬度；

◇ide（identifier extension），占1位寬度；

◇數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼dlc，表示數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度，占4位；

◇r1、r0為保留位，各占1位寬度；

◇幀結(jié)束，為7個(gè)隱性位。

從上述分析中可以看出，can協(xié)議為了提高實(shí)時(shí)性采用了短幀結(jié)構(gòu)，而以太網(wǎng)幀相對(duì)要長(zhǎng)得多，can協(xié)議采用載波偵聽(tīng)多路存取/消息優(yōu)先仲裁（csma/amp）機(jī)制解決沖突，而以太網(wǎng)幀采用csma/cd機(jī)制，這兩點(diǎn)構(gòu)成了can與以太網(wǎng)之間的主要差異，也是傳統(tǒng)can－ethernet網(wǎng)關(guān)效率底下的主要原因。

3 submerge frame方法研究

3.1 submerge frame方法介紹

為了討論方便,我們稱(chēng)為以太網(wǎng)發(fā)往can總線的數(shù)據(jù)幀為“下行的”，而can總線發(fā)往以太網(wǎng)的幀為“上行的”。

submerge frame方法是一種基于隧道技術(shù)的處理方法，它包括上行和下行兩部分，對(duì)于下行數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)中的服務(wù)器將即將傳輸?shù)腸an幀中的前k個(gè)作為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一起打包送入以太網(wǎng)中；嵌入式網(wǎng)關(guān)根據(jù)規(guī)定對(duì)以太網(wǎng)幀解包，將恢復(fù)的can幀按照優(yōu)先級(jí)依次傳輸。對(duì)于上行數(shù)據(jù)，嵌入式網(wǎng)關(guān)將收到的幀按照優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，然后將前k個(gè)can幀作為傳輸數(shù)據(jù)打包送入以太網(wǎng)中，基于submerge frame方法的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)圖4所示，其中1＃－k＃為k個(gè)完整的can幀。

submerge frame方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程很簡(jiǎn)單，它基于優(yōu)先級(jí)對(duì)等待服務(wù)的需can幀進(jìn)行排隊(duì) ，當(dāng)可以使用媒體時(shí)，將隊(duì)列中的前k個(gè)幀合并作為上層數(shù)據(jù)打包送入以太網(wǎng)。從幀格式可以看出，將can幀打包以太網(wǎng)幀和can幀數(shù)據(jù)恢復(fù)都非常簡(jiǎn)單。

submerge frame方法并不主動(dòng)等待k個(gè)幀的到來(lái)，它總是盡可能地將can幀送出，以縮短信息傳輸延時(shí)。

3.2 submerge frame方法效率研究

submerge frame方法效率包括下行數(shù)據(jù)效率和上行數(shù)據(jù)效率兩部分。

下行數(shù)據(jù)效率的關(guān)鍵在于以太網(wǎng)的傳輸?shù)却龝r(shí)間長(zhǎng)短，以太網(wǎng)采用1－堅(jiān)持csma/cd動(dòng)態(tài)信道分配方式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，它首先偵聽(tīng)信道，看其他站點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)傳送，如果信道忙，則它就繼續(xù)等待，直到信道空閑再進(jìn)行發(fā)送嘗試，為了方便計(jì)算，可以假設(shè)在穩(wěn)定的重負(fù)載情況下每幀數(shù)據(jù)平均發(fā)送時(shí)間為p，則信道效率η滿足[6]：

式中，：2τ為每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)槽的時(shí)間長(zhǎng)度；a為在某個(gè)時(shí)間槽內(nèi)一個(gè)工作站獲得傳輸媒體的概率。

設(shè)以太網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的平均幀長(zhǎng)為f，網(wǎng)絡(luò)帶寬為b，則上式可以變?yōu)椋?/p>

從式（2）中可以看出，信道效率η由決定，在具體應(yīng)用環(huán)境中以太網(wǎng)中工作站的數(shù)目一般是固定的，因此，τ、a、b都是定值。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的效率幀長(zhǎng)f決定，f越大，局域網(wǎng)的效率越高。

從上述分析中已經(jīng)得知，can的幀長(zhǎng)為：60－124位（擴(kuò)展幀），40－104位（標(biāo)準(zhǔn)幀）。若簡(jiǎn)單采用隧道技術(shù)，需將其補(bǔ)足46位，在最差情況下，有信息只占信息總量的10％；即使在最好情況下，有效信息也只占信息總量的33.6％，而此時(shí)，由于幀長(zhǎng)f＝64字節(jié)，η僅為幀長(zhǎng)1518字節(jié)時(shí)的，可得，在一個(gè)有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的100m赫茲交換以太網(wǎng)中，з約為50％。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載隨具體情況變化較大，實(shí)際應(yīng)用中submerge frame方法處理下行數(shù)據(jù)的效率也隨之變化?？傮w來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越重，傳輸?shù)却龝r(shí)間就越長(zhǎng)，submerge frame方法的效率也就越高。

上行數(shù)據(jù)的討論集中在網(wǎng)關(guān)對(duì)接收到的can幀的處理上，設(shè)can總線上由7個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，不妨設(shè)這些節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信息幀的標(biāo)識(shí)符為1，…，n。其中：1＃節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信息幀具有最小標(biāo)識(shí)符，從而具有最高優(yōu)先級(jí)，n＃節(jié)點(diǎn)具有最低優(yōu)先級(jí)。由于can到主發(fā)送機(jī)制，所以i節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息幀是參數(shù)為λi的poisson過(guò)程[7]。就網(wǎng)關(guān)內(nèi)部而言，排隊(duì)過(guò)程是非搶占的。若一次對(duì)k個(gè)幀進(jìn)行打包，整個(gè)傳輸過(guò)程就形成了一個(gè)具有n個(gè)優(yōu)先級(jí)的m/g/k隊(duì)列。

這樣，信息幀i的排隊(duì)時(shí)間分為4部分：1）先于i到達(dá)且優(yōu)先級(jí)高于i的、還未獲得服務(wù)的信息幀的服務(wù)時(shí)間；2）后于i到達(dá)、優(yōu)先級(jí)高于i的信息幀的服務(wù)時(shí)間；3）正在接受服務(wù)的信息幀的剩余傳送時(shí)間；4）以太網(wǎng)阻塞延時(shí)。這樣，即可得到信息幀i的平均等待時(shí)間：

式中：λi為信息幀i的到達(dá)率，i＝1，…，n；μi為信息幀i的服務(wù)率，i＝1，…，n；ρi為信息幀i的使用率，ρi=（i＝1，…，n）即服務(wù)強(qiáng)度；wi為信息幀i的等待時(shí)間，i＝1，…，n；xi為在總線上的傳送信息幀i的時(shí)間，即占用服務(wù)臺(tái)的時(shí)間。

采用常規(guī)can時(shí)的最大排隊(duì)時(shí)間可由非搶占式任務(wù)的調(diào)度理論獲得，這里不再贅述。

從式（3）中可以看出submerge frame方法在處理上行數(shù)據(jù)時(shí)可以明顯提高傳輸效率；

◇整個(gè)系統(tǒng)的平均服務(wù)時(shí)間由；

◇服務(wù)強(qiáng)度變?yōu)樵瓉?lái)的1/k，系統(tǒng)穩(wěn)定的概率更高；

◇縮短了后續(xù)幀的等待時(shí)間、以太網(wǎng)的阻塞時(shí)間以及高優(yōu)先級(jí)can幀的傳輸延時(shí)。

3.3 submerge frame 方法中的關(guān)鍵問(wèn)題

submerge frame方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，其效率在于隊(duì)列k的選擇，對(duì)于下行數(shù)據(jù)，k值可以相對(duì)固定。下行數(shù)據(jù)一般由服務(wù)器根據(jù)控制條件發(fā)出，因?yàn)榭梢詫?duì)發(fā)出的can幀的數(shù)目和目的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充分優(yōu)化，k值就可以通過(guò)對(duì)應(yīng)用的分析得出，對(duì)于上行數(shù)據(jù)，k值的大小與can網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、負(fù)載以及控制域的條件密切相關(guān)，也就是說(shuō)，can總線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，以太網(wǎng)負(fù)載越重，控制域上報(bào)信息和突發(fā)事件頻度越高，k值也就越大，一般而言，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際可用帶寬要比can帶寬大，所以在輕載情況下k值一般不會(huì)太大，當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)，k值會(huì)急劇上升，在一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中，k值可以得出一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)量，在此不做討論。

由于submerge frame 方法中k值和服務(wù)等待時(shí)間緊密相連，這就形成了網(wǎng)絡(luò)效率和服務(wù)時(shí)間之間的矛盾。k值越大，網(wǎng)絡(luò)效率提高就越多，但也就意味著服務(wù)等待時(shí)間越長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，k值越小，服務(wù)時(shí)間越短，同時(shí)伴隨著網(wǎng)絡(luò)效率的下降，在極限情況下就退化成了m/g/1隊(duì)列，submerge frame方法的效率降至最低。

4 結(jié)論

submerge frame方法是一種被動(dòng)的狀態(tài)，即在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)將等待服務(wù)隊(duì)列中的前k個(gè)幀合并，使平均服務(wù)時(shí)間從，從而提高了服務(wù)強(qiáng)度，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，由于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性更為重要，submerge frame方法并不主動(dòng)等待若干個(gè)幀的到來(lái)。在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)周期流量構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的主要部分之一，而這種周期流量的周期往往是可以控制的。基于submerge frame方法的can－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)已經(jīng)在安徽省“十五”二期科技攻關(guān)項(xiàng)目——井下安全生產(chǎn)數(shù)字化平臺(tái)中得到應(yīng)用。在應(yīng)用中通過(guò)對(duì)周期流量產(chǎn)生時(shí)間的充分優(yōu)化，網(wǎng)關(guān)在重網(wǎng)絡(luò)負(fù)載環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，安全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。