解决以太网协议实时性的几种方案

1、解决以太网协议实时性的几种方案摘要以太网技术以其低成木、高速、高稳定性和高可靠性的优点，正逐渐向工业现场控制领域发展，但是 由于以太网技术在工业现场通信方面不能满足实时性的要求，因此就诞生了许多实时以太网技术的解决方 案。本文主要介绍现今比较流行的儿种实时以太网协议，以及它们如何在工业以太网的基础上对协议进行 改进，以满足工业现场对实时通信的耍求。1概述在工业控制系统屮，现场总线技术的发展使智能现场设备和自动化系统以全数字式、双向传输、多分 支结果的通信控制网络相连，使工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展。但是由于各类现场总线标 准z间的不可兼容性无法实现统一，阻碍了现场总线技术的发展。另

2、一方面,以太网技术作为垄断办公自 动化领域的通倍技术，以其通用性、低成本、高效率、高可靠性和高稳定性等诸多优势，得到了工控界越 来越多的关注和认可。川以太网技术来实现从管理层到工业现场层的i致性通信，人们习惯上将应川到工 业领域的以太网技术称为“工业以太网”。工业数据通信网络与信息网络不同，工业数据通信不仅要解决信号的互通和设备的互连，而i需要解决 信息的互通问题，即信息的互相识别、互相理解和互可操作。所谓信号的互通，即两个需要互相通信的设备所 采用的通信介质、信号类型、信号人小、信号的输入/输出匹配等参数，以及数据链路层协议符合同i标准, 不同的设备能连接在同一网络上实现互连。如果仅仅实现设

3、备互连，但没有统一的高层协议（如应用层协议）, 那么不同设备之间还是不能相互理解、识别彼此所传送的信息含义,就不能实现信息互通，也就不町能实现开 放系统z间的互可操作。互可操作性是指连接到同一网络上、不同厂家的设备z间，通过统一应用层协议 进行通信与互用，性能类似的设备可以实现互换。这是工业数据通信网络区別于一般it网络的重要待点。对工业控制來说，还有一个很巫耍的区别就是实时性。实时性的一个巫耍标志就是时间的确定性，通 信时数据传输时间不是随机的，而是可事先确定的。一个事件发生后，系统在一个可准确预见的时间范围 内做出反应。反应速度山被控制过程來决定。对于高传动性的系统，实时性的要求就要更高了

4、。址然以太网具冇比现场总线高许多的传输速率，但是却不能保证实现控制设备间的实时通信。这主要 是因为标准的以太网协议是以 csma/cd （carrier sense multiple access / collision detection,载波*多 路访问/冲突检测）技术为某础的，网络上的各工作站对总线进行“"以确认总线是否空闲。如果空闲，它们就 开始发送数据。如果两个工作站同时试图发送数据，冲突就产生了。在这种情况下，访问机制首先确保工作站 停止传输数据，而后根据预定义的随机选择算法，工作站再次尝试发送数据。这个过程一直匝复直至冲突消 失。上述机制保证了数据的安全发送，可是从确定

5、性行为的角度來看，这却是一个很大的障碍。它允许数据 传输时间可被任意推迟，也就不能实现数据的实时通信。要想使以太网技术在不改变其现冇标准的前提下 更好地应用到工控领域，就要找到一种解决方案來解决这个问题。为此，各大公司开始研究基于以太网的通信的实时性问题，并各自提出了不同的解决方案。有些成果 已得到了工业现场标准委员会的认可，并写入新的标准屮。下面就介绍几种解决方案，看他们是如何保证通信实时性的。2儿种解决方案分析2.1 ethernetpowerlink这个方案是宙奥地利贝加莱公司提出的ethernet powerlink所采用的解决方法。ethernet powerlink 是以快速以太网

6、为基础开发出來的实时工业以太网协议。贝加莱公司的目标是在快速以太网的基础上，创 建一个高速的、实时的、确定性的网络环境。利用高速循环数据交换，使抖动降到很小（小于1 ps）,同时在 不影响循环通信的情况下处理非循环的数据。而h, i/o与驱动数据能够在相间以及与pcc系统间完 成同步传输。因为是完全建立在标准快速以太网z上，所以ethernet powerlink完全符合标准的拓扑结构 和物理特性，且能够与it技术无缝连接，传输速率为100 mbps,最小循环周期为200 pso使用带rj45 插头的标准双绞线电缆（超五类电缆）。网络拓扑支持星型、树型和菊花链型结构，单个网段最多可以连接 24

7、0个实时站点。由于有实时性的要求，因此不允许使用交换机，只能使用集线器作为连接设备。2.1.1 ethernet powerlink 的报文帧格式以太网吻头powerlink报文帧 以太网抽用图1 powerlink报文帧格式报文帧格式采用了标准快速以太网的帧头、帧尾，如图1所示。在以太网帧头后面的是实际的powerlink 报文，包括服务标识(sid)、目标地址(da)、源地址(sa)和数据(data),其中length/type字段的 值500,这是一个保留的ethertype,用于唯一地识别powerlink的报文帧。其中：sid 包括 soc(start of cyclic)、eoc(

8、end of cyclic)、pollreq、pollres、asynclnvite、asyncsend、 asyncacknack： da为目标地址；sa为源地址。2.1.2 ethernet powerlink 的工作原理虽然标准的以太网是以csma/cd技术为基础的，但csma/cd的工作原理决定了它不能实现通信的 确能性，丁是ethernet powerlink引入了 scnm (时间槽通佶网络管理)算法來保证实时以太网通信的确 定性。scnm给同步数据和异步数据分配时槽，保证在同一时间只有一个设备可以占用网络媒介，从而彻底 杜绝了网络冲突的发生。ethernet powerlink在

9、通信管理上引入了管理节点(mn)和控制节点(cn)。整 个网络冇唯一的管理节点,所以控制节点在管理节点上登记组态，管理节点对网络进行统一调度,为各个 节点z间数据通信分配时间倍道。只有管理节点nj以独立地发送数据，nj以以广播的形式或指定发送；而 控制节点只有在得到允许后才能发送数据，且仅以广播的形式，其他的节点可以接收数据并进行监督。对 于实时数据，信道时间较'窄，可以務确管理；对于标准以太网数据包，首先拆成小包，然后纳入相应的信 道进行管理，因而数据也是确定性的2。时间槽通信的周期包括开始阶段、同步阶段、异步阶段和空闲阶段，如图2所示。图2 powerlink的通信周期毎个阶段的时

10、间山管理节点预先设置，长度可以不同。管理节点随时监控循环时间，以保证预设的时 间不会发生冲突，一旦冲突发生，将自动延续到下一个循环的开始位置。开始阶段：管理节点广播发送soc帧开始通信周期。此帧发出后，各节点就此同步。只冇soc帧由 时间控制，其他帧由事件控制。同步阶段：所有节点进行同步信息交换。管理节点按照一个预先定义的顺序给某站发送-个pollpeq 帧，要求此节点发送数据；此节点得到允许后以广播的形式发出一帧pollres冋应信息，所有节点都可以 接收到这帧数据，并对这帧数据进行监控，也包括那些应该得到这帧数据的节点。polireq和pollres都 可以传输应用数据。管理节点循环访问完

11、所冇节点后广播发送eoc帧指示同步结束。异步阶段：当确认队列中无实时数据交换需耍时，系统进入异步阶段，异步通信主耍传输标准以太网 数据流。如果控制节点要发送异步数据，会在pollres帧中通知管理节点。管理节点查询异步数据请求对 列，发送“界步数据发送邀销(alnvite) ”给要发送界步数据的节点。这时控制节点就町以发送异步数据到 指定的节点。通过时间槽通信发送的数据报文会在接收节点还原成原始数据包。空闲阶段：在完成异步传送数据厉尚剩下的时间段。在这个时间段，所以网上的节点都处于等待状态， 等待下一循环的开始。这个时间是个变量，也可能是0。ethernet powerlink在通信管理上引入

12、的时间槽通信网络管理，使每个通信周期町以仃对应的时间域用 于传输实时数据和标准以太网数据流，既能在保证数据通信的实时性要求，又能传输标准的以太网数据， 实现与标准以太网的兼容。h前，实时开放的ethernet powerlink工业以太网已顺利通过iec国际标准。所有文档都已通过iec 组委会批准,ethernet powerlink 已被纳入 iec 国际标准 617842> 61158300. 61158400. 61158500 和 61158600c2.2总线内存管理和ieee1588机制这种解决方法就是由德国倍福公司提出的ethercat(ethernet for contro

13、l automation technology)。它得到了 etg组织的支持，是个可用丁现场级的超高速i/o网络，使用标進的以太网物理层和常规的以 太网卡，传输介质可以是双绞线或光纤。拓扑结构可以是线型、树型和星型结构。ethercat使网络性能达 到一个新的境界，可以在30 ps内处理1 000个i/o的刷新，包括循环的时间；可以在一个以太网帧中交 换多达1 468个字节的协议数据(这几乎相当于12 000个数字的输入或输出)，且仅需300 ps°同时， 采用ieee1588标准规定的精确时间同步机制实现分布时钟精确同步，保证了控制器的同步时间偏秀小于1 |jsoethercat报

14、文帧格式采用标准以太网的帧头和帧尾，且帧头中type段的值为0x88a4时，是一个唯 一识别ethercat报文的标志。ethercat的报文直接包括在以太网数据中，且在数据区域并不是只有一个 ethercat的报文，而是包括n个报文。n表示在系统小所包含的节点的个数。每个报文中包括帧头、数据 和wkc (working counter)，用于记录通过报文可以成功寻址的设备数量。ethercat报文帧格式如图3 所示。报文検帙头长度01ifeihercat报文crc二 j - 一-一 "ethcicatih 文 ethcfcat报文 n10字节以太网赖头报文祕以太网帧毘17嬴、厂11

15、位 1位4位 ' 441498字节i报文帧头i0t4x6字节数据wkc图3 ethercat报文帧格式ethercat突破了其他以太网的解决方案的限制，不必在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码 并复制为过程数据。而且为了避免通信总线传输的延迟，德国倍福公司率先在ethercat中使用了 fmmu (fieldbus memory management unit)前沿技术。整个系统只有一个主站用于系统的控制，其他的都是 从站，当数据报文从主站被发岀以后，每个从站中的fmmu就可以读岀数据报文中指定到此的数据。同样， 输入数据可以在数据报文通过时插入到报文中，报文仅有儿ns延迟。网络

16、内的最后一个从站向主站发送一 个完整的帧，以形成和创建一个物理和逻辑环。ethercat还通过内部优先级系统，使实时以太网帧比其他 的数据（如组态或诊断数据等）具有更高的优先级。组态数据只在传输实时数据的间隙中传输（如果时间 间隙足够传输），或者通过特定的通道传输3。在同步方面，ethercat采用ieee1588标准中定义的精确时钟同步机制，通过一个同步信号周期性地 对网络中所冇站点的时钟进行校正同步，可以使基于以人网的分布式运动控制系统达到精确同步。这在广 泛耍求同时动作的分布过程中显得尤为重要，而分布时钟的精确校准是同步的绘有效解决方案。在 ethercat中，数据交换是完全基于哽件“主

17、时钟”和“了时钟”的。每个时钟可以简单和准确地确定另个时 钟的实时偏移就，分布时钟基于该值进行调整，这意味君它可以在网络范用内捉供信号抖动小于1 ps的、 非常精确的时钟基。而i高性能分布时钟不仅可以用于同步，还可以用于捉供数据采集时木地时间的楮确 信息。同时，ethercat引入了时间戳数据类型作为扩展，使得对于速度的精确计算比鬥由同步误差测量技 术更加精确。ethercat作为一种可用于现场级的超高速的i/o网络，在技术方面已经开发出专用的芯片和从站控制 器，也已经成为iec617842标准的一部分。2.3网段分隔和通信调度管理epa通信标准是我国第一个拥冇自主知识产权的现场总线国家标准，

18、全称是用于工业测量与控 制系统的epa通信标准。它是在国家科技部“863”计划的支持下，由浙江大学、浙大中控、中科院沈阳 自动化研究所、重庆邮电学院、清华大学和大连理工大学等单位联合成立的标准起草小组，经过3年多的 技术攻关，而提出的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案。在epa系统中，将控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域为一个微网段。这种方案能够完全 避免冲突的发生，每个微网段通过epa网桥与其他网段分隔，该微网段内epa设备间的通信被限制在本 控制区域内进行，而不会占用其他网段的带宽资源。处于不同微网段内的epa设备间的通信，需由和应的 epa网桥转发控制。epa网桥至少有2个

19、epa接口，当它需要转发报文时，首先检查报文中的源ip地址、 目的ip地址和epa服务标识等信息，以确认是否需要转发，并确定报文转发路径。因此，任何广播报文 的转发也将受到控制，不会发生采用一般交换机所出现的广播风暴。这一方案比单纯集线器方式的反应速 度更快，抖动也更小。2.3.1实时问题的解决方案为了提高网络的实时性能，epa对iso / iec8802.3协议规定的数据链路层进行了扩展，增加了一个 epa 通信调度管理实体（communication scheduling management entity,csme）。csme 不改变 iec8802.3数据链路层提供的服务，也不改变与物理层的接口，只是完成对数据报文的调度管理，包括周 期报文和非周期报文的调度。对于非周期报文，csme不作任何处理直接传输；而对于周期性的报文，则 耍先根据事先组态好的控制程序和优先级人小，传送给数据传送设备，经过处理厉再传到网络上，以避免 同时向网络上发送数据，产生报文冲突。2.3.2通信调度机制在周期报文传输