(整理)1-工业以太网协议--概要设计.

1、精品文档北京/杭州和利时公司技术文件文件名称：工业以太网协议概要设计说明书文件编号：A05-B13-000248项目名称：工业以太网协议开发项目编号：A0506B物料编码：文件密级：机密受控标识：第1册共14页共1册版 本状态拟制审核批准批准日期修订信息ACFC方垒刘伟施波2005.3.26相关部门/人员会签：文 件 发 放（接收文件的部门或人员）替换旧版文件； 口替换： 文件修订页编 号章节 名称修订内容简述修订 日期订前 版本订后 版本修订人批准人1全部创建2005.3.24V1.0方垒施波精品文档精品文档目录1 文档介绍 1-31.1 文档目的 1-31.2 文档范围 1-31.3 读者

2、对象 1-31.4 参考文档 1-31.5 术语与缩写解释 1-32 背景： 2-43 需求 3-44 与应用层的接口 4-55 系统的体系结构 5-66 工业以太网协议 6-76.1 选主： 6-86.2 令牌结构 6-96.3 令牌环的生成 6-96.3.1 令牌环传递、产生可以图示如下： 6-96.3.2 从节点在线注册： 6-96.3.3 从节点离线处理： 6-106.3.4 令牌丢失的处理： 6-106.3.5 单点故障扩散的规避： 6-106.4 令牌传递策略 6-116.4.1 令牌传递顺序： 6-116.4.2 多个令牌同时传递： 6-116.5 双网切换策略 6-116.6

3、算法各项指标估算6-13精品文档精品文档1文档介绍1.1 文档目的本文主要根据工业以太网协议-软件需求.doc的要求，以及前期的技术预研,给出了实现“工业以太网协议”的具体思路，作为后续具体开发工业以太网协议的依 据，同时也希望同级评审中能及时发现设计中的不妥之处。1.2 文档范围主要涉及实现工业以太网的：与应用层的接口、令牌环式主从协议的详细设计思路、调度算法的各项指标的估算。1.3 读者对象MACSV网络应用开发人员以及工业以太网开发人员:1.4 参考文档SPP-PROC-PP SEPG,需求开发规范，机构名称，日期EPSG-WP作者，POWERLINK Data Transport Se

4、rvices White-Paper Version: 0005，ETHERNETPowerlink Standardization Group , 2002.9.27IOS作者，«Cisco IOS Release 12_0», Cisco Systems Inc. , 20041.5 术语与缩写解释缩写、术语解释DRTEDeterministic Real-Time EthernetEPSGETHERNET Powerlink Standardization GroupPIM立项管理， Project Initialization ManagementMACMedium

5、 Access Control802.3以太网，CSMA/CD o802.4令牌总线，物理上是总线结构，逻辑上无主令牌传递802.5令牌环，物理上是一个环，逻辑上选主十令牌传递_2 乐.工业以太网工作启动后，经过前几次讨论，初步确定了 “工业以太网的用户需求”，为了满足工业以太网协议 -软件需求.doc的要求。通过对业界流行的几种工业以太网 协议的比较，结合公司主流应用环境的特点，确定以POWERLINK协议为原形，参考802.4 令牌总线、802.5令牌环两种协议，给出工业以太网协议的概要设计。POWERLINK的成功证明工业以太网完全可以不改硬件， 只对以太网软件改动就可以 满足确定性实时

6、的需求，令牌调度算法比POWERLINK简单的主从调度更适合我们公司非实时操作系统 Windows与实时操作系统 QNX混合的应用环境，前一段时间的一些试验 数据验证了这一点。3需求详见工业以太网协议 -用户需求.doc以及工业以太网协议 -软件需求.doc。归纳起来，工业以太网需求主要包括以下几点：在公司各产品的实时通讯环节替代现在使用的TCP/IP协议栈，达到确定性实时通讯目的。确定性：应该采用周期性轮询策略而不是随机抢占；实时性：能在一个采样周期内将发送缓冲的采集数据及时传递给目的节点。安全性：避免网络风暴的产生和对系统的冲击。一期开发工作要求： 在MACSV中使用工业以太网实现数据的采

7、集。满足两层网络结 构的应用环境，即非实时的数据通过 TCP/IP走管理网，而实时数据通过工业以太网协议 走系统网，两层网络隔离，互不干扰。TCP/IP 协议,二期开发工作要求： 满足一层网络结构的应用环境，即非实时的数据走 实时数据走工业以太网协议，但两种协议跑在同一层网络上。4与应用层的接口详见工业以太网协议 -接口定义.docc。与应用层的接口采用基于节点号+端口的报文收发方式（类似UDP协议）。图示如下，其中系统网与备份网各有一个独立的发送缓冲区，这样大量的双机备份包不会影响系统网的数据采集包。应用层发送数据预先放在发送缓冲区，本节点被调度时由工业以太网协议一次性发送出去。工业以太网接

8、收到的数据按端口依次放到独立的接收缓冲 区，各个应用程序分别接收自己端口的缓冲区数据，不会互相干扰。5系统的体系结构下图是整个软件体系结构图，它表示了挂接在以太网上的其中一个节点的软件分层组织情况。图中可以看出：工业以太网协议运行在windows2000 , QNX425平台上，它采用分层模块化设计，应用层软件与工业以太网之间是通过共享缓冲区来进行数据交换的，令牌调度协议的实现与网络接口分开，这提高工业以太网协议的可移植性，当移植到linux等其他操作系统时，不必修改工业以太网协议核心模块，即是软 MAC协议模块，而只消需根据目标 平台修改网卡驱动接口模块。 非实时通道部分暂时不实现。 从图中

9、可以看到，在对安全要求高的场合，可以关闭TCPIP与网卡的绑定关系，只允许使用工业以太网协议收发网络数据。此时，垃圾数据不能够发送到网络中，可以保证网络的安全。如果垃圾数据从其他渠道发送到了网上，造成网络风暴，工业以太网协议软MAC模块必须能够监测这种异常，并关闭网卡接口3秒钟，从而可以达到以下效果 ：1 .单网网络风暴不影响数据采集。2 .双网网络风暴不影响节点控制运算，负荷不升高，双网网络风暴期间数据采集中断，双网网络风暴结束后 5秒内恢复数据采集。精品文档6工业以太网协议工业以太网协议的调度流程如下：是以下是具体实现描述。6.1选主:解释如下：1 .所有系统网节点启动后默认为从。2 .所

10、有允许参与抢主的节点（一般应该选带100M网卡的节点）都维护一个“令牌沉 默超时计数器”，3 .当“令牌沉默超时计数器”被触发时（超过 3X （T1+T2+T3 ）,其中T1、T2、T3的定义参考最后“算法各项指标估算” 一节） ，我们认为当前的主节点离线。将 自己变为主节点。4 .出现某一时刻多个节点试图变为主时，根据预定的优先级顺序，优先级低的放弃。 工业以网优先级定为节点号越小优先级越高。具体编程中注意以下几点：所有系统网节点启动后默认为必须为从节点，否则出现优先级高的节点频繁离线、在线时会频繁打断已经选好的主节点的调度。当一个参与选主的节点网线故障，只能发送，不能接收时，他的“令牌沉默

11、超时计数器”的会不停的被触发，因此会不断的发出抢主信息。 因此，当一个主 节点发现另一个高优先级主节点的出现， 不是简单地将自己降为从， 而是要判 断对方是否出现上述故障， 最简单地办法是看对方捎带的令牌信息中 “当前在 线节点列表”中是否有 2个以上节点，有则表明它的收发都正常， 没有则，本 节点仍然保持为主。判断主节点是否离线的定时器门槛值不能为了故障恢复快而设定得太低，否则容易由于误判而导致在正常工况时的抢主、甚至抢主抖动，在此，根据经验， 将定时器值定为 3秒是合适的。精品文档6.2 令牌结构令牌发出时间（用于计算令牌传递一周的时间）令牌ID号令牌环节点数主节点号 从节点号 从节点号N

12、N-1从节点号1节点号用一个 byte表示，因此可以同时可以有254个节点在线（0表示广播，255保留）6.3 令牌环的生成6.3.1 令牌环传递、产生可以图示如下:土节点第一个从 节点第二个从 节点第N个从 节点土节点发发发传发传发传回注送出送递送递- - 送递收册数令数令数令数令令处据牌据牌据牌据牌牌理6.3.2 从节点在线注册:精品文档解释如下：1 .主节点在每次令牌传递一周后，发出节点注册邀请广播，邀请广播包附带的当 前在线节点列表2 .从节点收到该邀请，并发现自己不在在线节点列表中，就向主节点发送注册请求。3 .主节点收到从节点注册请求，并且当前在线节点列表不存在该节点，就将其加入令

13、牌环中，并参与下一周期的令牌传递。6.3.3 从节点离线处理：正常情况下，从节点得到令牌，发送完数据，必须传递令牌到下一个从节点。当某个节点离线，会导致主节点发出的令牌不能回到主节点，如果连续三次发出的令牌都超时（超时值=（T1+T2+T3 ）,其中T1、T2、T3的定义参考最后“算法各项指标估算” 一节）未能 收回，主节点认为令牌环断开，主节点将当前在线节点列表清空，并重复上一节提到的“从 节点在线注册”过程来重新生成令牌环。注意区分一点：节点离线会导致令牌环重新生成，而新节点在线只是引发令牌环的追加一个节点，而不是重新生成。这就保证了令牌环的重新生成是个快速收敛的过程。6.3.4 令牌丢失

14、的处理：偶尔的令牌丢失，只会触发主节点重新启动一个令牌传递循环，不会导致令牌重新生 成。连续3此令牌丢失的处理与前一节“从节点离线处理”完全一致，是快速收敛的过程。6.3.5 单点故障扩散的规避：上面令牌环维护处理存在一个弱点：当一个从节点处在“若即若离”的状态时， 可能会导致令牌环的频繁断裂，进而影响其他正常线节点的通讯。因此必须进一步做以下处理来解决这个问题：1 .从节点得到令牌，发送完数据，不仅传递令牌到下一个从节点，同时也给主节点传递一个“从节点 N传递令牌到下一节点了 ”的信息。2 .主节点通过“从节点 N传递令牌到下一节点了”信息，就能判断令牌环断裂处，如故连续3此第N个节点处令牌

15、停止传递，那么主节点认为 N节点后的 所有节点都离线，要求重新注册。（没有只摘除第 N节点，而是摘除N节点后 的所有节点是为了防止某一时刻 X个节点离线，那么需要 X个这种判断处理 周期后才能恢复通讯）。3 .如果按节点号排序建立令牌环，那么某个节点的频繁离线会导致序号后的节点通讯受影响，因此，令牌环的组织是追加的形式，即后来者处在令牌传递的最后一个。这样频繁离线的节点自动处在令牌传递的最后一个，他的离线只是触发令牌传递超时，而不至于导致其他节点的通讯受影响。6.4 令牌传递策略令牌的传递策略对调度的效率、带宽利用率有直接影响。下面是工业以太网协议中令牌 传递策略的几点考虑：6.4.1 令牌传

16、递顺序：主节点发起令牌传递时，首先将令牌传递给第一个注册的从节点（参见令牌结构一节： 令牌附带的在线节点列表），从节点收到令牌后，将令牌传递给（根据自己在“在线节点列 表”中的位置决定），如此一圈后，令牌自动回到主节点，这种传递方式的优点在“单点故 障扩散的规避” 一节中有描述。6.4.2 多个令牌同时传递：如果用HUB连接各个节点，那么令牌调度避免了碰撞的出现，因此可以在较高的网 络流量的情况下仍然能够保证确定性的，大大改善工控系统通讯的稳定性。现在实际应用中，如果使用交换器，那么由于交换器它的存储转发和流量控制技术作 用，因此可以同时传递 X个令牌，将所有在线节点划分成X个组来进一步提高网

17、络的利用率，并且解决了轮询调度算法带来的带宽退化问题。在有些工程中，IO站个数较大（30多个），而且大多数节点（比如 IO站）使用的是 10M以太网卡，这就使得整个网络由于令牌轮询调度算法而退化为比10M网稍高但远不足100M带宽，如果此时采用上面说的方法，将所有节点分为比如说4组，即同一时刻有且只有4个令牌在传递，那么同一时刻最多只有4个节点在发送数据，这比 60多个节点同时随机发送有了很大改善，而且交换器的存储转发和流量控制技术可以解决这种小而范 围确定的冲突。参考MACSV工业以太网-用户需求.doc中的性能需求一节（下表所示），如果实 际IO站个数不过表中单令牌允许IO站个数，那么就使

18、用单令牌调度，否则，使用多令牌调度（令牌个数=实际站数 /单令牌允许站个数+ 1）系统参数允许的站个数（单令牌）数据采集周期=500ms、IO站10M以太网，服务器100M以太网服务器2个IO站15个数据采集周期=250ms、IO站10M以太网，服务器100M以太网服务器2个IO站8个6.5 双网切换策略利用令牌环信息来实现双网切换，每个节点都保存有两条网络中传递的令牌环信息,精品文档一个数据包要发送给目的节点 N时，可以根据以下步骤得出通往该节点的网络状态:解释如下:1 .如果主网在线节点列表中有目的节点N又有本机节点，选择主网发送。2 .否则切从网切换为主网，并从原先的从网，现在的主网发送。3 .根据前面节点离线诊断描述，节点离线3秒内必然能够反映到“在线节点列表”上,所以该判断方法能够在 3秒能实现网络切换。精品文档6.6算法各项指标估算下面图是对令牌环式主从调度算法的调度费用、轮询周期、边界条件的估算:令牌始发点发结束、SWITCH转发点转发结束、令牌收到点当令牌传递的目的节点 与数据的目的节点不是 同一节点时，由于交换器 的存储转发，可能出现 HUB中不会出现的重叠 现象，这时引发冲突的完 全可以由交换器的缓冲 解决，因此下面的序列中 忽略这种情形。纯令牌传递所花费的时间=T2