CN101729231A - 分布式控制系统中工业以太网 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种分布式控制系统中工业以太网，涉及通信领域。所述网络包括多个节点，所述节点采用具有数据包发送权限的令牌进行数据包发送权限控制。所述系统还实现了双网冗余，快速诊断等功能。

Description

分布式控制系统中工业以太网

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种分布式控制(Distributed ControlSystem，DCS)系统中工业以太网。

背景技术

网络通信是工业控制系统核心之一，而确定性实时通信是很多控制系统正常运行的基础。以太网以其独到的优势在商业领域获得广泛应用，工业上对以太网的应用也越来越普及。目前，基于传输控制协议/因特网互联协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)协议的以太网中采用载波监听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/CollisionDetect，CSMA/CD)机制，具体包括：当以太网节点有数据包需要发送时，所述以太网节点检测网络是否空闲；如果空闲，发送数据包，并同时检测所述网络中其是否有其他节点也在发送数据包，如果有，则认为发生冲突，立即停止发送数据包。综上所述，采用上述机制，会出现部分节点传输延迟不确定的问题，不能保证传输的确定性和实时性，造成以太网节点传输冲突、随机后退的问题。同时，还要满足DCS系统的一贯需求，如双网冗余，快速诊断等等。

发明内容

本发明提供一种分布式控制系统中工业以太网，不但满足数据的确定性实时通讯，还能实现双网冗余切换，节点的快速诊断的目的。

为达到上述目的，本发明提供了一种分布式控制系统中工业以太网。

一种分布式控制系统中工业以太网，所述网络包括多个节点，所述节点采用具有数据包发送权限的令牌进行数据包发送权限控制。所述系统还实现了双网冗余，快速诊断等功能。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

所述节点包括主节点和从节点，

所述主节点向从节点发送所述令牌；

所述从节点根据本地是否有数据包需要发送，判断是否保留所述令牌，如果确定本地有数据包需要发送，保留所述令牌，并发送所述数据包，在确定本地没有数据包需要发送时，按照配置的令牌转发顺序，将所述令牌转发给下一个从节点。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

如果所述主节点接收所述从节点发送的抢主信息，所述主节点判断所述发起抢主的从节点是否出现故障，如果出现故障，则拒绝所述发起抢主的从节点成为新的主节点，否则，允许所述发起抢主的从节点成为新的主节点，并降低本节点为从节点。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

所述发起抢主的从节点在预先设置的令牌接收时间内未接收到所述令牌时发送所述抢主信息。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

所述令牌转发顺序是通过如下方式建立的：

所述主节点向所述系统中节点发送注册请求，包括所述令牌的令牌转发顺序；

所述节点判断所述令牌的令牌转发顺序中是否包括本节点；

如果不包括，则所述节点向所述主节点发送注册响应；

所述主节点将所述发送注册响应的节点加入到所述令牌的令牌转发顺序中。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

所述令牌的令牌转发顺序在满足以下任一条件时进行重建：

所述令牌的令牌转发顺序中的从节点从上线状态变为下线状态；

所述令牌的丢失次数大于预先设置的丢失次数阈值。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

所述主节点通过如下方式确定所述从节点的状态：如果在预先设置的状态接收时间内，接收到所述从节点发送的状态信息，则确定所述从节点处于上线状态，否则，确定所述从节点处于下线状态。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

单位时间上下线次数大于预先设置的状态次数阈值的从节点位于所述令牌的令牌转发顺序中的最后。

进一步的，所述网络还具有如下特点：

所述从节点配置有两个网卡，其中每个网卡配置有对应的令牌转发顺序，当所述从节点接收到数据包时，所述从节点获取所述数据包的目的地址，从本地的令牌转发顺序中查找包括所述目的地址的目标令牌转发顺序，确定所述目标令牌转发顺序对应的目标网卡，判断所述从节点当前使用的主网卡是否为所述目标网卡，如果是，则采用当前的主网卡令牌转发顺序发送所述数据包；否则，将所述目标网卡切换为新主网卡，采用所述新主网卡的令牌转发顺序进行数据包传输。

本发明提供的分布式控制系统中工业以太网，采用令牌控制数据包传输，使数据包传输过程中具有确定的传输时延，从而保证数据包的传输确定性和实时性，克服现有技术中出现冲突、随机后退的问题；采用标准以太网IEEE802.3u作为传输媒介，降低了网络结构的运营维护成本；采用令牌的大小为66字节。所占带宽较小，不会对系统造成传输负担；能够采用现有技术中的技术解析不属于本网络的数据包，减少了非法数据包的侵入，有效避免了网络风暴的产生以及对系统的冲击，提高了网络的安全性；从节点在规定时间内未接收到令牌，参与抢主，实现动态选主，保证令牌的合理调度；控制令牌的令牌转发顺序，保证令牌的正常转发；通过配置网卡对应的令牌转发顺序，实现双网冗余；根据从节点发送的状态信息，对从节点的快速诊断，实现方法简单且快速。

附图说明

图1为本发明提供一种分布式制系统中工业以太网的结构示意图；

图2为本发明提供的节点的选主状态迁移示意图；

图3为本发明提供的令牌环的建立方法流程图；

图4为本发明提供的发送数据包的方法流程图；

图5为本发明提供的令牌转发的示意图；

图6为本发明提供的从节点双网切换的方法流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚地理解本发明的技术方案，下面结合本发明实施例提供的附图对本发明提供的技术方案进行介绍。

为了与现有技术中以太网兼容，本发明提出如下网络结构，通过采用令牌转发的机制建立一条实时通道，具体如图1所示。从图中可以看到，在对安全要求高的场合，可以关闭TCP/IP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：单网网络风暴不影响数据采集；双网网络风暴不影响节点控制运算，负荷不升高，在双网网络风暴期间数据采集中断时，在双网网络风暴结束后5秒内恢复数据采集。

其中本网络结构中采用标准以太网IEEE802.3u(Fast Ethernet)作为传输媒介，降低了网络结构的运营维护成本；

同时，本结构中采用令牌的大小为66字节。由于令牌所占带宽较小，不会对系统造成传输负担；

进一步的，所述网络结构能够采用现有技术中的技术手段解析出不属于本网络的数据包，减少了非法数据包的侵入，有效避免了网络风暴的产生以及对系统的冲击，提高了网络的安全性。

在所述网络系统中，本发明采用了如下数据接口：

接口名	功能
		bool IEOpen	初始化工业以太网协议，并设置本机节点号
bool IEClose	关闭工业以太网协议
		bool IESend	发送应用层消息
bool IEReceive	从指定端口接收消息

首先对网络中令牌环中主节点的选取进行说明：

如图2所示，网络中节点的选主状态迁移过程如下：

在节点启动时，默认该节点为主节点，并为该节点配置一个令牌沉默超时计数器，如果在预先设置的时间内没有得到令牌，则确定当前的主节点离线，触发所述令牌沉默超时计数器，发送抢主信息，参与抢主。如果该节点成为主节点后，网络中出现比该节点优先级更高的节点，则该节点从主节点降为从节点。

如果在同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。工业以太网中优先级定为节点号越小优先级越高。在本发明中，允许参与抢主的节点为100M网卡的节点。

需要说明的是，判断主节点是否离线的超时阈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作时发生抢主、甚至抢主抖动，在此，将令牌沉默超时计数器的超时阈值定为3秒。

当网络中有新节点启动时，默认所述新节点为从节点，避免出现当优先级高的节点频繁离线、上线，打断已经选好的主节点的对令牌的调度。

当一个参与选主的节点网线故障时，即只能发送，不能接收时，就无法接收令牌，则所述出现故障的从节点上的令牌沉默超时计数器会不停的被触发，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出现时，要判断对方是否出现故障，最简单的方法是获取对方的令牌信息中当前在线节点列表中是否包括至少两个节点，如果有，则表明它的收发都正常，将本节点降低为从节点，否则本节点仍然保持为主节点。

下面对网络中令牌环的管理进行说明。

在本发明中，所述令牌环中传输的令牌包括如下信息：发出时间、ID号、令牌环的节点总数以及令牌的在线节点列表，即该令牌的转发顺序，所述在线节点列表可以采用如下方式记录：主节点号、从节点N、从节点N-1......从节点1。所述节点号用一个byte表示。

本发明的令牌环包括一个主节点和多个从节点，其中所述从节点是网络中的节点通过向所述主节点注册后才加到该令牌环的，其中注册过程在每次令牌传递一周后进行，具体包括如下步骤，如图3所示：

步骤301、所述主节点发送用于注册的邀请广播包括，携带当前在线节点列表；

步骤302、所述节点判断所述在线节点列表中是否包括本节点，如果包括，则流程结束；否则，执行步骤303。

步骤303、所述节点向所述主节点发送注册请求；

步骤303、所述主节点将所述节点加入令牌环中。

以下面几个应用场景下对令牌的调度进行说明：

应用场景一：从节点离线处理

当所述从节点离线时，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，且未能收回，主节点认为令牌环断开，主节点需要将当前在线节点列表清空，并重复发起节点在线注册过程，重新生成令牌环。

需要说明的是，从节点离线会导致令牌环重新生成，而新节点上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。

应用场景二：令牌丢失处理

如果所述令牌在转发过程中丢失，触发所述主节点重新开始一个令牌传递循环，不会发起重新建立令牌环的过程。如果连续3次发生令牌丢失，则需要重新建立令牌环。

应用场景三：单点处理扩散的规避

为了提高网络运行的可靠性，需要规避单点故障扩散的问题，即当一个从节点频繁上下线时，可能会导致令牌环的频繁断裂，进而影响其他在线节点的通信。因此，本发明采用了如下的技术手段：

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，同时通知所述主节点该令牌已传递给下一个节点。

所述主节点通过该通信消息，就能判断令牌环的断裂处，如连续3次在第N个节点处令牌停止传递，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。

要说明的是，本发明令牌环中去除的的不仅仅是第N节点，还包括第N节点后的所有节点，目的在于，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。

如果按节点号排序建立令牌环，那么一个节点频繁离线会导致影响节点号在该节点之后的节点正常通讯，因此，令牌环的组织是追加的形式，即频繁离线的节点位于令牌传递中的最后一个，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。

由于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在令牌环中的传递进行说明：

以网络中传输一个令牌为例进行说明，具体包括如下步骤，如图4所示：

步骤401、当前节点接收具有数据包发送权限的令牌；

需要说明的是，当前节点可以从以太网系统中上一个节点获取所述令牌，也可以从用于管理所述令牌的令牌管理节点即主节点直接获取所述令牌。

步骤402、所述当前节点根据本地是否有数据包需要发送，判断是否保留所述令牌；

在本步骤中，如果本地有数据包需要发送，则执行步骤403，否则，执行步骤404。

步骤403、所述当前节点保留所述令牌，并发送所述数据包；

执行完步骤403之后，执行步骤404。

步骤404、所述当前节点按照配置的令牌转发顺序，将所述令牌发送给下一个节点，其中所述令牌的转发顺序可参见图5。

其中所述令牌转发顺序包括所述以太网中的全部节点，它用于指示以太网中节点在接收到所述令牌后将所述令牌转发给谁。

当所述下一个节点接收到所述令牌后，其处理流程与步骤401～404相同，此处不再赘述。

当所述令牌最后转发到所述主节点时，当前的令牌转发周期结束，进入下一个令牌转发周期。

上述对网络中传输一个令牌进行了说明，下面对网络中有多个令牌进行传输时进行说明。

当网络中有多个令牌同时传递时，采用HUB连接各个节点，从而避免在令牌调度中出现碰撞的问题，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。

当所述令牌为n个时，令牌管理节点从所述以太网系统中选取一个节点作为主节点，将其他节点作为从节点，并将所述从节点分成n个队列，为每个队列中的从节点配置对应的令牌转发顺序，并为每个队列配置对应的一个令牌，其中n≥2。

例如，当前以太网系统中有2个令牌，分别为令牌1和令牌2，所述以太网系统中有编号为1，2，.........，20的节点，所述令牌管理节点从上述20个节点中选取编号为1的节点为主节点，其他节点为从节点，并将编号为2，3，.........，10的节点划分成队列1，编号为11，12，.........，20的从节点划分成队列2，配置每个队列的令牌转发顺序均为编号从小到大的转发顺序，队列1中的从节点转发令牌1，队列2中的从节点转发令牌2。

当所述令牌管理节点规划完成后，将两个令牌发送给主节点；

例如，所述两个令牌分别为令牌1和令牌2。

所述节点在接收到所述令牌后，按照每个队列中配置的令牌转发顺序，将每个队列对应的令牌发送给该队列中的从节点。

例如，编号1的节点将按照队列1中配置的令牌转发顺序，将令牌1发送给编号为2的节点，同理将令牌2发送给队列2中的编号11的节点。

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。

在部分网络中，IO站个数较大(如30多个)，而且大多数节点(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。

下面介绍从节点令牌转发过程中双网切换的方法：

利用令牌环信息来实现双网切换，每个节点都保存有两个令牌的令牌转发顺序，其实现双网切换的过程如下，如图6所示：

步骤601、接收到目的地址为节点N的数据包；

步骤602、判断主网卡对应的在线节点列表是否有该目的节点N；如果有，则执行步骤603，否则，执行步骤604；

步骤603、采用主网卡的在线节点列表转发所述数据包；

步骤604、将从网卡切换为主网卡，采用新主网卡的在线节点列表转发所述数据包。

在本发明中，如果从节点未在规定时间内向所述主节点发送消息，所述消息携带该节点存在的信息，确定所述从节点当前网卡出现故障。在本发明中，由于3秒内能够从在线节点列表确定哪些节点离线，所以主从网卡在3秒内能实现网络切换。

本发明提供的分布式控制系统中工业以太网，采用令牌控制数据包传输，使数据包传输过程中具有确定的传输时延，从而保证数据包的传输确定性和实时性，克服现有技术中出现冲突、随机后退的问题；采用标准以太网IEEE802.3u作为传输媒介，降低了网络结构的运营维护成本；采用令牌的大小为66字节。所占带宽较小，不会对系统造成传输负担；能够采用现有技术中的技术解析不属于本网络的数据包，减少了非法数据包的侵入，有效避免了网络风暴的产生以及对系统的冲击，提高了网络的安全性；从节点在规定时间内未接收到令牌，参与抢主，实现动态选主，保证令牌的合理调度；控制令牌的令牌转发顺序，保证令牌的正常转发；通过配置网卡对应的令牌转发顺序，实现双网冗余；根据从节点发送的状态信息，对从节点的快速诊断，实现方法简单且快速。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种分布式控制系统中工业以太网，其特征在于，所述网络包括多个节点，所述节点采用具有数据包发送权限的令牌进行数据包发送权限控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述节点包括主节点和从节点，

所述主节点向从节点发送所述令牌；

所述从节点根据本地是否有数据包需要发送，判断是否保留所述令牌，如果确定本地有数据包需要发送，保留所述令牌，并发送所述数据包，在确定本地没有数据包需要发送时，按照配置的令牌转发顺序，将所述令牌转发给下一个从节点。

3.根据权利要求1或2所述的网络，其特征在于，还包括：

如果所述主节点接收所述从节点发送的抢主信息，所述主节点判断所述发起抢主的从节点是否出现故障，如果出现故障，则拒绝所述发起抢主的从节点成为新的主节点，否则，允许所述发起抢主的从节点成为新的主节点，并降低本节点为从节点。

4.根据权利要求3所述的网络，其特征在于，所述发起抢主的从节点在预先设置的令牌接收时间内未接收到所述令牌时发送所述抢主信息。

5.根据权利要求2所述的网络，其特征在于，

所述令牌转发顺序是通过如下方式建立的：

所述主节点向所述系统中节点发送注册请求，包括所述令牌的令牌转发顺序；

所述节点判断所述令牌的令牌转发顺序中是否包括本节点；

如果不包括，则所述节点向所述主节点发送注册响应；

所述主节点将所述发送注册响应的节点加入到所述令牌的令牌转发顺序中。

6.根据权利要求5所述的网络，其特征在于，所述令牌的令牌转发顺序在满足以下任一条件时进行重建：

所述令牌的令牌转发顺序中的从节点从上线状态变为下线状态；

所述令牌的丢失次数大于预先设置的丢失次数阈值。

7.根据权利要求6所述的网络，其特征在于，所述主节点通过如下方式确定所述从节点的状态：如果在预先设置的状态接收时间内，接收到所述从节点发送的状态信息，则确定所述从节点处于上线状态，否则，确定所述从节点处于下线状态。

8.根据权利要求5或6所述的网络，其特征在于，单位时间上下线次数大于预先设置的状态次数阈值的从节点位于所述令牌的令牌转发顺序中的最后。

9.根据权利要求2所述的网络，其特征在于，

所述从节点配置有两个网卡，其中每个网卡配置有对应的令牌转发顺序，当所述从节点接收到数据包时，所述从节点获取所述数据包的目的地址，从本地的令牌转发顺序中查找包括所述目的地址的目标令牌转发顺序，确定所述目标令牌转发顺序对应的目标网卡，判断所述从节点当前使用的主网卡是否为所述目标网卡，如果是，则采用当前的主网卡令牌转发顺序发送所述数据包；否则，将所述目标网卡切换为新主网卡，采用所述新主网卡的令牌转发顺序进行数据包传输。

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