CN104410585A - 一种以太网消息实时传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以太网消息实时传输方法及装置。所述方法包括：为网络中的每个节点分别指定一个不同的协议地址，选择网络中任一节点作为当前节点；所述当前节点将所述普通消息进行广播发送；网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的目标地址判断自身是否为目标节点，通过所述普通消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息的节点，所述下一次待发送消息的节点的协议地址与所述当前节点的协议地址差值为定值，将下一次待发送消息的节点作为当前节点，继续发送消息。所述装置包括分配地址模块、消息发送模块、判断处理模块和优先模块。本发明提出了高优先级消息，在兼顾普通报文实时性的同时，也能够保证关键报文的实时性。

Description

一种以太网消息实时传输方法及装置

技术领域

本发明涉及数字信息传输领域，尤其涉及一种以太网消息实时传输方法及装置。

背景技术

以太网技术自诞生以来一直不断创新，网络带宽由最初的10Mbps发展到100Mbps、1Gbps甚至10Gbps，传输介质由同轴电缆发展到双绞线、光纤和无线，网络拓扑由总线型发展出星形、环形和网状结构，快速和交换式以太网的出现更是显著提高了以太网的性能。

以太网以其高度灵活性，简单且易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网组网技术，而且也开始向着广域网和工业现场延伸。但是其物理层与媒体访问层的特性决定了它是一个冲突的网络，当冲突发生时将导致本次传输失败，需要进行重新传输。这样由于消息发送的随机性导致了冲突的随机性，以及冲突处理机制引入的随机延时都将导致消息传输时间的不确定。这也导致了以太网难以应用于对传输时间有着高确定性的领域。

由于过程层和站控层通信网络中传输的报文种类繁多，各种信息的服务质量要求不尽相同，本发明通过协调节点间的消息发送行为、设置高优先级消息和限制消息的长度，在兼顾普通报文实时性的同时，也保证了关键报文的实时性，减少了网络冲突的概率。对于传输信息种类繁多、各种报文服务质量要求各异的智能变电站通信网络尤其适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中基于UDP协议的以太网在发送消息时，网络冲突大，无法保证普通报文和关键报文的实时性。

为解决上述技术问题，本发明的以太网消息实时传输方法的技术方案如下：

步骤1：为网络中的每个节点分别指定一个不同的协议地址，选择网络中任一节点作为当前节点，当前节点存储有待发送消息,待发送消息包括普通消息和高优先级消息；

步骤2：当所述当前节点其待发送消息为所述普通消息时，所述当前节点将所述普通消息进行广播发送；

步骤3：网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的目标地址判断自身是否为目标节点，若是则处理所述普通消息，若不是则丢弃所述普通消息；

同时，网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息的节点，所述下一次待发送消息的节点的协议地址与所述当前节点的协议地址差值为定值，将下一次待发送消息的节点作为当前节点，继续执行步骤2；

步骤4：当网络中存在任一节点其待发送消息为高优先级消息时，待发送高优先级消息的节点等待正在发送普通消息的节点发送完所述普通消息后，将所述高优先级消息优先于所有普通消息进行发送。

本发明的有益效果是：本发明通过协调节点间的消息发送行为、设置高优先级消息，在兼顾普通报文实时性的同时，也保证了关键报文的实时性，减少了网络冲突的概率。对于传输信息种类繁多，各种报文服务质量要求各异的智能变电站通信网络尤其适用。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述待发送消息还包括：退出消息和加入消息；

当所述待发送消息为退出消息时，将退出消息按照发送普通消息的方式进行发送；

当所述待发送消息为加入消息时，将加入消息按照发送高优先级消息的方式进行发送。

采用上述进一步方案的有益效果是将消息分为普通消息和高优先级消息保证了关键报文的实时性，同时又不影响普通报文的实时性。

进一步，当任一节点为待加入节点时，待加入节点首先在物理层监听网络中所有节点全部发送完第一轮消息后，获取网络中节点的最大协议地址；

在第二轮消息发送结束之后，待加入节点广播发送加入消息；

接收到所述加入消息的所有节点中协议地址最小的节点对新加入网络的节点进行协议地址最大值更新，即将新加入的节点的协议地址赋值为所述协议地址最大值加定值。

采用上述进一步方案的有益效果是当任一节点要加入网络时，能实现该节点的自动加入。

进一步，当网络中的任一节点为待离线节点时，待离线节点广播发送退出消息，接收到所述退出消息的节点中协议地址比待离线节点协议地址大的所有节点分别将自身协议地址减定值，同时网络中协议地址最小的节点将协议地址最大值减定值。

采用上述进一步方案的有益效果是当网络中的任一节点要离线时，通过以上方式能实现该节点的自动退出。

进一步，所述普通消息、高优先级消息、加入消息和退出消息的长度为指定长度46字节。

采用上述进一步方案的有益效果是限定了消息的长度后，能提高数据传输的实时性。

本发明的以太网消息实时传输装置，包括：

分配地址模块，用于为网络中的每个节点分别指定一个不同的协议地址，选择网络中任一节点作为当前节点，当前节点存储有待发送消息,待发送消息包括普通消息和高优先级消息；

消息发送模块，用于当所述当前节点其待发送消息为所述普通消息时，所述当前节点将所述普通消息进行广播发送；

判断处理模块，用于网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的目标地址判断自身是否为目标节点，若是则处理所述普通消息，若不是则丢弃所述普通消息；

同时，网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息节点，所述下一次待发送消息的节点的协议地址与所述当前节点的协议地址差值为定值，将下一次待发送消息的节点作为当前节点，回到消息发送模块；

优先模块，用于当网络中存在任一节点其待发送消息为高优先级消息时，待发送高优先级消息的节点等待正在发送普通消息的节点发送完所述普通消息后，将所述高优先级消息优先于所有普通消息进行发送；

本发明的有益效果是：本发明通过协调节点间的消息发送行为、设置高优先级消息，在兼顾普通报文实时性的同时，也保证了关键报文的实时性，减少了网络冲突的概率。对于传输信息种类繁多，各种报文服务质量要求各异的智能变电站通信网络尤其适用。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述消息还包括：退出消息和加入消息；

当所述待发送消息为退出消息时，将退出消息按照发送普通消息的方式进行发送；

当所述待发送消息为加入消息时，将加入消息按照发送高优先级消息的方式进行发送。

采用上述进一步方案的有益效果是通过区分普通消息方式和高优先消息方式，可以实现高优先级消息的低延时。

进一步，还包括加入模块，用于当任一节点为待加入节点时，待加入节点首先在物理层监听网络中所有节点全部发送完第一轮消息后，获取网络中节点的最大协议地址；

在第二轮消息发送结束之后，待加入节点广播发送加入消息；

接收到所述加入消息的所有节点中协议地址最小的节点对新加入网络的节点进行协议地址最大值更新，即将新加入的节点的协议地址赋值为所述协议地址最大值加定值。

采用上述进一步方案的有益效果是当任一节点要加入网络时，能实现该节点的自动加入。

进一步，还包括离线模块，用于当网络中的任一节点为待离线节点时，待离线节点广播发送退出消息，接收到所述退出消息的节点中协议地址比待离线节点协议地址大的所有节点分别将自身协议地址减定值，同时网络中协议地址最小的节点将协议地址最大值减定值。

采用上述进一步方案的有益效果是当网络中的任一节点要离线时，通过以上方式能实现该节点的自动退出。

进一步，所述普通消息、高优先级消息、加入消息和退出消息的长度为指定长度46字节。

采用上述进一步方案的有益效果是限定了消息的长度后，能提高数据传输的实时性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明普通消息发送模式图；

图3为本发明高优先级消息发送模式图；

图4为本发明数据帧格式图。

图5为本发明装置结构框图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明是针对一个子网内的通信设计，不可以穿透子网。

图1示出了本发明的消息实时传输方法流程，包括以下步骤：

步骤1：为网络中的每个节点分别指定一个不同的协议地址，选择网络中任一节点作为当前节点，当前节点存储有待发送消息,待发送消息包括普通消息和高优先级消息。

步骤2：当所述当前节点其待发送消息为所述普通消息时，所述当前节点将所述普通消息进行广播发送。

步骤3：网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的目标地址判断自身是否为目标节点，若是则处理所述普通消息，若不是则丢弃所述普通消息。

同时，网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息节点，所述下一次待发送消息的节点的协议地址与所述当前节点的协议地址差值为定值，将下一次待发送消息的节点作为当前节点，继续执行步骤2。

步骤4：当网络中存在任一节点其待发送消息为高优先级消息时，待发送高优先级消息的节点等待正在发送普通消息的节点发送完所述普通消息后，将所述高优先级消息优先于所有普通消息进行发送。

在步骤1中，协议地址的长度为7位，除去广播地址0，剩余可容纳127个节点。指定协议地址的目的是协调节点间的消息发送行为，网络中的节点按照协议地址递增或递减的顺序来发送消息。将消息分为普通消息和高优先级消息，实现了在兼顾普通报文实时性的同时，也保证了关键报文的实时性。普通消息在数据帧头部的2位消息类型为“00”；高优先级消息在数据帧头部的2为消息类型为“11”。

在步骤2中，需要说明的是，本发明是基于UDP协议发送消息的，所以消息都是以广播的形式进行发送。

在步骤3中，节点通过消息中的目标地址来判断自身是否为目标节点，通过消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息的节点，下一次待发送消息的节点的协议地址比当前节点的协议源地址大定值。

节点是按照协议地址递增或递减的顺序来发送消息的，所以设定当前节点的协议地址与下一次待发送消息的节点地址的差值为定值，这样节点就按照上述规律发送消息，同一时间保证了只有一个节点在发送消息，降低了网络冲突的概率。

若某个节点既是目标节点又是下一次待发送消息的节点，则该节点在接收消息的同时将自身携带的消息广播发送，不管该节点本身实际有没有信息需要发送，即使该节点的发送的是空消息，该节点也必须发送一次空消息，这样在该节点之后的节点才可以发送消息。

在步骤4中，网络中的节点在发送普通消息时，突然加入了一高优先级消息，此时将高优先级的消息优先于所有普通消息发送。设置高优先级消息，是为了保证关键报文的实时性。

具体的，当任一节点为待加入节点时，待加入节点首先在物理层监听网络中所有节点全部发送完第一轮消息后，获取网络中节点的最大协议地址；

在第二轮消息发送结束之后，待加入节点广播发送加入消息；

接收到所述加入消息的所有节点中协议地址最小的节点对新加入网络的节点进行协议地址最大值更新，即将新加入的节点的协议地址赋值为所述协议地址最大值加定值。以上方案实现了节点的自动加入。

当消息为加入消息时，将加入消息按照高优先级消息的方式进行发送。加入消息在数据帧头部的2位消息类型为“10”。

具体的，当网络中的任一节点为待离线节点时，待离线节点广播发送退出消息，接收到所述退出消息的节点中协议地址比待离线节点协议地址大的所有节点分别将自身协议地址减定值，同时网络中协议地址最小的节点将协议地址最大值减定值。以上方案实现了节点的自动加入。

当消息为退出消息时，将退出消息按照高优先级消息的方式进行发送。退出消息在数据帧头部的2位消息类型为“01”。

图4示出了为本发明数据帧格式图。发送消息的长度为指定长度，为了提高实时性，限定发送消息的长度为46字节，前2个字节为数据头，其中用户可用的数据空间为44字节；数据头包含了7位的源地址、7位的目标地址，2位的消息类型,普通消息、高优先级消息、加入消息和退出消息在数据帧头部的2位消息类型分别为“00”“11”“10”“01”。对于变电站控制来说，完全可以满足一次通信的需求。之所以选在46个字节消息是因为以太网物理层限制最小发送单元为64字节，去掉前导同步码，帧开始分界符、FCS之外的数据正好是46字节。采用以太网最小数据长度的好处是减少占用网络物理介质的时间，以提高网络整体的实时性。由于发送长度为定长，所以每次发送占用网络介质的时间也为定长，对于千兆以太网来说大约是T4＝10μs。

图5示出了本发明的消息实时传输装置结构框图，包括：

分配地址模块1，用于为网络中的每个节点分别指定一个不同的协议地址，选择网络中任一节点作为当前节点，当前节点存储有待发送消息,待发送消息包括普通消息和高优先级消息。

消息发送模块2，用于当所述当前节点其待发送消息为所述普通消息时，所述当前节点将所述普通消息进行广播发送。

判断处理模块3，用于网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的目标地址判断自身是否为目标节点，若是则处理所述普通消息，若不是则丢弃所述普通消息；

同时，网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息节点，所述下一次待发送消息的节点的协议地址与所述当前节点的协议地址差值为定值，将下一次待发送消息的节点作为当前节点，回到消息发送模块2。

优先模块4，用于当网络中存在任一节点其待发送消息为高优先级消息时，待发送高优先级消息的节点等待正在发送普通消息的节点发送完所述普通消息后，将所述高优先级消息优先于所有普通消息进行发送。

还包括加入模块5，用于当任一节点为待加入节点时，待加入节点首先在物理层监听网络中所有节点全部发送完第一轮消息后，获取网络中节点的最大协议地址；

在第二轮消息发送结束之后，待加入节点广播发送加入消息；

接收到所述加入消息的所有节点中协议地址最小的节点对新加入网络的节点进行协议地址最大值更新，即将新加入的节点的协议地址赋值为所述协议地址最大值加定值。此时消息为加入消息，将消息按照高优先级消息的方式进行发送。

还包括离线模块6，用于当网络中的任一节点为待离线节点时，待离线节点广播发送退出消息，接收到所述退出消息的节点中协议地址比待离线节点协议地址大的所有节点分别将自身协议地址减定值，同时网络中协议地址最小的节点将协议地址最大值减定值。此时的消息为退出消息，将消息按照发送普通消息的方式进行发送。

下面是本发明的实例：假设网络中有4个节点，节点1存储有待发送消息，节点1的目标节点为节点4。

首先，为连接到网络中的4个节点分别指定不同的协议地址，4个节点的协议地址分别为：1,2,3，4。本实例中，用户设定4个节点按照协议地址递增的顺序发送消息。节点1存储有待发送消息，那么节点1是当前节点，节点2的协议地址与当前节点1的协议地址之间的差值为定值1，即节点1发送完广播消息后由节点2、3、4发送广播消息，4个节点全部发送完消息即是一轮消息发送完成。将消息的长度设定为指定长度46字节，是为了提高消息传输的实时性。消息的类型分为普通消息和高优先级消息。普通消息在数据帧头部的2位消息类型为“00”，高优先级消息在数据帧头部的2位消息类型为“11”。

节点1为当前节点发送广播消息，节点2,3,4都会接收到节点1的广播消息，节点4通过节点1发送的广播消息中的目标地址判断自身为目标节点，节点4会接收节点1发送的广播消息，节点2,3会丢弃节点1发送的广播消息。同时节点2通过节点1发送的广播消息中的源地址判断自身是下一次待发送消息的节点，将节点2作为当前节点，由节点2完成下一次消息的发送。

假设节点2是节点1的目标节点，那么节点2既是目标节点又是下一次待发送消息的节点。节点2通过节点1发送的广播消息中的目标地址判断自身为目标节点，节点2会接收节点1发送的广播消息，节点3,4丢弃节点1的广播消息。同时节点2通过节点1发送的广播消息中的源地址判断自身是下一次待发送消息的节点，将节点2作为当前节点，由节点2完成下一次消息的发送。若此时节点2本身没有消息要发送，那么，节点2也必须将空的消息广播发送，这样节点2之后的节点3才能发送消息。

如图2所示的普通消息发送模式图。设节点间消息延时为T1，发送延时为T2＝40μs，数据传输延时为T4，对于千兆以太网来说：T4＝10μs，节点间消息延时T1＝T2+T4＝50μs。T1时间受节点性能与网络硬件性能影响。设节点数为N，理论最大延时为(N-1)*T1。

通过以上方案，实现了同一时刻只有一个节点在发送消息，消除了冲突，保证了数据报文的实时性。对于紧急报文，为了减少紧急报文的延时，本发明提出了高优先级消息传输方式。当网络中的节点要发送高优先级消息时，将所述优先级消息先于所有普通消息优先发送。

如图3所示的高优先级消息发送模式图。节点1有一高优先级消息，此时当前节点2正在发送普通消息，节点3,4处于静默状态，此时节点1在等待节点2的消息发送完后，节点1等待一个短暂的高优先级延时T3后，T3为5μs，将节点1的高优先消息先于节点3的普通消息优先发送，节点1将高优先级消息发送完后，节点3,4再按照之前协议地址递增或的规律发送消息。当网络中同时有2个节点有高优先级消息发送时会产生网络冲突，以太网MAC层会自动进行重发，由于是广播消息，在收到重发消息后其它产生高优先级消息的节点会立刻取消本次发送，以减少冲突。理论上该模式下不考虑同时有两个节点产生高优先级消息，此时消息的最大延时是T2+2*T4+T3。

下面是本发明的第二种实施方式。由于要求网络中的所有节点的协议地址连续递增或递减，所以需要网络节点一个自组织过程，于是有了加入和退出两种消息。加入消息在数据帧头部的2位消息类型为“10”，退出消息在数据帧头部的2位消息类型为“01”。退出消息按照普通消息的方式进行发送，加入消息按照高优先级消息的方式进行发送。

此时，假设任一节点要加入网络，待加入网络的节点在物理层监听网络中的4个节点全部完成第一轮消息的发送后，待加入网络的节点获取到网络中节点的最大协议地址4；在第二轮4个节点全部完成消息的发送后，待加入网络的节点广播发送加入消息，该加入消息以高优先消息的方式发送。节点1是接收到加入消息中协议地址最小的节点，节点1对新加入网络的节点进行协议地址最大值更新，即将新加入网络的节点协议地址赋值为5,实现了节点5的自动加入。

下面是本发明的第三种实施方式。此时，网络中有5个节点，此时假设节点3要退出网络，待离线节点3以普通消息方式广播发送退出消息，节点1，2,4,5接收到节点3的退出消息，协议地址比节点3大的节点4，5将自身的协议地址减1：即节点4变为节点3，节点5变为节点4。同时网络中协议地址最小的节点即节点1将协议地址最大值5减1，此时得到协议地址最大值为4,实现了节点3的自动退出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以太网消息实时传输方法，包括以下步骤：

步骤1：为网络中的每个节点分别指定一个不同的协议地址，选择网络中任一节点作为当前节点，当前节点存储有待发送消息,待发送消息包括普通消息和高优先级消息；

步骤2：当所述当前节点其待发送消息为所述普通消息时，所述当前节点将所述普通消息进行广播发送；

步骤3：网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的目标地址判断自身是否为目标节点，若是则处理所述普通消息，若不是则丢弃所述普通消息；

同时，网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息的节点，所述下一次待发送消息的节点的协议地址与所述当前节点的协议地址差值为定值，将下一次待发送消息的节点作为当前节点，继续执行步骤2；

步骤4：当网络中存在任一节点其待发送消息为高优先级消息时，待发送高优先级消息的节点等待正在发送普通消息的节点发送完所述普通消息后，将所述高优先级消息优先于所有普通消息进行发送。

2.根据权利要求1所述的以太网消息实时传输方法，其特征在于，所述待发送消息还包括：退出消息和加入消息；

当所述待发送消息为退出消息时，将退出消息按照发送普通消息的方式进行发送；

当所述待发送消息为加入消息时，将加入消息按照发送高优先级消息的方式进行发送。

3.根据权利要求2所述的以太网消息实时传输方法，其特征在于，

当任一节点为待加入节点时，待加入节点首先在物理层监听网络中所有节点全部发送完第一轮消息后，获取网络中节点的最大协议地址；

在第二轮消息发送结束之后，待加入节点广播发送加入消息；

接收到所述加入消息的所有节点中协议地址最小的节点对新加入网络的节点进行协议地址最大值更新，即将新加入的节点的协议地址赋值为所述协议地址最大值加定值。

4.根据权利要求2所述的以太网消息实时传输方法，其特征在于，当网络中的任一节点为待离线节点时，待离线节点广播发送退出消息，接收到所述退出消息的节点中协议地址比待离线节点协议地址大的所有节点分别将自身协议地址减定值，同时网络中协议地址最小的节点将协议地址最大值减定值。

5.根据权利要求2所述的以太网消息实时传输方法，其特征在于，所述普通消息、高优先级消息、加入消息和退出消息的长度为指定长度46字节。

6.一种以太网消息实时传输装置，其特征在于，包括：

分配地址模块(1)，用于为网络中的每个节点分别指定一个不同的协议地址，选择网络中任一节点作为当前节点，当前节点存储有待发送消息,待发送消息包括普通消息和高优先级消息；

消息发送模块(2)，用于当所述当前节点其待发送消息为所述普通消息时，所述当前节点将所述普通消息进行广播发送；

判断处理模块(3)，用于网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的目标地址判断自身是否为目标节点，若是则处理所述普通消息，若不是则丢弃所述普通消息；

同时，网络中除所述当前节点外的所有节点分别通过所述普通消息中的源地址判断自身是否为下一次待发送消息的节点，所述下一次待发送消息节点的协议地址与所述当前节点的协议地址差值为定值，将下一次待发送消息的节点作为当前节点，回到消息发送模块(2)；

优先模块(4)，用于当网络中存在任一节点其待发送消息为高优先级消息时，待发送高优先级消息的节点等待正在发送普通消息的节点发送完所述普通消息后，将所述高优先级消息优先于所有普通消息进行发送。

7.根据权利要求6所述的以太网消息实时传输装置，其特征在于，所述待发送消息还包括：退出消息和加入消息；

当所述待发送消息为退出消息时，将退出消息按照发送普通消息的方式进行发送；

当所述待发送消息为加入消息时，将加入消息按照发送高优先级消息的方式进行发送。

8.根据权利要7所述的以太网消息实时传输装置，其特征在于，还包括加入模块(5)，用于当任一节点为待加入节点时，待加入节点首先在物理层监听网络中所有节点全部发送完第一轮消息后，获取网络中节点的最大协议地址；

在第二轮消息发送结束之后，待加入节点广播发送加入消息；

接收到所述加入消息的所有节点中协议地址最小的节点对新加入网络的节点进行协议地址最大值更新，即将新加入的节点的协议地址赋值为所述协议地址最大值加定值。

9.根据权利要求7所述的以太网消息实时传输装置，其特征在于，还包括离线模块(6)，用于当网络中的任一节点为待离线节点时，待离线节点广播发送退出消息，接收到所述退出消息的节点中协议地址比待离线节点协议地址大的所有节点分别将自身协议地址减定值，同时网络中协议地址最小的节点将协议地址最大值减定值。

10.根据权利要求7所述的以太网消息实时传输方法，其特征在于，所述普通消息、高优先级消息、加入消息和退出消息的长度为指定长度46字节。