CN105530245A - 一种提高非专网goose报文传输可靠性的系统 - Google Patents

一种提高非专网goose报文传输可靠性的系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，包括MPU/MCU，所述MPU/MCU包括MAC模块，用于处理报文；其特征在于：所述MPU/MCU的MAC连接FPGA，所述FPGA另一端连接物理接口收发器；所述物理接口收发器，用于将接收的报文传送至所述FPGA，或将所述FPGA发送的报文输出；所述FPGA包括发送模块、接收模块、报文解析及逻辑处理模块和MAC模块；所述报文解析及逻辑处理模块，用于对接收的报文进行分类、解析Goose报文、网络风暴判断和对接收的报文进行分类处理；所述MAC模块，用于实现与PHY的MII接口，实现报文的收发处理，实时监视所述以太网的运行工况。该系统确保装置的功能正常，提高了装置的性能，避免因网络原因导致装置死机或重启而可能产生的经济损失；同时降低了网络的组网要求，节约组网成本。

Description

一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统
技术领域
本发明涉及一种以太网报文传输领域的系统，具体讲涉及一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统。
背景技术
随着工业自动化系统向分布化、智能化的实时控制方面发展，要求信息标准化，信息共享，其中通信已成为关键。用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。以太网随着技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等，悄悄地进入了控制领域，并在工业自动化领域迅速增长。集成电路随着工艺水平的提高，技术的进步，单芯片已能集成众多常用的控制器，以太网控制器MAC就是其中一个，MAC的集成使得以太网的实现变得简单。Goose是IEC61850定义的一种通讯机制，其模型为IEEE802.3标准的物理层和数据链路层，并利用了VLAN和优先级等以太网特性，可用于快速传输变电站事件，诸如命令、告警、指示、信息。Goose满足保护网络跳闸等实时性要求；可用于保护跳闸，信息闭锁，也可传输模拟量。因而在工业控制系统中，Goose报文通常作为传输命令、动作信息、闭锁信号等实时性要求很高且重要信息的以太网报文。
由于Goose传递信号的重要性，在实际使用中，希望Goose报文不丢失，条件许可的场合，为了满足系统的性能，Goose网通常作为一个独立的网络单独组网。然而，在实际的工程应用中，Goose网通常很难实现独立组网，而是跟其他网络报文共用一个网络，网络上接的设备各式各样，不可避免的存在瞬间网络负荷过重，甚至产生网络风暴的情况。一旦出现这种情况，MCU/MPU控制器通常会因为网络负荷过重，网络中断太多而死机或重启，这样会导致Goose信息丢失，装置功能失效，严重的会造成重大的经济损失。因此在非Goose专网的环境中，如何提高Goose传输可靠性，如何提高装置的抗网络风暴能力迫在眉睫，其影响到产品的功能实现及性能。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，包括MPU/MCU，所述MPU/MCU包括MAC模块，用于处理报文；其改进之处在于：所述MPU/MCU的MAC连接FPGA，所述FPGA另一端连接物理接口收发器；
所述物理接口收发器，用于将接收的报文传送至所述FPGA，或将所述FPGA发送的报文输出；
所述FPGA包括发送模块、接收模块、报文解析及逻辑处理模块和MAC模块；
所述报文解析及逻辑处理模块，用于对接收的报文进行分类、解析Goose报文、网络风暴判断和对接收的报文进行分类处理；
所述MAC模块，用于实现与PHY的MII接口，实现报文的收发处理，实时监视所述以太网的运行工况。
优选地，当所述MPU/MCU发送报文，所述FPGA作为传输装置，将所述报文直接发送给所述物理接口收发器；
当所述MPU/MCU接收报文，所述FPGA作为处理装置，对所述报文进行相应的分类及逻辑处理。
优选地，当所述FPGA作为处理装置时，所述MAC模块接收从所述物理接口收发器发送的报文，将所述报文发送给报文解析及逻辑处理模块；所述MAC与所述报文解析及逻辑处理模块通信；所述MAC和所述逻辑处理模块分别通过MII接口和总线接口发送给所述MPU/MCU。
优选地，所述报文解析及逻辑处理模块进行的处理，包括以下步骤：
FPGA对接收的报文进行分类存储；
判断网络是否正常，若所述网络正常，则将除GOOSE报文外的所有报文经所述FPGA的所述MAC模块的MII的发送端口发送至所述MPU/MCU的所述MAC模块的接收端口，若网络异常，则只将单播报文经所述FPGA的所述MAC模块的MII的发送端口发送至所述MPU/MCU的所述MAC模块的接收端口，其他报文丢弃；
若包含所述GOOSE报文，则进一步判断所述GOOSE报文与订阅的GOOSE报文是否一致，若一致，则通过所述FPGA的所述报文解析及逻辑处理模块解析所述GOOSE报文，并将解析后的数据通过数据总线接口发送至MPU/MCU，若不一致，则将所述GOOSE报文丢弃。
优选地，所述报文的分类包括：GOOSE报文、广播及组播报文、单播报文。
优选地，所述网络异常包括网络风暴；所述网络风暴包括广播风暴及组播泛洪。
所述组播泛洪的判据：当同一网口的广播报文或组播报文在1ms内大于4帧，则认为发生组播泛洪；
所述广播风暴的判据：当同一网口的广播报文在1s内大于1000帧，则认为发生广播风暴。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出系统，在装置MCU/MPU的MAC前端增加FPGA对接收报文进行处理，给MCU/MPU的MAC增加了一道抵御网络风暴的屏障，减轻了MCU/MPU对网络报文突发增长的处理要求，增加了装置的抗网络风暴能力，从而保证装置在网络发生网络风暴或异常的情况下，装置MCU/MPU不死机，不重启，不丢Goose报文，能够提高非专网GOOSE报文传输的可靠性。
2、本发明提出系统，在装置MCU/MPU的MAC前端增加FPGA对接收报文进行处理，进一步的确保装置的功能正常，提高了装置的性能，避免了因死机或重启而可能产生的经济损失；同时降低了网络的组网要求，节约组网成本。
附图说明
图1为典型的MPU/MCU以太网实现原理图；
图2为本实施例中增加FPGA作为网络前端处理的以太网实现原理图；
图3为本实施例中增加FPGA作为网络前端处理后的数据发送流程图；
图4为本实施例中增加FPGA作为网络前端处理后的数据接收流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
传统的MPU/MCU以太网结构如图1所示，Magnetics指Magnetics磁芯，RJ-45为接口，100BASE-FX指是在光纤上实现的100Mbps以太网标准，其中，F表示光纤，IEEE标准为802.3u；100Base-FX运行于光缆上，适合于骨干和长距离传输。
该结构包括MPU/MCU(微处理器单元/微控制器单元)，MPU/MCU直接连接PHY(物理接口收发器/与外部信号接口的芯片)。
MPU/MCU的以太网控制器MAC通过MII接口与PHY连接来实现与以太网接口的报文收发。这是典型的以太网实现原理，MAC完成报文的组包发送及接收报文的解包工作。
当MAC接收到有效的报文时会通过中断的方式与MPU/MCU内核交互数据。所以如果一旦发生网络风暴，广播报文或组播报文数量会在瞬间以几何级数增加，MAC就会频繁的向MPU/MCU发送数据接收的中断，导致MPU/MCU因中断响应不了而死机或频繁重启。
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，如图2所示，图2为本发明中增加FPGA作为网络前端处理的以太网实现原理图。本发明提供的提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，除了包括MPU/MCU，还包括FPGA；所述MPU/MCU包括MAC模块，用于处理报文。MPU/MCU的MAC连接FPGA，FPGA另一端连接PHY。
PHY，用于将接收的报文传送至所述FPGA，或将所述FPGA发送的报文输出。
FPGA，用于对接收的报文进行处理。
所述FPGA包括发送模块、接收模块、报文解析及逻辑处理模块和MAC模块；所述报文解析及逻辑处理模块，用于对接收的报文进行分类、解析Goose报文、网络风暴判断和对接收的报文进行分类处理；所述MAC模块，用于实时监视所述以太网的运行工况，并对所述报文进行发送接收处理。
当所述MPU/MCU发送报文，所述FPGA作为传输装置，将所述报文直接发送给所述PHY；当所述MPU/MCU接收报文，所述FPGA作为处理装置，对所述报文进行逻辑处理。
当所述FPGA作为处理装置时，所述接收模块接收从所述PHY发送的报文，将所述报文发送给所述MAC；所述MAC与所述报文解析及逻辑处理模块通信；所述MAC和所述报文解析及逻辑处理模块分别通过MII接口和总线接口发送给所述MPU/MCU。
报文解析及逻辑处理模块，用于对接收的报文进行分类、解析Goose报文、网络风暴判断和对接收的报文进行分类处理。包括以下步骤：
FPGA对接收的报文进行分类存储；
进一步判断网络是否正常，若所述网络正常，则将除GOOSE报文外的所有报文经所述FPGA的所述MAC模块的MII的发送端口发送至所述MPU/MCU的所述MAC模块的接收端口，若网络异常，则只将单播报文经所述FPGA的所述MAC模块的MII的发送端口发送至所述MPU/MCU的所述MAC模块的接收端口，其他报文丢弃；
若包含所述GOOSE报文，则进一步判断所述GOOSE报文与订阅的GOOSE报文是否一致，若一致，则通过所述FPGA的所述报文解析及逻辑处理模块解析所述GOOSE报文，并将解析后的数据通过数据总线接口发送至MPU/MCU，若不一致，则将所述GOOSE报文丢弃。
图2为本实施例中增加FPGA作为网络前端处理后的以太网实现原理图；本实施例中，MPU/MCU的MAC模块与以太网的物理介质接口之间增加了FPGA作为网络的前端处理，对于发送的报文，由MPU/MCU的MAC模块直接控制，FPGA不做处理。对于接收的报文，经过FPGA处理后，经FPGA与MPU/MCU交互数据。
本实施例中，FPGA主要用于：网络风暴判断，报文分类，Goose报文解析。
网络风暴是指由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪。网络风暴包括广播风暴及组播泛洪。
本实施例中，提供一种组播泛洪的判据：当同一网口的广播报文或组播报文在1ms内大于4帧时则认为发生网络风暴；
本实施例中，提供一种广播风暴的判据：当同一网口的广播报文在1s内大于1000帧广播报文，则认为发生广播风暴。
报文分为三类：goose报文、广播及组播报文、单播报文。
GOOSE报文解析方法为：FPGA将与配置一致的GOOSE报文解包，解包的数据通过总线接口与MPU/MCU交互数据。
网络正常情况下，FPGA将与配置一致的GOOSE报文解包给应用层，其他报文直接转发给CPU的网络接收端；网络异常情况下：FPGA将与配置一样的GOOSE报文解包给应用层，将目的MAC地址bit0为1的报文丢弃(其中，包含广播报文：目的MAC地址为0xff_ff_ff_ff_ff_ff，及组播报文：目的MAC地址的bit0为1)，单播报文直接转发给CPU的网络接收端。
通过FPGA这个前置处理，避免了MPU/MCU需处理爆发式增长的网络报文的可能，且不会因为死机或重启而丢失Goose报文及其他重要的单播报文。
图3为本实施例中增加FPGA作为网络前端处理后的数据发送流程图；本实施例中，MPU/MCU发送报文，此时，FPGA作为传输装置，将所述报文直接发送给所述PHY。
本实施例中，FPGA不参与发送处理，完全是个透明的转发，保证报文发送的实时性，降低实现难度，减轻FPGA的资源要求，降低成本。
图4为本实施例中增加FPGA作为网络前端处理后的数据接收流程图；本实施例中，MPU/MCU接收报文，此时，FPGA作为处理装置，需对所述报文进行逻辑处理。
本实施例中，接收的报文经FPGA处理后，经FPGA与MPU/MCU交互数据，对于Goose报文，FPGA对报文解包处理，如与订阅的Goose报文一致，则将数据通过总线接口传输至MPU/MCU，不一致，则丢弃；其他报文则转接至MPU/MCU的MAC模块的MII接口的接收端口，由MPU/MCU的MAC模块完成报文的解包处理。网络正常的情况下，所有报文都处理，网络异常情况时，只处理Goose和单播报文，广播或组播报文丢弃。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，包括MPU/MCU，所述MPU/MCU包括MAC模块，用于处理报文；其特征在于：所述MPU/MCU的MAC连接FPGA，所述FPGA另一端连接物理接口收发器；
所述物理接口收发器，用于将接收的报文传送至所述FPGA，或将所述FPGA发送的报文输出；
所述FPGA包括发送模块、接收模块、报文解析及逻辑处理模块和MAC模块；
所述报文解析及逻辑处理模块，用于对接收的报文进行分类、解析Goose报文、网络风暴判断和对接收的报文进行分类处理；
所述MAC模块，用于实现与PHY的MII接口，实现报文的收发处理，实时监视所述以太网的运行工况。
2.如权利要求1所述的一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，其特征在于：当所述MPU/MCU发送报文，所述FPGA作为传输装置，将所述报文直接发送给所述物理接口收发器；
当所述MPU/MCU接收报文，所述FPGA作为处理装置，对所述报文进行相应的分类及逻辑处理。
3.如权利要求2所述的一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，其特征在于：当所述FPGA作为处理装置时，所述MAC模块接收从所述物理接口收发器发送的报文，将所述报文发送给报文解析及逻辑处理模块；所述MAC与所述报文解析及逻辑处理模块通信；所述MAC和所述逻辑处理模块分别通过MII接口和总线接口发送给所述MPU/MCU。
4.如权利要求1所述的一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，其特征在于：所述报文解析及逻辑处理模块进行的处理，包括以下步骤：
FPGA对接收的报文进行分类存储；
判断网络是否正常，若所述网络正常，则将除GOOSE报文外的所有报文经所述FPGA的所述MAC模块的MII的发送端口发送至所述MPU/MCU的所述MAC模块的接收端口，若网络异常，则只将单播报文经所述FPGA的所述MAC模块的MII的发送端口发送至所述MPU/MCU的所述MAC模块的接收端口，其他报文丢弃；
若包含所述GOOSE报文，则进一步判断所述GOOSE报文与订阅的GOOSE报文是否一致，若一致，则通过所述FPGA的所述报文解析及逻辑处理模块解析所述GOOSE报文，并将解析后的数据通过数据总线接口发送至MPU/MCU，若不一致，则将所述GOOSE报文丢弃。
5.如权利要求4所述的一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，其特征在于：所述报文的分类包括：GOOSE报文、广播及组播报文、单播报文。
6.如权利要求4所述的一种提高非专网GOOSE报文传输可靠性的系统，其特征在于：所述网络异常包括网络风暴；所述网络风暴包括广播风暴及组播泛洪。
所述组播泛洪的判据：当同一网口的广播报文或组播报文在1ms内大于4帧，则认为发生组播泛洪；
所述广播风暴的判据：当同一网口的广播报文在1s内大于1000帧，则认为发生广播风暴。
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