CN106027397B - 一种星型拓展的分布式测量设备网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，包括以下步骤：A1：系统上电后，各级主节点负责对与该主节点连接的子节点进行枚举识别；当其它子节点连接到任何一个接口后，经过枚举识别过程，通过协议向主节点报告其地址和路由信息，自动建立新的路由表，完成路由表重构过程；A2：查询数据缓冲层是否有数据，如有，根据数据包信息判断是否为本机数据包；如果是本机数据包，对其进行解析执行，如果不是，则根据数据包的地址信息向相应的接口转发。网络协议基于标准的通信包结构，通过网络中设备间的简洁通讯快速完成设备的枚举、路由表的建立，实现了网络通信协议中设备间的寻址、数据传输管理及可靠性保障。

Description

一种星型拓展的分布式测量设备网络通信方法

技术领域

本发明涉及有线测量设备的互连组网领域，尤其涉及的是一种星型拓展的分布式测量设备网络通信方法。

背景技术

在测量领域，系统与系统之间，系统模块之间需要传输大量数据。目前大量使用的工业现场总线大都是总线型的，当测量系统分别与多个测量设备进行数据传输时，测量系统的负载会大大增加，严重影响系统之间的通信效率。目前的现场总线存在以下几个方面的问题：

1)种类繁多，选用时需要考虑的因素太多。大体而言，大量总线是点对点的，只有有限的一些是可以组网的。目前流行的网络总线大都是总线型的，其特点是速率低，实时性号，可靠性高。在现今物联网和大数据蓬勃发展的阶段，低速率总线必然面临淘汰，已经远不能适应社会发展的需求。

2)使用复杂。现有总线协议都比较复杂，使用者必须对总线协议与使用限制条件有足够的了解，才能确保设计的网络可以正常工作。大部分情况下，如果技术层面上对协议了解不够，工程师设计的网络很可能会存在致命的缺陷，从而在特定条件下激活造成严重损失。如何降低一种网络的使用准入条件，不仅代表着未来使用范围的推广，也代表着该种网络的本质安全性与可靠性的水平。如果能够实现网络自动重构，无需用户参数设置，将极大地降低用户的使用成本，从本质上提高组网的可靠性。

3)实时性问题。星型网络具有很多优越性的特征，可以最大程度的发挥数据传输带宽高的特点。但是目前的星型网络从协议本身不限制分层数量，且数据包结构的设计更多的为了保证数据传输的速率，但不能很好的控制任意量点之间的数据传递延时。这在工业现场总线领域有时会严重影响整个系统的协同工作效率。

4)流量均衡性问题。总线型网络所有节点间的数据传输都要通过单根总线完成，其低下的传输效率已经成为影响这种网络存在的重要因素。现有的星型网络越往顶层数据流瓶颈现象越突出。随着级联层数增加，顶层的汇聚流量会非常大，但顶层的带宽与底层的带宽却是一样的。因为网络结构本身的特点，要想提高顶层带宽需要增加设备并行度，这不是靠网络本身来解决的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种星型拓展的分布式测量设备网络通信方法。

本发明的技术方案如下：

一种星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，包括以下步骤：

A1：系统上电后，各级主节点负责对与该主节点连接的子节点进行枚举识别，将该级主节点以下所有设备的地址信息分别存储在主节点的路由表中，并逐级向上一级主节点汇总，最终在顶级主节点形成整个网络的路由表信息；当其它子节点连接到任何一个接口后，经过枚举识别过程，通过协议向主节点报告其地址和路由信息，自动建立新的路由表，完成路由表重构过程；

A2：查询数据缓冲层是否有数据，如有，根据数据包信息判断是否为本机数据包；如果是本机数据包，对其进行解析执行，如果不是，则根据数据包的地址信息向相应的接口转发。

所述的星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，所述数据包由模式域、源地址域、目的地址域、寄存器域、参数字域和检验域组成。模式域主要是区分数据包的各种功能的标志，不同的模式标志字代表着不同的功能，多通道数据处理、调度模块循环判读各端口缓存中是否有数据，在收到数据后数据处理调度模块对数据包进行解析，首先判断数据包中目的地址是否为本机，是本机的话进一步在判读模式域以执行相应的模式功能，不是本机的话根据目的地址执行转发功能。在网络协议中设定了冗余端口和校验域以保障数据传输的可靠性。

所述的星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，所述数据包在传输的过程中，被主节点分为控制包和数据包两类；控制包都是单包，数据包可以是变长包；控制包具有最高的优先级，会被插队到最近的一组数据，最近的一组数据发送完控制包就被转发，便于提高优先级和保证整个系统的实时性。

所述的星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，在路由表重构过程中，如果一个主节点枚举两个端口时，接收到同样一个子节点的返回包，主节点将在冗余端口列表中自动将两个端口配置为冗余端口；在数据转发时，主节点将自动平衡两个端口的数据量，确保负载均衡。

无需用户干预，可以实现星型网络的自动重构和级联拓展。网络协议基于标准的通信包结构，通过网络中设备间的简洁通讯快速完成设备的枚举、路由表的建立，实现了网络通信协议中设备间的寻址、数据传输管理及可靠性保障。

附图说明

图1星型拓展的分布式测量设备网络框图；

图2网络协议的构成；

图3星型拓展结构图；

图4二级级联拓扑图；

图5网络协议实现原理流程图；

图6网络协议数据包格式。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1和图2，星型拓展的分布式测量设备网络框图，其包括若干级联的主节点和与主节点标准收发接口连接的子节点，主节点采用星型组网协议，实现同一层次子节点之间的互联通信；

每一级主节点包括至少八个标准收发接口、与标准接口一一对应的缓存、多通道数据处理调度模块、路由表和E²PROM，其中1个标准收发接口是用于本级主节点和上级主节点级联的专用端口，在寻址过程中本级的主节点通过该专用端口与上级主节点进行通信，其它至少7个标准收发接口用于连接至少7个子节点，或者至少6个子节点和一个下级主节点进行下级拓展；子节点通过标准收发接口和主节点通信，将子节点处理过的数据和请求按照协议转换后发给主节点，主节点按照协议寻址分散流入目的接口；任何标准收发接口输入的数据都可以根据数据包中的设备地址，通过另一个接口输出；子节点连接到任何一个接口时，都会通过协议报告其地址和路由表，并且在相关主节点中自动建立新的路由表以供下次通信查询；多通道数据处理调度模块，它是负责决定数据流的起始地址和目的地址，并启动数据的传输；主节点的寻址是通过查询主节点中的路由表实现的，路由表中存储着网络中每个子节点的接口信息，多通道数据处理调度模块通过查询路由表中的接口信息来决定数据的发送端口；数据在不同端口间的转移和速率匹配是通过端口后端的数据缓冲层实现的，数据缓冲层主要负责作为主节点接收数据速率和发送数据速率的速率同步，接收端以接收码率写入缓存，发送端以发送速率读出缓存。

有限级联自动重构协议主要针对星型组网方式和级联拓展模式。

在同级网络设备中主要是星型组网，星型组网的结构框图如图3。其中1号端口规定为向上一级级联端口(冗余连接下是1、2号端口)，其它端口为子节点或者下一级级联端口。通过向上级联端口可以进行网络的级联拓展，二级拓展结构框图如图4，级联的深度可以根据路由表的容量进行适当调整。但对已经设计好的确定网络而言，深度是确定不变的。例如典型的深度可以设置为4层级联。

因为有限级联自动重构网络的级联深度是非常少的，所以网络内任何两个设备间的数据传输延时基本是可以通过计算得到的，而且是可控的。利用该特点，有限级联自动重构网络可以实现很高的实时同步控制精度。

有限级联自动重构网络的自动重构主要是在主节点上实现的，这个主节点相当于路由功能，每次上电后，负责对连接设备进行枚举识别，将有效端口信息写入路由表；在数据交换过程中，主要实现网络中数据的接收、解析、寻址和分流。

要实现这些功能主节点必须对本级主节点及下级网络中的设备具有寻址功能，也就是说顶级主节点具有网络中所有设备的地址。网络中所有设备在组网之前都被设置了固定的设备ID，在初始化过程中由每个主节点向下发起枚举功能，将主节点以下所有设备的地址信息分别存储在主节点的路由表中，并逐级向上一级主节点汇总，最终在顶级主节点形成整个网络的路由表信息。

网络中数据通信以标准数据包的格式进行传输，数据包中包含模式信息、源地址信息、目的地址信息、寄存器信息、参数字信息以及校验信息。整个网络中数据通信的无缝连接主要是依靠这个数据包来实现的，在发送数据时将发送数据组合成标准数据包进行传输；在接收时对数据包进行校验、解析，通过目的地址确定数据包是要在本机执行还是要转发。网络协议的实现原理流程图如图5。网络协议数据包的格式如图6所示。网络通信协议中一个标准的数据包格式由模式域、源地址域、目的地址域、寄存器域、参数字域和检验域组成。模式域主要是区分数据包的各种功能的标志，不同的模式标志字代表着不同的功能，比如“C9”代表写寄存器，“CB”代表读寄存器等；在协议中规定了各种不同的寄存器代表着协议中的各种参数状态，通过模式控制可以读/写这些寄存器以实现检测协议中参数的状态。FPGA中数据调度模块循环判读各端口缓存中是否有数据，在收到数据后数据处理调度模块对数据包进行解析，首先判断数据包中目的地址是否为本机，是本机的话进一步在判读模式域以执行相应的模式功能，不是本机的话根据目的地址执行转发功能。在网络协议中设定了冗余端口和校验域以保障数据传输的可靠性。

本网络协议主要是通过内核逻辑结合外部端口实现的，内核是数据集散中心，在该中心的控制下，复合数据流从某一个端口流入，分散流入目的接口，实现数据的自动转发；外部标准接口是网络中设备间通信的基本通道，决定数据传输的格式。协议转换层和数据缓冲层在内核内部实现，协议转换层主要完成接口数据格式和协议数据格式的转换，在发送端将缓存内的数据包拆分为发送接口数据，在接收端将接口数据组合为数据包格式写入数据缓存层。内核的多通道数据数据处理中心负责对主节点上的各个端口循环进行判读，每个端口接收数据，不管单组接收还是批量接收，进入接口后都被重新打包为“端口：数据”的形式放在FIFO队列中。

数据包被转移到哪个目的端口是通过检索数据包的目的地址，并查询该目的地址匹配的路由表中指出的目的端口来确定的。该主节点记录的索引值就是目的设备的ID值，采取这种数据结构可以尽最快速度定位检索到主节点信息，获取转发端口。基于该原理，数据转移内核异步轮询处理每一个端口，快速将数据搬运到相应的端口，由相应的端口发送出去；包在传输的过程中，被主节点分为控制包和数据包两类。控制包都是单包，数据包可以是变长包。控制包具有最高的优先级，会被插队到最近的一组数据，最近的一组数据发送完控制包就被转发，便于提高优先级和保证整个系统的实时性。

主节点的任何端口输入的数据都可以根据数据包中的设备地址来决定通过另外一个端口输出，当其它子节点连接到任何一个接口后，经过枚举识别过程，通过协议向主节点报告其地址和路由表，自动建立新的路由表，通过查询路由表中的地址，将数据包准确的发送到目的端口。

在路由表重构过程中，如果一个主节点枚举两个端口时，接收到同样一个子节点的返回包，主节点将在冗余端口列表中自动将两个端口配置为冗余端口。在数据转发时，主节点将自动平衡两个端口的数据量，确保负载均衡。这一方面能够增大设备间的数据传输带宽，另一方面可以保证传输通道的可靠连通。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，其特征在于，星型拓展的分布式测量设备网络包括若干级联的主节点和与主节点标准收发接口连接的子节点，主节点采用星型组网协议，实现同一层次子节点之间的互联通信；包括以下步骤：

A1：系统上电后，各级主节点负责对与该主节点连接的子节点进行枚举识别，将该级主节点以下所有设备的地址信息分别存储在主节点的路由表中，并逐级向上一级主节点汇总，最终在顶级主节点形成整个网络的路由表信息；当其它子节点连接到任何一个接口后，经过枚举识别过程，通过协议向主节点报告其地址和路由信息，自动建立新的路由表，完成路由表重构过程；

A2：查询数据缓冲层是否有数据，如有，根据数据包信息判断是否为本机数据包；如果是本机数据包，对其进行解析执行，如果不是，则根据数据包的地址信息向相应的接口转发。

2.根据权利要求1所述的星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，其特征在于，所述数据包由模式域、源地址域、目的地址域、寄存器域、参数字域和检验域组成；模式域主要是区分数据包的各种功能的标志，不同的模式标志字代表着不同的功能，多通道数据处理、调度模块循环判读各端口缓存中是否有数据，在收到数据后数据处理调度模块对数据包进行解析，首先判断数据包中目的地址是否为本机，是本机的话进一步在判读模式域以执行相应的模式功能，不是本机的话根据目的地址执行转发功能；在网络协议中设定了冗余端口和校验域以保障数据传输的可靠性。

3.根据权利要求1所述的星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，其特征在于，所述数据包在传输的过程中，被主节点分为控制包和数据包两类；控制包都是单包，数据包可以是变长包；控制包具有最高的优先级，会被插队到最近的一组数据，最近的一组数据发送完控制包就被转发，便于提高优先级和保证整个系统的实时性。

4.根据权利要求1所述的星型拓展的分布式测量设备网络通信方法，其特征在于，在路由表重构过程中，如果一个主节点枚举两个端口时，接收到同样一个子节点的返回包，主节点将在冗余端口列表中自动将两个端口配置为冗余端口；在数据转发时，主节点将自动平衡两个端口的数据量，确保负载均衡。