CN106209694B - 一种集成prp/hsr冗余协议的工业以太网交换机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，包括可编程逻辑芯片FPGA、多口以太网交换芯片Switch和若干片以太网物理层接口芯片PHY0‑PHYn，所述以太网物理层接口芯片PHY0‑PHYn分别通过网络接口与可编程逻辑芯片FPGA相连接，所述可编程逻辑芯片FPGA通过网络接口与多口以太网交换芯片Switch相连接。本发明的集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，利用FPGA作为PRP/HSR模块的实现的载体，配合Switch交换芯片，在实现普通交换功能的基础上完成对PRP/HSR协议的支持，并具有报文驻留延时测量功能，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，具体涉及一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机。
背景技术
IEC62439-3规范中定义了PRP（并行冗余协议）和HSR（高可靠无缝冗余）两种协议，以便提升工业以太网可靠性，PRP（并行冗余协议）和HSR（高可靠无缝冗余）的基本思路都是通过双路冗余，提高可靠性，由网络终端根据丢弃算法选择最优的一路数据，完成实时可靠无缝切换。目前，PRP/HSR冗余协议都在数据链路层实现，底层物理层和普通网络没有任何区别，导致网络可靠性不佳，而且，使用不便。
但是，随着工业控制应用对网络可靠性的要求越来越高，PRP/HSR冗余协议的应用越来越广泛，作为以太网数据交换中心的交换机，如何对PRP/HSR的冗余协议支持，成为一种迫切需求，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题是现有的PRP/HSR冗余协议都在数据链路层实现，导致网络可靠性不佳，使用不便的问题。本发明的集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，利用FPGA作为PRP/HSR模块的实现的载体，配合Switch交换芯片，在实现普通交换功能的基础上完成对PRP/HSR协议的支持，并具有报文驻留延时测量功能。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于：包括可编程逻辑芯片FPGA、多口以太网交换芯片Switch和若干片以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn，所述以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn分别通过网络接口与可编程逻辑芯片FPGA相连接，所述可编程逻辑芯片FPGA通过网络接口与多口以太网交换芯片Switch相连接，所述可编程逻辑芯片FPGA内设置有通道矩阵模块、PRP/HSR模块，转发模块，
所述通道矩阵模块，用于PRP/HSR模块，转发模块与以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn之间建立通信桥梁，将以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn的映射到PRP/HSR模块或转发模块上，通过网络接口分别与若干片以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn相连接；
所述PRP/HSR模块为若干组，用于实现PRP/HSR协议，并通过网络接口分别与多口以太网交换芯片Switch实现互联；各PRP/HSR模块之间还设置有内部互联通道；
所述转发模块为若干组，用于实现以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn与多口以太网交换芯片Switch的桥接，仅做报文传输的转发，通过网络接口分别与多口以太网交换芯片Switch实现互联。
前述的一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于：所述网络接口包括MII接口、GMII接口、RGMII接口、SGMII接口。
前述的一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于： 各PRP/HSR模块均包括冗余处理子单元、协议转换子单元、内部互联单元，所述冗余处理子单元用于外接对应的以太网物理层接口芯片，并在数据链路层实现IEC62439-3规范中的PRP/HSR标准冗余协议，实现报文信息的存储、查询、老化、更新；所述协议转换子单元用于实现网络件的协议转换，并通过网络接口与多口以太网交换芯片Switch互联；所述内部互联单元，用于实现两组PRP/HSR模块的互联。
前述的一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于： 所述通道矩阵模块能够识别以太网物理层接口芯片发送的报文头、报文类型、并在接收时刻打时标T1和发送报文的时刻打时标T2，根据T2和T1的时间差，计算报文的总驻留时间。
本发明的有益效果是：本发明的集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，在接收报文数据时，FPGA内部的PRP/HSR模块识别接收到PRP/HSR报文，按照IEC62439-3协议要求，进行查找计算，丢弃双网中的某一份报文，保留其中一份；在发送数据时，将一份报文复制成两份，分别加上PRP/HSR报文信息字段，发送至两路的PHY端口，实现冗余功能，具有以下优点，
（1）PRP/HSR模块的端口可通过软件配置关联到任意外部PHY端口；
（2） FPGA内部可实现多组PRP/HSR模块；
（3）PRP/HSR模块可与Switch连接，实现PRP/HSR到网络的互通；
（4）两组PRP/HSR模块可通过内部互联模块，实现两个冗余网络的互连互通；
（5）经过交换机的指定类型或所有报文，可自动测量总驻留延时。
附图说明
图1是本发明的集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机的系统框图。
图2是本发明的PRP/HSR模块的系统框图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1 所示，本发明的集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于包括可编程逻辑芯片FPGA、多口以太网交换芯片Switch和若干片以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn，所述以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn分别通过网络接口与可编程逻辑芯片FPGA相连接，所述可编程逻辑芯片FPGA通过网络接口与多口以太网交换芯片Switch相连接，所述可编程逻辑芯片FPGA内设置有通道矩阵模块、PRP/HSR模块，转发模块，
所述通道矩阵模块，用于PRP/HSR模块，转发模块与以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn之间建立通信桥梁，将以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn的映射到PRP/HSR模块或转发模块上，通过网络接口分别与若干片以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn相连接；
所述PRP/HSR模块为若干组，用于实现PRP/HSR协议，并通过网络接口分别与多口以太网交换芯片Switch实现互联；各PRP/HSR模块之间还设置有内部互联通道；
所述转发模块为若干组，用于实现以太网物理层接口芯片PHY0- PHYn与多口以太网交换芯片Switch的桥接，仅做报文传输的转发，通过网络接口分别与多口以太网交换芯片Switch实现互联。
所述网络接口包括MII接口、GMII接口、RGMII接口、SGMII接口，当然也不局限于上述接口，图1中用xMII表示网络接口。
如图2所示，各PRP/HSR模块均包括冗余处理子单元、协议转换子单元、内部互联单元，所述冗余处理子单元用于外接对应的以太网物理层接口芯片，并在数据链路层实现IEC62439-3规范中的PRP/HSR标准冗余协议，实现报文信息的存储、查询、老化、更新；所述协议转换子单元用于实现网络件的协议转换，并通过网络接口与多口以太网交换芯片Switch互联；所述内部互联单元，用于实现两组PRP/HSR模块的互联。
所述通道矩阵模块能够识别以太网物理层接口芯片发送的报文头、报文类型、并在接收时刻打时标T1和发送报文的时刻打时标T2，根据T2和T1的时间差，计算报文的总驻留时间，实现自动测量报文的总驻留延时。
本发明的集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，利用三个芯片的物理构架，在传统交换交换机多口以太网交换芯片Switch与以太网物理层接口芯片之间加入可编程FPGA芯片，实现IEC62439-3冗余协议，并可实现与网的互联互通，以及任意两个PRP/HSR模块网络之间的互通，利用FPGA的灵活可编程特性，改变PRP/HSR模块的数量，可根据实际需求一个到多个灵活选择，并利用通道矩阵模块与外部任意PHY端口映射联通，灵活组态，并可以自动测量报文在交换机中的总驻留时间，在接收报文数据时，FPGA内部的PRP/HSR模块识别接收到PRP/HSR报文，按照IEC62439-3协议要求，进行查找计算，丢弃双网中的某一份报文，保留其中一份；在发送数据时，将一份报文复制成两份，分别加上PRP/HSR报文信息字段，发送至两路的PHY端口，实现冗余功能。
综上所述，本发明的集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，在接收报文数据时，FPGA内部的PRP/HSR模块识别接收到PRP/HSR报文，按照IEC62439-3协议要求，进行查找计算，丢弃双网中的某一份报文，保留其中一份；在发送数据时，将一份报文复制成两份，分别加上PRP/HSR报文信息字段，发送至两路的PHY端口，实现冗余功能，具有以下优点，
（1）PRP/HSR模块的端口可通过软件配置关联到任意外部PHY端口；
（2） FPGA内部可实现多组PRP/HSR模块；
（3）PRP/HSR模块可与Switch连接，实现PRP/HSR到网络的互通；
（4）两组PRP/HSR模块可通过内部互联模块，实现两个冗余网络的互连互通；
（5）经过交换机的指定类型或所有报文，可自动测量总驻留延时。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于：包括可编程逻辑芯片FPGA、多口以太网交换芯片Switch和若干片以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn，所述以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn分别通过网络接口与可编程逻辑芯片FPGA相连接，所述可编程逻辑芯片FPGA通过网络接口与多口以太网交换芯片Switch相连接，所述可编程逻辑芯片FPGA内设置有通道矩阵模块、PRP/HSR模块和转发模块；
所述通道矩阵模块，用于PRP/HSR模块、转发模块与以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn之间建立通信桥梁，将以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn映射到PRP/HSR模块或转发模块上，通过网络接口分别与若干片以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn相连接；
所述PRP/HSR模块为若干组，用于实现PRP/HSR协议，并通过网络接口分别与多口以太网交换芯片Switch实现互联；各PRP/HSR模块之间还设置有内部互联通道；
所述转发模块为若干组，用于实现以太网物理层接口芯片PHY0-PHYn与多口以太网交换芯片Switch的桥接，仅做报文传输的转发，通过网络接口分别与多口以太网交换芯片Switch实现互联；
各PRP/HSR模块均包括冗余处理子单元、协议转换子单元、内部互联单元，所述冗余处理子单元用于外接对应的以太网物理层接口芯片，并在数据链路层实现IEC62439-3规范中的PRP/HSR标准冗余协议，实现报文信息的存储、查询、老化、更新；所述协议转换子单元用于实现网络间的协议转换，并通过网络接口与多口以太网交换芯片Switch互联；所述内部互联单元，用于实现两组PRP/HSR模块的互联。
2.根据权利要求1所述的一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于：所述网络接口包括MII接口、GMII接口、RGMII接口、SGMII接口。
3.根据权利要求1所述的一种集成PRP/HSR冗余协议的工业以太网交换机，其特征在于：所述通道矩阵模块能够识别以太网物理层接口芯片发送的报文头、报文类型、并在接收时刻打时标T1和发送报文的时刻打时标T2，根据T2和T1的时间差，计算报文的总驻留时间。
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