CN110870285B - 在具有部分实时需求的数据网络中高性能数据传输的方法和执行该方法的装置 - Google Patents

Abstract

所提出的方法和设备描述了用于工业控制和监视应用的实时网络规划，其中特别是基于根据IEEE 802.1 TSN任务组的新机制，将标准以太网交换元件用于通信网络。该工作规划将时钟数据传输与流预留概念结合在一起并因此在在运行时提供具有确保的最大延迟和访问控制的决定性。

Description

在具有部分实时需求的数据网络中高性能数据传输的方法和 执行该方法的装置

技术领域

本发明涉及数据网络中的数据传输领域，具体地，涉及在具有部分实时需求的数据网络中高性能数据传输的方法和执行该方法的装置。

背景技术

工业应用，例如工业自动化中的分布式IO系统，取决于决定性数据传输的可用性和可靠性。这意味着待传输的数据应尽可能实时、可靠并且低延迟地送达至接收者。在此，这些网络中的数据传输的特征尤其在于，可以按规则的间隔以可预先规划的方式来传输较小的、可预测的数据量，例如将传感器的测量值或控制命令传输到工业设备中的执行器。数据量通常结合成突发(Burst)、或也称为流，即多个数据帧的集合。

过去，专门为此目的开发并用于工业环境的硬件已被用于构建工业网络，优选以BUS拓扑结构、也就是所有参与者都通过公共消息路径连接的拓扑结构来构建。在图1中示例性地示出了这样的总线系统，其中，通过包含网元B0...B3的传输链路NB将不同的可以相互通信的参与者11、12、13连接。

但是，并不仅仅使用了BUS系统，一个可选的拓扑例如是在图2所示的环形NR，在此，网元B0...B3以环形结构互连，其中在连接的参与者11、12、13之间传输数据包时，允许在两个传输方向进行。目前，用于数据传输的几乎所有现代网络都使用了标准化的以太网技术。因此，工业自动化系统的制造商开发了基于以太网的解决方案，利用专用的硬件扩展来满足应用的要求，并保证网络的所期望的实时表现。

这些如此设计的系统之一便是PROFINET，它是过程现场网络的缩写。Profinet使用TCP/IP和IT标准，具有实时以太网功能，并且可以集成现场总线系统。PROFINET本身定义了两个实时协议：RT(实时)和IRT(等时实时)，用于为具有不同实时要求的Profinet 10应用程序传输时间关键数据。

Profinet RT在标准以太网硬件上运行，并以高达10ms的周期时间处理Profinet10应用程序。在数据平面层，它使用标准的以太网交换技术的优先级来传输具有高于不需要实时传输的普通数据的优先级的实时数据。Profinet-RT的优点在于，该运行不需要网元的时间同步，因此需要少量工程成本。

但是，Profinet RT的单独应用仅提供了低的实时性能，因为即使是高优先级数据包的传输，从一个网元到另一个网元的每一跳，都具有高达一个最大数据帧的传输延迟。

对于具有快速控制回路(例如驱动系统中的运动控制)的IO应用，Profinet IRT提供了高度的确定性，并且可以提供1ms以下、直至31.25μs的循环时间。

Profinet IRT使用抖动(也就是在数字信号传输时的时间时钟震颤)小于1μs的时间同步，具有时间规划(time-scheduled，类似于TDMA，时分多址)的传输和所谓的“直通”交换，即，交换站在前一交换站已完全接收到待传输的数据帧之前就转发了该数据帧。如已经说明的那样，这两种传输方法需要适于应用在工业以太网中的具体硬件。

IRT的原理是保护IRT数据传输(IRT数据的传输)不受其他数据传输(RT和其他非RT数据)的干扰。这通过使用专用时间窗口(用于Profinet IRT的“红色阶段(Red Phase)”、“绿色阶段(Green Phase)”和“黄色阶段(Yellow Phase)”的预留带宽)并通过使用上述的直通交换来最小化网桥(交换点)处的IRT数据帧的延迟。

在此严格地将“红色阶段”预留用于PROFINET RT Class 3，它具有最高优先级，即在此期间不能传输其他数据包。

为了满足这些要求，需要使用离线工程工具来计算在源处每个IRT数据帧的传输时间(也称为“Injection Time，注入时间”)以及每个网桥上的IRT时间规划(Schedule，调度)。为了确保所有IRT帧在每个阶段都通过直通交换转发而不会互相干扰，IRT调度工具必须规划最大的同步误差并计算出在两个任意的数据帧之间的足够大的时隙作为相应注入时间(Injection Time)的安全缓冲区，这两个任意的数据帧通过两个不同数据源生成/发送并且它们将沿着传输路径连续地由交换点(网桥)的同一输出端口(出口端口)转发。转发的过程本身在很大程度上取决于基础硬件的实现方式。时间规划/时间表考虑到了所有硬件的影响，因此仅适用于已知拓扑，并且规划中已考虑了硬件设备。这种冲突将导致数据丢失，因为直通交换通常不提供缓存/排队，并且丢弃数据帧。

以下还会谈到系统设计。这意味着，无论底层拓扑如何，人们都必须能够保证在网络中传输已知数量的数据帧，即没有数据丢失并且在保证的传输时间内。对此，在网络中的最大跳数和RT帧的最大拍头长度已知(在TSN中也称为流)以及在交换点处的延迟已知(延迟时间)的情况下，确定了可以保证在网络中传输而没有数据丢失的RT数据帧的最大数量。

以太网协议在不断发展。IEEE的AVB(Audio Video Bridging，音频视频桥接)工作组定义了许多功能，可在最大延迟时间内可靠地传输音频和视频数据。

正在引入一种称为“预留流量”的新型数据流量。周期性出现的音频和视频数据将以所谓的“流”传输。网络配置信息通过流预留协议(SRP，IEEE 802.1Qat)对用户隐藏。它提供了一种与资源预留结合而实现的访问控制机制，因此可以保证这种周期性出现的数据流量(流)的端到端的延迟时间。

此外，TSN引入了TAS(时间感知整形，IEEE 802.1QBR)机制作为一种新的转发行为，以实现尽可能低的延迟。

转发通过类似于IRT的时间规划/规划来实现，并允许开发每个数据帧具有最低延迟的实时系统。

总而言之，几乎所有实时工业系统制造商当前都使用专门为此目的设计的硬件来获得高性能系统。然而，这些系统在改变应用场景方面具有较低的灵活性。可选地，使用标准化的硬件，其对于更灵活的应用程序来说，性能较差。

如上所述，PROFINET为具有不同实时要求的Profinet 10应用定义了RT(Real-Time，实时)和IRT(Isochromos Real-Time，等时实时)。

Profinet RT在标准化硬件上执行，并且不依赖于时间同步机制。它几乎不需要任何前期工程成本。由于该概念以数据包的优先级为基础，因此它仅提供有限的实时功能。

Profinet IRT需要特殊的硬件才能根据离线前的工程和规划提供高度的确定性。调度概念不太灵活，出于稳定性原因，其必须提供安全缓冲区。

AVB引入了高度灵活的系统，该系统为终端站提供了简单的协议，以满足工业应用对灵活性的需求。AVB网络的性能足以满足音频和视频应用程序的需求，但是AVB系统的性能不足以满足工业应用程序的延迟要求。

TSN是一个高度确定性的系统，它提供了一种在交换点/网桥中配置基于时间的传输的机制。该系统为提供者、基于TDMA的系统对于除了IEEE标准化活动之外的这些系统所需的配置提供了计算方法和调度方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于工业数据网络中的具有至少部分实时要求的高性能数据传输的改进的方法和装置，其可以通过用于通信网络的标准以太网交换元件来实现。

该目的通过根据本发明的用于交换实时数据的方法来实现。

本发明的方法用于优先高性能地在由交换节点构成的工业网络中由数据发送器向数据接收器分别从第一交换节点向第二交换节点传输数据包集，其中为了传输数据包集分别专门预留传输带宽的时间窗口，并且在网络中的所有进行传输的交换节点处，传输时间窗口的开始是时间同步的。

该目的还通过根据本发明的装置来实现。

该装置，特别是交换节点是合适的，并且用于在从数据发送器到数据接收器的途中数据包集分别由交换节点通过输入端口优选高性能地接收并通过输出端口传输到第二交换节点，其中，分别专门预留传输带宽的时间窗口并且在网络中的所有进行传输的交换节点处，传输时间窗口的开始是时间同步的。

所提出的方法和装置描述了用于工业控制和监控应用的实时网络规划，其中，特别是基于根据IEEE 802.1TSN任务组的新机制，将标准以太网交换元件用于通信网络。该流程规划将时间交换数据传输与流预留概念结合在一起，并且在保证运行时的最大延迟时间和访问监控的同时提供确定性。

可以通过以下四个步骤确定上述系统设计：

-假定使用最坏情况的拓扑(例如，总线系统在发送器与接收器之间具有最大距离)，

-确定循环的TAS窗口长度，例如50％的时间用于规划的实时传输，50％用于其他数据流量，

-剩余的突发长度是由窗口长度减去延迟分量的差得出的，

-以这种方式获得的突发长度给出了在这段时间内可能传输的RT帧的数量。

只要满足假定的边界条件，就可以在网络中的任何点添加和删除带有RT数据帧的参与者，而不会危及保证的传输。由预留协议检查边界条件(即，最大数据包长度和RT数据帧的最大数量)，并在必要时拒绝其他注册。

该措施引入了一种新的资源预留机制，并通过使用所谓的“菊花链”拓扑(即，交换节点像“链”一样在总线或环形拓扑中排开，参见图1或2)简化了工业以太网上数据包的交换，其在工业控制系统中得到广泛推广。

在其他拓扑中，必须限制最大站点数，只要最大“跳数”(即从发送器到接收器的站点数)能够根据实际使用的拓扑进行限定，那么理论上也可以使用星形拓扑和网状网络(即完全联网的拓扑)。这样的传输网络可以由交换点/网桥和终端站构成，其中，网桥彼此如所述的那样通过中继端口相互连接成传输网络。

交换点、网桥通过所谓的“边缘端口”与终端站(所生成数据的源和宿)连接。示意性的构造在图1中示出。

所描述的方案与拓扑无关，并且与纯TDMA(或类似的)系统相比，所需的配置信息更少。该配置以用于常规预留机制/流预留的特殊模型为基础，用于在预配置的RT阶段进行RT实时数据传输。

数据平面

作为在网络中实现保证的延迟的第一措施，规划的数据流量类似地以IEEE802.1Qbv-2016标准化的方式传输。与具有红色和绿色阶段的Profinet IRT一样，循环时间分为两个阶段。从受保护的时间窗口开始，该时间窗口被专门预留用于实时数据的传输(RT阶段)。分别跟随有用于其他数据传输的不受保护的窗口。

与在Profinet IRT的情况中、即黄色阶段需要明确的配置不同，根据IEEE标准规划的数据传输则提供了在门操作中的隐含的“保护带”功能。为了将所有交换点/网桥的规划的时间阶段协调到共同的开始和结束时间(这是时间规划的数据传输的基础)，基于例如IEEE 802.1AS-2011或其他时间同步协议(例如IEEE 1588)，所有网元(网桥和终端站)必须是时间同步的便是一个前提。

终端站必须在每个周期开始时通过所谓的“边缘”输入端口将循环的实时数据流馈送到网络中，并将所有待传输的数据帧作为突发流量传输。在每个具有实时能力的网桥中，将接收到的实时数据包进行缓冲，并缓冲到属于受保护的传输窗口的正确输出队列中，并且然后以存储转发模式进行传输。

配置

与PROFINET IRT需要完全离线并预先规划/设计不同，这种设计采用了一种如下的配置模型，该模型结合了两种措施，即离线配置和运行时访问控制。与其他基于时间的实时解决方案(如PROFINET IRT)相比，该方法的优点是工程量小，并提供对实时的数据流的动态配置的支持。

必须预先离线完成的主要配置任务主要是在传送类(QoS，服务质量)领域，包括传送类参数和已规划的数据传输的建立。

必须将网络范围内、一致的优先级值定义为QoS标识符，并由所有实时流使用。将该优先级值在每个单独网桥上传输到传送类(用于实时传输的传出队列)上，属于网桥本地配置。为了拟定用于时间计时(zeitgetakte)的数据传输的循环调度，必须使用IEEE802.1Qbr中指定的管理对象在每个网桥的每个端口门上配置一个控制列表。网络中的所有网桥必须按相同的时间规划工作。

为了在运行时在流层面上实现自动网络配置，可以在一个有利的实施例中使用流预留协议(SRP)，IEEE 802.1Q 2014的准则。它被开发为AVB系统的即插即用流配置机制。

基本原理在于，在网络上应用该协议以执行访问控制、延迟控制、带宽和资源预留，包括用于必须在网络上传输的每个数据流。

最坏情况延迟

流预留机制的一个基本方面是能够计算最坏情况的延迟时间，这取决于该设计中的最大帧大小和最大跳数。该计算以终端站在RT阶段开始时对RT数据帧的同步馈送以及已知的最大网络直径为基础，该直径定义了网络中单个帧的最坏情况延迟。这能够简化网络内的资源规划。

RT帧是在为实时数据传输预留的时间规划的传输窗口中在网络上发送的，这应当防止了其他数据流量影响传输。之前已知的馈入时间提供了简化的可能性，所有网桥都配置有相同的起点和相同的时间传输窗口大小。进一步的简化以先前已知的实时传输的最大PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元，数据帧)大小为基础，RT类的最大大小的引入简化了最坏情况延迟的计算，并得到了用于SRP(流预留协议)的新的简化模型。

如果当前周期的所有实时流在当前传输周期的估计传输窗口期满之前结束其数据传输，则可以达到保证的最大延迟，这样便得到了相对应的最大延迟时间(处理时长，也称为工业控制设备之间的通信的“Make Span，完成时间”)。

计算最坏情况延迟背后的这种原理与流预留中用于AVB系统的构思相似，该系统具有用于在每个子网络路径上进行转发的CBSA(基于信用的整形器)，其中，在该措施中计算在子网络路径上的延迟，而不是计算端到端的延迟。因此，与AVB网络相比，所描述的系统实现了较低的延迟。AVB网络可以解释为单个AVB桥，并且可以使用流预留的预留方案。

所描述的系统将简化的调度构思与动态流预留和访问控制相结合。优点在于减少了工程成本，并支持实时流的动态配置。新方案不取决于拓扑，并且只需要对于时间调度的很少量的提前计算，从而简化了配置信息。时间表的配置取决于网络中的最大跳数和传输周期，并且对于每个单独的网桥都是相同的。

在设计和配置阶段，所有网桥都得到对规划的数据流量的相同配置。

所有终端站都在传输阶段开始时以突发方式发送其数据，因此不同终端站之间无需进行帧粒度(framegranular)协调。

对于每个调度窗口，只需考虑一次时间同步抖动和馈送机制的影响。

因此，在具有更高链路速度的网络中，所描述的系统的性能能够比在PN-IRT中更好。

配置的成本降至最低，并允许动态添加终端站和通信关系。

所描述的系统可用于构建强大的传输网络，该传输网络利用现有TSN机制实现了高性能，其中，该传输网络使用了简单的网络配置并避免出现过载情况，还保证了网络的确定性性能。

附图说明

为了说明起见，还附加了附图，其中示出：

图3示出了在受保护的窗口中流的传输；

图4示出了具有在数据包之间的附加传输间隙的流的传输；

图5示出了数据传输802.1中的交换延迟；

图6示出了具有存储延迟的数据传输中的交换延迟；

图7具有顺序交换的数据传输中的交换延迟；

图8具有并联交换的数据传输中的交换延迟；以及

图9示出了具有环形拓扑和最大跳数<＝4的实例。

具体实施方式

图3和图4示出了数据帧F1，F2，...，Fm在其站上从发送器1...m到接收器L(也称为监听器)的示例性传输。传输是通过网络中的几个跳转B0，B1，...Bn进行的，并且分别跟随有轻微的延迟(转发延迟D1，D2，...Dn)。在传输期间，也可能出现两个数据帧之间的另外的时隙G1，G2，这也算在了数据流的总传输时间MS中。在此，总传输时间MS小于为数据流的传输预留的传输时间窗口RW。可以看到在第一交换点B0处的数据包的第一次馈送与最后一个网桥Bn处的数据包的第一次馈送之间存在时间延迟，也称为转发延迟FDxn。

总传输时间MS由该转发延迟FDxn+突发长度BL组成。

图3示出了以存储转发方法转发包的实施例，也就是说，单个帧首先进行完全传输并且在完全接收之后才转发到下一个站。作为替代，在图4中示出了一种直通方法，其中，在数据包被完全发送之前数据包的转发就已经开始了，在此转发延迟D1，...，Dn明显较小。为了实现无冲突的传输，在各个帧之间设置了帧间间隙G11，...，Gn2。因此，由于存在间隙，突发长度BL可能更大，但因此转发延迟比第一实例中的小。通过系统设计(具有线路和捆绑的传输的拓扑)，可以在大体上确定最大可能的流数，请参见图4。

在该运行中，图9，在新的预留中，根据来自系统设计的“最大突发长度”来检查这是否仍被允许。在所示示例中，最大跳数为4。实际网络可以具有更少的跳数和不同的拓扑。发射器和接收器可以连接到网络中的任何位置。通过系统设计保证了，即使在具有侦听器和发话器(作为帧处的捆绑)的最坏情况布置的最坏情况拓扑中，也可以始终通过网络传输最大数量的流(请参阅“最大突发长度”)。也可以稍后注册更多流。在所示实例中，始终有6个流，因此就不需要根据当前网络拓扑和该流使用的路径再进行检查。在运行期间，将检查仍然可用的资源，并已在网络设计期间在考虑最坏情况的拓扑的情况下确定了该值。

现在，图5至图8示出了各种实施例，其发生在交换点Bx内，一方面在输入端口Rx(突发输入)处并且在输出端口Tx(突发输出)处。每个数据帧F1，F2由数据头PRE(也被称为报头或前同步码)和数据部分MPDU 1，MPDU_2组成。例如，数据包之间有一个间隙IFG，也称为帧间间隙。图5示出了一个实例，其中，当接收到数据时，完全地接收第一帧F1，然而在第二帧F2的接收期间就已经开始了至少从第一帧F1’通过输入端口进行的数据突发的相应转发。

因此，交换延迟时间小于(IFG+PRE+MPDU)之和*比特时间。交换延迟只是传输间隙IFG中的时间。数据包MPDU_1和MPDU_2被连续传输。

图6示出了一个实例，其中，交换延迟时间完全等于(IFG+PRE+MPDU)之和*比特时间。在此，每个单独的数据包的传输被近似分开地缓冲。

当网桥不够强大并因此在传输中产生这些间隙时，则产生了图6所示的传输间隙，也就是说，它不能传输不间断的帧。在传输期间出现这种情况，是不希望的，并且必须在系统设计中予以考虑。

在图7所示的情况下，交换延迟时间大于(IFG+PRE+MPDU)之和*比特时间。在这里，在输出端口中有一个传输间隙。在这种情况下，它被顺序交换，也就是说，首先处理第一个数据帧MPDU_1，然后处理第二个，依此类推。类似地，图8中示出了并行交换的情况，虚线区域表示在完成从第一个数据包的交换之前，已经开始了第二个数据包的交换。

Claims (16)

1.一种用于在工业网络(NB、NR)中优先、高性能、规则地传输数据包(F1，F2，...，Fm)集的方法，所述工业网络由交换节点(B0，B1，B2，B3)构成，其中，

在从数据发送器(1，...，m)到数据接收器(L)的路径上，所述数据包(F1，F2，...，Fm)集分别从第一交换节点传输到第二交换节点，并且

为所述数据包(F1，F2，...，Fm)集从所述第一交换节点到所述第二交换节点的传输分别专门预留传输带宽的时间窗口(RW)，并且

在网络(NB、NR)中的所有进行传输的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)处，传输时间窗口(RW)的开始是时间同步的，在开始传输之前，所述工业网络(NB、NR)的系统设计必须是已知的和规划好的，其中，在考虑到由网络拓扑产生的待遍历的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)的数量的情况下，实现所述传输时间窗口的预留，从而与所述网络拓扑无关地始终确保在所述传输时间窗口内的最大传输数量，所述数据包的总传输时间小于为数据流的传输预留的所述传输时间窗口。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待传输的数据包(F1，F2，...，Fm)集具有标志。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据标准TSN IEEE 802.1 AS-2011在所述网络中执行对所述传输时间窗口(RW)的时间同步。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据标准Profinet IRT IEEE 802.1Qbv执行所述传输时间窗口(RW)的预留。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了在所述交换节点(B0，B1，B2，B3)中的一个交换节点中传输所述数据包(F1，F2，...，Fm)集，使用存储和转发方法，其中，第一待传输数据包在被进一步发送到后续的所述交换节点之前由该一个交换节点完全接收。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了在所述交换节点(B0，B1，B2，B3)中的一个交换节点中传输所述数据包(F1，F2，...，Fm)集，使用直通方法，其中，第一待传输数据包在被进一步发送到后续的所述交换节点之前尚未被该一个交换节点完全接收。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述数据包(F1，F2，...，Fm)集中，为了传输而在所述数据包之间为了避免冲突而规划出至少一个传输间隙。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述数据包(F1，F2，...，Fm)的传输适合于实时应用。

9.一种交换节点(B0，B1，B2，B3)，用于在由交换节点(B0，B1，B2，B3)构成的工业网络(NB、NR)中优先、高性能地传输数据包(F1，F2，...，Fm)集，其中，

在从数据发送器(1，...，m)到数据接收器(L)的路径中，所述数据包(F1，F2，...，Fm)集分别由交换节点(B0，B1，B2，B3)通过输入端口(Rx)接收并通过输出端口(Tx)传输到第二交换节点，并且

为所述数据包(F1，F2，...，Fm)集从第一交换节点到所述第二交换节点的传输，分别专门预留有传输带宽的时间窗口(RW)，并且

在所述网络(NB、NR)中的所有进行传输的交换节点(B0，B1，B2，B3)处，传输时间窗口(RW)的开始是时间同步的，在开始传输之前，所述工业网络(NB、NR)的系统设计必须是已知的和规划好的，其中，在考虑到由网络拓扑产生的待遍历的所述交换节点(B0，B1，B2，B3)的数量的情况下，实现所述传输时间窗口的预留，从而与所述网络拓扑无关地始终确保在所述传输时间窗口内的最大传输数量，所述数据包的总传输时间小于为数据流的传输预留的所述传输时间窗口。

10.根据权利要求9所述的交换节点(B0，B1，B2，B3)，其特征在于，待传输的所述数据包(F1，F2，...，Fm)集具有标志。

11.根据权利要求9或10所述的交换节点(B0，B1，B2，B3)，其特征在于，根据标准TSNIEEE 802.1 AS-2011在所述网络中执行对所述传输时间窗口(RW)的时间同步。

12.根据权利要求9或10所述的交换节点(B0，B1，B2，B3)，其特征在于，根据标准Profinet IRT IEEE 802.1 Qbv执行所述传输时间窗口(RW)的预留。

13.根据权利要求9或10所述的交换节点(B0，B1，B2，B3)，其特征在于，为了在一个交换节点中传输所述数据包(F1，F2，...，Fm)集，使用存储和转发方法，其中，第一待传输数据包在通过所述输出端口(Tx)被进一步发送到后续的所述交换节点之前通过所述输入端口(Rx)由该一个交换节点完全接收。

14.根据权利要求9或10所述的交换节点(B0，B1，B2，B3)，其特征在于，为了在一个交换节点中传输所述数据包(F1，F2，...，Fm)集，使用直通方法，其中，第一待传输数据包在通过所述输出端口(Tx)进一步发送到后续的所述交换节点之前通过所述输入端口(Rx)尚未由该一个交换节点完全接收。

15.根据权利要求9或10所述的交换节点(B0，B1，B2，B3)，其特征在于，在所述数据包(F1，F2，...，Fm)集中，为了传输而在所述数据包之间规划出至少一个传输间隙。

16.根据权利要求9或10所述的交换节点(B0，B1，B2，B3)，其特征在于，所述数据包(F1，F2，...，Fm)的传输适合于实时应用。

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