CN111226420B - 使用第一循环以太网协议和第二循环以太网协议的高效调度电信方案 - Google Patents

使用第一循环以太网协议和第二循环以太网协议的高效调度电信方案 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在通信实体之间通过跳发送数据的方法。该通信实体包括：‑一个主实体(M)，被配置用于至少根据第一协议来通信，以及‑多个从实体，包括：‑第一组的从实体，能够支持根据所述第一协议的通信并且无法支持根据第二协议的通信，以及‑第二组的从实体(NGS)，能够支持根据至少所述第二协议的通信。第一协议通过令牌传递来实现，其中通信数据从主实体依次到各个邻居从实体，直至令牌再次到达主实体，因此限定根据第一协议的第一循环。第二协议通过传递包括旨在给所述第二组的实体的数据的数据帧来实现，当接收到所述数据帧时，所述第二组的一个当前实体被配置为：‑通过从所述数据帧获取旨在给所述当前实体的数据和/或通过向所述数据帧中添加旨在给所述第二组的其它实体的数据来修改所述数据帧，并且‑将如此修改的数据帧依次发送给邻居实体，直至数据帧到达所述当前实体，因此限定根据所述第二协议的第二循环。

Description

使用第一循环以太网协议和第二循环以太网协议的高效调度 电信方案
技术领域
本发明涉及使用优化的调度方案的数据交换。更具体地，本发明提出了一种当例如第二协议是第一协议的更新版本(或下一代)时，根据第一循环以太网协议和第二循环以太网协议二者对数据交换进行交织的方式。
背景技术
在介绍本发明的主要原理之前，以下使用例如标准IEEE 802.1Qbv中指定的调度方案来回顾一下常用循环以太网协议(如上定义的“第一”协议)的操作原理。
典型的常用循环以太网协议网络由单个控制站(主机)和多个从站(从机)组成。介质访问控制基于令牌传递方案。参照图1，主机M管理网络并通过向网络中的第一从站S1发送令牌来开始令牌传递序列。标号TOK指代从实体(slave entity)成为令牌持有者的情况(依次为S1、S3、S2，然后返回M)。接收令牌的从站S1执行其传输，然后将令牌传递到序列中的下一站S2，依此类推。
在最后的从站完成该处理之后(图1的返回箭头所指的标号S1)，它将令牌传递回主机M，并且再次开始整个序列。执行整个令牌传递序列所需的时间固定，构成一个循环(以下称为“链路扫描”LS)。
当然，该以太网协议使用标准以太网帧进行数据传送。如图2所示，通常定义三种类型的帧：
-传输控制帧，
-循环传输帧，以及
-瞬时传输帧。
常用协议通常包括三个通信阶段：
A.初始化阶段，主机使用其来建立令牌传递路由，即，从机持有令牌的序列，并且其间：
a.主机发现从机，
b.主机收集关于从机的信息，
c.主机分发令牌传递路由信息，
d.主机分发参数，
e.主机请求从机反映参数，
f.主机检查从机所反映的参数。
B.与实际数据交换阶段对应的刷新阶段，其间：
g.主机通过向所有从机广播数据来开始链路扫描并使令牌向特定从机寻址，
h.各个节点(从机)在接收到令牌之后发送状态帧，
i.然后发送循环帧，
j.然后发送非循环帧，
k.最后将令牌帧发送给下一令牌持有者。
C.返回阶段，其中检测新节点并包括在令牌传递方案中。返回阶段的开始由主机决定。
实际的处理数据交换发生在刷新阶段期间。如图3所示，各个节点的循环传输的大小在运行时固定。每节点的非循环帧的体积在运行时也固定。参照图3，在接收到令牌之后，从装置首先发送其状态帧，然后是一个或更多个循环传输帧，可选地然后是非循环帧(用于所谓的“瞬时通信”)。可限制每节点和循环的非循环帧的数量，以避免循环时间违反。最后，节点将令牌帧发送给下一令牌持有者。
广播所有帧：具有两个端口的节点向两个端口发送所有帧，并且类似集线器一样使用交换机(利用广播MAC地址)。
协议可区分不同的节点类型，其因最大处理数据大小以及诸如支持非循环通信的特征而不同。在这些当中有：
-“远程装置站”，其被限制为128比特的循环I/O数据(加上寄存器数据)，并且不支持非循环通信中的客户端功能；
-“远程I/O站”，其被限制为64比特的循环I/O数据(没有寄存器数据)，并且根本不支持非循环通信。
那种类型的循环以太网协议可例如用作专用于现场通信，即，将可编程逻辑控制器(PLC)链接到执行动作的组件(例如，传感器、致动器、电动马达、控制台灯、开关、阀和接触器)的制造装配线的控制链底部的通信的工业通信协议。
该第一常用循环以太网协议的示例可以是IEC参考61158-4-23(数据链路层，类型23)。
通常使用标准IEEE 802.1Qbv中指定的调度方案的常用循环以太网协议的可能演进可能通向下一代协议，其中最终无需建立令牌路由。这种下一代协议的示例可以是SERCOS III，或EtherCAT。代替使以太网帧专用于在源和目的地之间交换的单个数据，那种类型的“第二循环以太网协议”可将多个数据级联在单个以太网帧中。通常，如果主机M有数据要发送给从机S1、S2和S3，则三个相应数据集在广播给从机S1、S2和S3的同一帧中传输。参照图4A，各个接收机(S1)然后从帧提取向该从机(S1)寻址的数据(M->S1)，并将较短的分组中继到其邻居(S2)。以对称方式，参照图4B，发送机(S2)在运行时将其数据插入(S2->M)到经过它的现有帧中，或者当需要时创建新的帧(在图4A和图4B的示例中，对于从实体S1，“头，S1->M，FCS”)。
沿一条线在两个方向上的数据交换仍按循环组织：在一个循环内，包含主机和从机之间交换的数据的帧，无论其方向如何，从线的一端发送到另一端。
在线拓扑中，上游和下游方向上的传输可同时进行。图4A和图4B实际分开示出在具有一个主机M和三个从机S1、S2、S3的线布置中的下游和上游操作二者。
此通信方案可比先前协议更高效地利用通信介质，并允许更短的循环(或等同的“链路扫描”)。
然而，通过预留专用于各个协议的时隙来复用第一协议和第二协议二者将使得第二协议的循环取决于第一协议的链路扫描LS持续时间，这然后对第二协议的控制回路性能施加了可能的限制。
本发明旨在改进这种情况。
发明内容
本发明为此提出了一种在通信实体之间通过跳来发送数据的方法，所述通信实体包括：
-一个主实体，其被配置用于根据第一循环以太网协议和根据第二循环以太网协议来通信，以及
-多个从实体，其包括：
-第一组从实体，其能够支持根据所述第一协议的通信，并且无法支持根据所述第二协议的通信，以及
-第二组从实体，其能够支持根据至少所述第二协议的通信。
第一协议通过令牌传递传输来实现，其中通信数据从主实体依次到各个邻居从实体，直至令牌再次到达主实体，因此限定根据第一协议的第一循环(与在下面作为示例详细描述的实施方式中的所谓的“链路扫描”对应)。更具体地，当接收到以太网数据帧时，第一组的一个当前实体被配置为：
-如果以太网数据帧是根据第一协议的，则处理所述数据帧并根据令牌传递传输来发送所处理的帧，
-或者如果以太网数据帧是根据第二协议的，则忽略数据帧的内容并将所述数据帧在其接收时简单地发送给下一邻居实体。
第二协议通过传递包括旨在给所述第二组的实体的数据的以太网数据帧(直接地，无令牌)来实现，当接收到所述以太网数据帧时，第二组的一个当前实体被配置为：
-通过从所述数据帧获取旨在给所述当前实体的数据和/或通过向所述数据帧中添加旨在给所述第二组的其它实体的数据来修改所述数据帧，并且
-将如此修改的数据帧依次发送给邻居实体，直至数据帧到达所述当前实体，因此限定根据所述第二协议的第二循环。
由于这些第一协议和第二协议是循环的，所以类似操作常用循环以太网协议的任何网络中一样，所有这些实体可串联或按菊花链连接。
更具体地，主实体被配置为支持根据第一协议和第二协议二者的通信，并且还被配置为：
-开始第一循环；
-开始第二循环，并在第二组中选择至少一个从实体以与主实体开始第二循环同时开始第二循环。
在实施方式中，所选的从实体距主实体最远。
例如，根据实体之间从所选的实体到达主机的跳数，所选的实体可被限定为距主实体最远。作为替代示例，可根据与主机的通信链路的衰落的测量来选择。
如上所述，所述第一组的实体被配置为忽略根据第二协议的数据帧的内容并将所述数据帧在其接收时简单地发送给下一邻居实体，并且在相同实施方式中或在替代实施方式中相反地，所述第二组的实体被配置为忽略根据第一协议的数据帧的内容并将所述数据帧在其接收时简单地发送给下一邻居实体。
因此，各个所述通信实体然后可包括至少两个通信端口，并且可被配置为更具体地管理：
-用于上游通信的一个端口，用于在朝着主实体的第一方向上从/向邻居实体接收/发送根据所述第一协议的令牌和/或根据所述第二协议的数据帧，以及
-用于下游通信的一个端口，用于在与所述第一方向相反的第二方向上从/向邻居实体接收/发送根据所述第一协议的令牌和/或根据所述第二协议的数据帧。
在实施方式中，
-在主实体开始新的第一循环的时刻，以及
-同时，在第二组的所选的从实体开始新的第二循环的时刻，
在时间上间隔开与第一循环和第二循环的最小公倍数对应的第三循环。
所有通信实体可被配置为应用例如“IEEE 802.1Qbv”型通信协议，上述第三循环因此与所述IEEE 802.1Qbv型协议的循环对应。
在实施方式中，各个所述通信实体可被配置为管理：
-用于根据所述第二协议的数据传输的第一业务类队列(当实体属于第二组时，获取传入数据并中继剩余数据，或者当实体属于第一组时，简单地中继数据)，
-用于根据所述第一协议的数据传输的第二业务类队列(当实体属于第一组时，获取传入数据并中继剩余数据，或者当实体属于第二组时，可能仅中继数据)，并且还
-当通信实体没有根据所述第一协议和第二协议的更多传输要执行时，用于要发送的数据的最大努力业务类队列。
可能有利(但非限制性)的应用是工业网络，其中所述通信实体可被配置为在工业网络中操作。
本发明还涉及一种包括多个通信实体的系统，其中属于所述第一组或所述第二组的各个实体包括用于执行根据本发明的方法的逻辑电路。
本发明还涉及该系统的通信实体，作为主实体，其包括用于根据所述第一协议和第二协议执行传输的逻辑电路。
本发明还涉及该系统的通信实体，其属于所述第一组，并且因此包括逻辑电路，该逻辑电路用于根据所述第一协议执行传输并且用于忽略根据第二协议的数据帧的内容并在接收到所述数据帧时将所述数据帧简单地发送给下一邻居实体。
本发明还涉及该系统的通信实体，其属于所述第二组，并且包括逻辑电路，该逻辑电路用于根据所述第二协议执行传输并且用于忽略根据第一协议的数据帧的内容并在接收到所述数据帧时将所述数据帧简单地发送给下一邻居实体。
本发明还涉及一种计算机程序，其包括用于在由处理器运行时执行根据本发明的方法的指令。该计算机程序的通用算法可由下面描述的图9的流程图示出。
本发明在附图中作为示例示出，而非限制，附图中相似的标号表示相似的元件。
附图说明
[图1]图1示意性地示出根据第一类型的循环以太网协议的通信原理。
[图2]图2示意性地示出图1的协议的帧类型。
[图3]图3示意性地示出根据图1的协议的通信时间线。
[图4A]图4A示意性地示出根据第二循环以太网协议的通信原理。
[图4B]图4B示意性地示出根据第二循环以太网协议的通信原理。
[图5]图5示意性地示出第一协议和第二协议二者复用的根据本发明的通信原理。
[图6]图6示意性地示出依据根据IEEE 802.1Qbv规范的协议的示例的具有调度器的双端口以太网交换机。
[图7]图7示意性地示出在本发明的上下文中802.1Qbv传输控制实现。
[图8]图8示意性地示出第一协议和第二协议二者混合的通信时间线。
[图9]图9示出根据本发明的可由通信实体执行的步骤。
[图10]图10示意性地示出根据本发明的实施方式的通信实体。
具体实施方式
本发明提出了一种复用方案，其避免了必须提供为根据经典循环以太网协议(上述“第一协议”)的通信预留，并且其间根据可能的下一代协议(上述“第二协议”)的通信将保持“沉默”的时隙。
作为图5所示的主要原理，根据第一协议和第二协议二者的通信被交织。更具体地，第二协议的循环被包括在根据第一协议的整个循环链路扫描LS中。
这里，主实体M可处理两个协议。可支持第二协议的从实体被称为NGS：即S2和S3，而实体S1和S4可仅支持第一协议。
主机M根据第一协议开始链路扫描，但发送下列二者：
-根据第一协议的帧，其包括令牌TOK，以及
-根据第二协议的帧。
由于在图5的示例中从实体S1无法支持新一代协议，所以它简单地忽略根据第二协议从主机M接收的帧，并将它发送给其邻居S2，邻居S2将利用该帧。然而，从实体S1在根据第一协议的帧中从主机M得到令牌TOK，并利用该帧的内容。
此外，当主实体M开始链路扫描LS时，
-距主机M最远(例如，根据它们之间的跳数或者与主机M的通信链路的衰落的测量)的，并且
-支持新一代协议(第二协议)的
从实体S3也开始根据第二协议的通信。
一般来说，不支持根据新一代协议的通信的从实体简单地忽略根据该新一代协议的帧并将它们传递给其邻居。然而，其它从实体NGS可在根据新一代协议的帧中获取旨在给它们的数据，如图5中从实体S2到实体S3的箭头所示。
图5的示例中所示的通信方案然后允许透明地保持第二协议循环较短，而第一协议链路扫描保持不变。
更具体地，以下假设参与混合的第一协议和第二协议网络的所有实体具有IEEE802.1Qbv能力。对于第一协议节点中的Qbv实现，线路中的各个节点可被视为具有一个上游端口U和一个下游端口D的双端口以太网交换机。各个端口的细节示出于图6。各个端口的发送侧Tx(“Rx”用于接收)通过基于802.1Qbv的传输选择方案来控制。图7详细示出具有三类业务C1、C2和C3的Qbv传输控制实现，其可分别用于映射第二协议、第一协议和最大努力传输。各个业务类被关联到由端口的门控制列表控制的Qbv传输门。门控制列表实现专用于经由端口传输各个业务类数据的时间间隔。
门控制列表的深度(时间)最终与Qbv循环持续时间对应。
在此实现方式中，经由端口既不发送C1(第二协议)业务也不发送C2(第一协议)业务的时间间隔用于给予C3业务(最大努力)传输机会。
为了进一步优化分配给C3业务的传输资源的使用，可根据IEEE 802.1Qbu/802.3br来实现C3业务的抢占和分段。
为C3类业务提供的时隙可包括任何类型的通信数据(TCP、UDP等)。
现在关于IEEE 802.1Qbv调度的组织，使用IEEE 802.1Qbv调度来建立两个协议类型的通信的交织，其可基于以下来计算：
·第二协议时间触发循环：在本说明书和图8中，称为“2PTG循环”，
·第一协议令牌传递循环：与上述链路扫描对应，以下和图8中称为“1PTP循环”。
在第一近似中，802.1Qbv循环可被定义为2PTG循环和1PTP循环的最小公倍数。
基于图5的通信混合示例，图8的时间线示出根据各个上游和下游端口中配置的门控制列表来复用三个业务类，从而获得图8的通信图案。
现在参照图9，在步骤ST1在当前从实体处接收到以太网帧时，在步骤ST2确定该以太网帧是(箭头“是”)否(箭头“否”)是根据第二协议的帧。在第一种情况下(“是”)，在步骤ST3中确定当前从实体是(箭头“是”)否(箭头“否”)支持第二协议。在第一种情况下(“是”)，当前从实体可在步骤ST4中处理帧，然后在步骤ST5中将所处理的帧发送给其下一邻居。否则(从测试ST3的箭头“否”)，当前从实体在步骤ST6中简单地将根据第二协议的帧没有任何修改地传送给其下一邻居。
如果所接收的以太网帧不是根据第二协议而是根据第一协议的帧(从步骤ST7的箭头“是”)，则当前从实体可在步骤ST8中处理该帧并在步骤ST9中根据令牌传递传输发送所处理的帧。
一旦根据第一和/或第二协议的帧被处理，就执行测试ST11以确定当前从实体是(箭头“是”)否(箭头“否”)空闲。在第一种情况下(“是”)，可在步骤ST12中处理最大努力业务类数据。否则(从测试ST11的箭头“否”)，如果已接收到根据第一或第二协议的新帧并且需要首先根据图7所示的传输调度控制来处理，则处理返回到步骤ST1。
本发明提供了一种提供当前循环以太网协议和未来循环以太网协议之间的性能高效的转变和/或共存的手段。
现在参照图10，通信实体(主机或从机)包括：
-两个端口，U用于上游通信并且D用于下游通信，二者用于传输Tx和接收Rx，连接到
-逻辑电路，该逻辑电路包括编程的ASIC或更一般地，与存储根据本发明的计算机程序的存储器MEM协作的任何处理器PROC。
因此，本发明可嵌入在这种计算机程序产品中(其算法上面参照图9进行了描述)，其包括允许实现本文所描述的方法的所有特征，并且当被载入信息处理系统(例如，一组通信实体)中时，使得信息处理系统实现本发明。本文中的计算机程序装置或计算机程序意指一组指令的任何语言、代码或记号的任何表达，其旨在直接或在转换为另一语言之后使得具有信息处理能力的系统执行特定功能。这种计算机程序可存储在计算机或机器可读介质上，允许从该介质读取数据、指令、消息或消息分组以及其它机器可读信息。计算机或机器可读介质可包括诸如ROM、闪存、盘驱动存储器、DVD或CD-ROM以及其它永久存储装置的非易失性存储器。另外，例如，计算机或机器可读介质可包括诸如RAM、缓冲器、高速缓存存储器和网络电路的易失性存储装置。此外，计算机或机器可读介质可包括诸如网络链路和/或网络接口(包括有线网络或无线网络)的瞬态介质中的计算机或机器可读信息，其允许装置读取这些计算机或机器可读信息。
尽管已示出和描述了目前所认为的本发明的优选实施方式，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的真实范围的情况下，可进行各种其它修改，并且可替换等同物。另外，在不脱离本文所描述的中心发明构思的情况下，可进行许多修改以使特定情况适应本发明的教导。此外，本发明的实施方式可不包括上述所有特征。因此，本发明旨在不限于所公开的特定实施方式，而是本发明包括落入下面广义地定义的本发明的范围内的所有实施方式。

Claims (14)

1.一种在通信实体之间通过跳发送数据的方法，所述通信实体包括：
-一个主实体，其被配置用于根据第一循环以太网协议和根据第二循环以太网协议来通信，以及
-多个从实体，所述多个从实体包括：
-第一组的从实体，其能够支持根据所述第一循环以太网协议的通信并且无法支持根据所述第二循环以太网协议的通信，以及
-第二组的从实体，其能够支持根据至少所述第二循环以太网协议的通信，
所述第一循环以太网协议通过令牌传递传输来实现，其中通信数据从主实体依次到各个邻居从实体，直至令牌再次到达主实体，因此限定根据所述第一循环以太网协议的第一循环，当接收到以太网数据帧时，所述第一组的一个当前实体被配置为：
-如果所述以太网数据帧是根据所述第一循环以太网协议的，则处理所述数据帧并根据令牌传递传输来发送所处理的帧，
-或者如果所述以太网数据帧是根据所述第二循环以太网协议的，则忽略数据帧的内容并在接收到所述数据帧时将所述数据帧简单地发送到下一邻居实体，
所述第二循环以太网协议通过传递包括旨在给所述第二组的实体的数据的以太网数据帧来实现，当接收到所述以太网数据帧时，所述第二组的一个当前实体被配置为：
-通过从所述数据帧获取旨在给所述当前实体的数据和/或通过向所述数据帧中添加旨在给所述第二组的其它实体的数据来修改所述数据帧，并且
-将如此修改的数据帧依次发送给邻居实体，直至数据帧到达所述当前实体，因此限定根据所述第二循环以太网协议的第二循环，
其中，所述主实体被配置为支持根据第一循环以太网协议和第二循环以太网协议二者的通信，并且还被配置为：
-开始第一循环；
-开始第二循环，并且在第二组中选择至少一个从实体以与主实体开始第二循环同时开始第二循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所选的从实体距主实体最远。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二组的实体被配置为忽略根据第一循环以太网协议的数据帧的内容并在接收到所述数据帧时将所述数据帧简单地发送给下一邻居实体。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二组的实体被配置为忽略根据第一循环以太网协议的数据帧的内容并在接收到所述数据帧时将所述数据帧简单地发送给下一邻居实体。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，
-在主实体开始新的第一循环的时刻，以及
-同时，在第二组的所选的从实体开始新的第二循环的时刻，
在时间上间隔开与第一循环和第二循环的最小公倍数对应的第三循环。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所有通信实体被配置为应用“IEEE802.1Qbv”型通信协议，所述第三循环与所述IEEE 802.1Qbv型协议的循环对应。
7.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，包括至少两个通信端口的各个所述通信实体被配置为管理：
-用于上游通信的一个端口，用于在朝着主实体的第一方向上从/向邻居实体接收/发送根据所述第一循环以太网协议的令牌和/或根据所述第二循环以太网协议的数据帧，以及
-用于下游通信的一个端口，用于在与所述第一方向相反的第二方向上从/向邻居实体接收/发送根据所述第一循环以太网协议的令牌和/或根据所述第二循环以太网协议的数据帧。
8.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，各个所述通信实体被配置为管理：
-用于根据所述第二循环以太网协议的数据传输的第一业务类队列(C1)，
-用于根据所述第一循环以太网协议的数据传输的第二业务类队列(C2)，以及
-当通信实体没有根据所述第一循环以太网协议和所述第二循环以太网协议的更多传输要执行时用于要发送的数据的最大努力业务类队列。
9.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述通信实体被配置为在工业网络中操作。
10.一种包括多个通信实体的系统，其中，属于所述第一组或所述第二组的各个实体包括用于执行根据权利要求1-9中的任一项所述的方法的逻辑电路。
11.一种通信实体，该通信实体是根据权利要求10所述的系统的通信实体，
作为主实体，该通信实体包括用于根据所述第一循环以太网协议和所述第二循环以太网协议执行传输的逻辑电路。
12.一种通信实体，该通信实体是根据权利要求10所述的系统的通信实体，
该通信实体属于所述第一组，并且包括逻辑电路，该逻辑电路用于根据所述第一循环以太网协议执行传输，并且用于忽略根据第二循环以太网协议的数据帧的内容并在接收到所述数据帧时将所述数据帧简单地发送给下一邻居实体。
13.一种通信实体，该通信实体是根据权利要求10所述的系统的通信实体，
该通信实体属于所述第二组，并且包括逻辑电路，该逻辑电路用于根据所述第二循环以太网协议执行传输，并且用于忽略根据第一循环以太网协议的数据帧的内容并在接收到所述数据帧时将所述数据帧简单地发送给下一邻居实体。
14.一种计算机可读的存储介质，所述存储介质存储有包括指令的计算机程序，当该计算机程序由处理器执行时，所述指令使得该处理器执行根据权利要求1-9中的任一项所述的方法。
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