CN111682994B - 基于epa协议的环形或线形网络系统和非实时数据的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于EPA协议的环形或线形网络系统和非实时数据的传输方法，包括多个EPA设备，EPA设备在接收到非实时阶段的数据包后，选择数据包的处理模式确定有效数据包，解析出有效数据包中的优先级字段信息，并将优先级字段信息中的网内滞留时间与其最大允许值相比较；EPA设备在数据包经过环形网络或者线形网络内的滞留时间大于其最大允许值时，自动提高有效数据包的发送优先级；在数据包经过环形以太网或者线形以太网内的滞留时间小于其最大允许值时，将有效数据包的发送优先级与其内部发送缓冲区的数据包进行优先级比较和动态重排，使各有效数据包根据优先级顺序发送缓存。本发明有效提升EPA在环形或线形网络结构下高效、可靠的传输非实时数据。

Description

基于EPA协议的环形或线形网络系统和非实时数据的传输 方法

技术领域

本发明涉及EPA通信技术，具体涉及基于EPA协议的环形或线形网络系统和非实时数据的传输方法。

背景技术

EPA实时工业以太网技术是一项国内全自主可控的工业以太网传输技术，该技术的核心是在数据链路层之上增加EPA通信调度实体，通过EPA分时调度机制解决工业以太网的实时和非实时数据传输问题。

现有公开的相关技术中，包括以下专利涉及到非实时数据传输。

公开号为CN106685735A的EPA片上系统、EPA通信系统及通信方法，提到了“EPA数据通信在以往的周期和非周期通信基础上增加第三个非实时阶段，使得片上系统除了可以支持上位机组态软件进行组态配置，也可以支持普通以太网报文收发进行组态配置”、“非RTE数据传输阶段(非RTE通信阶段)，EPA除了支持具有EPA格式的报文以外，同时支持普通以太网报文，在非RTE通信阶段时间里，各设备可以发送普通以太网的非实时数据，不受EPA调度机制的限制，这使得EPA能更好的将确定性调度和普通以太网进行结合，实现混合通信”。该专利针对交换机构成的星形以太网拓扑结构，在环形、线形网络传输中，网络数据传输是依次按照连接顺序进行点对点传输，该专利没有说明在环形、线形以太网传输过程中非实时数据的具体传输机制。

公开号为CN102014057A的基于EPA协议的支持实时和非实时应用的工业以太网通信方法，提到了“在通信宏周期中预先设置的实时阶段时间片内发送实时数据，除实时数据时间片以外发送非实时数据”、“EPA现场设备与监控级设备通过EPA工业以太网交换机连接”、“EPA现场设备与监控级设备之间的非实时通信由EPA工业以太网交換机提供TCP/I P标准通用服务”、“EPA工业以太网交换机将直接转发实时报文到目的端，缓存各端口接收到的非实时报文，之后按照报文优先级高低和报文端设备的I P地址大小将报文进行排序。”、“在非实时数据传输阶段，EPA工业以太网交换机将非实时报文按序转发到各个目的端口，同时将从各端口接收到的非实时报文并按照报文中发送端设备的I P地址大小插入到已经排序好的非实时报文队列中。”该专利建立在通过EPA专用交换机构建的 EPA星形网络中，对于EPA设备不通过交换机而构成的线形、环形网络所产生的非实时数据报文处理方法并不明确；其优先级设置只能静态设置而不能根据数据滞留延迟情况进行动态调整。在非实时时间片中，EPA设备仍然采用网络资源独占的方式进行数据传输，即在同一时刻只有一个EPA设备发送报文，这将造成网络资源的极大浪费，严重影响网络传输效率。该专利中未提及非实时数据优先级相同时的处理方法。

发明内容

本申请提供了基于EPA协议的环形或线形网络系统和非实时数据的传输方法和非实时数据的传输方法，用于解决现有技术中环线或线形以太网中的传输过程中非实时数据传输方法不明确，由于网络资源独占造成网络资源浪费，影响网络传输效率的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种基于EPA协议的环形或线形网络系统，包括多个EPA设备，各多个所述EPA设备首尾相接构成线形以太网，所述线形以太网两端的EPA设备首尾相接构成环形以太网；

所述EPA设备在被配置为源节点时，获取非实时阶段的数据包，后将数据包双向并行传输给目标节点；或者，在被配置为目标节点时，从两个方向先后接收所述源节点发送的所述数据包；

所述EPA设备在接收到非实时阶段的数据包后，根据网络参数配置，选择数据包的处理模式，确定有效数据包，解析出有效数据包中的优先级字段信息，并将所述优先级字段信息中的网内滞留时间与其最大允许值相比较；

所述EPA设备在所述数据包经过环形网络或者线形网络内的滞留时间大于其最大允许值时，自动提高有效数据包的发送优先级；在所述数据包经过环形以太网或者线形以太网内的滞留时间小于其最大允许值时，将所述有效数据包的发送优先级与其内部发送缓冲区的数据包进行优先级比较和动态重排，使各所述有效数据包根据优先级顺序发送缓存。

根据本发明的一个实施例，所述数据包的处理模式包括：速度优先模式、可靠性优先模式，

所述速度优先模式为所述EPA设备保留在先接收的数据包，放弃在后接收的数据包；

所述可靠性优先模式为所述EPA设备将先后接收到两个数据包进行对比，如果不一致，则放弃两个数据包，请求源节点重新发送数据包。

根据本发明的一个实施例，所述非实时阶段的数据包预设有优先级设置字段，并通过在所述源节点预设所述数据包在发送前的数据优先级初始值。

根据本发明的一个实施例，所述EPA设备在所述有效数据包的发送优先级与其内部的发送缓冲区的数据包优先级相同时，根据到达节点的先后顺序依次发送缓存。

根据本发明的一个实施例，各所述EPA设备之间的数据包传输采用点对点双工传输。

根据本发明的一个实施例，所述EPA设备上包括两组端口，所述环形以太网或线形以太网中的各所述EPA设备之间通过所述两组端口首尾相接实现双向并行的数据传输。

根据本发明的一个实施例，所述EPA设备的每组端口包含两路或四路冗余网络接口。

为解决上述问题，本发明提出一种基于EPA协议的非实时数据的传输方法，采用如上述实施例提供的基于EPA协议的环形或线形网络系统，包括由多个EPA 设备构成的环形以太网或者线形以太网，其非实时数据的传输方法包括：

S1：根据各所述EPA设备的网络参数配置，选择对接收非实时阶段数据包的处理模式，确定有效数据包；

S2：各所述EPA设备接收并确定有效数据包后，解析所述有效数据包；

S3：各所述EPA设备根据解析出的数据包中的优先级字段信息，提取所述优先级字段信息中的网内滞留时间，并将其与预设的最大允许值比较；

S4：各所述EPA设备根据比较结果，自动提高有效数据包的发送优先级，或者，根据优先级动态重新排序，使各所述有效数据包根据优先级顺序发送缓存。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S1之前还包括：

在各所述EPA设备上预设确定有效数据包的处理模式，包括速度优先模式、可靠性优先模式；

其中，所述速度优先模式为所述EPA设备保留在先接收的数据包，放弃在后接收的数据包；所述可靠性优先模式为所述EPA设备将先后接收到两个数据包进行对比，如果不一致，则放弃两个数据包，请求源节点重新发送数据包。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S4进一步包括：

当所述数据包在环形以太网或者线形以太网内的滞留时间大于最大允许值时，自动提高有效数据包的发送优先级，并在到达目标节点前的每一个节点进行调整，直至有效数据包的网内滞留时间小于最大允许值后，将有效数据包的优先级恢复至初始优先级；

当所述数据包在环形以太网或者线形以太网内的滞留时间小于最大允许值时，有效数据包根据优先级与节点内发送缓冲区的数据包进行优先级重新比较、以及动态重排，确保每个有效数据包在每个EPA设备中都能按照各节点内的优先级顺序进行发送。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

1)本发明与现有EPA设备独占式传输方式不同，本发明中的各节点的EPA 设备之间采用点对点全双工传输，且全网EPA设备采用非独占式并行传输机制，在宏周期的非实时阶段里，所有EPA设备均同时双向传输数据，大幅提高了EPA 环形网络或线形网络中，非实时数据的传输效率与网络资源利用率；

2)本发明利用数据包网内滞留调整机制，确保数据包不会在环形、线形网络传输中长时间滞留，有效提高数据传输速率；

3)本发明利用双向并行传输以及优先级动态重排机制，确保非实时数据能够在环形、线形网络中按照优先级快速有效的传输。

附图说明

图1为本发明实施例的线形网络拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例的环形网络拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例的EPA宏周期时间片划分示意图；

图4为本发明实施例的基于EPA协议的非实时数据的传输方法流程图；

图5为本发明实施例中EPA节点双向并发机制流程图；

图6为本发明实施例中数据包网内滞留自动调整机制流程图；

图7为本发明实施例中的数据包优先级动态重排机制流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

实施例1

参考图1-2所示，本实施例提供了一种基于EPA协议的环形或线形网络系统，进一步地，本实施例提供的基于EPA协议的环形或线形网络系统中，包括应用于环形网络或线形网络的EPA设备。各EPA设备之间实现基于EPA协议的数据包传输。

在一种实施例中的EPA设备，用于存储数据包以及提供读写访问。本实施例中用于存储非实时数据包。EPA设备中包括发送缓冲区，用于读取或写入数据包。本实施例中的非实时阶段的数据包是根据EPA宏周期中的各个阶段说描述的，参考图3可知，本例中的EPA宏周期被划分为实时周期阶段、实时非周期阶段以及非实时阶段三个时间片，本实施例中的非实时数据包表示宏周期中非实时阶段的数据包，因此，本实施例主要描述的是非实时阶段的数据传输。

其中，非实时数据包可以是上位机下发的，也可以根据以太网解析获得的信息以及当前运行网络中的配置信息计算获取的。

本实施例中的EPA系统包括多个EPA设备，各EPA设备首尾相接构成线形以太网，进一步地，线形以太网两端的EPA设备首尾相接构成环形以太网。

在一环形以太网或者线形以太网中，

当EPA设备在被配置为源节点时，获取非实时阶段的数据包，后将数据包双向并行传输给目标节点；或者，在被配置为目标节点时，从两个方向先后接收源节点发送的数据包。

EPA设备在接收到非实时阶段的数据包后，根据网络参数配置，选择数据包的处理模式，确定有效数据包，解析出有效数据包中的优先级字段信息，将优先级字段信息中的网内滞留时间与其最大允许值相比较。

EPA设备在数据包经过环形网络或者线形网络内的滞留时间大于其最大允许值时，自动提高有效数据包的发送优先级；在数据包经过环形以太网或者线形以太网内的滞留时间小于其最大允许值时，将有效数据包的发送优先级与其内部发送缓冲区的数据包进行优先级比较，并根据优先级动态重排和动态重排，使各所述有效数据包根据优先级顺序发送缓存。

进一步地，EPA设备在有效数据包的发送优先级与其内部的发送缓冲区的数据包优先级相同时，根据到达节点的先后顺序依次发送缓存。

其中，数据包的处理模式包括但不限于：速度优先模式、可靠性优先模式。

速度优先模式为EPA设备保留在先接收的数据包，放弃在后接收的数据包；可靠性优先模式为EPA设备将先后接收到两个数据包进行对比，如果不一致，则放弃两个数据包，请求源节点重新发送数据包。

本实施例中的非实时阶段的数据包预设有优先级设置字段，并通过在源节点预设数据包在发送前的数据优先级初始值。

进一步地，每个非实时数据包预设有优先级设置字段，在数据包被发送前，通过作为源节点的EPA设备预设每个非实时数据包的全网数据优先级初始值，优先级字段信息中包括但不限于优先级、收发时间、数据包大小、转发次数、网内滞留时间等能够反映数据包时间、路径、大小相关的信息。

在实施例中，EPA设备上包括两组端口，环形以太网或者线形以太网中的各 EPA设备之间通过两组端口首尾相接实现双向并行的数据传输。当然，EPA设备上可以不止两组端口，至少两组端口实现双向并行的数据传输。为降低数据传输的复杂度，本实施例中的EPA设备之间采用点对点双工传输。

在一些实施例中，EPA设备的每组端口包含两路或四路冗余网络接口，例如， CAN，通过各网络接口接入网络，以实现本实施例中线形网络或环形网络的拓扑关系，从而传输数据包，实现EPA通信或以太网通信。

本实施例中EPA系统进行数据传输时：作为源节点的EPA设备将同样的一份数据包同时发送到第一和第二端口；作为目标节点的EPA设备接收数据包时：将数据包特殊处理，接收到的双份数据进行不同路径的线路延时计算，根据所选的接收的数据包的处理模式，选择相应的数据包作为有效数据包，并解析出优先级字段信息，并与其最大允许值相比较，根据比较结果，提高数据包的发送优先级，或者，与节点内发送缓冲区的数据包的优先级相比较，以进行动态重排，从而实现优先级高的数据包以接力加速的形式加速传输，优先级低的数据包根据优先级顺序发送缓存。

实施例2

参考附图4-7所示，本实施例提供了一种基于EPA协议的非实时数据的传输方法，采用如实施例1所描述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，该系统中包括由多个EPA设备构成的线形以太网或者环形以太网。

本实施例中的EPA线形以太网或EPA环形以太网中，EPA网络节点之间采用点对点全双工传输，而全网的各个EPA设备采用非独占式的并行传输机制，在宏周期的非实时阶段里，所有EPA设备作为源节点时，均同时双向并行传输非实时数据包，使得所有EPA设备作为目标节点时，可在两个方向先后收到相同非实时数据包。

基于此，本实施例提供的一种基于EPA协议的非实时数据的传输方法包括如下步骤。

步骤S1：根据各EPA设备的网络参数配置，选择对接收非实时数据包的处理模式，确定有效数据包。

在步骤S1之前还包括：

在各EPA设备上预设确定有效数据包的处理模式，包括速度优先模式、可靠性优先模式；其中，速度优先模式为EPA设备保留在先接收的数据包，放弃在后接收的数据包；可靠性优先模式为EPA设备将先后接收到两个数据包进行对比，如果不一致，则放弃两个数据包，请求源节点重新发送数据包。

进一步地，各EPA设备作为目标节点时，从两个方向先后收到相同非实时数据包，收到数据包，根据EPA设备预存的网络参数配置进行数据包处理，确定有效数据包。本实施例中的有效数据包的确定方式包括但不限于两种处理模式，本实施例中介绍两种确定有效数据包的包处理模式，一种模式是速度优先模式，在速度优先模式下，各目标节点保留在先收到的数据包，舍弃在后收到的数据包；一种模式是可靠性优先模式，在可靠性优先模式下，目标节点收到两个数据包后会进行对比，如果发现不一致，则丢弃此次收到的两个数据包，并启动重发机制请求源节点重发数据包。

参考附图5所示，EPA设备从两个方向先后接收到数据包，确定有效数据包的方法包括以下步骤。

接收数据包。

选择数据包处理模式，以便确定有效数据包后，发送缓存。

其中，选择速度优先模式时，判断是否为重复数据包，是则丢弃，否则确认有效数据包，后将有效数据包发送缓存。

选择可靠性优先模式时，判断是否为重复数据包，是则将重复数据包缓存，后将缓存中的两个数据包进行对比分析，判断是否一致，一致则确认有效数据包，后将有效数据包发送缓存，否则启动重发机制。不是重复数据包时，则将两次数据包进行对比，判断数据包是否一致；一致则确认有效数据包，后将数据包发送缓存，否则启动重发机制。

步骤S2：各EPA设备接收并确定有效数据包后，解析有效数据包。

本实施例中，针对具体的数据包解析处理方式不做限定，每个目标节点的 EPA设备在接收并确定为有效数据包后，解析有效数据包。

本实施例中，每个非实时数据包中预设优先级设置字段，在数据包发送前通过作为源节点的EPA设备预先设置每个非实时数据包的全网数据优先级初始值，优先级字段信息中包括但不限于优先级、收发时间、数据包大小、转发次数、网内滞留时间等能够反映数据包时间、路径、大小相关的信息。

每个节点接收并确定为有效数据包后，解析有效数据包时，进一步地，解析出优先级字段信息。

步骤S3：各EPA设备根据解析出的数据包中的优先级字段信息，提取优先级字段信息中的网内滞留时间，并将其与预设的最大允许值比较。

参考附图6所示，确定有效数据包，并解析出有效数据包后，提取优先级字段信息中的网内滞留时间，判断滞留时间是否超时，通过将提取的滞留时间与其预设的滞留时间的最大允许值进行比较。滞留时间超时时，提高数据包的发送优先级，后将数据送入发送缓存；滞留时间未超时时，恢复初始优先值，后将数据送入发送缓存。从而确保有效数据包不会在环形网络/线形网络传输中长时间滞留。

步骤S4：各所述EPA设备根据比较结果，自动提高有效数据包的发送优先级，或者，根据优先级动态重新排序，使各所述有效数据包根据优先级顺序发送缓存。

步骤S4进一步包括：

当所述数据包在环形以太网或者线形以太网内的滞留时间大于最大允许值时，自动提高有效数据包的发送优先级，并在到达目标节点前的每一个节点进行调整，直至有效数据包的网内滞留时间小于最大允许值后，将有效数据包的优先级恢复至初始优先级；

当所述数据包在环形以太网或者线形以太网内的滞留时间小于最大允许值时，效数据包根据优先级与节点内发送缓冲区的数据包进行优先级重新比较、以及动态重排，确保每个有效数据包在每个EPA设备中都能按照各节点内的优先级顺序进行发送缓存。

进一步地，步骤S4中，如果网内滞留时间大于最大允许值，即表明该数据包在网内滞留时间过长，此时会自动提高该数据包的发送优先级，每经过一个节点都会进行调整，直到该数据包网内滞留时间小于最大允许值并将该数据包优先级恢复到初始优先级。如果网内滞留时间小于最大允许值，则数据包会根据优先级与节点内部发送缓冲区的数据包进行优先级重新比较与动态的重排。确保每个数据包在每个EPA节点中都能按照自身优先级在该节点内的优先级顺序进行发送。因此优先级高的数据包会以接力加速的形式加速传输。优先级相同的数据包根据其到达该节点的先后顺序即收发时间进行依次发送。

参考图7所示，有效数据包的动态重排可以包括以下步骤：将有效数据包的发送优先级发送到EPA设备中的数据队列中，提取各个EPA设备中的所有有效数据包优先级，根据各个发送优先级重新排列，并发送顺序，将当前有效数据包送入发送队列中进行发送缓存。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，包括多个EPA设备，各所述EPA设备首尾相接构成线形以太网，所述线形以太网两端的EPA设备首尾相接构成环形以太网；

所述EPA设备在被配置为源节点时，获取非实时阶段的数据包，后将数据包双向并行传输给目标节点；或者，在被配置为目标节点时，从两个方向先后接收所述源节点发送的所述数据包；

所述EPA设备在接收到非实时阶段的数据包后，根据网络参数配置，选择数据包的处理模式，确定有效数据包，解析出有效数据包中的优先级字段信息，并将所述优先级字段信息中的网内滞留时间与其最大允许值相比较；

所述EPA设备在所述数据包经过环形网络或者线形网络内的滞留时间大于其最大允许值时，自动提高有效数据包的发送优先级；在所述数据包经过环形以太网或者线形以太网内的滞留时间小于其最大允许值时，将所述有效数据包的发送优先级与其内部发送缓冲区的数据包进行优先级比较和动态重排，使各所述有效数据包根据优先级顺序发送缓存。

2.如权利要求1所述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，所述数据包的处理模式包括：速度优先模式、可靠性优先模式；

所述速度优先模式为所述EPA设备保留在先接收的数据包，放弃在后接收的数据包；

所述可靠性优先模式为所述EPA设备将先后接收到两个数据包进行对比，如果不一致，则放弃两个数据包，请求源节点重新发送数据包。

3.如权利要求1所述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，所述非实时阶段的数据包预设有优先级设置字段，并通过在所述源节点预设所述数据包在发送前的数据优先级初始值。

4.如权利要求1所述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，所述EPA设备在所述有效数据包的发送优先级与其内部的发送缓冲区的数据包优先级相同时，根据到达节点的先后顺序依次发送缓存。

5.如权利要求1所述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，各所述EPA设备之间的数据包传输采用点对点双工传输。

6.如权利要求1所述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，所述EPA设备上包括两组端口，所述环形以太网或者线形以太网中的各所述EPA设备之间通过所述两组端口首尾相接实现双向并行的数据传输。

7.如权利要求6所述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，所述EPA设备的每组端口包含两路或四路冗余网络接口。

8.基于EPA协议的非实时数据的传输方法，采用如权利要求1-7任意一项所述的基于EPA协议的环形或线形网络系统，其特征在于，包括由多个EPA设备构成的环形以太网或者线形以太网，其非实时数据的传输方法包括：

S1：根据各所述EPA设备的网络参数配置，选择对接收非实时阶段数据包的处理模式，确定有效数据包；

S2：各所述EPA设备接收并确定有效数据包后，解析所述有效数据包；

S3：各所述EPA设备根据解析出的数据包中的优先级字段信息，提取所述优先级字段信息中的网内滞留时间，并将其与预设的最大允许值比较；

S4：各所述EPA设备根据比较结果，自动提高有效数据包的发送优先级，或者，根据优先级动态重新排序，使各所述有效数据包根据优先级顺序发送缓存。

9.如权利要求8所述的基于EPA协议的非实时数据的传输方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：

在各所述EPA设备上预设确定有效数据包的处理模式，包括速度优先模式、可靠性优先模式；

其中，所述速度优先模式为所述EPA设备保留在先接收的数据包，放弃在后接收的数据包；所述可靠性优先模式为所述EPA设备将先后接收到两个数据包进行对比，如果不一致，则放弃两个数据包，请求源节点重新发送数据包。

10.如权利要求8所述的基于EPA协议的非实时数据的传输方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

当所述数据包在环形以太网或者线形以太网内的滞留时间大于最大允许值时，自动提高有效数据包的发送优先级，并在到达目标节点前的每一个节点进行调整，直至有效数据包的网内滞留时间小于最大允许值后，将有效数据包的优先级恢复至初始优先级；

当所述数据包在环形以太网或者线形以太网内的滞留时间小于最大允许值时，有效数据包根据优先级与节点内发送缓冲区的数据包进行优先级重新比较、以及动态重排，确保每个有效数据包在每个EPA设备中都能按照各节点内的优先级顺序进行发送。

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