CN112764407B - 一种分布式控制的非周期通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种分布式控制的非周期通信方法，属于数据交换网络技术领域，网络中所有节点均处于同一时钟基准之下；网络通信模式为周期性的通信，通信的周期叫做宏周期T，宏周期T分为周期时间Tp和非周期时间Tn；有发送非周期报文需要的节点首先在周期时间Tp发送出周期报文，且周期报文中携带非周期声明信息；发送了非周期声明信息的节点确认自身的预发送的非周期报文在当前宏周期T的非周期时间Tn的排列位置。本发明通过去中心化的非周期控制、分布式非周期调度计算的方法，实现非周期调度功能。
Description
技术领域
本发明属于数据交换网络技术领域，特别涉及一种分布式控制的非周期通信方法。
背景技术
EPA-SRB总线为基于EPA总线发展而来的实时以太网总线，其显著通信特点为该系统通信时采用周期式通信，每个通信周期为一个宏周期，宏周期由周期时间和非周期时间组成，系统中的所有设备均同步在同一个时间基准之下，即所有节点的宏周期开始和结束时间一致。宏周期中的周期时间部分用来传输周期数据（即固定频率的周期发送数据）；非周期时间为所有节点通用时间，用于各个节点发送一些突发数据和EPA-SRB网络自身产生的系统报文。
因为非周期时间为各节点共同享用的通用时间，但如果所有节点在非周期都任意发送数据就会导致各个报文之间发生碰撞，所以需要对非周期发送报文进行限制，设定非周期调度规则。
公开号为CN101478826A的中国专利申请，公开了一种无线传感器网络的通信调度方法，如图1所示，将通信宏周期分为周期报文传输时段和非周期报文传输时段，且每个传输时段分为若干个时间片；所述周期报文时间片用于对应节点通过一跳或多跳将周期报文传输到目标节点，所述周期报文至少包括非周期报文声明；所述非周期报文时间片用于对应节点通过一跳或多跳将非周期报文传输到目标节点；并进一步提供了基于该宏周期划分下的通信调度方法。该方法和系统能够实现无线传感器网络的确定性和实时性通信。该方案存在下述缺陷：
1) 该方案，如果某一节点有发送非周期报文的需求，需要系统中一个专门负责分配时间划分的节点统一控制，该节点如果与其他节点的通信异常，则整个非周期通信过程就会产生混乱。
2）该方案，如果某一节点有发送非周期报文的需求，需要首先发送单独非周期声明报文，再等待非周期报文时间片通知报文，最后在发送非周期报文。这个过程复杂，并且浪费了大量带宽，如果整个网络通过交换机组建或是延时本身就较大的应用场景，这个握手通信的过程将占用大量的带宽，影响整个网络的通信效率。
3）该方案对于应用数据，会出现由于是相同优先级而一直不能发出的缺陷。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种分布式控制的非周期通信方法。
为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案。
一种分布式控制的非周期通信方法，网络中所有节点均处于同一时钟基准之下；网络通信模式为周期性的通信，通信的周期叫做宏周期T，宏周期T分为周期时间Tp和非周期时间Tn；
周期时间Tp为网络中各个节点发送周期报文的时间，各节点在周期时间Tp发送报文的时间点为固定时间点，各节点发送报文占用的时间为时间片，每个时间片内只有固定的一个节点可以发送报文，周期时间Tp内任意时间报文的发送时间均是唯一的，不会有重叠和冲突；
非周期时间Tn为所有节点共用的时间段，非周期时间Tn内所有报文的发送时间片仍然不能重叠，但发送时间点不固定，各个节点在每个周期时间Tp内根据周期时间Tp发送的周期报文中携带的非周期声明信息来计算各自在当前宏周期T的非周期时间Tn发送报文的发送时间点，从而控制当前宏周期T的非周期时间Tn的报文分配；
在宏周期T内有周期报文的传输，具体调度规则如下：
S1：有发送非周期报文需要的节点首先在周期时间Tp发送出周期报文，且周期报文中携带非周期声明信息；非周期声明信息，包括非周期优先级声明字段、节点非周期占用总时间字段；
S2：各个节点在周期时间Tp开始时开始监听网络中所有周期报文中的非周期声明信息；
S3：各个节点提取非周期优先级声明字段中的优先级信息，对非周期声明信息按照优先级从高到低顺序排列；
S4：发送了非周期声明信息的节点确认自身的预发送的非周期报文在当前宏周期T的非周期时间Tn的排列位置；将排在自身前面的所有非周期声明信息中的节点非周期占用总时间进行累加，累加结果就是自身非周期报文的发送时间点。
所述非周期声明信息，还包括节点逻辑地址字段；步骤S3中，优先级信息相同的，逻辑地址越小认为优先级越高。
所述非周期优先级声明字段，记录需要发送的非周期报文在非周期时间Tn的优先级信息，根据报文类型生成；报文类型分为系统内部通信的非周期报文和用户的非周期报文；系统内部通信的非周期报文使用固定的优先级；用户的非周期报文每延迟发送一个周期，则该延迟的非周期报文优先级的级别提升1级。
所述节点非周期占用总时间字段，记录需要发送的非周期报文在非周期时间Tn所占用的总时间信息；步骤S2中，各个节点将所有周期报文携带的节点逻辑地址字段、非周期优先级声明字段、节点非周期占用总时间字段缓存下来。
步骤S4中，在自身非周期报文的发送时间点的基础上加上自身非周期报文占用总时间，得到自身非周期报文的发送完毕时间点。
一种分布式控制的非周期通信方法，还包括S5：判断在当前宏周期T的非周期时间Tn内，是否可以发送自身非周期报文；将自身非周期报文的发送完毕时间点与当前宏周期T的非周期时间Tn的结束时间点进行比较，确认自身非周期报文的发送完毕时间点是否超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围：
若自身非周期报文的发送完毕时间点未超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围，则该自身非周期报文获得在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格；
若自身非周期报文的发送完毕时间点超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围，则该自身非周期报文失去在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格，同时失去发送资格的非周期报文所在的节点需要在下一个宏周期T的周期报文中重新发送非周期声明信息；此时，如果该延迟的非周期报文，为用户的非周期报文，则该延迟的非周期报文优先级的级别提升1级，并返回到步骤S1；如果该延迟的非周期报文，为系统内部通信的非周期报文，则该延迟的非周期报文优先级的级别不变，并返回到步骤S1。
一种分布式控制的非周期通信方法，还包括S6：获得在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格的非周期报文所在的节点，根据该非周期报文在当前宏周期T的非周期时间Tn的排列位置发送该非周期报文。
本发明通过去中心化的非周期控制、分布式非周期调度计算的方法，实现非周期调度功能。
本发明所能够达到的技术效果：
1.无需额外发送非周期声明报文、非周期发送请求报文等额外控制非周期通信的报文来确定各个节点发送非周期报文的时机，本发明将非周期声明的内容放入周期报文中携带。
2.同时非周期发送时机采用彻底的分布式判断，网络中的每个节点均可以获取周期报文中携带非周期声明信息，并自行进行计算和判断，最终确定自己是否可以以及在什么时间，在非周期时间发送非周期报文。
本方案采用了全新的非周期分布式调度机制，去中心化设计，通信网络中无主从之分。每个节点均可以计算自身的非周期发送时间，所以任意节点损坏仅会影响故障节点本身，不会导致整个系统的全面瘫痪。
3.周期通信中包含非周期声明信息，无单独非周期声明报文，减少通信带宽的占用，完成快速响应的机制。
4.非周期声明信息包含逻辑地址，提高不同逻辑地址相同应用优先级报文发送的公平性。
5.非周期双声明的模式，保证系统和应用的非周期通信可以同时运行。
附图说明
图1是公开号为CN101478826A的中国专利申请的无线传感器网络结构示例图；
图2是公开号为CN101478826A的中国专利申请的通信宏周期划分示意图；
图3是本发明的宏周期调度方案示意图；
图4是周期报文中携带的非周期声明信息的相关信息示意图；
图5是本发明的非周期调度流程图；
图6是本发明的非周期调度的示意图；
图7是周期内获得发送资格的非周期报文的发送示意图；
图8是周期内未获得发送资格的非周期报文的发送示意图；
图9是判断是否可以发送非周期报文的流程图；
图10是双非周期声明的非周期调度示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
EPA总线为基于以太网物理层实现的实时以太网总线，广泛应用于生产、制造等控制领域，为系统的正常运行提供通信支持。EPA总线最显著的特点为EPA网络中所有节点均处于同一时钟基准之下，所有的节点发送报文的时间均为相对确定的时间，发送间隔为EPA网络的宏周期时间。
EPA-SRB总线为基于EPA总线发展而来的实时以太网总线，本发明为EPA-SRB总线的非周期调度通信办法，其主要解决的问题为原本非周期调度机制带宽利用低下，调度过程复杂，可靠性差的缺陷。本方案，实现分布式非周期通信调度控制，实现多设备分布式计算与分配非周期调度时间，以及去中心化设计。
一种分布式控制的非周期通信方法，其网络可以通过通信终端首尾相连组成环型，也可以组成总线型，或通过交换机相连组成星型拓扑；其通信模式为周期性的通信，通信的周期叫做宏周期T，宏周期T分为周期时间Tp和非周期时间Tn。
周期时间Tp为网络中各个节点发送周期报文的时间，各节点在周期时间Tp发送报文的时间点为固定时间点，各节点发送报文占用的时间为时间片，每个时间片内只有固定的一个节点可以发送报文，周期时间Tp内任意时间报文的发送时间均是唯一的，不会有重叠和冲突。
非周期时间Tn为所有节点共用的时间段，非周期时间Tn内所有报文的发送时间片仍然不能重叠，但发送时间点不固定，各个节点在每个周期时间Tp内根据周期时间Tp发送的周期报文中携带的非周期声明信息来计算各自在当前宏周期T的非周期时间Tn发送报文的发送时间点，从而控制当前宏周期T的非周期时间Tn的报文分配。
在EPA的宏周期T内有周期报文的传输。非周期报文，需要在周期调度启动后才可以开始调度。非周期报文的调度依赖于周期报文实现，周期报文中携带的非周期声明信息会参与非周期调度这个过程中来；非周期声明信息包括三个字段，分别是节点逻辑地址字段、非周期优先级声明字段、节点非周期占用总时间字段；当任意节点有发送非周期报文的需求时，需要首先在周期报文中发出非周期声明信息（即非周期优先级声明字段不为0），并且要说明该非周期报文需要占用的非周期时间(即节点非周期占用总时间字段不为0)。
一种分布式控制的非周期通信方法，具体调度规则如下：
S1：有发送非周期报文需要的节点首先在周期时间Tp发送出周期报文，且周期报文中携带非周期声明信息；
非周期声明信息，包括三个字段，分别是节点逻辑地址字段、非周期优先级声明字段、节点非周期占用总时间字段；
节点逻辑地址字段，记录逻辑地址信息。逻辑地址字段为2个字节，前面的字节表示网段信息，后面一个字节表示地址信息；逻辑地址字段共0~255个网段，每个网段共0~255个地址，每个子网络只能有1个网段，每个子网络中的所有节点的逻辑地址均不重复。
非周期优先级声明字段，记录需要发送的非周期报文在非周期时间Tn的优先级信息。该优先级，可以根据报文类型生成。进一步，优先级共有1~271个等级，数值越小优先级越高。其中1~15用作系统内部通信的非周期报文使用，竞争、同步、告警等系统内部通信的非周期报文根据报文类型不同使用固定的优先级。16~271供用户的非周期报文使用。用户的非周期报文初始的非周期报文优先级为271。用户的非周期报文每延迟发送一个周期，则该延迟的非周期报文优先级的级别提升1级，实现用户非实时报文的优先级的动态增加。
节点非周期占用总时间字段，记录需要发送的非周期报文在非周期时间Tn所占用的总时间信息。该总时间，可以根据报文长度、网络拓扑延时情况计算。
S2：各个节点在周期时间Tp开始时开始监听网络中所有周期报文中的非周期声明信息，将所有周期报文携带的节点逻辑地址字段、非周期优先级声明字段、节点非周期占用总时间字段缓存下来。
S3：各个节点提取非周期优先级声明字段中的优先级信息，对非周期声明信息按照优先级从高到低顺序排列；优先级信息相同的，逻辑地址越小认为优先级越高；
非周期时间Tn内的非周期报文的时间调度，依赖于非周期声明信息。网络中所有节点获取的非周期声明信息一致，所以计算出的结果同样一致。
S4：发送了非周期声明信息的节点确认自身的预发送的非周期报文在当前宏周期T的非周期时间Tn的排列位置：
S4a：将排在自身前面的所有非周期声明信息中的节点非周期占用总时间进行累加，累加结果就是自身非周期报文的发送时间点；
S4b：在自身非周期报文的发送时间点的基础上加上自身非周期报文占用总时间，得到自身非周期报文的发送完毕时间点。
图5是本发明的非周期调度流程图。图中以四个节点为例，解释了非周期时间Tn内的非周期报文的时间调度方式。周期时间Tp内有四个节点发送的周期报文中均含有非周期声明信息，信息的具体内容如图5所示。各个节点根据周期时间Tp的非周期声明信息计算，最终根据结算结果将非周期报文分配在非周期时间Tn内的发送时间点。首先，各个节点对非周期声明信息根据优先级信息按从高到低顺序排列，优先级信息相同的，逻辑地址越小认为优先级越高。非周期声明4的优先级最高，其次是非周期声明2，再其次是非周期声明3，最后是非周期声明1。其次，将排在自身前面的所有非周期声明信息中的节点非周期占用总时间进行累加，累加结果就是自身非周期报文的发送时间点。非周期声明4对应的非周期报文1的发送时间点为t0，非周期声明2对应的非周期报文2的发送时间点为t0+t4，非周期声明3对应的非周期报文3的发送时间点为t0+t4+t2，非周期声明1对应的非周期报文4的的发送时间点为t0+t4+t2+t3。
S5：判断在当前宏周期T的非周期时间Tn内，是否可以发送自身非周期报文：
将自身非周期报文的发送完毕时间点与当前宏周期T的非周期时间Tn的结束时间点进行比较，确认自身非周期报文的发送完毕时间点是否超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围：
如图7所示，若自身非周期报文的发送完毕时间点未超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围，则该自身非周期报文获得在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格。
如图8所示，若自身非周期报文的发送完毕时间点超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围，则该自身非周期报文失去在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格，同时失去发送资格的非周期报文所在的节点需要在下一个宏周期T的周期报文中重新发送非周期声明信息；此时，如果该延迟的非周期报文，为用户的非周期报文，则该延迟的非周期报文优先级的级别提升1级，并返回到步骤S1；如果该延迟的非周期报文，为系统内部通信的非周期报文，则该延迟的非周期报文优先级的级别不变，并返回到步骤S1。
S6：获得在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格的非周期报文所在的节点，根据该非周期报文在当前宏周期T的非周期时间Tn的排列位置发送该非周期报文。
判断在当前宏周期T的非周期时间Tn内，是否可以发送自身非周期报文：携带非周期声明信息的周期报文的发送过程中，最重要的一步为判断自身非周期报文是否有在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格。这个过程同一个网络中的所有节点应该遵循同样的方式判断，否则就会导致非周期数据调度失败。这个判断过程在协议内部每个周期均在统计计算，无论自身实质上是否有发送需求。之所以这么做，是因为非周期报文的发送需求只要求产生于对应周期报文发送之前，此时周期时间Tp已经开始，网络上其他节点发送的周期报文可以已经发送完毕。如果此时才开始着手进行非周期优先级的判断时间上来不及。
图9是判断是否可以发送非周期报文的流程图。
图 10是双非周期声明的非周期调度示意图。双非周期声明，就是一个周期报文中包含两套非周期声明信息，表示该节点有两种非周期发送需求，并且两种需求的优先级不同，共用同一个逻辑地址字段，独立的两套非周期优先级声明字段和节点非周期占用总时间字段。这两套非周期声明信息分别声明两种非周期报文，声明结果也互相独立，有可能两套非周期声明信息全部成功，均获得在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格（即该节点在非周期拥有了两段非周期发送时间片，两个时间片有可能衔接在一起，也有可能分开，图10为分开的情况），也有可能该节点的非周期声明信息只有一个获得了在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格。
所有节点自身发送的非周期声明信息的优先级信息需要与这个周期时间Tp的全部非周期声明信息一同比较，如果有某个节点一条周期报文中进行了双非周期声明，则需要对其两个非周期声明信息分别记录比较，也就是说这里比较的内容的最小单位并非是周期报文，而是周期报文中的非周期声明信息。
某节点同时有多个非周期报文发送需求的，按照报文类型的优先级进行确认，同一个优先级的可以同时声明发送，申请各报文需要的时间之和，一次性发送。优先级不同的按优先级从高到低依次声明发送，如果开启了双非周期声明功能，报文中的第一个声明用于系统之间的通信，非周期声明信息按照原规则判断，第二个声明用于用户应用数据，非周期声明信息仅针对应用数据，两者互相独立，不可以两个声明均用作系统报文，也不可以两个声明均用作应用数据。
非周期非实时报文的优先级最低不是因为该类型最不重要，而是因为其他报文类型都属于配置管理类，报文数量少长度短，它们的发送一般不会影响到非周期非实时报文的通信。反过来如果非周期非实时报文的优先级太高，那么当某一节点非周期非实时报文数量过多时，会导致其配置管理类报文收发受阻，影响整个系统的统一调度情况。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种分布式控制的非周期通信方法，其特征在于，网络中所有节点均处于同一时钟基准之下；网络通信模式为周期性的通信，通信的周期叫做宏周期T，宏周期T分为周期时间Tp和非周期时间Tn；
周期时间Tp为网络中各个节点发送周期报文的时间，各节点在周期时间Tp发送报文的时间点为固定时间点，各节点发送报文占用的时间为时间片，每个时间片内只有固定的一个节点可以发送报文，周期时间Tp内任意时间报文的发送时间均是唯一的，不会有重叠和冲突；
非周期时间Tn为所有节点共用的时间段，非周期时间Tn内所有报文的发送时间片仍然不能重叠，但发送时间点不固定，各个节点在每个周期时间Tp内根据周期时间Tp发送的周期报文中携带的非周期声明信息来计算各自在当前宏周期T的非周期时间Tn发送报文的发送时间点，从而控制当前宏周期T的非周期时间Tn的报文分配；
在宏周期T内有周期报文的传输，具体调度规则如下：
S1：有发送非周期报文需要的节点首先在周期时间Tp发送出周期报文，且周期报文中携带非周期声明信息；非周期声明信息，包括非周期优先级声明字段、节点非周期占用总时间字段；
S2：各个节点在周期时间Tp开始时开始监听网络中所有周期报文中的非周期声明信息；
S3：各个节点提取非周期优先级声明字段中的优先级信息，对非周期声明信息按照优先级从高到低顺序排列；
S4：发送了非周期声明信息的节点确认自身的预发送的非周期报文在当前宏周期T的非周期时间Tn的排列位置；将排在自身前面的所有非周期声明信息中的节点非周期占用总时间进行累加，累加结果就是自身非周期报文的发送时间点。
2.根据权利要求1所述的一种分布式控制的非周期通信方法，其特征在于，所述非周期声明信息，还包括节点逻辑地址字段；步骤S3中，优先级信息相同的，逻辑地址越小认为优先级越高。
3.根据权利要求2所述的一种分布式控制的非周期通信方法，其特征在于，所述非周期优先级声明字段，记录需要发送的非周期报文在非周期时间Tn的优先级信息，根据报文类型生成；报文类型分为系统内部通信的非周期报文和用户的非周期报文；系统内部通信的非周期报文使用固定的优先级；用户的非周期报文每延迟发送一个周期，则该延迟的非周期报文优先级的级别提升1级。
4.根据权利要求3所述的一种分布式控制的非周期通信方法，其特征在于，所述节点非周期占用总时间字段，记录需要发送的非周期报文在非周期时间Tn所占用的总时间信息；步骤S2中，各个节点将所有周期报文携带的节点逻辑地址字段、非周期优先级声明字段、节点非周期占用总时间字段缓存下来。
5.根据权利要求4所述的一种分布式控制的非周期通信方法，其特征在于，步骤S4中，在自身非周期报文的发送时间点的基础上加上自身非周期报文占用总时间，得到自身非周期报文的发送完毕时间点。
6.根据权利要求5所述的一种分布式控制的非周期通信方法，其特征在于，还包括S5：判断在当前宏周期T的非周期时间Tn内，是否可以发送自身非周期报文；将自身非周期报文的发送完毕时间点与当前宏周期T的非周期时间Tn的结束时间点进行比较，确认自身非周期报文的发送完毕时间点是否超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围：
若自身非周期报文的发送完毕时间点未超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围，则该自身非周期报文获得在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格；
若自身非周期报文的发送完毕时间点超过了当前宏周期T的非周期时间Tn的范围，则该自身非周期报文失去在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格，同时失去发送资格的非周期报文所在的节点需要在下一个宏周期T的周期报文中重新发送非周期声明信息；此时，如果该延迟的非周期报文，为用户的非周期报文，则该延迟的非周期报文优先级的级别提升1级，并返回到步骤S1；如果该延迟的非周期报文，为系统内部通信的非周期报文，则该延迟的非周期报文优先级的级别不变，并返回到步骤S1。
7.根据权利要求6所述的一种分布式控制的非周期通信方法，其特征在于，还包括S6：获得在当前宏周期T的非周期时间Tn内的发送资格的非周期报文所在的节点，根据该非周期报文在当前宏周期T的非周期时间Tn的排列位置发送该非周期报文。
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Denomination of invention: An aperiodic communication method for distributed control Effective date of registration: 20220316 Granted publication date: 20210702 Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Hangzhou branch Pledgor: ZHEJIANG GUOLI XIN'AN TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022330000341 |
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Denomination of invention: A Distributed Control Method for Aperiodic Communication Effective date of registration: 20230911 Granted publication date: 20210702 Pledgee: Bank of Shanghai Limited by Share Ltd. Hangzhou branch Pledgor: ZHEJIANG GUOLI XIN'AN TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023330002003 |