CN114465961B - 一种兼容性网络高实时数据传输装置及方法 - Google Patents

一种兼容性网络高实时数据传输装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种兼容性网络高实时数据传输装置及方法，包括OSI系统的数据链路层和物理层，所述数据链路层包括MAC客户端支持抢占功能模块、MAC控制模块和MAC合并模块，所述物理层包括协调子层模块和PHY模块，所述方法包括低优先级数据的切片、低优先级帧封包、切片组合以及组合验证，本发明能够通过认证设备的帧抢占功能，提高不同厂商的设备以及不同优先级数据处理的兼容性，有效的减小高优先级数据帧在传输的过程中产生帧抢占的开销时间，有效的提高网络中的大带宽数据流量传输需求，满足离散型数据的高实时性传输，提高设备的生产效率。

Description

一种兼容性网络高实时数据传输装置及方法
技术领域
本发明涉及数据的确定性低延时传输技术领域，具体涉及一种兼容性网络高实时数据传输装置及方法，是一种大带宽流量传输的工业互联网领域兼容传统的低延时传输网络。
背景技术
随着工业4.0的发展，智能制造作为引领下一代工业技术发展的目标，工业互联网的规模越来越大，网络物理系统主要是由计算机控制的，网络中集成的传感器和执行器越来越多，在这些物理控制系统中，比如协作机器人的运动控制是有高度时间敏感的，为了保证物理系统在控制下的确定性行为，需要有一个确定性的有界网络延迟和延时变化的实时通信网络来满足设备的控制需求，提高设备的生产效率，随着以太网技术的发展，profinet、cc-link等实时性技术造成设备之间的解耦，数据的传输延时基本维持在us级别，通过对抢占技术的优化，能够实现数据传输延时进入到ns级别。
为了在整个网络中实时调度，必须防止对较低优先级流量的干扰，否则会增加总线的延迟，而且还会增加传送变化。时间感知整形器能够阻止非调度的流量，但对与网络中的巨帧，采用传统的抢占技术仍然会导致较高的延时，不能满足高优先级流量的确定性传输需求。
发明内容
针对大流量的网络，本发明采用新的数据整合方式，降低高优先级的数据等待时间，同时采用传统以太网数据帧与高实时以太网数据帧兼容的数据传输装置，保障传输装置的统一性和设备之间的互联互通性。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种兼容性网络高实时数据传输装置，包括OSI（开放式系统互联）系统的数据链路层和物理层，所述数据链路层包括MAC（媒体访问控制）客户端支持抢占功能模块和MAC合并模块，所述物理层包括协调子层和物理端口PHY，所述的MAC客户端支持抢占功能模块与MAC控制模块连接，MAC合并模块与协调子层连接，物理端口PHY为物理传输介质，其与协调子层连接。
在数据进行发送时，数据链路层识别媒体访问控制客户端MAC的抢占功能，MAC控制模块将高实时和非实时性需求数据分配到两个通道通过物理层数据传输；在数据进行接收时，物理层将数据传送到数据链路层，数据链路层的MAC合并模块识别抢占后的数据进行合并处理，通过MAC控制模块将高实时和非实时性需求数据分配到更高层的OSI（开放式系统互联）。
作为优选，所述的MAC客户端支持抢占功能模块用于识别本端口的数据切片功能是否打开，若为1，则表示支持高优先级数据打断低优先级数据传输，低优先级数据暂停传输，被切片后等待高优先级传输完毕后继续传输；若为0，则表示不支持数据切片传输，按照传统的QoS（服务质量）机制进行数据传输。
作为优选，所述的MAC合并模块用于在支持抢占功能下的接收到的切片数据的重组模块，将被打断传输的低优先级数据在接收端口进行数据恢复。
作为优选，本装置还包括MAC控制模块，该MAC控制模块与MAC合并模块连接，所述的MAC控制模块包括pMAC（可抢占式媒体访问控制通道）和eMAC（快速媒体访问控制通道）两个通道，高优先级的数据将从eMAC通道进行传输，可被抢占的低优先级数据从pMAC通道进行传输；无优先级顺序需求的数据将不区分通道类型进行传输。
本发明还提供了一种兼容性网络高实时数据传输方法，包括低优先级数据的切片、低优先级帧封包、切片组合以及组合验证；
所述低优先级数据的切片中，将低优先级数据分为首帧、多个中间帧和尾帧；
所述低优先级帧封包中，首帧与未经过切片的低速帧的帧格式保持一致，使用帧抢占中的重组循环冗余校验码MCRC来替代循环冗余校验码CRC作为尾部的４字节校验和，切片后的中间帧和尾帧只引入前导码，不携带源、目的地址以及以太网类型字段，将切片帧类型填入前导部的倒数第二个字节，以标记是某一个分片的后续帧；
所述切片组合以及组合验证中，对于不同的低速分片首帧，接收设备通过前导部分尾部的具体的值来判断低速帧首帧的正确性，对于不同的低速分片中间帧及尾帧，接收设备通过前导部分尾部的具体的值来判断相邻的低速分片是否正确、按顺序到达。
作为优选，所述切片后的中间帧和尾帧的前导的最后一个字节替换为分片计数字段。
作为优选，所述帧抢占中修改首帧、中间帧、尾帧的前导部分尾部的一至两个字段，包括重组帧起始界定符SMD字段和重组循环冗余校验码MCRC字段；低速帧按首帧和后续帧分别使用可抢占式数据帧前导码代码SMD-Sx和可抢占式数据帧连续片段代码SMD-Cx，可抢占式数据帧前导码代码SMD-Sx和可抢占式数据帧连续片段代码SMD-Cx提供3个不同的值，用于切片计数。
作为优选，所述接收设备记录上一次收到的帧的分片计数值，用于下一次收到帧的时候进行比较，当接收到的帧不满足连续的切片计数后，接收设备会认为该帧没有被正确的传输，从而丢弃该帧；对于已经缓冲了的切片，以及尚未接收的切片，接收设备对这些切片进行丢弃。
作为优选，所述中间帧的尾部加入重组循环冗余校验码MCRC，用于分片后的数据帧的帧字节的校检。
本发明的有益效果是：本发明提出一种兼容性网络高实时数据传输装置及方法，解决了传统抢占技术导致的设备数据传输高延时的问题，针对大流量的网络以及工业互联网的系统规模越来越大的问题，采用新的数据整合方式，提出一种新的调度算法，通过采用新的低优先级帧组合方式，降低高优先级的等待时间，保证传输的确定性以及ns级别的传输延时，同时采用传统以太网数据帧与高实时以太网数据帧兼容的数据传输装置，保障传输装置的统一性和设备之间的互联互通性，有效的提高工业生产效率，建立柔性化生产方式。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明帧抢占的示意图；
图3为本发明以太网帧字节格式示意图；
图4为本发明以太网帧分片示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，一种兼容性网络高实时数据传输装置，包括OSI系统的数据链路层和物理层，所述数据链路层包括MAC客户端支持抢占功能模块和MAC合并模块，所述物理层包括协调子层和物理端口PHY，所述的MAC客户端支持抢占功能模块与MAC控制模块连接，MAC合并模块与协调子层连接，物理端口PHY为物理传输介质，其与协调子层连接。
在数据进行发送时，数据链路层识别媒体访问控制客户端MAC的抢占功能，MAC控制模块将高实时和非实时性需求数据分配到两个通道通过物理层数据传输；在数据进行接收时，物理层将数据传送到数据链路层，数据链路层的MAC合并模块识别抢占后的数据进行合并处理，通过MAC控制模块将高实时和非实时性需求数据分配到更高层的OSI。
所述的MAC客户端支持抢占功能模块用于识别本端口的数据切片功能是否打开，若为1，则表示支持高优先级数据打断低优先级数据传输，低优先级数据暂停传输，被切片后等待高优先级传输完毕后继续传输；若为0，则表示不支持数据切片传输，按照传统的QoS（服务质量）机制进行数据传输。
所述的MAC合并模块用于在支持抢占功能下的接收到的切片数据的重组模块，将被打断传输的低优先级数据在接收端口进行数据恢复。
本装置还包括MAC控制模块，该MAC控制模块与MAC合并模块连接，所述的MAC控制模块包括pMAC和eMAC两个通道，高优先级的数据将从eMAC通道进行传输，可被抢占的低优先级数据从pMAC通道进行传输；无优先级顺序需求的数据将不区分通道类型进行传输。
一种兼容性网络高实时数据传输方法，包括低优先级数据的切片、低优先级帧封包、切片组合以及组合验证。
所述低优先级数据的切片中，将低优先级数据分为首帧、多个中间帧和尾帧；
所述低优先级帧封包中，首帧与未经过切片的低速帧的帧格式保持一致，使用帧抢占中的重组循环冗余校验码MCRC来替代循环冗余校验码CRC作为尾部的４字节校验和，切片后的中间帧和尾帧只引入前导码，不携带源、目的地址以及以太网类型字段，将切片帧类型填入前导部的倒数第二个字节，以标记是某一个分片的后续帧；
所述切片组合以及组合验证中，对于不同的低速分片首帧，接收设备通过前导部分尾部的具体的值来判断低速帧首帧的正确性，对于不同的低速分片中间帧及尾帧，接收设备通过前导部分尾部的具体的值来判断相邻的低速分片是否正确、按顺序到达。
针对确定性传输网络，当线路上在进行传输一个低速帧时，一个高速帧需要进行传输时，此时会进行判断低速帧是否可以被进行抢占，如果是小字节的不可抢占帧，则等待该字节传输完毕后，再发送高优先级的数据帧，此时产生的延时较小；如果是巨帧数据，则需要将该字节进行切片操作，当切片后的数据在传输时也会影响到下一个高速帧的传输，因此需要将巨帧切成较小的数据帧，降低高速帧的等待时间。
帧抢占的调度算法是通过打断低速帧的传输，保证高优先级数据的优先传输，如图2所示。抢占的动作也会产生不同的传送时间的延迟，高、低优先级数据的传输延时如下：
Delay高优先级=同优先级阻塞+帧抢占开销。
根据上述的描述，抢占动作还是会产生较大的延时，需要进一步的帧抢占的开销，通过一种新的切片识别码进行标志，降低切片后的帧字节的大小，将帧抢占的开销降低，从而提高高优先的高实时性传输。
在802.1Q中定义的VLAN结构由7位前导码和1字节的SFD组成，如图3所示，还包括源MAC地址、目的MAC地址、802.1Q标签、数据字节和循环冗余校验码CRC校检。其中802.1Q标签位里面的优先级代码字段为7时，该帧的优先级为最高，称为高速帧，该帧可以打断其他优先级的帧传输。
在实际的传输过程中，低速帧主要有四类：未切片的低速帧、已切片的首个帧、已切片的中间帧、已切片的最后一帧。
经过切片的低速帧和原来的低速帧是有区别的，如果一个低速帧没有被切片，那么它既是首帧又是尾帧。与高速帧的区别主要是在于前导码的最后一个字节，从而区分是高速帧还是低速帧，如图4所示。
如果一个低速帧被切成多片，那就会分为首帧、多个中间帧、尾帧。首帧与未经过切片的低速帧的帧格式保持一致，但由于后续的数据和循环冗余校验码CRC校检和被切掉，所以此处使用帧抢占中的重组循环冗余校验码MCRC来替代循环冗余校验码CRC作为尾部的４字节校验和。切片后的中间帧和尾帧只会引入前导码，不携带源、目的地址以及以太网类型字段，还会将切片帧类型填入前导的倒数第二个字节而不是最后一个字节，并且填入的字段类型为可抢占式数据帧连续片段代码SMD-Cx，用以标记这是某一个分片的后续帧，前导的最后一个字节也替换为了分片计数字段。除此之外，中间帧与首帧一样，尾部也需要加入重组循环冗余校验码MCRC，尾帧则使用原本的循环冗余校验码CRC。帧抢占中需要修改前导部分尾部的一至两个字段，包括重组帧起始界定符SMD字段和重组循环冗余校验码MCRC字段。其中重组帧起始界定符SMD字段的具体编码值如下表1所示。
表1：以太网帧的分片编码方式
Figure 370098DEST_PATH_IMAGE001
低速帧按首帧和后续帧分别使用可抢占式数据帧前导码代码SMD-Sx和可抢占式数据帧连续片段代码SMD-Cx。由于帧抢占功能要求帧在发送端被切片之后，能够在接收端正确的还原，因此可抢占式数据帧前导码代码SMD-Sx和可抢占式数据帧连续片段代码SMD-Cx都提供了3个不同的值，用于切片计数功能。该计数提供了3个帧序号，用以确认当前收到的切片是连续的。具体的操作步骤如下：
当收到SMD-C的重组帧起始界定符SMD值时，装置接收进程会作出如下判断：
a) 是否有正在进行的报文被抢占；
b) 重组帧起始界定符SMD指示的帧数与正在进行的报文的帧数相匹配；
c) 分片计数值表示低速数据帧的分片数。
对于不同的可抢占式数据帧前导码代码SMD-Sx，接收设备通过具体的值来判断低速帧首帧的正确性，对于不同的可抢占式数据帧连续片段代码SMD-Cx，接收设备通过具体的值来判断相邻的低速分片是否正确、按顺序到达。接收设备会记录上一次收到的帧的分片计数值，用于下一次收到帧的时候进行比较。当接收到的帧不满足连续的切片计数后，接收设备会认为该帧没有被正确的传输，从而丢弃该顿。对于已经缓冲了的切片，以及尚未接收的切片，接收设备同样会对这些切片进行丢弃。
通过以上的切片方式可以将巨帧切成若干个短字节数据，能够有效的减小高优先级数据帧在传输的过程中产生帧抢占的开销时间，有效的提高网络中的大带宽数据流量传输需求，满足离散型数据的高实时性传输，提高设备的生产效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种兼容性网络高实时数据传输装置，其特征在于，包括开放式系统互联OSI的数据链路层和物理层，所述数据链路层包括MAC客户端支持抢占功能模块、MAC控制模块和MAC合并模块，所述物理层包括协调子层和物理端口PHY，所述的MAC客户端支持抢占功能模块与MAC控制模块连接，MAC合并模块与协调子层连接，物理端口PHY为物理传输介质，其与协调子层连接；
所述的MAC客户端支持抢占功能模块用于识别本端口的数据切片功能是否打开，若为1，则表示支持高优先级数据打断低优先级数据传输，低优先级数据暂停传输，被切片后等待高优先级传输完毕后继续传输；若为0，则表示不支持数据切片传输，按照传统的QoS机制进行数据传输；
所述的兼容性网络高实时数据传输装置还包括MAC控制模块，其与MAC合并模块连接，所述的MAC控制模块包括pMAC和eMAC两个通道，高优先级的数据将从eMAC通道进行传输，可被抢占的数据从pMAC通道进行传输；无优先级顺序需求的数据将不区分通道类型进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种兼容性网络高实时数据传输装置，其特征在于，在数据进行发送时，数据链路层识别MAC客户端的抢占功能，MAC控制模块将高实时和非实时性需求数据分配到两个通道通过物理层数据传输；在数据进行接收时，物理层将数据传送到数据链路层，数据链路层的MAC合并模块识别抢占后的数据进行合并处理，通过MAC控制模块将高实时和非实时性需求数据分配到更高层的OSI。
3.根据权利要求1所述的一种兼容性网络高实时数据传输装置，其特征在于：所述的MAC合并模块用于在支持抢占功能下的接收到的切片数据的重组模块，将被打断传输的低优先级数据在接收端口进行数据恢复。
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