CN114513381B - 基于af_xdp的实时以太网现场总线数据包处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于AF_XDP的实时以太网现场总线网络数据包处理方法，涉及数控技术领域，尤其涉及实时以太网现场总线技术领域，具体涉及一种基于AF_XDP的实时以太网现场总线网络数据包处理方法。本发明首先，分析实时以太网现场总线数据包在原生网卡驱动中的传输路径，建立在网卡驱动入口的实时以太网总线数据包的捕获点；然后，分析数据包在捕获点的特征，建立基于AF_XDP的数据包捕获及转发方法；最后，根据数据包所属的总线协议类型，设计在用户空间的实时以太网总线组件中数据包的解析处理方法。

Description

基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法
技术领域
本发明涉及数控技术领域，尤其涉及实时以太网现场总线技术领域，具体涉及一种基于AF_XDP的实时以太网现场总线网络数据包处理方法。
背景技术
高档数控系统不仅要求需要有很强的实时性，同时又需要具有很短的插补周期，在网卡驱动内部以及内核网络协议栈入口捕获处理数据包会占用较多的周期时间，很难满足高档数控系统对网络数据包传输时间的苛刻要求，理想的方式是直接在网卡的入口捕获实时以太网数据包并直接重定向到数控系统的用户态组件中进行处理，可以有效缩短数据传输的时间并增强传输网络的实时性能。
AF_XDP机制利用XDP的数据包重定向功能，可以直接将以太网协议的网络数据包以零拷贝(zero-copy)的方式重定向到用户空间的应用程序中，避免了以太网数据包在驱动及内核中的多次数据拷贝，降低了系统延迟，但是尚未应用在基于标准网卡的高档数控系统中，因此如何基于AF_XDP机制设计简单高效的实时以太网总线网络数据包处理方法，是解决高档数控系统实时以太网现场总线网络数据包实时高速传输的关键。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于AF_XDP的实时以太网现场总线网络数据包处理方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法，包括以下步骤：
开启内核调试功能，通过内核输出的调试信息，确定实时以太网现场总线数据包在原生网卡驱动中的传输路径，在网卡驱动入口建立实时以太网总线数据包的捕获点；
针对在网卡驱动入口的实时以太网总线数据包捕获点，基于XDP机制进行实时以太网总线数据包的捕获及转发，将实时以太网总线数据包发送到实时以太网总线组件中；
根据实时以太网总线数据包所属的总线协议类型，在用户空间的实时以太网总线组件中进行实时以太网总线数据包的解析处理。
所述实时以太网现场总线数据包类型包括EtherCAT协议和SSB-III协议中的任意一种。
所述捕获点位于网卡驱动建立套接字缓冲器之前。
所述基于XDP机制进行实时以太网总线数据包的捕获及转发具体为：
采用实时以太网总线数据包接收中断事件，触发XDP处理实时以太网总线数据包；
采用XDP的重定向的功能，以AF_XDP的MMAP内存映射方式将实时以太网总线数据包以零拷贝的方式直接重定向到用户空间的实时以太网总线组件中。
所述在用户空间的实时以太网总线组件中进行实时以太网总线数据包的解析处理具体为：
建立用户态实时线程并设置实时线程为周期性实时线程，在每个用户态实时线程的实时周期中，完成对实时以太网总线数据包的解析处理工作；
在用户态实时以太网总线组件的实时线程的开始部分，采用PF_XDP的原始套接字的方式轮询的获取实时以太网总线数据包；
在用户态实时以太网总线组件的实时线程中解析以太网协议数据包头，确定实时以太网总线数据包类型；
根据实时以太网总线数据包类型解析实时以太网总线数据包的指令数据；
将解析出的指令数据组织成为NML中性消息命令，通过用户态实时以太网总线组件的消息通信通道与用户空间的实时应用程序交换数据；
等待下一周期轮询实时以太网总线数据包。
EtherCAT协议的指令数据包括周期性指令数据和非周期的指令数据，周期性的指令数据采用EtherCAT协议的过程数据进行数据传递，根据传递方向不同分为周期性的命令数据和状态数据，非周期性的指令数据采用EtherCAT协议的邮箱进行数据传递，根据传递方向不同分别为非周期性的命令数据和状态数据。
SSB-III协议的指令数据包括周期性指令数据和非周期性的指令数据，两种数据均采用邮箱进行数据传输。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.实时以太网现场总线采用标准网卡传递数据包。现有数控系统中实时以太网现场总线仍采用传统的通信板卡形式进行总线数据的传输，不同的现场总线(如EtherCAT、SSB-III实时以太网总线等)对应不同的通信板卡，针对每一种现场总线都要开发一套与之对应的硬件板卡，使系统变得臃肿且不可复用。
2.在网卡驱动的入口捕获实时以太网总线数据包并重定向到用户空间，可以有效降低系统延迟及抖动。采用基于XDP机制在网卡驱动的入口捕获实时以太网总线数据，采用基于AF_XDP机制直接将实时以太网现场总线协议的网络数据包以零拷贝(zero-copy)的方式重定向到用户空间的实时以太网总线组件中，避免了数据包在驱动及内核中的多次数据拷贝，降低了系统延迟；与此同时，避免了数据包在内核协议栈中的传输，降低了系统的抖动。
附图说明
图1实时以太网总线网络结构图；
图2数据包的捕获处理方法图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明适合应用于数控系统领域，尤其适用于采用标准网卡传输实时以太网现场总线网络数据包的应用场合，具体适用于高档数控系统中采用标准网卡传输实时以太网现场总线网络数据包的应用场合。下面结合附图对本发明方法的具体实施方式作进一步详细说明。
基于AF_XDP的实时以太网现场总线网络数据包处理方法，包括以下步骤：
1)确定实时以太网现场总线数据包在原生网卡驱动中的传输路径，建立在网卡驱动入口的实时以太网总线数据包的捕获点；
2)针对在网卡驱动入口的网络数据包捕获点，建立基于XDP机制的网络数据包捕获方法；
3)根据XDP的数据包捕获方法，建立基于AF_XDP机制的网络数据包转发方法；
4)根据数据包所属的总线协议类型，设计在用户空间的实时以太网总线组件中数据包的解析处理方法；
所述的确定实时以太网现场总线数据包从网卡驱动到内核网络协议栈的传输路径，实时以太网现场总线为EtherCAT和SSB-III；
所述的确定实时以太网现场总线数据包从网卡驱动到内核网络协议栈的传输路径，网卡为XDP支持的网卡；
所述的建立在网卡驱动入口的实时以太网总线数据包的捕获点，捕获点位于网卡驱动建立套接字缓冲器之前；
所述的建立基于AF_XDP的数据包捕获及转发方法，XDP的bpf_redirect_map()方法将实时以太网总线数据包以零拷贝(zero-copy)的方式重定向到用户空间的实时以太网总线组件中；
所述的建立基于AF_XDP的数据包捕获及转发方法，采用PF_XDP的原始套接字的编程方式；
所述的建立基于AF_XDP的数据包捕获及转发方法，AF_XDP采用mmap机制；
所述的建立基于AF_XDP的数据包捕获及转发方法，其特征在于数据包捕获方法包括以下步骤：
a.采用实时以太网数据包接收中断事件触发XDP处理数据包；
b.采用XDP的重定向的功能，以AF_XDP的机制将数据包以零拷贝的方式直接重定向到用户空间的实时以太网总线组件中；
所述的设计在用户空间的实时以太网总线组件中数据包的解析处理方法，其特征在于数据包的解析处理方法包括以下步骤：
a.建立用户态实时线程并设置实时线程为周期性实时线程，在每个用户态线程的实时周期中，完成对实时以太网现场总线数据包的解析处理工作；
b.在用户态实时以太网总线组件的实时线程的开始部分，采用PF_XDP的原始套接字的方式轮询的获取实时以太网数据包；
c.在用户态实时以太网总线组件的实时线程中解析以太网协议数据包头，确定实时以太网数据包类型；
d.根据数据包类型解析数据包的指令数据；
e.将解析出的指令数据组织成为消息命令，通过实时以太网组件的消息通信通道与上层的运动控制组件交换数据；其中，上层的运动控制组件为实时应用程序，用于轨迹规划、加减速控制以及插补计算。
f.等待下一周期轮询数据包。
如图1所示，基于AF_XDP的实时以太网现场总线的网络结构为图中的左半部分，默认情况下，网络数据包首先会经过内核空间的网卡驱动和网络协议栈，然后通过AF_INET套接字或者AF_PACKET标准套接字，被发送的用户空间中的应用程序中，本发明在网卡驱动的入口设置实时以太网总线数据包的捕获点，通过数据接收中断触发XDP的处理程序，采用XDP的bpf_redirect_map()重定向功能，和AF_XDP的机制mmap方法将EtherCAT、SSB-III实时以太网总线数据包以零拷贝的方式直接重定向到用户空间的实时以太网总线组件中，在用户态实时以太网总线组件中对数据包进行解析处理。
基于AF_XDP的实时以太网现场总线的数据流结构如图1中的右半部分所示，通过AF_XDP的mmap机制直接将实时以太网数据包以DMA的方式重定向到用户空间的环形队列中，上层实时以太网总线组件中的实时线程，通过轮询机制读取环形队列中的实时以太网数据包，数据包会在实时以太网总线组件中被解析处理，最后通过实时以太网组件的消息通信通道与上层的运动控制组件交换数据。
如图2所示，基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包的捕获处理方法的具体实施步骤包括：
A.采用实时以太网数据包接收中断事件触发XDP处理数据包；
B.采用XDP的bpf_redirect_map()重定向功能，以AF_XDP的机制将数据包以零拷贝的方式直接重定向到用户空间的实时以太网总线组件中；
C.建立用户态实时线程并设置实时线程为周期性实时线程，在每个用户态线程的实时周期中，完成对实时以太网现场总线数据包的解析处理工作；
C.在用户态实时以太网总线组件的实时线程的开始部分，采用PF_XDP的原始套接字的方式轮询的获取实时以太网数据包；
D.在用户态实时以太网总线组件的实时线程中解析以太网协议数据包头，确定实时以太网数据包类型，分别有EtherCAT、SSB-III以及其他实时以太网协议；
E.根据数据包类型解析数据包的指令数据，其中EtherCAT协议的指令数据包括周期性指令数据和非周期的指令数据，周期性的指令数据采用EtherCAT协议的过程数据进行数据传递，根据传递方向不同分为周期性的命令数据和状态数据，非周期性的指令数据采用EtherCAT协议的邮箱进行数据传递，根据传递方向不同分别为非周期性的命令数据和状态数据；SSB-III协议与EtherCAT协议类似，指令数据也包括周期性指令数据和非周期性的指令数据，不同的是SSB-III协议对于这两种数据均采用邮箱进行数据传输；
F.将解析出的指令数据组织成为消息命令，通过实时以太网组件的消息通信通道与上层的运动控制组件交换数据；
G.等待下一周期轮询数据包。

Claims (6)

1.基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
开启内核调试功能，通过内核输出的调试信息，确定实时以太网现场总线数据包在原生网卡驱动中的传输路径，在网卡驱动入口建立实时以太网总线数据包的捕获点；
针对在网卡驱动入口的实时以太网总线数据包捕获点，基于XDP机制进行实时以太网总线数据包的捕获及转发，将实时以太网总线数据包发送到实时以太网总线组件中；
根据实时以太网总线数据包所属的总线协议类型，在用户空间的实时以太网总线组件中进行实时以太网总线数据包的解析处理；
所述在用户空间的实时以太网总线组件中进行实时以太网总线数据包的解析处理具体为：
建立用户态实时线程并设置实时线程为周期性实时线程，在每个用户态实时线程的实时周期中，完成对实时以太网总线数据包的解析处理工作；
在用户态实时以太网总线组件的实时线程的开始部分，采用PF_XDP的原始套接字的方式轮询的获取实时以太网总线数据包；
在用户态实时以太网总线组件的实时线程中解析以太网协议数据包头，确定实时以太网总线数据包类型；
根据实时以太网总线数据包类型解析实时以太网总线数据包的指令数据；
将解析出的指令数据组织成为NML中性消息命令，通过用户态实时以太网总线组件的消息通信通道与用户空间的实时应用程序交换数据；
等待下一周期轮询实时以太网总线数据包。
2.根据权利要求1所述的基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法，其特征在于，所述实时以太网现场总线数据包类型包括EtherCAT协议和SSB-III协议中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法，其特征在于，所述捕获点位于网卡驱动建立套接字缓冲器之前。
4.根据权利要求1所述的基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法，其特征在于，所述基于XDP机制进行实时以太网总线数据包的捕获及转发具体为：
采用实时以太网总线数据包接收中断事件，触发XDP处理实时以太网总线数据包；
采用XDP的重定向的功能，以AF_XDP的MMAP内存映射方式将实时以太网总线数据包以零拷贝的方式直接重定向到用户空间的实时以太网总线组件中。
5.根据权利要求1所述的基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法，其特征在于，EtherCAT协议的指令数据包括周期性指令数据和非周期的指令数据，周期性的指令数据采用EtherCAT协议的过程数据进行数据传递，根据传递方向不同分为周期性的命令数据和状态数据，非周期性的指令数据采用EtherCAT协议的邮箱进行数据传递，根据传递方向不同分别为非周期性的命令数据和状态数据。
6.根据权利要求1所述的基于AF_XDP的实时以太网现场总线数据包处理方法，其特征在于，SSB-III协议的指令数据包括周期性指令数据和非周期性的指令数据，两种数据均采用邮箱进行数据传输。
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