CN115174694B - 基于确定性通信的数据共网传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于确定性通信的数据共网传输方法，包括如下步骤：上电前，确定系统主时钟确定机制、调度机制和通信扫描周期；上电后，通过所述主时钟确定机制完成各设备间的时钟同步；并按照调度机制发送传输数据。本发明中提供的基于确定性通信的数据共网传输方法，不同设备数据按照时分复用的机制传输数据，即每个设备赋予不同的时间向量的机制传输数据，同一设备内部采用按需发送强实时数据策略，优先发送实时数据策略，最后发送非实时数据策略的调度机制，能够兼容不同的传输协议来实现共网传输，且时间向量能够根据传输数据长度的变化设定，从而适应传输数据长度变化的数据传输需求。

Description

基于确定性通信的数据共网传输方法

技术领域

本发明涉及工业通信技术领域，具体地，涉及基于确定性通信的数据共网传输方法及方法。

背景技术

以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点，已有进一步应用到工业现场的趋势，其中，以太网的数据调度技术作为工业实时以太网的核心技术，正在得到越来越多的关注。

随着应用的深入，在实际应用中，不同的场合中，对所使用网络数据传输的实时性、确定性、兼容性提出了不同的要求，即要求以太网的数据调度机制能够实时确定的传输优先级最高的数据，同时能够兼容已有实时以太网协议和普通以太网协议，满足不同长度，不同协议格式的以太网报文都能够在一个网络里传输，比如要求在同一网络中能够传输不同协议（如用户自定义协议、实时以太网协议、普通以太网协议等）的数据报文。

目前，现有的网络的调度机制只能够满足自身协议标准，兼容性较差，且不能适应数据报文长度变化的数据传输需求。

由此可见，现有工业以太网调度机制存在的局限性及缺陷，无法满足网络对共网传输提出的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于确定性通信的数据共网传输方法及方法。

本发明提供一种基于确定性通信的数据共网传输方法，包括如下步骤：

上电前，确定系统主时钟确定机制、调度机制和通信扫描周期，其中，所述调度机制包括按需发送强实时数据策略，优先发送实时数据策略和最后发送非实时数据策略，所述通信扫描周期包括时钟管理时间段和数据传输时间段；

上电后，通过所述主时钟确定机制在所述时钟管理时间段内完成各设备间的时钟同步；

各设备按照所述调度机制发送传输数据，且各所述设备发送的所述传输数据遵循最低程度的格式一致。

可选地，所述数据传输时间段包括各设备的时间向量，且各所述设备的时间向量互不重合，各设备的所述时间向量包括每个设备的发送时间点及所在的时间片的长度。

可选地，按需发送强实时数据策略，进一步包括：

当检测到设备的强实时数据队列中有需要发送的强实时数据时，

在设备不在对应的时间向量中的情况下，直接将强实时数据发送至网络中；

在强实时数据在对应的设备的时间向量中的情况下，且设备中有实时数据或非实时数据在发送中，则确定实时数据或非实时数据的头部已发送后，打断实时数据或非实时数据的发送过程，发送强实时数据。

可选地，当实时数据在发送过中被打断，在强实时数据发送完毕后，重新启动发送实时数据的过程，

在设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送实时数据需要的时间长度的情况下，则开始发送该实时数据；

在设备对应的时间片的剩余长度小于发送实时数据需要的时间长度的情况下，实时数据等待到下一通信扫描周期发送。

可选地，优先发送实时数据策略，进一步包括，

在设备对应的时间向量中，在设备对应的发送时间点，检测设备的实时数据队列中是否有实时数据需要发送，

在有实时数据需要发送的情况下，则在设备对应的发送时间点开始时，发送实时数据；

在没有实时数据需要发送的情况下，则于设备处于等待状态或发送非实时数据的状态。

可选地，设备在对应的时间向量中发送非实时数据时，在实时数据队列中有实时数据时，且非实时数据的头部已发送的情况下，

设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送实时数据的需要时间长度的情况下，打断非实时数据的发送过程，发送实时数据。

可选地，最后发送非实时数据策略，进一步包括：

在设备对应的时间向量中，在非实时数据的发送过程被打断的情况下，当实时数据发送完毕后，重新启动发送非实时数据的过程，

在设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送非实时数据需要的时间长度的情况下，则开始发送非实时数据；

在设备对应的时间片的剩余长度小于发送非实时数据需要的时间长度的情况下，非实时数据等待到下一通信扫描周期发送。

可选地，通过主时钟确定机制完成各设备间的时钟同步，进一步包括：

将设备分为为一主设备和若干从设备；

主设备在时钟管理时间段内，向从设备周期性发送时钟授时报文；

从设备接收时钟授时报文，在时钟管理时间段内完成与主设备之间的时钟同步。

可选地，主时钟确定机制还将设备分为至少一备用主设备，备用主设备的逻辑地址和主设备相同，备用主设备监听主设备运行情况，

在主设备出现故障的情况下，备用主设备在时钟管理时间段完成与从设备之间的时钟同步；

在主设备正常工作的情况下，备用主设备处于监听主设备的状态，且备用主设备和从设备在时钟管理时间段完成与主设备的时钟同步。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的基于确定性通信的数据共网传输方法，不同设备数据按照时分复用的机制传输数据，即每个设备赋予不同的时间向量的机制传输数据，同一设备内部采用按需发送强实时数据策略，优先发送实时数据策略，最后发送非实时数据策略的调度机制，能够兼容不同的传输协议来实现共网传输，且时间向量能够根据传输数据长度的变化设定，从而适应传输数据长度变化的数据传输需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的基于确定性通信的数据共网传输方法流程图；

图2为本发明实施例提供的按需发送强实时数据策略的流程图；

图3为本发明实施例提供的优先发送实时数据策略的流程图；

图4为本发明实施例提供的最后发送非实时数据策略的流程图；

图5为本发明实施例提供的通信扫描周期的示意图；

图6为本发明实施例提供的环形网络的示意图；

图7为本发明实施例提供的星型网络的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参见图1，本实施例中的基于确定性通信的数据共网传输方法，包括如下步骤：

S1，上电前，确定系统主时钟确定机制、调度机制和通信扫描周期，其中，调度机制包括按需发送强实时数据策略，优先发送实时数据策略，最后发送非实时数据策略，参见图5所示，通信扫描周期包括时钟管理时间段和数据传输时间段，为了数据的即时传输，时钟管理时间段和数据传输时间段相加之和等于通信扫描周期，各设备的时间向量包括每个设备的发送时间点及所在的时间片的长度，为了避免传输过程中出现拥堵的状况，各设备的时间向量互不重合，数据传输时间段等于各设备的时间片长度之和，且时间向量均处于数据传输时间段内。

参见图6和图7所示，在具体应用中，本实施例的网络系统中包括时钟业务和数据传输业务，上述通信网络可以为5个设备首尾相连形成环网的通信网络，也可以是为5个设备和一个交换机组成的星型网络，当然也可以是由5个设备形成的线型网络，上述设备分别为设备1、设备2、设备3、设备4和设备5，其主时钟确定机制、调度机制、通信扫描周期及各设备的时间向量可以通过个设备进行组态的方式来确定；

其中，通过主时钟确定机制在时钟管理时间段内完成各设备间的时钟同步，进一步包括：

将各设备分为一主设备和若干从设备；

主设备在时钟管理时间段内，向从设备周期性发送时钟授时报文；

从设备接收时钟授时报文，其中，时钟授时报文包括主设备的时钟信息，序列号和从设备逻辑地址等信息，在时钟管理时间段内完成与主设备之间的时钟同步；

从设备可以根据收到的时钟授时报文的个数或按照时钟授时报文中携带的从设备逻辑地址，开启时钟同步过程；

而且，在时钟同步后，从设备仍会根据接收到时钟授时报文，重复与主设备进行时钟同步，避免线路延时变化（链路变化或主设备变化导致）而导致的时钟不同步情况；

为了避免主设备在出现故障时，其中故障包括断电和掉线等问题，无法实现时钟同步，主时钟确定机制还包括将上述设备分为至少一备用主设备，备用主设备的逻辑地址和主设备相同，备用主设备监听主设备运行情况，

在主设备出现故障的情况下，备用主设备在时钟管理时间段完成与从设备之间的时钟同步；

在主设备正常工作的情况下，备用主设备处于监听主设备的状态，且备用主设备和从设备在时钟管理时间段完成与主设备的时钟同步；

如图5所示，根据上述的系统主时钟确定机制确定了设备1为主设备，设备2为备用主设备，其余各个设备为从设备，确定了网络的通信扫描周期为1ms，其中，时钟管理时间段为5us，数据传输时间段为995us，不同设备的数据发送时间向量，如下所示：

设备1的发送时间向量：发送起始时间点5us，发送时间片长度199us；

设备2的发送时间向量：发送起始时间点204us，发送时间片长度199us；

设备3的发送时间向量：发送起始时间点403us，发送时间片长度199us；

设备4的发送时间向量：发送起始时间点602us，发送时间片长度199us；

设备5的发送时间向量：发送起始时间点801us，发送时间片长度199us。

S2，上电后，通过主时钟确定机制完成各设备间的时钟同步，其时钟同步过程参见上述的描述；

S3，各设备按照调度机制发送传输数据，传输数据一般会包括强实时数据、实时数据和非实时数据，且各设备发送的传输数据遵循最低程度的格式一致。

在具体应用中，各设备均可发送强实时数据、实时数据和非实时数据，一般情况下，强实时数据的优先级大于实时数据，实时数据的优先级大于非实时数据，强实时数据、实时数据和非实时数据遵循最低程度的格式一致可以理解为，强实时数据、实时数据和非实时数据的头部可以包括6个字节的目的mac（介质访问控制）地址、6个字节的源mac地址和2个字节的协议号，其余都为数据部分，而且，在强实时数据、实时数据和非实时数据遵循最低程度的格式一致的情况下，强实时数据和实时数据的数据部分格式可自定义，非实时数据的数据部分格式按照标准规范定；

如图2所示，在确定好优先级后，上述传输数据按照上述调度机制来发送，其中，

按需发送强实时数据策略，进一步包括：

A1，当检测到设备的强实时数据队列中有需要发送的强实时数据时，

A2，在设备不在对应的时间向量中的情况下，直接将强实时数据发送至网络中，其中，如图2所示，网络也就是指本实施例的各设备和交换机组成的局域网，可以理解的是，若强实时数据的发送过程与正在时间向量内发送传输数据的设备有冲突，则暂停正在时间向量内发送传输数据的设备的工作，若没有冲突，则不在对应的时间向量的设备发送强实时数据，同时，正在时间向量内的设备发送传输数据；

A3，在强实时数据在对应的设备的时间向量中的情况下，且设备中有实时数据或非实时数据在发送中，则确定实时数据或非实时数据的头部已发送后，打断实时数据或非实时数据的发送过程，发送强实时数据；

为了避免带宽的浪费，A4，当实时数据在发送过中被打断，在强实时数据发送完毕后，重新启动发送实时数据的过程，

A5，在设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送实时数据需要的时间长度的情况下，则开始发送该实时数据；

A6，在设备对应的时间片的剩余长度小于发送实时数据需要的时间长度的情况下，实时数据等待到下一通信扫描周期发送，即虽然该设备还剩余一定的时间片，该设备也不再进行传输数据的发送工作，而是等到所在的时间片结束，通过下一个通信扫描周期发送，下一个通信扫描周期可以紧邻该扫描周期，也可以有一定的时间间隔；

如图3所示，优先发送实时数据策略，进一步包括，

B1，在设备对应的时间向量中，设备对应的发送时间点，检测设备的实时数据队列中是否有实时数据需要发送，

B2，在有实时数据需要发送的情况下，则在设备对应的发送时间点开始时，发送实时数据；

B3，在没有实时数据需要发送的情况下，则于设备处于等待状态或发送非实时数据的状态；

B4，设备在对应的时间向量中发送非实时数据时，在实时数据队列中有实时数据时，且非实时数据的头部已发送的情况下，

B5，设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送实时数据的需要时间长度的情况下，打断非实时数据的发送过程，发送实时数据；

如图4所示，最后发送非实时数据策略，进一步包括：

C1，在设备对应的时间向量中，在非实时数据的发送过程被打断的情况下，当实时数据发送完毕后，重新启动发送非实时数据的过程，

C2，在设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送非实时数据需要的时间长度的情况下，则开始发送非实时数据；

C3，在设备对应的时间片的剩余长度小于发送非实时数据需要的时间长度的情况下，非实时数据等待到下一通信扫描周期发送，同样的，在该种情况下，设备也不再进行发送传输数据的工作；

交换机在接收数据报文时，按照不同传输数据业务的报文特点，对传输数据进行解析，并上传至应用层，实现数据共网传输。

可以理解的是，上述传输数据的打断过程中，都是等到其头部发送完成后，才进行打断，因为头部数据中包含源mac地址，源mac地址对应发送设备，能够方便该设备对发送出的传输数据的碎片进行回收，避免了数据在网络中一直转发的情况。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

上电前，确定系统主时钟确定机制、调度机制和通信扫描周期，其中，所述调度机制包括按需发送强实时数据策略，优先发送实时数据策略和最后发送非实时数据策略，所述通信扫描周期包括时钟管理时间段和数据传输时间段，所述数据传输时间段包括各设备的时间向量，且各所述设备的时间向量互不重合，各设备的所述时间向量包括每个设备的发送时间点及所在的时间片的长度；

上电后，通过所述主时钟确定机制在所述时钟管理时间段内完成各设备间的时钟同步；

各设备按照所述调度机制发送传输数据，所述传输数据包括强实时数据、实时数据和非实时数据，头部包括 6 个字节的目的 mac地址、6 个字节的源 mac 地址和 2 个字节的协议号，其余为数据部分，在强实时数据、实时数据和非实时数据遵循最低程度的格式一致的情况下，强实时数据和实时数据的数据部分格式支持自定义，非实时数据的数据部分格式按照标准规范定。

2.根据权利要求1所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，所述按需发送强实时数据策略，进一步包括：

当检测到所述设备的强实时数据队列中有需要发送的强实时数据时，

在所述设备不在对应的时间向量中的情况下，直接将所述强实时数据发送至网络中；

在所述强实时数据在对应的所述设备的时间向量中的情况下，且所述设备中有所述实时数据或非实时数据在发送中，则确定所述实时数据或非实时数据的头部已发送后，打断所述实时数据或非实时数据的发送过程，发送所述强实时数据。

3.根据权利要求2所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，当所述实时数据在发送过中被打断，在所述强实时数据发送完毕后，重新启动发送所述实时数据的过程，

在所述设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送所述实时数据需要的时间长度的情况下，则开始发送该实时数据；

在所述设备对应的时间片的剩余长度小于发送所述实时数据需要的时间长度的情况下，所述实时数据等待到下一所述通信扫描周期发送。

4.根据权利要求3所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，所述优先发送实时数据策略，进一步包括，

在所述设备对应的所述时间向量中，在所述设备对应的所述发送时间点，检测所述设备的实时数据队列中是否有实时数据需要发送，

在有所述实时数据需要发送的情况下，则在所述设备对应的所述发送时间点开始时，发送实时数据；

在没有所述实时数据需要发送的情况下，则所述设备处于等待状态或发送所述非实时数据的状态。

5.根据权利要求4所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，所述设备在对应的所述时间向量中发送所述非实时数据时，在所述实时数据队列中有所述实时数据时，且所述非实时数据的头部已发送的情况下，

所述设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送所述实时数据的需要时间长度的情况下，打断所述非实时数据的发送过程，发送所述实时数据。

6.根据权利要求5所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，所述最后发送非实时数据策略，进一步包括：

在所述设备对应的所述时间向量中，在所述非实时数据的发送过程被打断的情况下，当所述实时数据发送完毕后，重新启动发送所述非实时数据的过程，

在所述设备对应的时间片的剩余长度大于等于发送非实时数据需要的时间长度的情况下，则开始发送所述非实时数据；

在所述设备对应的时间片的剩余长度小于发送所述非实时数据需要的时间长度的情况下，所述非实时数据等待到下一所述通信扫描周期发送。

7.根据权利要求1所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，通过所述主时钟确定机制在所述时钟管理时间段内完成各设备间的时钟同步，进一步包括：

将所述设备分为一主设备和若干从设备；

所述主设备在所述时钟管理时间段内，向所述从设备周期性发送时钟授时报文；

所述从设备接收所述时钟授时报文，在所述时钟管理时间段内完成与所述主设备之间的时钟同步。

8.根据权利要求7所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，所述主时钟确定机制还将所述设备分为至少一备用主设备，所述备用主设备的逻辑地址和所述主设备相同，所述备用主设备监听所述主设备运行情况，

在所述主设备出现故障的情况下，所述备用主设备在所述时钟管理时间段完成与所述从设备之间的时钟同步；

在所述主设备正常工作的情况下，所述备用主设备处于监听所述主设备的状态，且所述备用主设备和所述从设备在所述时钟管理时间段完成与所述主设备的时钟同步。

9.根据权利要求8所述的基于确定性通信的数据共网传输方法，其特征在于，所述从设备根据接收到的所述时钟授时报文的个数或按照时钟授时报文中携带的从设备逻辑地址，开启时钟同步过程。