CN116339179A - 一种用于高速工业以太网介质冗余的方法 - Google Patents
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Abstract
发明涉及一种用于高速工业以太网介质冗余的方法。该方法通过在工业以太网络中使用三网连接方式，即主从设备之间采用三网线路数据拓扑结构，在这三个独立的网络中同时收发相同的数据，其中任意一条网络都可以被认为是主通讯线路，而其他两条是这条主通讯线路的备份。该方法当主通讯线路不畅时，备份通路替换原主通信线路成为主通信线路，保持网络可以继续通讯，从而保证网络的健壮性与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及工业通信领域，尤其是高速工业以太网通信领域，具体是一种高速工业以太网介质冗余的方法。
背景技术
实时通信技术是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。随着工业以太网的应用增加，工业以太网被广泛应用在运动控制，机器及设备控制系统中。工业以太网的应用种类繁多，包括任务关键型应用程序，其通常不容忍系统故障而导致服务中断。在这样的应用中，高可靠性是至关重要的，而且，这样的稳定系统对生产的损失会降到最低。介质冗余可以保证网络系统在故障时，排除故障点，使网络系统继续运行。工业以太网介质冗余确保了网络通信的连续性，同步性和非常低的抖动。介质冗余，线路切换时间是在周期通信的时间范围内。这保证了系统快速恢复正常运行，没有任何停机过程。介质冗余规范是一个附加的以太网通信规范，它与标准以太网设备完全兼容。
发明内容
本发明针对高速工业以太网现有技术上不存在物理线路介质冗余的问题，提出了一种介质冗余的方法。该方法是冗余介质在网络中监听网络，能够在网络线路故障后，择优选择通信线路，使得网络通信质量不受影响，物理线路通信可靠。在一个网络中可以添加多条通信线路，不只局限于三条线路。介质冗余多路选择模块保证了只有一条线路数据能够到达MAC层，保证数据的唯一性和有效性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种用于高速工业以太网介质冗余的系统，包括：
设备节点，用于接收MAC层发送的数据并通过端口发送给介质选择器；
介质选择器，用于将设备节点发送的数据进行冗余处理，生成多路冗余数据，分别发送给多个不同的多端口转发器；接收多端口转发器发送的冗余数据并进行判断，得到最终的转发数据通过设备节点发送给MAC层；
多端口转发器，用于将介质选择器发送的冗余数据转发给不同设备节点上的介质选择器。
所述介质选择器设于设备节点中或设备节点上的端口中。
所述介质选择器具有三条通道，每条通道上设有一个控制器和一个缓存器，三条链路的输出连接到一个用于对冗余数据进行选择判断的判断与控制模块。
每条链路上的控制器和缓存器均与判断与控制模块相连，数据输入到控制器，分别输出给缓存器和判断与控制模块。
所述判断与控制模块中还设有记录缓存器。
所述多端口转发器为三端口集线器，其中，一个端口进入数据，另外两个端口用于数据转发。
一种用于高速工业以太网介质冗余的方法，包括以下步骤：
设备节点接收MAC层发送的数据并通过端口发送给介质选择器；
介质选择器将设备节点发送的数据进行冗余处理，生成多路冗余数据，分别发送给多个不同的多端口转发器；
多端口转发器，用于将介质选择器发送的冗余数据转发给不同上的介质选择器；
介质选择器接收多端口转发器发送的冗余数据并进行判断，得到最终的转发数据通过设备节点发送给MAC层。
所述介质选择器接收多端口转发器发送的冗余数据并进行判断，具体为：选择介质选择器中的三个通道的数据中，数据质量最高的通道内的数据作为冗余数据，所述数据质量根据CRC校验得到，通过累计某一通道一段时间内数据帧CRC校验错误率，错误率最低的一条通道即为数据质量最高的通道。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明是在高速工业以太网标准网络基础上，实现具有线路冗余功能的多路冗余介质。冗余结构具有热插拔，支持多路通信，切换速度快，性能稳定的特点。在工业过程控制，运动控制等领域，保证网络运行的健壮性和稳定性。
附图说明
图1介质冗余拓扑结构图；
图2冗余网络通信形式图；
图3冗余介质选择模块功能图；
图4冗余介质选择信号功能图；
图5冗余介质判断流程图。
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。
一种用于高速工业以太网介质冗余的方法，设计中保持MAC层以上的网络结构不变，只针对介质层进行冗余设计，即在PHY上来的数据进行冗余设计。采用三个网络同时收发相同的数据，其中任意一条网络都可以被指定为主通讯线路，其余两条为备份线路。
所述方法具体包括：
网络监听：以太网MAC层超时监听网络上来自工业以太网中的三个网络线路上的同步数据帧；
时间槽定时触发：同一数据通路中，收到同步数据帧后，重新触发该路数据槽定时器；
每个节点的MAC对每路的数据来说，都是一个3端口的数据转发的HUB，即一个口进数据，另两个口对数据进行转发，转发的一个口数据给MAC、另一个口数据被转发到下一个节点。
如图2所示，在通讯时采用定时通讯的方式，即在每个slot time时刻进行相应的收发数据，而且只有一次通讯。
每个slot time时间内在三网中选择一路数据质量最高的数据给MAC，数据质量通过CRC校验来进行指示。ABC三路有固定优先级A最高－B一般－C最低。
在同一个slot time中A、B、C的数据应该完全相同，若CRC校验都正确的话，CRC的值也应该相同。
预置上次slot time选定数据的CRC值的寄存器pre_CRC为全1，本次slot time判断时，在每路CRC有效时，若CRC值与pre_CRC一致，说明是数据帧为同一个slot time内；若CRC与pre_CRC不一致，说明已经开始下一个slot time，更新pre_CRC寄存器。
本发明一种用于高速工业以太网介质冗余的方法：采用三网介质冗余设计，即在三个网络中同时收发相同的数据，其中任意一条网络都可以被认为是主通讯线路，而其他两条是这条主通讯线路的备份。当主通讯线路不畅时，备份通路仍然可以通讯，从而保证网络健壮性。设计中保持MAC层以上的网络结构不变，只针对介质层进行冗余设计，即对物理层上来的数据进行冗余设计。
每个节点的MAC对每路的数据来说，都是一个3端口的数据收发器，物理层接收的三路数据，通过介质选择器选择最优数据给到以太网MAC层。
1.拓扑结构：
工业网络的拓扑结构应尽可能相同，这样将确保以太网数据帧同时到达三个链路上的节点。如果以太网速度为100Mbit/s，两条链路之间的路径延迟差不得超过5.2μs(最小以太网帧的传输时间)。
如图1所示，介质多路转发器HUB是用于数据转发的三端口集线器。这意味着一个端口进入数据，另外两个端口用于数据转发。在每个主控节点都有三端口介质选择器，用于三路数据的选择和判断。
2.介质选择器
在冗余工业以太网络中，所有节点都必须连接到三个不同的物理网络。三个物理网络应传输相同的冗余信息。链路选择器功能块PORT如图3所示。每个节点必须在三条链路上进行传输，并选择一条链路进行接收。此功能由介质选择器功能块完成。
介质选择器可以在工业网络节点中实现，也可以在连接到每个网络节点的外部设备中实现。节点接收的每个帧，介质选择器必须在三个链路上同时传输该帧。从冗余网络接收的每帧，介质选择器必须进行数据帧选择，并将该帧发送到受保护链路上的节点。
3.冗余数据选择判断
工业以太网络一般分为同步和异步数据时间段。因此，同步和异步数据的传输将永远不会受到干扰，并保证精确的通信定时。数据抖动是由延迟线引起的，最大抖动一般小于6微秒。两个相邻时隙时间数据可以是同一数据帧。时隙时间的最小值规定如下：时隙时间>最大数据帧长时间+2×数据抖动。每个时隙，三网中选择最高质量的数据帧发送到以太网MAC层。数据质量由CRC检查指示，可在三条链路中固定优先级，最高级别的一条链路为A，其次为B，最低级别为C，当三条链路都收到数据帧，CRC判断没有问题，则选择A路数据上报到MAC层。
在同一时隙时间内，三个通道的数据帧认为是相同的。如果CRC(循环冗余校验)正确，则三个通道的CRC值应相同。在同一数据通道中，来自两个相邻数据帧的数据不一致，导致CRC不一致。判断方法：设置时隙时间最后一个CRC寄存器的值，之前CRC选择的数据为整个数据。时隙时间判断时，如果CRC值与之前的CRC寄存器一致，则表示数据帧时隙时间在同一时间内；如果CRC与以前的CRC寄存器不一致，需要刷新以前的CRC寄存器。
数据接收过程如图4和图5所示，冗余数据接收判断描述如下：信号Wr_addr是该写入环路DPRAM(其FPGA芯片RAM)的地址，存储此帧的结束地址数据，然后累加。Rd_first_addr：写入地址末尾的有效数据，在crc_ok有效时更新为当前wr_addr。记录索引，记录最后一个写入地址，rd_fisrt_addr和数据长度frame_length，同时选择DPRAM编号一起记录，存储记录FIFO，crc_ok信号有效时记录FIFO。数据恢复传输状态机：在idle状态只要record_fifo不为空就进行一次数据恢复，首先发送一个前导码和SFD(数据帧开始定界符)，然后根据DPRAM编号，读取数据长度，读取第一个地址，从相应的循环DPRAM读取，从记录_fifo读取记录。在对crc_ok判断时，采用有优先级的if else if的结构，用于同时检测到crc有效时对三网所采用的固定优先级。Crc与上一个slot time的crc寄存器pre_crc的比较，不相等，表示为新的slot time开始的新的数据，且为第一个有效数据帧；相等，表示为还是本次slot time的数据，且不是第一个有效数据帧。若是新slot time的数据，则选择此路数据，更新pre_crc寄存器，同时产生record fifo的记录项；若为本次slot time的数据，丢弃数据。
Claims (8)
1.一种用于高速工业以太网介质冗余的系统，其特征在于，包括：
设备节点，用于接收MAC层发送的数据并通过端口发送给介质选择器；
介质选择器，用于将设备节点发送的数据进行冗余处理，生成多路冗余数据，分别发送给多个不同的多端口转发器；接收多端口转发器发送的冗余数据并进行判断，得到最终的转发数据通过设备节点发送给MAC层；
多端口转发器，用于将介质选择器发送的冗余数据转发给不同设备节点上的介质选择器。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速工业以太网介质冗余的系统，其特征在于，所述介质选择器设于设备节点中或设备节点上的端口中。
3.根据权利要求1所述的一种用于高速工业以太网介质冗余的系统，其特征在于，所述介质选择器具有三条通道，每条通道上设有一个控制器和一个缓存器，三条链路的输出连接到一个用于对冗余数据进行选择判断的判断与控制模块。
4.根据权利要求3所述的一种用于高速工业以太网介质冗余的系统，其特征在于，每条链路上的控制器和缓存器均与判断与控制模块相连，数据输入到控制器，分别输出给缓存器和判断与控制模块。
5.根据权利要求3所述的一种用于高速工业以太网介质冗余的系统，其特征在于，所述判断与控制模块中还设有记录缓存器。
6.根据权利要求1所述的一种用于高速工业以太网介质冗余的系统，其特征在于，所述多端口转发器为三端口集线器，其中，一个端口进入数据，另外两个端口用于数据转发。
7.一种用于高速工业以太网介质冗余的方法，其特征在于，包括以下步骤：
设备节点接收MAC层发送的数据并通过端口发送给介质选择器；
介质选择器将设备节点发送的数据进行冗余处理，生成多路冗余数据，分别发送给多个不同的多端口转发器；
多端口转发器，用于将介质选择器发送的冗余数据转发给不同上的介质选择器；
介质选择器接收多端口转发器发送的冗余数据并进行判断，得到最终的转发数据通过设备节点发送给MAC层。
8.根据权利要求7所述的一种用于高速工业以太网介质冗余的方法，其特征在于，所述介质选择器接收多端口转发器发送的冗余数据并进行判断，具体为：
选择介质选择器中的三个通道的数据中，数据质量最高的通道内的数据作为冗余数据，所述数据质量根据CRC校验得到，通过累计某一通道一段时间内数据帧CRC校验错误率，错误率最低的一条通道即为数据质量最高的通道。
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