CN1349332A

CN1349332A - 包含以太网节点和实时节点的串行总线通信系统

Info

Publication number: CN1349332A
Application number: CN 01139044
Authority: CN
Inventors: 沈钢; 张卫东; 许晓鸣
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2002-05-15
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: CN1152522C

Abstract

一种包含以太网节点和实时节点的串行总线通信系统,以太网节点遵循标准以太网协议,实时节点遵循实时介质访问控制方法,通过信号的持续发送而取得信道的访问控制权,并根据不同节点的信号持续发送时间长短的不同体现不同的优先级,不同类型节点之间能够互相通信并按照各自的协议标准发送和接收数据。本发明保证了信道存在竞争时,优先级高的实时数据帧能够先于普通数据帧发送,实时数据传输有确定性的最大时延,可用于普通以太网不能胜任的实时通信领域。本发明与普通以太网兼容,可包含价格低廉、质量成熟的以太网设备,既减少投资,又提高了系统的开放性。

Description

包含以太网节点和实时节点的串行总线通信系统

技术领域：

本发明涉及一种串行总线实时网络系统，尤其涉及一种包含以太网节点和实时节点的串行总线通信系统，属于网络通信技术领域。

背景技术：

以太网具有传输速度高、协议简单、价格低、兼容性好和使用灵活方便等方面的优势，以其良好的互连性和可扩展性使之成为真正的开放式网络，在商业管理网络数据传输中得到了广泛的应用。但是由于以太网协议本身的不确定性，限制了以太网在实时性要求高的网络通信中应用，如工业的现场级控制、实时多媒体传输等很少采用普通的以太网作为传输网络。

在实时网络系统中，称带有时间约束的报文为时间紧急报文，这类报文自源节点生成之时起必须在规定的时间内传送到目的节点，否则视为丢失或被呈现为无用数据。工业控制网络通信中的实时数据主要表现为周期性传输报文和紧急报文，实时传输的一个例子是流量控制。流量计采集的流量信号通过网络传输给控制系统，控制系统根据该信号发出指令调节阀门的开度，使流量的波动保持在规定的范围内。在这种情况下，要求流量信号、控制信号都能够及时地传送到目的地，任何超过规定范围的时延都将导致控制失败。同样，多媒体通信也必须保证视频、声音等信号的实时性，不能明显感觉到过长的时延引起的图象、声音不连续现象。

而以太网是一种非确定性的网络，采用的是一种随机访问协议——带碰撞检测的载波侦听多址访问(CSMA/CD)控制协议，普通的以太网工作时，如果检测到信道冲突，相应的冲突帧均作丢弃处理，而冲突过后各个冲突节点仍然不知道也不理会其它节点的信息，按照自己的方式退避重传，这种“我行我素”的做法很可能造成一次又一次的碰撞，从而阻塞实时信号的发送。以太网数据帧成功发送之前的碰撞次数是不确定的，其发送时延也是不确定的，是不能满足系统的实时性要求的。而且以太网没有优先级机制，实时数据帧并不能保证优先发送。

为了提高以太网的确定性人们做了不少研究，C.Venkatramani和T.Chiueh提出的RETHER采用虚令牌机制，D.W.Pritty提出的TEMPRA中每个节点根据与监控节点的距离调整各自的发送时延，CSMA/DCR采用二叉树选择作为冲突仲裁，DOD-CSMA/CD根据传输截止约束时间的长短来调整发送，还有V.D.Kapsalis混合CSMA/CD和令牌环协议的混合网络系统等。而IEEE802.12所定义的需求优先的介质访问控制协议(Demand Priority MAC Protocol)100VG-AnyLAN，是一个100Mbps以太网介质访问控制协议标准，协议规定每个节点在发送数据前都必须向集线器发出一个带优先级标志的申请信号，而集线器根据节点申请的优先级大小和节点的端口号来决定信道分配。所有这些改进的系统，传输实时性有了一些提高，在一定条件下实时数据帧的最大等待时延可以事先确定，但它们最大不足是无法和现有的主流以太网兼容，结果是现有的以太网设备无法在新系统中继续使用，造成现有投资的浪费，而且影响了新系统或方法的推广应用。

R.Yavatkar在文章 A reservation-based CSMA Protocol for integratedmanufacturing networks(IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics，vol24 no 8 Aug 1994：1247-1258)提出了和现有以太网MAC协议兼容的实时协议改进方案，通过事先信道保留保证周期信号的传输实时性，同时不影响原有的普通以太网节点的通信。但是该方案对于非周期实时信号，如报警信号，没有给出相应的处理方法，而且因为是在传输前预约分配信道，对于系统工作中的变化反应不灵活。

在以太网数据链路层的上层采用确定性的通信协议可以保证传输的实时性。S.Vitturi在On the use of Ethernet at low level of factory communication systems(Computer Standards & Interfaces 23(2001)267-277)中提出通过传输层提供无连接的确定性主从服务，该服务是建立在用户数据包传输协议(UDP)上的，虽然数据链路层协议仍然符合以太网标准，是非确定性传输协议，但是整个网络是确定性的，能保证实时数据的传输。而Ethernet/IP(http：//www.ethernet-ip.org/)等在应用层制定相应的实时传输协议，实时数据报作为用户数据原封不动地嵌入到TCP/UDP帧中，然后在以太网上传送。这种方案的优点是底层协议根本不需要重新定义完全采用以太网标准，缺点是以太网的利用效率很低。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种包含以太网节点和实时节点的串行总线通信系统，既能保证实时信号在规定的时间内传输，又能与标准以太网兼容，可以大量使用现有的以太网设备用于普通信号传输，节省投资。

为实现这样的目的，本发明提出的新型总线系统由普通以太网节点和实时节点组成，实时节点遵循新型实时网络通信协议，普通以太网节点遵循标准以太网协议，遵循不同协议标准的节点能共存于同一个竞争型总线系统中，而且能互相通信。新型的实时网络通信协议保证了实时节点具有比普通以太网节点更高的优先级机制，在信道竞争中，保证实时节点先于普通以太网节点取得信道的访问控制权。而不同的实时节点也有不同的优先级，实时性要求高的节点能优先取得信道。

本发明中普通以太网节点和实时节点的区别主要是介质访问控制方法不同。普通以太网节点发送数据后如果检测到冲突，马上停止传输，按照截断二进制指数退避算法等待一段时间间隔后，然后重传冲突帧。而本发明中的实时节点遵循新型的实时介质访问控制方法，检测到信道冲突后不停止传输而是继续发送竞争信号，直至取得信道的访问控制权或者发现有更高优先级的信号在传输而让出信道。该方法利用信道冲突通知非实时节点或者低优先级实时节点停止传输，把信道留给高优先级的实时节点，如果信道上发生竞争，总能保证优先级最高的实时节点最先取得信道的访问控制权。

本发明的系统中节点的通信协议层次分为物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、逻辑链路控制(LLC)、上层协议(TCP/IP等)，为了保证兼容性，使实时节点和普通以太网节点能相互通信，实时节点通信协议中的物理层、逻辑链路控制、上层协议与以太网标准节点一致，两者介质访问控制层的数据帧结构定义相同，介质访问控制方法不同。

本发明为实时通信的发展提供了一种新方法，提出的由普通以太网节点和实时节点组成的新型实时总线系统，保证了信道存在竞争时，优先级高的实时数据帧能够先于普通数据帧发送，实时数据传输有确定性的最大时延，可用于普通以太网不能胜任的实时通信领域，如工业控制通信、实时多媒体传输等。而且本发明的另一个特点是与普通以太网兼容，本发明提出的总线通信系统中能包含普通以太网节点和本发明给出的实时节点，节点之间能相互通信。原有的以太网网络可以通过增加实时节点方法用于实时通信，保护了原有投资。而在新的实时通信系统中可以包含价格低廉、质量成熟的以太网设备，既减少投资，又提高了系统的开放性。

附图说明及具体实施方式：

图1为本发明的总线系统结构示意图。

图1中给出的本发明总线系统装置具有两个普通以太网节点和一个实时节点，并不能限制本发明的通信连接能够扩展到多个普通以太网节点和多个实时节点。系统由遵循实时网络通信协议的实时节点和遵循以太网标准的普通以太网节点组成。节点的通信协议层次分为物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、逻辑链路控制(LLC)、上层协议(TCP/IP等)，对于普通以太网节点和实时节点来说，只有介质访问控制方法不同，其它层的协议结构可以完全一致，而正是介质访问控制上的不同体现出优先级、实时性的差别。事实上，为了保证兼容性，使实时节点和普通以太网节点能相互通信，实时节点的物理层信号规范(PLS)、接入单元接口(AUI)、介质接入单元(MAU)、介质依赖接口(MDI)规定与以太网标准一致，两者数据链路层的数据帧结构定义也相同，数据帧由前导码、帧首定界符、终点地址、源点地址、长度指示符、数据字段、填充字段、检验码8个字段组成。

本发明的实时节点遵循实时介质访问控制方法是：如果检测到实时数据帧发生冲突，实时节点并不像普通节点一样停止传输，而是坚持发送竞争信号。规定竞争信号的长度不小于最小竞争时隙的长度，而最小竞争时隙定义为网络上相距最远的两个节点的信号传播时延的两倍。普通节点检测到冲突后都停止信号发送，退出竞争。剩下的实时节点按照优先级的大小决定是坚持发送竞争信号还是让出信道给更高优先级的节点，优先级越高的节点坚持发送竞争信号的次数越多。实时节点发送竞争信号的同时也在侦听信道，在某个节点发送完竞争信号之前，如果检测到信道上的冲突已消失，说明其它的实时节点都已经退出竞争，该节点就取得信道的访问控制权，停止传输竞争信号，经过一个空闲时隙，重传被破坏的数据帧。新方法能保证实时节点在与非实时节点的竞争中能先取得信道，如果有多个实时节点参与竞争，优先级最高的实时节点最先取得信道的访问控制权。

实际以太网的介质访问控制方法中帧间隙是不可缺少的。帧间隙是帧传送之间的时间延迟，作用是区分上一帧的结束和下一帧的开始。根据以太网标准的定义，帧间隙的长度是节点发送96位比特所用的时间。应用新的介质访问控制方法，如果实时节点取得信道后仍然等待96位时间延迟再发送数据帧，信道会出现足够长的空隙时间让其它节点加入到发送行列中，造成冲突。所以规定，实时节点从通过竞争取得信道到开始发送数据帧的时延略小于96位时间延迟。为了防止因为减小帧间隙引起帧的丢失，通过减少中继器的数目来减小帧间隙收缩。以太网标准规定任意两个节点之间允许的传输路径可由5个网段、4个中继器组成，本发明的实时介质访问控制方法规定最多允许3个中继器。

图2为本发明中实时节点数据帧发送流程图。

如图2所示，这是一个传输率10Mbps的实时节点，应用本发明的实时介质访问控制方法的数据发送流程，提供实时传输和优先级机制，该节点能与10Mbps标准以太网节点挂在同一系统上相互通信。在步骤S100节点上有数据帧到达。每个节点在发送前要规定数据帧优先级的大小(步骤S101)，优先级大小定义为检测到信道冲突后节点可以持续发送竞争信号的最大次数，数字越大优先级越高，而次数为0的就是优先级最低的普通数据帧。数据帧的优先级保存在存储器中，设为P。节点有一计数器C用于指示节点竞争信号发送次数，在步骤S101计数器C清0。然后节点检测信道是否空闲，如果信道忙就等待，如果信道空闲时间超过所规定的最小帧间隙时间间隔9.6×10^-6秒，节点开始发送数据帧(步骤S104)。因为信号传播有时延，这时信道上可能有两个或者两个以上的数据帧在传输造成冲突。在步骤S105节点检测信道是否发生冲突，如果到数据帧发送结束仍未检测到冲突，认为本次发送成功，流程结束。如果检测到冲突，流程转到步骤S106，发送长度为3.2×10^-6秒的阻塞信号，加强冲突，确保其它节点都能收到冲突信号。在步骤S107比较计数器C与指示优先级的变量P的大小，如果相等说明该实时节点发送的竞争信号次数已达到数据帧优先级相对应的最大值，而此时有更高优先级的实时节点在参与竞争。然后流程跳转到步骤S101，这时可以根据数据帧的约束时间长短改变优先级的大小，参与下一轮的竞争，为了提高实时性，这里没有采用时延不确定的截断二进制指数退避算法。如果在步骤S107中，计数器C的数值小于P，流程转到步骤S108，开始发送长度9.0×10^-6秒的竞争信号，计数器C数值加1。在发送完竞争信号前，如果冲突消失说明其它的节点都已经退出竞争，该节点就取得信道的访问控制权，等待8.0×10^-6秒的时间间隔(步骤S110)，重传被破坏的数据帧(步骤S111)。如果在步骤S109信道冲突仍绕存在，流程转到步骤S107，继续竞争过程直至节点取得信道或者退出竞争。

Claims

1、一种包含以太网节点和实时节点的串行总线通信系统，其特征在于由普通以太网节点和实时节点组成，以太网节点遵循标准以太网协议，实时节点遵循实时网络通信协议，不同类型节点按照各自的协议标准发送和接收数据，并能够互相通信，实时节点的通信协议层次分为物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、逻辑链路控制(LLC)、上层协议(TCP/IP等)，其中物理层、逻辑链路控制、上层协议与以太网标准节点一致，两者介质访问控制层的数据帧结构定义相同，介质访问控制方法不同。

2、如权利要求1所说的包含以太网节点和实时节点的串行总线通信系统，其特征在于实时节点遵循的实时网络通信协议，通过信号的持续发送而取得信道的访问控制权，并根据不同节点的信号持续发送时间长短的不同体现不同的优先级，竞争信号的长度不小于最小竞争时隙的长度，而最小竞争时隙定义为网络上相距最远的两个节点的信号传播时延的两倍。