CN1663201A - 用以传输时间驱动和事件驱动的以太网信息的通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种在分布式实时系统内用作传输以太网信息的通信方法，当中有多部网络节点计算机，例如四部网络节点计算机(111、112、113、114)，每部计算机包含至少一个通信控制器(121、122、123、124)，并通过包含一条或以上通信信道(109)的通信系统连结，每一通信信道获配置一个或以上智能星形耦合器(101、102)。按照本发明，传统以太网信息(ET信息)与时间驱动以太网信息(TT信息)之间会作出区分，TT信息会按传输器与接收器之间预先已知的恒定递延时间传送。当ET与TT信息之间有时间冲突时，冲突涉及的ET信息会延迟或中止传送，务使能够按恒定递延时间传送TT信息。本发明进一步有关一种相应的通信系统和适用于该种通信系统的一种星形耦合器。

Description

用以传输时间驱动和事件驱动的以太网信息的通信方法和系统

本发明关于一种在分布式实时系统内用作传输以太网信息的通信方法，当中有多部网络节点计算机，例如四部网络节点计算机，每部计算机包含至少一个通信控制器，并通过包含一条或以上通信信道的通信系统连结，每一通信信道获配置一个或以上的智能星形耦合器。

再者，本发明关于一种在分布式实时系统内用作传输以太网信息的通信系统的星形耦合器，其中包括多部网络节点计算机，例如四部网络节点计算机，每部计算机包含至少一个通信控制器。该通信系统包含一条或以上通信信道，网络节点计算机通过通信信道互相连接，以及每一通信信道获配置一个或以上的智能星形耦合器。

下文中提述的文献列示如下：

[1]1989年12月12日刊发的US 5694542：备有实时精确节点同步的松散耦合分布式计算机系统。

[2]1996年12月18日的EP 0 658 257：用以传输信息的通信单元和方法。

[3]1999年3月23日刊发的US 5887143：时间驱动的通信控制单元和通信。

[4]2000年6月15日的AT 407 582：用以防止串扰“傻子”差错的备有综合保护装置的信息分布单元。

[5]2001年3月15日的AT 408 383：分布式实时电脑系统内用于多原件时钟同步的方法和通信控制单元。

[6]2000年10月10日的奥地利专利申请1723/2001号：分布式、容错、实时系统内用以包容轻微偏离规格错误的方法。

[7]2001年3月19日的奥地利专利申请429/2001号：时间驱动通信系统内用以建立事件信道的通信方法。

[8]位于统一资源定位器(URL)： HTTP://st andards.ieee.org的电气与电子工程师学会(IEEE)以太网标准802.3。

[9]Kopetz，H.(1997).Real-Time Systems，Design Principlesfor Distributed Embedded Applications(分布式嵌入应用程式的实时系统、设计原理)；ISBN：0-7923-9894-7.Boston.Kluwer AcademicPublishers。

[10]Sharon，O.，Spratt，M.，“A CSMA/CD compatible MAC forreal-time transmission based on varying collision intervals”(用以基于可变冲突区间作实时传输的CSMA/CD兼容MAC)，载于：1998年国际标准化组织信息委员会会议.电气与电子工程师学会的电脑和通信学会联席会议第7届年会.会议纪录。电气与电子工程师学会，1998年第3期，第3期1265至1272页。

在过去二十年，电气与电子工程师学会(IEEE)以太网标准802.3[8]获得广泛接纳，而由于个人电脑领域中以太网控制器拥有庞大市场，以致基于以太网的通信系统价格大幅下降。虽然现有以太网协定中并无良好的实时特性，例如最低不穏定性，但由于价格方面的原因，以太网在实时数据处理上的使用亦日益增加。

从[10]可得悉一项CSMS/CD系统，其中信息划分为低和高的优先性，当两项信息有冲突时，高优先性的信息将获优先处理。

然而，以太网协定的实时特性在本文建议的程序中不能自行重大改善。

本发明的一个目的是使以太网信息的传输能具有良好的实时特性。

这目的可利用开端所述类别的方法达致，当中按照本发明区分传统以太网信息(ET信息)和时间驱动以太网信息(TT信息)，TT信息按传输器和接收器之间预先已知的恒定递延时间传送，在ET与TT信息之间有时间冲突时，冲突所涉及的ET信息将会延迟或中止传送，务使能够按恒定递延时间传送TT信息。

再者，开端所述的目的可利用开端所述按本发明作出设定的星形控制器达致，用以区分传统以太网信息(ET信息)和时间驱动以太网信息(TT信息)，TT信息按传输器和接收器之间预先已知的恒定递延时间传送，就此，在ET与TT信息之间有时间冲突时，冲突所涉及的ET信息将会延迟或中止传送，务使能够按恒定递延时间传送TT信息。

相对于[10]所披露的“无优先处理”解决方案，按照本发明可不必等待低优先性信息传输完毕，而是低优先性信息会被中止，以便能够传输高优先性的信息(“优先处理”)，因此亦不必等待低优先性信息的最长运行时间，恒定的等待时间亦可维持于短时间之内。

通过确保恒定递延时间，便有可能达致高度控制的工程精确度，恒定递延时间因而具有特别的重要性，原因是按时钟同步理论所得知，递延时间的变动(即最长与最短递延时间的差异)会令时钟同步的精确度减低。在时钟同步算法中可考虑使用预先已知的恒定递延时间，因而不会对时钟同步的精确度构成影响。由于全局时间的伙粒度必须大于时钟同步的精确度，不精确的时钟同步将导致差劣的时间基准。时钟的伙粒度粗糙，导致事件的时间清晰度不精确。此外，递延时间的变动亦决定分布式计算机系统内分布行动同步的精确度。

本发明令致有可能大幅改善通信系统的实时特性。这种新通信系统支援事件驱动和时间驱动以太网信息在单一个通信系统中平行运作。在下文内，传统以太网信息称为ET(事件驱动)信息，而时间驱动以太网信息称为TT(时间驱动)信息。时间驱动信息有恒定递延时间和最低不穏定性。

本发明带来下述重大经济利益。TT信息的最低不稳定性，有助制定高度控制工程质量的闭环控制回路。TT信息有助制定高精确度的全局时间。全局时间支援于获取数据时产生精确的本地时间戳，令致有可能改善界面的时间规格。此外，传统以太网控制器可无须改装便可使用。

如恒定递延时间是根据星形耦合器的输出信道可清理以供传送即将接收的TT信息来选定，则本发明的方法可以特别简单地产生。

在一个实施例中，信息的一个指定段中会指示信息是一项TT信息还是一项ET信息。

再者，TT信息中可包含一个指示信息传输时刻的选择性时间区段。

在本文中，如经已通过预先规划来确立两项TT信息传送之间须遵守的时间区间至少为恒定递延时间，将会是一项有益之处。

再者，上述目的是使用开端所述的系统达致，即按本发明作出设定，区分传统以太网信息(ET信息)和时间驱动以太网信息(TT信息)，并按传输器和接收器之间预先已知的恒定递延时间传送TT信息，就此，在ET与TT信息之间有时间冲突时，冲突所涉及的ET信息将会递延或中止传送，务使能够按恒定递延时间传送TT信息。

如上文所述，如所选定的恒定递延时间，致使星形耦合器的输出信道可在递延时间内清理以供传送传入的TT信息，将会是一项有益之处。

此外，可以规定信息的一个指定区段中指示信息是一项TT信息还是一项ET信息。

再者，TT信息中可包含一个指示信息传输时间的选择性时间区段。

在本文中，如经已通过预先规划来确立两项TT信息传送之间须遵守的时间区间至少为恒定递延时间，将会是一项有益之处。

在通信系统的一项实质实施例中，规定当传入信息是TT信息时，将会通过一项配置信息向星形耦合器显示。

在本文中，星形耦合器区分TT信息和ET信息，并按预先已知的恒定递延时间传送TT信息，当ET信息与TT信息有时间衡突时，其将中止衡突所涉及ET信息的传送，务使能够按恒定递延时间传送TT信息。

按规定，TT信息按时传输后，星形耦合器将会重新传输涉及衡突并被中止的ET信息。

再者，可以规定星形耦合器利用TT信息内包含的时间区段校准其本地时钟。

在本文中，如星形耦合器以容错方式，利用多项TT信息中包含的时间区段校准其本地时钟，将会是一项特别有益之处。

此外，可规定星形耦合器与一组网络节点计算机中的复制星形耦合器联接，而该联接是通过一个专用的单向信道进行，在该信道上由星形耦合器传送的所有TT信息均属输出形式。

此外，星形耦合器亦仍然可以按其本地时间基准，检查TT信息是否大约在传输时刻左右的预先已知时间窗口内到达，而当星形耦合器提早或延迟接收一项TT信息时，会把该信息列为错入信息，以致所有正确接收器会检测该信息为一项错误。

星形耦合器会把每项TT信息解码，并基于其本地时间设定模块来重新编码。

星形耦合器阅读TT信息一个或以上的选定区段，并于递延时间内检查该等区段的内容与通过配置信息预先传递至星形耦合器的已知标准是否相符。如不相符，该信息列为错入信息，以致所有正确接收器会检测该信息为一项错误。

此外亦按本发明规定通信控制器利用TT信息内包含的时间区段，校准其本地时钟。

通信控制器以容错方式，利用多项TT信息内包含的时间区段校准其本地时钟。

此外，当信息的时间区段内指示的传输时刻到达后，经已由网络节点电脑所执行的应用程式接纳的TT信息，即会由通信控制器自动传输。

此外，规定通信控制器区分ET和TT信息，通信控制器并把ET信息提供给与事件语义相符的本地应用程式软件，作为一项新信息存放于轮候队列，在其中由应用程式软件以消耗方式阅读，通信控制器把TT信息提供给与状态语义相符的本地应用程式软件，以新的信息替代旧的信息，由本地应用程式软件以非消耗方式阅读。

最后，通信控制器有两个或以上通信信道，当中提供同一项TT信息的多个完全相同副本，如一项有效TT信息准时由该等冗余信道其中至少一个接收，该项通信操作即视为成功。

在下文中将参考图解说明本发明，所显示的图解计有：

图1是分布式电脑系统连同一个星形耦合器的结构，

图2是分布式电脑系统连同两个星形耦合器的结构，

图3是一项标准规格的一般以太网信息的结构，

图4是一项标准规格的扩充以太网信息的结构，

图5是一项TT以太网信息的结构，及

图6是TT以太网信息的一项TT参数区段的位阵列。

在下一节中，通过一项实例显示该新方法的一个实施例，其中有四部通过两个重复星形耦合器联接的网络节点计算机。

图1显示连同一个星形耦合器的分布式计算机系统。该系统包含四个网络节点计算机111、112、113和114，各有一个通信控制器121、122、123和124，每一该等控制器联接一条双向通信信道，并且是通过包含一条通信信道109的通信系统联接。这通信信道内设有一个智能星形耦合器101，用作中央控制通信。星形耦合器101可通过一条选择性的独立通信信道141来预置和观察。

图2显示具有两个星形耦合器的分布式容错计算机系统。该系统包含四部网络节点计算机111、112、113和114，各有一个通信控制器121、122、123和124，每一该等控制器联接两条双向通信信道，每一该等通信信道联接与一个执行通信中央控制的智能星形耦合器101和102相连。星形耦合器101可通过信道151把其信息传输至星形耦合器102，并可通过独立通信信道141来预置和观察。星形耦合器102可通过信道152把其信息传输至星形耦合器101，并可通过独立通信信道142来预置和观察。

图3显示按照[8]的标准规格的一般以太网信息的结构。位于7个字节长度的前同步码301之后，有起动定界符区段302、目标地址303、来源地址304、信息长度或信息类型307、可变数据区段310、用以延长短信息的选择性附加资料区段311以及帧检验序列312。

图4显示按照[8]的标准格式的扩充以太网信息的结构。除图3所述的区段外，区段305内设有扩充信息的标识符，区段306内设有标签类型区段。在标签类型区段内，使用者可决定信息的优先次序，最高优先次序可按照本发明用作识别TT信息。上述标识符与以太网标准[8]相符。务须指出的是，在以太网标准内，区段305的编码容量尚未全面使用，因而此区段亦可用作识别TT信息。

图5显示TT以太网信息的结构。除图4所述的区段外，在区段308引入TT参数区段，在区段309指示TT信息的选择传输时刻。市场上提供的标准以太网控制器阅读区段308和309内的使用者特定数据区段。在TT参数区段308内的是有关TT信息结构和类型的资讯。

图6显示TT参数区段308的位阵列的内容。如该位设定于区段601(低排序位)，表示区段309内的传输时刻载于TT信息之内。如该位设定于区段602，表示信息来自备有精确时钟时间的传输器，可用作时钟同步。

如一部网络节点计算机(例如111)拟传输一项TT信息，其在信息区段306设定TT信息的编码并传输信息。另一选项是网络节点计算机上运作的应用程式软件可在信息设定位601，并在信息的区段309内写入所拟的传输点，随后即可通过以太网通信控制器精确地于设定传输时刻309自主地开始传输。如传输器设定信息位，则信息会载有特别精确的时间指示，可用作其他控制器的时钟同步。

星形耦合器分析传入的信息，并利用区段306决定即将到达的是一项TT信息还是一项ET信息。如为TT信息，星形耦合器基于区段303决定所拟的输出信道，例如于图1的节点114。如一项ET信息于此信道直接传送，则星形耦合器会立即中止这项传输操作，并于已知恒定递延时间内清理通往节点114的信道，以供进一步传送刚到达的TT信息。所选定的递延时间必须有充份长时间，以致在每项情况下输出信道均可在这递延时间内清理，以供传送TT信息。在TT通信的预先规划内，必须确保接续TT信息之间的区间大于递延时间。在个别情况下，星形耦合器精确地观察开始接收一项TT信息与开始传输一项TT信息之间的恒定递延时间。如星形耦合器已中止传送涉及冲突的ET信息，其可于准时传送TT信息后，重新传输被中止的ET信息。星形耦合器亦可如[4]所述承担维护功能，以检测和分离错误信息，藉此防止错误传播。如一项在区段309的TT信息获得传输时刻，则星形耦合器可检查信息是否按照[6]大约于传输时刻的已知容限区间内到达，否则信息会被拒绝。另一选项，是通过信道141利用预先传输的配置信息，将预期会接收TT信息的输入信道和输入时刻传达给星形耦合器。容错系统内这项资讯冗余可防止故障的计算机节点录入不正确的传输时间。由于星形耦合器基于其本身的振荡器和其本身的电源供应对输出的信息编码，传输器对接收器的SOS错误传送[4]会被停止。星形耦合器可根据量度TT信息开始接收时间首先校准其本地时钟，并设定其时钟以使其于此接收时刻将会接纳全局时间值309，该全局时间值载于信息内[5]。

一项持续的容错时钟同步可实现如下：根据区段602所标记的每项同步信息，星形耦合器会决定其本地时钟所量度的同步信息接收时刻与该信息区段309内所载的传输时刻[5]之间的区间。

这区间量度接收器时钟与传输器时钟的偏差。如有多项该等信息存在，则有可能利用已知的容错同步算法计算星形耦合器时钟的改正因数，如[9]第61页所述。该项容错同步方法亦可于星形耦合器的硬件实现[1]。在一项容错系统[2、3]中，如当中有与图2相符的重复通信信道，每一星形耦合器均可通过一个专用联接信道(星形耦合器101的为信道151，星形耦合器102的为信道152)把所有TT信息传送至另一星形耦合器，以使当后者本身无输入信息到达时，亦可校准其时钟。在容错系统中，星形耦合器可在递延时间内，通过配置信息向其报告的准则检查信息数据区段310，以检测传输器的数据区段，被检测为错误的信息不会由星形耦合器传送。

如接收通信控制器于正到达的TT信息的区段309寻得传输时间，其可通过量度信息开始接收时间以校准其本地时钟，并设定其时钟以使其于该接收时刻将已接纳信息内所载的全局时间值309加上星形耦合器引致的恒定递延区间[5]。持续的容错时钟同步可实现如下：根据区段602所标记的每项同步信息，通信控制器会决定其本地时钟量度的同步信息接收时刻与区段309所载传输时刻之间的区间，此区间将会按星形耦合器的已知递延区间而缩短。这经缩短的区间量度接收器时钟与传输器时钟的偏差。如有多项该等信息存在，则有可能如[9]第61页所述利用已知的容错同步算法计算星形耦合器时钟的改正因数。该容错同步方法亦可于接收通信控制器的硬件实现[1]。如计算机节点(例如111)的应用程式软件于信息区段309内录入所拟的信息传输时间，按本发明的扩充通信控制器可精确地于正确的传输时间自主地起始传输[2、3]。于接收通信控制器(例如121)与应用程式软件之间的界面，扩充的通信控制器可分别提供ET信息和TT信息。ET信息一般包含有关事件的资讯，并必须按照事件语义处理[7]。事件语义规定到达的信息须暂时储存于等候队列中，并确切地传送一次至使用者处理程序。TT信息一般包含状态数据，该等数据可按照公用储存器内的状态语义提供。新TT信息的接收会以同一名称盖写旧TT信息的储存值。接收程序会以非消耗方式读取状态数据。在提供多项多重独立通信信道的容错系统中，例如按图2通过两条信道，信息会以重复方式传送。在该种系统中，如至少其中之一个重复信息副本到达接收器，该通信即成功。

最后，务须注意前述有关在以太网内综合时间驱动和事件驱动信息的具体实施例，仅为本发明许多可能实施变化例的其中之一。

举例而言，有关一项到达星形耦合器的信息是否一项TT信息的决定，有可能并非按区段306或区段305内的信息内容作出，而是按星形耦合器接收信息的时刻作出。在此情况下，必须通过项配置信息预先向星形耦合器报告预期TT信息将于何时及在那一信道到达。

此亦可用于通信控制器。

本发明的一项基本特征，是现时商业上可供使用的以太网控制器，无须改装便可传送和接收时间驱动的信息。

Claims (25)

1.一种在分布式实时系统内用作传输以太网信息的通信方法，其特征在于，当中有多部网络节点计算机，例如四部网络节点计算机(111、112、113、114)，每部计算机包含至少一个通信控制器(121、122、123、124)，并通过包含一条或以上通信信道的通信系统连结，每一通信信道获配置一个或以上的智能星形耦合器(101、102)，

其中

在传统以太网信息(ET信息)与时间驱动以太网信息(TT信息)之间作出区分，

TT信息按传输器和接收器之间预先已知的恒定递延时间(Δ)传送，

在ET与TT信息之间有时间冲突时，冲突涉及的ET信息将会递延或中止传送，务使能够按恒定递延时间(Δ)传送TT信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所选定的恒定递延时间(Δ)，使得星形耦合器(101、102)的输出信道可于此递延时间内清理，以供传送进入的TT信息。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在信息的一个显着区段中，有指示说明信息是TT还是ET信息。

4.如权利要求1至3中之一所述的通信方法，其中TT信息内载有选择性时间区段(309)，指示信息的传输时刻。

5.如权利要求1至4中之一所述的通信方法，其中通过预先规划来决定两项TT信息传送之间须遵守的时间区间至少为恒定递延时间(Δ)。

6.一种在分布式实时系统内用作传输以太网信息的通信系统的星形耦合器，其中包括多部网络节点计算机，例如四部网络节点计算机(111、112、113、114)，每部计算机包含至少一个通信控制器(121、122、123、124)。该通信系统包含一条或以上通信信道(109)，网络节点计算机(111、112、113、114)通过通信信道互相连接，每一通信信道获配置一个或以上的智能星形耦合器(101、102)，其中星形耦合器可区分传统以太网信息(ET信息)和时间驱动以太网信息(TT信息)，并按传输器和接收器之间预先已知的恒定递延时间(Δ)传送TT信息，就此，当ET信息与TT信息有时间衡突时，冲突涉及的ET信息将递延或中止传送，务使能够按恒定递延时间(Δ)传送TT信息。

7.如权利要求6所述的星形耦合器，其中所选定的恒定递延时间(Δ)，使得星形耦合器(101、102)的输出信道可于此递延时间内清理，以供传送进入的TT信息。

8.如权利要求6或7所述的星形耦合器，其中在信息的一个指示区段中，有指示说明信息是TT信息还是ET信息。

9.如权利要求6至8中之一所述的星形耦合器，其中TT信息内载有选择性时间区段(309)，指示信息的传输时刻。

10.如权利要求6至9中之一所述的星形耦合器，其中通过预先规划来决定两项TT信息传送之间须遵守的时间区间至少为恒定递延时间(Δ)。

11.如权利要求6至10中之一所述的星形耦合器，其中当传入信息是TT信息时，将会通过一项配置信息向星形耦合器显示。

12.如权利要求6至11中之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器区分TT信息和ET信息，并按预先已知的恒定递延时间(Δ)传送TT信息和ET信息，当ET信息与TT信息有时间衡突时，其将中止涉及衡突的ET信息的传送，务使能够按恒定递延时间(Δ)传送TT信息。

13.如权利要求6至12中之一所述的星形耦合器，其中TT信息按时传输后，星形耦合器将会重新传输涉及衡突并被中止的ET信息。

14.如权利要求6至13中之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器利用TT信息内包含的时间区段(309)校准其本地时钟。

15.如权利要求6至14中之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器以容错方式，利用多项TT信息中所载的时间区段(309)校准其本地时钟。

16.如权利要求6至15中之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器与一组网络节点计算机中的复制星形耦合器联接，而该联接是通过一个专用的单向信道(151)进行，在该信道上传送至星形耦合器的所有TT信息均属输出形式。

17.如权利要求6至16中之一所述的星形耦合器，其中就每项TT信息而言，星形耦合器按其本地时间基准，检查TT信息是否大约在信息所载传输时刻(309)左右的预先已知时间窗口内到达，而当TT信息提早或延迟到达时，会把该信息列为错入信息，以致所有正确接收器会检测该信息为一项错误。

18.如权利要求6至17中之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器会把每项TT信息解码，并基于其本地时间设定模块来重新编码。

19.如权利要求6至18中之一所述的星形耦合器，其中星形耦合器阅读TT信息一个或以上的选定区段，并于递延时间(Δ)内检查该等区段的内容与通过配置信息预先传递至星形耦合器的已知标准是否相符。如不相符，该信息列为错入信息，以致所有正确接收器会检测该信息为一项错误。

20.一种在分布式实时系统内用作传输以太网信息的通信系统，其中包括多部网络节点计算机，例如四部网络节点计算机(111、112、113、114)，每部计算机包含至少一个通信控制器(121、122、123、124)。该通信系统包含一条或以上通信信道(109)，网络节点计算机(111、112、113、114)通过通信信道互相连接，每一通信信道获配置一个或以上的智能星形耦合器(101、102)，以第6至19项权利要求其中之一所述的星形耦合器为特征。

21.如权利要求6至20中之一所述的通信系统，其中通信控制器利用一项TT信息内所载的时间区段校准其本地时钟。

22.如权利要求6至21中之一所述的通信系统，其中通信控制器以容错方式，利用多项TT信息内所载的时间区段(309)校准其本地时钟。

23.如权利要求6至22中之一所述的通信系统，其中当信息的时间区段(309)内指示的传输时刻到达后，，通信控制器即会自动传输已由在网络节点计算机上运行的应用程式接纳的TT信息。

24.如权利要求6至23中之一所述的通信系统，其中通信控制器区分ET和TT信息，通信控制器并把ET信息提供给与事件语义相符的本地应用程式软件，作为一项新信息存放于轮候队列，在其中由应用程式软件以消耗方式阅读，通信控制器把TT信息提供给与状态语义相符的本地应用程式软件，以新的信息取代旧的信息，由本地应用程式软件以非消耗方式阅读。

25.如权利要求6至24中之一所述的通信系统，其中通信控制器有两个或以上通信信道，当中提供同一项TT信息的多个完全相同副本，如一项有效TT信息准时由该等冗余信道其中至少一个接收，该项通信操作即视为成功。

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