CN1745546B - 以太网信息的网络耦合器、网络及数据处理方法 - Google Patents

以太网信息的网络耦合器、网络及数据处理方法 Download PDF

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Abstract

一种网络耦合器设在网络上，以太网信息可于其上传送，及多个用户间，该网络链接至该网络耦合器的外部接口且该多个用户经由该网络耦合器的内部接口串连链接至环状形式发射路径。为互换数据，将经由该网络耦合器的该外部接口所接收的以太网信息送至该网络耦合器的该内部以太网接口及于该环状形式发射路径输出，连接于该内部接口的每一个用户互换意欲用于该个别用户的有用数据与在该环状形式发射路径上循环的该以太网信息。

Description

以太网信息的网络耦合器、网络及数据处理方法
技术领域
本发明涉及以太网信息的网络耦合器、网络及数据处理方法。
背景技术
目前用于区域通信网路，一般称为″局域网络″(LANs)的最普及标准为以太网，使用以太网，数据目前可在多至100兆位/秒(Mbps)的速率传送。LANs为受限于地理区域及由一或更多服务器及工作站(一般称的节点)所组成的区域通信网路，节点经由通信线路网，如共轴、光纤或绞对缆线连接。在LANs的情况下，各种网络拓朴如总线、星状或树状结构为可能的。
LANs借由网络操作系统及网络协议操作，以太网构成此种网络协议，而且，以太网支持广范围的通信协议，如TCP/IP协议或IPX协议。在OSI阶层模型网络中数据传送的国际参考模型，其由包含七个层的层堆栈所构成，对每一个层定义一组协议及在每一个情况下使得它们的服务可提供给下一个更高层，以太网指定至该第二层，该一般称的数据链接层。在此数据链接层，要通信数据以封包束捆，个别通信协议的特定信息项目加至此。在该网络中数据链接层负责该数据封包自节点至节点的传送及负责错误检测。
在以太网观念的情况下，数据链接层细分为两层，第一层加至数据一般称为表头，其包含接收者协议进行正确数据传送所需的数据项。在以太网协议的第二层，数据封包接着在额外表头及进一步一般称为结束块的协助下封装以进行数据封包自节点至节点的传送。使用此种以太网数据封包，一般称为以太网信息，可以传送其多至1500字节的长度的数据。
以太网进一步定义关于个别节点如何被允许利用及占据该网络的物理连接路径的存取方法。在此情况下，以太网根据一般称为CSMA/CD(载波感测多重存取/碰撞检测)存取方法操作。在此存取方法的情况下，节点希望在传送前传送该发射路径是否为空出的的检查，接着传送该数据。因为所有的节点可同时传送它们的数据，碰撞可能发生，传送操作接着因通知该碰撞的节点而中断，为防止两个节点以一种由短时间间隔补偿的方式起始传送，所有传送节点产生一般所称的JAM信号以使得位于该发射路径的所有节点终止目前数据封包的处理及于是不会干扰该传送操作。
以太网协议原则上用于办公室通信网路，因为以太网观念，在标准硬件及软件组件的使用及亦甚至以简单网络技术达到高数据传送速率的可能性的优点，希望亦能够使用以太网网络通信于数据交换及进行控制工作的工业制造。
然而，特别是迄今以太网协议的不足实时能力仅允许在自动化技术的有限使用，此是因为机械控制需要控制工作的周期处理以继续发生且无暂时波动，亦即具有在数微秒范围之距所欲周期时间的非常小偏差，该系统以可预测的反应时间反应该调节要求。然而，由以太网所使用的CSMA/CD存取方法不保证此种固定的反应时间，此是因为在非常高网络容量利用率的情况下，其可因为所使用的以太网信息无法于特定时间间隔传送的存取方法发生，使得不确保对调节要求的保证反应时间。
虽然如此，为能够在以太网网络某种程度地达到实时，此种以太网网络常使用一般所称的开关以星状拓朴建构，在此情况下，每一个节点，后文亦称为用户，具有至网络开关的点对点连接，该开关检查于网络上通过的每一个以太网信息关于经寻址用户的地址及接着将该以太网信息经由该相对应点对点连接向前送至该经寻址用户。然而，此种完全由用户及中央开关之间的点对点连接所构成的网络拓朴需要复杂的电缆工作及所以伴随着高成本。
为确保在以太网网络的实时能力及快速反应时间，进一步存在允许以太网信息传送操作要由超属协议层控制取代由CSMA/CD存取方法控制的可能性。然而，此结果为所需的额外实时协议层增加在用户的增强容量利用率，所以其需要有力的微控制器，其必然产生高成本。
而且，具有长度多至1500字节及100兆位/秒的高数据传送速率的以太网数据封包的传送需要在个别用户所提供的以太网接口以有力的数据处理单元升级以能够储存及快速地读出大的数据封包。
特别是当控制工作需要具非常小数目字节的处理数据，强制性所需的以太网信息数据长度妨碍成本有效的接口设计。此是因为作为站-导向网络的以太网需要至少100字节的数据长度，如解释，在100兆位/秒的高数据传送速率，其使有力的微控制器为必需以进行传送及接收操作。若实时通信协议重叠于以太网协议的CSMA/CD存取方法，为确保实时能力，此格外为真，使得原则上大的以太网信息数据封包已因此额外协议产生。
美国专利第6,389,030B1号揭示一种网络耦合器及相应网络及亦揭示一种数据互换方法。
本发明目的为提供一种以太网的网络耦合器、以太网网络及以太网数据传送方法，借由此实时控制工作可以简单及成本有效方式在以太网信息的协助下进行。
此目的可借由本发明的网络耦合器、网络及方法达到。
发明内容
根据本发明，提供用于实时应用的用户连接至环状形式的发射路径，该环状形式发射路径连接至网络，于此以太网信息可经由网络耦合器传送，该网络耦合器设计为使得自网络经由该网络耦合器的外部接口所接收的以太网信息向前送至该网络耦合器的内部接口及于该环状形式发射路径输出，连接至该环状形式发射路径的每一个用户在该以太网信息通过该环状形式发射路径时，互换意欲用于该个别用户的有用数据与在该发射路径上循环的以太网信息。
根据本发明一方面提供一种网络耦合器，具有链接至网络的外部接口，以太网信息(ET)可于所述网络上传送，以及内部接口，以串连链接多个用户：装置1，…装置n至环状形式发射路径，经由该外部接口所接收的以太网信息(ET)送至该内部接口及于该环状形式发射路径输出；其特征在于：连接至该内部接口的每一个用户：装置1，...装置n，在该以太网信息通过该环状形式发射路径时，互换意欲用于该个别用户的有用数据与在该发射路径上循环经过该相对应用户的的该以太网信息，在此情况该用户可采用来自于该以太网信息(ET)的数据区域指定至该用户的数据区块：数据装置1，…数据装置n的数据，以及在该用户的部分，插入数据于该以太网信息的数据区域指定至该用户的数据区块。
根据本发明另一方面提供一种网络，具有上述的以太网耦合器及多个用户：装置1，…装置n，所述多个用户经由环状形式发射路径串连连接至该以太网耦合器的内部接口，其特征在于每一个情况的用户：装置1，...装置n都设计为了解在该环状形式发射路径传送的以太网信息(ET)及执行数据互换，于该数据互换中，该用户可采用来自于该以太网信息的数据区域指定至该用户的数据区块的数据，以及在该用户的部分，插入数据于以太网信息的该数据区域指定至该用户的该数据区块。
根据本发明又一方面提供一种经由网络耦合器在网络及多个用户间互换数据的方法，以太网信息可于该网络上传送，该网络链接至该网络耦合器的外部接口且该多个用户经由该网络耦合器的内部接口串连链接至环状形式发射路径，经由该网络耦合器的该外部接口所接收的以太网信息送至该网络耦合器的该内部接口及于该环状形式发射路径输出，其特征在于：连接于该内部接口的每一个用户，在该以太网信息通过在该环状形式发射路径的相对应用户时，互换意欲用于该个别用户的有用数据与在该环状形式发射路径上循环经过相对应用户的以太网信息，在此情况该用户可采用来自于该以太网信息的数据区域指定至该用户的数据区块数据，以及在该用户的部分，将数据插入至于该以太网信息的数据区域中于指定至该用户的数据区块。
在此网络设计的情况下，具有该网络耦合器及经由该网络耦合器连接至该发射路径的用户的该环状形式发射路径显现至该网络为单一以太网用户。该网络耦合器及连接至该环状形式发射路径的用户分享单一以太网连接，其结果为可能免除额外、有力的微控制器-在现有技术中为必需-以处理在个别用户本身的以太网信息。作为在通过连接至其的用户过程以太网信息在该环状形式发射路径的处理的结果，个别用户的反应时间基本上被减少，使得控制工作可随循环的以太网信息实时执行。
如由该网络耦合器可见连接至该二信道线的最后用户接着在该第二信道送回已通过及修改(若适当)的该以太网信息，所插入直至于该网络耦合器的每一个用户传输该经送回以太网信息，此设计使得其可能使用单一缆线，如包含此种二信道线的绞对缆线于该环状形式发射路径。在此情况下，该最后连接的用户仅必须执行该以太网信息自该第一信道至该第二信道的反馈。
附图说明
本发明参考相关附图予以详细描述，其中：
图1A及图1B显示根据本发明具网络耦合器及以环状形式方式连接至该网络耦合器的用户的网络，其根据本发明传递中的以太网信息执行处理，图1A表示具有环状线的具体实施例及图1B为具有二信道线的具体实施例；
图2显示根据本发明具网络耦合器及经连接环状形式发射路径的网络，其经由标准以太网缆线连接至控制计算机；
图3显示根据本发明的具有插入开关的网络具体实施例，根据本发明网络耦合器连接于此，及
图4显示根据本发明具插入开关的网络，在此情况下该网络以较高通信协议操作。
具体实施方式
以太网已得到接收作为主要在办公室通信的网络系统的通信标准因为可利用标准硬件组件及软件协议及，而且，高数据传送速率为可能的，因此原因，亦希望能够利用以太网标准于数据传送特别是控制工作，的工业环境。在此情况下的基本问题在于该以太网标准实时能力的缺乏，使得于自动控制装置，一般称为现场总线系统，具有实时应用的自动化工作普遍与以太网通信网路分开进行。
为能够亦以简单及成本有效方式使用以太网标准及相对应设计网络于自动化工作的执行，特别是那些于控制中涉及的个别用户需要具非常小数目字节的处理数据，根据本发明，如图1A所示，实现一种网络架构，其中提供额外网络耦合器1，后文亦称为以太网耦合器，其具外部接口11以链接至以太网网络2。在图1A所示的具体实施例中，在此情况下该以太网耦合器1由其外部接口11直接连接至网络传送介质，该传送介质可为共轴缆线、绞对缆线或光纤缆线。
该网络耦合器1的外部接口11配备有接收单元RX以接收来自该网络传送介质2的以太网信息及传送单元TX以传送以太网信息于该网络传送介质2。图1显示此种由该以太网耦合器1所接收的以太网信息ET1及由该以太网耦合器1所传送的以太网信息ET2。该两个以太网信息ET1、ET2的每一个由具接收辨识器及目的地及来源地址的头标、数据区域及订定封包长度与错误检测机构的结束块所组成，在该头标及结束块之间提供的数据区域包括进行控制工作所需及较佳为表示整个方法影像的处理数据。这些处理数据较佳为依次群组于控制的工作个别用户所需的数据区块，亦即用于用户装置1″数据装置1″等。
该以太网耦合器1经由内部接口12进一步连接至一系列用户，其经由环状形式发射路径3辨识为装置1至n，此环状形式发射路径3互连该用户装置1以形成环状拓朴。该以太网耦合器1的内部接口12的传送单元TX用做数据耦合输入位置及该以太网耦合器1的内部接口12的接收单元RX用做数据耦合输出位置。
在该发射路径3的个别用户可互连以形成链接，每一个用户连接至两个邻居且在此情况下在该链接的第一个及最后一个用户连接至该以太网耦合器1。在此情况下，数据传送在自至该以太网耦合器1至该用户装置1进行的方向发生及由此远至该用户装置n及接着回到该以太网耦合器1，该传送方向以箭头于图1A表示。每一个用户具与接收单元RX的接口以接收来自前一个用户的循环以太网信息及与传送单元TX的接口以将循环以太网信息传送至下一个用户。
在此情况下该数据互换如下发生：以太网信息ET1-由该网络1传送-具有自动化工作的个别用户的处理数据由外部接口11的接收单元RX接收，其连接该网络至该以太网耦合器1。该经接收以太网信息接着自该外部接口11传送至该内部接口12，该内部接口12的传送单元TX立即输出该以太网信息至该环状形式发射路径3且无任何可感知的延迟。
连接至该环状形式发射路径3的每一个用户接着采用意欲用于其的来自该循环以太网信息的处理数据(箭头于图1A)，亦即该用户装置1采用该″数据装置1″等及，为其部分，依序插入得自该处理实施的处理数据于在该以太网信息的相对应位置，在通过最后用户装置n之后，以此方式循环的以太网信息接着传送至该以太网耦合器1的内部接口12的接收单元RX及由此向前传送至该外部接口11，其借由该传送单元TX将以太网信息ET2送至该以太网网络1。此处该循环以太网信息的所叙述数据结构仅为实例。
本发明的经由以太网耦合器耦合自动化工作的用户(该用户借由环状结构互连)至该以太网网络的解决方法具有该以太网网络认为连接至该以太网耦合器的装置是单一标准以太网用户的优点。借由在该以太网耦合器的特殊以太网连接，由该以太网耦合器所接收的以太网信息输出至该环状结构且无任何可感知的延迟，使得每一个用户可采用导引于其在该以太网信息的数据且该以太网信息于传送环通过及，为其部分，插入相对应数据。此步骤的优点为因为处理所传递的以太网信息，在数据处理期间没有任何可感知的延迟发生及，结果为可达到短暂反应时间如实时应用所需要的。进一步优点为以太网连接成本每用户可被最小化因为所有经连接用户与以太网耦合器分享该以太网连接及，结果为处理所传递的以太网信息，不需任何有力的微控制器于该装置本身。
该环状形式发射路径可亦具有简单及因而亦不昂贵的短范围传送物理。于是，对发射路径可使用如带式缆线经由此可传送LVDS信号或是光波导缆线取代复杂的绞线对缆线或是光纤缆线。若该以太网网络的传送物理与该环状形式发射路径的传送物理不同，处理装置13，如图1B所示，在该以太网耦合器1为需要的以将以太网信息自该网络2的传送物理转换为该环状形式发射路径3的传送物理，此处理举元13排列于该以太网耦合器1的外部接口11及内部接口12之间，而且，若合适时，该处理单元13可进行对该以太网信息的必要改变以如借由互换来源及目的地地址及重新计算以太网检查和以确保于该发射路径3的经改良以太网信息输出的以太网标准。
在此情况下，图1B显示该环状形式发射路径3的进一步可能具体实施例。取代在图1A所示单信道发射路径，二信道发射路径提供于图1B。在此情况下，该传送发生使得该以太网信息由该以太网耦合器1输出于该发射路径3，且该处理数据自该用户装置1于该第一信道31传递远至该用户装置n，在该传递期间每一个用户执行所欲数据互换，最后连接的用户装置n接着将该经处理以太网信息送回至第二信道32，在该用户装置n及该以太网耦合器1之间插入的每一个其它用户仅传递该以太网信息。此构形使得该以太网网络的惯用全双工传输路径亦能够用于连接自动化用户至该以太网耦合器的该环状形式发射路径。每一个用户较佳为具有两个接口以将该以太网信息传递至全双工线路，在每一个情况此接口互补地具有传送单元TX及接收单元RX以能够在该第一及第二信道传送及接收。
图2显示该以太网耦合器1经由全双工以太网缆线至控制计算机4的简单链接。对数据互换，该以太网耦合器1仅需要该外部接口11及该内部接口12及，若适当，处理单元(未示出)以转换该传送物理。所连接装置再次具有一种接口(未示出)其使得所传递的该以太网信息被了解并由该以太网耦合器输出于该环状形式发射路径以互换该相对应数据于在该装置的所连接硬件，其中该所连接硬件可为一种至该微控制器的接口及指引来自该信号传送器的处理信号。
图3显示进一步网络设计，其中该以太网耦合器1经由开关5连接至该控制计算机4。在此具体实施例中，该以太网耦合器1较佳为额外具有过滤器14，其使得可滤出连接至该网络耦合器的用户所不欲的以太网信息，此确保用于在连接至该以太网耦合器的用户的自动化工作的该以太网信息的较快速处理。
图4显示可能的网络具体实施例其中该以太网信息在超属通信程序，如TCP/IP协议协助下于具该开关5的网络上额外处理。为处理这些超属协议，该以太网耦合器1接着进一步具有微控制器15，其连接至该过滤器14及对应该所需协议性质。该无周期性的、非时间关键数据由在该以太网耦合器1的该微控制器15处理，然而具时间关键数据的该以太网信息输出于该环状形式发射路径以进行与该所连接用户的数据互换。

Claims (9)

1.一种网络耦合器(1)，具有链接至网络(2)的外部接口(11)，以太网信息(ET)可于所述网络(2)上传送，以及内部接口(12)，以串连链接多个用户：装置1，…装置n至环状形式发射路径(3)，经由该外部接口(11)所接收的以太网信息(ET)送至该内部接口(12)及于该环状形式发射路径(3、31)输出；
其特征在于：
连接至该内部接口(12)的每一个用户：装置1，...装置n，在该以太网信息通过该环状形式发射路径时，互换意欲用于该个别用户的有用数据与在该发射路径上循环经过该相对应用户的的该以太网信息，在此情况该用户可采用来自于该以太网信息(ET)的数据区域指定至该用户的数据区块：数据装置1，…数据装置n的数据，以及在该用户的部分，插入数据于该以太网信息的数据区域指定至该用户的数据区块。
2.根据权利要求1所述的网络耦合器，其特征在于一种在该网络(2)的传送物理及该环状形式发射路径(3)的传送物理间转换该以太网信息的装置(13)设于该外部接口(11)及该内部接口(12)间。
3.根据权利要求1或2所述的网络耦合器，其特征在于提供有一种过滤未意欲用于该所连接用户的以太网信息的装置(14)。
4.根据权利要求1或2所述的网络耦合器，其特征在于提供有一种微控制器(15)以处理在该网络上传送的无周期性的、非时间关键数据。
5.一种网络，具有权利要求1至4之任一项所述的以太网耦合器(1)及多个用户：装置1，…装置n，所述多个用户经由环状形式发射路径(3)串连连接至该以太网耦合器的内部接口(12)，其特征在于每一个情况的用户：装置1，...装置n都设计为了解在该环状形式发射路径传送的以太网信息(ET)及执行数据互换，于该数据互换中，该用户可采用来自于该以太网信息的数据区域指定至该用户的数据区块的数据，以及在该用户的部分，插入数据于以太网信息的该数据区域指定至该用户的该数据区块。
6.根据权利要求5所述的网络，其特征在于该环状形式发射路径(3)为一种二信道线，该以太网耦合器(1)的该内部接口(12)在该二信道线的第一信道(31)输出该以太网信息至该所连接用户及由该以太网耦合器所辨识而连接至该二信道线的最后用户是在第二信道(32)送回通过的该以太网信息，插入至该网络耦合器的每一个用户传输该被送回的以太网信息。
7.一种经由网络耦合器在网络及多个用户间互换数据的方法，以太网信息可于该网络上传送，该网络链接至该网络耦合器的外部接口且该多个用户经由该网络耦合器的内部接口串连链接至环状形式发射路径，经由该网络耦合器的该外部接口所接收的以太网信息送至该网络耦合器的该内部接口及于该环状形式发射路径输出，其特征在于：连接于该内部接口的每一个用户，在该以太网信息通过在该环状形式发射路径的相对应用户时，互换意欲用于该个别用户的有用数据与在该环状形式发射路径上循环经过相对应用户的以太网信息，在此情况该用户可采用来自于该以太网信息的数据区域指定至该用户的数据区块数据，以及在该用户的部分，将数据插入至于该以太网信息的数据区域中于指定至该用户的数据区块。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于在该网络的传送物理及该环状形式发射路径的传送物理间执行该以太网信息的转换。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于包含执行未意欲用于连接至该环状形式发射路径的用户的以太网信息的过滤。
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