CN201163781Y - 基于drp协议的工业以太网交换机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于DRP协议的工业以太网交换机，包括以太网接口、隔离模块、交换处理单元模块、防静电雷击保护模块和电源模块，其特征在于：还包括CPU控制管理模块，所述CPU控制管理模块与所述交换处理单元模块连接。通过CPU控制管理模块处理链路检测报文、链路报警报文和设备声明报文。利用本实用新型工业以太网交换机组成的环网，任何一个交换机的通信链路故障都可以快速被发现并得到相应处理，不会影响整个系统中其他设备的通信，在性能上明显优于普通以太网交换机，实现工业以太网的高可用性组成环网。
Description
技术领域
本实用新型属于网络交换设备技术领域，具体涉及一种基于DRP协议的工业以太网交换机。
背景技术
以太网技术由于具有开放性、稳定性、成本低廉、传输速率高、易于组网等诸多优点，逐渐进入工业控制领域，成为自动化通信网络的组成部分，而使用以太网目前最常用的设备就是以太网交换机。采用STP(生成树)协议和RSTP(快速生成树)协议的普通商业以太网交换机的网络恢复时间是2秒到20秒，不能满足工业控制网络通信实时性的要求，
实用新型内容
本实用新型需要解决的技术问题是实现一种支持DRP协议(DistributedRedunancy Protocol)的工业以太网交换机，能够组成环网，并实现在环形网络中的通信冗余，能够快速地检测环网中的链路故障和设备故障，并能够建立新的网络拓补来恢复网络。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：基于DRP协议的工业以太网交换机，包括以太网接口、隔离模块、交换处理单元模块、防静电雷击保护模块和电源模块，其特征在于：还包括CPU控制管理模块，所述CPU控制管理模块与所述交换处理单元模块连接。
所述CPU控制管理模块与所述交换处理单元模块可以通过以太网接口和SPI总线连接，
所述CPU控制管理模块由ARM微处理器芯片AT91SAM7x256及其外围电路组成。
所述CPU控制管理模块由KS8995MAI芯片及其外围电路组成组成。
其具体应用为：基于DRP协议的工业以太网交换机组成一个环形网络，其中每台交换机有2个端口连接在环网上，并被称之为环端口，环端口有两种状态，分别是阻塞状态和转发状态，处于转发状态的端口转发所有的以太网报文，而处于阻塞状态的端口仅转发DRP协议报文。各交换机依据IEEE 1588协议进行时钟同步，通过这种同步，交换机之间的时钟可以实现亚微妙级的同步。之后网络进入通信阶段，各交换机除了交换普通的网络数据报文外，还要依据组态分时发送DRP协议报文，即设备声明报文和链路检测报文(LinkCheck)。设备声明报文用于检测环网是否闭合，链路检测报文用于检测环形网络中相邻设备之间是否存在链路故障或者设备故障。每个设备都在其通信周期内同时向相邻的交换机发送链路检测报文。如果网络正常，那么在一定的时间内，交换机设备会接收到相邻设备所发送的检测报文。如果有交换机设备在限定的时间内没有收到相邻设备发送的检测报文，则表明网络出现故障。此时发现网络故障的交换机设备向整个网络发送链路报警报文(LinkAlarm)，并启用环网中备用的通信路径，保证网络的正常工作。
本实用新型的优点是：按照上述方法使用，可以快速检测定位并修复网络故障，任何一个交换机的通信链路故障都可以快速被发现并得到相应处理，不会影响整个系统中其他设备的通信，避免了主从式、令牌式通信控制方式中由于主站或令牌主站的故障引起的整个系统通信的故障。50台采用DRP协议的工业以太网交换机组成的环网的网络恢复时间是100毫秒，在性能上明显优于普通以太网交换机，实现了工业以太网的高可用性组成环网。
附图说明
图1是DRP工业以太网交换机硬件框图；
图2是DRP工业以太网交换机电源模块结构；
图3是环形网络结构示意图；
图4是DRP工业以太网交换机软件工作流程。
图中：隔离模块1，交换处理功能模块2，CPU控制管理模块3，防静电雷击保护模块4和电源模块5。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方法对本实用新型作进一步详细的描述：
由图1可见：本实用新型的DRP工业以太网交换机包括以太网接口、隔离模块1、交换处理功能模块2、CPU控制管理模块3、防静电雷击保护模块4和电源模块5；RJ45端口接收到的以太网报文经过隔离模块1传送给交换处理功能模块2。隔离模块1的主要作用是滤波、抑制干扰和电路隔离。交换处理功能模块2主要由KS8995MAI芯片及其外围电路组成。KS8995MAI是一款高性能工业级以太网交换机芯片，它集成了物理层收发器、MAC单元以及SRAM缓存。以太网物理层提供5个独立的以太网物理接口，兼容802.3的10BASE-T，100BASE-TX，其中有两个端口还支持100BASE-FX。具有速率自协商机制，实现10M/100M和半双工/全双工工作方式的自动选择。交换处理功能模块2主要负责各个端口之间的数据包转发。以太网报文送到交换处理功能模块2后，交换处理功能模块2根据报文地址转发给相应的端口。交换机正常的业务报文将从两个环端口转发，而DRP协议的报文(包含设备声明报文、链路检测报文、链路报警报文)会转入CPU控制管理模块3进行处理。
CPU控制管理模块3主要由ARM微处理器芯片AT91SAM7x256及其外围电路组成。AT91SAM7X256是基于32位ARM RISC处理器的系列微控制器，集成有256字节的高速Flash和64字节的SRAM，以及包括USART、SPI、CAN控制器、Ethernet网口、定时器/计数器、RTT和模数转换器在内的一系列外围设备。CPU控制管理模块3和交换处理功能模块2之间通过以太网口和SPI总线进行连接，主要对交换芯片实现寄存器设置和网络数据读写功能，用于对DRP协议进行解包和打包的处理。交换处理功能模块2收到DRP协议报文时，将报文转给CPU控制管理模块3的以太网口，CPU对接收到的报文并做出相应的分析处理，并可以通过SPI总线改变交换芯片寄存器设置，从而改变交换模块端口的状态。
防静电雷击保护模块4对信号线、电源线等采取了保护措施，防雷击二极管、TVS管，防止静电或雷击时产生的强电流沿着各种线进入系统。
由图2可见：电源模块将两路冗余输入的24V直流电源经过整流滤波后，通过电压比较的方式选择一路电源为交换机供电。电源模块的输出一方面通过DC-DC转换为芯片电路提供3.3V、2.5V和1.8V的工作电压，另一方面通过以太网接口实现PoE供电。
由图3可见：DRP交换机组成的环形网络端口有转发状态F(Forwarding)和阻塞状态B(Blocked)，处于阻塞状态B的端口仅转发DRP的报文，处于转发状态F的端口转发所有的报文。各交换机设备在通讯中的地位角色平等，正常状态下环网中只有一个端口处于阻塞状态B，其余端口处于转发状态F。
由图4可见：DRP协议工业以太网交换机的软件工作流程下：交换机在初始化配置和时钟同步完成后，将基于同一个通信宏周期开始时间进行时间偏移量计算，当设备声明报文时间到达时，用组播地址双向发送设备声明报文，如果发送方收到自己发送的设备声明报文，则认为环网是闭合的；当链路检测报文时间到达时，发送链路检测报文，通信网络中所有设备的LinkCheck报文发送时间相同，在LinkCheck报文的时间域到达时，所有设备同时发送LinkCheck报文。LinkCheck报文采用组播地址双向发送，报文中包含了发送方MAC地址，组播地址，ServiceID，DeviceID等参数信息。网络正常情况下，每个设备都会达到超时间之前收到由相邻设备所发送的LinkCheck报文。当某个设备的某个端口在LinkCheck报文的超时时间到达时，仍然没有收到与之相连端口发送的LinkCheck报文，首先检测是否有LinkDown标志，如果有LinkDown标志，则判定与该端口的连接出现链路故障，如果没有，则判定相邻交换机CPU出现故障。该设备将采用组播地址双向发送LinkAlarm报文，并将与故障链路相连接的端口的状态改变为阻塞状态。
LinkAlarm报文中包含了发送方MAC地址，组播地址，ServiceID，DeviceID等参数信息。网络中其它的设备收到LinkAlarm报文后，如果有端口处于阻塞状态，则将端口状态改为转发状态，同时清空FDB(Filtering Database)表，重新进行路径学习，建立新的网络拓补。
下面对利用本实用新型的以太网交换机实现网络恢复的原理做如下描述：
在环形网络中，基于DRP协议的工业以太网交换机经过初始化并基于IEEE1588协议实现精确时间同步后，进入通信状态。各设备依据组态，分时发送设备声明报文和链路检测报文，同时交换普通的以太网报文。链路检测报文采用组播地址双向发送，如果某设备的某个端口在链路检测报文的超时时间到达时，仍然没有收到与之相连的端口的链路检测报文，则判定出现网络故障，需要将自己的环端口由转发状态改为阻塞状态，同时采用组播地址双向发送链路报警报文进行报警。环网中其它设备收到链路报警报文后，如果环端口处于阻塞状态则改为转发状态，同时清空FDB表，重新进行路径学习。这样环网中将使用备份链路，实现网络的快速恢复，保证网络的可用性。
Claims (4)
1.基于DRP协议的工业以太网交换机，包括以太网接口、隔离模块、交换处理单元模块、防静电雷击保护模块和电源模块，其特征在于：还包括CPU控制管理模块，所述CPU控制管理模块与所述交换处理单元模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于DRP协议的工业以太网交换机，其特征在于：所述CPU控制管理模块与所述交换处理单元模块通过以太网接口和SPI总线连接，
3.根据权利要求1所述的基于DRP协议的工业以太网交换机，其特征在于：所述CPU控制管理模块由ARM微处理器芯片AT91SAM7x256及其外围电路组成。
4.根据权利要求1所述的基于DRP协议的工业以太网交换机，其特征在于：所述CPU控制管理模块由KS8995MAI芯片及其外围电路组成组成。
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