[發明專利]實時以太網系統及其實現方法

有效

• 申請號: 201010248026.X
• 申請日: 2010-08-06
• 公開（公告）號: CN101908988A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 張建明;馬連川;李開成;袁彬彬;王悉
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: H04L12/28
• 分類號: H04L12/28;H04L7/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及以太網通信技術領域，特別涉及一種實時以太網系統及其實現方法。

背景技術

以太網作為目前應用最廣泛的計算機通信網絡之一，采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問(CSMA/CD)協議，傳輸速率可以達到千兆乃至萬兆以上，但它所采用的CSMA/CD協議，帶來了傳輸時間的不確定性，使其不能適用于實時網絡，因此研究適用于控制系統的實時以太網很有意義。

基于TCP/IP協議，以太網通信的分層結構為：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，其中傳輸層協議主要有TCP、UDP，網絡層協議主要有IP，以太網的數據鏈路層又分成邏輯鏈路控制(LLC)子層及媒體訪問控制(MAC)子層。

實時以太網的實現主要通過修改以太網MAC子層協議、增加中間軟件層(可以在LLC子層和MAC子層之間加入，也可以在IP層和LLC子層之間加入)等許多方式。

目前有許多文獻討論了實時以太網的實現，同時有許多成熟的實時以太網標準和產品，例如目前已有11種實時以太網規范被納入IEC61158現場總線標準(第四版)，包括Ethemet/IP、PROFINET、P-NET/IP、INTERBUS?TCP/IP、VNET/IP、TCnet、EtherCAT、Ethernet?Powerlink、EPA、MODBUS-RTPS、SERCOS?III。

對于目前已有的各種實現實時以太網的方法，主要存在以下兩個問題：

1、實現實時以太網，首先要解決各節點之間的時間同步，目前的相關論文和標準都基于各節點運行分散同步算法，不論是基于軟件的算法，如NTP、SNTP等，還是基于軟件、硬件結合的算法，如IEEE1588等，某個或某些節點出現故障，則會影響同步算法的正常運算和同步精度。

2、實現實時以太網，其核心是改變基于競爭機制的CSMA/CD協議，從而實現時間確定性通信方式，但實時以太網的本質仍是多主通信。如果實時以太網某個或某些節點出現故障，則極有可能影響時間確定性通信機制的實現，而目前不論是相關論文，還是相關標準都未提及如何將故障節點切除。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何在避免大幅度改動以太網的硬件、軟件及協議棧的情況下實現實時以太網通信，并能避免故障節點自己關閉自己存在的邏輯缺陷問題。

(二)技術方案

一種實時以太網系統，包括：若干通信節點、以太網通信網絡和時間同步子系統，各通信節點分別與以太網通信網絡和時間同步子系統連接，所述時間同步子系統用于控制各通信節點進行實時以太網通信。

其中，所述時間同步子系統包括：實時處理控制器和實時處理通信總線，所述實時處理控制器與實時處理通信總線相連，所述實時處理控制器包括：主實時處理控制單元和若干從實時處理控制單元，

所述主實時處理控制單元通過所述實時處理通信總線與若干從實時處理控制單元連接，用于產生各通信節點進行以太網通信的時間分配信息，并根據各通信節點的通信狀態判斷通信節點是否超時占用通信資源，若超時，向從實時處理控制單元發出對超時通信節點實施復位或切除的命令；所述時間分配信息是指讓允許某個節點開始進行以太網通信以及通信時間長度等控制信息。所述超時是指某通信節點在規定的時間長度內沒有完成通信的狀態信息。

每個所述從實時處理控制單元連接一個通信節點，用于向所述通信節點轉發所述時間分配信息和對超時通信節點實施復位或切除的命令，并向主實時處理控制單元反饋所述通信節點的通信狀態。所述通信節點的通信狀態是指該通信節點在規定的時間長度內完成通信與否的信息以及其它與該節點以太網通信有關的信息。

其中，所述主實時處理控制單元包括：定時控制子單元，超時判斷子單元和第一通信控制子單元，

所述定時控制子單元連接第一通信控制子單元，用于產生各通信節點的時間分配信息，并設定對不同實時應用的定時控制方案；

所述超時判斷子單元分別連接所述定時控制子單元和第一通信控制子單元，用于判斷通信節點是否超時，若超時，則產生對超時通信節點實施復位或切除的命令，通過第一通信控制子單元發送；

第一通信控制子單元連接所述定時控制子單元和超時判斷子單元，并連接實時處理通信總線，用于向所述從實時處理控制單元發送所述時間分配信息及對超時通信節點實施復位或切除的命令，并接收所述從實時處理控制單元發來的通信節點的通信狀態。

其中，所述從實時處理控制單元包括：通信節點控制子單元和與其連接的第二通信控制子單元，