[發明專利]一種實時優先級以太網控制器實現方法

有效

• 申請號: 201310055929.X
• 申請日: 2013-02-21
• 公開（公告）號: CN103095607A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 龐吉耀
• 申請（專利權）人: 南京磐能電力科技股份有限公司
• 主分類號: H04L12/865
• 分類號: H04L12/865
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

一、技術領域

本發明屬于以太網通信和電力自動化領域，用來改善網絡節點發送實時報文的確定性。本發明適用于對控制報文或數據采集報文確定傳輸和隨機抖動要求較高的場合。

二、背景技術

由于Ethernet應用的廣泛性和技術的先進性,不僅在商用領域形成了壟斷性優勢,在工業應用中也具有傳統現場總線所無法比擬的優越性，正在逐步取代傳統的現場總線技術。由于網絡協議的開放性和兼容性，基于以太網統一平臺，可以實現真正全開放的工業網絡，使其成為當今工業控制首選網絡。另外一方面，越來越多的基于IEC61850^[1][2][3]通信協議體系的智能變電站的開工建設和建成投運，變電站中大量的智能通信終端設備被賦予實時通信要求,使得變電站安全可靠運行高度依賴網絡的實時通信。

過程層控制網絡要求數據網絡必須滿足對實時性要求，即信號傳輸要足夠的快和滿足信號的確定性。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新，如智能變電站中數據合并器要求網絡采樣數據傳輸的抖動滿足嚴格要求^[1][3]。而傳統Ethernet以多路訪問和介質共享及帶寬最大利用為目的^[4][5]，采用軟件控制傳輸，數據傳輸的具有不確定性，不能滿足工業控制的實時性要求，一直被視為非確定性的網絡。

為了解決傳統以太網確定性和實時性的問題，使以太網能夠滿足實時數據通信要求，國內外組織對此展開了廣泛的研究^[7][9][10]，但關注的焦點主要為協議層次和軟件實現及網絡互連設備上，在智能變電站的技術規范中更提出了過程層數據點對點傳輸的要求。本發明針對智能站的特殊要求，著眼于減少網絡節點由于軟件報文調度所帶來不確定性，給出一種硬實時的支持優先級的MAC控制器實現方法，它基于原有的MAC協議，將鏈路數據分成兩個優先級，高優先級數據由硬件觸發傳輸，低優先級數據仍采用傳統的軟件優先級來發送普通數據。很好地解決了實時數據的確定性傳輸和最小的抖動，又能保證普通業務的正常傳輸。

目前在改善網絡的實時性方面的努力主要體現在以下幾個方面：

1.使用專用硬件或修改MAC層協議

通過修改MAC層協議，并進一步修改相關硬件保證實時服務。而ProfiNet?IRT之類則是通過專用芯片實現系統速度。

2.應用報文優先級技術^[2]

這類技術中如VLAN技術，通過將報文劃分優先級和VLAN分組，在MAC層之上增加一個優先級調度的軟件（如IEC61850-9-2中關于采樣值傳輸使用這類技術）來保證確定性服務。而IP之上的業務則依賴引入質量服務(IP?QoS)，用以區分實時非實時數據。在工業以太網中采用QoS技術,可以識別來自控制層的擁有較高優先級的數據,并對它們優先處理,為工業控制數據的實時通信提供一種保障機制。

3.基于時間片的分時調度方式

這類方案如Ethernet?POWERLINK采用基于時間片分時調度方式，在MAC層之上實現了一個基于主—從式輪詢機制的調度策略,使用時間片來分配發送許可。該機制在網絡上定義一個網絡站點來擔當管理者,配置其它站點的時間槽,其它節點以從站方式運行,只有在收到主站的發送許可時才能發送數據.站點之間的數據交換是在一個固定的時間間隔內循環執行的,這個時間周期由管理者進行配置。

4.基于帶寬預留方式的調度

這類方案中RETHER協議在MAC層之上的調度層中采用了一種增強型的分布式令牌傳遞機制來控制各個節點的數據發送,以沖突避免的方式來保證數據發送的確定性。而Ethereal協議為保證實時性所增加的實時控制邏輯位于交換機的軟件中,而對于網絡中各節點的網絡硬件甚至運行于其上的操作系統幾乎不做任何特殊要求,即網絡節點所處的軟硬件環境是透明的.在交換機上運行的調度軟件以帶寬預留的方式保證實時數據的確定性,同時以最大努力方式進行非實時數據的傳送.