[发明专利]一种实时优先级以太网控制器实现方法

说明书

一、技术领域

本发明属于以太网通信和电力自动化领域，用来改善网络节点发送实时报文的确定性。本发明适用于对控制报文或数据采集报文确定传输和随机抖动要求较高的场合。

二、背景技术

由于Ethernet应用的广泛性和技术的先进性,不仅在商用领域形成了垄断性优势,在工业应用中也具有传统现场总线所无法比拟的优越性，正在逐步取代传统的现场总线技术。由于网络协议的开放性和兼容性，基于以太网统一平台，可以实现真正全开放的工业网络，使其成为当今工业控制首选网络。另外一方面，越来越多的基于IEC61850^[1][2][3]通信协议体系的智能变电站的开工建设和建成投运，变电站中大量的智能通信终端设备被赋予实时通信要求,使得变电站安全可靠运行高度依赖网络的实时通信。

过程层控制网络要求数据网络必须满足对实时性要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新，如智能变电站中数据合并器要求网络采样数据传输的抖动满足严格要求^[1][3]。而传统Ethernet以多路访问和介质共享及带宽最大利用为目的^[4][5]，采用软件控制传输，数据传输的具有不确定性，不能满足工业控制的实时性要求，一直被视为非确定性的网络。

为了解决传统以太网确定性和实时性的问题，使以太网能够满足实时数据通信要求，国内外组织对此展开了广泛的研究^[7][9][10]，但关注的焦点主要为协议层次和软件实现及网络互连设备上，在智能变电站的技术规范中更提出了过程层数据点对点传输的要求。本发明针对智能站的特殊要求，着眼于减少网络节点由于软件报文调度所带来不确定性，给出一种硬实时的支持优先级的MAC控制器实现方法，它基于原有的MAC协议，将链路数据分成两个优先级，高优先级数据由硬件触发传输，低优先级数据仍采用传统的软件优先级来发送普通数据。很好地解决了实时数据的确定性传输和最小的抖动，又能保证普通业务的正常传输。

目前在改善网络的实时性方面的努力主要体现在以下几个方面：

1.使用专用硬件或修改MAC层协议

通过修改MAC层协议，并进一步修改相关硬件保证实时服务。而ProfiNet IRT之类则是通过专用芯片实现系统速度。

2.应用报文优先级技术^[2]

这类技术中如VLAN技术，通过将报文划分优先级和VLAN分组，在MAC层之上增加一个优先级调度的软件（如IEC61850-9-2中关于采样值传输使用这类技术）来保证确定性服务。而IP之上的业务则依赖引入质量服务(IP QoS)，用以区分实时非实时数据。在工业以太网中采用QoS技术,可以识别来自控制层的拥有较高优先级的数据,并对它们优先处理,为工业控制数据的实时通信提供一种保障机制。

3.基于时间片的分时调度方式

这类方案如Ethernet POWERLINK采用基于时间片分时调度方式，在MAC层之上实现了一个基于主—从式轮询机制的调度策略,使用时间片来分配发送许可。该机制在网络上定义一个网络站点来担当管理者,配置其它站点的时间槽,其它节点以从站方式运行,只有在收到主站的发送许可时才能发送数据.站点之间的数据交换是在一个固定的时间间隔内循环执行的,这个时间周期由管理者进行配置。

4.基于带宽预留方式的调度

这类方案中RETHER协议在MAC层之上的调度层中采用了一种增强型的分布式令牌传递机制来控制各个节点的数据发送,以冲突避免的方式来保证数据发送的确定性。而Ethereal协议为保证实时性所增加的实时控制逻辑位于交换机的软件中,而对于网络中各节点的网络硬件甚至运行于其上的操作系统几乎不做任何特殊要求,即网络节点所处的软硬件环境是透明的.在交换机上运行的调度软件以带宽预留的方式保证实时数据的确定性,同时以最大努力方式进行非实时数据的传送.