（测试计量技术及仪器专业论文）基于工业以太网的监控系统设计与研究.pdf

南京肮空航天大学硕士学位论文 摘要 工业以太网近几年得到广泛重视和深入研究，并在工控领域有了许多 成功应用的例子。将工业以太网技术用于机动车安全性能检测监控系统是 一个非常有价值的研究课题。 本文首先对影响工业以太网应用的两个关键问题及相应的解决措施进 行了详细论述，分析了c s i a c i ) 机制和交换机原理，研究了解决工业以太 网通信不确定性和非实时性问题的方法，明确了工业以太网增强通信可靠 性和稳定性的途径，其中针对交换机生成树协议的不足，提出了“基于根 端口的局部故障快速恢复算法”。重点介绍了具有以太网接口的制动台检 测模块的丌发，对嵌入式t c p i p 协议栈和程序流程作了详细讲解。在此基 础上，设计研究了基于工业以太网的机动车安全性能检测监控系统的结构 和功能。 最后本文对课题的研究工作进行了总结和展望。 关键词：工业以太网，监控系统，生成树协议，网络冗余，检测模块 基于i 。业以太网的监控系统设计与研究 a bs t r a c t i n d u s t r i a le t h e r n e th a sa c q u i r e dc o m p r e h e n s i v er e c o g n i t i o na n dh a sg o n e t h r o u g hd e e pr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s ，w i t hm a n y s u c c e s s f u la p p l i c a t i o n si nt h e f i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 1 t sav a l u a b l et a s kt ou s et h ei n d u s t r i a le t h e r n e t t e c h n o l o g yi na u t o m o b i l es a f e t yt e s t i n gs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m i nt h r 牟甲e r _ 辟哦量c 证研_ d 话d 噬淑盯士呵耵印璐豇h m _ t w 矿弼r m 访n 羽内蕊 e f f e c t i n g t h e a p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a l e t h e r n e ta n dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s m e c h a n i s mo fc s m a c da n dp r i n c i p l e so f e x c h a n g e ra r ea n a l y z e d ，m e t h o d st o s o l v eu n c e r t a i n t ya n dn o n r e a lt i m ep r o b l e m si nc o m m u n i c a t i o na r es u g g e s t e d ， a p p r o a c h e st os t r e n g t ht h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya r ed e m o n s t r a t e d ，a n dl o c a l f a u l tf a s t r e c o v e r ya l g o r i t h mb a s e do nr o o tp o r ti sp r e s e n t e dp o i n t i n go nt h e s h o r t a g eo fs p a n n i n gt r e ep r o t o c o lo fe x c h a n g e r e x p l o i t a t i o no f b r a k et e s t i n g m o d u l ew i t he t h e r n e tp o r ti s i n t r o d u c e d ，p r o t o c o ls t a c ko fe m b e d d e dt c p 1 p a n dp r o g r a mf l o wc h a r t sa r e e x p l a i n e d f i n a l l y ，t h es t r u c t u r e a n df u n c t i o no f a u t o m o b i l e s a f e t yt e s t i n gs u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m a r c d e s i g n e d a n d i n v e s t i g a t e d i nt h ee n d ，s u m u pa n dp r o s p e c to ft h er e s e a r c hi nt h et a s ka r es t a t e d k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e r n e t ，s u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m ，s p a n n i n g t r e e p r o t o c o l ，t e s t i n gm o d u l e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 南京航宅航大大学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业 生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量 的运动和转换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场 环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。与此同时，丌放性、分散化和 低成本也是工业控制网络另外重要的三大特征1 ，即工业控制网络应该： 具有较好的响应实时性。要求传输速度快、响应快，响应实时性一 般为0 0 1s 0 1s 级； 高可靠性。即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐 蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链 路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路； 力求简洁。以减小软硬件开销，从而减低设备成本，同时也可以提 高系统的健壮性： 开放性要好，即工业控制网络尽量不要采用专用网络。 然而，现场总线技术在其发展过程中也存在许多不足“圳，具体表现 为： 现有的现场总线标准过多，仅国际标准 e ：c 6 1 1 5 8 就包含了8 个类 型未能统一到单一标准上来； 不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信 息的无缝集成； 由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高； 现场总线的速度较低，支持的应用有限，不便于和i n t e r n e t 信息 集成。 近年来，随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，传统上用于办 公室和商业领域的以太网却悄悄地进入了控制领域。不但在工业控制领域 管理层和控制层等中上层网络通信中得到了广泛应用，并有直接向下延伸 f 基于jl ： l k 以太网的监控系统设计与研究 廊用于工业现场设备问通信的趋势，成为近年来工q k 控制网络中新的研究 热点。以太网与传统现场总线的性能比较如表1 1 所示。 表l1 毗太网与传统现场总线的性能比较 猫j 室璧 以太网传统现场总线 确定性否( 但趋向r 稳定) 是 实时性响应时间小于等于4 m s小于等 i5 m s 报文人小所有规格 有限 向上兼容| 生高 低 开放性高 低 互操作性高 低 可移植性 标准i e e e 8 0 2 3卧1 5 0 1 7 0 f i e l d b u sf o u n d 网络安全性高( 但面临更多问题) 高 上层协议t c p i p专有协议 管理信息层适t e ! 不适月 控制层适用适_ 【= 控制层次 设备层适用适用 二进制传感器网关连接适用 光纤、同轴电缆、 传输介质锕线、光纤 般绞线、无线 连接设备控制器、现场设备、远程i o控b 器、现场设备，远程v o 物理连接 最多节点数 6 4 0 0 0较少 接点间距离最人4 0 k m最人2 0 i m 远距离中继器支持支持 即插即闰支持不支持 拓扑结构总线、星型总线、星型、环型 网络管理 h t t p w w 支持不支持 s n m p 支持不支持 性能 速率1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s0 1 2 m b 9 s 】升级能力 高中 与现场总线相比，以太网具有以下优点： 能够建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。实现过程 控制层p c s ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ) 、制造执行层 m e s ( m a n u f a c t u r i n gg x e c u t i o ns y s t e r n ) 和企业资源规划层 e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep 1 a n n i n g ) 的真正融合。 成本低廉。硬件产品种类齐全、价格低廉，目前以太网网卡的价格 只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分之一，并且随着集成电路技 南京航空航大大学硕十学位论文 术的发展，其价格还会进一步下降。 通信速率高。目前广泛应用的以太网的通信速率为【o m b p s 、 l o o m b p s 、i 0 0 0 m b p s ，i o g b p s 以太网技术也逐渐成熟，其速率比目 前的现场总线快得多。 软硬件资源丰富。 可持续发展潜力大。 1 2 工业以太网概述 目前，以太网用于工业现场设备间通信的研究和产品丌发处于初步阶 段，还没有一个明确统一的工业以太网的定义和标准，一般来讲，工业以 太网是指用予工业测控现场的以太网技术和以太网设备，工业以太网在技 术上与商用以太网( i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计时，在材质的选用、 产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。 1 2 1 发展应用情况 国外对以太网在控制中的应用较早是用于电力系统的监控。美国电力 研究院( e p r i ) 和国际大电网会( c i g r e ) 的第3 5 工作组通过研究都证明： 当使用交换式集线器时，l o m b p s 以太网完全可以满足实时性要求。自上世 纪八十年代开始，国外已经推出不少使用以太网的变电站自动化系统，如 美困g e h a r r is 公司的p o w e r c o m m 系统、美国g e 公司的变电站自动化系统、 f 本东芝公司的高压变电站分布式测控系统等。d e c 公司开发了套以太网 网络软件产品d e c n e t ，可以将d e c 公司生产的各种硬件、软件和通信接口 设备连接起来构成各种类型的计算机网络。几个主要的现场总线组织也在 行发基于以太网的现场总线协议，一些公司丌发了具有以太网接口的仪表、 嵌入式以太网控制器及工业阻太网交换杌等。目前，国际电工委员会i e c l f 着手起草实时以太网( r e a l t i m ee t h e r n e t ，r y e ) 标准，旨在推动以太网 技术在工业控制领域的全面应用“”“。 八十年代后期，我国电力行业从国外引进的控制系统中就采用了以太 网技术，运行证明稳定可靠。这几年，我国的工业以太网技术研究和产品 j 1 。发呈现蓬勃发展之势。浙江大学、浙大中控、中科院沈阳自动化研究所、 r 基丁二：t 业以太网的监控系统设计与研究 清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等单位，在国家“8 6 3 ”计划的支 持下，开展了e p a ( e t h e r v i e tf o rp l n n ta u t o m a t f o n ) 技术的研究，在实时 通信、总线供电、远距离传输、网络安全、可靠性技术等领域取得了一批 研究成果。其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术以 及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络 微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实 时性；采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电 或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。起草了i z p a 国家标准，以工业现场设备间通信为目标，以工业控制工程师( 包括丌发 和应用) 为使用对象，基于以太网、无线局域网、蓝牙技术+ t c p i p 协议， 起草了“用于工业测量与控制系统的e p a 系统结构和通信标准”( 草案) ， 并通过了由t c l 2 4 组织的技术评审。开发基于以太网的现场总线控制设备 及相关软件原型样机，并在化工生产装置上成功应用，该系统自2 0 0 3 年4 月投入使用以来运行一直非常稳定。 1 2 2 标准化情况 对应于i s o o s i 七层通信模型，以太网技术规范只映射为其中的物理 层和数据链路层；而在其之上的网络层和传输层协议，目前以t c p p 协 议为主( 已成为以太网之上传输层和网络层“事实上的”标准) ，而对较 高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定，如图1 1 所示。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1li s o o s i 七层通信模型利以太网技术规范映射图 为满足工业现场控制系统的应用要求，工业以太网必须在 e 【h e r n e t + t c p i p 协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，制定有 效的实时通信服务机制，协调好工业现场控制系统中实时和非实时信，j 的 4 南柬航宅航犬人学硕- f f 学位论文 传输服务，形成为广人工挎生产厂商和用户所接收的应用层、用户层协议， 进而形成丌放的标准a 为此，各现场总线组织纷纷将以太网引入其现场总 线体系中的高速部分，利用以太网和t c p i p 技术，以及原有的低速现场总 线应用层协议从而构成了所谓的工业以太网协议。典型的有现场总线基 会会( f ie l d b u s f o u n d a t i o n ) 的h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) ，p r o f i b u s 国际 ( p r o f i b u si n t e r n a t i o n a ) 的p r o f i n e t ，c o n t r o n e t 国际( c o nlr o l n e t i n t e f n a t i o n a ，c i ) 和开放设备网制造商协会( o p e nd e v ic e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ) 的e t h e r n e t i p ，m o d b u s 用户集团的m o d b u s t c p ，以及中国的 e p a ( e t h e r n e tf o rp 1 a n ta u t o m a t i o n ) 等等。 1 3 本课题的任务、意义及关键技术 本课题是南京航空航天大学、某市级车辆管理所联合开发的“基于局 域网的全自动机动车安全性能检测系统”课题的一个组成部分，重点研究 工业以太网技术用于机动车安全性能检测监控系统的可行性并进行验证。 目前已开发成功的“基于局域网的全自动机动车安全性能检测系统， 是一个具有检测、控制、显示、管理等多种复杂功能的系统，其系统结构 如图i 2 所示。 幽1 2 机动车安全性能检测系统结构图 该系统是个4 、型的局域网，主线上的登录机、外观机、主控机、管 理机、服务器以及调修线上的工位机通过集线器接入局域网，各工作站对 基j ：i 业以太网的监控系统殴计与研究 检测数据的存驳通过访问服务器数据库实现。检测现场实施集中控制，控 制机对尾气、烟度、制动、车速表、灯光、声级等项目的检测和检测显示 按检测流程进行集中控制，使用r s 2 3 2 ( 或r s 4 8 5 ) 总线分别与工位检测模 块进行通信。 本课题探讨工业以太网的各种技术，重点分析论证工业以太嘲通信确 定性、实时性和以太网设备工作的可靠性，在此基础上，根据机动车安全 性能检测线制动检测要求，开发具有以太网通信子模块的制动检测模块进 行验证，进一步研究设计基于工业以太网的机动车安全性能检测监控系统。 将工业以太网引入机动车安全性能检测系统具有一定的现实意义。首 先，它符合传感器、仪表智能化、网络化和标准化的发展方向。现有的机 动车安全性能检测设备在设计上只考虑了本项目的独立检测，且功能单一， 对外通信方式冬不相同，为组建自动化的高性能的检测系统带来了许多盈 难。设计丌发制动检测的验证模块有助于推进检测设备标准化的进程。其 次，由于现场总线采用了工业以太网，将大大提高检测系统的控制监管功 能，为现场检测设备互操作、远程实时监控、远程实时故障渗断的技术研 究和开发开辟了新的更广阔的空间。三是本课题的研究完全可以应用于现 有检测系统的升级和改造，节约人力物力，降低成本，产生一定的社会经 济效益。 本课题涉及的关键技术主要是： 工业以太网通信技术。以太网以前没有被用于工业控制现场，主要 是由于以太网的无法保证确定性和实时性的通信机制，这在工业测 控领域是被禁止的。随着研究的深入和技术的进步，技术人员发现， 以太网通信在采取相应的技术措施后，其通信实时性和确定性可以 得到保证，完全可以用于通信实时性和确定性非常强的工业控制现 场。针对机动车安全性能检测监控系统而言，使用工业以太网时其 通汛情况如何? 实时性和确定性如何保证? 这些都需要加以研究。 工业以太网的冗余技术。冗余是增加系统稳定性和可靠性的关键措 施，工业以太网在冗余问题上有着更高的技术要求。它一方面要根 据实际需求设计合适的冗余结构，另一方面，还要考虑冗余控制技 术，以求得符合工业测控现场故障恢复标准的冗余功能。 嵌入式t c p i p 协议栈技术。在c p u 处理能力和r a m 性能非常强大 南京航空航犬人学硕士学位论文 的大型计算机上运行t c p i p 协议是一件轻松的事情，但在8 位或 1 6 位单片机上运行f c p i p 协议就非常困难。嗽入式t c p i p 协议栈 是一项根据1 业测控通信实际需求在微处理器上实现部分t c p i p 协议的技术，要对t c p f l i p 协议进行分析和适当“裁剪”。 计算机软件设计技术。基于工业以太网的监控系统需要一个分布式 软件环境的支持，包括现场设备检测模块程序、主控机控制软件、 远程监控软件、w e b 服务器端组件等。为此，要涉及面向对象的程 序设计技术、基于组件的设计技术平u 分布式应用系统设计技术。 现场设备实时监控技术。基于工业以太网的监控系统在拓扑结构和 功能实现上与传统的监控系统有着非常大的差别，它使监控网络直 接延伸到了设备层，传统的监控系统对现场设备监控必须通过网关 来实现，基于工业以太网的监控系统理论上可以直接实时对现场设 备进行远程控制。如何在设备层实现多节点通信、多任务操作功能， 在各级监控层实现安全高效控制管理和灵活调度，需要研究现场设 备实时监控技术。 基于k 以太网的监控系统设计与研究 第二章工业以太网的确定性和实时性 工业以太网通信机制与以太劂并无区别，所以研究工业以太网的确定性和 实时性问题仍应从分析以太网的基本原理丌始。 8 0 年代初期，美国电气和电子工程师学会i e e e8 0 2 委员会制定出局域网 体系结构，即i e e e8 0 2 参考模型。i e e e8 0 2 参考模型相当于o s i 模型的最低 两层。1 9 8 3 年，i e e e8 0 2 委员会以美国施乐( x e r o x ) 公司+ 数字装备公司 ( d i g i t a l ) + 英特尔( i n t e l ) 公司提交的d i xe t h e r n e tv 2 为基础，推出了具有 c s m a c d 介质访问控制技术的i e e e 8 0 2 3 。因为i e e e 8 0 2 3 以“以太网”为技 术原形，虽与“以太网”略有区别。但在忽略网络协议细节时，人们习惯将 i e e e 8 0 2 3 称为“以太网”。此后，8 0 2 3 标准又增加了多个附录以控制不同 介质上的c s m a c d 网络的运行，i e e e 8 0 2 3 系列标准见表2 1 。 表2 1i e e e8 0 2 3 系列标准 8 0 2 3c s m a c d 标准 8 0 2 ，3 ai o b a s e 2 细缆以太网 8 0 23 c l o m b p s 中继器标准 8 0 2 3 ii o b a s e t 双绞线以太网 8 0 2 3 ji o b a s e f 光纤以太网 8 0 2 3 ui o o b a s e t 快速以太网 8 0 2 3 x全双r 标准 8 0 2 3 yi o o b a s e t 2 快速以太网 f 8 0 2 3 z1 0 0 0 b a s e x 光纤千兆以太网 8 0 2 ，3 a b1 0 0 0 b a s e x 坝绞线千兆以太网 【8 0 23 a el o g 光纤以太网 8 0 2 3 a f以太网网线供电标准 2 1 以太网拓扑结构 传统以太网采用共享通信介质方式，但现在的以太网在实际应用中较 多地使用了数据交换技术，因此概括起来，以太网拓扑结构可以分为三种： 总线拓扑、星形拓扑和交换式拓扑，如图2 1 所示。 8 南京航空航大火学硕士学位论文 总线( 共享电缆) 交换机 a 总线拓扑b 星形拓扑c 交换式拓扑 图2 1 以太网拓扑结构 总线拓扑：总线拓扑是以太网典型的拓扑结构，任何连在总线h 的计 算机和控制器共享单一的传输介质，都能在总线上发送信号，并且所有计 算机和控制器都能接收信号。但当一台计算机或控制器向另一台计算机或 控制器传输帧时，所有其它计算机和控制器必须等待。 星形拓扑：以太网在1 e e e 8 0 2 3 i 标准中引入了双绞线网络介质，利用 集线器联接在一起( 目前在局域网中运用最为普遍) ，以太网物理结构是 星型拓扑，但逻辑上仍属于共享介质型的总线拓扑结构。 交换式拓扑：随着数据交换技术在以太网中的应用，带交换机的以太 网虽然是星型拓扑结构，但逻辑上不再是完全共享介质的总线型，而是部 分共享甚至是独享介质的拓扑结构。在全双工通信方式下，任一计算机或 控制器可以独享介质。数据交换技术是以太网用于工业现场所依赖的一项 重要技术。 以太网的三种拓扑结构反映了以太网技术的演变过程。 2 2 以太网数据通信 2 2 1g s m a c d 机制 以太网采用多路存取载波侦听冲突检测( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l is i o nd e t e c t ，c s m a c d ) 机制解决通讯介质层的竞争。 其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听总线的空闲，如总线 忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送；如果两个或更多的节点监听到 总线空闲并几乎同时发送报文时，它们发送的报文将在总线上发生冲突， 基r ，f ：业以太网的监控系统殴计与研究 节点在发送后继续监听，当监听到报文之间出现冲突时，节点立即停止发 送报文，并等待一段随机长度的时间后重新发送。该随机时间将由标准二二 进制指数后退算法b e b ( b ln a r ye x p o n e n t i a lb a c ko f f ) 确定，重发前的时 归j 在0 ( 2 l 1 ) 之问的时间片中随机选择( 此处i 代表被节点检测到的第i 次碰撞事件) ，一个时阍片为重发循环所需的最小时间。但是，在1 0 次碰 撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片( 即1 0 2 3 ) 上，1 6 次碰撞后，控制 器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。c s m a c d 发送报文的流程如 图2 2 所示。 幽2 。2c s m a c d 发送报文流程 很显然，以太网的这种c s m a c d 介质访问机制导致了网络传输延时和 通信响应的不确定性。因为在一系列碰撞后，报文可能会丢失，节点与节 点之间的通信将无法得到保障，从而使控制系统需要的通信确定性和实时 性难吼保证。在网络负荷较高时，以太网上存在的这种碰撞成了主要问题， 极大地影响了以太网的数据吞吐量和传输延时，导致以太网实际性能的下 降。而对于工业现场控制网络来说，以太网的这种通信不确定性会导致系 统控制性能下降，控制效果不稳定，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件 信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的 发生“。“。 1 0 南京航空航天大学硕十学位论文 综合起来，c s m a c d 机制具有以下特点： 没有优先级，采用竞争方式，各节点强占对共享媒介的访问权： 所有节点共享媒介，任何时刻只有一个节点在发信息； 轻负载时，效率较高： 重负载时，冲突概率加大，效率低； 不适合实时传输。 经过几十年的发展，以太刚技术发生了深刻的变化。在新的i e e e s 0 2 3 标准中，千兆以太网( 1 g b p s ，1 0 0 0 b a s e x 和1 0 0 0 b a s e 一r ) 既支持依靠c s m m c d 工作的半双工模式，也支持完全不用c s m a c d 协议的全双工模式，而且大 于千兆速率的以太网只采用全双工模式，完全忽略掉了c s m a c d 协议。因 此新一代高速率以太网不再以c s m a c d 为标志，而是以m a c 层控制算法、 物理接口等以及对传统以太网有兼容性为标志的新代组网技术。 2 2 2le e e 8 0 23 标准以太网帧格式” 原有的c s m a c d 以太网帧格式被8 0 2 3 帧格式标准化时，i e e e 改变了 帧的构成，但二者之间的差别很小，一般均称为以太网帧。标准的i e e e 8 0 2 3 以太网帧格式如图2 3 所示。 l 饕 帧起始分界符 目的地址源地址 长度数据帧授验序列 1 字节6 字节6 字节2 字节 4 8 - 1 5 0 0 字节4 字节 帧中数据区结构 幽2 3i e e e 8 0 23 以太网帧格式 不论是在以太网还是i e e e 8 0 2 3 标准中，从前序到帧校验序列( f c $ ) 字段的帧长度最小必须是6 4 字节。最小帧长度保证有足够的传输时间用于 以太网接口卡精确地检测冲突，这一最小时间是根据网络的最大电缆长度 和帧沿电缆传播所要求的时间确定的。帧中数据区的最大长度为1 5 0 0 字节。 氏度字段指的是后续数据的长度，不包括填充段和校验和。 在运行于j o m b p s 的系列i e e e 8 0 2 3 标准中，o s i 参考模型的数据链 路层被分隔为两个子层一逻辑链路控制( l l c ) 和介质访问控制( m a c ) 。 基于t 业以太网的监控系统设计与研究 m a c 子层负责检查信道并在信道空闲时传输数据，检测冲突的发生并在检测 到冲突后执行一系列预定义的步骤，m a c 子层向l l c 子层提供服务。l l c 子 层实现的功能包括生成和解释用于控制数据流的命令，以及在检测到传输 错误时的恢复操作。链路控制信息作为l l c 协议数据单元( p d u ) 由i e e e s 0 2 3 帧的数据字段承载。 s a p ：服务访问点，作用与邮箱非常相似。由于l l c 子层处在m a c 子层 之上和网络层之下，所以s a p 提供了在l i 。c 予层与m a c 子层和网络层之问 交换信息的机制。目的服务访问点( d s a p ) 用于规定接收网络层进程，标 识在帧中承载的目标高层协议；源服务访问点( s s a p ) 用于规定发送网络 层进程，总是等于d s a p 字段的值。 控制字段：包含用于传输l l c 数据的有关信息。 还有以太网一8 0 2 3 和以太网一s n a p 两种帧类型，均为i e e e 8 0 2 3 帧的 逻辑变种，l l c 协议数据单元与i e e e 8 0 2 3 标准帧的不同。 快速以太网帧格式与标准的i e e e s 0 2 3 也不同，主要是增加了流起始 定界符( s s d ，l 字节) 和流结束定界符( e s d ，l 字节) ，而帧校验序列段 减为两个字节。 2 3 以太网数据交换技术 按照o s i 七层模型，通信数据交换技术可以分为数据链路层交换( 一二 层交换) 和网络层交换( 三层交换) 。本课题讨论的以太网数据交换和交 换机均指的是数据链路层的交换技术和交换机。 23 1 交换机原理 交换机是一个具有简化、低价、高性能和端口密集特点的数据交换产 品，物理上类似于集线器一一由一个多端口的盒子组成的集线器，每个端 口连接一台计算机或带以太网接口的控制器。交换机的内连接概念如图2 4 所示。 在o s i 参考模型的第二层操作的交换机是一个多端口网桥，工作原理 南京航空航天大学硕f 学位论文 计算机端1 7 1 交换机 幽2 4 变换机内连接结构 与网桥相同。当交换机从某一端口收到一个以太网帧后，读取帧头中的目 的h a c 地址，将立即在其内存中的地址表( 端口号- - m a c 地址对照表) 进行 查找，以确认该目的m a c 的网卡连接在哪一个端口上，然后将该帧转发至 该端口。如果在地址表中没有找到该m a c 地址，也就是说，该目的m a c 地 址是首次出现，交换机就将数据包广播到所有端口。换言之，当交换机从 某一端口收到一个帧时( 广播帧除外) ，将对地址表执行两个动作，一是 检查该帧的源m a c 地址是否已在地址表中，如果没有，则将该m a c 地址加 到地址表中，这样以后就知道该m a c 地址源自于哪一个端口：二是检查该 帧的目的m a c 地址是否已在地址表中，如果该m a c 地址己在地址表中，则 将该帧发送到对应的端口即可，而不必像集线器那样将该帧发送到所有节 点，只须将该帧发送到对应的端口，从而使那些既非源端口又非目的端口 的节点阳j 仍然可以进行相互间的通信。如果该m a c 地址不在地址表中，则 将该帧发送到所有其它端口( 源端口除外) ，相当于该帧是个广播帧”“。 交换技术有直通、存储转发及介于前两者之间的混合转发三种，交换 方式有基于端口和基于段两种方式。大多数交换机或者采用精减指令集 ( r i s c ) 微处理器，或者采用专用集成电路( a s i c ) ，转发延迟很小，操 作接近单个局域网性能，远远超过了普通网桥的转发性能。 2 32 交换机功能 减少冲突域 交换机将网络分成小的冲突域( c o l l is i o nd o m a i n ) ，每个端口都是 个独立的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。基于网段的交换方式 基t - i ：业以太网的监控系统设汁与研究 使一个网段内的工作站通信数据帧不会传送到另一个网段，从而降低了主 干网络的负载；基于端口的交换方式则使每个工作站在双工通信时独享带 宽，不会产生碰撞冲突的问题”“。 提高传输速度 交换机利用专门设计的集成电路( a s i c ) 可使交换机以线路速率( w i f e s p e e d ) 在所有的端e l 并行转发信息。提供了比传统网桥高得多的操作性能。 专用集成电路技术使得交换器在更多端口的情况下以上述性能运行。交换 机可支持直通交换( c u t t h r o u g h ) 的桥接技术，比传统的存储转发 ( s z o r e a n d f o r w a r d ) 技术更快的处理能力，交换机只读出数据帧的前1 4 个字节( 包含目的地m a c 地址) 就转发，从而使延迟时问降低一个数量级。 解决传输瓶颈 如在客户服务器模式中多台工作站会同时访问服务器，因此非常容易 形成服务器瓶颈。选用配置了一个或多个高速端口( 如1 0 0 m 或10 0 0 i ) 交 换机，可方便连接服务器或高速主干网。 组建虚拟局域网 通过交换机的端口m a c 地址表设置可以把隶属不同交换机的主机和服 务器归属于同个逻辑子网一v l a n ，每个v l a n 都是一个独立的广播域，这 样可以过滤数掘，控制网络的广播风暴，降低网络负荷。 2 3 3 工业以太网的交换机应用 在工业以太网中，交换机技术可以解决由c s m a c d 机制引起的通信非 实时性和非确定性问题。高性能的交换机交换时延非常小，通常为几十微 秒，这样的延迟对于工业控制网络而言是可以不予考虑的。 工业以太网中交换机的应用一般应考虑以下几方面： 在控制网络节点多，通信数据量大，网络负载较重时使用交换机。 对于重要的控制节点和关键的通信数据应各自单独使用交换通 道，保证通信节点间有足够带宽。通信方式根据处理器能力设为 半双工或全双工。全双工方式下，网络不支持c s m a c d 机制，因 此通信节点需要有支持全双工的以太网卡与之相匹配。 对于通信数据量大的节点，交换机应分配高速端口，以避免出现 通信的瓶颈现象。 】4 南京航空航天夫学颁十学位论文 2 4 工业以太网通信确定性、实时性评估 f 面结合研究人员的一些研究成果仅从理论上对工业以太网网络通 信确定性和实时性进行评估，并分析基于工业以太网的机动车检测监控系 统的确定性和实时性。 24 1 确定性评估“” 以太网的确定性由下面因素决定： 通信速率。速率越高，网络中发生碰撞的概率越低，确定性就越高； 网络负载。负载越轻，碰撞的概率越低，确定性也会提高； 带宽占有率。节点带宽占有率高，确定性就高，独享带宽则表示节 点通信有确定的信道。 以上三个因素相互制约和影响。随着以太网通信速率的不断提高以及 全双工交换以太网技术的发展，传统以太网的通信非确定性问题得到厂根 本解决。以太网的通信速率已经从l o m b p s 提高到l o o m b p s ，以致目前的 1 g b p s 、l o g b p s 。以太网通信不确定性的主要原因是由于冲突，而冲突产生 的概率是由网络负荷决定的。同样的通信量，通信速率的提高意味着网络 负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性“。据有关实验证明， 在网络负荷不超过3 6 的情况下，以太网发生冲突的可能性极小；在负荷为 l o 以下时，1 0 m b p s 以太网冲突机率为每5 年1 次，l o o m b p s 以太网则为每 1 5 年冲突1 次。典型的工业应用中，通信峰值负荷为1 0 m b p s 以太网的5 ， 】o o m b p s 以太网的0 5 ，如果通过仔细设计，对系统中的网络节点数量和 通信流量进行控制，使网络负荷低于1 m b p s ，完全可以采用以太网作为。 业 网络。 这里主要分析机动车安全性能检测监控系统的通信负荷。对于检测现场 的主控机而言，检测线是一个实时多任务的检测控制系统。检测线是按工位 ( w o r kp l a c e ) 设置工作流程的，检测线的工位数也就是该检测线同时上线的 被榆车个数，控制系统具备对所有线上检测车辆同时进行检测的功能。参 照已成功运行的d o s 下开发的测控系统，主控机与各检测设备实行主从通 信方式主控机按四个工位同时运行四个线程，采用l o m s 时间片的轮询方 15 基r 。业以太网的监控系统蹬计与研究 式( 实践已证明系统有很好的实时性) 。 这罩使用1 0 m b p s 以a 刚代替现场使用的r s 2 3 2 总线。建立如图2 5 所 示的通信模型。 以太网( 1 0 m b p s ) 主控机i 位节点2 图2 5 检测线1 0 m b p s 以太网通信模型 假定在一个时间片里，主控机和一个工位节点发生一次问答，由于检 测命令和检测数据通常很小( 只有十几字节到几十字节) ，加二网络层和 传输层数据报头字节( 约4 0 字节) ，可以估算认为此时以太网上有2 个约 200 字节的短数据帧传递。通过计算也能得出此时网络负载约为： ( 2 帧x 2 0 0 字节8 比特) ( 1 0 1 0 。) 秒= o ，3 0 5 2 m b p s 即使考虑期e i j 网络自身管理类数据包的传递( 如每l o 秒服务器对工作 站的查询和登记) ，网络的负载也远低于1o 。因此在机动车安全性能检测 系统中应用工业以太网，其通信确定性是有保障的。 进一步，如果检测系统的以太网总线通过交换机连接，并且通信采用 全双工方式，则每一个前端设备在与主控机进行通信时不存在信道的使用 竞争问题，通信确定性能够得到充分保证“。 2 4 2 实时性评估m 。1 以太网的实时性主要是考虑它在传输中的延迟。 定义：传输延迟时间tz - - - - - - - - 发送节点的通信处理器开始发送数据帧到 接收节点的通信处理器完全收到数据帧的时间间隔。 t r 2 ta+t+a t 。：数据帧等待延迟； t ：数据帧发送延迟； ：数据帧传播延迟； t 、a 由网络带宽和信号传播的速度决定，是确定性的。采用共享 式以太网时，由于不同节点多个数据帧同时竞争通道，数搌帧发送产生冲 j6 南京航空航天人学硕十学何论文 突，i 面随后所采取的重发机制导致报文等待延迟是随机的，因此t 。足不确 定的。如果采用交换式以太网，则t 。是确定性的。 数据帧发送延迟t 。 以1 0 m b p s 以太网为例，以太网帧的长度最小7 2 字节，最大15 2 6 字节， 帧之问有9 6 微秒的固定阳j 隙。 则传输每帧的时间最大约为： 9 6 微秒+ 1 5 2 6 字节8 比特( 0 0 9 5 3 7 微秒比特) = 1 1 7 4 毫秒。 最小约为： 9 6 微秒+ 7 2 字节8 比特( 0 0 9 5 3 7 微秒比特) = 0 0 6 4 5 毫秒。 所以 0 0 6 4 5 毫秒t 1 17 4 毫秒 数据帧传播延迟。 设报文传输距离为l ，传播速度为v ，则传播延迟为： = l v 剥于粗缆而言，信号在其上传播速度v 是光速的7 7 ；对于细缆，在其 上传播速度为光速的6 5 。对于双绞线，信号传播速度为光速的7 0 左右。 具体的速度因线类不同而各异。 设定一个局域网中用双绞线和集线器连接的两个通信处理器间的最大 距离为5 0 0 m ，则 a = 5 0 0 米( 3 1o “米秒0 7 0 ) = 2 3 8 微秒 数据帧等待延迟t 。t 。是导致以太网通信不确定性的主要因素。 如果采用交换式以太网，可以计算交换机的延迟t 。 交换机时延t 。”1 。 交换机时延是从源端口发出的第1 个比特到目的端口收到最后一个比 特的时间。 1 0 m b p s 速度的直通型交换机要读取1 4 字节帧头信息，其交换时延t ； 为： 1 4 字节8 比特( 0 0 9 5 3 7 微秒比特) ：1 0 6 8 微秒 加上查表时间、源端口和目的端口的交叉连接时间及帧间隙，则帧通 过直通交换机的最小时闻t s 约为4 0 微秒左右。包括以太网帧结构内时延在 内的交换机时延如图2 6 所示。 基r ：业以太网的监控系统设计与研究 ll 前序 i 目的地址 帧的其余部分 一8 字节斗一6 字节一 il 1 l 2us 1 一 最小时延或帧间时滞2 0 8ps 【蛩26 交换机时延 存储转发型以太网交换机先存储整个帧。则1 0 m b p s 速度存储转发型以太 网交换机的最大时延t 。为： i5 2 6 字节8 比特( 0 0 9 5 3 7 微秒比特) = 1 1 6 4 微秒 加上查表时间、源端口和目的端口的交叉连接时间及帧间隙，则帧通 过存储转发交换机的最大时延t 。约为1 2 5 0 微秒左右。 则有 0 0 4 0 毫秒t 。1 2 5 0 毫秒 综合起来，当采用交换式以太网时，网络中数据帧的传输时延t ，约为： 0 1 0 6 9 毫秒t ，2 4 2 6 毫秒 由此可以得出，在确定性得到保证的情况下，以太网的传输延迟时划 非常小，完全可以应用于工业测控现场。 2 5 质量服务机制( o o s ) ” q o s 即服务质量，指发送和接收信息的用户之间以及用户与传输信息的 服务网络之间关于信息传输的质量约定。为保证工业测控数据传输高的确 定性和实时性，在工业以太网中可以采用q o s 技术。 工业以太网的q o s 技术不仅仅局限在数据链路层，它是一个涵盖o s t 模型所有层的质量保证技术。它可以为工业控制数据的通信提供一种重要 保障机制：保证网络的商效的运行；当网络过载或拥塞对，o o s 能确保重要 控制数据传输不受延迟或丢弃。 捌有q o s 的网络是一种智能网络，它可以区分实时一非实时数据，在工 业以太网中，可以使用q o s 识别来自控制层的拥有较高优先级的采样数掘 和控制数据，并优先得到处理和转发。还有能力制止对网络的非法使用， 特别是防止非法访问控制层单元和现场设备单元。网络实现q o $ 包含三个 1r 南京航空航天大学硕士学位论文 过萜r 。“： 分类：只有q o s 的网络能够识别哪种应用产生哪种分组。常见的分类方 法是：交换机物理端口号、源i p 地址、t c p 和u i ) p 端口号码等。 标注化：在识另