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浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 摘要 工业以太网不同于传统以太网的最大特点在于网络通信的确定性和快速性。 本课题主要针对工业以太网迅速发展的情况，对e p a 工业以太网的确定性通信 调度规程和传统以太网的传输标准进行了对比分析，得出了在e p a 现场设备层 内，中继器级联级数不受5 4 - 3 原则限制的结论，这意味着在满足现场流程工艺 及控制精度要求的前提下，中继器的级联级数可以进一步增加。 中继器级联级数的增加，将导致帧问距进一步缩短和数据总转发延迟的增 加针对这种情况，本文提出了一种新型的中继器数据转发方案：利用双比特位 数据转发模式和补偿值反馈方法，对中继器的帧间距收缩量和数据转发延迟进行 控制该方案以f p g a 芯片作为算法的载体，在其内部设计了曼彻斯特译码，编 码算法、双比特位转发模式以及帧间距缩短量控制算法，并通过波形仿真对该方 案进行了验证 文中的算法部分全部由f p g a 来实现，而以太网的接口部分则由f p g a 的前 端模拟电路来搭建。f p g a 前端模拟电路是按照i e e e 8 0 2 3 标准的要求进行设计 的，文中主要选用高性能的运算放大器对信号进行调理 本文内容涉及到整个系统的设计过程，包括方案的提出和论证、中继器接口 和硬件的设计、f p g a 上中继器功能模块的设计以及最后的调试。 【关键词】：工业以太网，e p a ，确定性通信，c s m a c d ，中继器，帧间距， 转发延迟，f p g a 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a le t h e m e tn e t w o r k , t h em o s td i s t i n g u i s h e dd i f f e r e n c eo f i n d u s t r i a le m a m e ti si t sf a s l - c e r t 血c o m m t m i c a t i o mt l l i $ p r o j e c tf o c u s e so nr do f i n d u s 缸i a l e t h e m e t , e s p e c i a l l y o l l t h e d i f f e r e n c e o f e p a c e r t a i n o 黜a u n i c a t i o n a n d t h e c o m m u n i c a t i o ns t a a d a r do f t h et r a d i t i o n a le t h e m e 乜a n dt h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ef i e l d d e v i c e si nt h ee p an e t w o r ka l en o tr e s t r i c t e db yt h e5 4 3p r i n c i p l e , w h i c hm c a 1 8 m o r es e r i e sr e p e a t e r sc 锄b cu s e di nt h ei n d u s t r i a le l h c f n d m o r es e r i e sr e p e a t e r sw i l li n t r o d u c em o r es h r i n k a g eo fi n t e r - f r a m e - g a pa n dt h et o t a l d e l a yo fd a t at r a n s m i s s i o n , a i ma tt h i sp r o b l e m , ai l e ws o l u t i o nf o rr e p e a t e r sd a t a t r a n s m i t t i n g i s p r o p o s e db a s e d 0 1 1d o u b l e - b i t sd a t a t r a n s m i t t i n gm o d e l a n d c o m p e n s a t i o n - f e e d b a c k , a n dt h ed e l a yo fr c p e a t e r sd a t at r a n s m i s s i o na n dt h e s h r i n k a g eo fi n t e r - f i a m e - g a pc a n b o t hb ec o n t r o l l d l1 1 砖m a n c h e s t e rd e c o d e r e n c o d e r , t h ed o u b l e - b i md a t au a n s m i t t i n ga n dt h em c a l l so fc o n l a o i i i n gt h es h r i n k a g eo f i n t e r - 丘a m c - g a pa r ea l lc a r r i e do u ti nt h ef p g ac h i p t b i sp r o p o s i t i o ni se m u l a t e db y t h ew a v ee m u l a t i o n w h i l et h ep r o g r a m sa r eb e i n gc a r r i e do u ti nt h ef p g ac h i p , t h es i g n a lf r o mt h e n e t w o r ki sr e c e i v e da n ds e n tb yt h ea n a l o gc i r c u i ta r o u n dt h ef p g ac h i p t h ea n a l o g c i r c u i ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ei e e e8 0 2 3s t a n d a r du s i n gh i g hq u a l i t yo p a m p l i f i e r s t h ef o l l o w i n gc h a p t e r sc o v e r e de v e r yc o n t e n t so ft h ed e s i g n , i n c l u d i n gs o l u t i o n c a r d e do u ta n dv e r i f i c a t i o n , r e p e a t e rs o f b c o r ed e s i g n , s y s t e mh a r d w a r ed e v e l o p m e n t a n dd e b u g k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le t h e m e ge p a , c e r t a i nc o m m u n i c a t i o n , c s m a c d , r e p e a t e r , i n t e r - f r a m e - g a p , t r a n s m i td e l a y , f p g a u 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 第1 章绪论 信息技术正在全面进入工业自动化领域，工业自动化系统的各个层面都会受 到r r 技术的冲击作为信息技术基础的以太网是2 0 多年来发展最为成功的计算 机网络技术以太网的快速发展和广泛应用有力地推动了高技术芯片和系统的开 发，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本近来，随着确定性通信技术和 环境适应性等关键问题的突破，工业自动化系统控制层及以上的通信网络正在逐 步统一到工业以太网，并正在向现场设备层延伸。 1 1 工业以太网技术的提出 2 0 世纪8 0 年代中期产生的现场总线，将智能现场设备和自动化系统以全数 字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络连接，使工业控制系统向分散化、 网络化和智能化发展成为可能，使工业控制系统的体系结构和功能结构产生重大 变革现场总线国际标准砸c - 6 1 1 5 8 经过多年的争论和斗争后，放弃了其制定单 一现场总线标准的初衷，最终发布了包括8 种类型总线的国际标准。这说明各大 总线各具特点、不可互相替代的局面得到世界工控界的认可。与此同时，垄断了 办公自动化领域信息网络通信的以太网技术，由于其诸多优点，无论是大型跨国 企业还是中小型自动化企业，都在过程控制领域管理层和控制层等中上层得到广 泛应用。在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断增大，被控对象、测控装 置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足发展的要 求。由于现场总线技术标准m c 6 1 15 8 出台，实际上并没有真正统一的技术标准， 因此，世界各大工控厂商纷纷寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题，于 是在信息网络广泛应用的以太网成为首先选取的目标。 工业以太网是应用于工业控制领域的以太网，一般来讲是指技术上与商用以 太网兼容，但在产品设计时，在实时性、可靠性、环境适应性等方面能满足工业 现场的需要，是一种典型的工业通信网络【l 】。 工业以太网需要通过控制信息的传递来驱动事件的发生，因此网络的高实时 性是首先要保证的，一般不允许有秒级的延迟，特殊场合甚至要求到毫秒级实 时性包括两方面要求，一是传输速度要快，即网络通信速率要高；二是响应时间 要短响应时间由现场设备控制中断的能力、信息在通信系统的传输时间、等待 网络空闲的时间以及避免信息在网络上碰撞的时间等方面决定。控制网络在时间 上的确定性则表现为任务在时间上是可以预测的，要求最大值是可预知的，并且 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 小于一定值工业以太网的实时性和确定性既相互联系又各自代表不同的性能要 求【2 】 传统以太网采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n d e t e c t i o n ，带冲突检测的载波侦听多路访问) 介质访问方式，使得从根本上讲传 统以太网是不确定的在c s m a c d 介质访问方式下。各个节点采用二进制指数 退避算法处理冲突，即当一个站点要发送数据时，节点首先会监听信道状态如 果信道在使用中，则推迟发送。如果信道空闲，则以定的概率发送，并继续监 听信道一段时问一旦检测到冲突，则停止其余数据的发送，而发简短的冲突信 号。每个站点有一个计数器，它用来记录连续冲突的次数。站点根据连续冲突次 数产生一个随机的等待时隙数，然后该站点会等待时机重新发送数据由于采用 了二进制退避算法处理冲突，就会产生不确定的重新发送延迟，所以当一个数据 产生冲突时，其等待时问具有不确定性。由于以太网具有通信延迟不确定的缺陷， 成为它在工业实时控制应用中的主要障碍嘲 随着全双工交换式以太网的出现。传统以太网不确定性的缺点不复存在，网 络通信的速度和效率取决于交换机。采用先进的交换技术、v l a n 技术、优先级 处理技术等成为工业以太网实时性能提高的重要支撑。与此同时，各大开发商也 纷纷采用在应用层制定实时通信协议的方法来提高以太网实时性能，这样既不改 变以太网原有结构，保留了以太网简单、价廉的优势，同时还达到了实时性的要 求，成为目前改善工业以太网实时性能的主要手段。目前，拥有我国自主知识产 权的e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 协议已经通过国际i e c 6 1 1 5 8 委员会的审 批，成为了公认的国际标准。这也为我国的工业以太网的发展提供了良好的平台 和技术指导。 1 2e p a 分布式网络控制系统 e p a 是e t h e m e lf o rp l a n ta u t o m a t i o n 的缩写，它是顺应广大仪器仪表开发企 业与最终用户的要求，将以太网、t c p i p 等商用计算机通信领域的主流技术直 接向下延伸，应用于工业控制现场设备( 如变送器、执行机构、现场i 0 等) 间的 通信，并在此基础上，建立应用于工业现场设备间通信的开放网络通信平台，从 而用以太网统一企业信息化系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层 的通信网络，即所谓的“e ( e t h e m e t ) 网到底”【4 】通过e p a 平台，不仅可以使工 业现场设备实现基于以太网的通信，而且可以使工业现场设备层网络不游离于主 流通信技术之外，并与主流通信技术同步发展。 基于e p a 的控制系统( 或e p a 系统) 是一种分布式现场网络控制系统，以e p a 2 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的1 = 业以太网中继器的设计研究 通信网络为基础，结合工业自动化生产现场物理环境，将若干分散在现场的设备、 小系统以及控制监视设备连接起来，所有设备协同工作，共同完成工业生产过 程中的i o 数据采集和自动控制。基于e p a 的分布式现场网络控制系统可以用于 制造和过程控制环境。 e p a 系统解决了以太网应用于工业现场存在的一些关键问题。e p a 确定性通 信调度规程( 具体内容在第二章中阐述) ，避免了碰撞的发生，使以太网成为确定 性的网络，提高了工业控制网络的实时性。总线供电技术减少了网络线缆，降低 了安装复杂性与费用，提高了网络和系统的易维护性e p a 通信网络的生存性也 是非常关键的技术，它采用双环冗余网络拓朴结构、在线故障监测诊断与恢复技 术等，对可靠性、可恢复性、可管理性、可维护性等等几方面进行了综合设计， 以保证控制系统运行的高可靠性e p a 还采用网络隔离( 如网关隔离) 、防火墙、 访问权限控制等技术，实现了网络最大程度的安全性 1 3e p a 工业以太网中继器 中继器( r e p e a t e r ) 是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之问物 理信号的双向转发工作。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减， 衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误，中继器就是为解决这 一问题而设计的。中继器是最简单的网络互联设备，负责在两个节点的物理层上 传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度 从理论上讲中继器的级联级数是无限的，网络也因此可以无限延长，事实上 这是不可能的，原因在于传统以太网采用c s m a c d 介质访问方式，因此为确保 成功进行冲突检测，i e e e 8 0 2 3 对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能 在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。中继器的级联级数受到 5 4 3 原则的制约，即以太网的一个冲突域中只允许出现5 个网段，最多使用4 个中继器，而且其中只有3 个网段可以挂接计算机终端。由于5 4 3 原则与以太 网的传输标准有关，因此本文在第二章中将对其作详细介绍 e p a 确定性通信调度规程的提出，使得现场层设备从根本上避免了监听最小 帧碰撞产生冲突信号的过程，因此在e p a 分布式控制网络中5 4 3 原则对中继器 级联级数的限制不复存在，这意味着在满足现场流程工艺及控制精度要求的前提 下，中继器的级联级数可以进一步增加然而，中继器级联级数的增加，相应的 网络性能也有待提高：一方面应进一步控制帧间距收缩量，帧间距是帧传送之间 的时间延迟，是头一帧帧尾与下一帧帧头之间的时问间隔，帧间距的缩短会导致 数据丢失，影响系统的实时性，中继器级联级数越大帧间距缩短的概率就越大； 3 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 另一方面级联级数的增加对中继器的转发速度也提出了更高的要求因此，这两 方面成为本文基于f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的工业以太网中继器设 计研究的重点。 e p a 工业以太网中继器工作在e p a 通信模型的物理层，目前支持1 0 b a s e - t 的数据传输，因此与i e e e 8 0 2 3 兼容结合工业通信网络与e p a 通信调度的特 点，e p a 工业以太网中继器与传统以太网中继器相比有着自己的设计特点 1 ) 力求简洁。采用了f p g a 模块化设计方案，在一块f p g a 芯片中实现了 曼彻斯特编译码、同步检测、中央控制等常见物理层适配芯片和处理器芯片两块 芯片才能完成的功能，同时根据工业以太网的特点，精简了这两类芯片在物理层 和m a c 层上与冲突检测相关的一些功能，不仅可以降低设备成本，同时也可以 提高系统的健壮性 2 ) 逻辑处理速度快e p a 确定性通信调度本身已经保障了设备间通信的实 时性要求。本中继器采用双比特位转发模式，即以两个比特位为单位进行数据的 接收与发送，并且采用f p g a 芯片来实现数据转发功能，因此比软件实现快得多， 能够很好地满足工业以太网强实时性的要求。 3 ) 有效控制帧间距缩短量。帧间距的作用是区分上一帧的结束和下一帧的 开始。网络部件的不同时问延迟和中继器内部信号重构电路的影响结合在一起能 使帧间距明显缩趔卯，帧间距如果太短，超出了网络接口的帧接受能力，将会导 致数据帧的丢失本中继器采用补偿值反馈法实现了帧间距缩短量的控制，弥补 了常用中继器此方面的不足 4 ) 适应工业以太网快速发展的要求。f p g a 本身具有配置灵活，通用性强 等特点，与专用集成电路( a s i c ) 相比，其逻辑改动灵活，便于系统的完善和升级。 工业以太网正处于起步与发展阶段，还有许多问题有待解决，包括协议、性能等 都有待进一步完善 6 1 7 1 舶，因此f p g a 技术在这些方面与a s i c 技术相比有着无 可比拟的优势，它在工业以太网的发展中将发挥重要的角色，紧跟工业以太网快 速发展的步伐 1 4 课题任务及论文结构 本课题的主要任务是研究设计基于f p g a 技术的e p a 工业以太网中继器， 分析1 0 m b p s 以太网传输标准和e p a 通信调度规程，并以此为基础进行中继器的 硬件和软件设计。本课题以f p g a 为硬件载体，分析如何利用f p g a 技术提高中 继器逻辑处理速度和控制帧问隙缩短量，并运用v e r i l o gh d l 硬件描述语言设计 中继器全部功能模块，同时基于双绞线传输模型和信号完整性分析，设计中继器 4 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的下业以太网中继器的设计研究 的前端模拟电路，并根据目前的研究成果展望了今后的研究方向 本论文共分为6 章，第l 章叙述了工业以太网技术的提出，并且简要介绍了 e p a 分布式网络控制系统及e p a 工业以太网中继器。第2 章分析了1 0 m b p s 以太 网传输标准及e p a 确定性通信调度规程，并给出了基于f p g a 的工业以太网中 继器的设计重点。第3 章阐述了基于f p g a 的工业以太网中继器硬件设计及开发 方案，对f p g a 的配置、中继器以太网端口的连接、f p g a 前端模拟电路及前端 发送电路的设计作了详细地阐述。第4 章阐述了中继器功能模块的设计和开发方 案，采用模块化设计的思想，在f p g a 内部实现了曼彻斯特译码算法和编码算法、 双比特位传输模式以及帧间距缩短量的控制算法，并且对中继器性能进行了仿真 和测试第6 章对课题进行了总结与展望。 5 浙江大学硕十学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 第2 章l o m b p s 以太网传输标准和e p a 通信调度规程 以太网采用的c s m a c d 介质访问方式，使得从根本上讲传统以太网通信是 不确定的，这是最初阻碍以太网进入工业控制领域的主要障碍。e p a 系统采用制 定确定性通信规程的方法来改善以太网不确定性，这样既不改变以太网原有结 构，保留了简单、廉价的优势，同时还达到了实时性的要求 e p a 确定性通信调度规程的提出，使得在e p ：a 系统中中继器的级联级数不 再受5 4 3 原则的限制，这意味着在满足现场流程工艺及控制精度要求的前提下， 中继器的级联级数可以进一步增加中继器级联级数的增加，意味着数据通过中 继器的帧间距缩短量和转发延迟将相应增加 本章通过对i o m b p s 以太网传输标准和e p a 确定性通信调度规程的分析，使 以太网网络跨度、5 - 4 3 原则、确定性通信等概念更加清晰，这些概念是进行中 继器设计前必须明确的。通过分析突出了本课题的研究意义，将控制帧间距缩短 量和缩短中继器转发延迟作为工业以太网中继器的设计重点。 2 1l o m b p s 以太网传输标准 以太网传输标准是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网互 联设备之间以1 0 - * 1 0 0 m b p s 的速率传输数据包，l o m b p s 以太网的工作模式可以 分为：全双工模式( 觚ld u p l e x ) 和半双工模式o “f d u p l e x ) 全双工模式通过点对点的连接通道，允许一对主机间同时收发。由于全双工 模式通讯，不需要传输延迟，也不需要监测介质的状态以获得对介质的接入权， 所以在全双工工作模式下不需要c s m a c d ( c a r d 盯s e n s em u l t i p l e a c x , e s s c o n f l i c td c t v c t ) 接入算法【9 1 0 1 1 1 1 半双工模式在l o m b p s 以太网中应用非常普遍，是本章讨论的重点之一半 双工模式需要c s m a c d 算法，来实现对共享传输介质的接入，所以存在传输等 待，载波检测和冲突后重发 2 1 1l o m b p $ 以太网底层模型 为了对l o m b p s 以太网传输标准有较为全面深刻的理解，先来了解一下 l o m b p s 以太网的底层模型，图2 1 是o s i 参考模型和以太网节点实现之间的关 系n 2 1 ，该图反映了l o m b p s 以太网底层模型。一个以本网节点通常是指一个以太 6 浙江大学硕士学位论文 基于f p g a 的i t 业以太网中继器的设计研究 网站点，8 0 2 3 标准统一称之为数据终端设备( d t e ) l a n o s i 参 c s m a c d 考模型； 更高层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 1 逻辑链路控制层( u c ) 7 i介质访问控制( m a c ) 物理层信令( p l s ) 豳豳 | i接入单元拦 圜栩 介质连接装置( m a u ) 鼷g i g 豳专用介质摇 介质 口( a u b n ( m d 0 图2 - 1o s i 参考模型与以太网节点实现的关系 以太网是一种基于带冲突检测的载波侦听多路访问协议( c s m c d ) 的局域 网，任何一个以太网节点都可以判定是否允许在共享介质上发送信息。介质访问 控制( m a c ) 子层负责执行c s m a c d 协议。在这个体系结构中，设备都连接到共 享介质上，并拥有同样的访闯优先权 物理层信令( p l s ) 和接入单元接口( a u d 用于支持m a c 层和介质连接装置 ( m a u ) 之间的信号模式。m a u 负责与某一特定介质类型之间的物理电器接口 尽管p l s 被认为是物理层的一部分，但是p l s 功能通常和m a c 层功能一起实 现，如图2 - 2 所示a u i 提供了一个明确的接口使得一个特定的电缆和连接器把 p l s 功能和m a u 连接起来。这使得m a c p l s 可以远离m a u ，从而也远离网 络介质【1 3 1 曼彻斯特编码 局域网控制器，译码器 收发器 t x 骂 数据输出 - - - 系统 h f o 8 0 2 3 数据输入 总线p l s- - - - - - - 一 【a u r x 队c 接收 控制输入 接口 - - - - - 一- - - 一 f i f o 图2 - 28 0 2 3 底层主要功能部件 由于以太网技术已经经历了很长一段时间，它的功能己经集成到超大规模集 成电路( v l s i ) 中，这样可以减少体积、费用、能源消耗和接口的复杂性。 介质访问控制( m a c ) 子层和物理层主要由芯片直接实现，从许多半导体公司 都可以获得这种实现。逻辑链路控制( l l c ) 子层和m a c 层一起构成了数据链路 7 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 层( d l l ) ，l l c 通常情况下由软件实现，与上面各层相类似早期的芯片解决方 案被典型的分解为三个功能集成电路0 c ) 随着技术的进步，可以将系统的接口、 m a c 层和p l s 部件都集成到一块芯片中，让a u i 去连接合适的m a u 。现在的 芯片还可以集成所有的m a c 和物理层功能，并带有对l ie 功能的硬件支持 目前的大多数实现方案，己经不再提供外露的8 0 2 3 标准定义的a u i 连接。与此 相反，a u i 仅仅在概念中存在，整个以太网节点硬件都可以集成到一个集成电路 封装中 从实际实现的角度看，8 0 2 3 标准并未定义主机总线或是f i f o 存储器如 图2 - 2 所示，这些都被集成在一块典型的局域网控制器中。协议和总线接口的性 能选择方面通常由市场需求所驱动。f i f o 的大小则取决于芯片上可以实现的内 存量和相应的花费之间的折中值得注意的是，在m a c 功能和p l s 功能之间的 接口上，标准定义了一个。服务接口”( 一个抽象接口协议) ，但缺乏一个确定的 电器接口，后来认识到这是一个很大的疏忽，因而可能导致主要芯片制造商的实 现难以兼容。尽管这些制造商对7 根数字信号线的定义( 及其功能) 最终几乎完全 一样，但是各制造商在时序和极性上的差异，造成无法用简单接口逻辑实现不同 制造裔的控制器和曼彻斯特编码器译码器芯片的互联，所以通常的收发器内部 由物理层控制芯片和曼彻斯特编码器译码器两块芯片组成。图2 3 给出了在 m a c 和p l s 之间的7 线接口1 1 3 】。 厦迓盯钾( 1 x c ) 发送使能( 盯匹n ) 发送数据) 。 p l s 川魄c f 曼彻斯 ( 局域网 冲突( c o l ) 特编码 控制翻 接收始终( r x o 器译 码器) 载波侦s 1 斤( c r s ) 接收数据( r ) 图2 - 3 m a c 与p l s 间接n 同一网络上的以太网结点以串行方式交换数据。以太网支持1 0 m b p s 、 l o o 勰, p s 和1 g m b p s 的数据率，但是只有1 0 m b p s 应用最为广泛。 2 1 2 冲突检测和以太网参数 带冲突检测的载波侦听多路访f 司( c s m a c d ) 是一种随机访问方法，每一个 。站点都有权访问介质而不受其他站点的控制。但是，如果多于一个站点试图发送 8 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 数据，加上信号传输延迟，就会造成访问冲突( c o l l i s i o n ) ，从而使得帧或者被破坏 或者被修改图2 - 4 说明了c s m 刖c d 中的冲突检测原理。 在时刻t t ，介质左边的站点a 检查介质。介质处于空闲状态，所以它发送一 帧在时刻( t 2 t 3 ) ，介质右边的站点z 检查介质并发现它处于空闲状态，因为这 时从站点a 来的传播信号还没有到达站点z 站点z 也发送一帧，两个信号在 时刻t 3 ( t 3 t 2 t 1 ) 相遇，注意，其结果就产生冲突，出现一个错乱的信号，该信号 沿着两个方向继续传播在时刻t 4 ( t 4 t 3 t 2 t i ) 到达站点z ，并在时刻 t s ( t s t 4 t 3 t 2 t 1 ) 到达站点a 网 图2 - 4 冲突检测原理 基于c s m a c d 冲突检测原理，可以得到以太网最小帧长度、以太网冲突时 9 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 问槽、以及以太网网络跨度等一些与以太网传输紧密相关的参数 2 1 2 1 以太网最小帧长度 以太网收发器检测到冲突时，就将当前正在发送的数据帧的其余部分丢弃 掉，这样残余帧会一直出现在传输介质上为了便于区别有效帧和残余帧， i e e e 8 0 2 3 规定以太网最小帧长度( 从目的地址到校验和字段) 为6 4 字节，小于6 4 字节的数据定义为冲突碎片，在碎片校验时丢弃。 i e e e 8 0 2 3 定义最小帧长度还有另外一个重要原因。网络上多个站点发送短 帧并且发生冲突，而发送方在收到冲突信号之前已经将数据帧发送完毕，从而导 致冲突检测失效，为了防止这一现象必须有个最小帧长的限制。结合图2 _ 4 来说 明这个问题。在时刻h = 0 时，网络一端的站点a 检测到信道空闲，于是发送一 个帧数据。假设数据帧到达站点z 的传输时间( 单程端到端传输延时) 为t ，在该 数据帧到达站点z 之前( 比如，在时刻t 2 可_ 6 时) ，站点z 检测到信道空闻，于是 也发送一个数据帧，此时共享介质上存在两个数据帧。在时刻t a = t - - 6 2 时，这两 个数据帧发生碰撞，产生一个错乱的冲突信号，冲突信号沿着两个方向分别向站 点a 和站点z 传输在时刻t 4 - - - x 时，站点z 检测到冲突信号，于是放弃数据发 送，等待一个随机时间后，再次尝试发送。接着，在时刻t s = 2 x 时，站点a 检测 到冲突信号，于是放弃数据发送，等待一个随机时间后，再次尝试发送【1 0 1 ”】。 考虑如下极限的情况： 1 1 站点发送的帧很小，且站点相距很远。 2 ) 在站点a 发送的帧传输到站点z 的前一刻( 6 一o 的情况) 时，站点z 才开 始发送帧。这样，当站点a 的帧到达站点z 时，站点z 检测到冲突，同时产生 冲突信号。、 3 ) 当冲突信号恰好传输到站点a 时( t s = 2 t ) ，站点a 的帧恰好发送完毕，那 么站点a 将检测不到冲突而误认为已发送成功。 为了防止这种情况的产生，所有帧的发送时间必须大于2 f 。根据i e e e 8 0 2 3 的规定说明，在1 0 m b p s 的局域网中，允许帧的最小发送时间为5 1 2 u s ，这个时 间等于6 4 字节的发送时间，6 4 字节就是因此而来的。 2 1 2 。2 以太网冲突时间槽和冲突域 以太网冲突时间槽( s l o tt i m e ) 是指帧发送过程中，检测最小帧发生碰撞的时 间，在此时间内，发送数据不会成功按照标准，1 0 m b p s 以太网规定一帧的最 小发送时间为5 1 2 u s ，这段时间所能传输的数据为5 1 2 位，因此也称该时间为一 1 0 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的- 业以太网中继器的设计研究 5 1 2 位时，这个时间定义为以太网冲突时间槽如果以太网发生冲突，就一定是 在发送的前5 1 2 位之内 以太网冲突时间槽是网络的一个固定重要参数，与媒体延迟和网络传输率有 关可以用下面的公式近似地计算以太网冲突时间槽( s l o tt i m e ) ： s l o tt i m e - 2 s 0 7 c + 2 t p l | y k 岫喂 ( 2 - 1 ) s _ 喻质总长度； c 一光的传播速度； t p l 物理层延时； i 岫广一最小帧长度； r - - 网络传输速率 冲突时间槽定义了一个数据帧从网络的一端到最远端并返回的整个传播延 迟的上限时间这包括信号通过电缆、中继器、m a u 所需要的时间，不管路径 如何不同，所要的传播延迟必须小于冲突时间槽。因此冲突时间槽定义了以太网 最大网络范围，并限制了冲突域，超出冲突域就违反了以太网介质访问控制机制， 就会导致不可靠的操作。 2 1 2 3 以太网网络跨度 由冲突检测原理可知，当介质太长时，某个站开始传输，它的信号开始沿着 介质传播。因为介质太长，介质另一端的站就检测不到其他节点正在传输和开始 传输。这种情况下，将会出现冲突，但是第一个发送数据的站点可能已经完成了 传输并且不再监听冲突，这时传输就被损坏，其他站将拒收。另外，还需要告知 发送器重新传输数据分组，这样，网络性能将会受到重新传输要求的影响。因此 在一个冲突域内网络的传输距离是有限的，传输距离过长，由碰撞引起的冲突就 可能检测不到，造成网络通讯故障。变换公式2 - 1 得到介质总长度： s - - 0 3 5 c x ( i 岫i i 一2 t p t l v )( 2 2 ) 对于一个网络而言，它的物理层延时和传输速率是相对固定的，那么由式子 ( 2 - 2 ) 可知网络传输数据的距离是有限的，这个极限距离，就是该网络的跨度。虽 然采用中继器可以延长网络传输距离，但是由于网络跨度的影响，中继器的级联 级数是有限的。 随着网络传输速率的提高，相应地必须增大最小帧长度或是缩小网络的跨 度。对一个速度为1 g b p s 的2 5 0 0 米的局域网来说，最小的帧长度应该提高到6 4 0 0 字节，或是将最小帧长度提高到6 4 0 字节且将站点间的距离缩小到2 5 0 米。当网 络速度提高到l g b p s 时，这些限制太痛苦了为了可靠的进行冲突检测，扩大跨 浙江大学硕+ 学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 度，就要采用帧扩展技术，增加最小帧的长度1 0 0 m b p s 以太网的最小帧长度仍 为5 1 2 位，最小发送时间为5 1 2 u s 1 0 0 0 m q , p s 以太网的最小帧长度增至5 1 2 字 节，即4 0 9 6 位，最小发送时间为4 0 9 6 u s 。 2 1 31 0 m b p s 以太网不确定性分析 在c s m m c d 的半双工通信网络中，任意站点都可以发送帧，然后就监控介 质，看是否传输成功如果成功，站点完成发送；如果不成功，就说明存在冲突， 需要重新发送此帧。为了减少第二次重发时发生冲突的概率，站点需要等待，即 需要退避( b a c ko f t ) 。问题是，应该退避多少时间? 第一次站点等待时间是合理的， 如果冲突再次出现则需要等待更长一些时间，冲突第三次出现就等待比上一次更 长一些时问，等等 ( 1 ) 退避算法将导致单一站点在某确定时刻发送数据的概率急剧减小 c s m a c d 采用二进制指数退避算法来确定等待时间。该算法要求每一发送 方在尝试新的传送序列前需等待冲突时间槽( 5 1 2 u s ) 的整数倍。该整数由下式决 定： 当k = m i n ( 1 0 , n ) 时，0 r 2 ( 2 3 ) 其中，n 为重传次数( 退避值) ，k 为碰撞回归等待次数，r 为这个随机整数。 那么，站点等待的时间为( r x 5 1 2 ) u s 。图2 - 5 说明了c s m a c d 的过程。 图2 - 5 c s m a c d 过程 1 2 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 要发送帧的站点将退避值k 设置为0 ，然后使用一种持续性策略检测路线。 发送帧后，如果全部帧发送完毕都未监听到冲突，就认为发送成功；否则，如果 站点监听到冲突，它就向线路发送一个干扰信号通知其他站点冲突已经发生，于 是所有站点就会放弃收到的部分帧。然后站点将退避参数的值加l ，检测其值是 否超过了预约值如果超过了预约制，则认为站点已经尝试多次并将终止尝试， 放弃这一过程；如果值没有超过预约值，站点将等待一个基于当前退避参数值的 随机退避时间，然后再次检测线路唧 根据c 舒l 忙d 过程可以推测出站点数与退避时问范围之间的关系，见表 2 - 1 。i e e e 8 0 2 3 定义公式2 3 中重传次数( 退避值) n 的最大值为1 6 ，表示m a c 在反复冲突时，尝试重发一个帧的最大次数，用参数。a t t e m p t l i m i t ”表示当n 1 0 时，k = 1 0 ，随机整数r 的范围是0 - 1 0 2 3 。f 的实际值由每一以太网节点内的 随机过程而决定。当连续的碰撞数目增加，退避时间星指数级别增加【1 4 1 表2 - l 退避时间随冲突域站点数目的增加而增加 重传次数n k 值 其余站点数随机整数r 的范围退避时间范围( 旧 lil o l0 5 1 2 2230 30 1 5 3 6 3 370 70 ”3 5 8 4 441 50 1 50 7 6 8 0 553 l0 3 10 1 5 8 7 2 666 30 6 30 3 2 2 5 6 7 7 1 2 70 1 2 70 6 5 0 2 4 882 5 50 2 5 5o 1 3 0 5 6 0 995 l l0 5 1 l0 2 6 1 6 3 2 l o 1 5 1 0 1 0 2 3 0 1 0 2 30 5 2 3 7 7 6 1 61 0t o oh i 【g hn ad i s c a r df r a m e 举例来说，网络中站点a 和z 都要传送数据它们能够边检测碰撞边进行 同步发送。检测到碰撞后，延迟0 或l 位的退避时间，选择同一数字的可能性是 5 0 0 ，这将再次发生碰撞。如果是再次碰撞，那么采取0 ，l ，2 ，3 倍的碰撞时 间现在发生碰撞的可能性是2 5 。最后一方的碰撞计数器清零取胜，而另一方 的碰撞计数器继续增加直至传送成功。重试次数多意味着在一个繁忙的网络中有 比原先预计的多的多的站点需要传送。这就是为什么退避时间的范围呈指数级增 长，提供更多退避时间给别的站点而退避时问范围的增加，意味着单一站点在 某个确定时刻发送数据的可能性越小，即网络的不确定性也将随站点数目的增加 急剧明显。 。 1 3 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的_ t 业以太网中继器的设计研究 ( 2 ) 退避算法导致通道获取不公平，单一站点的实时性难以预测 如上所示，以太网二迸制退避算法提供了对等站点获取网络通道的一种方 法。通道以一种不可预测的方式提供给每个站点，问题是通道获取是否公平。 假设网络上有站点a 和站点z 。然而，这次它们都有大量的数据要传送并都 试图同时发送在第一次尝试中发生碰撞。进行延迟后，这次a 成功，a 的碰 撞计数器清零而z 未清零。如果站点a 有更多的数据需要传送，很快组装出要 传送的另一个包，可能再次与z 发生碰撞，这次z 会选择更高的延迟时间，碰 撞计数器继续增加但站点a 认为它只遇到了第一次碰撞，可能会选择一个更 低的延时允许其传送另一个包，并能在延迟竞争中再度击败z 。通道捕捉这一现 象是真实的，证明网络中通道既不公平又不可预测。下一次站点z 可能占有优势， 反过来限制a 的存取。如果另一站点c 决定传送，会因a 的碰撞计数器状态而 非斥a ，实际上最后到达的站点可能是第一个传送的，个别站点可能在相当长的 时间内得不到数据发送权，因此，单一站点的实时性难以预测【1 4 1 2 1 41 0 m b p s 以太网5 - 4 - 3 原则 信号在网络缆线上传输时，会因距离的增加而减弱，若信号强度降低至一定 的限度后，会引起信息的无法辨识为了避免这个问题，实际应用中使用中继器 来加强或是重新产生信号，这种通过中继器来延长网络传输距离的方式称之为中 继器的级联。 由于在一个冲突域内以太网的网络跨度是有限的，并且以太网发生碰撞的概 率也随站点数的增加而急剧增加，网络的不确定性越趋明显，加之中继器本身具 有一定的转发延迟，因此当采用中继器来延长网络传输距离时中继器的级联级数 是有限的。通常在一个1 0 m b p s 的冲突域内，中继器的级联应遵循5 4 3 原则， 其示意图如图2 - 6 所示 此原则的内容如下： 所谓的“5 ”是指网络最多只能有5 个网段( s e g m e n t ) ，网段是指网络上 的一个区段，在区段中所有的计算机都使用同一个传输媒介。 所谓的“4 ”是指网络上最多只能使用4 个中继器。 所谓的“3 ”是指在5 个网段中，最多只能利用3 个网段来连接计算机 终端，其余的2 个网段净空 1 4 浙江大学硕士学位论文基于f p g a 的工业以太网中继器的设计研究 一个冲突域 图2 - 6 5 4 3 原则示意图 值得注意的是某些网络并没有按照5 4 3 原则来布线，甚至在违反5 4 3 原 则的情况下，也能无故障工作。原因在于有许多因素决定以太网的最大传输距离。 当一些具体条件，如导线的电阻、实际的信噪比、中继器的延时差异、网络的繁 忙程度等发生变化时，以太网的最大传输距离就会起变化因此1 0 m b p s 以太网 5 4 3 原则实际上是确保c s m a c d 起作用的保守原则。 2 2e p a 确定性通信调度规程 由前文的具体分析可知，以太网采用c s m a c d 介质访问方式，不仅限制了 网络的传输距离，同时也使以太网通信具有不确定性，难以满足工业控制实时性 的要求。e p a 系统在介质访问控制层( m a c ) 之上定义了一个e p a 通信调度管理 实体，避免了冲突的发生，从而避免了c s m a c d 介质访问方式，提高了工业以 太网的实时性能。 2 2 1e p a 通信模型 e p a 通信模型参考了i s o o