硕士论文-嵌入式网络控制器的研究与设计.doc

摘 要摘 要随着计算机技术、通信技术、集成电路技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。但许多传统的工业设备基于ProfiBus、FF、CAN、Lon Work等现场总线的通信方式构成的网络控制系统，它们一方面无法直接与以太网相连，另一方面，它们采用的协议的标准不统一，给各个厂商设备的一致性和互操作性造成了很大的障碍。因此，当前的工业控制技术有了新的发展方向即工业以太网技术。而目前许多的厂商转而采用的IPv4工业以太网技术应用工业控制，但它存在实时性问题。本文将从基于IPv4工业以太网的实时性的发展需求出发，研究了下一代网络协议IPv6协议，将其应用于网络控制系统中，利用报头中的流类别字段来部分的提高系统的实时性，减少端到端的时延。本文首先分析了网络控制系统的发展历程，指出目前的IPv4工业以太网嵌入式网络控制系统中存在的网络地址的枯竭、网络信息传输时延、数据包丢失和数据的时序乱序等问题。接着，从网络通信的角度出发分析了全双工交换式以太网、虚拟局域网、Qos服务质量和IPv6技术四种工业以太网实时性的解决方案，并对本中使用的实时性改进方案进行理论上的分析。接着，分析和研究了IPv6协议栈，并通过利用在IPv6报头的流标签字段设置优先级，来保证所设计的嵌入式IPv6协议栈的实时性，并将其移植了到硬件方面选用以LPC2210控制器为核心，并配有RTL8019AS以太网接口，软件方面选用C/OS-II操作系统为核心的开发环境中。最后，对基于IPv6的网络控制系统的性能进行分析，通过组建实验室中的支持双协议栈的网络环境，通过改变网络中的流量干扰器的发包情况，来控制网络中的时延，验证在不同负载的网络环境下，两种不同通信协议方式在控制系统中的差别。实验表明采用改进后的支持优先级IPv6协议栈进行通信在实时性控制和数据丢包控制方面比采用标准的IPv4协议栈好，进而表现出来的系统的动态性能和稳态性能也将好于IPv4。目前，工业以太网统一标准没有被制定出来，同时考虑到网络技术的发展IPv6纵将会代替IPv4，可以以IPv6协议为基础，结合工业以太网的实时性需求，通过更改某些未统一标准定义的字段，来保证网络的实时性，制定一种基于IPv6的工业以太网的统一标准应用于网络控制中。本文只是进行了一部分的尝试，为下一步的网络控制系统的发展和研究提供一种方向。关键词 IPv6；嵌入式系统；网络控制系统；LPC2210-79-AbstractAbstractWith the development of computer, as well as communication and control technology, the traditional industry control field is going through an unprecedented change, developing towards network. But many traditional industry equipments constitute lightweight networks based on correspondence connection such as the ProfiBus、FF、CAN、Lon Work. On the one hand, those equipments cannot connect with the Internet/Intranet directly. On the other hand, the agreement standard is not unified, which created a significant obstacle for various manufacturers. Therefore, the current industrial control technology had a new development direction of industry Ethernet technology. But at present many manufacturers adopted IPv4 industry Ethernet technology application industrial control, but exists real-time problem. In order to meet the future industry control needs, this paper has researched the next generation network protocolIPv6 protocol, and applies it in the network control system to partly enhance real-time of system and reduce the end-to-end delay.First，this paper analyzed the development process of network control systems, pointed out some flaws in Industrial Ethernet of IPv4, such as short of network address, network transmission retards, data packet loss and chaotic. Then from the perspective of network communication gives four ways to improve the real-time of network control systems. They are the full-duplex switched Ethernet, VLAN, Qos service quality and the IPv6 technology. Then, from theory point of view, analysis the real-time strategy which used in this paper. In this paper, on hardware side, selected LPC2210 controller and is equipped with RTL8019AS Ethernet interface. On software side selected C / OS-II operating system. Then, design of embedded IPv6 protocol stack and ported to the above platform. Finally, the paper analysis the performance of network control system based on IPv6. Based on setting up laboratory environment to support dual-stack network, throght change the jammers bidding to control the network delay, this paper verified the difference between two different communication protocol ways in control system. Experiments show that use of the improved IPv6 protocol stacks, which support for priority communicate in control system is better than the standard IPv4 protocol stack, in the field of real-time and data packet. At the same time demonstrated the systems dynamic performance and steady-state performance will be better than the IPv4 .At present, the industry Ethernet unified standards have not been worked out, taking into account the longitudinal development of Internet technology IPv6 will replace IPv4, at present the IPv6 protocol some standards has not been formally identified, we can use this feature and conjunction with the need of industrial Ethernet, change some head label of IPv6 in order to ensure the real-time of Ethernet, develop an uniform standards based on IPv6 for industrial Ethernet networks control. This article is part of the attempts carried out for the next stage of the network control system to provide a direction for development and research. Key Words IPv6; embedded systems; network control system; LPC2210目 录目录摘 要IAbstractIII第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 本文的研究内容和主要工作3第2章 嵌入式网络控制系统的研究52.1 嵌入式控制网络系统基本概念52.1.1 嵌入式系统的概念52.1.2 网络控制系统的概念52.1.3 嵌入式网络控制系统62.2 嵌入式网络控制系统研究内容62.2.1 网络时延72.2.2 数据丢包72.2.3 数据包时序乱序82. 3 网络控制系统实时性改进方案82.3.1 全双工交换式以太网82.3.2 虚拟局域网102.3.3 Qos服务质量112.3.4 IPv6技术132.4 实时性改进方案的分析142.5 本章小结19第3章 嵌入式控制器的硬件设计203.1 控制器硬件的功能结构203.2 电源模块203.3 数据存储模块223.4 数据输入输出模块233.5 网络接口模块243.6 JTAG模块273.7 本章小结28第4章 嵌入式实时IPv6协议栈的研究与设计294.1 嵌入式操作系统C/OS-II移植294.1.1 C/OS-II的概述294.1.2 C/OS-II的移植的条件294.2 嵌入式实时IPv6协议栈的特点和设计的原则及关键技术314.2.1 嵌入式实时IPv6协议栈的特点和设计的原则314.2.2 嵌入式实时IPv6协议栈设计的关键技术324.3 嵌入式实时IPv6协议栈的整体结构及实现344.3.1 网络接口层的实现364.3.2 网络层的实现384.3.3 传输层协议的实现444.4 嵌入式实时IPv6协议的移植454.4.1 嵌入式实时IPv6协议栈移植到C/OS-II操作系统464.4.2 IPv6协议栈的功能测试484.5 本章小结49第5章 基于IPv6的网络的控制系统的性能分析505.1 性能分析的需求505.2 总体设计515.2.1 性能分析软件总体设计框架515.2.2 TCP socket编程程序流程525.3 被控对象端的设计535.4 控制器端的设计545.4.1 启动模块565.4.2 通信模块595.4.3 数据处理模块605.5 支持双协议栈的实验环境的搭建625.6 实验测试任务645.7 本章小结69结束语70参考文献71附录1 LPC2210原理图75附录2 系统存储器电路76附录3 网络接口电路77攻读硕士学位期间发表的论文79致谢80ContentsContentsAbstract (chinese)IAbstractIIIChapter 1 Exordium11.1 Project research background and significance11.2 Investigative status of the Field21.3 Purpose and significance of the Field3Chapter 2 Embedded network control system52.1 Basic concepts of embedded control network system52.1.1 Concept of embedded systems52.1.2 Concept of network control system52.1.3 Embedded network control system62.2 Embedded network control system62.2.1 Network delay72.2.2 Packets loss72.2.3 Packets out of order82. 3 Network control system improvement plans of real-time82.3.1 Full-Duplex Switched Ethernet82.3.2 VLAN102.3.3 Quality of service112.3.4 IPv6 technology132.4 Analysis of Real-time improvement program142.5 Brief summary19Chapter 3 Hardware design controller203.1 Functional structure of hardware controller203.2 Power module203.3 Data storage module223.4 Data input and output modules233.5 Network interface module243.6 JTAG module273.7 Brief summary28Chapter 4 Research and design of IPv6 protocol real-time embedded systems294.1 Port of C / OS-II to embedded operating system294.1.1 Overview of C / OS-II294.1.2 Transplantation conditions of C / OS-II294.2 Design principles and key technologies of real-time embedded IPv6 protocol314.2.1 Features and design principles of real-time embedded IPv6 protocol stack314.2.2 Key technologies of embedded IPv6 protocol stack design324.3 The overall structure of the protocol stack and implementation344.3.1 Implementation of network interface layer364.3.2 Implementation of network layer384.3.3 Implementation of transport layer protocol444.4 Transplant of embedded IPv6 protocol stack454.4.1 Ported IPv6 protocol stack to C / OS-II operating system464.4.2 Functionality testing of Protocol484.5 Brief summary49Chapter 5 Performance analysis based on IPv6-based network control system505.1 Requirements analysis of Performance analysis software505.2 Overall design515.2.1 Design framework of performance analysis software515.2.2 Program flow of TCP socket programming525.3 Design of Controlled object535.4 Design of controller545.4.1 Start module565.4.2 Communication module595.4.3 Data processing module605.5 Experimental environment for dual-stack protocol625.6 Experimental task testing645.7 Brief summary69Conclusion70References71Appendix 1 Schematic of LPC221075Appendix 2 System memory circuit76Appendix 3 Network interface circuit77Published papers79Acknowledgement80第1章绪论第1章 绪论本章简单地介绍本课题研究的背景及意义、国内外研究现状、以及本文的研究内容和主要工作。1.1 课题研究背景及意义70年代中期以来，工业控制从早期的就地控制、集中控制发展到集散控制（DCS）。随着计算机技术、网络通信技术和微电子技术的进一步发展及相互渗透和结合，尤其是现场总线技术的出现，带来了工业控制领域的第三次革命13。现场总线打破了传统的集散式控制系统的结构形式，采用了智能设备，把原来DCS中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场设备中，加上现场设备具有通信能力，各个设备间可以之间传送信号，控制系统功能可不依赖控制室里的计算机或控制器，直接在现场出现，实现了彻底的分散控制。具有系统的开放性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构高度分散性等优点。现场总线虽然突破了DCS相对封闭的限制，但目前现有的各类现场总线标准互不通用，这样必然会给各个厂商提供的设备的互操作性和一致性造成了很大的障碍45。同时，现场总线通讯协议与上层管理信息系统所广泛采用的TCP/IP协议互不兼容，存在协议转换的问题。另外，随着互联网技术的进一步的发展与推广，Ethernet技术也得到了迅速的发展，Ethernet交换技术的发展和Ethernet传输速率的迅速提高，为解决Ethernet通信的实时性和确定性问题带来了希望，使将Ethernet全面应用于工业控制领域成为可能。因而当前的工业控制技术出现了工业以太网技术作为新的发展方向。究其根本原因是由于以太网的自身的完全开放、有着广泛的技术支持、资源共享能力强、成本低廉、通信速率高、容易与办公自动化网络无缝连接等众多的优点，决定着许多厂商已经将以太网引入到工业控制网络中。尽管目前将以太网技术应用于实际工业的前景，被学术界和一些控制系统服务厂商看好，但由于以太网的前身毕竟是面向商业局域网技术，因此，将以太网应用于工业控制仍受到一定的质疑69。以太网要想成为底层工业控制网络标准仍然存在着许多的问题需要进行解决，比如，网络通信的实时性；实时通信服务质量支持策略；如何减少和降低网络传输中的数据丢包和乱序；满足通信一致性和互可操作性的应用层和用户层协议规范；总线供电；网络的可靠性、可恢复性以及可维护性；网络的安全性；远距离传输等一些关键的问题。目前，针对网络控制中所存在通信的实时性的问题解决，多数控制理论的学者从控制算法上进行算法的改良，来减少和降低网络时延，使其完成达到比较理想的效果。而本文将从网络通信的角度考虑，将IPv6技术应用于嵌入式网络控制系统，通过设置优先级机制来保证网络控制系统的实时性。它为将来发展的IPv6技术应用于嵌入式网络控制中进行了一些尝试，以期它能对将以太网用于工业控制做出有意义的探索。相信利用IPv6网络本身具有的优势，对于网络控制的发展具有重要意义。1.2 国内外研究现状随着嵌入式技术和网络控制技术的蓬勃发展，国内外各大厂商都相继推出了自己的嵌入式TCP/IP协议栈产品。其中既有针对32位、64位高档嵌入式系统应用的协议栈，也有适合于中低档嵌入式应用的轻便型的TCP/IP协议栈产品，但它们都是基于IPv4的，其中比较有代表性的解决方案有：1）风河公司(Wind River)的TCP/IP协议栈10：风河公司是著名的嵌入式操作系统的开发商，其标志性产品以Vxworks嵌入式操作系统为著。它在Vxworks嵌入式操作系统中集成了该公司自己生产的TCP/IP协议栈，一般在军事、工业、通信等高端技术中应用。该协议栈以BSD的5.4版本的TCP/IP协议栈为基础，并对嵌入式环境的应用作了特殊的优化。在路由器、交换机等数据通信领域和基站等无线通信领域，应用尤其的广泛。2）德州仪器公司(TI)的TCP/IP协议栈11：该公司的TCP/IP协议栈是专门为自己生产的TMS320C6000系列DSP的网络应用而设计的。该协议栈基于公司的DSP BIOS设计，适合于16位DSP的应用，它使视频和音频等嵌入式多媒体应用在各个网络之间的互联，变得更加轻松便捷，而且成本低廉。另外，它还提供TCP/IP协议栈应用开发包，方便用户进行应用程序的开发。3）Ubicom公司的TCP/IP协议栈12：该协议栈是Ubicom公司专门为其SENIX单片机开发的，其特点是以汇编语言进行的代码编写，对硬件环境有较强的依赖性，不便于协议的移植。目前，国外已有很多面向嵌入式系统的IPv6协议栈产品。例如，Maxim公司已基于IPv6协议栈开发出了自己的商业化产品。该产品支持IPv4/IPv6双协议栈，并向应用层提供了一个Java运行环境TINI接口。而Inter Niche实现了用于嵌入式设备的协议栈套件，不仅包括了基本的IPv4/IPv6协议，而其还包括IPSec协议及动态配置密钥的IKE协议。在国内也有多公司正致力于推动IPv6应用的发展。2003年6月，BII公司(天地互连技术有限公司) 首家在国内建立了IPv6应用研究中心，展现了IPv6应用的最新成果。该中心可以通过高速数据专线，连接美国、日本、韩国和欧洲等国家的IPv6实验网中，并陆续引入各种支持IPv6的嵌入式系统。例如，支持IPv6的电冰箱、电视机、微波炉、电灯、网络游戏机；支持 1Pv6的工业探头感应器以及支持IPv6的家庭网络智能控制系统。尽管IPv6在各种嵌入式设备中已有了很多应用，但这些应用的解决方案的共同特点是，产品价格高，源代码不开放，实时性能好，不利于协议栈的移植、裁减、优化以及应用。目前无论在工业控制还是商业用途大都采用的IPv4协议实现，究其原因是当前的IPv6仍在发展中，广泛使用的还是IPv4网络，IPv6网络还只是停留在某些地方或局部进行试用。但随着IPv4协议逐渐被IPv6协议所取代，基于IPv6协议的网络控制必将会成为未来的发展方向。1.3 本文的研究内容和主要工作本文从工业控制网络的发展需求出发，研究了下一代网络协议IPv6协议，并将其移植到网络控制器以提高控制系统的实时性。课题的内容包括以下几个方面：第1章 主要介绍了课题的研究背景及意义、国内外研究现状，并简单的概述了本文的研究内容和主要的工作。第2章 对嵌入式网络控制系统进行分析研究，指出目前嵌入式网络控制系统存在的问题和从网络通信的角度出发给出了网络控制系统四种实时性改进方案，并指出本文所使用的实时性的改进方案，并进行了理论分析。第3章 讲述了嵌入式控制器的硬件设计电路及驱动的完成。第4章 主要对目前IPv6协议栈进行研究与设计，首先给出了嵌入式实时IPv6协议栈设计的原则和关键技术，并依据这一原则进行设计对嵌入式系统的IPv6协议栈进行设计。最后将IPv6协议栈移植到硬件平台以LPC2210为核心，并配有RTL8019AS网络接口，软件平台为C/OS-II的实时嵌入式操作系统的开发环境中。第5章 对基于IPv6的网络控制系统的进行了性能分析。首先对网络控制系统的组成部分被控对象和控制器两方面进行设计，两者之间采用的是TCP方式下的C/S模式进行通信。在控制器端，主要实现了系统的启动模块、数据的通信模块、数据处理模块以及对采集的数据进行了离线分析的几大功能模块。然后，在现有的实验室环境下搭建一支持双协议栈的局域网环境，通过建立干扰节点流量发生器，动态调节网络的运营状况进行调节，并离线分析了在不同的网络环境下，采用支持优先级的IPv6协议下和标准的IPv4两种通信模式下，对控制对象输出的影响。结果表明采用支持优先级的IPv6下的控制对象的输出比标准的IPv4下的控制对象相比，采用支持优先级IPv6协议保持着良好的控制输出，控制量输出波动较小，保证了闭环网络控制系统的稳定性。主要是因为采用了优先级机制减少了网络的延时，故能达到较好的控制效果。最后，对全文所做的工作进行总结，并指出今后需要深入研究和改进的内容。第2章嵌入式网络控制系统的研究第2章 嵌入式网络控制系统的研究本章简要介绍嵌入式网络控制系统的基本概念和研究的主要内容，主要分析了网络的实时性问题，并从网络通信的角度给出了四种实时性的解决方案。2.1 嵌入式控制网络系统基本概念2.1.1 嵌入式系统的概念从技术的角度出发，嵌入式通常被定义为，以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，使用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。从系统的角度上出发，嵌入式通常又被定义为设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统13。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分。大多数情况下，嵌入式系统被真正地嵌入，即它们是系统中的系统，不能够或没有自身的功能，比如数字机顶盒。但某些情况下，嵌入式系统上独立的系统，比如嵌入式网络路由器。2.1.2 网络控制系统的概念在反馈控制系统中，控制回路通过实时网络封闭的控制系统，称之为网络化控制系统（network-based control system，NCS），简称网络控制系统1417。典型的网络控制系统结构如图2.1所示。图2.1典型的网络控制系统结构Fig.2.1 Typical structure of networked control system网络控制系统将某区域的传感器、控制器及执行器通过通信网络组合，实现提供设备间的数据传输，使不同地点的用户实现资源共享和协调操作。在网络中所传送的不仅包括简单的系统命令信号，而且还包括传感器的测量值和控制器的控制信号值。网络控制系统是一个开放的系统，它可以根据实际的需要灵活添加控制回路或不同厂家的一些智能设备。网络控制系统与常规的计算机控制系统相比，具有结构网络化、节点智能化、控制现场化和功能分散化、系统开放化和产品集成化等优点。2.1.3 嵌入式网络控制系统工业以太网、光纤网络和高性能处理器的出现，使得TCP/IP协议应用于实时测控系统中成为一种可能，从而导致了嵌入式控制网络系统的产生1820。与现场总线相比，工业以太网有着显著的特点：1) 广泛技术支持，成本低廉。以太网已被使用多年，受到广泛的软、硬件资源和开发设计的技术支持。应用于以太网上层的TCP/IP协议也日益成熟。基本上所有的操作系统均支持TCP/IP协议。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。2) 通信速率高。随着以太网技术的发展，百兆、千兆以太网已经广泛应用，正向10G高速以太网迈进。同时，高速以太网所采用的帧格式不变，使之进行向下兼容，升级成本低，使它成为最理想的高性能的网络载体。3) 实现网络的无缝连接。在以太网上均使用TCP/IP通讯协议，它为控制网络与信息网络集成提供了最完美的解决方案，不再存在协议转化的问题。它的开放性可以使测控网和信息网统一起来，实现了E网到底的构想。现场信号和数据可以及时的在企业的Intranet上进行发布和共享，还可以在Internet/Intranet的任何位置对现场的一些智能设备完成在线控制、功能组态以及远程诊断等操作，真正意义上实现网络控制系统的开放性和互操作性。4) 应用范围广，高新技术推动强。随着近几年的嵌入式技术的迅速发展，使得控制系统节点的功能越来越强大。比如，以TCP/IP协议为技术基础的远程测控仪表和智能家居化系统的应用和出现，借助局域网和互连网实现遥感控制等高新技术的研发推动了工业以太网的发展。2.2 嵌入式网络控制系统研究内容嵌入式网络控制系统采用数字通信系统，具有传输速率高、协议完全开放、便于安装与维护等多种优点，但同时也将网络的不确定性引入到控制系统中，这对于在高可靠性和高实时性需求的工业现场是不可以接受的，目前主要从以下几个方面对其进行研究，分析网络对控制系统造成的影响。2.2.1 网络时延网络控制系统的数据通信是通过串行数字链路来实现，各节点之间共同竞争公共网络资源，这样不可避免引入网络时延。网络协议中的数据链路层协议将会决定网络中时延的产生方式和特性。采用令牌总线和令牌环方式，时延往往是周期性的、固定的。而采用随机访问机制的以太网，网络节点由于需要竞争网络资源，竞争失败就必须等待一定的随机时段后重复竞争，故表现出来的网络时延则是不确定的。即便是采用交换式以太网，交换机的存储转发机制和访问端口冲突同样不会避免时延的产生，必然会导致网络时延2124。当网络控制系统跨越多个局域网时，除了局域网内部节点间的竞争网络资源带宽引起网络时延外，数据包在局域网间的传输也会由于引入了路由器等网络设备引入在路由器处排队等待时延。除此之外，网络传输层协议的定时未达、重传等保证数据可靠的机制也会加重数据包所经历的网络时延。时延的引入必然会直接影响到网络控制系统的控制性能，严重时会引起系统不稳定。研究网络时延的产生机理，从而分析网络时延对控制系统的性能影响，是网络控制系统设计与综合的核心问题。2.2.2 数据丢包对于任何一个网络控制系统，数据丢包也是影响系统稳定性和控制性能的一个重要因素。由于传输介质本身的局限和外界干扰的影响，不可避免地会存在网络阻塞和连接中断现象，这样必然会导致数据包的丢失。网络一般被认为是一个不可靠的数据传输通道，在传送数据时可能会发生信号突变，数据包在传送时发生碰撞，网络连接失败和接收节点在检验数据包校验和时出错等都会引起数据包丢弃情况的发生，数据丢包是网络控制系统中实际存在中常见的问题。带有数据丢包的网络控制系统可以被认为是在网络信道上加入了开关环节2425，如图2.2所示。开关闭合时，数据包正常传输；开关打开时，数据包丢失。由于数据的丢包使得一些控制信息和一些传感器信息不能被接收到。在数据丢包率很大的情况下，会是系统产生抖动，变得不再稳定。一般来说，对一个控制系统，如果没有数据包丢失时将会是一个稳定的系统，而当反馈控制回路中，当数据丢失率达到某一定值时，系统将变得不稳定，也就是指控制回路中的被控对象只能忍受一定比例的数据丢失。因此在NCS的设计中，对数据包的丢失问题必须寻找相应的解决方法。图2.2 带有数据丢包的网络控制系统模型Fig.2.2 Network control system model with data packet loss2.2.3 数据包时序乱序在网络环境下，由于被传输的数据流经众多计算机和通讯设备，造成传输路径多样化，必然会引起数据包的时序错乱问题。在NCS中，数据包的时序错乱又分为单包和多包两种情况。对于单包情况，每一包数据就是一组完整的数据，当原来按照一定先后次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同的时候就出现数据包的时序乱序。对于多包情况，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源节点到达目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同。对以上两种情况在NCS的设计中应分别给予相应的处理。2. 3 网络控制系统实时性改进方案主要制约网络控制的因素是实时性，下面就从网络通信的角度出发，就如何提高网络控制系统的实时性分析了采用全双工交换式以太网、虚拟局域网、Qos服务质量和IPv6技术四种解决方案。2.3.1 全双工交换式以太网采用全双工交换式以太网技术，可提高以太网通信响应的确定性。在交换式以太网中，交换机将以太网划分为若干个不同的微网段，网段的微化增加了每个网段的吞吐量和带宽，如图2.3所示26。交换机的各端口之间可以同时形成多个数据通道，之间数据的输入和输出不需要竞争底层传输信道，而是每个节点都有一个私有的单独信道连接到另一个节点，这样就不再受到CSMA/CD介质访问控制协议机制的约束，避免了发送报文时再发生碰撞，也就不会产生因碰撞而引发的通信响应的不确定性，为以太网的实时通信提供了保障。图2.3 交换式以太网结构示意图Fig.2.3 Schematic diagram of switched Ethernet全双工通信可以同时发送和接受数据，扩大了网络的带宽，使数据可以及时传送，相对地提高了网络的传送速率，减小甚至消除数据碰撞区域，降低了以太网的通信时延，增强了其时态行为的可预测能力。全双工交换式以太网相对于共享式网络的优点：l) 在全双工交换式以太网中的每一个设备都是直接连接到一个以太网端口，这样使数据在端口间发生冲突的几率大大降低，提高了数据到达的实时性和确定性。2) 为每个网络中的设备端口将提供更多的带宽。在共享式网络中，系统中的任何一个设备在发送数据都会占用整个网段的带宽，这样就会造成在网络负载繁重的情况下，使网络的可靠性大幅度的降低，进而难以保证网络传输的确定性和实时性。而在交换式网络中，网段内的设备减少，带宽资源增加，数据冲突减少，使网络的确定性和实时性得到保障。全双工交换式以太网不仅提高了以太网的实时能力，而且也增强了以太网灵活性和可扩展性。它实际上被认为具有完全确定性。传统的共享式以太网采用的半双工通信模式，由于其只能在一个方向上传输数据，使以太网的实时性难以保证。全双工通信模式可以同时发送和接受数据，增加了网络的可用带宽，使数据可以及时传送，从而增强了以太网的确定性和实时性。交换机引进动态交换、自动协商和自动负载平衡等技术，可以提高交换式以太网的动态特性，满足分布实时系统对灵活性的要求。而IEEE802.1p/Q优先级功能和IEEE802.3X的流量控制功能，增强了交换式以太网的实时能力。2.3.2 虚拟局域网虚拟局域网(Virtual Local Aera Network，简称VLAN)改变了传统网络的固有结构，使真个网络结构变得更加地灵活、方便27-28。它克服物理位置的限制对网络的限制，将一组特定的设备组成一个广播域，进而带宽的使用，提高了网络的安全性和实时性。一个VLAN可以通过部门职能、对象组及应用等一些物理固有因素将不同地理位置的网络用户划分为一个逻辑网段。虚拟局域网利用VLAN干道协议(VTP)来进行配置，通过路由选路与外部通信。虚拟局域网为了符合工业过程控制的要求，将控制层单元在数据传输实时性和安全性方面都要与普通单元进行区别，而不是使现场控制单元、监控单元、管理单元都是对等的，受到相同的服务，它在工业以太网的开放平台上进行了逻辑的分割。VLAN在工业以太网的作用在于： 1) 分割功能层，保证网络带宽。传统的通信方式往往是上下层网络属异种网，通过主控计算机实现代理功能。VLAN取代了这种通信方式，为了使上下层可直接进行必要的通信，可以在网络层设备上使用过滤器，实现上下层之间的无缝连接。同时，从逻辑上将管理层与控制层的不同功能单元进行划分，使底层控制域的过程控制不会受管理层的广播数据包的影响，进而保证了网络的带宽。2）分割部门，提高通信实时性。通过分割部门，可以保证本部门内部的网络的实时性。由于不同部门处于同一广播域时，通过VLAN进行功能单元的划分后，每个单元子网不会受其它网段的影响，这样每个单元将会成为一个实时通信域。3）提高网络的整体安全性。当工业以太网根据需要划分了VLAN，不同VLAN之间通信必须经过第三层路由，此时，可以在核心层交换机配置路由访问列表，控制用户访问权限和数据流向，达到安全的目的。4）简化网络管理。对于交换式以太网，如果对某些终端重新进行网段分配，需要网管员对网络系统的物理结构重新进行调整，甚至需要追加网络设备，增大网络管理的工作量。而对于采用VLAN技术的网络来说，只需要工作人员在网管中心进行VLAN网段的重新分配，这样即节省了投资，同时又降低了运营成本。VLAN可以通过端口分配、动态虚拟网、多虚拟网端口配置三种形式来划分网络。不同的VLAN属于逻辑上划分的不同网段，而交换机不具备路由功能。因此，实现不同VLAN子网之间的通信。为此需要OSI/RM第三层设备辅助，以实现不同VLAN子网之间的通信，目前可以采取外置路由器和第三层交换两种方式来实现。主干连接方式(Trunk)是独立于VLAN的、将多条物理链路模拟为一条逻辑链路的VLAN与VLAN之间的连接方式。采用Trunk方式不仅能够连接不同的VLAN或跨越多个交换机的相同VLAN，而且还能增加交换机间的物理连接带宽，增强网络设备间的冗余。由于在基于交换机的VLAN划分当中，交换机的各端口分别属于各VLAN段，如果将某一VLAN端口用于网络设备间的级联，则该网络设备的其它VLAN中的网络终端就无法与隶属于其它网络设备的VLAN网络终端进行通信。有鉴于此，网络设备间的级联必须采用Trunk方式，使得该端口不隶属于任何VLAN，也就是说该端口所建成的网络设备间的级联链路是所有VLAN进行通信的公用通道。以太网Trunk封装协议主要有IEEE802.lq(国际标准)和ISL(Inter-Switch Link，Cisco专有协议)两个。ISL只能用于Cisco设备之间，如果存在其他厂商产品，必须使用IEEE802.lq协议。2.3.3 Qos服务质量IP QoS是指IP的服务质量，它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证2930。它本身有一套度量的指标，包括业务可用性、时延、可变时延、吞吐量和丢包率等。在工业以太网中采用QoS技术，可以为工业控制中实时数据的通信提供一种高效的保障机制。当网络负载过重造成网络拥塞时，QoS可以确保重要控制数据传输不会发生网络延迟或数据丢包的现象，同时保证整个网络的高效运行。对于传统的现场总线，信息层和控制层、设备层之间相互隔离，而且底层网络的数据量非常小，它所承载的数据也不会与信息层数据竞争带宽进行通信。因此，无需用QoS来保证通信的实时性。但工业以太网的出现，实现从信息层到设备层的无缝集成，满足ERP(企业资源规划)、SCM(供应链管理)等应用对管理信息层直接访问现场设备能力的需求，达到了E网到底的目标。同时也带来了控制层数据传输实时性降低的隐患，由于此时，控制域数据必须和其他数据类型处于同等地位，共同竞争网络资源，只有使它优先得到服务，才能保证工业控制的实时性。拥有QoS的网络是一种可以区分实时、非实时数据的智能网络。在工业以太网中，可以使用QoS识别来自控制层的拥有较高优先级的采样数据和控制数据，优先得到处理并转发；而其它拥有较低优先级的数据，如管理层的应用类通信等，则就被相对地延后。通过这种牺牲来保证工业以太网的实时需求。同时这用智能网络可以制止对网络的非法使用，譬如非法访问控制层现场控制单元和监控单元的终端等，进一步提高了工业以太网的安全性。为了保证这种智能网络的实现，具有QoS的网络应包含下面三个过程：1）分类：具有QoS的网络能够识别哪种应用产生哪种分组。然后通过分类，来确定网络对特殊分组的处理。所有应用都会在分组上都会标记上可以用来识别源的应用标志。分类通过检查这些标志，来确定分组是由哪个应用产生的。常见的分类可以通过TCP和UDP端口号码、源IP地址和物理端口号码这三种方式来实现。2）标注化：在进行识别分组之后，要对其进行标注，这样其它网络设备才能对这种数据进行识别。经过分组标记处理，可以确保网络上的交换机对该应用进行优先级处理。目前为了确保多厂商网络设备能够对该业务进行优先级处理，可以通过采纳对数据标注的IEEE802.1P或差异化服务编码点(DSCP)两种行业标准来进行实现。3）优先级：一旦网络可以区分控制域中的产生的不同优先级别的数据，优先级处理就可以确保工业过程控制的产生的采集和控制等实时性数