网络控制技术第6章-工业以太网课件

1、内容提要6.1 工业以太网与实时以太网6.2 IEC61784-2标准6.3 IEC61784-1/2与IEC611586.4 EPA技术简介6.5 ProfiNet技术简介6.6 HSE技术简介6.1 工业以太网与实时以太网多个现场总线并存的局面给用户带来了互联、互可操作性等许多困扰，与此同时，以太网在商业领域取得巨大成功并几乎统一了企业的管理层网络，近些年已经开始在底层控制网络得到应用。 21世纪初，工业以太网开始成为工业界研究的热点，出现了像HSE、PROFINET、EPA等有影响力的工业（实时）以太网标准。 实时以太网就是考虑到现场总线的实时性与以太网通信技术相结合，建立的适合于工业自

2、动化并有实时能力的以太网总线。 6.1 工业以太网与实时以太网实时的含义是指对一个给定的应用，保证在一个确定的时间内控制系统能对信号做出响应，而以太网由于采用CSMA/CD的介质访问控制机制，而具有通信不确定性的特点。提高网络传输速度，其中的关键问题在于提高以太网的实时性与可靠性。 通常，人们习惯上将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。但是按照国际电工委员会SC65C的定义，工业以太网是用于工业自动化环境，符合IEEE 802.3标准，按照IEEE 802.1D-”介质访问控制（MAC）网桥”规范和IEEE 802.1Q-”局域网虚拟网桥”规范，对其没有进行任何实时扩展而实现的以太网。

3、6.2 IEC61786-2标准 2003年5月，IEC/SC65C成立了WG11工作组，旨在适应实时以太网市场应用需求，制定实时以太网应用行规国际标准。 IEC/SC65C在IEC61158（工业控制系统中现场总线的数字通信标准）的基础上制定的实时以太网应用行规国际标准IEC61786-2 。2005年3月IEC实时以太网系列标准作为PAS文件（表6-1所示）通过了投票，并于2005年5月在加拿大将IEC发布的实时以太网系列PAS文件正式列为实时以太网国际标准IEC 61786-2。 6.2 IEC61786-2标准Ethernet/IP 1998年初，ControlNet国际组织CI开发了

4、由ControlNet和DeviceNet共享的、开放的和广泛接受的基于 Ethernet的应用层规范。 2000年底CI、工业以太网协会（IEA）和开放的DeviceNet供应商协会（ODVA，Open DeviceNet Vendor Association）组织提出EtherNet/IP的概念 EtherNet/IP技术采用标准的以太网芯片，并采用有源星形拓扑结构，将一组装置点对点地连接至交换机，而在应用层则采用已在工业界广泛应用的开放协议控制和信息协议CIP，CIP控制部分用来实现实时I/O通信，信息部分用来实现非实时的报文交换。 Ethernet/IP图6-1 Ethernet/IP

5、通信协议模型PROFINETROFINET是在西门子公司的支持下由PROFIBUS 开发而成的。 它的第一文本仅仅是非时间要求通信的以太网接口的设备和通过PROXY 网关连结的实时性通信的PROFIBUS-DP设备的结合体。 2004年开始开发与制定新的版本标准，提出了对IEEE 802.1D和IEEE 1588进行实时扩展的技术方案，并对不同实时要求的信息采用不同的软件和硬件的实时传输方法。 PROFINET的第三版本采用了IRT (Isochronous Real-Time)等时同步实时的ASIC芯片的硬件方法来实现具有数据同步传输功能的实时数据的传输，以进一步缩短通信栈软件的处理时间，

6、PROFINETEtherCAT EtherCAT是由德国自动化控制公司Beckhoff开发的，并且在2003年底成立了ETG工作组，目前有130个成员。 EtherCAT是一个可用于现场级的超高速I/O网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡，介质可为双绞线或光纤。 一般常规的工业以太网的传输方法都采用先接收通信帧，进行分析后作为数据送入网络中的各个模块的通信方式，而EtherCAT的以太网协议帧中已经包含了网络的各个模块的数据。EtherCAT协议帧如图6-2所示。 EtherCAT图6-2 EtherCAT协议标准帧结构 EtherCAT图6-3 EtherCAT通信协议模型 Et

7、hernet Powerlink Ethernet Powerlink是由奥地利Bernecher&Rainer控制公司开发的，在2002年4月公布了Ethernet Powerlink标准，其主攻方面是同步驱动和特殊设备的驱动要求。 图6-4 Powerlink通信协议模型EPA 浙江大学牵头，重庆邮电大学作为第四核心成员制定的新一代现场总线标准-用于工业测量与控制系统的EPA通信标准（简称EPA标准）成为我国第一个拥有自主知识产权并被IEC认可的工业自动化领域国际标准（IEC/PAS 62409），并作为实时以太网国际标准IEC 61748-2（与PROFINET、Ethernet/IP并

8、列，见表6-1）与现场总线国际标准IEC 61158第四修订版(与FF、PROFIBUS见表6-2)进行制定。 MODBUS-RTPS ODBUS-RTPS是由MODBUS组织和IDA (Interface for Distributed Automation)集团联手开发的基于Ethernet TCP/IP和Web互联网技术的实时以太网。 2005年开始，MODBUS- RTPS成为PAS文件。其实时扩展的方案是为以太网建立一个新的实时通信应用层，采用一种新的通信协议RTPS(Real-Time Publish/Subscribe)实现实时通信 。MODBUS-RTPS图6-5 MODBUS

9、-RTPS协议模型图6.3 IEC61786-1/2与IEC611582005年11月在美国正式启动现场总线国际标准IEC 61158第四版的修订工作，IEC 61786-2均纳入IEC 61158第四版。 根据IEC/TC SC65C计划，现场总线国际标准IEC61158（第四版）和实时以太网应用行规国际标准IEC617842，均于2006年10月进入CDV投票期，2007年6月进入FIDS投票期，2007年10月通过投票正式成为国际标准（International Standard,IS）。 6.3 IEC61786-1/2与IEC611586.4 EPA技术简介EPA实时以太网是一种全新

10、的适用于工业现场设备的开放性实时以太网标准。 用于工业测量与控制系统的EPA通信标准已经通过TC124/SC4的技术审查，成为我国第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准，同时也是中国工业自动化领域第一个被国际认可和接收的标准。2005年12月，EPA正式进入现场总线国际标准IEC 61158 PAS文件。2007年正式成为国际标准。6.4 EPA概述2001年10月，由浙江大学牵头，以浙大中控为主，清华大学、大连理工大学、中科院沈阳自动化所、重庆邮电学院、TC124等单位联合承担国家“863”计划CIMS主题重点课题“基于高速以太网技术的现场总线控制设备”，开始制定EPA标准。 2002年1

11、0月，浙大中控“基于以太网的EPA网络通信技术及其控制系统”项目通过了浙江省科技厅组织的技术鉴定。 2003年1月，EPA国家标准起草工作组成立。4月，在EPA标准的基础上，课题组开发了基于EPA的分布式网络控制系统原型验证系统，并在杭州龙山化工厂的联碱碳化装置上成功试用。 6.4 EPA概述2004年5月，EPA标准（征求意见稿）通过国家标委会的审核。11月，“EPA基于高速以太网技术的现场总线控制设备”荣获第六届上海国际工业博览会创新奖。 2005年2月EPA通信协议顺利通过IEC各国家委员会的投票，正式成为IEC/PAS 62409文件。12月，EPA被正式列入现场总线国际标准IEC 6

12、1158（第四版）中的第十四类型 。2006年6月进入CDV投票期，2007年1月进入FIDS投票期，2007年8月作为国际标准（International Standard,IS）正式出版。 6.4.1 EPA概述EPA技术特点：（1）确定性通信 周期与非周期信息同时存在有限的时间响应 信息流向具有明显的方向性，通信关系比较确定。 根据组态方案，信息的传送遵循严格的时序 传输的信息量少，信息长度比较小 网络负荷较为平稳 6.4 EPA概述（2）“”网到底 实现工业企业综合自动化智能工厂系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于以太网技术的统一 解决信息的互通问题，即信息

13、的互相识别、互相理解和互可操作。 为用户层应用程序定义了应用层服务与协议规范，包括系统管理服务、域上/下载服务、变量访问服务、事件管理服务等。 采用XML扩展标记语言为EPA设备描述语言，规定了设备资源、功能块及其参数接口的描述方法 6.4 EPA概述（3）开放性 （4）分层的安全策略 （5）冗余 6.4.1 EPA网络拓扑结构 6.4.1 EPA网络拓扑结构微网段 一个微网段即为一个控制区域，用于连接几个EPA现场设备。在一个控制区域内，EPA设备之间互相通信，实现特定的测量与控制功能。一个微网段通过一个EPA网桥与其他微网段相连。 EPA设备 EPA主设备 过程监控级L2网段上的EPA设备

14、，具有EPA通信接口，不要求具有控制功能块或功能块应用进程。 EPA现场设备 处于工业现场应用环境的设备，如变送器、执行器、开关、数据采集器、现场控制器等 6.4.1 EPA网络拓扑结构EPA网桥 1）通信隔离 2）报文转发与控制无线EPA接入设备无线EPA现场设备EPA代理 6.4.2 EPA通信协议 EPA通信协议模型 6.4.2 EPA通信协议EPA系统管理实体用于管理EPA设备的通信活动，将EPA网络上的多个设备集成为一个协同工作的通信系统。 EPA系统管理实体支持设备声明、设备识别、设备定位、地址分配、时间同步、EPA链接对象管理、即插即用等功能。 为支持这些功能，EPA系统管理实体

15、还规定了EPA通信活动所需的对象和服务。 EPA系统管理实体 6.4.2 EPA通信协议EPA应用访问实体描述通信对象、服务以及与上下层接口的关系模型。 为组成一个功能块应用进程的所有功能块实例间的通信提供通信服务，这些服务包括域上载/下载服务、变量访问服务、事件管理服务。 通过这些服务，组成功能块应用进程的功能块实例之间就可以实现测量、控制值传输，下载/上载程序，发出事件通知、处理事件等功能。 EPA应用访问实体 6.4.2 EPA通信协议EPA应用进程 6.4.2 EPA通信协议EPA通信调度管理实体用于对EPA设备向网络上发送报文的调度管理。 采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对E

16、PA设备向网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，以避免碰撞 ；EPA周期报文按预先组态的时刻发送；EPA非周期报文按时间有效以及报文优先级和EPA设备的IP地址大小顺序发送。所谓时间有效，是指在一个通信宏周期内的剩余时间足以将该非周期报文完整发送出去。在时间有效的情况下，优先级高的报文先发送；如果两个设备的非周期报文优先级相同，则IP地址小的EPA设备先发送非周期报文。 6.4.2 EPA通信协议EPA管理信息库SMIB存放了系统管理实体、EPA通信调度管理实体和应用访问实体操作所需的信息，在SMIB中，这些信息被组织为对象。如设备描述对象描述了设备位号、通信宏周期等信息，链接对象

17、则描述了EPA应用访问实体服务所需要的访问路径信息等。 6.4.2 EPA通信协议EPA套接字映射实体提供EPA应用访问实体以及EPA系统管理实体与UDP/IP软件实体之间的映射接口，同时具有报文优先发送管理、报文封装、响应信息返回、链路状况监视等功能。 6.4.3 EPA应用层通信协议栈的设计与实现EPA应用层通信协议栈 6.4.3 EPA应用层通信协议栈的设计与实现EPA应用层各模块关系图 6.4.3 EPA应用层通信协议栈的设计与实现EPAMIB：EPA管理信息库类。此类保存EPA协议栈中的通用对象，如设备描述对象、时间同步对象、链接对象等。EPA设备的相关信息都可以通过此类的操作完成。

18、此类只能被实例化一次。 EPAManageBlock：EPA管理实体类。提供EPA管理服务，包括设备声明、设备查询、设备查询请求应答、设备属性读、设备属性写、设备属性清除六个服务的实现。此类只能被实例化一次。EPASocketMappingObject：EPA套接字映射实体类。EPA应用层与Socket的接口，并提供对报文的优先级缓存，和报文监视功能。它接受应用层实体的报文，将其按优先级先后发送给套接字；同时从套接字接收报文，判断报文类型，将其上传给相应的应用层实体。 6.4.3 EPA应用层通信协议栈的设计与实现EPASocket：EPA套接字类。用于收发报文。 EPADomain：EPA域

19、对象。提供域对象的操作。 EPADomainManager：EPA域管理类。提供对EPA设备中域对象的管理功能，同时提供域上载和下载服务。EPAEvent：EPA事件对象类。提供事件对象的操作。 EPAEventManager：EPA事件管理类。提供对EPA设备中事件对象的管理功能，同时提供事件通知服务、事件通知确认服务、改变事件条件监视服务。 EPAVariable：EPA变量对象。提供变量对象的操作。 EPAVariableManager：EPA变量管理类。提供对EPA设备中变量对象的管理功能，同时提供变量读、变量写、信息分发服务。EPASNTP：EPA时间同步类。负责EPA设备的时钟同步

20、。 EPADHCP：EPADHCP类。用于EPA现场设备上电后IP地址的获取。 EPA通信发起方顺序 EPA通信接收方顺序EPA管理信息库 EPA管理信息库EPA设备描述对象描述了EPA设备的基本属性，如设备标识ID、设备类型、设备位号、IP地址等。通过EPA设备管理服务，用户应用程序可获得该设备的基本属性，或者对该设备的属性进行设置。为实现EPA网络中设备的时间同步，EPA设备内维护一个本地当前时间Current Time，通过时间同步，使其与时间服务器的系统时间（System Time）之间的误差小于同步精度要求，即认为本地设备与时间服务器实现了同步。本地时间由时间同步对象维护。 证实服务

21、最大响应时间描述了证实服务响应的超时时间，超过该时间没有收到响应报文，则认为对方未收到，需要重传。EPA通信调度管理对象描述了EPA通信调度管理所需的信息。用户可通过应用访问实体的读写命令进行访问。设备应用信息对象类对EPA设备中的应用信息进行描述。主要指XDDL版本号。 EPA管理信息库功能块应用应用信息对象首部类对功能块应用信息对象的数目、第一个功能块应用信息对象的起始索引等进行了描述。所有的链接对象都应该放在EPA管理信息库中。为了便于对链接对象的维护，在管理信息库中加入一个链接对象首部来描述所有的链接对象信息，包括设备中链接对象的个数，第一个链接对象在系统管理信息库中的索引。域应用信息

22、对象首部类描述了EPA管理信息库中的域应用对象。包括对象个数、索引，已组态和未组态的信息等。功能块应用信息类描述了一个功能块类的应用信息。包括功能块名称、实例化个数、执行时间。EPA链接对象类描述了功能块实例之间输入/输出参数的访问路径，包括本地功能块实例标识、本地参数对象标识、远程功能块实例标识、远程参数对象标识以及数据发送所使用的服务、本地设备的角色等。域应用信息类描述了一个域对象的应用信息。有索引号、组态状态、对象名称。 EPA管理信息库的存储和访问 每个对象有唯一的ID编号的特点，可以使用散转表（HASH）的结构存储。ID号为19的基本信息存储在08号索引点，ID号从2000开始的功能

23、块应用对象存储在9号索引点，而多个功能块之间使用链表方式连接在一起域对象和链接对象同样处理，这样的映射关系非常简单，也可以很好的解决不同设备具体实现时对象个数不确定的问题，既对管理信息库模块进行了封装，又可以不降低访问的效率。 EPA管理信息库的存储和访问EPA管理信息库的存储和访问逻辑关系 EPA应用访问实体 应用访问实体服务主要供功能块应用进程使用，用于功能块之间的数据交换。此类服务最终由功能块应用进程处理，主要分为以下三大类别： 域管理 域(Domain)是指存储器的一部分，可以用来存储数据和程序。它的数据类型是8位位组串。对于域对象的操作主要有上载和下载两种服务。上载服务用于从设备中上

24、载数据，而下载服务主要用于下载数据到EPA设备中。对于一个域对象，同时只允许一个上载或下载服务访问。 事件管理事件管理的主要功能是从一个EPA设备发送重要的事件信息到一个或多个设备。EPA事件管理主要提供了事件报告 (EventNotification )、事件确认(AcknowledgeEventNotjficatjon)和改变事件条件监视(Alter Event Condition Monitor)3种服务。 变量访问变量访问模型提供了对变量对象的读写访问。包括3种服务：读、写、信息分发。读服务用来读取变量的具体数值；写服务用来设置变量的具体数值；信息分发服务用于传送简单变量、数组变量和结

25、构变量的具体数值。它主要用于现场设备的功能块之间的输入输出参数的相互传递。 EPA系统管理实体 设备识别 EPA网络上的每个设备都有三个标识符：设备ID、物理设备位号（PD Tag）和设备冗余号（Redundancy Number），组态程序或其它设备可以通过这三个标识符来识别一个设备。设备ID（Device ID）建立了设备的硬件身份，它由设备的制造商设定并在可见范围内设为唯一，它在EPA管理系统和EMSIB中是可见的，但不能被修改。对设备组态时，每个设备都被分配一个物理设备位号（PD Tag）。在同一个EPA网络上，物理设备位号唯一标识一个物理设备。但冗余设备可以有相同的设备位号。引入设备

26、位号使得物理设备的标识更加直观和方便，也便于EPA网络上硬件设备的更新。设备冗余号（Redundancy Number）用于区分冗余设备。互为冗余的设备具有相同的物理设备位号，它们之间的区别就可以通过设备冗余号来实现。 EPA系统管理实体地址分配 在EPA网络上，EPA设备的IP地址可以静态设置或通过DHCP协议动态分配。动态分配IP地址时，EPA设备在网络上启动后，首先通过动态主机配置协议（DHCP）从DHCP服务器获得一个IP地址。IP地址的动态分配过程完全按照DHCP协议进行，但有一个限制，设备一旦从DHCP服务器获得IP地址，就可无限期使用这个地址，除非设备断电，设备下次启动时，重新分

27、配IP地址。 EPA系统管理实体对象定位 EPA网络上的物理设备由网络地址（即IP地址）或设备位号来定位，它们在EPA网络中均唯一。而EPA设备中的功能块对象则通过功能块位号（FB_Tag）或功能块实例标识ID（FB_ID）来定位，功能块位号和功能块实例标识ID在每个EPA设备中是唯一的，但不一定在整个EPA网络中唯一。对EPA功能块实例对象中参数对象的定位通过其ElementID定位，该ElementID每个EPA功能块实例中是唯一的，但不一定在整个EPA设备中唯一。EPA管理提供了一条EM_FindTagQuery服务，用户组态程序可以通过物理设备位号来查询某个物理设备的IP地址。用户组态

28、程序也可以使用EM_GetDeivceAttibute服务发送请求，通过EPA设备的应答来获得该设备的位号以及其它信息。EM_FindTagQuery服务可以通过单播或多播的方式在EPA网络上发布。接收到该服务的物理设备检查服务参数中的位号，如果该位号与本地的物理设备位号相符，就通过Find Tag Reply服务返回其IP地址或设备位号，以及设备标识ID。EM_GetDeivceAttibute服务通过单播方式在EPA网络上发布。 EPA系统管理实体增加或删除设备 把一个新设备加入EPA网络上，当它获得一个网络地址（可通过静态设置，或通过DHCP协议由DHCP服务器动态分配）后，通过EM_D

29、eviceAnnunciation服务向EPA网络上广播一个设备声明消息，这条消息通过该设备的（DeviceID）对此设备进行识别。此后，用户组态应用程序接收到该设备的声明消息后，识别该设备在EPA网络中的角色，并使用SetDeviceAttribute服务发送一条设备属性设置消息来设置该设备的位号PD_Tag和其它组态信息，设备处于可操作（Operatable）状态。此时这个新设备已经有足够的组态信息加入到EPA网络并接收其余的组态信息。当设备电源关掉或掉电时，EPA设备可以保留它所有的组态信息。当它重新上电时，可通过EM_FindDeviceQuery获得一个位号。 EPA系统管理实体时钟

30、同步 根据需要，EPA系统中的每个设备可以维护一个本地时间，用于为本地的每个事件打上时间戳，或用于分布在不同EPA设备中的功能块之间的执行调度。为此，需要为EPA设备间保持时钟同步。EPA设备之间的时钟同步可以通过简单网络时间协议（SNTP）或精确时间同步协议（PTP）来实现的。本地设备的EPA管理功能块每隔一定的周期向系统时钟服务器发送时钟同步请求，通过时钟服务器的响应来保持本地时间和系统时间。 EPA系统管理实体EPA链路管理 两个EPA功能块之间需要交换数据，一个功能块的输出参数值要传送到另一个功能块的输入参数，需要在这两个功能块的输入、输出参数之间建立确定的链接关系，这种链接关系由EP

31、A网络中的链接对象来维护，即由链接对象指定功能块参数之间的访问路径。通过链接对象定义，一个EPA设备中的功能块应用进程可以决定哪个输出参数需要发布，发送到哪些设备，并且可以决定发布数据、报警和趋势信息是如何发送出去的。当一个EPA功能块执行完毕后，其产生的输出参数（或事件）如要传送到其它功能块或监控应用程序时，就从与其相应的EPA链接对象中查找到其发送目的地（即目的输入参数所在的EPA设备标识、设备IP地址、功能块实例标识以及目的参数的元素标识），并将其本地源信息（即数据源所在的EPA设备标识、功能块实例标识以及目的参数的元素标识）一起，作为原语，调用EPA应用层服务，将数据传送到目的地。 E

32、PA系统管理实体设计EPA系统管理实体用于管理EPA设备的通信活动，将EPA网络上的多个设备集成为一个协同工作的通信系统。 EPA设备状态包括无地址、未组态和已组态三种状态。当EPA设备处于无地址状态时，就需要等用户静态设置，或通过DHCP协议向DHCP服务器动态申请IP地址。设备通过DHCP协议获得IP地址后，其下一个状态是未组态状态，还是已组态状态，取决于设备掉电时所处的状态。如果设备掉电时的状态为已组态状态，那么设备再次在网络上上电启动时，获得IP地址后，设备进入可操作状态。否则，设备进入未组态状态。 EPA系统管理实体设计未组态状态可能从无地址状态而来，它也可能是处理完一个报文，清除设

33、置信息的结果。当处于该状态时，EPA管理功能块使用特定的组播IP地址和声明端口，以缺省声明间隔向EPA网络上发送设备声明报文，并监听组态报文。用户组态程序可通过FindTagQuery，SetDeviceAttribute和ClearDeviceAttribute等服务查找或组态EPA设备，EPA设备收到这些报文后，经过适当的处理，就可自动进入已组态（Configured）状态，开始正常操作。已组态状态是EPA设备正常运行时的状态。只有当EPA设备进入已组态状态时，才能完成EPA应用层提供的服务，实现各种预订的控制功能。 EPA系统管理实体设计EPA系统管理实体设计设置设备属性和清除设备属性服

34、务的顺序图 EPA系统管理实体设计EPA应用层服务功能模块EPA套接字映射实体工作过程IEEE802.3/IEEE802.11/IEEE802.15等EPA设备1EPA套接字映射接口UDPIPEPA应用层服务功能模块EPA设备2EPA套接字映射接口UDPIPEPA链接对象EPA链接对象6.4.4 EPA时间同步技术PTP技术背景 PTP系统模型 PTP同步原理 PTP报文格式 PTP技术背景在过去几年中，一些研究机构和商业组织一直在研究测量和控制设备之间的时钟同步的技术，以满足工业控制网络中各设备的协调工作。 2000年他们成立了一个专门从事时间同步问题标准化的委员会（属于TC9 Techni

35、cal Committee on Sensor Technology标准化组织）。 2002年他们提交的标准正式通过了IEEE 的评审，从而奠定了IEEE1588（即精确时间同步协议PTP：Precision Clock Synchronization）的国际地位。 PTP技术背景IEEE1588协议在起草过程中主要参考以太网，通过采用多播技术来完成控制系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的亚微秒级时间同步。 该协议对内存及CPU性能没有特殊的要求，只需要有限的网络带宽即可。这样，对控制网络系统中配置不太高的现场设备也能满足它们对实时性高的要求。近期， 许多公司开始提出基于IEEE1588

36、的控制芯片或者平台，如飞思卡尔的PowerQUICC 平台，可编程逻辑供应商Altera推出据称是业内首款三速以太网媒体接入控制(MAC)IP内核，支持IEEE 1588 标准。我国2008年中兴开发的北斗取代国外GPS同步系统。PTP系统模型 IEEE1588时钟同步的PTP系统组成 PTP子域的时钟端口模型 从端口:同步于主端口的普通时钟端口或边界时钟的一个PTP端口外部接入点，同步从时钟的主端口称为从时钟的双亲端口。从端口必须处于PTP_SLAVE状态。主端口:可能是普通时钟端口或边界时钟的一个PTP端口外部接入点充当主端口。主端口必须处于PTP_MASTER或PTP_PRE_MASTE

37、R状态。 最高级主端口: 最高级主端口可能是普通时钟端口或边界时钟的一个PTP端口外部接入点的端口。在整个PTP子域中，如果时钟只有单一的主端口而没有其它的端口，那么它就是最高级主端口。它必须处于PTP_MASTER 状态。 PTP子域的时钟端口模型未校正端口:它是在普通时钟端口或一个边界时钟的PTP端口外部接入点的端口中的、还没有确定主时钟的、处于PTP_LISTENING或PTP_UNCALIBRATED状态的端口。被动端口:一个端口指明为被动的端口，必须处于PTP_PASSIVE状态，被动端口使得PTP协议避免循环拓扑。 PTP普通时钟协议模型 基于以太网通信技术的普通时钟协议模型 缺省

38、数据集：描述了本地时钟的固有属性，当本地时钟成为网络中的主时钟时需要使用此数据集的相关属性。 当前数据集：描述本地时钟与当前主时钟关联属性。 双亲数据集：描述了本地时钟关联主时钟的关键属性，主要用于数据集比较和选择最优主时钟。 全局时间数据集：描述PTP协议对时间的相关约定。 端口配置数据集：提供本地时钟的网络通信端口的基本配置信息，在封装数据报文的时候往往需要使用此数据集。 外来主时钟数据集：主要统计主时钟的摘要信息。 PTP同步原理 PTP协议中的最佳主时钟算法 该方法使一个本地时钟决定它能看到的哪一个时钟是所有当中最好的(包括它自身) 该算法独立于每个端口，在每个端口选择出比较好的时钟之

39、后，又将这些较好的时钟进行比较，最后确定出一个最好的时钟，那么它就是主时钟。 由二个部份所组成：数据集比较算法，它计算一个二元关系数据集，该数据集和二个时钟端口关联一个是状态决策算法，它的作用是根据被选择出来的主时钟的数据集来更新本地的数据集和更改每个时钟的PTP状态。 数据集比较算法 时钟数据集存在于每个时钟以及收发的同步报文中。对于每个现场设备时钟来说，时钟数据集被规定用来作为协议的决策和对报文域赋值。它是有若干成员项的集合，这些集合能够反映和时钟有关的很多属性。 数据集比较算法主要是分析数据集A和数据集B中的时钟变量值、最高级主时钟的层次、报文中间路由的次数、主时钟是否优先选择标记等关键

40、变量的性能，把数据集A和数据集B中这些关键变量的值加以比较，为系统从这些数据集选出质量最好的同步报文。 数据集比较算法状态决策算法 采用状态决策算法来判断当前PTP协议引擎所处的状态，其中时钟C0的缺省数据集以D0表示，Ebest是通过使用数据集比较算法得来的时钟C0的最优同步报文，Erbest是时钟C0的第r号通信端口的最优报文。 状态决策算法PTP报文格式 同步报文（Sync Message）。通常，它是主时钟通过多播的形式发送到共享信道上的信息，它里面含有本报文发送时刻的估计值以及相关的主时钟的特征信息。 跟随报文（Follow_Up Message）。有些时候，系统并不能精确估计同步报

41、文发送的时间，这时就可以发送一条跟随报文，它里面含有同步报文发送的精确时间，以避免出现时间抖动。 延迟请求报文（Delay_Req Message）。当本地系统检测不到它与某个主时钟的通信延迟或者通信延迟发生了变化，这个时候，往往需要发送带有延迟请求的报文，它通常含有发送延迟请求报文的时间值。 PTP报文格式延迟响应报文（Delay_Resp Message）。主时钟在收到从时钟延迟请求报文后，把接收到延迟请求报文的时间封装在延迟响应报文中，发送到网上。 管理报文（Management Message）。它主要用来管理、配置系统中的各个时钟。 PTP报文格式PTP报文头格式 PTP报文格式ve

42、rsionPTP、versionNetwork在目前的PTP协议中应设置为1，其中versionPTP 字段表示PTP协议的版本号，versionNetwork字段表示PTP协议使用的网络技术标准的版本号。 subDomain字段表示子域名，它占有16个字节。PTP协议中共定义了四种子域：缺省域、可选域0、可选域1、可选域2。其中，缺省域对应ASCII码串“_DLFT”、可选域0对应“_ALT1”、可选域1对应“_ALT2”以及可选域2对应“_ALT3” 。 MsgType字段主要用来区分PTP报文类型，值为1时，表示协议报文为同步（Sync）报文或延迟请求（Delay_Req）报文，值为2时

43、，表示协议报文或为延迟响应（Delay_Resp）报文，或为跟随（Follow_Up）报文，或为管理（Management）报文。 PTP报文格式SrcCmTgy表明源PTP节点使用的网络技术。跟在它之后的是6个字节的源PTP节点的时钟标识符（SrcUUID），标识符在PTP系统中应该是唯一的。接下来是源时钟端口号（sourcePortId）和报文序列号（sequenceId）。很显然，仅有MsgType来标识PTP协议类型是不够的，因此，PTP协议定义另一个字段control，表给出control标识不同报文类型的情况。 PTP报文格式Flags它是一个占有2个字节的位串，定义如图所示。SB

44、（sync_burst）位置1，表明节点在收到突发的同步报文或跟随报文时，会对其进行相应的处理。ST（parent_stats）置1，表示本从时钟支持对它的父类主时钟的评价工作。EX（ext_sync）位置1，表明它支持发送同步报文。AS（assist）置1，表明具有处理跟随报文follow_up的能力。BC（boundary clock）置1，意味着它是边界时钟。LI_59标志位置1表明当天的最后1分钟有59秒，而LI_61标志位置1表明当天的最后1分钟有61秒。 同步与时延请求报文格式 跟随报文格式 延迟响应报文格式 6.4.5 EPA确定性调度技术 EPA通信调度管理实体用于对EPA设备

45、向网络上发送报文的调度管理。EPA通信调度管理实体采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对EPA设备向网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，保证在任意时刻网络上都只有一个报文在传输，以避免碰撞，同时保证了EPA周期报文和优先级高的非周期报文优先发送，加强了实时性。 EPA数据链路层模型 EPA确定性调度原理 EPA协议将所有报文分优先级，采用基于时间片调度和基于优先级调度相结合的算法。 EPA标准规定，所有EPA报文均高于其他不符合本协议的报文。不符合本协议的报文是指符合ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等协议的数据报文。 EPA标准采用以太网帧格式

46、中长度/类型（LENGTH/TYPE）字段，通过向IEEE注册分配的特定值（0 x88CB）标识EPA报文。 EPA确定性调度原理EPA确定性调度原理示意图 确定性调度的实现 EPA确定性调度以时钟同步为基础，每个EPA设备以网络上的主时钟为基准，维护本地时间，使之与主时钟之间的同步误差保持在较小的范围之内（微秒级别以下）。这样网络上所有设备的本地时间也就达到一致，从而确保了调度状态转换的一致性，EPA报文才能按照约定的规程发送，避免了冲突、错序等。确定性调度实现方案主要涉及通信调度实体的状态转换机制和报文的缓存机制两个方面。 通信调度实体状态转换 链路层报文收发流程 报文的数据结构和算法 周

47、期队列 非周期队列 声明队列 周期队列非周期队列声明队列6.4.6 面向工业以太网的总线供电技术 随着总线供电技术的不断成熟与发展，特别是IEEE802.3af标准的制定，推动了这项技术的广泛使用，总线供电技术的诸多优点也得到了普遍的认可。它具有以下优点：仅需一套局域网布线系统连接到终端设备（无需电源布线系统），简化了安装程序、节省了空间； 集中式供电，无需额外电源，也不会延误终端设备的安装进度，节约了时间、降低了费用； 6.4.6 面向工业以太网的总线供电技术能与标准以太网和快速以太网标准架构无缝集成； 易于安装，可安装于与网络交换机相同的配线间及相同的布线面板； 设备移动方便，可以移到任何

48、有局域网线的地方移动对工作场所影响最小； 更安全增加的网络设备无需交流电源； 可对连接到以太网的设备进行远程监控。 IEEE802.3af标准简介 电气电子工程师协会IEEE于2003年6月批准了以太网供电PoE（Power over Ethernet）标准IEEE 802.3af。 PoE技术是指对现有的以太网CAT-5布线基础架构不用做任何改动的情况下，借助一根常规以太网线缆在传输数据的同时供应电力，从而保证该线缆在为以太网终端设备传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的能力。 实际上，任何需要数据连接并能在13W或更低功率下工作的设备都可采用以太网供电技术。 IEEE802.3a

49、f标准简介在PoE系统中，提供电源的设备被称为供电设备(PSE: Power Sourcing Equipment)，而使用电源的设备称为受电设备(PD：Powered Device)。以太网供电的主要设备是PSE，它负责对PD的检测、分级、上电、 断路检测等功能。当某个PD被加载，PSE必须用一个有限功率的测试源来检查25k的特征电阻，PSE首先用2.8V至10V的探测电压去侦测是否有PD接入，具体实施时是将2.8V至10V之间的两个电压（间隔在1V或以上）送到网络链路，然后根据得到的两个不同的电流值再作运算（V/I），通常我们将此方法称为两点检测法。 IEEE802.3af标准简介一旦侦测

50、到有效的PD，PSE就利用一个15.5V至20.5V的探测电压来检测PD的功率级别。PD通过从线上吸收一个恒定电流(分级特征信号)来向PSE表明自己所需的最大功率，PSE测量这个电流以确定PD属于哪个功率级别，在IEEE802.3af标准中，分级功能为可选项。成功侦测和分级后，PSE就可向PD供电了。供电期间，PSE还要对每个端口的供电情况进行监视，提供欠压和过流保护。 IEEE802.3af标准简介PSE不能向非PD设备传输电力，同样PSE也不能在PD已经断开后还使电源处于接通状态，因为供电电缆有可能会插在一个非PD设备上，或引起线缆的短接。标准规定了两种方法让PSE检测PD是否断开，即DC

51、断路检测法和AC断路检测法DC断路法根据从PSE流向PD的直流电流大小，从而判断PD是否在线。当电流在给定时间(300ms到400ms)内保持低于阈值(5mA到10mA)，PSE就认为PD不存在，从而切断电源。AC断路法是测量以太网端口的交流阻抗，当没有设备连接到PSE时，端口应该是高阻抗，可能达到几兆欧；而当接有PD时，端口的阻抗会小于26.5k；如果PD消耗大量功率，那么阻抗通常会更低。 IEEE802.3af标准简介标准定义了两种类型的PSE，一种为中跨式PSE(Mid-span PSE)，这种设备一般和无供电功能的集线器等设备放在一起使用；一种为端接式PSE(Endpoint PSE)，这种设备一般和集线器等设备集成在一起，构成具有供电和通信能力的单独设备使用。 在IEEE802.3af标准中，PD主要作为标准识别的设备，当PSE发出各种检测信号时，PD将各种符合标准的信号返回，从而完成整个供电过程。在供电时PD还必须维持功率特征，发送持续工作信号，防止PSE切断电源。 基于LTC4257的PD接口电路 基于LTC4259A的Mid-span PSE系统体系结构 基于LTC4257的PD接口电路全