一种兼容可定义确定性通信以太网制造技术

本发明专利技术提供一种兼容可定义确定性通信以太网，该以太网将网络中传输的网络消息分为实时控制消息以及常规消息两类，所述实时控制消息由发送端根据全局同步时间周期在确定时间点触发发送并维持一规定时段，经过交换设备定时触发的高优先级静态流表进行转发并在确定的实时时域内被接收端接收，所述常规消息由发送端在常规时域发送，经过交换设备低优先级动态流表进行转发并在实时性控制消息收发的实时时域外被接收端接收，所述高优先级静态流表以及低优先级动态流表定义网络消息的发送端与接收端，流表通过调度表定义其触发时间以及维持时间，该以太网中的设备根据流表实现基于时间同步进行全局/区域组网，分时域实现确定性通信以及常规通信。性通信以及常规通信。性通信以及常规通信。

【技术实现步骤摘要】
一种兼容可定义确定性通信以太网


[0001]本专利技术涉及一种以太网，尤其涉及一种兼容可定义确定性通信以太网。

技术介绍

[0002]二十一世纪信息技术的爆发式发展，也为传统工业带来了新的机遇和挑战。 而工业4.0的产业数字化转型是以云计算与边缘计算等多种技术能够协同工作 的基础的，这就对工业通信领域提出了更高的要求。
[0003]以太网相比其他现场总线因较高的带宽和较强的灵活性，在工业生产过程 控制场合得到了越来越广泛的应用，但由于以太网的洪泛转发机制导致易拥塞 及网络延时大等问题，工业实时控制中必需建设专网，通过网关再与管理信息 的以太网链接，会容易形成瓶颈阻碍控制和管理信息的深度融合，降低工业生 产过程快捷响应能力。
[0004]在此背景下，为了改进以太网的时延和拥塞现象，一系列基于时间同步的 高实时性网络概念如时间触发网络TTE和时间敏感网络TSN等被提出。这些网 络都是通过如IEEE 1588、AS6802等时间同步协议，对整个网络的时间进行全 局同步，依据同步的全局时间进行分时调度发送，从而确保关键信息传输的确 定性，减少丢包率，提高网络消息实时性。另一方面，这些具有高确定的网络 一般都是根据实际应用场景高度定制化的静态网络，使用环境改变时需要重新 配置，操作复杂，成本较大且灵活性低。
[0005]除针对网络确定性的实时性网络外，在商业以太网的应用中有一种针对网 络灵活性的软件定义以太网SDN技术。传统数据交换设备一般由控制面、数据 面及管理面组成，而管理面与控制面总是具有较高的耦合性，SDN就是为了将控 制面从原先架构中分离出来，形成了应用层、控制层及转发(数据)层三层架 构。这样做的好处是可以简化交换设备使其成为受远程软件控制的转发装置， 使得网络配置和故障响应都变得更加容易。
[0006]为了提升网络灵活性/可定义性、实时性/可确定性以及兼容性，现提出一 种兼容可定义确定性通信以太网。

技术实现思路

[0007]为解决以太网中实时性以及灵活性的问题，本专利技术提供一种兼容可定义确 定性通信以太网。
[0008]本专利技术提供一种兼容可定义确定性通信以太网，其用于实现以太网中网络 设备之间的通信，该以太网将网络中传输的网络消息类型包括实时控制消息 (Real
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time Message,RM)以及常规消息(Normal Message,NM)，所述实时 控制消息由发送端根据全局同步时间周期在确定时间点触发发送并维持一规定 时段，经过交换设备中定时触发的高优先级静态流表进行转发并在确定的实时 时域内被接收端接收实现确定性通信，所述常规消息由以太网络中的各个节点 根据事件随机触发，该常规消息由发送端在常规时域发送，经过交换设备中低 优先级动态流表进行转发并在实时性控制消息收发的实时时域外被接收端接收 实现常规通信，其中，所述高优先级静态流表以及低优先级动态流表定义网
络 消息的发送端与接收端，该高优先级静态流表以及低优先级动态流表通过调度 表定义其触发时间以及维持时间，该以太网中的设备根据高优先级静态流表或 低优先级动态流表实现基于时间同步进行全局/区域组网，分时域实现确定性通 信以及常规通信，该以太网通过将传统以太网在时域上划分为实时控制层与信 息传输层的方式，将具有实时性的实时控制消息和非实时性的常规消息传输分 离，从链路上根本解决了实时控制消息因其他网络信息传输造成的链路拥塞及 丢包问题，同时，为了提高实时控制消息的可靠性及灵活性，通过调度表对流 表转发规则进行控制，可以由通过软件或脚本对流表转发规则进行修改，主动 避开故障链路，而信息传输层的通信内容可以兼容传统以太网的OSI七层网络 模型，也即传统以太网的的消息归为常规消息在该以太网中进行传输，保障该 网络结构下的兼容性。
[0009]优选的，其包括控制器、交换设备、以及终端设备，所述控制器控制调度 表、高优先级静态流表以及低优先级动态流表的下发，所述交换设备以及终端 设备基于时钟校准模块进行全局/区域时间同步，该以太网在进行网络通信时， 作为发送端的终端设备将网络消息发送至交换设备，所述交换设备接收网络消 息后根据控制器下发的调度表与流表类型，区分网络消息类型，判断网络消息 转发的时域与输出接口从而发送到作为接收端的终端设备，该些设备的组合为 该以太网的最小区域组网单元。当该以太网接入更大的控制网络中，即可根据 区域时间同步划分同步域。不同的同步域之间，由于两者所同步的时钟不同， 因此不能直接发送RM类消息，但仍可传输NM类消息，RM消息在跨同步域时， 将在另一同步域被作为NM消息进行传输，因此要求同步域划分时优先考虑RM 消息的传输路径与涉及的设备，其次根据就近原则，同一同步域中的同步从机 到同步主机形成的星型网络结构(或树形网络结构)应尽量平衡，保证同步精 度的一致性。而对于其他不支持PTP同步的设备以及不支持SDN控制的交换设 备，也可以进行兼容，但不能被划入同步域中，即无法传输RM类消息，但仍可 以传输NM类消息。
[0010]优选的，所述交换设备包括预定数量个网口、一主控模块、一电源模块、 一存储模块、若干物理层芯片以及若干网络变压器，网络消息从其中一个网口 输入该交换设备后经由主控模块识别控制，根据控制器下发的调度表与流表配 合全局/区域时间同步，区分网络消息为确定性通信或常规通信，判断网络消息 转发的时域与输出接口，其中，所述主控模块用于协议封装与解析、全局/区域 时钟校准、网络消息缓存、网络消息转发与调度、流表定时添加与删除；所述 存储模块包括SD卡、FLASH、SRAM或DDR，用于存储系统bootloader、文件系 统以及临时数据；所述物理层芯片用于物理链路的创建、维持或拆除；所述网 络变压器用于网络设备的电气隔离、噪声抑制。
[0011]优选的，所述交换设备的主控模块运行的嵌入式操作系统包括Linux或 OpenWRT，该以太网可以基于该操作系统安装其支持的所有软件、运行复杂控制 指令，并提供线程调度便于模块化管理不同应用，所述操作系统上安装有OpenvSwitch虚拟交换机，其中一个网口作为控制器接口，其他网口添加至由OpenvSwitch创建的网络网桥中，区别于普通网桥的MAC/端口映射表，Open vSwitch 通过流表对转发规则进行管理，流表相对于MAC/端口映射表的优势在于其不仅 可以依据链路层MAC地址将网络消息转发至对应端口，还可以划分vLAN，通过 vLAN ID及优先级进行转发，而且不仅局限于链路层，还可以在网络层和传输层 根据消息的源IP地址、目标IP地址、IP协议类型、IP服务类型、TCP/UDP源 端口及TCP/
UDP目标端口进行转发，当网络同步协议高于第二层链路层，需要 涉及网络层与传输层时，所述网桥管理的网络接口将划分到同一vLAN中，并需 要为网桥配置IP地址，确保同步消息帧能被所述交换设备的主控面板接收与处 理，使交换设备也位于同一全局时间同步域中，而控制端口连接的控制器可选 择性参与全局时间同步。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼容可定义确定性通信以太网，其用于实现以太网中网络设备之间的通信，其特征在于，该以太网将网络中传输的网络消息分为实时控制消息以及常规消息两类，所述实时控制消息由发送端根据全局同步时间周期在确定时间点触发发送并维持一规定时段，经过交换设备中定时触发的高优先级静态流表进行转发并在确定的实时时域内被接收端接收实现确定性通信，所述常规消息由以太网络中的各个节点根据事件随机触发，该常规消息由发送端在常规时域发送，经过交换设备中低优先级动态流表进行转发并在实时性控制消息收发的实时时域外被接收端接收实现常规通信，其中，所述高优先级静态流表以及低优先级动态流表定义网络消息的发送端与接收端，该高优先级静态流表以及低优先级动态流表通过调度表定义其触发时间以及维持时间，该以太网中的设备根据高优先级静态流表或低优先级动态流表实现基于时间同步进行全局/区域组网，分时域实现确定性通信以及常规通信。2.根据权利要求1所述的一种兼容可定义确定性通信以太网，其特征在于，其包括控制器、交换设备、以及终端设备，所述控制器控制调度表、高优先级静态流表以及低优先级动态流表的下发，所述交换设备以及终端设备基于时钟校准模块进行全局/区域时间同步，该以太网在进行网络通信时，作为发送端的终端设备将网络消息发送至交换设备，所述交换设备接收网络消息后根据控制器下发的调度表与流表类型，区分网络消息类型，判断网络消息转发的时域与输出接口从而发送到作为接收端的终端设备。3.根据权利要求1所述的一种兼容可定义确定性通信以太网，其特征在于，所述交换设备包括预定数量个网口、一主控模块、一电源模块、一存储模块、若干物理层芯片以及若干网络变压器，网络消息从其中一个网口输入该交换设备后经由主控模块识别控制，根据控制器下发的调度表与流表配合全局/区域时间同步，区分网络消息为确定性通信或常规通信，判断网络消息转发的时域与输出接口，其中，所述主控模块用于协议封装与解析、全局/区域时钟校准、网络消息缓存、网络消息转发与调度、流表定时添加与删除；所述存储模块包括SD卡、FLASH、SRAM或DDR，用于存储系统bootloader、文件系统以及临时数据；所述物理层芯片用于物理链路的创建、维持或拆除；所述网络变压器用于网络设备的电气隔离、噪声抑制。4.根据权利要求3所述的一种兼容可定义确定性通信以太网，其特征在于，所述交换设备的主控模块运行的操作系统包括Linux或OpenWRT，所述操作系统上安装有Open vSwitch虚拟交换机，该交换设备的其中一个网口作为控制器接口，其他网口添加至由Open vSwitch创建的网络网桥中。5.根据权利要求4所述的一种兼容可定义确定性通信以太网，其特征在于，所述控制器为SDN控制器，所述交换设备的操作系统上安装OpenFlow协议用于支持SDN控制器参与网络通信管理。6.根据权利要求1所述的一种兼容可定义确定性通信以太网，其特征在于，所述终端设备包括连接一网卡设备的电脑端，所述网卡设备包括一主控模块、一电源模块、一存储模块、一串行通信模块、若干...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜钢锋，劳凯垚，李极致，张龙，
申请(专利权)人：广州瓦良格机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：