一种实现以太网确定性通信的调度方法 【技术领域】
本发明涉及以太网通信的调度方法，尤其涉及一种以以太网+UDP/IP为基础的工业控制网络中多个网络节点之间进行确定性通信的调度方法。
背景技术
以太网作为一种成熟的网络技术，具有成本低、稳定和可靠等诸多优点，在办公自动化和工业控制领域得到了广泛应用，成为当前最受欢迎的通信网络之一。目前使用的以太网标准，在MAC(介质访问控制)层大多采用带冲突检测的载波监听多路访问的CSMA/CD协议，其工作流程是：当一个网络上的某一个节点需要发送数据时，它首先监听信道，若信道忙就持续等待，直到它一旦监听到信道空闲时，就将数据发送出去。如果两个或多个节点都在监听和等待发送数据，当监听到信道空闲时，各节点就立即(几乎同时)开始发送数据，这时就发生冲突。如果一个节点在传输期间检测出冲突，则立即停止传输，并向信道发出一个“拥挤”信号，以确保网络上的所有其它节点也发现该冲突。在基于以太网的通信系统中，为避免冲突，各个节点采用1坚持的二进制指数退避(BEB，Binary Exponential Back-Off)算法处理冲突，但该方法具有冲突时延不确定的缺陷，无法在工业控制网络等实时网络中得到有效应用。
工业控制网络是一种典型的实时应用系统，其中的任务(如功能块的执行)通常按照一定地时间间隔触发，并且对任务的执行时间具有截止期要求，这种任务称为周期性任务。实时应用系统中还有一种任务，这种任务只有在特定的事件触发下才出现，例如设备配置、故障诊断、程序的上载/下载、运行记录、报警处理等，这类任务称为非周期性任务，非周期性任务是随机触发的。这两种任务反映在工业控制网络的通信上，就是两类通信信息：周期性通信信息和非周期性通信信息。周期性信息是实时信息，非周期信息是非实时信息，周期性通信信息和非周期性通信信息具有不同的时间特性。一旦系统组态完成，周期性通信信息的发送就具有时间确定性。而非周期性通信信息往往是突发信息，在时间上是不确定的。
为了提高以太网通信的实时性和确定性，人们做了不少研究，提出各种方法来改进CSMA/CD，按照对CSMA/CD的改进方法划分，主要有：改进以太网MAC协议、在以太网上层增加传输控制机制等。CSMA/DCR(DeterministicCollision Resolution)是最具有代表性的一种MAC协议改进方法。当冲突发生时，采用确定性的二叉树寻址方法，CSMA/DCR依照节点地址采取先序遍历的方式解决冲突。当冲突发生时，低优先级的节点停止对信道的竞争，而高优先级的节点继续竞争信道，直到成功传输。这种修改以太网MAC协议的方式虽然可以极大的改善以太网通信确定性的问题，却是以更改以太网固件(以太网控制器硬件和软件)为代价的，很难与标准的商用以太网兼容，并且增加了开发成本。
在以太网上层增加传输控制机制中最典型的一种方法是时分多路获取(TDMA)策略，TDMA为每个节点分配一定的带宽，每个节点在固定的时间片内发送信息，以保证每个节点的信息具有确定的发送时间。由于TDMA不需要传输额外的控制信息，使得网络带宽的利用率比较高。但TDMA是基于节点的方法，不能反映每个节点的实际带宽需求，无法保证非周期信息及时发送。另外一种在以太网上层增加传输控制的方法是主从式传输控制方式，这是一种集中式的传输控制方式，网络中至少有一个主设备和多个从设备。从设备只有在收到来自主设备的控制报文之后，才可以发送数据。这种主从式传输控制方式的优点是可以保证每个从设备都有发送数据的机会，但缺点是无法处理工业控制网络中的突发性通信，例如工业控制网络中的报警信息。
因此，尽管上述方法都在一定程度上提高了以太网传输的实时性和确定性，却是或者以改变以太网结构为代价(如CSMA/DCR)，或者在较低的网络层次(如MAC层的上层)实现，这些方法的最大不足是实现难度大，往往涉及到硬件，无法与传统标准的以太网相互兼容，并且无法满足工业控制网络中对两类信息——周期信息(即实时信息)和非周期信息(通常为非实时信息)进行同时处理的特殊要求。
【发明内容】
本发明的目的是在不改变以太网原有结构的条件下，在位于UDP之上的用户层提供一种确定性通信的调度方法，以合理调度工业控制网络中的周期和非周期信息，在以以太网+UDP/IP为基础的工业控制网络上实现实时和确定性的通信，以满足基于传统以太网标准的工业控制网络对通信的实时性和确定性的要求。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种实现以太网确定性通信的调度方法，其特点是，
在所述以太网上定义至少一个主设备和一个或多个从设备，在所述以太网上设有至少一个时钟服务器；
将所述以太网中的信息分为周期信息和非周期信息，对所述周期信息采用时隙访问的控制方式，在固定的时间片中进行周期性的数据交换；对所述非周期信息采用基于令牌的集中调度方式，在所述周期信息通信的间隙即非周期信息通信阶段进行数据交换；
包括以下步骤：
a.系统启动之前，所述主设备负责对整个系统进行组态，包括，指定传输周期的大小；指定各从设备在一个传输周期中发送周期信息的时间长度；设置每个从设备在传输周期中传输周期信息的起始时刻相对于传输周期起始时刻的时间偏差；并将这些信息下载到每个从设备中；
b.系统上电后，所有设备首先与所述时钟服务器进行时钟同步；
c.传输周期开始后，所述主设备对周期信息采用时隙访问的控制方式，每个从设备在预定的时刻发送周期信息，每个从设备在发送完周期信息之后接下来的一段时间中，向主设备发送声明报文，通知所述主设备其是否有非周期信息要发送，如果有非周期信息要发送，所述主设备将相应从设备的IP地址、信息优先级以及预期的信息发送时间保存在一个非周期信息发送队列中，而从设备在接下来的非周期信息通信阶段等待非周期信息调度令牌；
d.在一个传输周期的非周期信息通信阶段，所述主设备进行如下操作：
d1.扫描非周期信息发送队列，判断队列是否空，如果队列不空，转d2；否则，结束；
d2.根据所述队列中的信息，向具有最高优先级非周期信息的从设备发送非周期信息调度令牌，同时启动定时器，定时器大小为令牌持有时间；
d3.等待从设备释放令牌；
d4.判断是否收到来自从设备的确认，如果收到，转d1；否则，转d5；
d5.判断定时器是否溢出，如果未溢出，转d3；否则，转d1；
非周期信息通信阶段结束后，所述主设备终止上述操作，同时保存非周期信息发送队列中还未处理的信息；
e.在一个传输周期的非周期信息通信阶段，所述从设备进行如下操作：
e1.等待所述非周期信息调度令牌；
e2.判断是否接收到非周期信息调度令牌，如果还未收到，转e1；否则，转e3；
e3.判断信息优先级是否不小于令牌的优先级，如果为真，转e4；否则，转e6；
e4.判断令牌持有时间是否不小于信息发送时间，如果为真，转e5；否则，转e6；
e5.发送非周期信息；
e6.向所述主设备发送确认信息，释放所述非周期信息调度令牌，然后结束。
整个网络传输时间划分为无限个等长的所述传输周期，每个所述传输周期包括周期信息通信阶段和非周期信息通信阶段，所有从设备在每个所述传输周期中发送和接收所述周期信息和所述非周期信息。
所述步骤c中，所述主设备对周期信息通信采用时隙访问的控制方式：网络上每个设备，包括主设备和从设备均与所述时钟服务器保持时钟同步，所述主设备在步骤a系统组态时确定每个从设备在一个传输周期中发送周期信息的时间长度以及从设备发送周期信息的起始时间相对于传输周期的起始时间的偏移量。
在所述步骤c周期信息通信阶段，每个从设备在预定时刻发送完周期信息之后，还留有一段时间，用于向主设备发送一个声明报文，通知所述主设备它在接下来的时间里是否还有非周期信息要发送；如果有，还要标明该非周期信息所需要的发送时间，以及信息的优先级，主设备收到该报文后，将有非周期信息要发送的设备的IP地址、信息的优先级以及信息的预期发送时间保存在一个队列中；如果所述主设备在连续三个周期内没有收到来自某个从设备的声明报文，那么就认为该从设备已经失效。
所述步骤d、e非周期信息通信基于令牌的集中调度方式，是将网络中的非周期信息划分为不同的优先级，所述主设备根据非周期信息优先级的高低决定哪个从设备首先发送，高优先级的信息将首先获得所述令牌，具有优先发送权。
所述的时钟同步方式由设备与所述时钟服务器之间通过简单网络时间协议(SNTP，Simple Network Time Protocol)实现。
由于采用了上述技术方案，本发明的调度方法合理调度工业控制网络中的周期和非周期信息，在以以太网+UDP/IP为基础的工业控制网络上实现了实时和确定性的通信。
【附图说明】
图1是网络传输时间的传输周期的划分示意图；
图2是一个传输周期中信息通信过程的示意图；
图3是本发明的调度方法的一个实施例中使用的非周期信息调度令牌的一种格式；
图4是本发明的调度方法的一个实施例中主设备对非周期信息的处理流程；
图5是本发明的调度方法的一个实施例中从设备对非周期信息的处理流程；
图6是用SNTP实现时钟同步的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的技术方案。
本发明的调度方法在以太网上定义至少一个主设备和一个或多个从设备，并在在以太网上设有至少一个时钟服务器；
并将以太网中的信息分为周期信息和非周期信息，对周期信息采用时隙访问的控制方式，在固定的时间片中进行周期性的数据交换；对非周期信息采用基于令牌的集中调度方式，在周期信息通信的间隙即非周期信息通信阶段进行数据交换；
包括以下步骤：
a.系统启动之前，主设备负责对整个系统进行组态，包括，指定传输周期的大小；指定各从设备在一个传输周期中发送周期信息的时间长度；设置每个从设备在传输周期中传输周期信息的起始时刻相对于传输周期起始时刻的时间偏差；并将这些信息下载到每个从设备中；
图1是网络传输时间的传输周期的划分示意图，如图1所示的网络传输时间被划分为无限个等长的传输周期。每个传输周期由周期信息传输阶段和非周期信息传输阶段构成，如图2所示。
图2是一个传输周期中信息通信过程的示意图，图2的示例网络中有6个从设备进行通信。每个从设备发送周期信息的时间长度由主设备在系统组态时确定；所示各从设备发送周期信息的起始时间相对于传输周期的起始时间的偏移量是不同的，从而避免了多个设备同时访问网络资源时发生冲突的可能。同时，每个设备发送周期信息在时间上具有确定性，即一旦设备在某个时刻发送了一个周期信息，那么该设备下次发送同一种周期信息的时间可以通过以下方式计算而得到：
NextSendTime＝CurrentTime+传输周期
其中，NextSendTime为设备下次传输相同周期信息的时间，CurrentTime为当前传输周期信息的时刻。
b.系统上电后，所有设备首先与时钟服务器进行时钟同步；
图6是用SNTP实现时钟同步的示意图。本发明所述的保持各个设备之间严格的时钟同步是通过基于UDP的SNTP协议来实现，如图6所示。利用SNTP实现设备之间的时钟同步，实际上就是让每个设备定期与时钟服务器通过交换SNTP报文，计算出设备同时钟服务器之间的时间差，从而调整本地时钟，使设备本地时钟与时钟服务器之间的时间差保持在可以允许的范围内。在计算设备与时钟服务器之间的时间差时要用到四个时间戳：T1，T2，T3和T4，其意义如下：
T1：设备发送时钟同步请求时的本地时间戳；
T2：时钟服务器接收到时钟同步请求时的时间戳(标准时间)；
T3：时钟服务器发送时钟同步应答时的时间戳(标准时间)；
T4：设备接收到时钟同步应答时的本地时间戳。
简单网络时间协议实现时钟同步基于一个假定，就是设备到时钟服务器和时钟服务器到现场设备之间的传输延时是相等的。基于这个假设，我们通过以下算法计算现场设备与时钟服务器之间的时间偏差Td。
T2-(T1+Td)＝(T4+Td)-T3
根据上式就可以计算出设备与时钟服务器之间的时间偏差Td：
Td＝((T2-T1)+(T3-T4))/2
设备可以根据时间偏差Td调整本地时钟，从而与时钟服务器实现同步。网络上的所有设备通过相同的方式与时钟服务器实现同步之后，意味着网络上所有设备之间在时间上也是同步的。
c.传输周期开始后，所述主设备对周期信息采用时隙访问的控制方式，每个从设备在预定的时刻发送周期信息，每个从设备在发送完周期信息之后接下来的一段时间中，向主设备发送声明报文，通知所述主设备其是否有非周期信息要发送，如果有非周期信息要发送，所述主设备将相应从设备的IP地址、信息优先级以及预期的信息发送时间保存在一个非周期信息发送队列中，而从设备在接下来的非周期信息通信阶段等待非周期信息调度令牌；
在周期信息通信阶段，每个设备在预定的时刻发送完周期信息之后，还留有一段时间，如图2中虚线方框所示。在这段时间中，从设备向主设备发送声明报文，通知主设备其在接下来的时间里是否还有非周期信息要发送。如果有，还要标明该非周期信息所需要的发送时间，以及信息的优先级，主设备收到该报文后，将有非周期信息要发送的设备的IP地址、信息的优先级以及信息的预期发送时间保存在一个队列中。通过这种方式，主设备就可以知道在一个传输周期内，每个从设备是否有非周期信息要发送，同时，主设备也可以监测每个从设备的状态。如果主设备在连续三个周期内没有收到来自某个从设备的声明报文，那么就认为该设备已经失效。
d.在一个传输周期的非周期信息通信阶段，所述主设备进行如下操作，图4是本发明的调度方法的一个实施例中主设备对非周期信息的处理流程：
d1.扫描非周期信息发送队列，判断队列是否空，如果队列不空，转d2；否则，结束；
d2.根据所述队列中的信息，向具有最高优先级非周期信息的从设备发送非周期信息调度令牌，同时启动定时器(定时器大小为令牌持有时间)；
d3.等待从设备释放令牌；
d4.判断是否收到来自从设备的确认，如果收到，转d1；否则，转d5；
d5.判断定时器是否溢出，如果未溢出，转d3；否则，转d1；
非周期信息通信阶段结束后，所述主设备终止上述操作，同时保存非周期信息发送队列中还未处理的信息；
在非周期信息通信阶段，主设备根据在周期信息通信阶段所获得的从设备的信息(包括有非周期信息要发送的设备IP地址、信息的优先级以及信息的预期发送时间等)，由主设备中的调度器通过特殊的控制报文来实现非周期信息调度令牌的发送。
图3是该实施例中非周期信息调度令牌的一种实现格式。1个字节的报文类型字段用于标识此报文类型，即是否为一个非周期信息调度令牌，例如0表示非周期信息调度令牌，其它值则表示其它类型的普通报文。1个字节优先级字段标识令牌的优先级。最后4个字节用来表示令牌持有时间。
令牌的持续时间根据要发送非周期信息的设备所提供的非周期信息发送时间来确定，一般不小于非周期信息发送持续时间，以保证非周期信息完整发送。信息的发送持续时间可以通过以下方式进行估算：
信息发送持续时间(s)＝信息长度(bit)/网络带宽(Mbps)
其中，信息长度由以下几个部分构成：有效数据的长度，UDP报文头部长度，IP报文头部长度以及以太网帧头部长度。
从设备收到来自主设备的非周期信息调度令牌后，它得到在一定时间内发送非周期信息的权利，时间长度在令牌中指定。为了保证周期信息的正常发送，令牌持有时间(令牌持有时间是指从设备从获得令牌到释放令牌所经历的时间)不能超过非周期信息通信阶段所占的总时间。如果从设备发送完成或到达最大允许发送的时间(即超过非周期信息通信阶段所占的总时间)时，则向主设备发送一个确认信息，同时释放令牌。
e.在一个传输周期的非周期信息通信阶段，所述从设备进行如下操作，图5是本发明的调度方法的一个实施例中从设备对非周期信息的处理流程：
e1.等待所述非周期信息调度令牌；
e2.判断是否接收到非周期信息调度令牌，如果还未收到，转e1；否则，转e3；
e3.判断信息优先级是否不小于令牌的优先级，如果为真，转e4；否则，转e6；
e4.判断令牌持有时间是否不小于信息发送时间，如果为真，转e5；否则，转e6；
e5.发送非周期信息；
e6.向所述主设备发送确认信息，释放所述非周期信息调度令牌，然后结束。
为了保证重要而紧急的非周期信息(如报警信息)能及时发送，每个非周期信息同样具有不同的优先级。以三级优先级为例，分别为0级，1级，2级，其中，0级优先级是最高优先级，2级优先级是最低优先级，1级优先级处在两者之间。非周期信息调度令牌也划分为同非周期信息相同的优先级类别。从设备收到令牌后，比较发送缓冲区中的非周期信息和令牌的优先级，只有当非周期信息的优先级不低于令牌的优先级，并且，令牌持有时间不小于信息发送时间时，才发送非周期信息，否则，直接向主设备释放令牌。
由于采用了上述技术方案，本发明在位于UDP之上的用户层提供一种确定性通信的调度方法，以合理调度工业控制网络中的周期和非周期信息，在以以太网+UDP/IP为基础的工业控制网络上实现实时和确定性的通信，以满足基于传统以太网标准的工业控制网络对通信的实时性和确定性的要求。