一种兼容可定义确定性通信以太网的制作方法

1.本发明涉及一种以太网，尤其涉及一种兼容可定义确定性通信以太网。


背景技术：

2.二十一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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。


技术实现要素：

7.为解决以太网中实时性以及灵活性的问题，本发明提供一种兼容可定义确 定性通信以太网。
8.本发明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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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，sdn控制器与open vswitch的控制器 接口连接，基于openflow协议对open vswitch流表进行管理，或者直接运行 在某个交换设备上，直接控制该设备及其他连接到该设备的从属设备。用户可 手动添加或删除流表、自定义转发规则。
13.优选的，所述sdn控制器的控制策略除了满足由nm消息转发所需的动态流 表下发以外，需要获取整张网络的相关信息并对rm消息进行调度。sdn控制器 可以通过openflow协议获取当前网络拓扑、链路流量、物理带宽等网络信息， 但无法直接获取如支持ptp的设备、ptp同步域、非sdn交换机等信息。因此对 于ptp相关同步类的信息获取，需要在ryu控制器中添加额外tcp服务器与指 定端口，便于ptp设备连接。ptp设备连接到tcp服务器后，需要向ryu控制器 发送自身设备类别、所在同步域、rm消息具体周期/长度/目的地址等信息。而 ryu控制器将根据这些信息通过基于粒子群的静态调度算法对rm消息的调度进 行求解，针对每一个同步域生成一张调度表，并根据该调度表向open vswitch 下发需要时间触发的高优先级静态流表。网络中每新加入一个设备，将在一段 时间内等待该设备连接tcp服务器，若超过等待时间，则认为该设备不支持ptp 及rm消息，若收到来自该设备发送的相关信息，则重新进行一次调度规划，并 下发静态流表。
14.优选的，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、若干物理层芯片以 及若干网络变压器，当需要发送网络消息时，由当前电脑端产生的网络消息经 过所述串行通信接口发送至主控模块，主控模块判断消息类型后在相应时域定 时发出对应消息至交换机，当需要接收网络消息时，由主控模块从交换机接收 网络消息处理后通过串行通信接口传输至电脑端，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、串行通信、网络消息定时 触发；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；所述串行通信模块包括pci、pcie、usb，负责主控模 块与电脑端的通信；所述物理层芯片用于物理链路的创建、维持或拆除；
15.所述网络变压器用于网络设备的电气隔离、噪声抑制。
16.优选的，所述终端设备的主控模块运行的嵌入式操作系统包括linux或 freertos，该终端设备可以基于该操作系统对设备所需功能进行解耦，具有支 持网络协议栈，自定义用户应用与其他功能。
17.优选的，所述终端设备包括嵌入式设备，该嵌入式设备包括一主控模块、 一电源模块、一物理层芯片、一网络变压器、网口，以及预订数量的数字量输 入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块，当需要发送网 络消息时，由主控模块从数字量输入模块/模拟信号输入模块采集数字/模拟信 号进行网络消息封装，该主控模块判断网络消息类型后在相应时域通过网口定 时发出对应消息至交换机，当需要接收网络消息时，由主控模块通过网口从交 换机接收网络消息，该主控模块解析网络消息后在指定的数字量输出模块/模拟 量输出模块输出数字/模拟信号，其中，所述主控模块用于协议封装与解
析、信 号封装与解析、信号转换、全局/区域时钟校准、网络消息缓存、串行通信、网 络消息定时触发；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。
18.优选的，所述嵌入式设备的主控模块运行的操作系统包括freertos或μ c/os，使该嵌入式设备具有以太网模块并能够支持轻量级网络协议栈、自定义 数字模拟量输入输出转换协议，自定义控制协议与线程。
19.优选的，所述交换设备以及终端设备基于全局时钟校准模块实现全局/区域 时间同步，该时钟校准模块为终端设备提供时钟同步和网络消息时间戳，所述 网络消息时间戳包括硬件时间戳和软件时间戳，该全局时钟校准模块包括一全 局时间寄存器、一周期时间寄存器、一时间校正寄存器、一时间步长寄存器、 一周期寄存器及若干触发时间寄存器，其中，所述全局时间寄存器为系统时间 来源，是该全局时钟校正模块的输出结果；所述周期时间寄存器相对于全局时 间寄存器累计且不清零的计时方式，周期性对计时结果清零，清零周期为所述 周期寄存器中储存的值；所述时间校正寄存器，是根据由同步协议计算得到的 同步时间误差通过校正算法得出校正控制量的寄存器，更新该寄存器值可以对 本地系统时间计时速率进行校正；所述时间步长寄存器对时间计时速率产生影 响但其值与输入的系统时钟相关；所述触发时间寄存器为所述定时器触发的依 据，当周期时间寄存器值等于任意触发时间寄存器的值时，将产生对应的触发 信号。
20.优选的，所述交换设备基于全局同步时间，设定若干控制实时控制消息转 发的定时器，所述定时器要求基于一个设定周期，对于相同信道消息的定时器 不能在同一时刻触发，需要在周期中有固定的时间偏移，当某个定时器触发时， 向open vswitch添加该定时器对应的rm消息流表，并删除其他nm消息流表， 以保证实时控制消息的转发，固定周期后移除该流表并恢复原流表保证其他消 息正常通信。
21.优选的，所述终端设备基于全局同步时间，设定若干发送及接收实时控制 消息的定时器，所述定时器要求基于一个设定周期，在该周期内的固定时间偏 移点触发实时控制消息的控制与接收，在非定时器触发时间，由电脑端下发的 消息将进入实时控制消息的缓冲队列等待定时器触发，定时器触发时，该链路 状态切换到实时控制层，阻塞其他普通消息消息收发，仅传输实时控制消息， 该控制消息传输结束后，链路切换回信息传输层状态，恢复普通消息收发。
22.本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网，该网络基于全局时间同步下 的实现可定义区域/全局同步通信，可为实时控制消息提供时间触发服务，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，实现网络消 息的确定性通信，也可通过调度表以及流表对实时控制消息的时域和传输路径 进行定义，达到动态规划的目的，且该以太网可兼容一般/商业以太网，在确保 整个网络的消息确定性，减少丢包率，提高网络消息实时性的情况下，提高以 太网的配置灵活性。
附图说明
23.图1是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网全局网络设备连接情况 示意图；
24.图2是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网消息调度示意图；
25.图3是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网组网流程意图；
26.图4是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网网络同步域划分示意图；
27.图5是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网网络设备通用硬件结构 示意图；
28.图6是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网采用基于ieee 1588标 准的ptp同步协议时的同步过程示意图；
29.图7是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网网络设备主控模块中计 时校正模块的结构示意图；
30.图8是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网采用基于ieee 1588标 准的ptp同步协议时的同步模型示意图；
31.图9是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网对ptp同步协议优化后 的同步效果示意图；
32.图10是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网交换设备主控模块软件 结构示意图；
33.图11是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网网卡设备主控模块软件 结构示意图；
34.图12是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网嵌入式设备主控模块软 件结构示意图；
35.图13是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网交换设备软件流程示意 图；
36.图14是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网网卡设备软件流程示意 图；
37.图15是本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网嵌入式设备软件流程示 意图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明所提供的一种兼容可定义确定性通信以太网作进一 步说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案 以及设计原理进行详细阐述。
39.本发明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。
40.具体的，结合图1
‑
15详细说明其实现过程：
41.参阅图1，该兼容可定义确定性通信以太网由若干交换设备2、若干终端设 备3、若干嵌入式设备4以及一控制器1构成，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。具体的所述控制器为一运行sdn控制器软件的任意设备， 可以与所述交换设备以无线或有线5的方式连接，采用有线方式连接时，需要 连接至交换设备2的控制网口6，而采用无线方式连接时，各交换设备2需要有 一独立wifi模块与sdn控制器1连接。除了有线与无线的连接方式外，sdn控 制器1也可以直接运行在某一交换设备1上，即其中一交换设备科同时具有两 种功能。所述交换设备2除了控制网口6以外，其他网口均置于同一网桥结构 下，由open vswitch管理。所述终端设备3具体为在pcie插槽上插入网卡设 备的计算机，网卡设备与交换设备通过有限形式相连。所述嵌入式设备4参与 该全局网络同步、遵守指定数字模拟信号输入输出协议并具有时间触发功能， 该设备同样以有线方式连接到交换设备除控制网口外的其余网口。
42.具体参考图2，本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网消息调度如图所 示。sdn控制器中需要对rm消息进行调度运算，计算出每一个设备的调度表， 并将调度表下发到对应设备中。设备将根据调度表中的周期、偏移、rm消息长 度、流表项等内容定时添加或删除高优先级流表项，从而最终实现网络链路时 分复用功能，保证rm消息的可靠性及确定性。
43.在本实施例中，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，sdn控制器与openvswitch的控制器接口连接，基于openflow协议对open vswitch流表进行管理， 或者直接运行在某个交换设备上，直接控制该设备及其他连接到该设备的从属 设备。用户可手动添加或删除流表、自定义转发规则，所述sdn控制器的控制 策略除了满足由nm消息转发所需的动态流表下发以外，需要获取整张网络的相 关信息并对rm消息进行调度。sdn控制器可以通过openflow协议获取当前网络 拓扑、链路流量、物理带宽等网络信息，但无法直接获取如支持ptp的设备、 ptp同步域、非sdn交换机等信息。因此对于ptp相关同步类的信息获取，需要 在ryu控制器中添加额外tcp服务器与指定端口，便于ptp设备连接。ptp设备 连接到tcp服务器后，需要向ryu控制器发送自身设备类别、所在同步域、rm 消息具体周期/长度/目的地址等信息。而ryu控制器将根据这些信息通过基于 粒子群的静态调度算法对rm消息的调度进行求
解，针对每一个同步域生成一张 调度表，并根据该调度表向open vswitch下发需要时间触发的高优先级静态流 表。网络中每新加入一个设备，将在一段时间内等待该设备连接tcp服务器， 若超过等待时间，则认为该设备不支持ptp及rm消息，若收到来自该设备发送 的相关信息，则重新进行一次调度规划，并下发静态流表。参考图3，本发明提 供的兼容可定义确定性通信以太网组网流程如图所示。系统启动后，通过sdn 的生成树协议，生成整个网络拓扑结构。然后sdn控制器将会开放一个tcp端 口，在整张网络中，本发明提供的设备将会主动连接该tcp端口，并上报自身 ptp时钟等级以及所需发送的rm消息的类型、长度、周期等信息。sdn控制器 根据这些收集到的信息基于粒子群算法计算rm消息的调度表，以避免rm消息 链路冲突。各个设备的调度表是针对本设备rm消息的调度表，包括rm消息周 期、发送的时间偏移、同步域等信息，交换设备还需要有流表项信息。各设备 节点接收到调度表后，根据好自身同步域编号同步到对应同步域的主机时钟， 然后开始rm消息的调度以及其他nm消息的传输。当有新设备加入时，等待新 设备传输rm消息信息，若sdn控制器超过一定时间未收到，则认为该设备不支 持rm消息，若收到，则需要对整个网络重新进行调度规划。
44.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。具体参考图4， 本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网网络同步域划分图。其包括sdn控 制器、普通交换机以及本发明提供的交换设备1以及终端设备2，sdn控制器是 运行于独立主机上的一软件，通过普通交换机扩展了sdn控制器的网口，并与 若干本发明的交换设备相连，而本发明的终端及嵌入式设备则连接到交换设备 上。sdn控制器与交换设备不参与时间同步同步。不同同步域之间不能传输rm 消息，但可以传输nm消息，因此同步域将根据就近原则及rm消息传输路径划 分。
45.参阅图5，所述交换设备与终端设备局部硬件设备具体实施例，由于两种设 备在硬件结构上局部相同，因此采用通用的硬件设备图，具体的区别以下进行 详细描述：
46.其中，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，在本实 施中，该主控模块的芯片具体型号为xc7z020
‑
2clg484i；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，该物理层芯片选用千兆的 ksz9031rn物理层芯片；所述网络变压器用于网络设备的电气隔离、噪声抑制， 在本实施例中，采用常规rj45接口hr911130c，电源模块为dcdc变换电路，将 输入的12v电压降压，通过
调节电阻大小，为其他各个模块提供3.3v、5v、1.8v 及1.2v电压。
47.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、若干物理层芯片以及若干网 络变压器，当需要发送网络消息时，由当前电脑端产生的网络消息经过所述串 行通信接口发送至主控模块，主控模块判断消息类型后在相应时域定时发出对 应消息至交换机，当需要接收网络消息时，由主控模块从交换机接收网络消息 处理后通过串行通信接口传输至电脑端，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、串行通信、网络消息定时触发，在 本实施中，该主控模块的芯片具体型号为zynq7000系列中的xc7z015
‑
2clg485i； 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；所述串行通信模块包括pci、pcie、usb，负责主控模块 与电脑端的通信；所述物理层芯片用于物理链路的创建、维持或拆除，在本实 施例中，该物理层芯片选用千兆的ksz9031rn物理层芯片；所述网络变压器用 于网络设备的电气隔离、噪声抑制，在本实施例中，采用常规rj45接口hr911130c； 结合图5，所述电源模块为dcdc变换电路，将输入的12v电压降压，通过调节 电阻大小，为其他各个模块提供3.3v、5v、1.8v及1.2v电压。
48.所述终端设备包括嵌入式设备，该嵌入式设备包括一主控模块、一电源模 块、一物理层芯片、一网络变压器、网口，以及预订数量的数字量输入模块、 数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块，当需要发送网络消息时， 由主控模块从数字量输入模块/模拟信号输入模块采集数字/模拟信号进行网络 消息封装，该主控模块判断网络消息类型后在相应时域通过网口定时发出对应 消息至交换机，当需要接收网络消息时，由主控模块通过网口从交换机接收网 络消息，该主控模块解析网络消息后在指定的数字量输出模块/模拟量输出模块 输出数字/模拟信号，其中，所述主控模块用于协议封装与解析、信号封装与解 析、信号转换、全局/区域时钟校准、网络消息缓存、串行通信、网络消息定时 触发，在本实施中，该主控模块的芯片具体型号为stm32f107；所述物理层芯片 用于物理链路的创建、维持或拆除，在本实施例中，该物理层芯片选用lan8720a 物理层芯片；所述网络变压器用于网络设备的电气隔离、噪声抑制，在本实施 例中，采用常规rj45接口hr911130c；结合图5，所述电源模块为dcdc变换电 路，将输入的12v电压降压，通过调节电阻大小，为其他各个模块提供3.3v、 5v、1.8v及1.2v电压。
49.参阅图6，本发明提供的一种兼容可定义确定性通信以太网可采用基于ieee 1588标准的ptp同步协议，该同步协议为主从式同步协议，假设相同链路延迟 相等的条件下，通过主从节点的消息交换，计算出从节点相对主节点时钟的偏 差以及链路延迟。在ptp同步时，同步主机先向同步从机发送一个同步帧(sync)， 并记录同步帧发送时主机的时间戳t1，同步从机接收到来自同步主机的同步帧 时，记录接收时，从机的时间戳t2。若ptp被设置为一步同步，则时间戳t1将 在同步帧被发送之前写入同步帧的消息中，同步从机可直接从同步帧中提取出 时间戳t1；若ptp被设置为两步同步，那么时间戳t1将被封装到跟随帧 (follow_up)中，同步从机从跟随帧中取出时间戳t1。除了同步主机向同步从 机发送同步帧外，同步从机还需要向同步主机发送延迟请求帧。考虑到链路延 迟一般在短时间内不会有较大的变化，一般延迟请求帧的发送频率会比同步帧 的发送频率更低。在延迟请求时，同步从机向同步主机发送延迟请求帧 (delay_req)，并记录发送时从机的时间戳t3，同步主机接收到后记录接收时 的主机时间戳t4，然后将t4封装到延迟应答帧(delay_resp)中
发回同步从机。 经过以上步骤的消息交换，此时同步从机已知t1、t2、t3、t4四个时间戳。 我们设同步主机当前时间为t_m，同步从机当前时间为t_s，从机到主机的时钟 偏差为offset，那么可以得到t_s＝t_m+offset。假设主机与从机之间消息在连 路上的延迟为delay，则t1、t2、t3、t4存在以下关系：
50.t1+offset＝t2
‑
delay
51.t3
‑
offset＝t4
‑
delay
52.由此可以计算出offset和delay：
53.offset＝(t3
‑
t1+t2
‑
t4)/2
54.delay＝(t2+t4
‑
t1
‑
t3)/2
55.其中，延迟请求一般比同步频率低，当非延迟请求周期时，则直接沿用上 次一计算得到的链路延迟，即可得到时钟偏差。得到从时钟相对主时钟的偏差 后即可采取锁相环等方式对从时钟进行校正。
56.参阅图7，所述兼容可定义确定性通信以太网设备的各个主控模块中计时校 正模块采用了类似以锁相环的设计，每经过一个系统时钟周期，累加寄存器都 会增加上加数寄存器中的值，若32位的累加寄存器溢出，则增量寄存器的值会 被加到亚秒寄存器上，若亚秒寄存器再溢出，则会进位到秒寄存器中。时间戳 寄存器即由亚秒寄存器与秒寄存器共同组成。由此可见，影响本地时钟的三个 变量为加数寄存器、增量寄存器及真实系统时钟频率。其中，增量寄存器值由 系统时钟频率决定，确定后不再改变，ptp调整的是加数寄存器中的值，即可理 解为计时模块的计时速度。
57.其中加数寄存器初始值计算方式如下，pclk所表示的ptp时钟频率即为累 加寄存器的溢出频率：
[0058][0059]
而增量寄存器是一个常数，初始化后不再改变，它表示亚秒寄存器的步长， 每个ptp时钟周期亚秒寄存器都将增加单位增量值。计算公式如下：
[0060][0061]
由ptp计算出从机相对于主机的时间偏差后通过加数进行控制，计算公式 如下：
[0062][0063]
addend(n+1)＝δaddend(n)+addend
init
[0064]
参阅85，本发明提供的一种兼容可定义确定性通信以太网对所述基于ieee 1588标准的ptp同步协议进行了优化，修改了低通滤波器与同步过程。对于图 8的模型针对滤波器部分简化后将闭环传递函数由原来的
[0065][0066]
优化为
[0067][0068]
优化了模型中的前馈环节，优化后的模型从滤波器变为了衰减器，避免因z＝1 极点产生的临界稳定状态在外界其他抖动的干扰下发散，造成同步结果误差越 来越大的现象。
[0069]
优选的，为确保同步快速性，缩短同步建立时间，在ptp精确同步阶段细 分为两个子阶段，分别为快速收敛子阶段和稳定同步子阶段。在快速收敛子阶 段中，衰减器与pi控制器不参与系统时钟的校正，等待固定的若干同步周期后， 认为同步误差已无法进一步降低或已达到当前最佳状态，此时进入稳定同步子 阶段，衰减器与pi控制器同时介入，进一步降低同步误差，从而获得更高的同 步精度。
[0070]
参阅图9，本发明提供的一种兼容可定义确定性通信以太网对所述基于ieee 1588标准的ptp同步协议进行优化后，大幅提高了同步误差收敛速度，当快速 收敛阶段固定为3个同步周期(即3s)，测试平台上由原来的5秒达到70ns以 内的同步精度提升到3秒达到10ns以内的同步精度，效果显著。
[0071]
参阅图10，本发明提供的一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备软 件结构如图所示。本具体实施例中交换设备采用fpga平台定制，可对底层逻辑 端进行自由编程使其符合所述兼容可定义确定性通信以太网交换设备要求。
[0072]
所述fpga平台包含逻辑端与arm端，其中所述逻辑端包含若干以太网ip 核及计时校正模块，以太网ip核一端与物理层芯片通过 rgmii/gmii/rmii/mii/sgmii等接口中的一种与物理层芯片交互，实现网络消息 的发送与接收，另一端与axi总线接口相接，所述axi总线为arm端与逻辑端 通信的桥梁，用于arm端与逻辑端的数据交换，网络消息通过该总线接口在arm 端与逻辑端之间交互。在所述以太网ip核与axi总线之间存的通信线路中存在 读就绪与写使能信号，当太网ip核与axi总线存在数据传输时，读就绪或写使 能信号会产生跳变，所述计时校正模块依据该信号作为触发信号，记录网络消 息发送或接收时间戳，保存于该模块中的时间戳寄存器中，arm端通过spi总线 接口访问时间戳寄存器，读取其中的时间戳，提供给ptp同步协议使用。在arm 端，其上运行嵌入式linux操作系统，由存放于sd卡中的bootloader及文件 系统提供支持。在所述linux操作系统上安装了open vswitch虚拟交换机，并 将设备树中位于逻辑端的以太网接口置于由open vswitch新建的网桥管理，而 arm端自带的以太网模块接口则用作控制网口提供给sdn交换机接入。所述由 open vswitch新建的网桥将被分配与同步域相同网段的ip地址，使其能够接受 udp/ip组播消息，以支持ptp同步协议。基于来自逻辑端周期寄存器中的触发 信号，时间触发模块可以周期性触发流表的定向添加、删除、备份与恢复，为 同步实时控制消息转发提供支持。另一方面，open vswitch中的流表也支由sdn 控制器持通过控制网口进行控制，达到可由用户自定义网络消息转发的目的。
[0073]
参阅图11，本发明提供的一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备软 件结构。本具体实施例中网卡设备采用fpga平台定制，可对底层逻辑端进行自 由编程使其符合所述兼容可定义确定性通信以太网网卡设备要求。
[0074]
所述fpga平台包含逻辑端与arm端，其中逻辑端功能与交换设备中所述逻 辑端的功能基本一致，以太网ip核可只保留1个，但是需要加入用于串行通信 pcie ip核，该ip核
同样以axi总线映射的方式与arm端通信，以访问arm端 的内存地址。电脑端需要相应驱动以通过pcie访问arm端内存，中间需要配置 好pcie地址及axi地址的映射。
[0075]
所述网卡设备的arm端运行freertos实时操作系统，并整合lwip提供网 络协议栈支持。ptp作为应用运行于freertos中，用lwip提供的udp/ip组播 接口进行同步消息帧的收发。用户也可以自定义一些任务应用，通过lwip提供 的tcp/ip协议栈等进行网络通信，所述任务应用产生的网络消息将被添加至缓 冲队列中。此外，来自电脑端通过pcie产生的网络消息也将被添加到所述缓冲 队列中，缓冲队列中的网络消息可以根据每个消息的类型代码在某个同步的全 局时间点进行触发，提取该实时控制消息并发送，而时间触发功能也同样由位 于逻辑端的周期寄存器产生。
[0076]
参阅图12，本发明提供的一种兼容可定义确定性通信以太网的嵌入式设备 软件结构如图所示。本具体实施例中嵌入式设备采用mcu平台，为整合所述计 时校正模块，可由fpga介入mcu与物理层之间，提供计时校正模块所需功能， 或者也可以选用具有支持ieee 1588以太网模块的mcu代替一部分计时校正模 块功能。图中采用了后者方案，计时校正模块集成于以太网模块内部，arm中运 行freertos，同样也整合了lwip以提供网络协议栈。与网卡部分相似，ptp也 是由lwip提供的udp/ip组播接口进行同步消息帧的收发，而任务应用则可以 使用其他支持的网络协议进行转发。所述任务应用中一般包括数字输入、数字 输出、模拟输入、模拟输出功能，以及用于将数字量、模拟量封装的消息序列 化及反序列化程序，为末端被控设备提供模拟、数字量采样以及模拟、数字量 控制功能。
[0077]
参阅图13，本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网交换设备程序流程 如图所示。所述交换设备中将运行ptp协议，对于ptp同步主机来说，每一个 同步周期会组播一次同步帧，而同步从机每一个同步延迟请求周期会向同步主 机发送一个延迟请求帧。另外ptp同步主机在接收到延迟请求帧时需要进行应 答，而ptp同步从机在接收到同步帧时将依据ptp同步原理进行计算，得到与 同步主机的时间偏差后通过校正算法计算出时间修正量，修正本地时钟计时速 率并等待下一个同步周期。当周期寄存器中的时间到达预设某个时间点时，产 生触发信号，时间触发模块根据时间点判断当前转发的实时控制消息对应的流 表，然后备份并删除当前流表，添加该实时控制消息的转发流表，待该消息转 发结束后，恢复原流表，等待下一时刻的触发。所述交换设备在接收到来自sdn 控制器的openflow控制消息后对其进行解析，然后根据控制内容添加或删除指 定流表，从而实现流表的远程灵活定义。
[0078]
参阅图14，本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网网卡设备程序流程 如图所示。所述网卡设备中将运行ptp协议参与全局时间同步，ptp协议运行流 程与交换设备相同，不再赘述。当周期寄存器中的时间到达预设某个时间点时， 产生触发信号，此时将停止发送其他网络消息，并从缓冲队列中取出实时控制 消息并发送，待该实时控制消息传输完毕后恢复其他消息发送。而对于非时间 触发时间点时的普通消息则按照缓冲队列中的顺序依次发送。由于所述网卡设 备需要插在电脑pcie插槽上，其可以通过pcie通道与电脑端通信，来自电脑 端的网络消息也将进入缓冲队列，而其他配置信息如时钟周期、触发时间点、 ptp寄存器预设值等，将被直接写入对应的寄存器。
[0079]
参阅图15，本发明提供的兼容可定义确定性通信以太网嵌入式设备程序流 程如图所示。所述嵌入式设备中将运行ptp协议参与全局时间同步，ptp协议运 行流程与交换设
备相同，时间触发模块功能与网卡设备大致相同，此处不再赘 述。当嵌入式设备接收到控制输出消息时，解析消息并确定需要输出的数字或 模拟量，经由数模或模数转换输出要求的控制量，达到控制末端被控设备的目 的；也可以周期性采集数字或模拟量信号，分装为信息采集消息后存入缓冲队 列中，根据实际需求划分为实时控制信号类及普通消息类，等待时间触发时发 送或其他时间发送。
[0080]
本发明提供的一种兼容可定义确定性通信以太网在网络时间同步协议对全 局网络时间进行同步的基础上，采用了open vswitch提供的流表形式进行消息 转发，并且各个网络设备能够在根据同步的全局时间触发实时控制消息的发送 或转发，提高实时控制消息的可靠性及灵活性。
[0081]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应 视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。 对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可 以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。