一種雙通道工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究

劉志坤 郭呈 馬建飛

摘 要：隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，工廠自動(dòng)化的集成度越來(lái)越強(qiáng)，涉及的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量也相應(yīng)地不斷增加。自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)要求越嚴(yán)苛，于是往往會(huì)出現(xiàn)讓人頭疼的局面，就是大量的非控制數(shù)據(jù)會(huì)影響極其重要的控制數(shù)據(jù)的傳輸。該文下面所介紹的“雙通道”的技術(shù)體系可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。雙通道技術(shù)為保障復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中重要程度高的數(shù)據(jù)更有效地傳輸創(chuàng)造條件。 該文提出的雙通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋屯ㄓ玫脑O(shè)計(jì)解決方案。文章先對(duì)端到端的雙通道模型及特點(diǎn)進(jìn)行討論和分析，之后提出一些解決方案，實(shí)際驗(yàn)證這種方案有效可行。

關(guān)鍵詞： 雙通道;有效帶寬;動(dòng)態(tài)帶寬;數(shù)據(jù)包重組

中圖分類號(hào)：TN915.85? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）31-0038-03

Research on A Dual Channel Industrial Network Transmission Technology

LIU Zhi-kun1， GUO Cheng1， MA Jian-Fei2

（1.Systems Engineering Research Institute， Beijing 100094， China; 2.Beijing NE-net Technology Co.，Ltd， Beijing 100084， China）

Abstract： With the arrival of the era of industrial 4.0， the integration of factory automation is becoming more and more powerful， and the amount of field data involved is increasing correspondingly. The higher the degree of automation， the more demanding of the data transmission network， so there is often a headache， that is， a large number of uncontrolled data will affect the transmission of important control data. The dual channel technology system described below can solve this problem well. Dual channel technology creates conditions for ensuring more efficient transmission of data in complex networks. The dual channel technology proposed in this paper implements a general design solution for various network topology types. This paper first discusses and analyzes the end-to-end dual channel models and characteristics， and then puts forward some solutions to verify the feasibility and effectiveness of the scheme.

Key words：dual channel; effective bandwidth; dynamic bandwidth; packet reorganization

1 引言

雙通道技術(shù)的核心問(wèn)題是如何在有限的帶寬資源下，提供超出傳統(tǒng)以太網(wǎng)通訊的高質(zhì)量通訊服務(wù)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，種類越多，應(yīng)用日益復(fù)雜，使得如何充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬并根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，提供不同指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

盡管各種通信網(wǎng)絡(luò)上各種優(yōu)先級(jí)方法，例如 Qos，這些方法往往具有不同的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，其中相當(dāng)大一部分不能從根本上上解決重要數(shù)據(jù)阻塞延時(shí)的問(wèn)題。換句話說(shuō)，就是在具有帶寬、緩存、噪聲等約束條件下的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，重要的數(shù)據(jù)還是無(wú)法保證實(shí)時(shí)性。本文的分析和討論就是針對(duì)這一類問(wèn)題，提出的解決方案適用于具有上述特征的實(shí)時(shí)的高速網(wǎng)絡(luò)。

2 傳統(tǒng)交換機(jī)的工作方式和帶寬優(yōu)化策略

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式是交換機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)起來(lái)，然后進(jìn)行CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）檢查，在對(duì)錯(cuò)誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址，通過(guò)查找表轉(zhuǎn)換成輸出端口送出包。正因如此，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時(shí)延時(shí)大，這是它的不足，但是它可以對(duì)進(jìn)入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，有效地改善網(wǎng)絡(luò)性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口間的轉(zhuǎn)換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。

QoS（Quality of Service）是服務(wù)質(zhì)量的簡(jiǎn)稱。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，服務(wù)質(zhì)量包括哪些方面呢？從傳統(tǒng)意義上來(lái)講，無(wú)非就是傳輸?shù)膸?、傳送的時(shí)延、數(shù)據(jù)的丟包率等，而提高服務(wù)質(zhì)量無(wú)非也就是保證傳輸?shù)膸?，降低傳送的時(shí)延，降低數(shù)據(jù)的丟包率以及時(shí)延抖動(dòng)等。廣義上講，服務(wù)質(zhì)量涉及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的方方面面，只要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用有利的措施，其實(shí)都是在提高服務(wù)質(zhì)量。

在QoS的分類流程中最關(guān)鍵的是對(duì)各種不同包配置不同的優(yōu)先級(jí)，對(duì)流入交換機(jī)的數(shù)據(jù)包按優(yōu)先級(jí)排列，然后交換機(jī)就會(huì)根據(jù)這個(gè)優(yōu)先級(jí)值執(zhí)行相應(yīng)的QoS行為。而對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排列的第一步就要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類。分類規(guī)則可以使用VLAN幀中的802.1p優(yōu)先級(jí)、IP報(bào)文頭的ToS（Type of Service，服務(wù)類型）字段的優(yōu)先級(jí)位，識(shí)別出不同優(yōu)先級(jí)特征的流量;也可以由網(wǎng)絡(luò)管理者設(shè)置流分類的策略，例如綜合源地址、目的地址、MAC地址、IP協(xié)議或應(yīng)用程序的端口號(hào)等信息對(duì)流進(jìn)行分類。一般的分類依據(jù)封裝報(bào)文的頭部信息，使用報(bào)文的內(nèi)容作為分類的標(biāo)準(zhǔn)是比較少見(jiàn)的。分類的結(jié)果是沒(méi)有范圍限制的，它可以是一個(gè)由五元組（源地址、源端口號(hào)、協(xié)議號(hào)、目的地址、目的端口號(hào)）確定的狹小范圍，也可以是到某網(wǎng)段的所有報(bào)文。

然而Qos還是沒(méi)有解決網(wǎng)絡(luò)擁堵時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包的傳輸問(wèn)題，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量的非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)候，它雖然可以一定程度上優(yōu)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，但是此時(shí)的數(shù)據(jù)在很多應(yīng)用場(chǎng)景下已經(jīng)失效。

3 雙通道交換機(jī)設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)交換機(jī)上，數(shù)據(jù)從源地址傳送的目的地址過(guò)程中，一般要經(jīng)過(guò)多級(jí)交換機(jī)。在路徑中的交換機(jī)同時(shí)處理其他設(shè)備數(shù)據(jù)，一定會(huì)存在數(shù)據(jù)碰撞、排隊(duì)等問(wèn)題。越大的干擾數(shù)據(jù)影響越大。每經(jīng)過(guò)一臺(tái)交換機(jī)的時(shí)間差別很大，累計(jì)下來(lái)的傳輸時(shí)延有可能大于控制系統(tǒng)所能承受的范圍。

雙通道交換機(jī)的原理是在交換機(jī)內(nèi)存模塊中，區(qū)分快速通道和普通通道，通過(guò)賦予快速通道最高的優(yōu)先級(jí)以保證其優(yōu)先傳輸。普通數(shù)據(jù)在快速數(shù)據(jù)傳輸完成后繼續(xù)傳輸。

以千兆網(wǎng)絡(luò)為例，雙通道交換機(jī)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中即使在干擾數(shù)據(jù)流量800M情況下，快速數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)每臺(tái)交換機(jī)的時(shí)延在0.8～3us的范圍內(nèi);整體數(shù)據(jù)抖動(dòng)小于3us x N左右。從而實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)、多網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，控制數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、快速、安全地傳送。

如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀從SW模塊送入，加上私有幀頭組成私有協(xié)議的幀，向判斷模塊發(fā)出請(qǐng)求，由判斷模塊給出判斷結(jié)果，再由轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)向環(huán)網(wǎng)模塊的兩個(gè)端口。

通訊時(shí)環(huán)網(wǎng)模塊在接收私有協(xié)議幀頭后，立即向判斷模塊發(fā)送請(qǐng)求命令，判斷模塊會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)幀頭進(jìn)行判斷，給出判斷結(jié)果，從而確定此數(shù)據(jù)幀的去向。判斷結(jié)果：1，下環(huán)。2，轉(zhuǎn)發(fā)加下環(huán)。3，轉(zhuǎn)發(fā)——快速轉(zhuǎn)發(fā)、普通轉(zhuǎn)發(fā)。

除此之外，雙通道網(wǎng)絡(luò)還具有動(dòng)態(tài)帶寬的特點(diǎn)，即當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有快速數(shù)據(jù)時(shí)，正常的普通數(shù)據(jù)所享有的帶寬即為千兆，當(dāng)數(shù)據(jù)中只有快速數(shù)據(jù)時(shí)，快速數(shù)據(jù)所享有的帶寬同樣為千兆，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中既有普通數(shù)據(jù)又有快速數(shù)據(jù)時(shí)，遵循快速數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)優(yōu)先的狀況。假設(shè)有500M普通數(shù)據(jù)的流量，700M快速數(shù)據(jù)的流量，那么普通數(shù)據(jù)所享有的帶寬為1000M-700M=300M。

4 雙通道網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

以船舶監(jiān)控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)是一套采用客戶機(jī)、服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)信息管理系統(tǒng)，集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、物品備件管理等低成本、高可靠、高性能的艦船數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用要求網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：

1）同時(shí)支持聯(lián)機(jī)事務(wù)處理，支持多用戶、多進(jìn)程訪問(wèn)。

2）有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和故障恢復(fù)機(jī)制。

3）設(shè)置系統(tǒng)安全保密機(jī)制，提供用戶訪問(wèn)權(quán)限管理。

4）提供數(shù)據(jù)備份、儲(chǔ)存和復(fù)現(xiàn)。

5）交換式以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)接口百兆千兆自適應(yīng)。

船舶監(jiān)控系統(tǒng)從其功能可分為系統(tǒng)安全管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理模塊、綜合查詢模塊等幾大部分，同時(shí)預(yù)留將來(lái)可能安裝的船岸通訊模塊接口，并支持安裝各種先進(jìn)的關(guān)系系統(tǒng)軟件，如“PMS管理系統(tǒng)”“備件與物料管理系統(tǒng)”“船舶檢驗(yàn)與證書(shū)管理系統(tǒng)”和“人員管理系統(tǒng)”等。此外，與液位檢測(cè)、監(jiān)測(cè)報(bào)警等系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶有關(guān)系的系統(tǒng)管理，以提高船舶的綜合管理水平。

根據(jù)上述船舶監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)的船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如上圖所示。與傳統(tǒng)的船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不同，雙通道網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)便了很多。用戶可以自主定義采集傳輸重要數(shù)據(jù)的設(shè)備，采取優(yōu)先傳輸機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)支持控制指令的實(shí)時(shí)傳輸，且不會(huì)受到其他任何數(shù)據(jù)的干擾。

與此同時(shí)，這種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還簡(jiǎn)化了船用電纜的敷設(shè)，支持船舶監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)調(diào)整的軟件系統(tǒng)升級(jí)，大大降低了船舶信息化系統(tǒng)的維護(hù)成本。

5 結(jié)論

我們討論了雙通道的原理，提出了通過(guò)打斷機(jī)制從而實(shí)現(xiàn)雙通道的方法，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中重要的核心數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)的互不干擾，互不影響，這就是雙通道的核心價(jià)值。在此基礎(chǔ)上我們還進(jìn)一步探討了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率。

雙通道系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的，但其實(shí)現(xiàn)方法和邏輯是復(fù)雜的，在工業(yè)4.0的大趨勢(shì)下，所有的網(wǎng)絡(luò)都要互聯(lián)互通，勢(shì)必會(huì)有互相干擾的狀況出現(xiàn)，所以雙通道的系統(tǒng)正好契合工業(yè)4.0的理念，讓您的網(wǎng)絡(luò)無(wú)憂的融合。

雙通道網(wǎng)絡(luò)在船舶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用，為其帶來(lái)的好處是不言而喻的，簡(jiǎn)化了原有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)程序的復(fù)雜性，減少維護(hù)的成本，系統(tǒng)性能得到了極大的提升。

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