一种降低以太网数据传输晃动的方法和装置与流程

1.本发明涉及网络数据传输技术领域，特别是涉及一种降低以太网数据传输晃动的方法和装置。


背景技术：

2.在网络运动控制系统的运行过程中，所有控制设备都是以网络形式连接的，可以实现远距离的调速及控制参数的设定等。现场总线把多个设备连接成网络，并按公开、规范的通信协议，实现网络上的设备与计算机的通讯和控制，可以方便地建立多节点分布式网络控制系统。
3.例如can，rs232,modbus等现场总线对网络拓扑和底层通信协议有严格的定义约束，通过精密规范的协议来预先配置网络。在这些网络中，数据传输延迟主要来自物理线缆的传播延迟和接口器件的处理延迟，没有交换转发过程带来的延迟变动，能够保证关键控制信息传输的实时性和确定性，其晃动很小。
4.但是在以太网中，网络结构更加复杂。数据帧(例如，以太网数据帧)从一个节点发到另一个节点，传输节点多，例如从端点到交换机(例如，网桥)，可能再从该交换机转发到其他交换机，最后到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。交换机在转发数据帧之前先完全接收该数据帧。但这会带来很多问题：如果交换机某个端口缓冲区堆积的帧数过多，会导致新接收的帧被丢弃；以太网帧在交换路由设备的延迟时间和其长度相关，会导致延迟的抖动；由于目标端口可能存在其它正在发送的数据帧，会导致额外的延迟。
5.因此，现有技术中作为以太网重要特性的交换路由机制，并不能提供延迟保证，即数据在以太网这种复杂网络中传输时会产生较大的晃动，这种晃动导致数据帧可能会在传输过程中被丢弃，进而使得以太网很难应用于运动控制/闭环控制。
6.为了解决上述技术问题，工业界开发多种不同的实时工业以太网解决方案，来改善以太网等复杂网络的可靠性、实时性和确定性。典型性的几种方法：
7.profinet：该协议可提供两种不同性能的解决方案。profinet rt(实时通信)是一种工厂自动化解决方案，周期时间最长为1ms。rt直接以标准以太网为基础，通过以太网标准的一些扩展机制(例如，服务质量(qos))来区分实时/非实时流量优先级。但qos基于软件方式，改善程度非常有限，并不能完全解决资源和延迟问题。对于硬实时，profinet提供同步实时(irt)扩展。在此，部分以太网带宽通过标准以太网硬件的扩展专门为irt流量保留。这可以通过irt节点中的时钟的精确同步来实现。因此，可以在每个周期阻止通道(红色阶段)中的正常流量。只有红色阶段中的irt帧到达网络。此外，网络参与者准确地在预先计算的时间发送irt帧，从而在红色阶段实现效率的最大化。irt帧通过网络，几乎无周跳。
8.ethercat(以太网现场总线)是目前在以太网框架下实现实时性能最好的一种改进机制，但ethercat不仅在第2层针对现场总线应用和高吞吐量应用进行了优化，甚至在以太网物理层(即第1层)也做了重大的修改，实际上更像是一种现场总线。不同于普通以太网
每台设备发送单独的帧，通过交换机或路由器实现交换互传；ethercat没有经典的以太网桥，而是整个网络每个周期发送一个总串帧，此帧包含被寻址设备的所有数据。当ethercat总串帧经由设备转发时，该特定设备的数据被实时插入到该帧中并从该帧中取出。通过这种方式，可以实现极短的周期时间，并能提供确定的传输延迟和极小的延迟晃动，因此其在运动控制等领域取得了一定的成功。由于ethercat对以太网物理层和链路层的大量修改，其并不符合标准以太网的规范，存在很多兼容性和互联性的限制。
9.在工业运动控制应用中，随着用户对于服务质量要求的不断提高，对采集和控制信息传输过程的实时性也越来越提出了严苛的要求，控制算法必须在确定的时刻获得输入信息并产生控制结果。如果采样信息存在很大的时间偏差，会导致控制算法计算错误，控制精度下降。
10.因此，目前亟需一种降低以太网这种复杂网络的数据传输过程中产生的数据晃动的方法和装置。


技术实现要素：

11.针对上述问题，本发明设计了一种降低以太网数据传输晃动的处理方法，具体如下：
12.本发明的一种降低网络中数据传输晃动的方法，所述方法包括：
13.接收端获取数据帧中的采样起始点绝对时间；
14.根据延迟配置值和绝对时间确定激活时刻；
15.将所述激活时刻与本地时钟计数值对比，根据对比结果读取所述数据帧。
16.进一步的，其中，
17.将延迟配置值和绝对时间信息相加得到所述激活时刻。
18.进一步的，其中，
19.获取所述数据帧中的标记信息，根据所述标记信息确定延迟配置信息。
20.进一步的，其中，
21.所述标记信息为网络层端口信息或应用层信息。
22.进一步的，其中，
23.将所述激活时刻和所述数据帧写入到选中的缓冲池；
24.以激活时刻信息加上该帧数据的预期读出持续时间作为该缓冲池的后续写入数据帧的允许激活时刻。
25.进一步的，其中，
26.后续写入该缓冲池的数据帧的激活时刻大于该允许激活时刻。
27.进一步的，其中，
28.将后续数据帧的激活时刻和所有缓冲池的允许激活时刻进行比对，结合缓冲池的剩余容量，选择合适的缓冲池。
29.进一步的，其中，所述将所述激活时刻与本地时钟计数值对比，根据对比结果读取所述数据帧，具体为：
30.预取出每个缓冲池内顶部的数据帧的激活时刻，并和本地实时运行的时钟计数值进行比对，当两者对比结果为时间相等时，将该数据帧全部从缓冲池中读出并从对应的采
样通道数据端口输出。
31.进一步的，其中，
32.所述采样起始点绝对时间为对数据进行采样时对应的当前时钟计数值。
33.进一步的，其中，在获取数据帧中的采样起始点绝对时间之前包括：
34.发送端和接收端进行频率同步，确定发送端和接收端之间的传输延迟并进行校正。
35.对应的，本发明提供一种降低网络中数据传输晃动的装置，所述装置包括：
36.提取部，用于获取数据帧中的采样起始点绝对时间；
37.激活时刻确定部，用于根据延迟配置值和绝对时间确定激活时刻；
38.缓冲激活处理部，用于将所述激活时刻与本地时钟计数值对比，根据对比结果读取所述数据帧。
39.进一步的，其中，
40.所述激活时刻为延迟配置值和绝对时间相加而得到的。
41.进一步的，所述装置还包括延迟配置部，其中，
42.延迟配置部，用于获取所述数据帧中的标记信息，根据所述标记信息确定延迟配置值。
43.进一步的，所述装置还包括缓冲排队调度部，所述缓冲排队调度部用于，
44.将所述激活时刻和所述数据帧写入到选中的缓冲池；
45.以激活时刻信息加上该帧数据的预期读出持续时间作为该缓冲池的后续写入数据帧的允许激活时刻。
46.进一步的，其中，
47.后续写入该缓冲池的数据帧的激活时刻大于该允许激活时刻。
48.进一步的，其中，
49.将后续数据帧的激活时刻和所有缓冲池的允许激活时刻进行比对，结合缓冲池的剩余容量，选择合适的缓冲池。
50.进一步的，其中，所述将所述激活时刻与本地时钟计数值对比，根据对比结果读取所述数据帧，具体为：
51.预取出每个缓冲池内顶部的数据帧的激活时刻，并和本地实时运行的时钟计数值进行比对，当两者对比结果为时间相等时，将该数据帧全部从缓冲池中读出并从对应的采样通道数据端口输出。
52.进一步的，所述装置还包括同步与接口逻辑，所述同步与接口逻辑在获取数据帧中的采样起始点绝对时间之前，与发送端进行频率同步，确定发送端和所述装置之间的传输延迟并进行校正。
53.本发明设计的一种降低以太网数据传输晃动的处理系统和方法，发送端和接收端的频率和时间同步，消除了时钟的累积偏差，同步状态可以长时间保持记录数据采集的采集起始点绝对时间计数值，便于接收端接收后，可以还原数据帧的采集时间，从而消除延迟带来的时间晃动；同时，设有的多缓冲池机制，可解决不同采样通道数据帧延迟交错，数据帧到达时刻交错的问题。
54.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变
得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
55.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
56.图1示出了根据本发明实施例的一种网络控制系统的网络连接结构图；
57.图2示出了根据本发明实施例的采集器侧数据处理逻辑结构图；
58.图3示出了根据本发明实施例的控制器侧处理逻辑结构图。
具体实施方式
59.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
60.图1示出了根据本发明实施例的一种网络控制系统的网络连接结构图。需要说明的是，本发明以如图1所示的结构为例对本发明的降低数据传输晃动的方法进行示例性说明，但并非仅仅限于这种网络结构。
61.如图1所示，作为发送端的采集器可以按照固定、非固定的周期或者基于外部信号触发来采样数据，并形成采集的数据信息。在采集到所述数据信息后，通过发送逻辑向传输网络发送，最终发送给作为接收端的控制器。
62.上述数据信息在所述传输网络的传输过程中，由于传输网络过程存在的存储转发等过程，作为接收端的控制器实际接收到的数据信息的信息时刻会存在很大的晃动。
63.所述控制器接收到该数据信息后，根据其内部设置的降低网络数据传输晃动的方法进行处理，以减少甚至避免所述数据信息到达控制器的到达时刻的晃动，以消除对网络传输数据的过程中延迟带来的影响。
64.需要说明的是，本发明实施例中以采集器作为数据发送端、控制器作为数据接收端为例进行示例性说明，但并非仅仅限于采集器和控制器，任何在网络中发送数据信息的设备均可作为发送端、在网络中接收数据信息的设备均可作为接收端；而且设备在将数据帧发送时，该设备作为发送端；设备在接收数据帧时，该设备则作为接收端。
65.本发明实施例的降低数据传输晃动的方法过程的一般包括如下步骤：
66.步骤1：采集器和控制器之间通过两者的同步和接口逻辑实现双方的频率同步。
67.采集器将通过采样等方式采集的数据通过其发送逻辑发送到其同步与接口逻辑，利用其确定的工作频率作为通信链路的发送载频，将由数据形成的数据帧等数据信息承载在该发送载频上，通过传输网络发送给控制器；
68.控制器通过其同步与接口逻辑接收到从传输网络发送过来的数据信息后，利用cdr时钟数据恢复技术，从通信链路中恢复出采集器端的数据发送载频，并进一步产生控制
器内部的工作频率。本发明实施例的这种方式能够借助通信链路，使控制器能够跟随采集器的频率。使用同样的原理，也可以配置成采集器跟随控制器的频率。换言之，本发明实施例中，采集器和控制器之间，可以通过一方跟随另一方的方式实现频率同步，也可以双方跟随第三方实现频率同步，只要实现两者的频率同步即可。
69.当上述采集器和控制器的频率达到同步后，双方的时间计数步调将达到一致，这就消除了采集器和控制器之间的时间计数的累积误差。
70.步骤2：利用时间同步协议，例如ptpv2(ieee-1588)网络同步协议，测量计算出采集器和控制器之间的传输延迟，并对该传输延迟进行预先校正，使双方的时间计数绝对值达到一致。
71.本发明实施例中，由于双方已经达到了频率同步，不会产生时间计数的累积误差，所以该时间计数值的同步流程并不需要频繁进行，只需要每秒或几秒进行一次，以消除传输路径延迟的缓慢漂移。
72.经过上述步骤1、步骤2两个步骤，采集器和控制器内部就都分别构建了连续运行的“本地时间计数器”，且两者具有相同的计数节拍和起始时刻。采集器和控制器逻辑可以随时获取该计数器的当前计数值，也就是当前时刻。
73.步骤3：作为发送端的采集器，在每次进行信号采样时，都把其采样起始点的绝对时间计数值记录下来，并和采样获得的数据一起打包形作为数据帧的数据内容。
74.图2示出了根据本发明实施例的采集器侧数据处理逻辑结构图。如图2所述，作为发送端的采集器基于采样启动信号，抓取当前时钟的计数值，形成本次采样数据的绝对时间计数值；同时，基于采样启动信号采样产生若干采样数据。
75.在数据帧形成部获取形成的绝对时间计数值和采样数据，将绝对时间计数值作为帧头的一部分，采样数据作为数据帧的数据部分，产生完整的发送数据帧。该数据帧被存入到网络发送缓冲中，以采集器便于通过所述传输网络向控制器发送。
76.本发明实施例中，在采集器侧可以有多个独立的采样通道，产生多组采样数据，并非仅仅限于图2中的一条采集通道。
77.在采集器中产生的数据帧通过传输网络发送给控制器。需要说明的是，本发明实施例中，在整个网络内可以有多个采集器或控制器，这些设备之间可以通过ip网络传输数据，一个采集器的单个采用通道数据可以发送给多个控制器，一个控制器也可以接收多个采样通道的数据。
78.图3示出了根据本发明实施例的控制器侧处理逻辑结构图。如图3所示，控制器的网络接收缓冲存储器从传输网络中多个采集器发送的采样数据，或者控制器的网络接收缓冲存储器从传输网络中的一个采集器发送的多个采样数据。由于发送缓冲延迟以及网络传输延迟的差异，来自多个采集器的采样数据，被接收到控制器后的网络缓冲的时刻可能存在先后错乱的情况，即可能出现采集器先采样的数据后到达网络接收缓冲器，采集器后采样的数据先到达网络接收缓冲器。
79.控制器的数据帧分析部从其接收缓冲器读取出数据帧，提取数据帧的标记信息(例如网络层的ip、mac、端口或类型等多组元信息和/或应用层的采集器编号、采样通道编号或采样帧序号等)和采样起始点绝对时间信息，即数据帧中的绝对时间计数值。
80.控制器的延迟配置部根据提取的上述标记信息，利用预先设定的匹配策略，从延
迟配置表中取得对应的延迟配置值。本发明实施例中的匹配策略和延迟配置表可以动态更新重构。
81.控制器的提取部提取数据帧中的采样起始点绝对时间信息。
82.控制器的激活时刻确定部，接收延迟配置部发送的延迟配置值和提取部提取的绝对时间信息，将延迟配置值和绝对时间信息相加，得到对应采样数据的激活时刻信息。
83.控制器的缓冲排队调度部根据标记信息将激活时刻信息和该数据帧写入选中的缓冲池中，并以激活时刻加上该帧数据的预期读出持续时间作为该缓冲池的后续写入数据帧的允许激活时刻。后续写入该缓冲池的数据帧的激活时刻必须大于该允许激活时刻，这能保证缓冲池激活并读出一帧数据后，仍未到达该缓冲池内下一个数据帧的激活时刻。
84.需要说明的是，本发明实施例中，有多个缓冲池，例如如图3中所示出的缓冲池1、缓冲池2
…
缓冲池n。
85.控制器的缓冲调度部将后续数据帧的激活时刻和所有缓冲池的允许激活时刻进行比对，结合缓冲池的剩余容量，选择适合于后续帧的缓冲池。
86.本发明实施例中，通过多个缓冲池的调度，能够对多个采集器或采样通道进行时间排序，能够消除掉网络帧的先后错乱。
87.控制器的缓冲激活处理部预取出每个缓冲池内顶部的数据帧的激活时刻，并和本地实时运行的时钟计数值进行比对，当两者对比结果为时间相等时，就启动将该数据帧全部从缓冲池中读出并从对应的采样通道数据端口输出。
88.本发明实施例中，数据传输过程中的延迟变化通过缓冲和延迟激活读出过程被消除。控制逻辑获得采集数据的时刻严格保证为其采样时刻加上设置的延迟值，本发明实施例的上述方法只需要考虑该固定且确定的延迟的影响，不需要考虑采样数据的时刻晃动。
89.本发明的处理方法与ieee 1588、确定性以太网、tsn等技术的相比，具有如下优势：
90.现有的tsn、detnet等技术通过一系列协议和机制的集合来改善以太网的确定性，例如网络切片、显性路由、资源预留、时钟/频率同步、周期映射、门控优先级队列调度、帧抢占、流量过滤和整形、多发选收等技术，来分别保障确定性带宽、低时延、低抖动、高可靠等qos指标。这些方法都集中在网络传输层面，本发明的方法则专注在接受端的数据处理方式，两者是互相补充的关系。现有这些技术主要是在网络传输层面的进行改进，这只能尽力改善传输延迟及其晃动，而本发明的方法能够完全保证最终算法获取采样信息时刻的严格固定。
91.在本发明提出的方法中，采集器和控制器的同步和接口逻辑可以采用ieee 1588-2019ha规范或whiterabbit技术，时间同步能够达到好于纳秒级别，即双方不仅频率谐振而且相位也能保证锁定，时间计数能够对齐到单个时钟周期。
92.配置的固定延迟值应该能够涵盖网络传输中可能产生的最大延迟，tsn提出的各种机制能够减少网络的最大传输延迟，对减小本方法所需配置的固定延迟值会带来帮助。
93.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如一个和另一个等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括
那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
94.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。