一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备制造技术

本实用新型专利技术提供一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备，其用于连接以太网中的控制器、发送端与接收端，实现网络报文的确定性通信/转发，该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，网络报文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，判断网络报文转发的时域与输出接口。口。口。

【技术实现步骤摘要】
一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备


[0001]本技术涉及一种交换设备，尤其涉及一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备。

技术介绍

[0002]随着中国制造2025的临近以及两个十五年规划的提出，进一步发展实体产业并实现产业的优化升级迫在眉睫。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，提高网络报文实时性。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]基于开发可定义确定性通信的以太网需求，提升网络灵活性、实时性/可确定性以及兼容性，为此需要提出一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备。

技术实现思路

[0007]本技术提供一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备，该交换设备的主控模块根据控制器下发的调度表与流表配合全局/区域时间同步，判断网络报文转发的时域与输出接口，实现以太网中网络报文的转发时段可定义以及确定性。
[0008]本技术提供一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备，其用于连接以太网中的控制器、发送端与接收端，实现网络报文的确定性通信/转发，该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，网络报文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，判断网络报文转发的时域与输出接口，其中，所述调
度表规定不同类型网络报文对应流表的触发时间以及维持时间，所述流表规定网络报文转发的输出接口；所述主控模块用于协议封装与解析、全局/区域时钟校准、网络报文缓存、网络报文转发与调度、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。
[0009]优选的，所述主控模块基于时钟校准模块进行全局/区域时钟校准进而进行全局/区域时间同步，该时钟校准模块为主控模块提供时钟同步和网络报文时间戳，其精度到达纳秒级别。
[0010]优选的，所述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、二时间戳寄存器、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，是全局时钟校准模块的输出结果，其中存储的数值可以被所述主控模块修改；所述周期时间寄存器相对于全集时间寄存器累计且不清零的计时方式，周期性即是对结果清零，清零周期为所述周期寄存器中储存的值，该值可以被所述主控模块通过通信协议读取和修改；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，该寄存器值也可以被所述主控模块通过通信协议读取和修改；所述时间步长寄存器也会对时间计时速率产生影响但其值与输入的系统时钟相关，一般在初始化确定后不再更改，如实在是有需要，该寄存器值也可以被所述主控模块通过通信协议读取和修改；所述时间戳寄存器会在所述交换设备进行以太网通讯的收/发操作时，将所述全局时间寄存器中当前的值存储起来，发生收操作和发操作的时间由所述两个时间戳寄存器分开存储，两个时间戳寄存器的值均可由所述主控模块通过通信协议读取；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，所有所述触发时间寄存器的值均可以被所述主控模块通过通信协议读取和修改。
[0011]优选的，所述网络报文时间戳包括硬件时间戳和软件时间戳，所述网络报文时间戳根据其在OSI网络模型中捕获的位置不同而分为硬件时间戳和软件时间戳，在物理层或物理层与链路层之间捕获则为硬件时间戳，否则为软件时间戳，而时间戳捕获的位置越靠近底层，通信链路的时间抖动越小，同步精度越高。
[0012]优选的，其还包括若展模块，所述扩展模块包括烧录接口或调试接口。
[0013]优选的，所述消息类型包括实时消息以及非实时消息，所述主控模块运行有Open vSwitch虚拟交换机。
[0014]优选的，所述Open vSwtich对交换设备的网卡划分，其中一个网口作为控制器接口，其他网口添加至由Open vSwtich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地址将网络报文转发至对应端口，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，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
模块接收与处理，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。
[0015]优选的，所述主控模块运行有Linux或OpenWRT操作系统，基于操作系统能够安装时间同步协议、Open vSwitch、OpenFlow等相关应用或协议，提高可定义性和兼容性。
[0016]优选的，所述主控模块运行有网络时间同步协议，其通过不断地获取该设备自身所转发的网络报文时间戳以及在兼容可定义确定性通信以太网的网中对本文档来自技高网...

【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的交换设备，其用于连接以太网中的控制器、发送端与接收端，实现网络报文的普通通信/转发，其特征在于，该交换设备还实现网络报文的确定性通信/转发，该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，网络报文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，区分网络报文为普通或确定性通信/转发类型，判断网络报文转发的时域与输出接口，其中，所述调度表规定不同类型的网络报文对应流表的触发时间以及维持时间，所述流表规定网络报文转发的输出接口；所述主控模块用于协议封装与解析、全局/区域时钟校准、网络报文缓存、网络报文转发与调度、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。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的交换设备，其特征在于，所述主控模块基于时钟校准模块进行全局/区域时钟校准进而进行全局/区域时间同步，该时钟校准模块为主控模块提供时钟同步和网络报文时间戳。3.根据权利要求2所述的一种兼容可定义确定性通信以太网的交换设备，其特征在于，所述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、二时间戳寄存器、一周期寄存器...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳凯垚，李极致，汪汉宁，颜钢锋，
申请(专利权)人：杭州瓦良格智造有限公司，
类型：新型
国别省市：