劉志坤 郭呈 馬建飛

摘 要：隨著工業(yè)4.0時代的到來，工廠自動化的集成度越來越強，涉及的現(xiàn)場數(shù)據(jù)量也相應地不斷增加。自動化程度越高，對傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡要求越嚴苛，于是往往會出現(xiàn)讓人頭疼的局面，就是大量的非控制數(shù)據(jù)會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”的技術體系可以很好地解決這個問題。雙通道技術為保障復雜網(wǎng)絡中重要程度高的數(shù)據(jù)更有效地傳輸創(chuàng)造條件。 該文提出的雙通道技術實現(xiàn)了各種網(wǎng)絡拓撲類型通用的設計解決方案。文章先對端到端的雙通道模型及特點進行討論和分析，之后提出一些解決方案，實際驗證這種方案有效可行。

關鍵詞： 雙通道;有效帶寬;動態(tài)帶寬;數(shù)據(jù)包重組

中圖分類號：TN915.85? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：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

雙通道技術的核心問題是如何在有限的帶寬資源下，提供超出傳統(tǒng)以太網(wǎng)通訊的高質量通訊服務。隨著網(wǎng)絡規(guī)模越大，種類越多，應用日益復雜，使得如何充分利用網(wǎng)絡帶寬并根據(jù)不同的網(wǎng)絡傳輸需求，提供不同指標的網(wǎng)絡服務成為工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展的重點方向。

盡管各種通信網(wǎng)絡上各種優(yōu)先級方法，例如 Qos，這些方法往往具有不同的結構和特點，其中相當大一部分不能從根本上上解決重要數(shù)據(jù)阻塞延時的問題。換句話說，就是在具有帶寬、緩存、噪聲等約束條件下的實際網(wǎng)絡中，重要的數(shù)據(jù)還是無法保證實時性。本文的分析和討論就是針對這一類問題，提出的解決方案適用于具有上述特征的實時的高速網(wǎng)絡。

2 傳統(tǒng)交換機的工作方式和帶寬優(yōu)化策略

存儲轉發(fā)方式是交換機領域應用最為廣泛的方式。它把輸入端口的數(shù)據(jù)包先存儲起來，然后進行CRC（循環(huán)冗余碼校驗）檢查，在對錯誤包處理后才取出數(shù)據(jù)包的目的地址，通過查找表轉換成輸出端口送出包。正因如此，存儲轉發(fā)方式在數(shù)據(jù)處理時延時大，這是它的不足，但是它可以對進入交換機的數(shù)據(jù)包進行錯誤檢測，有效地改善網(wǎng)絡性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口間的轉換，保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。

QoS（Quality of Service）是服務質量的簡稱。對于網(wǎng)絡業(yè)務來說，服務質量包括哪些方面呢？從傳統(tǒng)意義上來講，無非就是傳輸?shù)膸?、傳送的時延、數(shù)據(jù)的丟包率等，而提高服務質量無非也就是保證傳輸?shù)膸?，降低傳送的時延，降低數(shù)據(jù)的丟包率以及時延抖動等。廣義上講，服務質量涉及網(wǎng)絡應用的方方面面，只要是對網(wǎng)絡應用有利的措施，其實都是在提高服務質量。

在QoS的分類流程中最關鍵的是對各種不同包配置不同的優(yōu)先級，對流入交換機的數(shù)據(jù)包按優(yōu)先級排列，然后交換機就會根據(jù)這個優(yōu)先級值執(zhí)行相應的QoS行為。而對數(shù)據(jù)包進行優(yōu)先級排列的第一步就要對數(shù)據(jù)包進行分類。分類規(guī)則可以使用VLAN幀中的802.1p優(yōu)先級、IP報文頭的ToS（Type of Service，服務類型）字段的優(yōu)先級位，識別出不同優(yōu)先級特征的流量;也可以由網(wǎng)絡管理者設置流分類的策略，例如綜合源地址、目的地址、MAC地址、IP協(xié)議或應用程序的端口號等信息對流進行分類。一般的分類依據(jù)封裝報文的頭部信息，使用報文的內(nèi)容作為分類的標準是比較少見的。分類的結果是沒有范圍限制的，它可以是一個由五元組（源地址、源端口號、協(xié)議號、目的地址、目的端口號）確定的狹小范圍，也可以是到某網(wǎng)段的所有報文。

然而Qos還是沒有解決網(wǎng)絡擁堵時實時數(shù)據(jù)包的傳輸問題，即當網(wǎng)絡中有大量的非實時的數(shù)據(jù)報文的時候，它雖然可以一定程度上優(yōu)化實時數(shù)據(jù)的傳輸時延，但是此時的數(shù)據(jù)在很多應用場景下已經(jīng)失效。

3 雙通道交換機設計原理

傳統(tǒng)交換機上，數(shù)據(jù)從源地址傳送的目的地址過程中，一般要經(jīng)過多級交換機。在路徑中的交換機同時處理其他設備數(shù)據(jù)，一定會存在數(shù)據(jù)碰撞、排隊等問題。越大的干擾數(shù)據(jù)影響越大。每經(jīng)過一臺交換機的時間差別很大，累計下來的傳輸時延有可能大于控制系統(tǒng)所能承受的范圍。

雙通道交換機的原理是在交換機內(nèi)存模塊中，區(qū)分快速通道和普通通道，通過賦予快速通道最高的優(yōu)先級以保證其優(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)絡為例，雙通道交換機在整個網(wǎng)絡中即使在干擾數(shù)據(jù)流量800M情況下，快速數(shù)據(jù)經(jīng)過每臺交換機的時延在0.8～3us的范圍內(nèi);整體數(shù)據(jù)抖動小于3us x N左右。從而實現(xiàn)多系統(tǒng)、多網(wǎng)絡融合的網(wǎng)絡結構中，控制數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、快速、安全地傳送。

如圖3所示，標準的數(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)出請求，由判斷模塊給出判斷結果，再由轉發(fā)模塊發(fā)向環(huán)網(wǎng)模塊的兩個端口。

通訊時環(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)送請求命令，判斷模塊會對數(shù)據(jù)幀頭進行判斷，給出判斷結果，從而確定此數(shù)據(jù)幀的去向。判斷結果：1，下環(huán)。2，轉發(fā)加下環(huán)。3，轉發(fā)——快速轉發(fā)、普通轉發(fā)。

除此之外，雙通道網(wǎng)絡還具有動態(tài)帶寬的特點，即當整個網(wǎng)絡中沒有快速數(shù)據(jù)時，正常的普通數(shù)據(jù)所享有的帶寬即為千兆，當數(shù)據(jù)中只有快速數(shù)據(jù)時，快速數(shù)據(jù)所享有的帶寬同樣為千兆，當網(wǎng)絡中既有普通數(shù)據(jù)又有快速數(shù)據(jù)時，遵循快速數(shù)據(jù)永遠優(yōu)先的狀況。假設有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)絡的應用設計

以船舶監(jiān)控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)是一套采用客戶機、服務器模式的網(wǎng)絡信息管理系統(tǒng)，集實時數(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)應用要求網(wǎng)絡具有以下特點：

1）同時支持聯(lián)機事務處理，支持多用戶、多進程訪問。

2）有較強的容錯能力和故障恢復機制。

3）設置系統(tǒng)安全保密機制，提供用戶訪問權限管理。

4）提供數(shù)據(jù)備份、儲存和復現(xiàn)。

5）交換式以太網(wǎng)，網(wǎng)絡接口百兆千兆自適應。

船舶監(jiān)控系統(tǒng)從其功能可分為系統(tǒng)安全管理、實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理模塊、綜合查詢模塊等幾大部分，同時預留將來可能安裝的船岸通訊模塊接口，并支持安裝各種先進的關系系統(tǒng)軟件，如“PMS管理系統(tǒng)”“備件與物料管理系統(tǒng)”“船舶檢驗與證書管理系統(tǒng)”和“人員管理系統(tǒng)”等。此外，與液位檢測、監(jiān)測報警等系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對船舶有關系的系統(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)的應用需求，設計的船舶監(jiān)控網(wǎng)絡架構如上圖所示。與傳統(tǒng)的船舶監(jiān)控網(wǎng)絡不同，雙通道網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構簡便了很多。用戶可以自主定義采集傳輸重要數(shù)據(jù)的設備，采取優(yōu)先傳輸機制。網(wǎng)絡支持控制指令的實時傳輸，且不會受到其他任何數(shù)據(jù)的干擾。

與此同時，這種簡單的網(wǎng)絡架構還簡化了船用電纜的敷設，支持船舶監(jiān)控網(wǎng)絡的架構調(diào)整的軟件系統(tǒng)升級，大大降低了船舶信息化系統(tǒng)的維護成本。

5 結論

我們討論了雙通道的原理，提出了通過打斷機制從而實現(xiàn)雙通道的方法，從而實現(xiàn)了整個網(wǎng)絡中重要的核心數(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值。在此基礎上我們還進一步探討了優(yōu)化網(wǎng)絡的機制，從而提高整個網(wǎng)絡的利用率。

雙通道系統(tǒng)是簡單的，但其實現(xiàn)方法和邏輯是復雜的，在工業(yè)4.0的大趨勢下，所有的網(wǎng)絡都要互聯(lián)互通，勢必會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)絡無憂的融合。

雙通道網(wǎng)絡在船舶網(wǎng)絡系統(tǒng)中的應用，為其帶來的好處是不言而喻的，簡化了原有的網(wǎng)絡拓撲，簡化了軟件開發(fā)程序的復雜性，減少維護的成本，系統(tǒng)性能得到了極大的提升。

參考文獻：

[1] 糜正琨，楊國民. 交換技術[M]. 北京： 清華大學出版社， 2006： 15-18 .

[2] 梁庚. 工業(yè)測控系統(tǒng)實時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術[M].北京：中國電力出版社， 2013： 78-79.

[3] 徐皚冬，王宏，邢志浩. 工業(yè)以太網(wǎng)實時通信技術[J].信息與控制， 2005，34（1）： 60-64.

[4] 湯朝霞.基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡設計與有實現(xiàn)[D].江蘇：蘇州大學， 2009： 6-11.

[5] 王敏.深入對比三種標準拓撲結構[J]. 魅力中國， 2010（1）： 77.

[6] 馮冬芹. 實時工業(yè)以太網(wǎng)技術[M].北京：科學出版社， 2013： 18-19.

[7] 陽憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社， 2002：31-37.