專利名稱：與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法，尤其是一種與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法，用于通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初主要針對(duì)提高數(shù)據(jù)傳輸吞吐量并最小化平均傳輸時(shí)延，采用了一種稱為1-持續(xù)的載波偵聽沖突檢測(cè)多址訪問(CSMA/CD)技術(shù)，信道中發(fā)生沖突時(shí)，參與沖突的節(jié)點(diǎn)根據(jù)截?cái)嗍蕉M(jìn)指數(shù)退避算法(BEB)決定一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間，重傳被破壞的數(shù)據(jù)幀，網(wǎng)絡(luò)最大傳輸時(shí)延具有不確定性；而且以太網(wǎng)的共享信道中并沒有定義優(yōu)先級(jí)機(jī)制，這些因素限制了以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的消息一般具有時(shí)間約束，系統(tǒng)的運(yùn)行同時(shí)取決于任務(wù)執(zhí)行結(jié)果和時(shí)間邏輯的正確性，網(wǎng)絡(luò)通信的不確定性是影響時(shí)間邏輯一個(gè)關(guān)鍵因素。
針對(duì)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性問題，提出的典型的實(shí)時(shí)介質(zhì)層協(xié)議如VT-CSMA虛時(shí)鐘協(xié)議、CSMA-DCR樹協(xié)議、窗協(xié)議等。但這些協(xié)議與以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不兼容，現(xiàn)有以太網(wǎng)設(shè)備無法在新的通信系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用，也限制了他們的推廣?；谲浖慕鉀Q方案在介質(zhì)層的上層進(jìn)行實(shí)時(shí)性改進(jìn)，不需要修改以太網(wǎng)協(xié)議，很好的保證了兼容性，如虛令牌RETHER協(xié)議、流量平滑協(xié)議、TEMPRA協(xié)議等。這種方案通常需要對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核或標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，使通信系統(tǒng)的復(fù)雜性提高，移植性降低，而且它們并沒有消除實(shí)質(zhì)上由介質(zhì)層帶來的不確定問題。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，G.Shen提出一個(gè)與以太網(wǎng)協(xié)議互相兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制協(xié)議(G.Shen，and X.M.Xu，A New Persistent Contention-Based Real-TimeEthernet MAC Protocol，in Proceedings of the American Control Conference，Anchorage，AK May，20022455-2456.(美國控制會(huì)議，一種新的基于持續(xù)競爭的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)MAC協(xié)議)，信道發(fā)生沖突后，通過發(fā)送長度不同的阻塞信號(hào)作為競爭幀，參與沖突的高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)取得信道的訪問權(quán)，然后通過適當(dāng)縮短以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義的幀間隙時(shí)間，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)最終獲得優(yōu)先發(fā)送。由于幀間隙縮短，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模需要適當(dāng)縮小。這個(gè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，每個(gè)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)固定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案的不足，提供一種與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法。使其在充分保留現(xiàn)有以太網(wǎng)技術(shù)特征的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)傳輸機(jī)制，同時(shí)在滿足一定前提條件下為網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)提供確定性傳輸信道。現(xiàn)有以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)直接掛接在總線系統(tǒng)中，不需要經(jīng)過任何中間轉(zhuǎn)換設(shè)備與實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行相互通信。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明介質(zhì)訪問控制方法，首先基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀具有長度可變的內(nèi)在特征，在不改變幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上定義動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，通過消息的長度映射優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)消息的優(yōu)先級(jí)在應(yīng)用層動(dòng)態(tài)的分發(fā)管理，并經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧中間各層隨同消息進(jìn)行透明傳輸。然后，利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口芯片本身具有的載波偵聽能力，通過進(jìn)行連續(xù)的信道載波偵聽判決，實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法在動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)定義的基礎(chǔ)上建立“阻塞”信道模式和搶占式工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種實(shí)時(shí)信息優(yōu)先級(jí)傳輸。
以下對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步的限定，包括兩個(gè)基本步驟(1)、定義實(shí)時(shí)消息的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)根據(jù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的定義，以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)字段具有可變長度，最小長度定義為46字節(jié)，用以支持正常的CSMA/CD操作，最大長度定義為1500字節(jié)。利用這個(gè)特點(diǎn)，本發(fā)明通過數(shù)據(jù)字段的長度來映射實(shí)時(shí)消息的優(yōu)先級(jí)，而不改變以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)消息長度處于標(biāo)記為不同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字段范圍之內(nèi)時(shí)定義其為實(shí)時(shí)消息。不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的長度字段范圍，而且互不相交?；谶@種優(yōu)先級(jí)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)接口電路可以通過連續(xù)偵聽載波、比較載波持續(xù)的時(shí)間獲得信道上正在傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)信息?？紤]到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)生沖突時(shí)，本發(fā)明規(guī)定實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送阻塞信號(hào)之后并不停止傳輸，而是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前優(yōu)先級(jí)繼續(xù)發(fā)送競爭信號(hào)，競爭結(jié)果導(dǎo)致最大沖突幀從傳統(tǒng)以太網(wǎng)中的1個(gè)時(shí)隙擴(kuò)展為幾個(gè)時(shí)隙，為了同樣根據(jù)載波長度檢測(cè)沖突及由沖突引起的競爭狀態(tài)，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字段的起始保留一個(gè)稱為競爭同步的長度范圍，組成元素定義為1)沖突數(shù)據(jù)同步字段用于同步相距最遠(yuǎn)的以太網(wǎng)幀之間發(fā)生沖突時(shí)引起的最大載波，包括同步46字節(jié)的最小沖突數(shù)據(jù)及4字節(jié)的幀校驗(yàn)序列；2)阻塞信號(hào)同步字段用于同步32位的阻塞強(qiáng)化信號(hào)；3)競爭幀字段同步最大競爭幀，由幾個(gè)具有相同長度的單個(gè)競爭幀組成，單個(gè)競爭幀的長度為64個(gè)字節(jié)，用于提供每次競爭時(shí)最小沖突檢測(cè)時(shí)間，最大競爭幀長度決定于最大優(yōu)先級(jí)數(shù)；4)檢驗(yàn)隔離字段8位隔離區(qū)間，位于競爭字段和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)范圍之間，用于避免由于定時(shí)不精確或者信道錯(cuò)誤導(dǎo)致的沖突狀態(tài)和成功傳輸狀態(tài)的錯(cuò)誤檢測(cè)；基于上面的定義，當(dāng)節(jié)點(diǎn)偵聽到載波長度處于競爭同步范圍之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為信道上發(fā)生了沖突，進(jìn)一步比較競爭幀長度的范圍，所有實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)可以獲得參與沖突的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)信息。在實(shí)際的分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制指令、傳感器等數(shù)據(jù)通常具有較短長度，而非實(shí)時(shí)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、管理、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具有較大的長度范圍，鑒于這個(gè)特點(diǎn)，本發(fā)明中規(guī)定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的長度隨著優(yōu)先級(jí)的升高逐漸減小。非實(shí)時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分配在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字段后面一個(gè)較大的長度范圍之內(nèi)。不同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行線性等量劃分。
(2)、實(shí)時(shí)的介質(zhì)訪問控制系統(tǒng)初始化之后，所有實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)開始連續(xù)的偵聽信道。當(dāng)一個(gè)消息到達(dá)介質(zhì)層后，介質(zhì)層首先檢查數(shù)據(jù)的長度以確定其合法性，因?yàn)楸景l(fā)明規(guī)定長度小于最大競爭幀的載波被視為沖突載波，相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀直接做丟棄處理，以避免成功發(fā)送到信道后導(dǎo)致信道的虛假?zèng)_突狀態(tài)，引起其它節(jié)點(diǎn)的誤阻塞。否則，介質(zhì)層根據(jù)數(shù)據(jù)長度計(jì)算節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)。介質(zhì)訪問控制方法包括下面三個(gè)組成部分1)基本的優(yōu)先級(jí)傳輸控制介質(zhì)層準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，與普通以太網(wǎng)協(xié)議只檢查當(dāng)前發(fā)送延遲變量不同，實(shí)時(shí)介質(zhì)層檢查一個(gè)新定義的信道狀態(tài)變量，這個(gè)邏輯變量記錄了信道當(dāng)前是否處于由于解析沖突引起的阻塞狀態(tài)。本發(fā)明規(guī)定，信道上首次發(fā)生沖突時(shí)，即信道狀態(tài)變量為0時(shí)檢測(cè)到?jīng)_突，除參與沖突的節(jié)點(diǎn)之外，其它實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入發(fā)送阻塞模式，將信道狀態(tài)變量設(shè)置為1，阻止任何新到達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸，把信道留給當(dāng)前沖突的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行沖突解析。另一方面，如果介質(zhì)層準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道狀態(tài)變量為0，則根據(jù)發(fā)送延遲變量進(jìn)行幀間隙延遲后立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
在發(fā)送過程中，如果檢測(cè)到?jīng)_突，在發(fā)送32位阻塞強(qiáng)化信號(hào)之后，實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)并不停止發(fā)送，而是繼續(xù)發(fā)送競爭幀，發(fā)送競爭幀的最大次數(shù)由節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)決定，優(yōu)先級(jí)越高，發(fā)送競爭幀的最大次數(shù)越多。競爭方法如下①一個(gè)節(jié)點(diǎn)在競爭的過程中發(fā)現(xiàn)沖突消失，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)是唯一的參與沖突的高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)，通過競爭獲得了信道的訪問控制權(quán)，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送當(dāng)前競爭幀結(jié)束后，等待一個(gè)幀間隙時(shí)間，立即重傳被破壞的數(shù)據(jù)幀；②競爭的次數(shù)達(dá)到了當(dāng)前優(yōu)先級(jí)決定的最大值，沖突仍然存在，節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送競爭幀，開始偵聽后續(xù)載波持續(xù)的時(shí)間間隔，如果載波消失時(shí)，時(shí)間間隔大于一個(gè)時(shí)隙，說明信道上仍存在高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送競爭幀，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)放棄信道訪問控制權(quán)，設(shè)置信道狀態(tài)變量為1，轉(zhuǎn)入阻塞模式；③如果后續(xù)載波持續(xù)時(shí)間間隔小于一個(gè)時(shí)隙，說明信道上全部競爭結(jié)束，但是競爭發(fā)生在相同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)之間，節(jié)點(diǎn)仍然取得信道的訪問控制權(quán)，同時(shí)設(shè)置新的訪問狀態(tài)邏輯變量為1，根據(jù)BEB算法退避重傳。退避重傳狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)具有相同的優(yōu)先級(jí)，為了提高信道利用率，如果退避節(jié)點(diǎn)再次發(fā)生沖突，規(guī)定發(fā)送競爭幀的次數(shù)為1；④最后，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)通過競爭成功的發(fā)送了一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀后，當(dāng)前沖突解析過程結(jié)束，信道上所有節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到相應(yīng)載波后，重新設(shè)置信道狀態(tài)變量和訪問狀態(tài)變量為0，阻塞節(jié)點(diǎn)被喚醒并啟動(dòng)新一輪介質(zhì)訪問仲裁。
2)兼容傳輸控制為了保證以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)能夠相互交換信息，本發(fā)明規(guī)定以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送位于數(shù)據(jù)字段中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)范圍之外的短數(shù)據(jù)幀，此外以太網(wǎng)接節(jié)點(diǎn)則依據(jù)原有協(xié)議規(guī)則訪問信道。但是由于并不清楚信道的阻塞狀態(tài)，以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得了與通過競爭取得信道訪問控制權(quán)的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)相同的優(yōu)先權(quán)，為了保證沖突發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)仍然具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)，如果實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)在退避重傳期間檢測(cè)到與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)生沖突，即僅在發(fā)送一個(gè)競爭幀的過程中檢測(cè)到?jīng)_突消失，介質(zhì)訪問控制規(guī)定①實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的沖突計(jì)數(shù)器保持不變，而以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)則按照原有協(xié)議規(guī)定沖突計(jì)數(shù)器增加1，即實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)在對(duì)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的沖突中不進(jìn)行退避，以太網(wǎng)則進(jìn)行指數(shù)退避，于是實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)將很快成功的完成數(shù)據(jù)幀的重傳；②實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)額外的競爭幀，通知處于退避等待狀態(tài)的其它實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)，由于一定存在一個(gè)當(dāng)前參與沖突的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)即刻重傳，為了提高信道的利用率，其它退避節(jié)點(diǎn)通過轉(zhuǎn)入阻塞模式讓出當(dāng)前信道；③以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間引起的數(shù)據(jù)沖突，或者以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的成功傳輸不改變處于退避狀態(tài)的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前操作。
3)搶占傳輸控制在很多情況下，實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)需要為重要的消息提供確定的傳輸時(shí)延保證，但是由于相同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)為了能夠公平的訪問信道而采用了隨機(jī)方法進(jìn)行退避重傳，沖突解析時(shí)間的隨機(jī)性成為決定高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)在其數(shù)據(jù)獲得發(fā)送前隨機(jī)等待的主要因素。為了提供一個(gè)具有確定時(shí)延的傳輸信道，本發(fā)明規(guī)定高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)引起的阻塞模式具有搶占權(quán)，即當(dāng)一個(gè)最具有高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)，介質(zhì)層重新設(shè)置信道狀態(tài)變量為0，立即介入當(dāng)前的退避重傳狀態(tài)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程。
本發(fā)明充分利用了以太網(wǎng)自身的技術(shù)特點(diǎn)，新的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法完全與以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)兼容，實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)有以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間可以直接相互通信，本發(fā)明的硬件實(shí)現(xiàn)可以充分利用現(xiàn)有以太網(wǎng)協(xié)議接口芯片。而且本發(fā)明中實(shí)時(shí)消息的優(yōu)先級(jí)在應(yīng)用層進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)通信直接面向應(yīng)用，可以靈活的用于多種實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境。


圖1本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的總線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；a)總線通信系統(tǒng)基本原理圖其中，RTn1pi表示在某一時(shí)刻系統(tǒng)中存在n1個(gè)優(yōu)先級(jí)為pi的實(shí)時(shí)通信節(jié)點(diǎn)，i＝0，1，…m-1，m為協(xié)議支持的最大優(yōu)先級(jí)數(shù)；NRTn表示系統(tǒng)中存在n個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。
b)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧模型圖2本發(fā)明的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖；a)標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)；b)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字段結(jié)構(gòu)；c)競爭同步字段結(jié)構(gòu)；圖3本發(fā)明的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖；a)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送主流程；b)沖突解析子流程；
具體實(shí)施例方式
如圖所示，為了更好理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體的實(shí)例做進(jìn)一步說明。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種典型的分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，由控制器、執(zhí)行器和大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)和工廠級(jí)信息網(wǎng)絡(luò)提供通信接口。通?？刂浦噶畹膫鬏斝枰裱瓏?yán)格的傳輸時(shí)延限制，屬于硬實(shí)時(shí)信息，這類信息的延誤傳輸會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)嚴(yán)重的后果；另一類信息稱為軟實(shí)時(shí)信息，如傳感器的周期采集數(shù)據(jù)，雖然信息仍然要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，但是系統(tǒng)能夠容忍個(gè)別信息的傳輸超時(shí)；來自上層信息網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)、管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息通常屬于非實(shí)時(shí)信息，因此，一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)需要提供具有兩級(jí)優(yōu)先級(jí)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)總線通信系統(tǒng)。應(yīng)用圖1所示的分布式實(shí)時(shí)總線系統(tǒng)，下面詳細(xì)說明實(shí)現(xiàn)過程中的技術(shù)細(xì)節(jié)1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)規(guī)劃計(jì)算不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)長度范圍。假定協(xié)議支持最多m級(jí)優(yōu)先級(jí)，那么根據(jù)發(fā)明內(nèi)容部分實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的定義，競爭字段長度ContentionSizeContentionSize＝46+4+m*64+1單位為字節(jié)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行線性等量劃分，記相鄰優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)范圍增量BlockSize，則優(yōu)先級(jí)i對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的長度范圍RTDataRangePi為，RTDataRangePi＝[ContentionSize+i*BlockSize，ContentionSize+(i+1)*BlockSize]優(yōu)先級(jí)i＝0，1，…，m-1，并且規(guī)定0代表最高優(yōu)先級(jí)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)字段范圍EthDataRange為EthDataRange＝[ContentionSize+m*BlockSize，1500]于是，對(duì)于兩級(jí)優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，m＝2，根據(jù)需要適當(dāng)選取BlockSize，如以4個(gè)字節(jié)為例，可得到各優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)長度范圍，如表1所示。
表1兩級(jí)優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)范圍規(guī)劃單位字節(jié)

表1中的數(shù)據(jù)范圍隸屬于介質(zhì)層，由于數(shù)據(jù)在經(jīng)過協(xié)議棧的中間各層傳遞時(shí)會(huì)增加不同的協(xié)議控制信息，導(dǎo)致介質(zhì)層接收到的數(shù)據(jù)長度大于應(yīng)用層實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此，根據(jù)采用的不同協(xié)議棧模型，介質(zhì)層的數(shù)據(jù)范圍去除相應(yīng)協(xié)議控制信息增量后才能得到應(yīng)用層上對(duì)應(yīng)的各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)長度范圍。以采用最簡單的三層協(xié)議棧模型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為例，包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，位于應(yīng)用層和介質(zhì)層之間的邏輯鏈路控制子層LLC將為應(yīng)用層數(shù)據(jù)帶來3個(gè)字節(jié)的附加協(xié)議信息，因此，表格1中的數(shù)據(jù)范圍減去3字節(jié)后得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)長度范圍。
2確定傳輸時(shí)延上界假定在一個(gè)擁有最高優(yōu)先級(jí)的消息獲得成功發(fā)送前沒有其它相同優(yōu)先級(jí)的消息等待發(fā)送，并且在某一時(shí)間間隔內(nèi)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)沒有消息發(fā)送。當(dāng)這個(gè)實(shí)時(shí)消息到達(dá)介質(zhì)層時(shí)，發(fā)現(xiàn)信道可以被搶占，理想情況下由于其他節(jié)點(diǎn)的退避此時(shí)信道剛好空閑，那么這個(gè)數(shù)據(jù)幀立刻得到發(fā)送，于是不存在任何等待時(shí)延；如果信道當(dāng)前存在由于競爭而產(chǎn)生的載波，節(jié)點(diǎn)則必須等到載波消失后才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)；而且節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中可能會(huì)與退避重傳的低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，根據(jù)發(fā)明內(nèi)容的介質(zhì)訪問方法，至多經(jīng)過一次競爭，高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)取得唯一的信道訪問權(quán)，而低優(yōu)先級(jí)退避節(jié)點(diǎn)由于偵聽到競爭載波長度超過一個(gè)競爭幀范圍而轉(zhuǎn)入阻塞模式。高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù)最大傳輸時(shí)間為MaxPreemptDelay＝MaxContentionSizeP1+InterFrameSize++MaxContentionSizeP0+InterFrameSize+MaxRTDataSizeP0其中，InterFrameSize是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義的96比特幀間隙；MaxRTDataSizeP1為優(yōu)先級(jí)i的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)范圍的上界；MaxContentionSizePi是優(yōu)先級(jí)為i的節(jié)點(diǎn)由于檢測(cè)到?jīng)_突后持續(xù)發(fā)送最多m-i個(gè)競爭幀而產(chǎn)生的最大競爭幀長度，記標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)中data字段前所有字段的長度之和為FrontDataSizeMaxContentionSizePi＝FrontDataSize+ContentionSize-i*64如果最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，信道剛剛由低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸，則節(jié)點(diǎn)必須等待傳輸結(jié)束后才能啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送過程，等待時(shí)間取決于正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的長度，同樣，消息在經(jīng)過最多一次競爭后獲得成功發(fā)送，此時(shí)最大傳輸時(shí)延為MaxWaitDelay＝MaxRTFrameSizeP1+InterFrameSize+MaxContentionSizeP0+InterFrameSize+MaxRTDataSizeP0綜合上面兩個(gè)傳輸時(shí)延中的最大值，得到最高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)信息的最大傳輸時(shí)延上界為MaxWaitDelay。于是對(duì)于新的分布式實(shí)時(shí)總線系統(tǒng)，如果在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，且最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間間隔大于MaxWaitDelay，則系統(tǒng)為最高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)提供確定性傳輸時(shí)延上界MaxWaitDelay。對(duì)實(shí)例中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，時(shí)延上界為5176比特時(shí)，約0.52毫秒。
權(quán)利要求
1.一種與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法，其特征在于，首先基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀具有長度可變的內(nèi)在特征，在保持原有幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上定義動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，通過消息的長度映射優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)消息的優(yōu)先級(jí)在應(yīng)用層動(dòng)態(tài)的分發(fā)管理，并經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧中間各層隨同消息進(jìn)行透明傳輸；然后，利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口芯片具有的載波偵聽能力，在動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)定義的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法通過進(jìn)行連續(xù)的信道載波偵聽判決，建立阻塞信道模式和搶占式工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)信息優(yōu)先級(jí)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法，其特征是，以下通過兩個(gè)基本步驟作進(jìn)一步的限定，(1)、定義實(shí)時(shí)消息的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)根據(jù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3的定義，以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)字段具有可變長度，最小長度定義為46字節(jié)，最大長度定義為1500字節(jié)，通過數(shù)據(jù)字段的長度進(jìn)行映射實(shí)時(shí)消息的優(yōu)先級(jí)，只有當(dāng)消息長度處于標(biāo)記為一定優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字段范圍之內(nèi)時(shí)定義為實(shí)時(shí)消息，各級(jí)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)多個(gè)相鄰的長度字段范圍。基于這種優(yōu)先級(jí)定義，網(wǎng)絡(luò)接口電路通過連續(xù)偵聽載波、比較載波持續(xù)的時(shí)間來獲得信道上正在傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)信息；為了同樣根據(jù)載波長度檢測(cè)沖突及由沖突引起的競爭狀態(tài)，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字段的起始保留一個(gè)競爭同步長度范圍，當(dāng)節(jié)點(diǎn)偵聽到載波長度處于競爭同步范圍之內(nèi)時(shí)，信道上發(fā)生了沖突，進(jìn)而通過比較競爭幀長度的范圍，實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)獲得參與沖突的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)信息；規(guī)定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的長度隨著優(yōu)先級(jí)的升高逐漸減小，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分配在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)字段后面一個(gè)較大的長度范圍之內(nèi)，并且各種優(yōu)先級(jí)長度范圍進(jìn)行線性等量劃分；(2)、實(shí)時(shí)的介質(zhì)訪問控制系統(tǒng)初始化后，所有實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)開始連續(xù)的偵聽信道，當(dāng)一個(gè)消息到達(dá)介質(zhì)層后，介質(zhì)層首先檢查數(shù)據(jù)的長度以確定其合法性，長度小于最大競爭幀的載波被視為沖突載波，相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀直接做丟棄處理，否則，介質(zhì)層根據(jù)數(shù)據(jù)長度計(jì)算節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)，介質(zhì)訪問控制方法包括下面三個(gè)組成部分1)基本的優(yōu)先級(jí)傳輸控制介質(zhì)層準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)時(shí)介質(zhì)層檢查記錄阻塞模式的信道狀態(tài)變量，如信道狀態(tài)變量為1，則信道上存在其它實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行的沖突解析，實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入發(fā)送阻塞模式，阻止當(dāng)前及任何新到達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸；另一方面，如果介質(zhì)層準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)檢測(cè)到信道狀態(tài)變量為0，則根據(jù)發(fā)送延遲變量進(jìn)行幀間隙延遲后立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在發(fā)送過程中，如果檢測(cè)到?jīng)_突，在發(fā)送32位阻塞強(qiáng)化信號(hào)之后，實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入競爭階段，繼續(xù)發(fā)送競爭幀，發(fā)送競爭幀的最大次數(shù)由節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)決定，優(yōu)先級(jí)越高，發(fā)送競爭幀的最大次數(shù)越多；通過競爭，高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)取得信道的訪問權(quán)，低優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入阻塞模式；最終，當(dāng)競爭解析結(jié)束后，實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的阻塞狀態(tài)被喚醒，啟動(dòng)新的數(shù)據(jù)發(fā)送過程；2)兼容傳輸控制以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)僅發(fā)送位于數(shù)據(jù)字段中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，此外以太網(wǎng)接節(jié)點(diǎn)則依據(jù)原有協(xié)議規(guī)則訪問信道，并實(shí)際獲得了與通過競爭取得信道訪問控制權(quán)的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)相同的優(yōu)先權(quán)，為了保證沖突發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)仍然具有優(yōu)先發(fā)送權(quán)，如果實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)在退避重傳期間檢測(cè)到與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)生沖突，在信道上的載波消失后立即重傳被破壞的數(shù)據(jù)幀，并通過發(fā)送一個(gè)額外的競爭幀通知處于退避狀態(tài)的其它實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)結(jié)束退避轉(zhuǎn)入阻塞模式來進(jìn)一步提高信道的利用效率，所有處于退避的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)將忽略以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀沖突及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的成功發(fā)送；3)搶占傳輸控制高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)引起的阻塞模式具有搶占權(quán)，當(dāng)一個(gè)具有高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)，介質(zhì)層重新設(shè)置其信道狀態(tài)變量為0，立即介入當(dāng)前的退避重傳狀態(tài)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法，其特征是，步驟(1)中，競爭同步的長度范圍，組成元素定義為1)沖突數(shù)據(jù)同步字段用于同步相距最遠(yuǎn)的以太網(wǎng)幀之間發(fā)生沖突時(shí)引起的最大載波，包括同步46字節(jié)的最小沖突數(shù)據(jù)及4字節(jié)的幀校驗(yàn)序列；2)阻塞信號(hào)同步字段用于同步32位的阻塞強(qiáng)化信號(hào)；3)競爭幀字段同步最大競爭幀，由幾個(gè)具有相同長度的單個(gè)競爭幀組成，單個(gè)競爭幀的長度為64個(gè)字節(jié)，用于提供每次競爭時(shí)最小沖突檢測(cè)時(shí)間，最大競爭幀長度決定于最大優(yōu)先級(jí)數(shù)；4)檢驗(yàn)隔離字段8位隔離區(qū)間，位于競爭字段和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)范圍之間，用于避免由于定時(shí)或者信道錯(cuò)誤導(dǎo)致的沖突狀態(tài)和成功傳輸狀態(tài)的混淆檢測(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法，其特征是，步驟(2)中，競爭方法如下①一個(gè)節(jié)點(diǎn)在競爭的過程中發(fā)現(xiàn)沖突消失，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)是唯一的參與沖突的高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)，通過競爭獲得了信道的訪問控制權(quán)，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送當(dāng)前競爭幀結(jié)束后，等待一個(gè)幀間隙時(shí)間，立即重傳被破壞的數(shù)據(jù)幀；②競爭的次數(shù)達(dá)到了當(dāng)前優(yōu)先級(jí)決定的最大值，沖突仍然存在，節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送競爭幀，開始偵聽后續(xù)載波持續(xù)的時(shí)間間隔，如果載波消失時(shí)，時(shí)間間隔大于一個(gè)時(shí)隙，說明信道上仍存在高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送競爭幀，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)放棄信道訪問控制權(quán)，設(shè)置信道狀態(tài)變量為1，轉(zhuǎn)入阻塞模式；③如果后續(xù)載波持續(xù)時(shí)間間隔小于一個(gè)時(shí)隙，說明信道上全部競爭結(jié)束，但是競爭發(fā)生在相同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)之間，節(jié)點(diǎn)仍然取得信道的訪問控制權(quán)，同時(shí)設(shè)置訪問狀態(tài)變量為1，根據(jù)BEB算法退避重傳，退避重傳期間的節(jié)點(diǎn)具有相同的優(yōu)先級(jí)，為了提高信道利用率，如果退避節(jié)點(diǎn)再次發(fā)生沖突，規(guī)定發(fā)送競爭幀的次數(shù)為1；④最后，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)通過競爭成功的發(fā)送了一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀后，當(dāng)前沖突解析過程結(jié)束，信道上所有節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到相應(yīng)載波后，重新設(shè)置信道狀態(tài)變量和訪問狀態(tài)變量為0，阻塞節(jié)點(diǎn)被喚醒并啟動(dòng)新一輪介質(zhì)訪問仲裁。
全文摘要
一種用于通信技術(shù)領(lǐng)域的與以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法，首先基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀具有長度可變的內(nèi)在特征，在保持原有幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上定義動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，通過消息的長度映射優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)消息的優(yōu)先級(jí)在應(yīng)用層動(dòng)態(tài)的分發(fā)管理，并經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧中間各層隨同消息進(jìn)行透明傳輸；然后，利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口芯片具有的載波偵聽能力，在動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)定義的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制方法通過進(jìn)行連續(xù)的信道載波偵聽判決，建立阻塞信道模式和搶占式工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)信息優(yōu)先級(jí)傳輸。本發(fā)明為重要信息提供具有確定時(shí)延上界的傳輸信道，可直接應(yīng)用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延具有嚴(yán)格要求的分布式實(shí)時(shí)環(huán)境。
文檔編號(hào)H04L29/06GK1602017SQ200410054209
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月2日
發(fā)明者尹汝潑, 吳健珍, 蔡云澤, 張衛(wèi)東, 沈鋼 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)