基于fpga的網(wǎng)絡冗余實體的實現(xiàn)

基于fpga的網(wǎng)絡冗余實體的實現(xiàn)

0hse現(xiàn)場總線網(wǎng)絡冗余hse（高速等速）是基于現(xiàn)場總線引擎的基于功能、環(huán)境和技術的自動系統(tǒng)設計的協(xié)議會議。它具有速率高(100Mbps),數(shù)據(jù)通信量大,與計算機互聯(lián)容易,價格低廉等特點。HSE現(xiàn)場總線主要的應用場合有兩方面:一方面是用于因計算量過大而不適合在現(xiàn)場儀表中進行的高層模型或調(diào)度運算;另一方面是作為多條H1總線或其它網(wǎng)絡的網(wǎng)關。網(wǎng)絡冗余是HSE現(xiàn)場總線的一大特色,具有如下特點:可以根據(jù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構進行靈活組態(tài);與虛擬現(xiàn)場設備(VFDs)的通信路徑不會因為單一的故障而中斷通信;在系統(tǒng)運行時,設備間的通信線路將系統(tǒng)地持續(xù)地被檢測;網(wǎng)絡上的每一臺設備都將獨立地完成故障探測工作和恢復工作,網(wǎng)絡上并沒有一個“網(wǎng)絡冗余管理者”;每臺設備都定期地向網(wǎng)絡上的其它設備發(fā)送本地的網(wǎng)絡狀態(tài)探測值,因此每臺設備也必須維護一份本地網(wǎng)絡狀態(tài)表。1hse網(wǎng)絡冗余策略控制系統(tǒng)運行當中,設備由于硬件或軟件原因出現(xiàn)故障是時有發(fā)生的事。采用有效的防錯容錯機制對一個需要穩(wěn)定運行的系統(tǒng)是必需的。冗余備份技術是指對容易出錯的硬件設備進行冗余備份。當工作設備由于某種原因出現(xiàn)故障而不能正常工作時,備用設備馬上就可以代替這個設備繼續(xù)完成相同的功能。網(wǎng)絡冗余技術就是對網(wǎng)絡通信線路進行冗余備份以確保信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中,網(wǎng)絡冗余設計思想是將網(wǎng)絡系統(tǒng)布置成為獨立的雙重冗余網(wǎng)絡模式,發(fā)送端設備在冗余的網(wǎng)絡上同時發(fā)送現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù),通過發(fā)送備份的操作數(shù)據(jù)可以提高網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃?在接收端設備設立兩組緩沖區(qū),處理在兩個網(wǎng)絡接口上接收到的數(shù)據(jù)(如圖1所示)。這樣配置的網(wǎng)絡冗余系統(tǒng)可靠性得以提高,但是有如下的弊端:首先對大塊操作數(shù)據(jù)而言,在冗余網(wǎng)絡上同時傳送造成網(wǎng)絡資源消耗過大;其次接收端在它的兩個網(wǎng)絡端口接收到數(shù)據(jù)后,需要對兩個接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行判別與處理,從中選取可用的操作信息,所以系統(tǒng)的實時性有所下降。相對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡冗余策略而言,HSE網(wǎng)絡冗余的設計有其自己的特點。如圖2、圖3所示,HSE網(wǎng)絡冗余策略并不是在冗余的網(wǎng)絡上同時傳送現(xiàn)場信號與系統(tǒng)管理數(shù)據(jù),而是在網(wǎng)絡上定期發(fā)布診斷消息,各臺設備根據(jù)在自己網(wǎng)絡接口上接收到診斷消息來構造網(wǎng)絡狀態(tài)表,依據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)表為上層通信模塊提供可靠的通信線路以傳送現(xiàn)場信號與系統(tǒng)管理數(shù)據(jù);HSE網(wǎng)絡冗余系統(tǒng)中,現(xiàn)場設備不需要判別處理在兩個網(wǎng)絡接口上接收到的雙重操作數(shù)據(jù)(單網(wǎng)的廣播模式除外),它只在其中一個網(wǎng)絡接口上接收到現(xiàn)場信號與系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)并直接送交上層應用程序處理,這樣系統(tǒng)的實時性得以提高;HSE網(wǎng)絡冗余不但適用于雙重網(wǎng)絡冗余的模式,而且對于單一網(wǎng)絡模式也起到了提高通信可靠性的效果。2網(wǎng)絡冗余接口HSE現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡冗余的實施涉及到很多概念、算法以及服務原語,其中對于實現(xiàn)HSE網(wǎng)絡冗余功能的核心組件有兩個:診斷消息,網(wǎng)絡狀態(tài)表。在具體介紹網(wǎng)絡冗余系統(tǒng)實現(xiàn)之前應該澄清這兩個組件的概念。診斷消息:網(wǎng)絡冗余的基礎是在網(wǎng)絡設備的網(wǎng)絡冗余實體中傳輸診斷消息。一條診斷消息是一種概括了設備的網(wǎng)絡狀態(tài)和健康度的消息。HSE網(wǎng)絡冗余允許設備周期性地在它的每個接口上發(fā)布診斷信息。具有網(wǎng)絡冗余能力的設備要標識它的兩個網(wǎng)絡接口,其中一個標識為A,另外一個標識為B,診斷消息的內(nèi)容中包含發(fā)送它的網(wǎng)絡接口標識。每臺設備都可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上其它設備的診斷消息是否有缺失。設備根據(jù)診斷信息來更新、維護它的網(wǎng)絡狀態(tài)表。網(wǎng)絡狀態(tài)表:每臺設備都保存一份網(wǎng)絡狀態(tài)表,這張表保存了本地設備與網(wǎng)絡上其他設備的通信狀態(tài)和對網(wǎng)絡通信健康情況的觀點。網(wǎng)絡狀態(tài)表被用來協(xié)助設備決定通過哪個網(wǎng)絡接口向網(wǎng)絡上其他終端地址發(fā)送消息,在一個或兩個網(wǎng)絡接口上接收組播消息。網(wǎng)絡狀態(tài)表通過接收診斷信息,接收其他本地需求或有時獲取廠商特定的診斷消息來構建。HSE網(wǎng)絡冗余系統(tǒng)的構建需要有協(xié)議中固定的報文。這些報文全部利用UDP協(xié)議發(fā)送。報文的傳送是利用4類網(wǎng)絡冗余消息服務來實現(xiàn)的。表1中列出了在FF-588中定義了網(wǎng)絡冗余所用到的消息服務(LANRedundancyServices)。前三條為證實服務(ConfirmedService),第四條為無證實服務(UnconfirmedService)。3冗余實體工作過程分析網(wǎng)絡冗余實體采用了多線程技術。它能夠保證及時準確地發(fā)送診斷消息、處理診斷消息、更新網(wǎng)絡狀態(tài)表,以及輪循檢測網(wǎng)絡狀態(tài)表。網(wǎng)絡冗余實體中共開啟了四個線程:主線程,診斷消息發(fā)送線程,監(jiān)聽線程A,監(jiān)聽線程B。它們的作用在圖4中進行了簡要說明。下面我們來分析網(wǎng)絡冗余實體的工作過程,并簡要介紹各線程的工作原理。首先現(xiàn)場設備啟動,通過網(wǎng)絡上的DHCP服務器為本地的兩個網(wǎng)絡接口配置IP地址,并分別標識他們?yōu)锳接口和B接口?，F(xiàn)場設備首先從它的網(wǎng)絡接口中選擇一個作為可用的通信接口,設備通過此接口向組態(tài)監(jiān)控程序報道本設備的存在,組態(tài)監(jiān)控程序為新報到的設備配置參數(shù),其中與網(wǎng)絡冗余實體相關的參數(shù)有設備索引號、診斷消息發(fā)送間隔、網(wǎng)絡交叉探測標識等等。相關參數(shù)(本地設備網(wǎng)絡冗余配置參數(shù))被設置后,網(wǎng)絡冗余實體開始運行。網(wǎng)絡冗余實體主線程啟動后,依次開啟三個線程:診斷消息發(fā)送線程、監(jiān)聽線程A、監(jiān)聽線程B。下面將具體闡明各線程的工作原理。3.1遠端設備報告狀態(tài)診斷消息發(fā)送線程啟動后,本地設備開始周期性地從本地的兩個網(wǎng)絡接口發(fā)送診斷消息,發(fā)送周期由組態(tài)信息中的時間間隔來決定。診斷消息報文具有固定的格式,其中的內(nèi)容包括本地的設備索引、發(fā)送這條消息的設備網(wǎng)絡接口標識、本地接口接收網(wǎng)絡上各設備診斷消息的狀態(tài)值等相關信息。診斷消息中包括本地設備網(wǎng)絡冗余配置參數(shù)信息和網(wǎng)絡狀態(tài)表中的遠端設備報告信息。前者表示本地網(wǎng)絡冗余實體的狀態(tài)參數(shù),后者表示現(xiàn)場網(wǎng)絡上其他設備的網(wǎng)絡接口與本地設備網(wǎng)絡接口之間通信的線路狀態(tài)。這一步的關鍵在于后者的構造:首先順序搜索網(wǎng)絡狀態(tài)表,確定每臺設備的報告狀態(tài)值(若是雙重網(wǎng)絡則有兩個值有意義,分別表示兩個獨立網(wǎng)絡上設備接口之間的通信線路的狀態(tài);若是單一網(wǎng)絡則有四個值有意義,分別表明遠端設備兩個網(wǎng)絡接口發(fā)送診斷消息到本地設備兩個網(wǎng)絡接口之間四條通路的狀態(tài));然后將它們賦值給診斷消息中的標識位:診斷消息中有四個數(shù)組,其長度由現(xiàn)場網(wǎng)絡上最大設備數(shù)目決定,數(shù)組中的每一個二進制位代表了相應的遠端設備網(wǎng)絡接口到本地設備網(wǎng)絡接口的一條通信線路的狀態(tài),所謂相應即指標識位的順序與設備索引號相對應。根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)表中的設備報告狀態(tài)值標定相應的標識位。診斷消息的尾部攜帶有消息數(shù)目項(表明消息發(fā)送次數(shù)),消息每次發(fā)送之后消息數(shù)目項自動加1。診斷消息構造完畢后利用UDP協(xié)議發(fā)送出去。3.2接收狀態(tài)表的故障另一步關鍵的算法在于根據(jù)接收的網(wǎng)絡診斷消息構造網(wǎng)絡狀態(tài)表,這在兩個監(jiān)聽線程中實現(xiàn)。首先,網(wǎng)絡接口接收到網(wǎng)絡冗余診斷消息以后,根據(jù)診斷消息中所包含的設備索引值來判斷需要更新網(wǎng)絡狀態(tài)表中的哪一項;其次,判斷更新設備網(wǎng)絡接口的接收與發(fā)送狀態(tài)。冗余診斷消息接收次數(shù)根據(jù)本地的接收接口、遠端的發(fā)送接口和診斷消息的消息尾號得到,當兩者之間的差值超過系統(tǒng)設置的閥值時,則表明接收診斷消息次數(shù)少的那條通信線路出現(xiàn)問題,由此標定此線路的接收狀態(tài)為故障;而設備網(wǎng)絡接口的發(fā)送狀態(tài)則是根據(jù)診斷消息中的內(nèi)容解析出來的,由第一步關鍵算法可知,在診斷消息中包含了本地設備到遠端設備的線路狀態(tài),現(xiàn)在則需根據(jù)本地的設備索引來解析出其標識位所含帶的狀態(tài)值,由此標明網(wǎng)絡狀態(tài)表內(nèi)該設備項中本地網(wǎng)絡接口發(fā)送到遠端設備的發(fā)送狀態(tài)。3.3發(fā)送接口的確定在主線程中對網(wǎng)絡狀態(tài)表內(nèi)每個設備項中的狀態(tài)值進行校驗,通過校驗確定通信線路的健康狀況從而確定發(fā)送到該設備所用的網(wǎng)絡接口;通過統(tǒng)計端到端發(fā)送接口的數(shù)量統(tǒng)計確定多播以及廣播的發(fā)送接口;從網(wǎng)絡狀態(tài)表中摘除超時未發(fā)送診斷消息的設備。在向指定的現(xiàn)場設備發(fā)送單播消息時,從網(wǎng)絡狀態(tài)表中找到該設備項,該設備項中含有本地設備的發(fā)送接口和遠端設備的接收接口。本地設備A、B接口皆為正常狀態(tài)時,選定A接口為發(fā)送接口的情況下,如果A接口發(fā)生故障則切換到B接口,A接口恢復正常后B接口等待作為A接口的冗余接口。若是發(fā)送廣播