專利名稱：基于drp協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于DRP協(xié)議的工業(yè) 以太網(wǎng)交換機(jī)。
背景技術(shù)：
以太網(wǎng)技術(shù)由于具有開放性、穩(wěn)定性、成本低廉、傳輸速率高、易于組網(wǎng)等 諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，成為自動化通信網(wǎng)絡(luò)的組成部分，而使用以 太網(wǎng)目前最常用的設(shè)備就是以太網(wǎng)交換機(jī)。采用STP(生成樹)協(xié)議和RSTP(快速 生成樹)協(xié)議的普通商業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間是2秒到20秒，不能滿足 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時性的要求，
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型需要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)一種支持DRP協(xié)議(Distributed Redunancy Protocol)的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，能夠組成環(huán)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)在環(huán)形網(wǎng)絡(luò) 中的通信冗余，能夠快速地檢測環(huán)網(wǎng)中的鏈路故障和設(shè)備故障，并能夠建立新的 網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)來恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是基于DRP協(xié)議的工業(yè) 以太網(wǎng)交換機(jī)，包括以太網(wǎng)接口、隔離模塊、交換處理單元模塊、防靜電雷擊保 護(hù)模塊和電源模塊，其特征在于還包括CPU控制管理模塊，所述CPU控制管理 模塊與所述交換處理單元模塊連接。
所述CPU控制管理模塊與所述交換處理單元模塊可以通過以太網(wǎng)接口和SPI 總線連接，
所述CPU控制管理模塊由ARM微處理器芯片AT91SAM7x256及其外圍電路組成。
所述CPU控制管理模塊由KS8995MAI芯片及其外圍電路組成組成。 其具體應(yīng)用為基于DRP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，其中 每臺交換機(jī)有2個端口連接在環(huán)網(wǎng)上，并被稱之為環(huán)端口，環(huán)端口有兩種狀態(tài)， 分別是阻塞狀態(tài)和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)的端口轉(zhuǎn)發(fā)所有的以太網(wǎng)報(bào)文，而處于阻塞狀態(tài)的端口僅轉(zhuǎn)發(fā)DRP協(xié)議報(bào)文。各交換機(jī)依據(jù)IEEE 1588協(xié)議進(jìn)行時鐘 同步，通過這種同步，交換機(jī)之間的時鐘可以實(shí)現(xiàn)亞微妙級的同步。之后網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 入通信階段，各交換機(jī)除了交換普通的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文外，還要依據(jù)組態(tài)分時發(fā)送 DRP協(xié)議報(bào)文，即設(shè)備聲明報(bào)文和鏈路檢測報(bào)文(LinkCheck)。設(shè)備聲明報(bào)文用 于檢測環(huán)網(wǎng)是否閉合，鏈路檢測報(bào)文用于檢測環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中相鄰設(shè)備之間是否存在 鏈路故障或者設(shè)備故障。每個設(shè)備都在其通信周期內(nèi)同時向相鄰的交換機(jī)發(fā)送鏈 路檢測報(bào)文。如果網(wǎng)絡(luò)正常，那么在一定的時間內(nèi)，交換機(jī)設(shè)備會接收到相鄰設(shè) 備所發(fā)送的檢測報(bào)文。如果有交換機(jī)設(shè)備在限定的時間內(nèi)沒有收到相鄰設(shè)備發(fā)送 的檢測報(bào)文，則表明網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。此時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的交換機(jī)設(shè)備向整個網(wǎng)絡(luò) 發(fā)送鏈路報(bào)警報(bào)文(LinkAlarm)，并啟用環(huán)網(wǎng)中備用的通信路徑，保證網(wǎng)絡(luò)的正 常工作。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是按照上述方法使用，可以快速檢測定位并修復(fù)網(wǎng)絡(luò) 故障，任何一個交換機(jī)的通信鏈路故障都可以快速被發(fā)現(xiàn)并得到相應(yīng)處理，不會 影響整個系統(tǒng)中其他設(shè)備的通信，避免了主從式、令牌式通信控制方式中由于主 站或令牌主站的故障引起的整個系統(tǒng)通信的故障。50臺采用DRP協(xié)議的工業(yè)以 太網(wǎng)交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間是100毫秒，在性能上明顯優(yōu)于普通以太 網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)的高可用性組成環(huán)網(wǎng)。

圖1是DRP工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)硬件框圖2是DRP工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)電源模塊結(jié)構(gòu)；
圖3是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖4是DRP工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)軟件工作流程。
圖中隔離模塊l，交換處理功能模塊2， CPU控制管理模塊3，防靜電雷擊 保護(hù)模塊4和電源模塊5。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方法對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述 由圖l可見本實(shí)用新型的DRP工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)包括以太網(wǎng)接口、隔離模
塊l、交換處理功能模塊2、 CPU控制管理模塊3、防靜電雷擊保護(hù)模塊4和電源 模塊5; RJ45端口接收到的以太網(wǎng)報(bào)文經(jīng)過隔離模塊1傳送給交換處理功能模塊2。隔離模塊1的主要作用是濾波、抑制干擾和電路隔離。交換處理功能模塊2 主要由KS8995MAI芯片及其外圍電路組成。KS8995MAI是一款高性能工業(yè)級以太 網(wǎng)交換機(jī)芯片，它集成了物理層收發(fā)器、MAC單元以及SRAM緩存。以太網(wǎng)物理 層提供5個獨(dú)立的以太網(wǎng)物理接口，兼容802. 3的10BASE-T， 100BASE-TX，其 中有兩個端口還支持100BASE-FX。具有速率自協(xié)商機(jī)制，實(shí)現(xiàn)10M/100M和半雙 工/全雙工工作方式的自動選擇。交換處理功能模塊2主要負(fù)責(zé)各個端口之間的 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。以太網(wǎng)報(bào)文送到交換處理功能模塊2后，交換處理功能模塊2根據(jù) 報(bào)文地址轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的端口。交換機(jī)正常的業(yè)務(wù)報(bào)文將從兩個環(huán)端口轉(zhuǎn)發(fā)，而 DRP協(xié)議的報(bào)文(包含設(shè)備聲明報(bào)文、鏈路檢測報(bào)文、鏈路報(bào)警報(bào)文)會轉(zhuǎn)入CPU 控制管理模塊3進(jìn)行處理。
CPU控制管理模塊3主要由ARM微處理器芯片AT91SAM7x256及其外圍電路 組成。AT91SAM7X256是基于32位ARM RISC處理器的系列微控制器，集成有256 字節(jié)的高速Flash和64字節(jié)的SRAM，以及包括USART、SPI、CAN控制器、Ethernet 網(wǎng)口、定時器/計(jì)數(shù)器、RTT和模數(shù)轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的一系列外圍設(shè)備。CPU控制管 理模塊3和交換處理功能模塊2之間通過以太網(wǎng)口和SPI總線進(jìn)行連接，主要對 交換芯片實(shí)現(xiàn)寄存器設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀寫功能，用于對DRP協(xié)議進(jìn)行解包和打包 的處理。交換處理功能模塊2收到DRP協(xié)議報(bào)文時，將報(bào)文轉(zhuǎn)給CPU控制管理模 塊3的以太網(wǎng)口， CPU對接收到的報(bào)文并做出相應(yīng)的分析處理，并可以通過SPI 總線改變交換芯片寄存器設(shè)置，從而改變交換模塊端口的狀態(tài)。
防靜電雷擊保護(hù)模塊4對信號線、電源線等采取了保護(hù)措施，防雷擊二極管、 TVS管，防止靜電或雷擊時產(chǎn)生的強(qiáng)電流沿著各種線進(jìn)入系統(tǒng)。
由圖2可見電源模塊將兩路冗余輸入的24V直流電源經(jīng)過整流濾波后，通
過電壓比較的方式選擇一路電源為交換機(jī)供電。電源模塊的輸出一方面通過 DC-DC轉(zhuǎn)換為芯片電路提供3.3V、 2.5V和1.8V的工作電壓，另一方面通過以太 網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)PoE供電。
由圖3可見DRP交換機(jī)組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)端口有轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)F (Forwarding) 和阻塞狀態(tài)B (Blocked),處于阻塞狀態(tài)B的端口僅轉(zhuǎn)發(fā)DRP的報(bào)文，處于轉(zhuǎn)發(fā) 狀態(tài)F的端口轉(zhuǎn)發(fā)所有的報(bào)文。各交換機(jī)設(shè)備在通訊中的地位角色平等，正常狀 態(tài)下環(huán)網(wǎng)中只有一個端口處于阻塞狀態(tài)B，其余端口處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)F。
5由圖4可見DRP協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的軟件工作流程下交換機(jī)在初始 化配置和時鐘同步完成后，將基于同一個通信宏周期開始時間進(jìn)行時間偏移量計(jì) 算，當(dāng)設(shè)備聲明報(bào)文時間到達(dá)時，用組播地址雙向發(fā)送設(shè)備聲明報(bào)文，如果發(fā)送 方收到自己發(fā)送的設(shè)備聲明報(bào)文，則認(rèn)為環(huán)網(wǎng)是閉合的；當(dāng)鏈路檢測報(bào)文時間到
達(dá)時，發(fā)送鏈路檢測報(bào)文，通信網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的LinkCheck報(bào)文發(fā)送時間相同， 在LinkCheck報(bào)文的時間域到達(dá)時，所有設(shè)備同時發(fā)送LinkCheck報(bào)文。 LinkCheck報(bào)文采用組播地址雙向發(fā)送，報(bào)文中包含了發(fā)送方MAC地址，組播地 址，ServiceID, DeviceID等參數(shù)信息。網(wǎng)絡(luò)正常情況下，每個設(shè)備都會達(dá)到超 時間之前收到由相鄰設(shè)備所發(fā)送的LinkCheck報(bào)文。當(dāng)某個設(shè)備的某個端口在 LinkCheck報(bào)文的超時時間到達(dá)時，仍然沒有收到與之相連端口發(fā)送的 LinkCheck報(bào)文,首先檢測是否有LinkDown標(biāo)志，如果有LinkDown標(biāo)志，則判 定與該端口的連接出現(xiàn)鏈路故障，如果沒有，則判定相鄰交換機(jī)CPU出現(xiàn)故障。 該設(shè)備將采用組播地址雙向發(fā)送LinkAlarm報(bào)文，并將與故障鏈路相連接的端口 的狀態(tài)改變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。
LinkAlarm報(bào)文中包含了發(fā)送方MAC地址，組播地址，ServiceID, DeviceID 等參數(shù)信息。網(wǎng)絡(luò)中其它的設(shè)備收到LinkAlarm報(bào)文后，如果有端口處于阻塞狀 態(tài)，則將端口狀態(tài)改為轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，同時清空FDB(Filtering Database)表，重新 進(jìn)行路徑學(xué)習(xí)，建立新的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)。
下面對利用本實(shí)用新型的以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的原理做如下描述-在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，基于DRP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)經(jīng)過初始化并基于IEEE 1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)精確時間同步后，進(jìn)入通信狀態(tài)。各設(shè)備依據(jù)組態(tài)，分時發(fā)送設(shè) 備聲明報(bào)文和鏈路檢測報(bào)文，同時交換普通的以太網(wǎng)報(bào)文。鏈路檢測報(bào)文采用組 播地址雙向發(fā)送，如果某設(shè)備的某個端口在鏈路檢測報(bào)文的超時時間到達(dá)時，仍 然沒有收到與之相連的端口的鏈路檢測報(bào)文，則判定出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，需要將自己 的環(huán)端口由轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)改為阻塞狀態(tài)，同時采用組播地址雙向發(fā)送鏈路報(bào)警報(bào)文進(jìn)
行報(bào)警。環(huán)網(wǎng)中其它設(shè)備收到鏈路報(bào)警報(bào)文后，如果環(huán)端口處于阻塞狀態(tài)則改為 轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，同時清空FDB表，重新進(jìn)行路徑學(xué)習(xí)。這樣環(huán)網(wǎng)中將使用備份鏈路， 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)，保證網(wǎng)絡(luò)的可用性。
權(quán)利要求1.基于DRP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，包括以太網(wǎng)接口、隔離模塊、交換處理單元模塊、防靜電雷擊保護(hù)模塊和電源模塊，其特征在于還包括CPU控制管理模塊，所述CPU控制管理模塊與所述交換處理單元模塊連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DRP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，其特征在于所 述CPU控制管理模塊與所述交換處理單元模塊通過以太網(wǎng)接口和SPI總線連接，
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DRP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，其特征在于所 述CPU控制管理模塊由ARM微處理器芯片AT91SAM7x256及其外圍電路組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DRP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，其特征在于所 述CPU控制管理模塊由KS8995MAI芯片及其外圍電路組成組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于DRP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，包括以太網(wǎng)接口、隔離模塊、交換處理單元模塊、防靜電雷擊保護(hù)模塊和電源模塊，其特征在于還包括CPU控制管理模塊，所述CPU控制管理模塊與所述交換處理單元模塊連接。通過CPU控制管理模塊處理鏈路檢測報(bào)文、鏈路報(bào)警報(bào)文和設(shè)備聲明報(bào)文。利用本實(shí)用新型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)，任何一個交換機(jī)的通信鏈路故障都可以快速被發(fā)現(xiàn)并得到相應(yīng)處理，不會影響整個系統(tǒng)中其他設(shè)備的通信，在性能上明顯優(yōu)于普通以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的高可用性組成環(huán)網(wǎng)。
文檔編號H04L12/56GK201163781SQ200720077519
公開日2008年12月10日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者包偉華, 張慶軍 申請人:上海自動化儀表股份有限公司