标准办公室以太网与工业以太网融合的解决方案

发布时间：2009-10-13 作者：Michael Babb

　　要在同一根通讯电缆上同时融合工业以太网和标准的办公室以太网是有一定的风险的。如果不设置优先级，一个可能涉及某些设备运行还是停止的关键工业信号，很有可能被延误，停滞在交换机的存储转发缓冲区里等待一个IT信号先行。同行们针对这个问题纷纷作出各种响应，而Harting则选择在2009汉诺威工业博览会（Hannover Fair 2009）上推出自己的解决方案。它的Ha-VIS”快速轨道交换”技术是赫耳墨斯奖（Hermes Award）的最终五项提名之一，该奖项是一项在汉诺威工博会上颁发的总奖金高达10万欧元的技术革新奖。Harting的快速轨道交换机能够与标准以太网完美契合，从而保证了现场级的确定性数据传输。
　　Harting的工程师们认为，以太网交换机里的存储转发缓冲区是工业信号发送迟滞的根源。他们确认了两个基本的问题。第一，当信号通过交换机时，会被临时保存在缓存中，直到整条信息全部到达，然后才会把信号发送出去。第二，如果工业信号到达交换机时，交换机正在处理一个IT信号，那么在其完整发送之前，工业信号只能保持等待状态。
　　由于高优先级的帧总是被前置，因此当队列缓冲器里塞满了同级或更高优先级的帧时，用于自动化控制的帧就被延迟了，并且无法估计延迟的时间。同时，交换机的输出端口也很容易出现混乱：当输出端口被帧堵塞时，即使是高优先级的帧也必须等待，直到端口恢复正常工作能力。举个例子，如果一个1500字节有效负载的低优先级IT帧正在从输出端口发送出去，那么一个较高优先级的自动化帧将不得不在端口恢复正常前最多等待125微秒。将信息根据某种制度分级或采用一组串联的交换机应该能在一定程度上解决问题。
　　Harting的解决办法是，首先，将所有自动化信号绕过存储转发结构直接通过交换机。这就像是把工业信号当作火车或飞机上的头等舱用户一样对待。然后，如果当交换机正在处理一个IT信号时，一个工业信号被发送了过来，那么前者的处理过程将立即被中断，为工业信号的传输让道。直到该信号完全通过了交换机，IT信号才会重新开始传输。这被称为是一种“直通式”方法。

　　汉诺威工业博览会上的演示
　　在11号展厅Harting的展台前，16个以太网交换机被一根长约3米的总线串联在一起，Profinet的信息在其中依次传输。同样连接在这条网线上的是一台可以模拟传输速率为10-60Mbps的标准办公室IT网络的PC机。采用标准的存储转发功能进行信号交换时，Profinet的信息会被延迟2000微秒左右；而当快速轨道交换功能启动后，最长的延迟时间仅为50微秒左右。在网络零负载的情况下，数据传输率（100Mbps）、帧长（最少64字节）和交换机的待机时间共同决定了帧延迟时间的长短。本例中的最短传输延迟是160微秒。当网络负载增加，延迟则主要发生在输入端口，而在输出端口则会出现过于拥堵的现象。
　　当一个相当长的帧（1500字节）正从一个输出端口传出，而与此同时，一个高优先级的自动化帧进入了这个端口的传输等待队列，这个自动化帧将不得不花费最多125微秒直到端口完成前一项工作。从统计的角度上看，在接下来的传输通道中这样的影响很可能重复发生，最终总的延迟时间可能会高达好几毫秒。同样地，随着网络负载的增加，自动化帧延迟的可能性也会提高。在本届汉诺威工业博览会上，这16个交换机里，就曾经出现过延迟2.1毫秒的情况。

　　其他解决方案
　　其他厂商同样也意识到了将工业以太网和标准的办公室以太网在同一根通讯电缆上同时实现会遇到的问题。Siemens针对这种情况专门设计了一款ERTEC（增强型实时以太网控制器）Profinet芯片。这款工业以太网的专用集成电路是一种高性能的以太网控制器（采用36位ARM 946处理器），内部集成了专为工业用途开发设计的实时交换机。这些芯片将传输过来的同步实时动作控制信号的优先级默认为最高，这样就能保证它们能够及时地到达它们的目的地。
　　Phoenix Contact同样也声称对其Profinet进行了加强，以加速工业帧，并且将在今年晚些时候推出它的DFP（动态帧组合）芯片。
　　总体来说，就实时以太网来说，两大巨头Profinet IRT和EtherCAT都不会采用Harting的快速交换技术。

　　翻译：陈廷炯