一种双通道工业网络传输技术研究

刘志坤 郭呈 马建飞

摘 要：随着工业4.0时代的到来，工厂自动化的集成度越来越强，涉及的现场数据量也相应地不断增加。自动化程度越高，对传输数据的网络要求越严苛，于是往往会出现让人头疼的局面，就是大量的非控制数据会影响极其重要的控制数据的传输。该文下面所介绍的“双通道”的技术体系可以很好地解决这个问题。双通道技术为保障复杂网络中重要程度高的数据更有效地传输创造条件。 该文提出的双通道技术实现了各种网络拓扑类型通用的设计解决方案。文章先对端到端的双通道模型及特点进行讨论和分析，之后提出一些解决方案，实际验证这种方案有效可行。

关键词： 双通道;有效带宽;动态带宽;数据包重组

中图分类号：TN915.85        文献标识码：A        文章编号：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

雙通道技术的核心问题是如何在有限的带宽资源下，提供超出传统以太网通讯的高质量通讯服务。随着网络规模越大，种类越多，应用日益复杂，使得如何充分利用网络带宽并根据不同的网络传输需求，提供不同指标的网络服务成为工业网络发展的重点方向。

尽管各种通信网络上各种优先级方法，例如 Qos，这些方法往往具有不同的结构和特点，其中相当大一部分不能从根本上上解决重要数据阻塞延时的问题。换句话说，就是在具有带宽、缓存、噪声等约束条件下的实际网络中，重要的数据还是无法保证实时性。本文的分析和讨论就是针对这一类问题，提出的解决方案适用于具有上述特征的实时的高速网络。

2 传统交换机的工作方式和带宽优化策略

存储转发方式是交换机领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。

QoS（Quality of Service）是服务质量的简称。对于网络业务来说，服务质量包括哪些方面呢？从传统意义上来讲，无非就是传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等，而提高服务质量无非也就是保证传输的带宽，降低传送的时延，降低数据的丢包率以及时延抖动等。广义上讲，服务质量涉及网络应用的方方面面，只要是对网络应用有利的措施，其实都是在提高服务质量。

在QoS的分类流程中最关键的是对各种不同包配置不同的优先级，对流入交换机的数据包按优先级排列，然后交换机就会根据这个优先级值执行相应的QoS行为。而对数据包进行优先级排列的第一步就要对数据包进行分类。分类规则可以使用VLAN帧中的802.1p优先级、IP报文头的ToS（Type of Service，服务类型）字段的优先级位，识别出不同优先级特征的流量;也可以由网络管理者设置流分类的策略，例如综合源地址、目的地址、MAC地址、IP协议或应用程序的端口号等信息对流进行分类。一般的分类依据封装报文的头部信息，使用报文的内容作为分类的标准是比较少见的。分类的结果是没有范围限制的，它可以是一个由五元组（源地址、源端口号、协议号、目的地址、目的端口号）确定的狭小范围，也可以是到某网段的所有报文。

然而Qos还是没有解决网络拥堵时实时数据包的传输问题，即当网络中有大量的非实时的数据报文的时候，它虽然可以一定程度上优化实时数据的传输时延，但是此时的数据在很多应用场景下已经失效。

3 双通道交换机设计原理

传统交换机上，数据从源地址传送的目的地址过程中，一般要经过多级交换机。在路径中的交换机同时处理其他设备数据，一定会存在数据碰撞、排队等问题。越大的干扰数据影响越大。每经过一台交换机的时间差别很大，累计下来的传输时延有可能大于控制系统所能承受的范围。

双通道交换机的原理是在交换机内存模块中，区分快速通道和普通通道，通过赋予快速通道最高的优先级以保证其优先传输。普通数据在快速数据传输完成后继续传输。

以千兆网络为例，双通道交换机在整个网络中即使在干扰数据流量800M情况下，快速数据经过每台交换机的时延在0.8～3us的范围内;整体数据抖动小于3us x N左右。从而实现多系统、多网络融合的网络结构中，控制数据的稳定、快速、安全地传送。

如图3所示，标准的数据帧从SW模块送入，加上私有帧头组成私有协议的帧，向判断模块发出请求，由判断模块给出判断结果，再由转发模块发向环网模块的两个端口。

通讯时环网模块在接收私有协议帧头后，立即向判断模块发送请求命令，判断模块会对数据帧头进行判断，给出判断结果，从而确定此数据帧的去向。判断结果：1，下环。2，转发加下环。3，转发——快速转发、普通转发。

除此之外，双通道网络还具有动态带宽的特点，即当整个网络中没有快速数据时，正常的普通数据所享有的带宽即为千兆，当数据中只有快速数据时，快速数据所享有的带宽同样为千兆，当网络中既有普通数据又有快速数据时，遵循快速数据永远优先的状况。假设有500M普通数据的流量，700M快速数据的流量，那么普通数据所享有的带宽为1000M-700M=300M。

4 双通道网络的应用设计

以船舶监控系统为例，该系统是一套采用客户机、服务器模式的网络信息管理系统，集实时数据采集、物品备件管理等低成本、高可靠、高性能的舰船数据信息管理系统。系统应用要求网络具有以下特点：

1）同时支持联机事务处理，支持多用户、多进程访问。

2）有较强的容错能力和故障恢复机制。

3）设置系统安全保密机制，提供用户访问权限管理。

4）提供数据备份、储存和复现。

5）交换式以太网，网络接口百兆千兆自适应。

船舶监控系统从其功能可分为系统安全管理、实时数据采集、数据管理模块、综合查询模块等几大部分，同时预留将来可能安装的船岸通讯模块接口，并支持安装各种先进的关系系统软件，如“PMS管理系统”“备件与物料管理系统”“船舶检验与证书管理系统”和“人员管理系统”等。此外，与液位检测、监测报警等系统联网，实现对船舶有关系的系统管理，以提高船舶的综合管理水平。

根据上述船舶监控系统的应用需求，设计的船舶监控网络架构如上图所示。与传统的船舶监控网络不同，双通道网络的网络架构简便了很多。用户可以自主定义采集传输重要数据的设备，采取优先传输机制。网络支持控制指令的实时传输，且不会受到其他任何数据的干扰。

与此同时，这种简单的网络架构还简化了船用电缆的敷设，支持船舶监控网络的架构调整的软件系统升级，大大降低了船舶信息化系统的维护成本。

5 结论

我们讨论了双通道的原理，提出了通过打断机制从而实现双通道的方法，从而实现了整个网络中重要的核心数据和普通数据的互不干扰，互不影响，这就是双通道的核心价值。在此基础上我们还进一步探讨了优化网络的机制，从而提高整个网络的利用率。

双通道系统是简单的，但其实现方法和逻辑是复杂的，在工业4.0的大趋势下，所有的网络都要互联互通，势必会有互相干扰的状况出现，所以双通道的系统正好契合工业4.0的理念，让您的网络无忧的融合。

双通道网络在船舶网络系统中的应用，为其带来的好处是不言而喻的，简化了原有的网络拓扑，简化了软件开发程序的复杂性，减少维护的成本，系统性能得到了极大的提升。

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