一种高可用性的冗余工业实时以太网设计

时，接收方仍能通过另一个通道及时接收到报文，实现了零故障恢复时间的冗余接收。接收节点通过报文时间标签判断来自A、B两个网络的报文是否相同。实际应用中，冗余报文在A、B两个网络上的到达时间可能存在差别。本方案采用时间优先法处理冗余报文的接收，即只接收通过校验的优先到达的报文。

本方案在接收节点设计了一组报文时间标签队列，每个队列对应一个发送节点，用于冗余报文的筛选(如图4)。节点接收到来自节点n的校验正确的新报文后，查询节点n的队列，如果队列中已经有该报文的时间标签存在，节点丢弃该报文并删除队列中该报文的时间标签。否则节点在队列中存放报文的时间标签及其到达时间。因此即使从传输超前的网络中接收的报文校验失败，节点仍有机会从传输滞后的网络中接收数据。与PRP的“滑动丢包窗口”相比采用此方法处理冗余报文增加了报文接收的可靠性。节点根据队列中存放的报文到达时间周期性地清除队列中超时的报文的时间标签，以确保队列中的报文时间标签在合理接收范围内。

通过以上处理机制有效地消除了双网冗余传输通信的故障恢复时间，提高了报文的实时性和可靠性。

图4 报文时间标签队列

3.2 网络在线故障自诊断

双网冗余传输模式提高了工业实时以太网的通信容错能力。但是故障的存在将降低系统的稳定裕度，本文采用节点互检技术在线实时诊断网络的故障状态，以保证网络运行在最佳工作状态。接收节点利用网络诊断报文诊断网络的故障状况并在节点中建立网络状态映射表。

3.2.1 网络诊断广播报文

为了实现在线实时的网络故障诊断，同时避免故障诊断占用过多的网络资源，网络上的节点周期性的在两个以太网上同时广播网络诊断报文。接收节点根据该报文的接收情况判断自身与网络上其他节点各个通道的连接是否正常。

3.2.2 网络诊断报文接收分析

本方案在每个节点上设置了一组定时器，每个定时器对应发送节点的一个通道，用于维护网络诊断报文的接收。如果在一定时间内未接收到某个通道广播的网络诊断报文，表示接收节点已经和发送节点的该通道失去了通信连接，节点把该通道用“故障”状态标识，否则用“正常"状态标识。接收节点以此建立并更新网络状态映射表。每次节点接收到新的诊断报文后都将重置相应的定时器。

3.2.3 网络状态映射表的建立与维护

网络中的每个节点利用以上方法把其他节点的各通道分为“故障"和“正常"，并周期性的更新网络状态映射表。新入网的节点用双网冗余传输模式传输所有报文并通过分析接收的网络诊断报文快速建立网络状态映射表。其他节点通过分析它发送的网络诊断报文在网络状态映射表中添加对它的故障映射。网络状态映射表实时地上传到监控中心，监控中心利用它们实时地分析整个控制系统通信网络的状态，从而提高了系统的可维护性。

3.3 自适应多模式冗余通信处理

过程控制系统中不同重要性的报文具有不同的传输性能要求。本方案根据报文实时性、可靠性和响应性的要求把网络中的报文分成重要报文和次要报文。在网络状态良好时，本方案对不同的报文采用不同的冗余传输机制，由此既保证了重要报文的可靠通信又极大地利用了网络带宽。

3.3.1 报文分类

重要报文：包括系统自检报文、控制指令、系统配置信息报文。这类报文对实时性、可靠性和响应性具有很高要求。发送方需要在最快时间内把报文发送到目标节点。如果报文丢失或延时过长会造成严重后果。

次要报文：包括控制设备、数据采集设备发送的各个通道的实时数据以及通道的状态。这类报文一般按周期发送，即使丢失了一个周期的报文，节点仍能通过下一个周期获得数据。

3.3.2 重要报文双网冗余传输

本方案中的重要报文在任何情况下均采用双网冗余传输方式传输，实现了重要报文零故障恢复时间的冗余通信，保证了重要报文的可靠性和实时性。

3.3.3 次要报文双网分散传输通信

根据网络状态映射表，节点可以准确获得当前网络的状况。当网络处于良好的工作状态时，本方案采用双网分散传输模式传输次要报文，使系统次要报文的传输切换到另一个网络。

4 验证与测试

本文通过8口交换机TP-Link TL-SF1008+连接浙江中控GCS-2主控卡和带有双网口的PC机。并在主控卡和PC机上实现本冗余方案，利用PC机上的Ehtereal软件查看接收的报文。主控卡以1s为周期向PC机发送重要报文，以100ms为周期发送实时数据等次要报文。网络状态映射表建立前，所有节点均以双网冗余传输模式传输报文，此时PC机平均每秒接收154包UDP报文。当系统进入混合冗余传输模式后，PC机每秒平均接收84包UDP报文，有效