光纤实时以太网MAC协议的设计与实现

论文摘要

长期以来,工业自动化领域采用的现场总线标准众多,各具特点,互通性较差。而随着互联网技术的发展,以太网技术已成为信息技术领域主导的网络技术,它具有成本低廉、通信速率高、标准统一、兼容性好等优点。于是人们期望将以太网扩展到工控领域中,实现管理层到工业现场层通信网络的一体化。然而工业自动化网络必须满足严格的实时性与时间确定性要求,而这恰恰又是以太网的弱势。实时以太网（Real-time Ethernet, RTE）技术的出现,解决了这个问题。它是在以太网的基础上,对其进行扩展或改进,以满足工控领域严格的实时性要求。本文将光纤接入网领域广泛采用的以太无源光网络（Ethernet Passive Optical Network, EPON）技术引入工业控制领域,提出了基于点对多点无源光网络的实时以太网（Real-time Ethernet Passive Optical Network, REPON）。与现有的实时以太网标准相比较,REPON网络继承了无源光网络的优点,并且通过其实时媒质接入控制（Media Access Control, MAC）协议,达到更高的实时性能。本文主要针对REPON实时媒质接入控制协议,做了相关的探索与研究,主要内容如下:1)从Ethernet的视角出发,比较现有的几种具有代表性的实时以太网技术,并从网络结构、数据链路层实时媒质接入控制协议这两个方面介绍具有实时用户业务支持能力的REPON新型实时光纤以太网协议总体结构与设计。2)在FPGA（Field Programmable Gate Array）平台上实现了中心节点与接入节点的实时媒质接入控制协议,详细分析各主要模块的工作原理及实现方法,并仿真验证实时MAC的功能。结果表明该硬件控制器可以满足较高的实时性要求,实现用户业务的实时接入。3)以CAN（Controller Area Network）实时业务接入为例,在硬件平台上搭建了一个可靠运行的百兆REPON-CAN试验网络,以验证REPON MAC协议的可行性与可靠性。测试结果表明,该试验网络具有较低的误码率,可以达到270μs以下（16个用户）的实时响应时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 实时以太网技术及其发展现状
• 1.2.1 工业控制网络体系
• 1.2.2 实时以太网的发展现状
• 1.3 以太无源光网络技术及其发展现状
• 1.4 实时以太网与EPON 结合的必要性
• 1.5 本文主要工作
• 2 REPON 实时光纤以太网协议总体结构与设计
• 2.1 网络总体架构与协议模型
• 2.1.1 多点到点的无源以太光网络结构
• 2.1.2 协议模型
• 2.2 REPON 实时媒质接入控制协议的设计
• 2.2.1 分时隙网络接入管理机制
• 2.2.2 相对时间同步方法
• 2.2.3 动态时隙同步方法
• 2.2.4 自定义的帧格式
• 2.3 本章小结
• 3 REPON 实时媒质接入控制协议的实现
• 3.1 设计语言与开发环境
• 3.1.1 Verilog HDL 硬件描述语言
• 3.1.2 开发环境
• 3.2 接入节点MAC 的实现与验证
• 3.2.1 接入节点MAC 模块结构
• 3.2.2 接收子模块
• 3.2.3 帧解析子模块
• 3.2.4 实时控制子模块
• 3.2.5 组包子模块
• 3.2.6 发送子模块
• 3.2.7 接入节点功能仿真验证
• 3.3 中心节点MAC 的实现与验证
• 3.3.1 中心节点MAC 模块结构
• 3.3.2 帧解析子模块
• 3.3.3 时隙管理子模块
• 3.3.4 发送子模块
• 3.3.5 中心节点功能仿真验证
• 3.4 本章小结
• 4 百兆REPON-CAN 试验网的搭建与测试
• 4.1 试验网络搭建
• 4.1.1 REPON-CAN 试验网络
• 4.1.2 REPON 的百兆物理层
• 4.1.3 CAN 业务接口
• 4.1.4 试验网络的硬件板卡
• 4.2 测试结果
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文及申请专利情况