[发明专利]一种基于交换和环网冗余的高速总线网络

权利要求书

1.一种基于交换和环网冗余的高速总线网络，其特征在于，包括N个交换节点和M*N个终端节点；

每一个交换节点与M个终端节点首尾相连组成环网，N个交换节点之间按星型结构互联，构成一个交换+环网的复合网络结构；

在所述复合网络结构中，其中的一个交换节点作为网络的核心节点，对全网的数据交互和通信互联进行通信调度，使整个网络在一个全局统一时间内，达到同步稳定状态，避免传输冲突的发生；

交换节点包含两个完全相同且彼此独立的交换单元，两者互为冗余备份，备份交换单元冗余通过路径持续监听主交换单元的网络调度过程，当发现主交换单元停止调度后，备份交换单元立即启动，接替总线网络的持续调度，避免网络瘫痪；

终端节点作为网络的数据终端，用于通信数据流的产生和接收处理；

所述高速总线网络的通信调度中，采用有序调度和自由调度相结合的网络通信调度方法，将每个总线网络调度周期分成有序调度周期和自由调度周期；

所述通信调度方法包括以下步骤：

1)将总线时间划分为确定的基本周期；

2)在每个总线网络调度周期的起始时刻，以交换节点中的其中一个作为总线控制器，发送一个广播报文到所有的网络节点，指示当前进入有序调度阶段；

在有序调度周期，作为总线控制器的交换节点向其他交换节点和终端节点有序发送包括控制命令在内的高实时、小数据流、低带宽的周期数据；

所述控制命令包括时间同步信息，传感器参数配置命令以及其他自定义的命令；

各节点响应的内容为时间同步信息，传感器当前参数配置、工作状态是否正常或者命令是否配置成功，并且各节点的响应报文里面包含目的地址信息；

当一个节点收到其他节点的响应报文时进行目的地址信息判断，当发现目的地址不是自己时，将响应报文转发出去，以此方式，所有的响应报文经过各节点的转发最终会汇聚到总线控制器；总线控制器根据各节点响应报文的节点地址和目的地址信息，判断各节点的响应情况，总线控制器收到了所有节点的响应报文后，认为有序调度周期结束；或者，在设定的时间范围内没有接到节点的响应报文，即认为有序调度周期结束；

3)当各节点的有序调度结束后，总线控制器会再发送一个广播报文，指示当前的调度阶段进入自由调度阶段；

在自由调度周期，网络中各节点之间自由进行包括传感器和多媒体数据在内的低实时、大数据流、高带宽的数据的传输；

指示当前的调度阶段进入自由调度阶段的广播报文，包括自由调度指令的低优先级调度同步指示包，使各节点明确进入自由调度阶段；

自由调度阶段，主要传输大数据流高带宽的周期数据；自由调度采用点到点通信，在网络中可以同时传输多个方向的数据；如果数据块很大，总线并不要求也不允许在一个总线网络周期内完成整个数据块的传输，而是按照每个自由调度周期最大数据传输量将数据块分成若干个数据子块，在连续的总线网络周期的自由调度阶段，依次传输所述数据子块直至完成整个数据块的传输。

2.根据权利要求1所述的高速总线网络，其特征在于，所述交换节点和交换节点之间，交换节点和终端节点之间，终端节点和终端节点之间均采用光纤和以太网双绞线进行连接，光纤和以太网互为冗余。

3.根据权利要求1所述的高速总线网络，其特征在于，

在有序调度阶段，作为总线控制器的交换节点发起的网络传输其他交换节点和终端节点必须进行响应，并且不允许其他节点主动发起网络数据传输。

4.根据权利要求3所述的高速总线网络，其特征在于，

根据总线控制器发送控制命令的周期特性，总线控制器选择在控制指令没有改变的总线网络调度周期只进行自由调度，不进行有序调度。

5.根据权利要求1所述的高速总线网络，其特征在于，所述总线网络在物理层、链路层，网络层、传输层和应用层均采用冗余容错，保证网络的可靠性。

6.根据权利要求5所述的高速总线网络，其特征在于，所述冗余容错包括以下方法：

1)物理层的光电冗余；通过光纤和以太网的互为冗余，利用铜缆的抗振动、抗拉伸性能和光缆的抗电磁干扰性能，提升传输的可靠性；

2)链路层的帧校验去冗余；对网络中多条冗余路径带来的报文冗余进行帧校验去除冗余数据报文，上传链路层唯一正确的数据报文；

3)数据重传；对数据报文进行逐条的传输超时时间配置，当出现传输超时提供重传机制，支持包括三次重传的四次传输；

4)固定响应回环；通过在传输层进行在线判断，固定响应回环判断通信的传输层、链路层、物理层通信状况，用于实现通信故障的监听；

5)传输层调度控制切换；在交换节点设置两个完全相同且彼此独立的交换单元，两者互为冗余备份，备份交换单元冗余通过路径持续监听主交换单元的网络调度过程，当发现主交换单元停止调度后，备份交换单元立即启动，接替总线网络的持续调度，避免网络瘫痪；

6)应用层运行监控；对应用层响应回环进行刷新，监控应用层运行状况。