虹科干貨 | FPGA實現(xiàn)直通交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)的切換延遲

在本篇文章中，我們將展示兩種可在FPGA上實現(xiàn)的COTS IEC 62439-3交換機(jī)IP核的延遲的比較。第一種是混合使用直通交換和存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換架構(gòu)，第二種則是僅基于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)。

01

可靠的以太網(wǎng)技術(shù)——HSR&PRP

如今，HSR/PRP等可靠的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)正在獲得許多工業(yè)自動化應(yīng)用的認(rèn)可。這種演變的一個有力證據(jù)是國際電工委員會采用了基于高可靠性無縫冗余 (HSR)以太網(wǎng)的協(xié)議和用于變電站自動化的并行冗余協(xié)議 (PRP) （IEC 62439-3 第 5 和 4 條）。這兩種協(xié)議都提供零切換延遲時間，在故障情況下不丟失幀，并被當(dāng)作在第 2 層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督的強(qiáng)大手段。

HSR單播流量環(huán)配置示例

HSR幀與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施不兼容，而PRP則允許通過兩個傳統(tǒng)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送重復(fù)幀。因此，PRP 的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，盡管它并不是專門為“實時”以太網(wǎng)環(huán)境設(shè)計的。

“實時”意味著在信號發(fā)生后的可預(yù)測時間內(nèi)對其進(jìn)行響應(yīng)。例如，現(xiàn)代數(shù)字控制回路需要低于10μs的反應(yīng)時間。最新的基于以太網(wǎng)的控制協(xié)議如EtherCAT或Sercos III等往往基于硬件來實現(xiàn)可預(yù)測的同步行為和極低的延遲時間。

HSR旨在滿足為Process Bus設(shè)置的嚴(yán)格通信要求，它可以將每個間隔層中的智能電子設(shè)備 (IED) 互連。

PRP適用于Station和Inter-Bay Buses。由于該協(xié)議的靈活性，它可以連接許多異構(gòu)設(shè)備。

為了保持通信中的冗余，PRP和 HSR 網(wǎng)絡(luò)之間的互連是使用冗余網(wǎng)關(guān)執(zhí)行的。每個HSR鏈路使用兩個網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到每個PRP LAN。因此，避免了潛在的“單點(diǎn)故障”問題。

通過HSR和PRP的變電站網(wǎng)絡(luò)通信

02

直通與存儲轉(zhuǎn)發(fā)

直通和存儲轉(zhuǎn)發(fā) L2 交換都基于數(shù)據(jù)包的目標(biāo) MAC 地址做出轉(zhuǎn)發(fā)決策。它們之間的主要區(qū)別是：

存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換在收到整個數(shù)據(jù)包后做出決定。

直通交換在分析目標(biāo) MAC 地址后做出轉(zhuǎn)發(fā)決定，該地址位于幀的第一部分。

在存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換中，延遲時間包括接收整個幀所需的時間。因此，與直通交換相比，存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換的延遲時間更長。

03

轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間

在Xilinx FPGA上的虹科HSR-PRP IP核中實現(xiàn)這兩種方法（一種混合直通和存儲轉(zhuǎn)發(fā)，另一種是純存儲轉(zhuǎn)發(fā)），結(jié)果如下：

混合直通和存儲轉(zhuǎn)發(fā)延遲

存儲轉(zhuǎn)發(fā)延遲

因此，可以說虹科HSR-PRP IP核實現(xiàn)了專為PRP和HSR協(xié)議設(shè)計的交換架構(gòu)。

理論上的最小延遲時間是通過考慮以太網(wǎng)幀的強(qiáng)制字段來計算的，這意味著必須對這些字段進(jìn)行分析以做出交換決策。在這種情況下，在直通中，時間與幀長度無關(guān)，因此它將是恒定的。在純存儲轉(zhuǎn)發(fā)方法的情況下，在開始重傳之前需要存儲整個幀，因此延遲取決于幀長度?？梢钥闯?，它比優(yōu)化的直通交換架構(gòu)大一個數(shù)量級。

結(jié)論

1

分析表明，將直通與存儲轉(zhuǎn)發(fā)方法相結(jié)合的定制架構(gòu)在任何情況下都能提供最佳的延遲時間。

2

FPGA在這些新協(xié)議中的作用至關(guān)重要。一方面，它們允許低延遲、靈活和可擴(kuò)展的解決方案來滿足這些標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的嚴(yán)格要求。另一方面，當(dāng)工業(yè)制造商結(jié)合新協(xié)議和特定協(xié)議為市場提供設(shè)備時，F(xiàn)PGA能夠減少上市時間和風(fēng)險。