基于Submerge Frame方法的CAN－以太网网关

以太网凭借其成本低、开放性强以及具有广泛的开发、应用软硬件支持等明显优势，已经成为目前应用最为广泛的局域网络技术之一，而can总线也以星火燎原之势成为应用最普遍的现场总线之一[1]。由于can总线的传输速率受到传输距离的限制，在应用中往往以can总线作为现场控制局部网络，连接现场监控设备和高级智能设备，而将以太网作为企业信息传输主干网，连接各个现场控制局部网络，传统的can－以太网网关往往无法适应较大规模和重网络负荷环境，本文对在不改变操作系统、网络协议且不增加硬件成本的基础上实现高效的can总线的以太网接入问题的研究具有一定参考价值。

1 嵌入式can－以太网网关

网关是一种网络互联设备，一般分为协议网关，安全网关和应用网关，对于嵌入式can－以太网网关，由于can总线连接的嵌入式节点和智能仪表等与pc机和服务器相比功能较弱，嵌入式节点不直接支持tcp/ic等网络协议，而由网关进行网络协议的转换，所以嵌入式can－以太网网关主要作为协议网关。

1.1 嵌入式can－以太网网关性能要求

对can网关的具体性能要求是与应用类型相关的，不同应用的侧重点及其指标也不一样，一般来说，对can网关都有以下要求：

1）实时性。网关的响应要快，不能影响系统的实时性。

2）可靠性。网关须具有高可靠性，能满足工控系统要求，这包括两方面内容：一方面，网关要能够稳定运行；另一方面，在自身出现故障时不影响所在的网络。

3）开放性。由于can协议本身并没有对应用层作出规定，在应用中存在各种互不兼容的应用层协议，因此网关需要解决用层协议的兼容性问题。

4）通用性。网关要能直接应用于can总线的以太网接入，而无须进行复杂的二次开发。

5）高效性。网关要高效实现网络的无缝互联，而不能构成系统的瓶颈。

1.2 can－以太网网关结构

以太网作为企业信息传输主干网接入internet，can总线作为现场控制网络实现服务器与嵌入式控制器之间的信息传输，网关实现二者之间的无缝转换，图1为一种can－以太网网关的结构框图。

本方案以philips公司的基于arm7tdmi内核的芯片lpc2294为cpu构建网关，lpc2249支持实时仿真和跟踪，带有256kb高速flash存储器，采用lqfp144封装，功耗极低，并带有32位定时器，8路10位adc，pwm通道，9个外部中断以及112个gpio口（不使用外部存储器时）；特别是它带有4路独立的can控制器，使得它非常适合于构建can网关，由于lpc2294支持内部总线，因此cpu与以太网控制芯片rtl8019之间的硬件连接以及驱动程序的编写都比较简单，但相对于使用带有内置以太网控制器的arm芯片的网关方案，其抗干扰能力相对较弱，在硬件布线时须充分考虑抗电磁干扰问题。

2 以太网帧与can帧分析

在网关效率的研究中，对以太网和can总线，特别是对其帧结构的深入理解是必需的。

2.1 以太网网络

以太网是一个局部区域多计算机通信系统，是符合ieee802.3、iso/iec8802－3或ieee802.12iso/iec8802－12标准的，采用冲突检测的载波监听多点接入（csma/cd）机制的计算机局域网[2]。

以太网帧是以太网网络通信信号的基本单元，是对其进行网络性能分析的基础。以太网发展时间较长，衍生出的相应规范较多，如10mbps－10baset ethernet（802.3）、100mbps－fast ethernet（802.3u）、1000mbps－gigabit ethernet（802.3z））和10 gigabit ethernet（ieee 802.3ae）等，一般将以太网帧分为数据帧和管理帧。其中数据帧又分为以太网基本帧和vlan采用的扩展帧等。以太网基本帧和vlan采用的一种扩展帧结构如图2所示。

图2中：

◇帧前导。0、1交错的56位图形。

◇帧起始符（sof）。占8位，表示一帧的开始。

◇目的地址与源地址。各占8字节，表示目的和源的mac地址。

◇帧长度/帧类型（l/t）。2字节，mac帧内不包括任何填充的数据字段长度或类型。

◇数据。占用的字节数a由数据量决定，须满足a≤1500字节。

◇填充。占用字节数b根据需要而定，须满足a＋b≥46字节。

◇帧校验区（fcs）。占4字节，用于帧的差错校验。

需要注意的是，对于基本帧，mac客户数据区数据最低不能少于46节，最高不能多于1500字节，网络mac帧的尺寸不能小于64字节，最大不能超过1518字节。这里不包括帧前导和帧起始符两个区域，共计18字节。

2.2 can总线

can是一种采用多主工作方式、非破坏仲裁技术和接收滤波工作方法的数据通信协议，按照iso有关标准，can的拓扑结构为总线式，因此也称为can总线[3]。

can协议中每帧的数据量都不超过8字节，以短帧多发的方式实现数据的高实时性，纠错能力非常强，传输数据的准确性高，真正的高速网络，传输速率可以达到1mbit/s。它的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维[4]。

can2.0b中存在两种不同的帧结构，其区别在于标识符场的长度。具有11位标识符场的称为“标准帧”，具有29位标识符场的称为“扩展帧”[5]。can2.0b协议规定的两种帧结构如图3所示。

图3中：

◇sof帧起始，由一个显性位构成，占1位宽度；

◇替代远程请求srr（substitute remote request），占1位宽度；

◇远程发送请求rtr（remote transmission request），占1位宽度；

◇ide（identifier extension），占1位宽度；

◇数据长度码dlc，表示数据场的长度，占4位；

◇r1、r0为保留位，各占1位宽度；

◇帧结束，为7个隐性位。

从上述分析中可以看出，can协议为了提高实时性采用了短帧结构，而以太网帧相对要长得多，can协议采用载波侦听多路存取/消息优先仲裁（csma/amp）机制解决冲突，而以太网帧采用csma/cd机制，这两点构成了can与以太网之间的主要差异，也是传统can－ethernet网关效率底下的主要原因。

3 submerge frame方法研究

3.1 submerge frame方法介绍

为了讨论方便,我们称为以太网发往can总线的数据帧为“下行的”，而can总线发往以太网的帧为“上行的”。

submerge frame方法是一种基于隧道技术的处理方法，它包括上行和下行两部分，对于下行数据，以太网中的服务器将即将传输的can帧中的前k个作为传输的数据一起打包送入以太网中；嵌入式网关根据规定对以太网帧解包，将恢复的can帧按照优先级依次传输。对于上行数据，嵌入式网关将收到的帧按照优先级排队，然后将前k个can帧作为传输数据打包送入以太网中，基于submerge frame方法的以太网帧结构图4所示，其中1＃－k＃为k个完整的can帧。

submerge frame方法的实现过程很简单，它基于优先级对等待服务的需can帧进行排队 ，当可以使用媒体时，将队列中的前k个帧合并作为上层数据打包送入以太网。从帧格式可以看出，将can帧打包以太网帧和can帧数据恢复都非常简单。

submerge frame方法并不主动等待k个帧的到来，它总是尽可能地将can帧送出，以缩短信息传输延时。

3.2 submerge frame方法效率研究

submerge frame方法效率包括下行数据效率和上行数据效率两部分。

下行数据效率的关键在于以太网的传输等待时间长短，以太网采用1－坚持csma/cd动态信道分配方式。当网络上的任何一个节点需要传递数据时，它首先侦听信道，看其他站点是否有数据传送，如果信道忙，则它就继续等待，直到信道空闲再进行发送尝试，为了方便计算，可以假设在稳定的重负载情况下每帧数据平均发送时间为p，则信道效率η满足[6]：

式中，：2τ为每个竞争时槽的时间长度；a为在某个时间槽内一个工作站获得传输媒体的概率。

设以太网各节点发送数据帧的平均帧长为f，网络带宽为b，则上式可以变为：

从式（2）中可以看出，信道效率η由决定，在具体应用环境中以太网中工作站的数目一般是固定的，因此，τ、a、b都是定值。此时，网络的效率帧长f决定，f越大，局域网的效率越高。

从上述分析中已经得知，can的帧长为：60－124位（扩展帧），40－104位（标准帧）。若简单采用隧道技术，需将其补足46位，在最差情况下，有信息只占信息总量的10％；即使在最好情况下，有效信息也只占信息总量的33.6％，而此时，由于帧长f＝64字节，η仅为帧长1518字节时的，可得，在一个有20个节点的100m赫兹交换以太网中，з约为50％。

在实际应用中，由于网络负载随具体情况变化较大，实际应用中submerge frame方法处理下行数据的效率也随之变化。总体来说，网络负载越重，传输等待时间就越长，submerge frame方法的效率也就越高。

上行数据的讨论集中在网关对接收到的can帧的处理上，设can总线上由7个发送节点，不妨设这些节点所发送的信息帧的标识符为1，…，n。其中：1＃节点所发送的信息帧具有最小标识符，从而具有最高优先级，n＃节点具有最低优先级。由于can到主发送机制，所以i节点发送信息帧是参数为λi的poisson过程[7]。就网关内部而言，排队过程是非抢占的。若一次对k个帧进行打包，整个传输过程就形成了一个具有n个优先级的m/g/k队列。

这样，信息帧i的排队时间分为4部分：1）先于i到达且优先级高于i的、还未获得服务的信息帧的服务时间；2）后于i到达、优先级高于i的信息帧的服务时间；3）正在接受服务的信息帧的剩余传送时间；4）以太网阻塞延时。这样，即可得到信息帧i的平均等待时间：

式中：λi为信息帧i的到达率，i＝1，…，n；μi为信息帧i的服务率，i＝1，…，n；ρi为信息帧i的使用率，ρi=（i＝1，…，n）即服务强度；wi为信息帧i的等待时间，i＝1，…，n；xi为在总线上的传送信息帧i的时间，即占用服务台的时间。

采用常规can时的最大排队时间可由非抢占式任务的调度理论获得，这里不再赘述。

从式（3）中可以看出submerge frame方法在处理上行数据时可以明显提高传输效率；

◇整个系统的平均服务时间由；

◇服务强度变为原来的1/k，系统稳定的概率更高；

◇缩短了后续帧的等待时间、以太网的阻塞时间以及高优先级can帧的传输延时。

3.3 submerge frame 方法中的关键问题

submerge frame方法实现简单，其效率在于队列k的选择，对于下行数据，k值可以相对固定。下行数据一般由服务器根据控制条件发出，因为可以对发出的can帧的数目和目的网络进行充分优化，k值就可以通过对应用的分析得出，对于上行数据，k值的大小与can网络节点数量，以太网网络规模、负载以及控制域的条件密切相关，也就是说，can总线网络规模越大，以太网负载越重，控制域上报信息和突发事件频度越高，k值也就越大，一般而言，以太网网络实际可用带宽要比can带宽大，所以在轻载情况下k值一般不会太大，当发生网络阻塞时，k值会急剧上升，在一定规模的网络中，k值可以得出一个统计学量，在此不做讨论。

由于submerge frame 方法中k值和服务等待时间紧密相连，这就形成了网络效率和服务时间之间的矛盾。k值越大，网络效率提高就越多，但也就意味着服务等待时间越长，实时性相对较差，k值越小，服务时间越短，同时伴随着网络效率的下降，在极限情况下就退化成了m/g/1队列，submerge frame方法的效率降至最低。

4 结论

submerge frame方法是一种被动的状态，即在网络服务时间长时将等待服务队列中的前k个帧合并，使平均服务时间从，从而提高了服务强度，增强了系统稳定性，由于网络实时性更为重要，submerge frame方法并不主动等待若干个帧的到来。在实际应用中，网络周期流量构成网络负载的主要部分之一，而这种周期流量的周期往往是可以控制的。基于submerge frame方法的can－以太网网关已经在安徽省“十五”二期科技攻关项目——井下安全生产数字化平台中得到应用。在应用中通过对周期流量产生时间的充分优化，网关在重网络负载环境中运行稳定，安全达到了预期目标。