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

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可靠的以太網技術——HSR&PRP

如今，HSR/PRP等可靠的以太網網絡正在獲得許多工業自動化應用的認可。這種演變的一個有力證據是國際電工委員會采用了基于高可靠性無縫冗余 (HSR)以太網的協議和用于變電站自動化的并行冗余協議 (PRP) （IEC 62439-3 第 5 和 4 條）。這兩種協議都提供零切換延遲時間，在故障情況下不丟失幀，并被當作在第 2 層進行網絡監督的強大手段。

HSR單播流量環配置示例

HSR幀與傳統的以太網基礎設施不兼容，而PRP則允許通過兩個傳統的以太網網絡發送重復幀。因此，PRP 的應用領域更為廣泛，盡管它并不是專門為“實時”以太網環境設計的。

“實時”意味著在信號發生后的可預測時間內對其進行響應。例如，現代數字控制回路需要低于10μs的反應時間。最新的基于以太網的控制協議如EtherCAT或Sercos III等往往基于硬件來實現可預測的同步行為和極低的延遲時間。

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

PRP適用于Station和Inter-Bay Buses。由于該協議的靈活性，它可以連接許多異構設備。

為了保持通信中的冗余，PRP和 HSR 網絡之間的互連是使用冗余網關執行的。每個HSR鏈路使用兩個網關設備連接到每個PRP LAN。因此，避免了潛在的“單點故障”問題。

通過HSR和PRP的變電站網絡通信

02

直通與存儲轉發

直通和存儲轉發 L2 交換都基于數據包的目標 MAC 地址做出轉發決策。它們之間的主要區別是：

存儲轉發交換在收到整個數據包后做出決定。

直通交換在分析目標 MAC 地址后做出轉發決定，該地址位于幀的第一部分。

在存儲轉發交換中，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，存儲轉發交換的延遲時間更長。

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轉發延遲時間

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

混合直通和存儲轉發延遲

存儲轉發延遲

因此，可以說虹科HSR-PRP IP核實現了專為PRP和HSR協議設計的交換架構。

理論上的最小延遲時間是通過考慮以太網幀的強制字段來計算的，這意味著必須對這些字段進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，因此它將是恒定的。在純存儲轉發方法的情況下，在開始重傳之前需要存儲整個幀，因此延遲取決于幀長度。可以看出，它比優化的直通交換架構大一個數量級。

結論

1

分析表明，將直通與存儲轉發方法相結合的定制架構在任何情況下都能提供最佳的延遲時間。

2

FPGA在這些新協議中的作用至關重要。一方面，它們允許低延遲、靈活和可擴展的解決方案來滿足這些標準中設定的嚴格要求。另一方面，當工業制造商結合新協議和特定協議為市場提供設備時，FPGA能夠減少上市時間和風險。