以太網憑借其成本低、開放性強以及具有廣泛的開發、應用軟硬件支持等明顯優勢，已經成為目前應用最為廣泛的局域網絡技術之一，而can總線也以星火燎原之勢成為應用最普遍的現場總線之一[1]。由于can總線的傳輸速率受到傳輸距離的限制，在應用中往往以can總線作為現場控制局部網絡，連接現場監控設備和高級智能設備，而將以太網作為企業信息傳輸主干網，連接各個現場控制局部網絡，傳統的can－以太網網關往往無法適應較大規模和重網絡負荷環境，本文對在不改變操作系統、網絡協議且不增加硬件成本的基礎上實現高效的can總線的以太網接入問題的研究具有一定參考價值。

1 嵌入式can－以太網網關

網關是一種網絡互聯設備，一般分為協議網關，安全網關和應用網關，對于嵌入式can－以太網網關，由于can總線連接的嵌入式節點和智能儀表等與pc機和服務器相比功能較弱，嵌入式節點不直接支持tcp/ic等網絡協議，而由網關進行網絡協議的轉換，所以嵌入式can－以太網網關主要作為協議網關。

1.1 嵌入式can－以太網網關性能要求

對can網關的具體性能要求是與應用類型相關的，不同應用的側重點及其指標也不一樣，一般來說，對can網關都有以下要求：

1）實時性。網關的響應要快，不能影響系統的實時性。

2）可靠性。網關須具有高可靠性，能滿足工控系統要求，這包括兩方面內容：一方面，網關要能夠穩定運行；另一方面，在自身出現故障時不影響所在的網絡。

3）開放性。由于can協議本身并沒有對應用層作出規定，在應用中存在各種互不兼容的應用層協議，因此網關需要解決用層協議的兼容性問題。

4）通用性。網關要能直接應用于can總線的以太網接入，而無須進行復雜的二次開發。

5）高效性。網關要高效實現網絡的無縫互聯，而不能構成系統的瓶頸。

1.2 can－以太網網關結構

以太網作為企業信息傳輸主干網接入internet，can總線作為現場控制網絡實現服務器與嵌入式控制器之間的信息傳輸，網關實現二者之間的無縫轉換，圖1為一種can－以太網網關的結構框圖。

本方案以philips公司的基于arm7tdmi內核的芯片lpc2294為cpu構建網關，lpc2249支持實時仿真和跟蹤，帶有256kb高速flash存儲器，采用lqfp144封裝，功耗極低，并帶有32位定時器，8路10位adc，pwm通道，9個外部中斷以及112個gpio口（不使用外部存儲器時）；特別是它帶有4路獨立的can控制器，使得它非常適合于構建can網關，由于lpc2294支持內部總線，因此cpu與以太網控制芯片rtl8019之間的硬件連接以及驅動程序的編寫都比較簡單，但相對于使用帶有內置以太網控制器的arm芯片的網關方案，其抗干擾能力相對較弱，在硬件布線時須充分考慮抗電磁干擾問題。

2 以太網幀與can幀分析

在網關效率的研究中，對以太網和can總線，特別是對其幀結構的深入理解是必需的。

2.1 以太網網絡

以太網是一個局部區域多計算機通信系統，是符合ieee802.3、iso/iec8802－3或ieee802.12iso/iec8802－12標準的，采用沖突檢測的載波監聽多點接入（csma/cd）機制的計算機局域網[2]。

以太網幀是以太網網絡通信信號的基本單元，是對其進行網絡性能分析的基礎。以太網發展時間較長，衍生出的相應規范較多，如10mbps－10baset ethernet（802.3）、100mbps－fast ethernet（802.3u）、1000mbps－gigabit ethernet（802.3z））和10 gigabit ethernet（ieee 802.3ae）等，一般將以太網幀分為數據幀和管理幀。其中數據幀又分為以太網基本幀和vlan采用的擴展幀等。以太網基本幀和vlan采用的一種擴展幀結構如圖2所示。

圖2中：

◇幀前導。0、1交錯的56位圖形。

◇幀起始符（sof）。占8位，表示一幀的開始。

◇目的地址與源地址。各占8字節，表示目的和源的mac地址。

◇幀長度/幀類型（l/t）。2字節，mac幀內不包括任何填充的數據字段長度或類型。

◇數據。占用的字節數a由數據量決定，須滿足a≤1500字節。

◇填充。占用字節數b根據需要而定，須滿足a＋b≥46字節。

◇幀校驗區（fcs）。占4字節，用于幀的差錯校驗。

需要注意的是，對于基本幀，mac客戶數據區數據最低不能少于46節，最高不能多于1500字節，網絡mac幀的尺寸不能小于64字節，最大不能超過1518字節。這里不包括幀前導和幀起始符兩個區域，共計18字節。

2.2 can總線

can是一種采用多主工作方式、非破壞仲裁技術和接收濾波工作方法的數據通信協議，按照iso有關標準，can的拓撲結構為總線式，因此也稱為can總線[3]。

can協議中每幀的數據量都不超過8字節，以短幀多發的方式實現數據的高實時性，糾錯能力非常強，傳輸數據的準確性高，真正的高速網絡，傳輸速率可以達到1mbit/s。它的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維[4]。

can2.0b中存在兩種不同的幀結構，其區別在于標識符場的長度。具有11位標識符場的稱為“標準幀”，具有29位標識符場的稱為“擴展幀”[5]。can2.0b協議規定的兩種幀結構如圖3所示。

圖3中：

◇sof幀起始，由一個顯性位構成，占1位寬度；

◇替代遠程請求srr（substitute remote request），占1位寬度；

◇遠程發送請求rtr（remote transmission request），占1位寬度；

◇ide（identifier extension），占1位寬度；

◇數據長度碼dlc，表示數據場的長度，占4位；

◇r1、r0為保留位，各占1位寬度；

◇幀結束，為7個隱性位。

從上述分析中可以看出，can協議為了提高實時性采用了短幀結構，而以太網幀相對要長得多，can協議采用載波偵聽多路存取/消息優先仲裁（csma/amp）機制解決沖突，而以太網幀采用csma/cd機制，這兩點構成了can與以太網之間的主要差異，也是傳統can－ethernet網關效率底下的主要原因。

3 submerge frame方法研究

3.1 submerge frame方法介紹

為了討論方便,我們稱為以太網發往can總線的數據幀為“下行的”，而can總線發往以太網的幀為“上行的”。

submerge frame方法是一種基于隧道技術的處理方法，它包括上行和下行兩部分，對于下行數據，以太網中的服務器將即將傳輸的can幀中的前k個作為傳輸的數據一起打包送入以太網中；嵌入式網關根據規定對以太網幀解包，將恢復的can幀按照優先級依次傳輸。對于上行數據，嵌入式網關將收到的幀按照優先級排隊，然后將前k個can幀作為傳輸數據打包送入以太網中，基于submerge frame方法的以太網幀結構圖4所示，其中1＃－k＃為k個完整的can幀。

submerge frame方法的實現過程很簡單，它基于優先級對等待服務的需can幀進行排隊 ，當可以使用媒體時，將隊列中的前k個幀合并作為上層數據打包送入以太網。從幀格式可以看出，將can幀打包以太網幀和can幀數據恢復都非常簡單。

submerge frame方法并不主動等待k個幀的到來，它總是盡可能地將can幀送出，以縮短信息傳輸延時。

3.2 submerge frame方法效率研究

submerge frame方法效率包括下行數據效率和上行數據效率兩部分。

下行數據效率的關鍵在于以太網的傳輸等待時間長短，以太網采用1－堅持csma/cd動態信道分配方式。當網絡上的任何一個節點需要傳遞數據時，它首先偵聽信道，看其他站點是否有數據傳送，如果信道忙，則它就繼續等待，直到信道空閑再進行發送嘗試，為了方便計算，可以假設在穩定的重負載情況下每幀數據平均發送時間為p，則信道效率η滿足[6]：

式中，：2τ為每個競爭時槽的時間長度；a為在某個時間槽內一個工作站獲得傳輸媒體的概率。

設以太網各節點發送數據幀的平均幀長為f，網絡帶寬為b，則上式可以變為：

從式（2）中可以看出，信道效率η由決定，在具體應用環境中以太網中工作站的數目一般是固定的，因此，τ、a、b都是定值。此時，網絡的效率幀長f決定，f越大，局域網的效率越高。

從上述分析中已經得知，can的幀長為：60－124位（擴展幀），40－104位（標準幀）。若簡單采用隧道技術，需將其補足46位，在最差情況下，有信息只占信息總量的10％；即使在最好情況下，有效信息也只占信息總量的33.6％，而此時，由于幀長f＝64字節，η僅為幀長1518字節時的，可得，在一個有20個節點的100m赫茲交換以太網中，з約為50％。

在實際應用中，由于網絡負載隨具體情況變化較大，實際應用中submerge frame方法處理下行數據的效率也隨之變化。總體來說，網絡負載越重，傳輸等待時間就越長，submerge frame方法的效率也就越高。

上行數據的討論集中在網關對接收到的can幀的處理上，設can總線上由7個發送節點，不妨設這些節點所發送的信息幀的標識符為1，…，n。其中：1＃節點所發送的信息幀具有最小標識符，從而具有最高優先級，n＃節點具有最低優先級。由于can到主發送機制，所以i節點發送信息幀是參數為λi的poisson過程[7]。就網關內部而言，排隊過程是非搶占的。若一次對k個幀進行打包，整個傳輸過程就形成了一個具有n個優先級的m/g/k隊列。

這樣，信息幀i的排隊時間分為4部分：1）先于i到達且優先級高于i的、還未獲得服務的信息幀的服務時間；2）后于i到達、優先級高于i的信息幀的服務時間；3）正在接受服務的信息幀的剩余傳送時間；4）以太網阻塞延時。這樣，即可得到信息幀i的平均等待時間：

式中：λi為信息幀i的到達率，i＝1，…，n；μi為信息幀i的服務率，i＝1，…，n；ρi為信息幀i的使用率，ρi=（i＝1，…，n）即服務強度；wi為信息幀i的等待時間，i＝1，…，n；xi為在總線上的傳送信息幀i的時間，即占用服務臺的時間。

采用常規can時的最大排隊時間可由非搶占式任務的調度理論獲得，這里不再贅述。

從式（3）中可以看出submerge frame方法在處理上行數據時可以明顯提高傳輸效率；

◇整個系統的平均服務時間由；

◇服務強度變為原來的1/k，系統穩定的概率更高；

◇縮短了后續幀的等待時間、以太網的阻塞時間以及高優先級can幀的傳輸延時。

3.3 submerge frame 方法中的關鍵問題

submerge frame方法實現簡單，其效率在于隊列k的選擇，對于下行數據，k值可以相對固定。下行數據一般由服務器根據控制條件發出，因為可以對發出的can幀的數目和目的網絡進行充分優化，k值就可以通過對應用的分析得出，對于上行數據，k值的大小與can網絡節點數量，以太網網絡規模、負載以及控制域的條件密切相關，也就是說，can總線網絡規模越大，以太網負載越重，控制域上報信息和突發事件頻度越高，k值也就越大，一般而言，以太網網絡實際可用帶寬要比can帶寬大，所以在輕載情況下k值一般不會太大，當發生網絡阻塞時，k值會急劇上升，在一定規模的網絡中，k值可以得出一個統計學量，在此不做討論。

由于submerge frame 方法中k值和服務等待時間緊密相連，這就形成了網絡效率和服務時間之間的矛盾。k值越大，網絡效率提高就越多，但也就意味著服務等待時間越長，實時性相對較差，k值越小，服務時間越短，同時伴隨著網絡效率的下降，在極限情況下就退化成了m/g/1隊列，submerge frame方法的效率降至最低。

4 結論

submerge frame方法是一種被動的狀態，即在網絡服務時間長時將等待服務隊列中的前k個幀合并，使平均服務時間從，從而提高了服務強度，增強了系統穩定性，由于網絡實時性更為重要，submerge frame方法并不主動等待若干個幀的到來。在實際應用中，網絡周期流量構成網絡負載的主要部分之一，而這種周期流量的周期往往是可以控制的。基于submerge frame方法的can－以太網網關已經在安徽省“十五”二期科技攻關項目——井下安全生產數字化平臺中得到應用。在應用中通過對周期流量產生時間的充分優化，網關在重網絡負載環境中運行穩定，安全達到了預期目標。