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，第二種則是僅基於存儲-轉發交換技術。

一、可靠的以太網技術——HSR&PRP

如今，HSR/PRP等可靠的以太網網路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採用了基於高可靠性無縫冗餘(HSR)以太網的協議和用於變電站自動化的並行冗餘協議(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，並被當作在第2 層進行網路監督的強大手段。

HSR幀與傳統的以太網基礎設施不相容，而PRP則允許透過兩個傳統的以太網網路發送重複幀。因此，PRP 的應用領域更為廣泛，儘管它並不是專門為“實時”以太網環境設計的。

“實時”意味著在訊號發生後的可預測時間內對其進行響應。例如，現代數字控制迴路需要低於10µs的反應時間。最新的基於以太網的控制協議如EtherCAT或Sercos III等往往基於硬體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設置的嚴格通訊要求，它可以將每個間隔層中的智能電子設備(IED) 互連。
• PRP適用於Station和Inter-Bay Buses。由於該協議的靈活性，它可以連接許多異構設備。

為了保持通訊中的冗餘，PRP和HSR 網路之間的互連是使用冗餘網關執行的。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。

二、直通與存儲轉發

直通和存儲轉發L2 交換都基於數據包的目標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後做出決定。
• 直通交換在分析目標MAC 地址後做出轉發決定，該地址位於幀的第一部分。

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。

三、轉發延遲時間

在Xilinx FPGA上的虹科HSR-PRP IP Core 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：

因此，可以說虹科HSR-PRP IP Core 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透過考慮以太網幀的強製字段來計算的，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，因此它將是恆定的。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，因此延遲取決於幀長度。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，當工業製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。

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