以太網與實時性”已經成為自動化業界最熱門的話題之一。無數自動化制造商與自動化組織都試圖解決這一難題，因此也就出現了如此眾多針對該問題的不同方案。

所有這些方案都涉及的一個共同要素就是TCP／IP協議。但是前提是該協議必須滿足實時性的要求。所以我們先討論一個關鍵的問題：

1.自動化任務對實時性的要求是什么？

這個問題并不容易回答。對于文件傳輸，500ms已稱得上實時了；而對于視頻數據包傳輸，實時要求變成了100ms，至于“IP語音服務”，實時的要求是20ms。在自動化理論中，10ms也許已經足夠，然而許多情況表明事實并非如此。數據刷新時間必須比這快得多，例如維持穩定數據采集的采樣率；這里還未提及必要的抖動要求。如果使用軸而且要求同步工作，那么要求則更嚴格。這種場合下，TCP/IP以及以太網在實時性方面很快就達到了極限。

實時性通常要求確定性的行為。即應該可以計算數據安全傳輸的時間幀。在這一方面，CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection）訪問方式呈現出以太網的一個基本問題。網絡上的各工作站對總線“監聽”以確認總線是否空閑。如果空閑，它們就開始發送數據。如果兩個工作站同時試圖發送數據，沖突就產生了。在這一情況下，訪問機制首先確保工作站停止傳輸數據。而后，根據預定義的隨機選擇算法，工作站再次嘗試發送數據。這個過程一直重復直至沖突消失。上述的機制保證了數據的安全發送；可是從確定性行為的角度看來，這卻是一個很大的障礙。

圖一 以太網訪問方式

多數方案使用TCP/IP作為以太網上的協議。用戶的數據由傳輸控制協議和網際協議“打包”傳輸。在接收工作站，這些數據又被解包。整個過程在TCP/IP堆棧運行，即數據包要兩次通過這一堆棧。利用166MHz奔騰處理器以及UDP/IP（和TCP/IP相似卻更快）測量，運行時間約為400μs。數據包從一個網絡站點傳遞到另一個網絡站點的整個過程則要花費更長的時間。

TCP/IP協議的另一不足之處就是所謂的“不可見通信”。這是指數據通信在一個與用戶無關的后臺自動完成。TCP/IP利用它來檢查網絡上各站點的狀態。這種后臺通信方式因為會引發沖突從而限制了確定性行為。

圖二 TCP/IP棧圖示，從硬件到應用軟件

目前有多種不同的方案可用來處理這些以太網和TCP/IP的問題。

1.1 根據IEEE 802.1Q/802.1p定義數據包的優先級

按照IEEE802.1Q/802.1p的定義，設置優先級或在隊列中臨時儲存了幀以后，就可以利用以太網頭部的擴展范圍進行流控制。這一過程通常由交換機處理。該方法的優點在于：高優先級的數據包定義了級別以后，以太網芯片本身就能處理這一功能—從而速度更快。不足之處在于只有新硬件才具備這一功能。該方案不再提供向下兼容性。而且，電子報文的順序不再得到保證。而TCP/IP原本是具備這一特性的。

1.2 沖突概率

如果網絡中沒有太多的數據通信，那么沖突的概率會很低。沖突概率隨著數據通信的增加而呈指數級的增長。當網絡負載低于或等于10％的時候，某些方案會假設沖突是可避免的。可是實際上沖突仍在發生（盡管概率很低），同時實際利用的快速以太網帶寬則有很大的降低。

1.3 在沖突域利用交換機分段

網段分割（利用交換機分割網絡）是一種完全不同的方案。它能夠完全避免沖突的發生。每個網絡站點通過交換機連入網絡，這種方式有些類似于一組點對點連接，即所謂的沖突域。如果不考慮成本，一個關鍵因素在于：交換機是智能化的，進入的數據包在分析以后直接發送給目標站點。這一方案比單純集線器方式的反應速度更快，抖動也更小。

1.4 主－從方式

還有一種可能的替代方案：主從方式。它基于TCP/IP或UDP/IP，具有避免沖突的優點，但仍有著這些協議的缺陷。另一種可能性是采用特殊協議而拋棄TCP/IP。這種方案的優勢在于由于幾乎所有快速以太網的帶寬都得到了利用，因此數據吞吐量得到了極大提高。但在主站之間的通信卻是一個不足，即只有主－從－主的通信才是可能的。從站間的通信是不可能的。

1.5 時間片通信網絡管理

貝加萊的出發點是進一步發展和改進主-從方式。這樣，在高速率、高利用率的網絡中以最小抖動傳輸的優勢才得以體現。網絡中每一個工作站與其他工作站，工作組，或所有其他工作站的通信也被嚴格地限定在規定時間內。這可確保每次只有一臺在發送數據。由于沒有沖突，從而做到了優化網絡使用而不產生任何問題。這種方式就是ETHERNET POWERLINK（B&R 快速以太協議）所采用的方法。

2.ETHERNET POWERLINK的目標

我們的目標是在快速以太網基礎上創建一個高速，實時，確定性的網絡環境。利用高速循環數據交換，抖動必定會降到最小，同時也能夠在不影響循環通信情況下處理非循環數據。而且，I/O與驅動數據也能夠在互相之間以及與PCC系統間實現同步傳輸。

所有這一切的結果就是提供了一個基于標準快速以太網，專為IO，驅動以及B&R Automation Net?優化的全新網絡環境。

3.ETHERNET POWERLINK的新特性

ETHERNET POWERLINK所支持最快網絡循環時間是約400 μs，因此能夠與ACOPOS驅動控制周期保持同步。在一個400 μs循環中，大約8個工作站能夠完全同步工作，而10個工作站的同步周期約為500 μs，30個工作站時約為1ms。廣播機制用于與ACOPOS驅動保持同步，這樣所有工作站在每個網絡循環都能接收相應的指定數據。單純網絡抖動低于1μs，相比之下500kps的CAN中相應的值是約254μs。

圖三 目標沖突的比較（0＝極差，10＝極佳）

網絡循環可以通過主站配置，并可與PCC任務等級保持同步。協議同時支持高速和低速工作站。其中區別在于所有高速工作站在每個網絡循環中都能通信；而一個網絡循環中只能有一個低速工作站能夠完全工作。這樣，即使是很高的網絡循環周期，網絡工作站的數量也可以大量的增加；因為在每個循環中，僅處理高速工作站加上一個低速工作站。網絡中允許容納一個主站和多達254個從站。

“非循環數據通信不影響循環通信”的目標也能夠完全實現。ETHERNET POWERLINK能夠集成于B&R Automation NetTM 之中。

4.ETHERNET POWERLINK在標準基礎上的拓展

ETHERNET POWERLINK完全建立在標準快速以太網之上，因此它完全符合標準的拓撲結構和物理特性。它的傳輸速率為100Mbps，使用帶RJ45插頭的標準雙絞線電纜（超五類電纜）。網段長度為100m，支持星型和樹型結構。僅允許使用集線器作為連接設備，由于有實時性要求而不允許使用交換機。

OSI模型表示了ETHERNET POWERLINK協議與上下各層次之間的關系。它表明使用CSMA/CD訪問方法和媒體訪問控制（MAC）的ETHERNET層處于基礎的位置。上方各層（IP與TCP或UDP）則由POWERLINK協議取而代之。B&R Automation NetTM也使用TCP/IP或UDP/IP，不過仍能夠與ETHERNET POWERLINK協同工作。因此，與應用層也就實現了高速循環數據通信。

圖四 OSI七層模型中不同協議的位置

5.結論

直到目前，建立一個絕對優化的網絡（超高速、完全實時能力、覆蓋從傳感器到ERP鏈接所有范圍）從經濟角度來說是不可能的。只有定義了相應的目標，才可能實現優化方案。在創建優化方案的同時，必須考慮到各個目標之間產生的所有沖突。擁有ETHERNET　POWERLINK，貝加萊已經開發了專用于IO、驅動和B&R Automation NetTM的優化網絡，它能夠最優化的滿足以太網和實時性的要求。

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