深入了解工业以太网协议

发布时间：2009-06-28 作者：Mark T. Hoske

　　工业以太网协议通常是标准的未改动版，而有时候会对其进行修改以更适用于工业用途。有些协议修改和制定的出发点就是为了满足各种实际应用的需要。

　　工业以太网是工业网络中的一个新生力量，其硬件和软件能够更好地适应恶劣的外部环境。以太网的物理层通常包括坚固的连接器，电缆和交换机。
　　同样，以太网的软件协议，通常采用TCP/IP及其在应用层上具有特殊能力的衍生协议，这些特殊能力可以帮助以太网更好地适应工业化应用，例如，被认为是运作、安全等应用方面所需要的优先次序或时序安排。
　　IEEE 802.3以太网标准诞生于1983年，最初是为办公使用而设计的，之后为了满足工业应用的需要，其家族的规模日益庞大。事实上，由下图可见，从2006年底到2008年年中，几乎所有协议都经历了一次明显的需求上升的过程。显然，越来越多的工业领域开始采用了以太网技术。

　　在过去的两年中，以太网在工业应用中的使用比例获得了极大的提高.左图显示了目前正在使用以太网协议(根据2008年5月Control Engineering的调查数据，图中上面一排）以及目前正在和将来计划使用(根据2006年12月Control Engineering的调查数据，图中下面一排）各自所占的受访者比例对比。VDC Research Group（VDC）表示，在全球工业基础设施市场中,有线网络产品在2007年的销售额超过18亿美元（其中12亿美元与以太网有关）,并且，在2012年之前，可以保持以每年24.6%的复合增长率快速增长。
　　来源: Control Engineering research, May 2008, December 2006

　　Altera Corp工业部的高级技术行销经理Jason Chiang指出，随着使用的增加，以太网实际上已成为电子通讯的局域网（ LAN ）事实标准。一开始它只是个使用了非屏蔽双绞线电缆构建的网络，而现在，以太网提供了“高可靠性，低成本， 在10Gbps限度下，长距离上能够达到10/100/1000 Mbps的性能。” Chiang说。
　　以太网大量使用的一个副作用是“以太网已经逐渐成为了‘标准’集的代名词，” Siemens 公司的Jeremy Bryant说，“对有些人来说，它甚至包括了类似畅销的商用交换机这样的硬件。而事实是，这里并不存在涵盖了所有一切的单一‘标准’。”
　　“以太网”的定义是，设备之间进行数据传输的布线系统。Bryant指出：“在ISO堆栈”，以太网只占协议栈的底部两层（层1和2 ）。这有点像大多数现场总线所使用的RS - 485标准，关键是上面各层会发生什么。如果不是这样，以太网也就没什么特别的了。
　　当更多的设备和应用程序连接到坚固的以太网物理层时，其协议可以仍然保持原始状态，或者修改成更符合工业需要的状态。
　　Chiang继续补充道，虽然有少数工业系统可以将数据打包成标准的以太网数据包以直接利用商业以太网，但是大多数工业解决方案需要在OSI的第三层（及更高层次）定制软件并对媒体访问控制（MAC）进行硬件修改，来支持多种现场总线与工业以太网标准和实时性能的要求。Chiang说：“软件可移植到处理器/ DSP平台，或者更为合适的，集成了处理器/DSP选项并支持灵活的工业以太网解决方案的FPGA平台。”

　　非标准的标准
　　Bryant坚持认为，基本的以太网“不能满足自动化的需要。因此，所有的工业以太网协议都是对IEEE 802.3标准的‘加强’。换句话说，所有的工业以太网解决方案（Profinet、以太网/ IP协议、EtherCAT等）都基于标准IEEE 802.3，但它们都无法自称是工业以太网的标准，因为目前工业网络并没有公认的标准族。”
　　GarrettCom 公司的首席技术官和工程副总裁Lee House说，加固设备的软件，必须通过一种可预见的，可靠的方式来实现实时功能。要确保持续的正常运行时间和可靠性就必须采用冗余协议、容错软件设计，以及非常严格的测试标准。
　　而且，不仅商业级设备具有广泛的适用范围，工业设备也必须支持多种相关的关键性传统协议。
　　即便如此，工业以太网也没有一个全体通用的协议，National Instruments (NI) 产品行销工程师Irene Bearly说，用户通常必须在可互用性与确定性和速度之中做出权衡。
　　以太网协议可分为三类：非实时协议、实时协议和硬实时协议。 Bearly说：三类中： 1．非实时协议能在标准以太网上提供开放式的连接，但其反应次数较少；2．实时协议采用设备广播配置技术，最大限度地减少了循环次数，有时亦采用包优先技术，如支持可减少开关感应扰动的服务质量（QoS）的IEEE 802.1D/Q。EtherNet /IP和Profinet RT就是极富代表性的两个例子。3．硬实时协议在设备上使用自定义硬件，同时也需要特制的以太网交换机，或通过设备间的菊花链连接来代替交换机的作用。硬实时协议通常被用来执行高等级的运动控制。 EtherCAT和Profinet IRT是其典型代表。

　　① 直接使用IEEE 802.3和TCP/IP定义的标准以太网：这种方式基本上与在办公室的应用方式相类似。仅仅在应用层上，自动化的程序和设备取代了通常在办公室里所使用的程序和设备。
　　② 将IEEE 802.3定义的标准以太网，以IEEE 802.1Q和TCP/IP为依据进行优先化处理，具体的自动化协议放在OSI的第3和第4层。
　　③ 使用优化的以太网堆栈和TCP/IP，具体的自动化协议在OSI的第3和第4层：这种以太网类型适用于自动化系统对其应用程序的数据传输确定性和实时性能的要求极高的场合，例如轴控制，通常还需要特制的交换机配合使用。
　　来源: Control Engineering with information from Profinet International

　　Rockwell Automation下属NetLinx的产品业务经理Mike Hannah指出，这些发展代表了最近几年以来发生的一次巨大的转变，在那以前，以太网的冲突检出和缺乏确定性定义了它不适合工厂级的使用。 Hannah说：“技术的进步，如更高速的吞吐量、信息优先级顺序定义，和工业级交换集线器的问世，使以太网成为了整个业内最常用的网络之一。”
　　CC-Link Partner Association 的经理Chuck Lukasik说，工业网络的应用对其确定性有极高的要求，必须确保数据可重复地可靠地进行传输。
　　“如果不能达到这样的数据传输确定性，就不可能加工或制造出高品质的产品，” Lukasik说道，“控制工程师和质量工程师的工作完全取决于在控制系统内部，以及控制系统和工厂信息系统之间的实时、准确的数据交换。尽管之前曾经做过将消费级未经改进的以太网在工厂车间里使用的尝试，但是消费级以太网所固有的非确定性和未经加固的商业级设施决定了它无法达到现代制造业所必需的高速可靠的数据交换等级。”他指出，未经改进的以太网容易发生数据冲突，一旦检测到冲突的发生，就要由中继进行重发，因此在不使用额外的硬件（以太网交换机）的情况下，其确定性不能得到保证，并由此造成网络设计的复杂化。
　　为了确保高速实时数据交换，千兆高速以太网CC - Link IE进行了一定的优化，以保证在不需要以太网交换机，并保留以太网物理层的条件下确保准确可靠的数据交换。在工业环境中，连续的数据交换过程中出现干扰或数据错误是不被允许的，因此应该使用抗扰光纤媒介。 CC - Link IE采用令牌传递的通信技术来保障它的确定性。一个典型的32个站（包括工业控制器，计算机， HMI等）的网络，可以在60微秒内完成每站4千字节，共计128千字节的数据传输。所有网络站点通过光纤环型连接而非星形。最多可有120个站连接在一个网络上。协议栈显示如下图。　　

 　　CC-Link IE，是一种千兆高速以太网，能够确保在不需要以太网交换机的情况下，
实现数据的准确可靠交换。消息来源：Control engineering和CC-link所提供的信息

　　Profinet：分步实现性能的以太网
　　正如环境因素会影响工业以太网设备的硬件选择，各种性能因素也会影响以太网本身的使用。PTO的代理总监Carl Henning也承认这一点。
　　Profinet使用了这四个层层推进的步骤： TCP/IP，实时，带宽预留和时序安排。
　　这些步骤都是当前 Profinet 规范的一部分，而不是单独存在的。它们都应用在同一个网络上，代表了性能的增幅。为了配置和诊断信息的传输，Profinet使用了TCP/IP。为了避免TCP/IP和UDP/IP的延误和固有的变化属性，Profinet的实时功能跳过了这些层。与所有的串行现场总线（包括Profibus和DeviceNet ）一样，Profinet的实时功能采用了ISO七层堆栈中的第1、2和7层，跳过第3和第4层。这个技术使IO的响应时间达到了分毫秒级。在有些情况下，如运动控制，分毫秒级的反应时间仍不能满足需要，而要采用无抖动的方式，那么就必须采取其他的措施来实现目标，例如带宽预留，或在需要时，可进行时序安排。

透视以太网帧的内部结构

　　EtherNet/IP：未经改动的以太网
　　ODVA执行经理Katherine Voss表示，ODVA一直采用标准、未经改动的以太网来实现其工业以太网的网络解决方案，EtherNet/IP。EtherNet/IP是根据通用工业协议（CIP）改编的协议，是将TCP/IP协议套件连同IEEE 802.3标准和标准的以太网基础设施结合在一起的产物，她说。
　　“标准以太网配置的灵活性使得最终用户可以充分利用当今以太网和互联网上所有的相关功能。例如，如果应用程序要求调用Web浏览器，这就很容易被实现。依靠标准的以太网，用户就能够利用集成通信（COTS）技术和EtherNet/IP的先进能力来确保自己的投资安全、有效。
　　“建立一个EtherNet/IP设施不需要任何的特殊硬件或软件，这就允许了其他协议也能与其共存于同一个标准、未经改动的以太网设施中（如Modbus TCP）。
　　要加入专有和非标准技术就需要增加额外的硬件、软件，或是两者皆有，以保证它们与标准以太网的TCP/IP兼容，并能正常运行。而EtherNet/IP能够将控制网络与标准的以太网相结合，用于工厂中的质量、MES，或ERP系统，用户由此节省了资金，并能充分利用以太网和互联网技术的强大功能。”Voss说。最终用户和OEM可以参考ODVA的测试数据，以确定产品所需的坚固程度或消费级水平，她补充道。
 
　　更多信息，请访问：
　　www.altera.com
　　www.garrettcom.com
　　www.ni.com
　　www.rockwellautomation.com
　　www.sea.siemens.com
　　www.cc-linkamerica.org
　　www.profinet.com
　　www.odva.org
　　www.modbus-ida.org
　　翻译：陈廷炯