發布日期：2022-04-18 點擊率：89
“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。 圖二 TCP/IP棧圖示,從硬件到應用軟件
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。
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。
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。
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