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    实时工业以太网的几种实现原理

    以太网的介质访问控制MAC(Media Access Control)方式采用带有冲突检测的载波侦听多路访问机制CSMA/CD。这是一种非确定性的介质访问控制方式,不能满足工业现场总线的实时性要求。目前针对工业领域不同实时性和成本要求,大致有以下三种类型的实时以太网实现原理:

    1. 基于TCP/IP的实现
    2. 基于以太网的实现
    3. 修改以太网的实现

    基于TCP/IP的实现

    这种方式继续使用TCP/IP协议栈,通过合理控制来应对通信中的非确定性因素。典型的协议有Modbus/TCP 和 Ethernet/IP。

    下图是ISO/OSI七层模型与TCP/IP模型

    以Modbus/TCP举例:可以看到 IP 协议与 TCP 协议分别处于 TCP/IP 的第二、三两层,而Modbus/TCP仅仅在应用层实现了Modbus协议。

    基于以太网的实现

    这种实现方式仍然使用标准的以太网硬件,但是不再使用TCP/IP协议。它引入了一个专门的过程数据传输协议,使用特定的以太网帧传输数据。这是一种软实时的实时以太网协议,典型的协议有Powerlink、EPA、PROFINET RT 等等。

    以PROFINET RT举例:PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer 2)的实时通讯通道,通过该实时通道,极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间。然后就成了下面这个样子:

    修改以太网的实现

    这是一种硬实时的解决方案,通过修改以太网以获得小于1ms的实时要求。从站使用特定的硬件,在实时通道内使用实时MAC接管通信控制,彻底避免报文冲突,在非实时通道内按照原来的协议进行通信。典型的协议有EtherCAT、Sercos III、PROFINET IRT等等。

    下图是EtherCAT模型与标准OSI模型的比较:

    可以看到数据链路层中使用了SM、FMMU、PDI 和 DC,同时在EtherCAT通道没有使用第3至6层。

    【转载】https://zhuanlan.zhihu.com/p/24707552

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总线通信控制有几种方式