B&R快速以太協(xié)議滿足以太網(wǎng)和實時性的要求

以太網(wǎng)與實時性”已經(jīng)成為自動化業(yè)界最熱門的話題之一。無數(shù)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(xiàn)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(xié)議。但是前提是該協(xié)議必須滿足實時性的要求。所以我們先討論一個關(guān)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(shù)據(jù)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(jīng)足夠，然而許多情況表明事實并非如此。數(shù)據(jù)刷新時間必須比這快得多，例如維持穩(wěn)定數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)安全傳輸?shù)臅r間幀。在這一方面，CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection）訪問方式呈現(xiàn)出以太網(wǎng)的一個基本問題。網(wǎng)絡上的各工作站對總線“監(jiān)聽”以確認總線是否空閑。如果空閑，它們就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個工作站同時試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，沖突就產(chǎn)生了。在這一情況下，訪問機制首先確保工作站停止傳輸數(shù)據(jù)。而后，根據(jù)預定義的隨機選擇算法，工作站再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個過程一直重復直至沖突消失。上述的機制保證了數(shù)據(jù)的安全發(fā)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(wǎng)訪問方式

多數(shù)方案使用TCP/IP作為以太網(wǎng)上的協(xié)議。用戶的數(shù)據(jù)由傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議“打包”傳輸。在接收工作站，這些數(shù)據(jù)又被解包。整個過程在TCP/IP堆棧運行，即數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡站點傳遞到另一個網(wǎng)絡站點的整個過程則要花費更長的時間。

TCP/IP協(xié)議的另一不足之處就是所謂的“不可見通信”。這是指數(shù)據(jù)通信在一個與用戶無關(guān)的后臺自動完成。TCP/IP利用它來檢查網(wǎng)絡上各站點的狀態(tài)。這種后臺通信方式因為會引發(fā)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(wǎng)和TCP/IP的問題。

1.1 根據(jù)IEEE 802.1Q/802.1p定義數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級

按照IEEE802.1Q/802.1p的定義，設置優(yōu)先級或在隊列中臨時儲存了幀以后，就可以利用以太網(wǎng)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(yōu)點在于：高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包定義了級別以后，以太網(wǎng)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(wǎng)絡中沒有太多的數(shù)據(jù)通信，那么沖突的概率會很低。沖突概率隨著數(shù)據(jù)通信的增加而呈指數(shù)級的增長。當網(wǎng)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?？墒菍嶋H上沖突仍在發(fā)生（盡管概率很低），同時實際利用的快速以太網(wǎng)帶寬則有很大的降低。

1.3 在沖突域利用交換機分段

網(wǎng)段分割（利用交換機分割網(wǎng)絡）是一種完全不同的方案。它能夠完全避免沖突的發(fā)生。每個網(wǎng)絡站點通過交換機連入網(wǎng)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(guān)鍵因素在于：交換機是智能化的，進入的數(shù)據(jù)包在分析以后直接發(fā)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(yōu)點，但仍有著這些協(xié)議的缺陷。另一種可能性是采用特殊協(xié)議而拋棄TCP/IP。這種方案的優(yōu)勢在于由于幾乎所有快速以太網(wǎng)的帶寬都得到了利用，因此數(shù)據(jù)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(wǎng)絡管理

貝加萊的出發(fā)點是進一步發(fā)展和改進主-從方式。這樣，在高速率、高利用率的網(wǎng)絡中以最小抖動傳輸?shù)膬?yōu)勢才得以體現(xiàn)。網(wǎng)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(guī)定時間內(nèi)。這可確保每次只有一臺在發(fā)送數(shù)據(jù)。由于沒有沖突，從而做到了優(yōu)化網(wǎng)絡使用而不產(chǎn)生任何問題。這種方式就是ETHERNET POWERLINK（B&R 快速以太協(xié)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(wǎng)基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個高速，實時，確定性的網(wǎng)絡環(huán)境。利用高速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，抖動必定會降到最小，同時也能夠在不影響循環(huán)通信情況下處理非循環(huán)數(shù)據(jù)。而且，I/O與驅(qū)動數(shù)據(jù)也能夠在互相之間以及與PCC系統(tǒng)間實現(xiàn)同步傳輸。

所有這一切的結(jié)果就是提供了一個基于標準快速以太網(wǎng)，專為IO，驅(qū)動以及B&R Automation Net?優(yōu)化的全新網(wǎng)絡環(huán)境。

3.ETHERNET POWERLINK的新特性

ETHERNET POWERLINK所支持最快網(wǎng)絡循環(huán)時間是約400 μs，因此能夠與ACOPOS驅(qū)動控制周期保持同步。在一個400 μs循環(huán)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(qū)動保持同步，這樣所有工作站在每個網(wǎng)絡循環(huán)都能接收相應的指定數(shù)據(jù)。單純網(wǎng)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(wǎng)絡循環(huán)可以通過主站配置，并可與PCC任務等級保持同步。協(xié)議同時支持高速和低速工作站。其中區(qū)別在于所有高速工作站在每個網(wǎng)絡循環(huán)中都能通信；而一個網(wǎng)絡循環(huán)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(wǎng)絡循環(huán)周期，網(wǎng)絡工作站的數(shù)量也可以大量的增加；因為在每個循環(huán)中，僅處理高速工作站加上一個低速工作站。網(wǎng)絡中允許容納一個主站和多達254個從站。

“非循環(huán)數(shù)據(jù)通信不影響循環(huán)通信”的目標也能夠完全實現(xiàn)。ETHERNET POWERLINK能夠集成于B&R Automation NetTM 之中。

4.ETHERNET POWERLINK在標準基礎(chǔ)上的拓展

ETHERNET POWERLINK完全建立在標準快速以太網(wǎng)之上，因此它完全符合標準的拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)段長度為100m，支持星型和樹型結(jié)構(gòu)。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(xié)議與上下各層次之間的關(guān)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(chǔ)的位置。上方各層（IP與TCP或UDP）則由POWERLINK協(xié)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(xié)同工作。因此，與應用層也就實現(xiàn)了高速循環(huán)數(shù)據(jù)通信。

圖四 OSI七層模型中不同協(xié)議的位置

5.結(jié)論

直到目前，建立一個絕對優(yōu)化的網(wǎng)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(jīng)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(xiàn)優(yōu)化方案。在創(chuàng)建優(yōu)化方案的同時，必須考慮到各個目標之間產(chǎn)生的所有沖突。擁有ETHERNET　POWERLINK，貝加萊已經(jīng)開發(fā)了專用于IO、驅(qū)動和B&R Automation NetTM的優(yōu)化網(wǎng)絡，它能夠最優(yōu)化的滿足以太網(wǎng)和實時性的要求。

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