ETHERNET POWERLINK用實時方式通信
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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(shù)據刷新時間必須比這快得多，例如維持穩(wěn)定數(shù)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(shù)據安全傳輸?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)出以太網的一個基本問題。網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。如果兩個工作站同時試圖發(fā)送數(shù)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(shù)據。而后,根據預定義的隨機選擇算法，工作站再次嘗試發(fā)送數(shù)據。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 以太網訪問方式
多數(shù)方案使用TCP/IP作為以太網上的協(xié)議。用戶的數(shù)據由傳輸控制協(xié)議和網際協(xié)議“打包”傳輸。在接收工作站，這些數(shù)據又被解包。整個過程在TCP/IP堆棧運行，即數(shù)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(shù)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(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(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和TCP/IP的問題。
1.1 根據IEEE 802.1Q/802.1p定義數(shù)據包的優(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(shù)據通信，那么沖突的概率會很低。沖突概率隨著數(shù)據通信的增加而呈指數(shù)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?？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(fā)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(shù)據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的帶寬都得到了利用，因此數(shù)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(fā)點是進一步發(fā)展和改進主-從方式。這樣，在高速率、高利用率的網絡中以最小抖動傳輸?shù)膬?yōu)勢才得以體現(xiàn)。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(guī)定時間內。這可確保每次只有一臺在發(fā)送數(shù)據。由于沒有沖突,從而做到了優(yōu)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(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基礎上創(chuàng)建一個高速，實時，確定性的網絡環(huán)境。利用高速循環(huán)數(shù)據交換，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。而且，I/O與驅動數(shù)據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 Netä優(yōu)化的全新網絡環(huán)境。
3.ETHERNET POWERLINK的新特性
ETHERNET POWERLINK所支持最快網絡循環(huán)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(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驅動保持同步，這樣所有工作站在每個網絡循環(huán)都能接收相應的指定數(shù)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(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絡循環(huán)中都能通信；而一個網絡循環(huán)中只能有一個低速工作站能夠完全工作。這樣，即使是很高的網絡循環(huán)周期，網絡工作站的數(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。網絡中允許容納一個主站和多達254個從站。
“非循環(huán)數(shù)據通信不影響循環(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(xié)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(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)據通信。
圖四 OSI七層模型中不同協(xié)議的位置
5.結論
直到目前，建立一個絕對優(yōu)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(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生的所有沖突。擁有ETHERNET POWERLINK，貝加萊已經開發(fā)了專用于IO、驅動和B&R Automation NetTM的優(yōu)化網絡，它能夠最優(yōu)化的滿足以太網和實時性的要求。
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