揭開實(shí)時(shí)以太網(wǎng)神秘的面紗

　　說到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，大多數(shù)工程師都比較陌生，什么是實(shí)時(shí)?為什么實(shí)時(shí)?其實(shí)就是一層面紗，今天我們來給您揭開!

　　大多數(shù)工程師平時(shí)接觸的以太網(wǎng)基本都是TCP協(xié)議。因?yàn)橛X得以太網(wǎng)TCP協(xié)議比UDP協(xié)議高級(jí)，理由就是數(shù)據(jù)在傳輸過程中不容易丟，但工業(yè)上的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)很多都是不基于連接的UDP協(xié)議，這是為什么呢?我們先看下他們的區(qū)別。

　　1.11.TCP與UDP的基本特性

　　1.1.11.1 TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)

　　TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)是面向連接的協(xié)議，也就是說，在收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對(duì)方建立可靠的連接。一個(gè)TCP連接必須要經(jīng)過三次握手才能建立起來。

　　TCP連接三次握手過程

　　1.主機(jī)A通過向主機(jī)B 發(fā)送一個(gè)含有同步序列號(hào)的標(biāo)志位的數(shù)據(jù)段給主機(jī)B ,向主機(jī)B 請(qǐng)求建立連接,通過這個(gè)數(shù)據(jù)段,主機(jī)A告訴主機(jī)B 兩件事:我想要和你通信;你可以用哪個(gè)序列號(hào)作為起始數(shù)據(jù)段來回應(yīng)我.;

　　2.主機(jī)B 收到主機(jī)A的請(qǐng)求后,用一個(gè)帶有確認(rèn)應(yīng)答(ACK)和同步序列號(hào)(SYN)標(biāo)志位的數(shù)據(jù)段響應(yīng)主機(jī)A,也告訴主機(jī)A兩件事:我已經(jīng)收到你的請(qǐng)求了,你可以傳輸數(shù)據(jù)了;你要用哪個(gè)序列號(hào)作為起始數(shù)據(jù)段來回應(yīng)我;

　　3.主機(jī)A收到這個(gè)數(shù)據(jù)段后,再發(fā)送一個(gè)確認(rèn)應(yīng)答,確認(rèn)已收到主機(jī)B 的數(shù)據(jù)段:"我已收到回復(fù),我現(xiàn)在要開始傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)了;

　　這樣3次握手就完成了,主機(jī)A和主機(jī)B 就可以傳輸數(shù)據(jù)了。如圖1所示。

　　圖1 TCP建立連接3次握手過程

　　TCP斷開四次握手過程

　　TCP建立連接要進(jìn)行3次握手，而斷開連接要進(jìn)行4次;

　　1 .當(dāng)主機(jī)A完成數(shù)據(jù)傳輸后，將控制位FIN置1,提出停止TCP連接的請(qǐng)求;

　　2.主機(jī)B收到FIN后對(duì)其作出響應(yīng),確認(rèn)這一方向上的TCP連接將關(guān)閉,將ACK置1;

　　3 .由B 端再提出反方向的關(guān)閉請(qǐng)求，將FIN置1;

　　4.主機(jī)A對(duì)主機(jī)B的請(qǐng)求進(jìn)行確認(rèn)，將ACK置1，雙方向的關(guān)閉結(jié)束。

　　圖2 TCP連接斷開的4次握手過程

　　由TCP的三次握手和四次斷開可以看出，TCP使用面向連接的通信方式，為了提高數(shù)據(jù)通信的可靠性，在通訊有效數(shù)據(jù)之外添加了一套復(fù)雜的驗(yàn)證流程，從而加大了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和系統(tǒng)的開銷，降低了通訊的效率。并且在通訊過程中一旦出現(xiàn)異常斷開，重新建立連接前，需要先斷開連接，釋放資源，造成極大的耗時(shí)。所以TCP一般用于對(duì)實(shí)時(shí)性沒有要求的通訊場(chǎng)合，比如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、郵箱數(shù)據(jù)、文件傳送等。

　　1.1.21.2 UDP(User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)

　　UDP是一個(gè)非連接的協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前，源端和終端不建立連接，當(dāng)它想傳送時(shí)就抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。在發(fā)送端，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度、計(jì)算機(jī)的能力和傳輸帶寬的限制;在接收端，UDP把每個(gè)消息段放在隊(duì)列中，應(yīng)用程序每次從隊(duì)列中讀一個(gè)消息段。

　　由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護(hù)連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺(tái)服務(wù)機(jī)可同時(shí)向多個(gè)客戶機(jī)傳輸相同的消息，或者可以大家共享一個(gè)廣播地址，成為UDP組播功能，類似CAN總線那種通訊，發(fā)到組播地址上的信息，將被所有組成員收到。如圖3所示。

　　圖3 UDP的兩種通訊方式

　　UDP信息包的標(biāo)題很短，只有8個(gè)字節(jié)，相對(duì)于TCP的20個(gè)字節(jié)信息包的額外開銷很小。吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機(jī)性能的限制。

　　UDP使用盡最大努力交付，但發(fā)送端的鏈路層不保證可靠交付，因此發(fā)送主機(jī)不需要維持復(fù)雜的鏈接狀態(tài)表(這里面有許多參數(shù))。UDP是面向報(bào)文的。發(fā)送方的UDP對(duì)應(yīng)用程序交下來的報(bào)文，在添加首部后就向下交付給IP層。既不拆分，也不合并。

　　UDP一般用于實(shí)時(shí)性高的工業(yè)控制場(chǎng)合。比如現(xiàn)在絕大多數(shù)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)都使用UDP通訊。軌道交通中的IEC61375-3-4更是以UDP作為實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)的通訊，而用TCP用于參數(shù)配置和固件升級(jí)使用。

　　1.1.31.3 TCP與UDP的對(duì)比

　　表1 TCP與UDP的對(duì)比

　　1.22 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)項(xiàng)目中的方案對(duì)比

　　1.2.12.1 TCP方案

　　使用的TCP方案中，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)干擾等問題，在通訊過程中無(wú)法保證TCP連接可靠的保持，而在每一次斷開TCP連接并嘗試重連的過程中，都會(huì)經(jīng)歷上述的4次斷開握手和3次連接握手的流程(如果是某些異常斷開的TCP還需要經(jīng)歷超時(shí)重傳和?；钣?jì)數(shù)的流程)，而在網(wǎng)絡(luò)狀況不佳的情況下完成上述流程是有很大可能超出系統(tǒng)應(yīng)用層的超時(shí)限制，所以會(huì)出現(xiàn)了頻繁出錯(cuò)的問題，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性很差。

　　1.2.22.2 UDP方案

　　而UDP方案基于上述介紹過的UDP的特性，在出現(xiàn)異常后UDP可以省去TCP繁瑣的握手流程，很快的恢復(fù)通訊，把需要發(fā)送的有效數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送出去，從保證了系統(tǒng)要求的響應(yīng)需要。

　　使用UDP方案的數(shù)據(jù)完整性是由上層應(yīng)用協(xié)議來保證的。即使通訊過程中某幀數(shù)據(jù)丟失，但發(fā)送方能在未收到對(duì)方響應(yīng)前利用重發(fā)機(jī)制重新把丟失的數(shù)據(jù)再次發(fā)送，以太網(wǎng)100Mbps的速率保證很短的傳輸時(shí)間，所以很快就可以保證數(shù)據(jù)到達(dá)。不容易超出系統(tǒng)應(yīng)用層的超時(shí)限制。

　　比如軌道交通實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議中，就使用20548端口UDP組播地址作為過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制。如圖4所示。

　　圖4 軌道交通中的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)

　　以ECNN為例，主機(jī)通過UDP組播的方式，1包即將發(fā)給所有從機(jī)的內(nèi)容都發(fā)下去，如圖5所示。從機(jī)收到后，響應(yīng)報(bào)文到組播地址，不但可以被主機(jī)收到，而且可以被網(wǎng)絡(luò)中的記錄設(shè)備(黑匣子)記錄，便于故障時(shí)候進(jìn)行分析。

　　圖5 軌道交通實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊過程

　　1.3總結(jié)

　　綜上所述，結(jié)合實(shí)際情況，使用UDP方案更符合實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的實(shí)際需求。ZLG致遠(yuǎn)電子研發(fā)的ZNE-100TA串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，具備完整的TCP、UDP、UDP組播功能，高達(dá)1.15Mbps的串口傳輸速度，完全可以滿足絕大多數(shù)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通訊要求。嚴(yán)格完整的物理層測(cè)試，可以解決用戶對(duì)于物理鏈路層設(shè)計(jì)的煩惱。如圖6所示。