揭開實時以太網(wǎng)神秘的面紗

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

　　大多數(shù)工程師平時接觸的以太網(wǎng)基本都是TCP協(xié)議。因為覺得以太網(wǎng)TCP協(xié)議比UDP協(xié)議高級，理由就是數(shù)據(jù)在傳輸過程中不容易丟，但工業(yè)上的實時以太網(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，必須和對方建立可靠的連接。一個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A通過向主機B 發(fā)送一個含有同步序列號的標(biāo)志位的數(shù)據(jù)段給主機B ,向主機B 請求建立連接,通過這個數(shù)據(jù)段,主機A告訴主機B 兩件事:我想要和你通信;你可以用哪個序列號作為起始數(shù)據(jù)段來回應(yīng)我.;

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

　　3.主機A收到這個數(shù)據(jù)段后,再發(fā)送一個確認應(yīng)答,確認已收到主機B 的數(shù)據(jù)段:"我已收到回復(fù),我現(xiàn)在要開始傳輸實際數(shù)據(jù)了;

　　這樣3次握手就完成了,主機A和主機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建立連接要進行3次握手，而斷開連接要進行4次;

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

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

　　3 .由B 端再提出反方向的關(guān)閉請求，將FIN置1;

　　4.主機A對主機B的請求進行確認，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)雜的驗證流程，從而加大了網(wǎng)絡(luò)的負載和系統(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。所以TCP一般用于對實時性沒有要求的通訊場合，比如網(wǎng)頁瀏覽、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)報協(xié)議)

　　UDP是一個非連接的協(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、計算機的能力和傳輸帶寬的限制;在接收端，UDP把每個消息段放在隊列中，應(yīng)用程序每次從隊列中讀一個消息段。

　　由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺服務(wù)機可同時向多個客戶機傳輸相同的消息，或者可以大家共享一個廣播地址，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個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(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是面向報文的。發(fā)送方的UDP對應(yīng)用程序交下來的報文，在添加首部后就向下交付給IP層。既不拆分，也不合并。

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

　　1.1.31.3 TCP與UDP的對比

　　表1 TCP與UDP的對比

　　1.22 實時以太網(wǎng)項目中的方案對比

　　1.2.12.1 TCP方案

　　使用的TCP方案中，由于工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)干擾等問題，在通訊過程中無法保證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)歷超時重傳和保活計數(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)用層的超時限制，所以會出現(xiàn)了頻繁出錯的問題，導(dǎo)致實時性很差。

　　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)送方能在未收到對方響應(yīng)前利用重發(fā)機制重新把丟失的數(shù)據(jù)再次發(fā)送，以太網(wǎng)100Mbps的速率保證很短的傳輸時間，所以很快就可以保證數(shù)據(jù)到達。不容易超出系統(tǒng)應(yīng)用層的超時限制。

　　比如軌道交通實時以太網(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)實時控制。如圖4所示。

　　圖4 軌道交通中的實時以太網(wǎng)

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

　　圖5 軌道交通實時以太網(wǎng)通訊過程

　　1.3總結(jié)

　　綜上所述，結(jié)合實際情況，使用UDP方案更符合實時以太網(wǎng)的實際需求。ZLG致遠電子研發(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1.15Mbps的串口傳輸速度，完全可以滿足絕大多數(shù)實時以太網(wǎng)的通訊要求。嚴格完整的物理層測試，可以解決用戶對于物理鏈路層設(shè)計的煩惱。如圖6所示。