工業(yè)以太網EtherNet／IP性能分析

引言

隨著計算機技術、通信技術與控制技術的飛速發(fā)展，工業(yè)控制網絡體系結構發(fā)生了一系列變革。近年來，國際工業(yè)控制領域的共同趨勢是使用基于IEEE 802．3和TCP／IP的網絡技術，形成新型基于以太網的網絡控制技術，即“工業(yè)以太網”。國際上，比較流行的工業(yè)以太網有Ether-NeL／IP、Profinet、Modbus／TCP，HSE、EtherCAT，PowerLink、EPA等。

目前，工業(yè)以太網的發(fā)展方向有2種：一種是非標準的以太網，在以太網的基礎上二進行了改動，一般都采用專用的芯片進行產品研制，Profinet是其典型代表；另一種是基于標準的以太網，采用工業(yè)級的以太網芯片就能進行產品研制，EtherNet／IP正是基于標準以太網的典型代表。

1 EtherNet／IP介紹

通用工業(yè)協(xié)議(Common Industrial Protocol，CIP)為開放的現(xiàn)場總線DeviceNet、ControlNet、Componet、EtherNet／IP等網絡提供了公共的應用層和設備描述。它建立在單一的、與介質無關的平臺上，為從工業(yè)現(xiàn)場到企業(yè)管理層提供無縫通信，使用戶可以整合跨越不同網絡的有關安全、控制、同步、運動、報文和組態(tài)等方面的信息。有助于使工程化和現(xiàn)場安裝的開銷最小化，使用戶獲得最大的投資收益。

EtherNet／IP技術是基于標準的TCP／IP協(xié)議的CIP技術與以太網技術的巧妙結合，只是在TCP或UDP報文的數(shù)據部分嵌入了CIP封裝協(xié)議，封裝協(xié)議的主要任務是定義和規(guī)范了如何封裝和傳輸t層協(xié)議報文，以及如何管理和利用下層TCP／IP連接，起到承上啟下的作用。

EtherNet／IP采用高效靈活的數(shù)據交換模式——生產者／消費者模式。生產者是數(shù)據的發(fā)起者，向網絡上發(fā)送數(shù)據包，數(shù)據包攜有指示數(shù)據內容的“唯一的”標識符。消費者是數(shù)據接收者，任何感興趣的消費者都可通過標識符從網絡中獲取需要的數(shù)據，這樣，多個消費者可以接收和使用這些數(shù)據。EtherNet／IP的報文主要分為隱式報文和顯式報文，隱式報文主要傳輸一些實時I／O數(shù)據、功能性安全數(shù)據和運動控制數(shù)據，顯式報文

主要是傳輸一些配置、診斷等數(shù)據。EtherNet／IP基于標準的以太網技術，Ether-Net／IP的數(shù)據傳輸?shù)恼麄€過程如圖1所示，它利用UDP協(xié)議傳送隱式報文，將UDP報文映射到IP多播傳送，實現(xiàn)高效I／O交換，有力支持了生產者／消費者模式。并利用TCP的流量控制和點對點特性通過TCP通道傳輸顯式報文。

圖1 EtherNet／IP協(xié)議架構圖

2 以太網性能分析

以太網最初應用在辦公自動化領域，其MAC層采用的是CSMA／CD(載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測協(xié)議)，當網絡負荷較高時，數(shù)據的傳輸就會出現(xiàn)延遲，產生“不確定性”，而該“不確定性”正是工業(yè)控制領域的大忌。因此，在工業(yè)以太網發(fā)展初期，許多人都抱著質疑的態(tài)度，這大大制約了工業(yè)以太網的發(fā)展。

然而，技術在不斷進步，以太網的通信速率從最初的10 MB增大到如今的0．1～10 GB。同樣的通信量，通信速率的提高意味著網絡負荷的減輕，而減輕網絡負荷則意味著確定性的提高。據有關試驗證明，在網絡負荷不超過36％的情況下，以太網基本不會發(fā)生沖突；在負荷為10％以下時，10 MB以太網沖突機率為1次／5 a，100 MB以太網則為1次／15 a。而全雙工通信方式也進一步避免了沖突的發(fā)生。另外，以太網交換機技術的迅速發(fā)展，給解決工業(yè)以太網的不確定性帶來了新的契機。交換機可對網絡上傳輸?shù)臄?shù)據進行過濾，使每個網段內節(jié)點間數(shù)據的傳輸只限在本地網段內進行，將數(shù)據包沖撞的機會從根本上減少到零，并且不占用其他網段的帶寬，從而降低了所有網段和主干網的網絡負荷。

與此同時，許多制造商開始致力于研究適用于惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的接插件、電纜、集線器、交換機等，網絡配件來提高網絡的抗干擾能力和可靠性。這些都為以太網直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信提供了技術可能。

3 EtherNet／IP性能分析

在以太網中，TCP是一個可以提供可靠的數(shù)據傳輸服務面向鏈接的協(xié)議；UDP是一個能簡單、快速地傳遞數(shù)據報，但不能保證數(shù)據報是否安全無誤地到達目的設備不基于鏈接的協(xié)議。EtherNet／IP采用以太網的UDP傳遞實時數(shù)據，TCP傳遞諸如配置、診斷等非實時數(shù)據。為了確保實時數(shù)據的可靠性，EtherNet／IP協(xié)議增加了一系列措施，如在每次傳輸數(shù)據時都增加了數(shù)據頭和序列號，每發(fā)送一次數(shù)據報，序列號增加一次，接收方通過序列號就能判斷數(shù)據的有效性，從而確保了數(shù)據的可靠性。