聊一聊工业以太网

以太网VS现场总线

相对各种现场总线老前辈（CAN/Profibus/Modbus…）来说，工业以太网是个新生事物。现场总线已经在工业界存在这么多年而且便宜又好用，那么为什么还需要工业以太网呢？

上面这张图上目前主流高性能现场总线与以太网传输速率的对比，在以太网压倒性的波特率下，即使在以太网传输小数据包通信开销极大的情况下，仍然能吊打Profibus且略胜Sercos-II. 与CAN这样波特率仅能达到1MHz的总线相比，吞吐量更是完胜。简单来说，工业以太网的出现顺应了以下几个趋势：

1. 物联网应用的爆发对现场侧的数据吞吐量提出了越来越高的要求；
2. 以太网在计算机网络技术中几近独领风骚，用量的巨大导致了以太网性能越来越高，成本越来越低；
3. 物端接入互联网的需求尤其是web的崛起，需要现场总线能和互联网具有更好的互通性，兼容以太网意味着更好的互联性，且能复用大量以太网的硬件设备；

那么以太网这么好，为什么不能把以太网直接用到现场呢？问题在于实时性。以太网是为通用通讯设计的，为了防止共享通信介质导致的访问冲突，以太网采用了CSMA/CD的冲突解决方案，并具有冲突重传的机制，这些机制带来的延迟导致了通用以太网并不具有实时性。工业以太网的出现正是为了解决这个问题。

工业以太网主要玩家

IMS和ARC调研表明大约四分之三的工业以太网使用Ethernet/IP、PROFINET、或Modbus/TCP（用户组织ODVA已经表明它将被集成到Ethernet/IP网络中），其次为POWERLINK和EtherCAT。SERCOSIII尽管市场份额较小， 但是在高速运动控制领域扮演着非常重要的角色。其中Profinet是指上具有三个标准：Profinet、Profinet RT、Profinet IRT，分别应对软实时、硬实时、等时同步实时的需求场合。

这几个工业以太网分别由以下几个组织维持：

其协议的开放性如下，其中PowerLink是主从站全部开源。其它协议的主从站要通过不同渠道或者授权。

实时性实现路线

在实现方法上，这几个主要玩家在以太网的不同层次上解决实时问题：

1. 基于TCP/IP:在应用层解决实时问题，而使用以太网的传输层和链路层，这种方法显然对标准以太网具有很好的兼容性，但是只能实现软实时，因为CSMA/CD机制的原因，实时性能不高；使用这种方式的有Profinet和Ethernet/IP。
2. 标准以太网帧：链路层基于标准的以太网，而传输层不采用TCP/IP，通常采用主站控制所有从站对介质的访问时间/顺序，通过时分复用的方式来避免访问冲突。这种方式可以直接使用以太网的硬件，而通过修改传输层来实现实时性；使用这种方式的有PowerLink、Profinet RT。
3. 修改的以太网帧：不使用标准以太网帧结构，而是进行优化和修改以达到更高的性能。通常需要借助专用的硬件来实现，比如ASIC或FPGA。使用这种方式的包括Ethercat、SERCOS III、Profinet IRT。