以太网与确定性

　　在将以太网与业界公认具有确定性的其他现场总线进行比较时，就会产生关于以太网与确定性的激烈争论。有些人认为相比其他专用工业现场总线系统，工业以太网系统的确定性不够。我们在此将分析确认工业以太网在一些通常条件下实际上是具有确定性的。
　　首先，我们必须研究确定性的定义。确定性系统被认为是可以预测的，例如，污水处理系统可以是应用响应时间为500 ms的稳定而可预测的确定性系统，而多轴CNC运动系统则可能要求应用响应时间为1 ms。以上两例说明，确定性是每种特定应用中随客户和过程要求变化的因素。确定性的实质是适应当前应用要求的每一次运行均具备可预测性和一贯性。
　　许多系统都宣称自己具备确定性，但如果仔细研究，以太网的确定性可以胜过其中最好的系统。以一种分布式输入/输出系统（DIO）为例，其从属I/O控制器必须由一个主PLC控制，DIO系统中的通信丢失将导致进程失控。由于改变DIO ART（应用响应时间）性能预期的网络变更造成的任何延迟都可能引发问题，仅仅由于添加或移除了某个设备，或者以附加电缆延长网络都可能需要不可预测的逻辑及时间变更。
　　尽管每种现场总线均有其数据包负荷，以太网还是能够在

扩展工序和车间网络与减少网络负荷及性能损失方面寻求最佳的平衡点。其他现场总线由于有节点和设备数量的限制，进行扩展时必须以非常严格的方式付出成本。
　　本文研究网络传输组件，并对以太网与目前被广泛认为是确定性系统的其他现场总线系统进行功能比较。

　　现场总线比较
　　多数被视为确定性的分布式输入/输出（DIO）现场总线系统均为逻辑环/物理总线令牌传递型网络，如Profibus、Modbus Plus等。以Modbus Plus DIO为例，假设PLC请求或I/O设备响应传输时间固定，则可以计算出传输消息请求或响应所需的时间。而在Profibus等其他确定性网络中，随着网络长度超出特定的网络长度边界，传输时间将由于传输速度的降低而延长。在这些例子中，现场总线本身仍然被视为确定性，因为任意两个给定节点之间的网络传输消息交付时间是可以计算和稳定的。
　　以太网最初是一种总线连接型网络，它由于随机、不确定性而被弃用，被视为不适用于许多工业应用场合。因为CSMA/CD以太网可能由于MAC层冲突后退算法重发定时器而导致消息传输时间变化，且存在过多的冲突导致消息在MAC层被放弃的可能性，以太网要依赖于更高层的协议（如TCP）或应用程序来重发消息。这一点曾经是以太网与现有作为基准的确定性现场总线竞争的一大劣势。
　　而以太网已经有了很大的发展，网络访问和总线争用等障碍已经被排除。由于1995年Kalpana引入的以太网交换技术，以及IEEE 802.3x全双工标准，冲突和总线争用已经有了解决办法。以太网上任何以全双工方式运行的设备都可以在任何时候同时进行发送和接收，而没有冲突的风险。在全双工运行中，以太网CSMA/CD冲突不需要，因而被禁用了。
　　将以太网与现场总线在数据量、设备数量和网络距离等方面进行比较，以太网具备若干优势。在设备数量方面，以太网通过采用IP子网掩码，对终端设备数量没有实质性限制。例如，采用24个主位和8位子网掩码的A类网络可以提供超过1670万个节点地址，我们可以认为这是一个实际上不会达到的子网规模。在点对点消息分发方面，每个节点都能够与其他任何节点直接通信。由此，询问或响应消息的传输不会受到网络上设备数量的显著影响，因为在交换式以太网中没有令牌传递拓扑中所采用的顺序消息分发。采用令牌传递的逻辑环式现场总线必须将令牌顺序发至每个设备，因此响应时间会随设备数量的增加而增加。
　　在上面的简单比较中，以太网比现有的现场总线具有很大的优势，但仍然有可能影响以太网传输确定性的因素。下面我们将分析这些影响，并研究可以用来在经过适当组合的工业以太网网络中抵消这些影响的方法。
　　在专用的现场总线/令牌传递系统中，网络流量通常局限在特定的消息类型和网络设备间的顺序流动中。而在以太网系统中，某些可以灵活实现自由形式点对点通信的消息可能需要进行广播，以确定构成完整消息请求的所需资源的位置。地址解析协议（ARP）是用于将以太网硬件MAC地址与逻辑软件栈IP 地址绑定的辅助协议。ARP请求在设计中是要向IP子网或VLAN广播域上的所有设备广播的。但ARP请求及其他协议广播消息在过多时可能具备破坏性。处理广播请求是IP以太网的一项基本功能，即使ARP请求是针对另一终端设备时也是如此。其他许多通用协议（如NetBIOS或IPX）也会提供广播服务，它们有时也会产生与子网上其他所有NetBIOS主机反向的广播，在Microsoft Windows NetBIOS域或工作组主机浏览器选举发起时就是这种情况。还有一种情况是，一台配置在另一网络的主机试图定位其基本资源，错误配置的主站PC可

能突然发出每秒达到10个或更多的广播，尝试在不可用的网络域控制器、服务器份额及其他资源上登录或注册，由此可能对某些设备具有破坏性。
　　如果ARP或其他广播过多，这些广播就可能具备破坏性，它们会使子网上所有终端设备的缓冲区拥塞， 延迟甚至阻碍对重要的单播或多播自动化应用消息以及BootP或DHCP等合法UDP广播请求的正常处理。
　　以太网交换机已经发展到可以采用广播率限制功能来控制过多的广播流量，该功能将对配置水平以上的过多的广播流量进行钳制。选用支持广播率限制的有管理工业以太网交换机可以让交换机来保护终端设备免受过多广播的影响，并确保任何广播风暴的破坏性降至最低，使之不可能影响工业应用。有一种配置原则是：允许子网上每个设备的交换机端口上每秒有2次一般广播，再加上每个目标设备每秒2次广播的，以此作为保守数字。得出这两个数字的原则是：对2个应用服务中（如ARP和DHCP服务）的每一个，各允许1次广播，而IP标准广播间隔为每秒1次。
　　例如，如果在一个有60个主机的子网上，某个设备在与另外5个设备通信，则广播率限制将是每秒130次广播。
　　（子网设备数 × 2）+（目标设备数× 2）= 比率限制
　　考虑断电后恢复供电的情况，所有设备可能会几乎同时启动，它们不仅会进行重复地址检查，还会试图获取地址和配置信息，并尝试查找其指定对应端。客户端的广播通常情况下限制在以1 s为间隔，而某些设备可能在这1 s的界限内在IEEE 802.3与Ethernet II之间交换帧类型。所有客户端也会使用ARP来查找其对应端的MAC 地址，以收集发起TCP连接所需的MAC地址信息。广播率限制配置的值必须足够公平，以使所有设备可以接收来自子网上所有正在连接的设备所发送的广播。
　　通过以全双工模式运行，并减轻过多广播或多播造成的破坏，以太网可以实现确定的性能。采用现代终端设备，以太网通常可以100 Mbs的速率进行传输。自动化应用协议中的数据包大小通常在500字节以内，发送这样的500字节数据包所需的传输时间为0.00004 s或40 ms。此外还有其他一些因素，如正常传播速度（NVP），它是计算某个比特沿给定长度的介质的传播时间所必需的。NVP以光速百分比的形式度量。多数5e类电缆的NVP在0.65-0.70之间，即它们将以最高为光速70%的速度传输比特。针对所有实际应用，100 m电缆段上的NVP为477 ns。如此小的时间值可以被忽略。
　　如前所述，可实现确定性性能的传统现场总线也有一些变量，但不会影响总的传输时间。例如在Modbus Plus上，设备的数量会影响令牌轮转时间。在Profibus上，网络的总长度将影响传输速度。但在二者任何一种网络中，一旦网络建立并稳定，传输时间就将是稳定的。
　　尽管有许多控制广播、多播和拥塞的办法，多数工业以太网实际上基本没有出现这些问题的可能性，因为自动化应用中数据包都较小。较小的数据包所需传输时间短，插帧也更容易。在我们的测试中，我们发送了78个作为样本的Modbus TCP/IP请求数据包，包括以太网MAC开销（包间时隙、报头、FCS），发送通过一系列以全双工方式运行的以太网交换机进行。结果示于图1中。图2所示为采用275字节的Modbus TCP响应重复进行的相同测试的结果。由图1和图2可以看出，随着路径上交换机数量的增加，传输时间会相应地增加。但请注意，即使经过了若干台交换机，实际的总传输时间仍然是一个很小的值。
　　这表明，与专用确定性现场总线类似，一旦交换机路径确定，传输时间就会达到一贯的稳定状态，变化量可能只是几微秒。在两个设备之间的路径上添加一台交换机对总传输时间的增量是一个大体均匀的值。

图1：78字节的Modbus响 就测试结果

图2：275字节Modbus TCP响应测试结果

　　测试设置
　　测试采用多台有管理和无管理的工业以太网交换机进行。所用的数据包生成器为Spirent Smartbits 200，如图3所示。
　　Modbus请求和Modbus响应数据包在SmartBits 200的输出接口发出后分别经过数量递增的交换机传递，之后再由SmartBits 200的输入接口接收，以测量往返时间。每个数据包在各帧之间都有标称96比特的包间时隙（IPG），以模拟实际的数据流。所耗费时间以SmartBits 200上的单系统时钟基准测量。由于专门用于试验的SmartBits采用专业化ASIC来生成流量，其数据流会保持恒定，不存在软件型数据包发生器中的操作系统波动的影响。

图3：Spirent Smartbits 200

　　按优先级的排队效果
　　即使配置了广播率限制、多播过滤和端口优先级，有可能出现一个最大的低优先级以太网帧正好在一条高优先级自动化应用消息之前在交换机输入端开始缓存的情况。如图4

所示。最大的以太网帧将被继续缓存，自动化应用消息数据包则将被强制排队。这种情况可能很少见，但确实可能出现。在这种情况下，100 Mbs链路上自动化应用数据包所经历的最大排队延时将是121 μs，这并不足以对自动化应用造成破坏，完全处在确定性的合理容差范围内。

图4：最低优先级最大帧在高优先级信息之前开始缓存

　　针对确定性设计
　　网络设计对于确定性以太网的维护也起着重要作用。如前所述，当以全双工方式运行时，唯一真正威胁确定性的是由非必要协议或过多广播或多播造成的破坏。如果您开发的是以太网上的分布式输入输出（DIO）网络，并需要真正的确定性性能，则应考虑将专用PLC通信适配器上的DIO设备与专用交换机隔离（如图5）。

图5：PLC DIO设备与专用交换机隔离的DIO网络

　　请注意，现代工业以太网交换机上的光纤接口对于距离没有实际的限制，这一点与其他确定性现场总线不同。在使用多模光纤介质时，DIO网络的相邻两台交换机之间可以有2 km的距离。在使用单模光纤介质时，相邻两台交换机间超过20 km的允许距离实际对任何工业应用都是足够的。相比Profibus，它并不需要降低速度即可实

现。
　　总而言之，以上给出了两种实现以太网确定性的方式：第一种是采用端到端全双工运行，并采用工业以太网交换机的配置选项来减轻过度的广播、不必要的多播，并对自动化应用流量划分优先级。这样可以在几乎所有自动化应用上实现1 ms以内的确定性；第二种选择是使用专用的DIO LAN来实现以太网上的确定性I/O控制。这种方案以最小的附加成本让以太网可以在封闭、受控制的环境下运行，以实现确定性。
　　由于这些设计和配置方案，以太网可以实现比传统确定性现场总线更高的灵活性，而没有限制条件和性能损失。随着成本降低和产品选择范围的增加，以太网正在成为现场总线的选择方案。通过很少的规划并采用几项工业以太网交换机配置功能，以太网就可以很容易地进入目前由专用现场总线所占据的领域。