“以太网与实时性”已经成为自动化业界最热门的话题之一。无数自动化制造商与自动化组织都试图解决这一难题,因此也就出现了如此众多针对该问题的不同方案。所有这些方案都涉及的一个共同要素就是TCP／IP协议。但是前提是该协议必须满足实时性的要求。所以我们先讨论一个关键的问题：1.自动化任务对实时性的要求是什么？这个问题并不容易回答。对于文件传输,500ms已称得上实时了;而对于视频数据包传输,实时要求变成了100ms,至于“IP
“以太网与实时性”已经成为自动化业界最热门的话题之一。无数自动化制造商与自动化组织都试图解决这一难题,因此也就出现了如此众多针对该问题的不同方案。
所有这些方案都涉及的一个共同要素就是
TCP／
IP协议。但是前提是该协议必须满足实时性的要求。所以我们先讨论一个关键的问题：
1.自动化任务对实时性的要求是什么？
这个问题并不容易回答。对于文件传输,500
ms已称得上实时了;而对于视频数据包传输,实时要求变成了
100ms,至于“IP语音服务”,实时的要求是20ms。在自动化理论中,10ms也许已经足够,然而许多情况表明事实并非如此。数据刷新时间必须比这快得多,例如维持稳定数据采集的采样率;这里还未提及必要的抖动要求。如果使用轴而且要求同步工作,那么要求则更严格。这种场合下,TCP/IP以及以太网在实时性方面很快就达到了极限。
实时性通常要求确定性的行为。即应该可以计算数据安全传输的时间帧。在这一方面,CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collis
ion Detection）访问方式呈现出以太网的一个基本问题。网络上的各工作站对总线“**”以确认总线是否空闲。如果空闲,它们就开始发送数据。如果两个工作站同时试图发送数据,冲突就产生了。在这一情况下,访问机制首先确保工作站停止传输数据。而后,根据预定义的随机选择算法,工作站再次尝试发送数据。这个过程一直重复直至冲突消失。上述的机制保证了数据的安全发送;可是从确定性行为的角度看来,这却是一个很大的障碍。
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多数方案使用TCP/IP作为以太网上的协议。用户的数据由传输控制协议和网际协议“打包”传输。在接收工作站,这些数据又被解包。整个过程在TCP/IP堆栈运行,即数据包要两次通过这一堆栈。利用166MHz奔腾处理器以及UDP/IP（和TCP/IP相似却更快）测量,运行时间约为
400µs。数据包从一个网络站点传递到另一个网络站点的整个过程则要花费更长的时间。
TCP/IP协议的另一不足之处就是所谓的“不可见通信”。这是指数据通信在一个与用户无关的后台自动完成。TCP/IP利用它来检查网络上各站点的状态。这种后台通信方式因为会引发冲突从而限制了确定性行为。
>图二 TCP/IP栈图示,从硬件到应用软件
目前有
多种不同的方案可用来处理这些以太网和TCP/IP的问题。
1.1 根据IEEE 802.1Q/802.1p定义数据包的优先级
按照IEEE802.1Q/802.1p的定义,设置优先级或在队列中临时储存了帧以后,就可以利用以太网头部的扩展范围进行流控制。这一过程通常由
交换机处理。该方法的优点在于：高优先级的数据包定义了级别以后,以太网芯片本身就能处理这一功能—从而速度更快。不足之处在于只有新硬件才具备这一功能。该方案不再提供向下兼容性。而且,
电子报文的顺序不再得到保证。而TCP/IP原本是具备这一特性的。
