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深入讲解实时以太网工业以太网—实时以太网—在过去几年中经历了巨大的增长。
虽然经典的现场总线仍大量存在，但它们已经过了巅峰期。
流行的实时以太网协议扩展了以太网标准，可以满足实时功能的要求。
现在，TSN为实时以太网提供了一条新的途径。
实时与通信在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。
为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。
以太网比现场总线快得多——那又怎样？为了满足自动化的实时要求，需要保证传输带宽和传输延迟。
即使这些带宽通常非常小（每个器件几十个字节），该传输通道必须在每个I/O周期中可用，且达到延迟要求。
但是，经典以太网不提供延迟和带宽保证。
相反，如果操作需要，以太网可以随时丢弃帧。
这意味着什么？图1. 自动化中的实时通信。
以太网是所谓的桥接网络。
帧（以太网帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（网桥），从那里可能发到其他网桥，最后到达另一个端点。
该架构在很大程度上具有自我配置能力。
网桥在转发帧之前先完全接收帧。
许多问题正是出在这里：* 如果在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数，则丢弃新传入的帧。
* 由于帧长不同，因此其延迟时间为其长度的函数。
这会导致延迟波动（抖动）。
* 由于交换机应通过其发送帧的端口可能已经被其他帧完全占用，所以会导致额外的延迟。
发送大型以太网帧（1522字节）在100 Mbps速率下大约耗时124μs。
如果说以太网通常运行良好，这种说法在某种程度上是公允的。
但是，这样做，我们使用的“通常”一词在硬实时语境下是无意义的。
仅仅通常满足实时条件是不够的，必须始终满足该条件。
住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。
工业通讯也不公平：最重要的是，控制/闭环控制应用始终具有优先权。
图2. ISO七层模型。
以PROFINET和EtherCAT为例展示的实时扩展由于负责以太网标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案，工业界开发了自己的解决方案—再次证明了其创造力。
EtherCAT实时总线导语：EtherCAT实时以太网总线，在物联网和工业4.0、中国制造2025快速发展的今天，将成为智能制造中的重要基础，与上层的ERP和生产管理系统可以无缝连接，发挥越来越重要的作用。
SoftServo从2008年开始进行EtherCAT总线的技术研究与产品应用，拥有业界一流的总线控制应用经验，所有主站从站代码均自主开发完成，可以帮助用户快速的分析问题，提供主从站配置、选型及排除故障的最优最快的解决方案。
SoftServo软件运动控制通过EtherCAT总线以RJ45网线依次连接电脑端的网卡和伺服或IO设备端的总线接口，可以同时控制多达64轴（及更多的IO从站模块），伺服控制周期最快可达0.5ms。
简单的配置和通用的线缆，无需硬件板卡，在集成和维护上十分的经济和简便。
EtherCAT实时总线EtherCAT总线是开放的实时以太网总线，是国际IEC62407规范以及中国国家标准GB/T31230.1-6，用于主站与EtherCA T伺服（COE）和IO设备的网络通讯。
简介EtherCAT实时以太网总线，在物联网和工业4.0、中国制造2025快速发展的今天，将成为智能制造中的重要基础，与上层的ERP和生产管理系统可以无缝连接，发挥越来越重要的作用。
SoftServo从2008年开始进行EtherCAT总线的技术研究与产品应用，拥有业界一流的总线控制应用经验，所有主站从站代码均自主开发完成，可以帮助用户快速的分析问题，提供主从站配置、选型及排除故障的最优最快的解决方案。
SoftServo软件运动控制通过EtherCAT总线以RJ45网线依次连接电脑端的网卡和伺服或IO设备端的总线接口，可以同时控制多达64轴（及更多的IO从站模块），伺服控制周期最快可达0.5ms。
简单的配置和通用的线缆，无需硬件板卡，在集成和维护上十分的经济和简便。
EtherCAT特点●通讯速率--100M实时以太网通讯。
ethercat协议EtherCAT协议是一种实时以太网协议，用于实时控制和数据通信。
它被广泛应用于工业自动化领域，能够提供低延迟、高性能和可靠的数据传输。
EtherCAT协议采用了主从结构，其中一个主节点负责通信调度，而其他从节点执行实际的控制任务。
EtherCAT协议的主要特点是基于以太网技术，通过硬件修改和软件描述来实现实时通信。
它使用了分布式时钟同步机制，确保所有的从节点都具有相同的系统时间。
这使得从节点可以在没有主节点的干预下进行实时控制，同时减少了通信的延迟。
EtherCAT协议还具有高效的数据传输方式。
它采用了类似于总线方式的通信结构，通过在数据帧中嵌入控制和数据信息，从而实现了实时传输。
这种方式减少了通信的负载，提高了数据的传输效率。
此外，EtherCAT协议还支持多种通信拓扑结构。
它可以实现星型、线性、环形、树形等多种拓扑结构，能够适应不同的系统需求。
这种灵活性使得EtherCAT协议可以应用于各种规模和复杂度的工业自动化系统。
在实际应用中，EtherCAT协议具有许多优势。
首先，它提供了实时的控制和数据通信能力，能够满足工业自动化系统对实时性的要求。
其次，EtherCAT协议具有高度的可扩展性和灵活性，能够适应不同的应用场景。
此外，EtherCAT协议还具有较低的成本，能够降低系统的总体成本。
然而，EtherCAT协议也存在一些挑战和限制。
首先，它对硬件的要求较高，需要支持实时以太网的网络接口卡和网络交换机等设备。
其次，EtherCAT协议的部署和调试相对较复杂，需要一定的专业知识和经验。
另外，由于EtherCAT协议的通信方式较为复杂，可能引入一定的安全风险，需要进行严格的安全措施。
总的来说，EtherCAT协议是一种高性能、高可靠性的实时以太网协议，广泛应用于工业自动化领域。
它通过分布式时钟同步、高效的数据传输和灵活的通信拓扑结构，实现了实时控制和数据通信的要求。
尽管存在一些挑战和限制，但随着技术的不断发展，EtherCAT协议有望在工业自动化领域取得更广泛的应用。
揭开实时以太网神秘的面纱
说到实时以太网，大多数工程师都比较生疏，什么是实时?为什么实时?
其实就是一层面纱，今日我们来给您揭开!
大多数工程师平常接触的以太网基本都是TCP协议。
由于觉得以太网TCP协议比UDP协议高级，理由就是数据在传输过程中不简单丢，但工业上的实时以太网无数都是不基于衔接的UDP协议，这是为什么呢?我们先看下他们的区分。
1.11.TCP与UDP的基本特性
1.1.11.1 TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)
TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是面对衔接的协议，也就是说，在收发数据前，必需和对方建立牢靠的衔接。
一个TCP 衔接必需要经过三次握手才干建立起来。
TCP衔接三次握手过程
1.主机A通过向主机B 发送一个含有同步序列号的标记位的数据段给主机B ,向主机B 哀求建立衔接,通过这个数据段,主机A告知主机B 两件事:我想要和你通信;你可以用哪个序列号作为起始数据段往返应我.;
2.主机B 收到主机A的哀求后,用一个带有确认应答(ACK)和同步序列号(SYN)标记位的数据段响应主机A,也告知主机A两件事:我已经收到你的哀求了,你可以传输数据了;你要用哪个序列号作为起始数据段往返应我;
3.主机A收到这个数据段后,再发送一个确认应答,确认已收到主机B 的数据段:"我已收到回复,我现在要开头传输实际数据了;
这样3次握手就完成了,主机A和主机B 就可以传输数据了。
1所示。
图1 TCP建立衔接3次握手过程
TCP断开四次握手过程
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实时以太网POWERLINK技术基础摘要：开源实时通信技术Ethernet POWERLINK是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。
本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计，并定义其物理层与介质等内容。
关键词：实时性、直接交叉通信、冗余技术、安全技术、时隙管理、多路复用、主从结构、NMT、SDO,PDO1.工业实时以太网技术1.1为什么以太网得到发展？以太网实在上世纪70年代后期就已经被开发的网络通信技术，不像其它系统，从那时到现在以太网的开发从没间断，许多公司进行了大量的投资，以太网技术现在在全世界已经拥有巨大的共享知识积累并在全世界分布。
以太网是一个电缆基础的数据网络技术，它用于本地数据网络LAN，他能够使本地的所有设备数据可以互联，例如，计算机、打印机的数据采用相同的数据帧格式，只是最开始，传统意义的LAN 类型是受制于一个独立的建筑的，以太网技术现在已经可以互联远程单元的设备了。
以太网标准定义了一个电缆和连接器类型，比特信号在传输层的处理细节，以及特定包的格式和协议，参照OSI模型，以太网定义物理层和数据链路层，以太网或多或少包括IEEE802.3，自90年代以来，它逐渐成为了最为广泛使用的LAN技术，并取代其它LAN标准例如令牌环网、以及曾经的工业和工厂网络技术ARCNET，以及在特定应用环境应用的FDDI，以太网可以作为其它网络协议的基础协议如：AppleTalk,DECnet,IPX/SPX,或者TCP/IP。
1.2 CSMA/CD及它带来什么影响？CSMA/CD机制运行原理通俗的讲，以太网是依照共享介质机制来运行的，这意味着，在任意给定时间，所有的网络节点可以向其它节点发送和接收其它节点的信号，每个设备被赋予了一个独立的MAC地址（介质访问控制），它确保了所有网络节点的确定标识，为了防止两个节点同时发送数据而导致数据碰撞，以太网使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），即，每个节点侦听网络，如果它发现网络上没有信号正在传输它就可以发送，然而，某个节点仍然会导致不同节点的并发信号丢失，在这种情况下，碰撞检测阻止该节点的发送，在一个任意的间隔过后，节点尝试一个新的数据发送，数据传输没有数据丢失，但是，这会影响速度。
西安交通大学实时以太网技术现状与发展学院电气工程学院专业控制理论与控制工程班级硕1021姓名李勇强摘要在世界各国研发机构的共同推动下，以太网技术得以极其快速的发展，关键技术正逐个被攻破，工业现场环境的安装应用将被解决。
随着初期研发投资被消化以后，工业以太网相对于现场总线的性价比优势将逐渐凸现。
在研究工业网络实时性要求的基础上，给出了工业以太网和实时以太网的定义，深入分析了6种主要实时以太网的通信协议，同时，较全面地概述了我国EPA实时以太网技术及其标准。
工业控制网络的实时性要求我们知道，用于工业自动化系统的网络通信技术来源于IT信息的计算机网络技术，但是又不同于一般的计算机网络通信，这是因为IT网络通信是以传递信息为最终目的，而工业控制网络传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目标。
所以，用于测量和控制数据通信的主要特点是：允许对事件进行实时响应的事件驱动通信，很高的可用性，很高的数据完整性，在有电磁干扰和地电位差的情况下能正常工作，以及使用工厂内专用的传输线等。
其中，最主要的要求是网络通信的高实时性。
对于工业自动化系统来说，目前根据不同的应用场合，将实时性要求划分为三个范围：信息集成和较低要求的过程自动化应用场合，实时响应时间要求是100 ms或更长；绝大多数的工厂自动化应用场合实时响应时间的要求最少为5～10ms；对于高性能的同步运动控制应用，特别是在100个节点下的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求小于1 ms，同步传送和抖动小于1μs。
工业控制网络的实时性还规定了许多技术指标，如交付时间、吞吐量、时间同步、时间同步精度以及冗余恢复时间等，对于这些性能指标都有详细的规定，例如：我国制定的《用于工业测量与控制系统的EPA、系统结构与通信标准》的国家标准中规定网络的时间同步精度分为8个等级，即0：无精度要求，1：＜1 s，2：＜100 ms，3：＜10ms，4：＜1 ms，5：＜100 μs，6：＜10μs，7：＜1μs。
工业以太网与实时以太网长期以来，关于现场总线的争论不休，互通与互操作问题很难解决，于是现场总线开始转向以太网。
经过近几年努力，以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。
众所周知，Ethernet 网络出现于1975年，并于1982年制定成为IEEE802.3标准的第一版本，1990年2月该标准正式成为ISO/IEC 8802.3国际标准。
在这期间，Ethernet从最初10 M bit/s以太网，过渡到100 M bit/s快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的光纤以太网和万兆以太网。
可以说，开放的Ethernet是30年来发展最成功的网络技术，它是在与IEEE 802.4令牌总线局域网和IEEE 802.5令牌环局域网两个对手的竞争中脱颖而出的，并导致了一场信息技术革命。
Ethernet网的快速发展和广泛应用，有力地推动了高技术芯片和系统开发，从而大大提高了网络性能和降低了系统成本。
因而，Ethernet每年在世界上的安装量超过上亿个节点。
通常，人们习惯上将用于工业控制系统的以太网统称为工业以太网。
但是，如果仔细划分，按照国际电工委员会SCBSC的定义，工业以太网是用于工业自动化环境，符合IEEE 802.3标准，按照IEEE 802.1D《媒体访问控制(MAC)网桥》规范和IEEE 802.1Q《局域网虚拟网桥》规范，对其没有进行任何实时扩展(Extension)而实现的以太网。
通过采用减轻以太网负荷，提高网络速度，采用交换式以太网和全双工通信，采用信息级、流量控制以及虚拟局域网等技术，到目前为止可以将工业以太网的实时响应时间做到5～10ms，相当于现有的现场总线。
工业以太网在技术上与商用以太网是兼容的。
对于响应时间小于5ms的应用，工业以太网已不能胜任。
为了满足高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升工业以太网实时性的技术解决方案。
这些方案建立在IEEE 802.3标准基础上，通过对其和相关标准的实时扩展，提高实时性，并且做到与标准以太网的无缝连接，这就是实时以太网(Real Time Ethernet，简称RTE)。
为了规范这部分工作的行为，2003年5月，IEC/SCBSC专门成立了WALL实时以太网工作组，该工作组负责制定IEC 61784－《2基于ISO/IEC 8802－3的实时应用系统中工业通信网络行规》国际标准，在该标准中包括：Communication Profile Family－2 Ethernet/IP，CPF 3－PROFINET，CPF 4 P－NET，CPF 6－Inter bus，CPF 10－VNET/IP，CPF 11－TCNET，CPF 12－Ether CAT，CPF 13－Ethernet Power Link，CPF 14－EPA(中国)，CPF 15－NODBUS/TCP以及CPF 16 －SERCOS等11种实时以太网进行规化。
其中，包括我国EPA实时以太网标准的6 个新增实时以太网将以IEC PAS(Publicly Available Specification)公共可用规范予以发表。
在上述实时以太网技术中，将有6 个主要竞争者：EPA 、Ether CAT、Ethernet Power Link、PROFINET MODBUS－IDA和Ethernet/IP等。
六种主要实时以太网通信协议分析根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通信协议模型分为4类，如表1所示。
表1中①是经过常规最大努力提高实时性，一般工业以太网的通信协议模型。
②采用在TCP/IP之上进行实时数据交换方案。
③采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型。
④采用集中调度提高实时性的解决方案。
⑤采用类似Inter bus现场总线“集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能。
表1中同时给出了6种实时以太网技术方案的归类情况。
表1实时以太网按实时扩展方案分类1.我国的EPA实时以太网EPA网络拓扑结构如图1所示，它由两级网络组成，即过程监控级L2网和现场设备级L1网。
现场设备级L1网用于工业生产的各种现场设备(如变送器、执行机构和分析仪器等)之间以及现场设备与L2网的连接；过程监控级L2网主要用于控制室仪表、装置以及人机接口之间的连接。
无论是L1网还是L2网，均可分为一个或几个微网段。
图1 EPA 系统网络拓扑结构在EPA 系统中，将控制网络划分为若干个控制区域，每个控制区域即为一个微网段。
每个微网段通过EPA网桥与其他网段分隔，该微网段内EPA 设备间的通信被限制在本控制区域内进行，而不会占用其他网段的带宽资源。
处于不同微网段内的EPA 设备间的通信，需由相应的EPA 网桥转发控制。
为了提高网络的实时性能，EPA 对ISO/IEC 8802.3协议规定的数据链路层进行了扩展，在其之上增加了一个EPA 通信调度管理实体(Communication Scheduling Management Entity,简称EPA_CSME)。
EPA_CSME 不改变IEC 8802.3数据链路层提供给DLS User 的服务，也不改变与物理层的接口，只是完成对数据报文的调度管理。
该数据链路层模型如表2所示。
EPA_CSME 通信调度管理实体支持：完全基于CSMA/CD 自由竞争的通信调度和基于分时发送的确定性通信调度。
对于第一种通信调度，EPA_CSME 直接传输DLE 与DLS_User 之间交互的数据，而不作任何缓存和处理。
对于第二种通信调度，每个EPA 设备中的EPA_CSME 将DLS_User DATA 根据事先组态好的控制程序和优先级大小，传送给DLE ，由DLE 处理后通过PHLE 发送到网络，以避免两个设备在同一时刻向网络上同时发送数据，避免报文碰撞。
在周期报文传输阶段Tp ，每个EPA 设备向网络上发送的报文是包含周期数据的报文。
周期数据是指与过程有关的数据，如需要按控制回路的控制周期传输的测量值、控制值，或功能块I/O 之间需要按周期更新的数据。
周期报文的发送优先级应为最高。
在非周期报文传输阶段Tn ，每个EPA 设备向网络上发送的报文包含非周期数据的报文。
非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传输的数据，如程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知和趋势报告等数据，以及诸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICHP 和IGMP 等应用数据。
非周期报文按其优先级高低，IP地址大小及时间有效方式发送。
2.Ethernet/IP实时以太网Ethernet/IP实时扩展成功之处在于TCP/IP之上附加CIP(Common Industrial Protocol)，在应用层进行实时数据交换和运行实时应用，其通信协议模型如表3所示。
CIP的控制部分用于实时I/O报文或隐形报文。
CIP的信息部分用于报文交换，也称作显性报文。
Control－Net、Device Net和Ethernet/IP都是用该协议通信，3种网络分享相同的对象库、对象和装置行规，使得多个供应商的装置能在上述3种网络中实现即插即用。
Ethernet/IP能够用于处理多达每个包1500B的大批量数据，它以可预报方式管理大批量数据。
2003年ODVA组织将IEEE 1588精确时间同步协议用于Ethernet/IP，制定了CIP sync标准以进一步提高Ethernet/IP的实时性。
该标准要求每秒钟由主控制器广播一个同步化信号到网络上的各个节点，要求所有节点的同步精度准确到微秒级。
为此，芯片制造商增加一个“加速”线路到以太网芯片，从而将改善性能精度。
由此可见，CIP sync是CIP的实时扩展。
3.Modbus－IDA实时以太网Modbus组织和IDA(Interface for Distributed Automation)集团都致力于建立基于Ethernet TCP/IP和Web互联网技术的分布式智能自动化系统，为了提高竞争力，2003年10月，两个组织宣布合并，联手开发Modbus－IDA实时以太网。
Modbus－IDA实时扩展的方案是为以太网建立一个新的实时通信应用层，采用一种新的通信协议RTPS(Real－Time Publish/Subscribe)实现实时通信，该协议的实现则由一个中间件来完成。
Modbus－IDA通信协议模型如表4所示。
该模型建立在面向对象的基础上，这些对象可以通过API应用程序接口被应用层调用。
通信协议同时提供实时服务和非实时服务。
非实时通信基于TCP/IP协议，充分采用IT成熟技术，如基于网页的诊断和配置(HTTP)、文件传输(FTP)、网络管理(SNMP)、地址管理(BOOTP/DHCP)和邮件通知(SMTP)等；实时通信服务建立在RTPS实时发布者/预定者模式和Modbus协议之上。
