B&R快速以太協(xié)議滿足以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)性的要求

以太網(wǎng)與實(shí)時(shí)性”已經(jīng)成為自動(dòng)化業(yè)界最熱門的話題之一。無(wú)數(shù)自動(dòng)化制造商與自動(dòng)化組織都試圖解決這一難題，因此也就出現(xiàn)了如此眾多針對(duì)該問(wèn)題的不同方案。

所有這些方案都涉及的一個(gè)共同要素就是TCP／IP協(xié)議。但是前提是該協(xié)議必須滿足實(shí)時(shí)性的要求。所以我們先討論一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：

1.自動(dòng)化任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是什么？

這個(gè)問(wèn)題并不容易回答。對(duì)于文件傳輸，500ms已稱得上實(shí)時(shí)了；而對(duì)于視頻數(shù)據(jù)包傳輸，實(shí)時(shí)要求變成了100ms，至于“IP語(yǔ)音服務(wù)”，實(shí)時(shí)的要求是20ms。在自動(dòng)化理論中，10ms也許已經(jīng)足夠，然而許多情況表明事實(shí)并非如此。數(shù)據(jù)刷新時(shí)間必須比這快得多，例如維持穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集的采樣率；這里還未提及必要的抖動(dòng)要求。如果使用軸而且要求同步工作，那么要求則更嚴(yán)格。這種場(chǎng)合下，TCP/IP以及以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)性方面很快就達(dá)到了極限。

實(shí)時(shí)性通常要求確定性的行為。即應(yīng)該可以計(jì)算數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)臅r(shí)間幀。在這一方面，CSMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／Collision Detection）訪問(wèn)方式呈現(xiàn)出以太網(wǎng)的一個(gè)基本問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)上的各工作站對(duì)總線“監(jiān)聽(tīng)”以確認(rèn)總線是否空閑。如果空閑，它們就開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果兩個(gè)工作站同時(shí)試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，沖突就產(chǎn)生了。在這一情況下，訪問(wèn)機(jī)制首先確保工作站停止傳輸數(shù)據(jù)。而后，根據(jù)預(yù)定義的隨機(jī)選擇算法，工作站再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程一直重復(fù)直至沖突消失。上述的機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的安全發(fā)送；可是從確定性行為的角度看來(lái)，這卻是一個(gè)很大的障礙。

圖一 以太網(wǎng)訪問(wèn)方式

多數(shù)方案使用TCP/IP作為以太網(wǎng)上的協(xié)議。用戶的數(shù)據(jù)由傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議“打包”傳輸。在接收工作站，這些數(shù)據(jù)又被解包。整個(gè)過(guò)程在TCP/IP堆棧運(yùn)行，即數(shù)據(jù)包要兩次通過(guò)這一堆棧。利用166MHz奔騰處理器以及UDP/IP（和TCP/IP相似卻更快）測(cè)量，運(yùn)行時(shí)間約為400μs。數(shù)據(jù)包從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)傳遞到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程則要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。

TCP/IP協(xié)議的另一不足之處就是所謂的“不可見(jiàn)通信”。這是指數(shù)據(jù)通信在一個(gè)與用戶無(wú)關(guān)的后臺(tái)自動(dòng)完成。TCP/IP利用它來(lái)檢查網(wǎng)絡(luò)上各站點(diǎn)的狀態(tài)。這種后臺(tái)通信方式因?yàn)闀?huì)引發(fā)沖突從而限制了確定性行為。

圖二 TCP/IP棧圖示，從硬件到應(yīng)用軟件

目前有多種不同的方案可用來(lái)處理這些以太網(wǎng)和TCP/IP的問(wèn)題。

1.1 根據(jù)IEEE 802.1Q/802.1p定義數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)

按照IEEE802.1Q/802.1p的定義，設(shè)置優(yōu)先級(jí)或在隊(duì)列中臨時(shí)儲(chǔ)存了幀以后，就可以利用以太網(wǎng)頭部的擴(kuò)展范圍進(jìn)行流控制。這一過(guò)程通常由交換機(jī)處理。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包定義了級(jí)別以后，以太網(wǎng)芯片本身就能處理這一功能—從而速度更快。不足之處在于只有新硬件才具備這一功能。該方案不再提供向下兼容性。而且，電子報(bào)文的順序不再得到保證。而TCP/IP原本是具備這一特性的。

1.2 沖突概率

如果網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有太多的數(shù)據(jù)通信，那么沖突的概率會(huì)很低。沖突概率隨著數(shù)據(jù)通信的增加而呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于或等于10％的時(shí)候，某些方案會(huì)假設(shè)沖突是可避免的?？墒菍?shí)際上沖突仍在發(fā)生（盡管概率很低），同時(shí)實(shí)際利用的快速以太網(wǎng)帶寬則有很大的降低。

1.3 在沖突域利用交換機(jī)分段

網(wǎng)段分割（利用交換機(jī)分割網(wǎng)絡(luò)）是一種完全不同的方案。它能夠完全避免沖突的發(fā)生。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)通過(guò)交換機(jī)連入網(wǎng)絡(luò)，這種方式有些類似于一組點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，即所謂的沖突域。如果不考慮成本，一個(gè)關(guān)鍵因素在于：交換機(jī)是智能化的，進(jìn)入的數(shù)據(jù)包在分析以后直接發(fā)送給目標(biāo)站點(diǎn)。這一方案比單純集線器方式的反應(yīng)速度更快，抖動(dòng)也更小。

1.4 主－從方式

還有一種可能的替代方案：主從方式。它基于TCP/IP或UDP/IP，具有避免沖突的優(yōu)點(diǎn)，但仍有著這些協(xié)議的缺陷。另一種可能性是采用特殊協(xié)議而拋棄TCP/IP。這種方案的優(yōu)勢(shì)在于由于幾乎所有快速以太網(wǎng)的帶寬都得到了利用，因此數(shù)據(jù)吞吐量得到了極大提高。但在主站之間的通信卻是一個(gè)不足，即只有主－從－主的通信才是可能的。從站間的通信是不可能的。

1.5 時(shí)間片通信網(wǎng)絡(luò)管理

貝加萊的出發(fā)點(diǎn)是進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)主-從方式。這樣，在高速率、高利用率的網(wǎng)絡(luò)中以最小抖動(dòng)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)才得以體現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)工作站與其他工作站，工作組，或所有其他工作站的通信也被嚴(yán)格地限定在規(guī)定時(shí)間內(nèi)。這可確保每次只有一臺(tái)在發(fā)送數(shù)據(jù)。由于沒(méi)有沖突，從而做到了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)使用而不產(chǎn)生任何問(wèn)題。這種方式就是ETHERNET POWERLINK（B&R 快速以太協(xié)議）所采用的方法。

2.ETHERNET POWERLINK的目標(biāo)

我們的目標(biāo)是在快速以太網(wǎng)基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)高速，實(shí)時(shí)，確定性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。利用高速循環(huán)數(shù)據(jù)交換，抖動(dòng)必定會(huì)降到最小，同時(shí)也能夠在不影響循環(huán)通信情況下處理非循環(huán)數(shù)據(jù)。而且，I/O與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)也能夠在互相之間以及與PCC系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)同步傳輸。

所有這一切的結(jié)果就是提供了一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)快速以太網(wǎng)，專為IO，驅(qū)動(dòng)以及B&R Automation Net?優(yōu)化的全新網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3.ETHERNET POWERLINK的新特性

ETHERNET POWERLINK所支持最快網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間是約400 μs，因此能夠與ACOPOS驅(qū)動(dòng)控制周期保持同步。在一個(gè)400 μs循環(huán)中，大約8個(gè)工作站能夠完全同步工作，而10個(gè)工作站的同步周期約為500 μs，30個(gè)工作站時(shí)約為1ms。廣播機(jī)制用于與ACOPOS驅(qū)動(dòng)保持同步，這樣所有工作站在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)都能接收相應(yīng)的指定數(shù)據(jù)。單純網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)低于1μs，相比之下500kps的CAN中相應(yīng)的值是約254μs。

圖三 目標(biāo)沖突的比較（0＝極差，10＝極佳）

網(wǎng)絡(luò)循環(huán)可以通過(guò)主站配置，并可與PCC任務(wù)等級(jí)保持同步。協(xié)議同時(shí)支持高速和低速工作站。其中區(qū)別在于所有高速工作站在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)中都能通信；而一個(gè)網(wǎng)絡(luò)循環(huán)中只能有一個(gè)低速工作站能夠完全工作。這樣，即使是很高的網(wǎng)絡(luò)循環(huán)周期，網(wǎng)絡(luò)工作站的數(shù)量也可以大量的增加；因?yàn)樵诿總€(gè)循環(huán)中，僅處理高速工作站加上一個(gè)低速工作站。網(wǎng)絡(luò)中允許容納一個(gè)主站和多達(dá)254個(gè)從站。

“非循環(huán)數(shù)據(jù)通信不影響循環(huán)通信”的目標(biāo)也能夠完全實(shí)現(xiàn)。ETHERNET POWERLINK能夠集成于B&R Automation NetTM 之中。

4.ETHERNET POWERLINK在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的拓展

ETHERNET POWERLINK完全建立在標(biāo)準(zhǔn)快速以太網(wǎng)之上，因此它完全符合標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理特性。它的傳輸速率為100Mbps，使用帶RJ45插頭的標(biāo)準(zhǔn)雙絞線電纜（超五類電纜）。網(wǎng)段長(zhǎng)度為100m，支持星型和樹(shù)型結(jié)構(gòu)。僅允許使用集線器作為連接設(shè)備，由于有實(shí)時(shí)性要求而不允許使用交換機(jī)。

OSI模型表示了ETHERNET POWERLINK協(xié)議與上下各層次之間的關(guān)系。它表明使用CSMA/CD訪問(wèn)方法和媒體訪問(wèn)控制（MAC）的ETHERNET層處于基礎(chǔ)的位置。上方各層（IP與TCP或UDP）則由POWERLINK協(xié)議取而代之。B&R Automation NetTM也使用TCP/IP或UDP/IP，不過(guò)仍能夠與ETHERNET POWERLINK協(xié)同工作。因此，與應(yīng)用層也就實(shí)現(xiàn)了高速循環(huán)數(shù)據(jù)通信。

圖四 OSI七層模型中不同協(xié)議的位置

5.結(jié)論

直到目前，建立一個(gè)絕對(duì)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)（超高速、完全實(shí)時(shí)能力、覆蓋從傳感器到ERP鏈接所有范圍）從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)是不可能的。只有定義了相應(yīng)的目標(biāo)，才可能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案。在創(chuàng)建優(yōu)化方案的同時(shí)，必須考慮到各個(gè)目標(biāo)之間產(chǎn)生的所有沖突。擁有ETHERNET　POWERLINK，貝加萊已經(jīng)開(kāi)發(fā)了專用于IO、驅(qū)動(dòng)和B&R Automation NetTM的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，它能夠最優(yōu)化的滿足以太網(wǎng)和實(shí)時(shí)性的要求。

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