如何設(shè)計(jì)工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)表示系統(tǒng)在一個(gè)確定時(shí)間內(nèi)處理外部事件。確定性意味著系統(tǒng)具有一個(gè)可預(yù)知的響應(yīng)。實(shí)時(shí)通信的一般要求：

確定性的響應(yīng)；

標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間=5ms；

以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信應(yīng)對(duì)設(shè)備處理器造成小的負(fù)擔(dān)，因此處理器的主要任務(wù)是處理用戶(hù)程序而不是通訊翻譯的工作，同時(shí)應(yīng)減量減少通訊時(shí)間。圖1表明了哪些因素影響通訊周期。

實(shí)現(xiàn)通信的一種方式使用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，例如TCP/IP或者UDP/IP等，然而使用它們會(huì)帶來(lái)缺點(diǎn)：幀過(guò)載會(huì)增加幀的長(zhǎng)度，因而會(huì)引起線(xiàn)路上傳輸時(shí)間的增加見(jiàn)圖2。此外，對(duì)應(yīng)的通信棧需要占用處理器相對(duì)長(zhǎng)一點(diǎn)的計(jì)算時(shí)間，因而會(huì)導(dǎo)致發(fā)送周期增加。

通過(guò)對(duì)發(fā)送器和接收器的通訊棧的優(yōu)化，可以使更新率有相當(dāng)大的改觀，而且處理器負(fù)載也會(huì)相應(yīng)減少。然而，對(duì)通信棧的運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化也就意味著此時(shí)的TCP/IP通訊棧不再是一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，而只是一種專(zhuān)門(mén)的實(shí)現(xiàn)方式了，對(duì)UDP/IP實(shí)現(xiàn)的使用也是同樣。

然而第三層和第四層的協(xié)議只是適合部分的周期交換數(shù)據(jù)，對(duì)于這種應(yīng)用，建議使用遵照ieee802.3制定優(yōu)化第二層協(xié)議。這是唯一的局限就是：由于沒(méi)有使用第三層協(xié)議，所以就會(huì)失去路由功能。但是作為工業(yè)一級(jí)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)中盡量不要設(shè)計(jì)路由器，因?yàn)檫@會(huì)大大降低通信速度。

例如profinet就使用了優(yōu)化的通信通道進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，因此保證了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不同站點(diǎn)之間在一個(gè)極短的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行時(shí)間要求苛刻的數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)軟件方案或者使用特殊的硬件，可以在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)控制器上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信通道。該通道基于ISO/OSI參考模型的第二層見(jiàn)表1。此處數(shù)據(jù)包的尋址不是通過(guò)IP地址來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是使用接受設(shè)備的MAC地址。實(shí)時(shí)通信允許精確限定（預(yù)測(cè)）傳輸時(shí)間，并能保證其它標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/IP可以在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上使用而不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。