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工业以太网EtherNet/IP性能分析

2011/12/20    来源:万方数据    作者:刘健  薛吉      
关键字:工业以太网  EtherNet/IP  性能  
本文介绍了工业以太网EtherNet/IP的基本原理,分析了以太网的性能为何能满足工控领域的需求,详细阐述了EtherNet/IP的性能。

引言

    随着计算机技术、通信技术与控制技术的飞速发展,工业控制网络体系结构发生了一系列变革。近年来,国际工业控制领域的共同趋势是使用基于IEEE 802.3和TCP/IP的网络技术,形成新型基于以太网的网络控制技术,即“工业以太网”。国际上,比较流行的工业以太网有Ether-NeL/IP、Profinet、Modbus/TCP,HSE、EtherCAT,PowerLink、EPA等。

    目前,工业以太网的发展方向有2种:一种是非标准的以太网,在以太网的基础上二进行了改动,一般都采用专用的芯片进行产品研制,Profinet是其典型代表;另一种是基于标准的以太网,采用工业级的以太网芯片就能进行产品研制,EtherNet/IP正是基于标准以太网的典型代表。

1 EtherNet/IP介绍

    通用工业协议(Common Industrial Protocol,CIP)为开放的现场总线DeviceNet、ControlNet、Componet、EtherNet/IP等网络提供了公共的应用层和设备描述。它建立在单一的、与介质无关的平台上,为从工业现场到企业管理层提供无缝通信,使用户可以整合跨越不同网络的有关安全、控制、同步、运动、报文和组态等方面的信息。有助于使工程化和现场安装的开销最小化,使用户获得最大的投资收益。

    EtherNet/IP技术是基于标准的TCP/IP协议的CIP技术与以太网技术的巧妙结合,只是在TCP或UDP报文的数据部分嵌入了CIP封装协议,封装协议的主要任务是定义和规范了如何封装和传输t层协议报文,以及如何管理和利用下层TCP/IP连接,起到承上启下的作用。

    EtherNet/IP采用高效灵活的数据交换模式——生产者/消费者模式。生产者是数据的发起者,向网络上发送数据包,数据包携有指示数据内容的“唯一的”标识符。消费者是数据接收者,任何感兴趣的消费者都可通过标识符从网络中获取需要的数据,这样,多个消费者可以接收和使用这些数据。EtherNet/IP的报文主要分为隐式报文和显式报文,隐式报文主要传输一些实时I/O数据、功能性安全数据和运动控制数据,显式报文

    主要是传输一些配置、诊断等数据。EtherNet/IP基于标准的以太网技术,Ether-Net/IP的数据传输的整个过程如图1所示,它利用UDP协议传送隐式报文,将UDP报文映射到IP多播传送,实现高效I/O交换,有力支持了生产者/消费者模式。并利用TCP的流量控制和点对点特性通过TCP通道传输显式报文。

   EtherNet/IP协议架构图

    图1 EtherNet/IP协议架构图

2 以太网性能分析

    以太网最初应用在办公自动化领域,其MAC层采用的是CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测协议),当网络负荷较高时,数据的传输就会出现延迟,产生“不确定性”,而该“不确定性”正是工业控制领域的大忌。因此,在工业以太网发展初期,许多人都抱着质疑的态度,这大大制约了工业以太网的发展。

    然而,技术在不断进步,以太网的通信速率从最初的10 MB增大到如今的0.1~10 GB。同样的通信量,通信速率的提高意味着网络负荷的减轻,而减轻网络负荷则意味着确定性的提高。据有关试验证明,在网络负荷不超过36%的情况下,以太网基本不会发生冲突;在负荷为10%以下时,10 MB以太网冲突机率为1次/5 a,100 MB以太网则为1次/15 a。而全双工通信方式也进一步避免了冲突的发生。另外,以太网交换机技术的迅速发展,给解决工业以太网的不确定性带来了新的契机。交换机可对网络上传输的数据进行过滤,使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行,将数据包冲撞的机会从根本上减少到零,并且不占用其他网段的带宽,从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。

    与此同时,许多制造商开始致力于研究适用于恶劣工业现场环境的接插件、电缆、集线器、交换机等,网络配件来提高网络的抗干扰能力和可靠性。这些都为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。

3 EtherNet/IP性能分析

    在以太网中,TCP是一个可以提供可靠的数据传输服务面向链接的协议;UDP是一个能简单、快速地传递数据报,但不能保证数据报是否安全无误地到达目的设备不基于链接的协议。EtherNet/IP采用以太网的UDP传递实时数据,TCP传递诸如配置、诊断等非实时数据。为了确保实时数据的可靠性,EtherNet/IP协议增加了一系列措施,如在每次传输数据时都增加了数据头和序列号,每发送一次数据报,序列号增加一次,接收方通过序列号就能判断数据的有效性,从而确保了数据的可靠性。

 

责任编辑:赵蔓
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