“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）訪問方式呈現(xiàn)出以太網(wǎng)的一個(gè)基本問題。網(wǎng)絡(luò)上的各工作站對(duì)總線“監(jiān)聽”以確認(rèn)總線是否空閑。如果空閑,它們就開始發(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,這卻是一個(gè)很大的障礙。
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)過程在TCP/IP堆棧運(yùn)行,即數(shù)據(jù)包要兩次通過這一堆棧。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“不可見通信”。這是指數(shù)據(jù)通信在一個(gè)與用戶無關(guān)的后臺(tái)自動(dòng)完成。TCP/IP利用它來檢查網(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處理這些以太網(wǎng)和TCP/IP的問題。
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。可是實(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。
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