工业以太网EtherNet／IP性能分析

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。

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。

3．1 EtherNet／IP网络负荷

EtherNet／IP应用十分广泛，一个典型的SCADA系统如图2所示，每台扫描机管理着本地网络中30台EtherNet／IP适配器设备，为了减少监控中心的负荷，监控中心只与网络中