通俗易懂，工業以太網6大主流網絡協定對比分析

工業以太網（IndustrialEthernet）是一種基于以太網技術的工業級通信網絡。它針對工業應用場景中低延遲時間、海量連接配接等實際需求，在傳統以太網的基礎上進行了一系列的改進和擴充，達到滿足工業環境中對實時性、可靠性和安全性的特殊需求。技術上，工業以太網需要與商用以太網（即IEEE802.3标準）相容；産品方面，材質的選用、産品的強度和适用性方面也需要達到足工業現場的較為惡劣的場景需求。

現階段，我們經常使用的支援TCP/IP的以太網通信反應時間通常為100ms，具有不确定性，不适用于工業場景。在一些工業裝置制造商的推動下，産生了很多不同的工業以太網協定，目前大家熟知的主要有EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、SercosⅢ，以及時間敏感網絡（TSN）等，接下來一一為大家詳細介紹它們。

EtherCAT：靈活、低成本，近期發展迅速

開發公司：德國倍福自動化公司（BeckhoffAutomation）

特性：開放但不開源的技術，也就是說，你可以任意适用該項技術，但如果要進行相關裝置的開發，需要向倍福自動化公司擷取相關授權。

技術優勢：EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制，通過該項技術，無需接收以太網資料包，将其解碼，之後再将過程資料複制到各個裝置。EtherCAT從站裝置在封包經過其節點時讀取相應的編址資料，同樣，輸入資料也是在封包經過時插入至封包中。由于這個過程在硬體中處理，是以，整個過程中，封包隻有幾納秒的時間延遲，進而可以實作極短的響應時間。

EtherCAT是MAC層協定，對于如TCP/IP、UDP、Web伺服器等任何更進階别的以太網協定而言都是透明的。在拓撲方面，EtherCAT幾乎支援任何拓撲類型，包括線型、樹型、星型等。通過現場總線而得名的總線結構或線型結構也可用于以太網，并且不受限于級聯交換機或集線器數量。也就是說，EtherCAT可連接配接系統中多達65,535個節點，而EtherCAT主站可以是标準以太網控制器，進而簡化網絡配置。每個從節點延遲較低，是以，EtherCAT可提供靈活、低成本，且相容網絡的工業以太網解決方案。近幾年發展尤其迅猛，2014年以來，節點數量呈現指數級增長。

EtherNet/IP：實作高效的從站對等通信

開發公司：羅克韋爾自動化公司（Rockwell）研發，由ODVA管理

技術優勢：EtherNet/IP是TCP/IP上的應用層協定。EtherNet/IP使用标準以太網實體層、資料鍊路層、網絡層和傳輸層，采用的是商業以太網通信晶片、實體媒體和星型拓撲結構，采用以太網交換機實作各裝置間的點對點連接配接，能同時支援10Mbps和100Mbps以太網商用産品。EtherNet／IP協定由IEEE802.3實體層和資料鍊路層标準、TCP／IP協定組和通用工業協定（CIP）等3個部分組成。CIP為工業自動化控制系統提供一組通用的消息和服務，可用于多種實體媒體。例如，CAN總線上的CIP稱為DeviceNet，專用網絡上的CIP稱為ControlNet，而以太網上的CIP稱為EtherNet/IP。EtherNet/IP通過一個TCP連接配接、多個CIP連接配接建立從一個應用節點到另一個應用節點的通信，可通過一個TCP連接配接來建立多個CIP連接配接。由于EtherNet/IP使用以太網的實體層網絡，并架構了TCP/IP的通信協定上，是以用微處理器上的軟體即可實作，不需要特别的ASIC或FPGA。EtherNet/IP使用标準以太網和交換機，是以它在系統中擁有的節點數不受限制。這樣，就可以跨工廠工廠中的房間的多個不同終點部署一個網絡。EtherNet/IP提供完整的生産者-消費者服務，并可實作非常高效的從站對等通信。

注意事項：EtherNet/IP相容多個标準網際網路和以太網協定，但其實時和确定性功能比較有限。是以，它可以用在一些可容許偶爾出現少量非确定性的自動化網絡當中。

PROFINET：标準以太網相容，可一同組網

開發公司：主要由西門子和PROFIBUS&PROFINET國際協會所提出

特性：PROFINET是一個開放式的工業以太網通信協定

技術優勢：PROFINET應用TCP/IP及資訊科技的相關标準，是實時的工業以太網，自2003年起，它就是IEC61158及IEC61784标準中的一部分。PROFINET=PROFIbus+etherNET，把Profibus的主從結構移植到以太網上，是以PROFINET會有Controller和Device，他們的關系可以簡單的對應于PROFIbus的Master和Slave。它具有三種不同類别：PROFINETA類可通過代理通路PROFIBUS網絡，借助TCP/IP上的遠端過程調用來橋接以太網和PROFIBUS。其周期時間約為100ms，主要用于參數資料和循環I/O，典型應用包括基礎設施和樓宇自動化；PROFINETB類也稱為PROFINET實時(PROFINETRT)，它引進了基于軟體的實時方法并将周期時間減少至大約10ms，B類通常用于工廠自動化和過程自動化；PROFINETC類(PROFINETIRT)是等時實時傳輸，需要使用專用硬體才可将周期時間減少至1ms以下，進而在實時工業以太網中提供運動控制操作所需的性能。

注意事項：PROFINET是基于以太網的，是以可以有以太網的星型、樹型、總線型等拓撲結構，而PROFIbus隻有總線型，是以PROFINET就是把PROFIbus的主從結構和etherNET的拓撲結構相結合的産物。PROFINETRT可用于PLC型應用，而PROFINETIRT非常适合運動應用，分支和星型是PROFINET的常用拓撲結構。若要使PROFINET網絡實作所需的系統性能，就需要謹慎進行拓撲規劃。

POWERLINK：開源的工業以太網協定

開發公司：奧地利自動化公司貝加萊內建自動化公司（Bernecker&RainerIndustrie-Elektronik，B&R）開發

特性：所有的源碼都是公開的，任何人都可以免費下載下傳和使用，實施POWERLINK的障礙很小

技術優勢：POWERLINK是在标準以太網上的實時通信協定，在IEEE802.3上采用，是以可自由選擇網絡拓撲、交叉連接配接和熱插拔。POWERLINK是Ethernet的擴充，混合了輪詢以及時間切片（timeslicing）機制，可以提供：時間關鍵資料可以確定在非常短的等時（isochronic）周期中發送，具有可規劃的回應時間；網絡上的所有節點都可以時間同步（Time-synchronisation），精度可以到微秒以下；比較沒有時間關鍵性的資料傳輸是在一個專屬的異步通道中傳輸。目前的實作方式其循環時間可以到200µs以下，其時間精度（jitter）小于1µs。POWERLINK主站或“托管節點”通過資料包抖動将時間同步控制在數十納秒範圍内。此類系統适用于從PLC與PLC通信和可視化到運動和I/O控制的各種自動化系統。值得一提的是，POWERLINK是一個可以在普通以太網上實作的方案，無需ASIC晶片，使用者可以在各種平台上實作POWERLINK，如FPGA、Arm、x86CPU等，隻要有以太網的地方，就可以實作POWERLINK。

SercosIII：主要用于伺服控制器

Sercos已在工廠自動化應用（适合機械工程和建築）領域風靡了30多年。SercosIII是其第三代協定，制定于2003年。這種具有高效性和确定性的通信協定可将Sercos接口的實時資料交換與以太網相融合，提供實時以太網和标準TCP/IP通信，以打造低延遲工業以太網。與EtherCAT非常相似，從SercosIII通過快速提取資料并将其插入以太網幀的方法來處理資料包，進而實作低延遲。SercosIII将輸入資料和輸出資料分成兩個幀。周期時間從31.25微秒開始，與EtherCAT和PROFINETIRT一樣快。一個SercosIII主器件可控制多個SercosIII從屬器件（如驅動器、傳感器以及模拟和數字I/O器件），一個主器件可控制多達511個從屬器件（即從節點），它主要用于伺服驅動器控制。

SercosIII支援環型或線型拓撲，它的一個關鍵優勢是支援線型拓撲結構旁的環型拓撲結構，使用環型拓撲的一個主要優點是通信備援。如果以太網線纜發生故障，那麼SercosIII網絡可切換到線型拓撲結構，使主器件能繼續與網絡中的所有從屬器件進行通信。一旦以太網線纜已修複，主器件就可以把SercosIII網絡從線型拓撲結構切換到環型拓撲結構。

TSN：有望取代總線的技術

時間敏感型網絡(TSN)就是TSN工作組開發的一套協定标準，旨在非确定性的以太網絡中實作确定性的最小時間延遲，它定義了以太網資料傳輸的時間敏感機制，為标準以太網增加了确定性和可靠性，以確定資料實時、确定和可靠地傳輸。

除了實時能力和确定性之外，TSN還有另一項巨大技術優勢，那就是網絡擴充能力，這使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率運作。不過，這需要細緻（因而更複雜）的網絡配置。1Gbps及以上的傳輸速率是當今網絡的邏輯演進。1Gbps為新型（物聯網）應用開辟了道路，有助于克服資料密集型應用中的性能瓶頸。但是，隻有當終端和以太網交換機均支援TSN功能時，TSN作為一個系統才能發揮全部效用。TSN是一種區域網路(LAN)級解決方案，可與非TSN以太網一起工作，但隻有在TSNLAN内部才能保證及時性。使用者可以根據TSN解決的用例對TSN标準進行分組：通用的時間視圖、保證極大延遲，或與背景流量或其他流量共存。與任何流行的标準一樣，TSN的标準工具箱也在不斷發展。

其實，TSN調節的是ISO/OS參考模型第2層中的資料通信，嚴格地說，TSN代表以太網中支援實時性的第2層，不是完整的實時協定。也就是說，TSN不會取代PROFINET、EtherNet/IP及類似的以太網協定。相反，這些工業以太網協定長期而言将支援第2層TSN，是以傳統工業以太網協定不會消失，但未來将建立在TSN之上。但是，現場總線則可能會被以太網永久性取代。

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