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。[page]

    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所有的适配器进行通信，采用2级采集的方式实现数据交互。

    图2 EtherNet／IP系统图

    EtherNet／IP基于标准的以太网，因此，其网络负荷的计算方法与以太网的网络负荷计算方法基本一致。

    假设每台适配器的数据长度都为50 Byte，即50 Byte的输入数据，50 Byte的输出数据，扫描机与监控中心交互的数据长度为1 500Byte，即1 500 Byte的输人数据，1 500 Byte的输出数据。

    扫描机与每台适配器、监控中心的数据交互周期都为100 ms。通信速率为100 MB。

    在EtherNet／IP网络中，实际数据封装组成如图3所示。

    图3 EtherNet／IP数据封装组成

    因此，扫描机与适配器间要传输50 Byte的数据，实际在EtherNet／IP网络中传输了128 Byte，即1O24 bit。扫描机与监控中心之间传输1 500 Byte的数据，实际EtherNet／IP网络中传输了l 578 Byte，即12 624 bit。

    每秒钟传送报文所占的时间：

    T=CB×CT／V

    式中：CB为每个报文比特数；CT为每秒钟报文数目；V为网络通信速率。每秒钟报文数目：

    CT=A×B×C

    式中：A为每秒钟传输报文的次数；B为数据是单向还是双向；C为适配器的个数。

    首先，计算扫描机与30个适配器之间的数据：

    此例中，传输周期为100 ms，因此A=10。而扫描机与适配器之间的数据是双向的，即有输入和输出数据，因此B=2。网络中有30个Adapter设备，因此C=30。

    即该网络中每秒钟传送的报文只占用了8．67 ms，网络负荷率仅为0．867％。

    上述只是计算了隐式(周期性)报文的网络负荷率，因为显式(非周期)报文只是在需要时偶尔发送一次，对整个网络的影响很小，可忽略不计。

    由此可见，EtherNet／IP网络完全可以应用于工业环境中。

    3．2 EtherNet／IP性能指标

    在EtherNet／IP网络中，评估网络性能的主要是以下2个指标：①请求包间隔时间(RequestedPacket Interval，RPI)；②每秒钟所发的包的个数(Packet per Second，PPS)。RPI是数据周期性传输的一个再要指标，无论网络中有多少个节点，源设备都按照用户指定的RPI周期来向目标设备发送数据。而PPs=1 000÷RPI(ms)。—个设备的总PPS=源设备的总PPS+目标设备的总PPS

    根据各设备的性能，设备厂家会制定设备的最小RPI和最大PPS。用户评估网络性能时，一个设备的总PPS通常不能超过最大PPS的90％，保留10％的带宽用于显式报文的通信。

    举例来说，EtherNet／IP网络节点，如图4所示。网络中有3个EtherNet／IP设备，分别是节点1～3，其网络最大带宽是3 000 PPS。[page]

    图4 EtherNet／IP网络节点示意图

    节点1设备既有作为发送端也有作为目标端的连接，对节点2发送端的2个RPI分别是50、4 ms，接收端的RPI为2 ms；对节点3发送端的RPI为4 ms，接收端的RPI为8 ms。同理，节点2接收的RPI分别为50，4和5 ms，发送端的RPI为2 ms。节点3发送的RPI分别为5和8 ms，接收端的RPI为4 ms。

    图5 数据传输过程图

    为了实现EtherNet／IP设备高速度、大容量、安全稳定的传输，一般都采用嵌入式实时操作系统开发EtherNet／IP设备。如图5所示，节点1、2在发送接收数据时都存在延迟，跟设备本身的性能密切相关，通常会有纳秒到毫秒级不等的延迟。

    因此，用户在组建EtherNet／IP网络时，需综合考虑整个网络的性能、成本等多方面的因素，可通过设备的说明书或者数据手册查询生产厂家给出的设备性能参数，选择符合自身需求的电缆和交换机等网络配件。

4 结语

    随着以太网通信速率的提高和全双工通信、交换机技术的发展，以太网的通信确定性得到了保障，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍。以太网的开放性、带宽高、应用广泛的特点使其在工控领域具有巨大的优势，因此，世界著名厂家和集团纷纷支持工业以太网并制订了不同的工业应用标准，而EtherNet／IP已成为国际标准IEC 61158(测量和控制数字数据通信——工业控制系统用现场总线)和IEC 61784(与工业控制系统中使用的现场总线有关的用于连续和离散制造的行规集)的重要组成部分，它能为自动化通信领域提供一个完整的网络解决方案，包含了实时以太网、分布式自动化、运动控制、网络安全等当前自动化领域的最新技术。

    EtherNet／IP采用生产者／消费者模式极大提高了EtherNet／IP设备通信的效率。而EtherNet／IP基于标准的以太网，意味着EtherNet／IP工业用户能够直接受益于标准以太网技术本身的持续创新和成本降低等带来的众多好处，EtherNet／IP的性能会随着以太网其他技术如信息安全技术、高速传输技术、高速交换技术等的不断发展而水涨船高。因此，EtherNet／IP必将成为新一代工业网络的主流。