1、主流实时以太网技术的比较主流实时以太网技术的比较一、各个实时以太网技术概要 summay of different RT-Ethernet tehcnologies当前，工业实时以太网技术蓬勃发展，正在取代传统的现场总线技术(Profibus，CAN，Interbus，Fieldbus，DeviceNet，Modbus)，市场上出现了众多实时通信技术，本文对其进行了比较，这些实时以太网均建立在 uS 级的循环周期上，而不列入 ModBus TCP/IP、 Ethernet TCP/IP 这些 mS 级的通信技术，并且也不将非主流的以太网技术列入，纯粹在实时以太网这个领域里进行比较（这里的实时以
2、太网遵循 INONA 所提出的实时分类级别） 。需要申明的是，本文仅提供一个全景式的概览，而非倾向性的描述，旨在客观公正的对各种技术的特点进行分析，以作为互相交流，不作为选择网络技术的参考依据。1.1 ProfiNet IRTProfiNet 提供了三个不同的版本，按照其实现和对应用的实时性支持能力为 ProfiNet/Cba,ProfiNet RT,ProfiNet IRT,其中 ProfiNet/Cba 是建立在 Soft IP 基础上，采用交换机连接方式，由于交换机所带来的时间延迟，因此，无法支持较快的同步速度，ProfiNet 并不具备很高的实时性，而 RT 也无法满足高速运动控制的需
3、求，而 ProfiNet IRT 则是设计为更快速的运动控制应用，因此，采用了专用的芯片来实现，这使得其速度得到了大幅度的提高，系统抖动为 1uS。目前 Profinet 已经开始大量使用，而 ProfiNet IRT 尚未正式得到大量使用.1.2 Ethernet POWERLINK采用轮询方式，由主站 MN 和 CN 构成，系统由 SoC 开始启动等时同步传输，由主站为每个 CN 分配固定时间槽，通过这一机制来实现实时数据交换，同时也通过多路复用和节点序列方式来优化网络的效率，支持标准的 Ethernet 报文，应用层采用 CANopen,Ethernet POWERLINK 无需专用的芯
4、片，并且可运行在多种 OS 上。Powerlink 多路复用技术Ethernet Powerlink 标准化组织 EPSG 在 2007 年宣布放弃对 Powerlink 所有专利的拥有，从而使得 Powerlink 技术成为了目前实时以太网技术里第一个也是唯一一个”Open Source Technology”这意味着加入 Powerlink 组织的成员均拥有此技术。1.3 SERCOSIII通过主从结构的设计来实现数据交换，在一个 SERCOSIII 的数据中，主站与从站之间的数据包传输 M/S 同步数据交换与 CC 直接交叉通信数据以及 Safety 数据，由 Sync 同步管理机制来控
5、制各种数据传输方式的进行。1.4 EtherCAT，采取一种所谓“数据列车”的方式设计， “边传输边处理”的方式按照顺序将数据包发送到各个从节点，然后再回到主站，这样的话，任务的处理将在下一个周期里完成，主节点通常采用 PC，而从节点背板间采用 LVDS-低压差分驱动信号传输方式，可以达到非常高的数据交换，但是，这同时也意味着从站需要特殊的硬件，ASIC 或 FPGA,由于 EtherCAT 有 ASIC，其并不主推 FPGA 方案。1.5 Ethernet/IP CIP采用消费者与生产者模式运行整个过程。Ethernet/IP CIP 基于原有的 Rockwell AB 的 DeviceNe
6、t,ControlNet 的控制和信息协议，采用了在 OSI 的会话层和表示层的修改，作为一种软件形式的协议，它显然具有较高的数据通过率，适应于大块的数据通信，因此，更适合作为网关和交换设备的应用，其实时性却受到一定的限制，但是，它完全兼容标准以太网，因此，具有很好的到工厂与企业的 IT 层互联的能力。二、主要特点比较下表对主要的实时以太网技术的关键参数进行了比较，罗列如下：比较项Ethernet POWERLINK ProfiNet IRT SERCOSIII EtherCAT Ethernet/IP CIP抖动 1uS 1uS 1uS 1uS 1uS循环周期 100uS(Max) 1ms
7、25us 100uS 100uS传输距离 100m 100m 40m 100m 100m直接交叉通信 Yes Yes 介质 双绞线/M12/ 光纤 双绞线 光纤 双绞线/M12 光纤历史 2001.11 IRT 尚未发布 2007 2007 CIP Sync 尚未发布是否需特殊硬件 无特殊硬件需求 Yes/ASIC FPGA Or ASIC Yes:从站 ASIC ASIC是否需要 RTOS No Yes Yes Yes No开放性 开源技术 需授权 需授权 需授权 需授权原始技术 CANopen ProfiBus SERCOSCANopenSERCOSDeviceNetControlNet硬
8、件实现 简单 复杂 复杂 简单 简单软件实现 简单 简单 复杂 复杂 复杂始创公司 B7.1.2.是否支持标准以太网同时也是影响其设备未来的生命力的关键，因为-为了突破技术壁垒而采用开放性更好的标准以太网是各种技术出现的初衷，是否支持标准以太网也意味着是否支持未来。Powerlink 提供针对标准以太网的支持能力，ProfiNet& Profinet RT 采用软实现的方法可支持标准以太网，而 SERCOSIII 修改了 MAC,虽然物理介质是 RJ45,但是其已非标准以太网技术，而 EtherCAT 的主站支持标准以太网，而从站则不支持以太网技术，Ethernet/IP CIP 仅仅是在会话
9、层和表示层的添加，因此，在物理上仍然支持标准以太网技术。7.2 是否能够提供开源代码？除了 POWERLINK 技术外，其它的实时以太网均不提供开放的源代码，而 EtherCAT 则需要购买无限 License,支付约 20 万人民币的费用，ProfiNet 则不提供源代码的支持能力，SERCOSIII 提供可供下载的 IP-Core。开源技术具有旺盛的生命力，已经在广泛采用 OpenSource 的 IT 行业得到验证。7.3 是否可采用开放的芯片来实现？7.3.1 最优性价比开放的芯片-即市面上可以获取的芯片能够保证开发者获得最高性价比-IT 技术与市场的事实早已验证这一点，采用 ALTE
10、RA 或 XILINX 提供的最新款的芯片往往是在性能上得到很大升级而又成本低廉的，ASIC 则需要巨大的量支持，但其量仍然会小于通用芯片本身，因此，在成本上开放的芯片具有更高的性价比。7.3.2 符合未来发展潮流是否能够跟随以太网持续发展的潮流，将影响各项技术的未来发展，若无法提供足够的开放性支持，则将终究为历史所淘汰，而那些紧随历史潮流的技术将获得巨大的生命力。7.3.3 可选择范围开放的标准芯片使得厂商具有更大的灵活空间来选择可用的芯片与技术，而不会受制于某个公司的独家技术来限制，这是非常重要的一点，尤其是在军工、航天航空、核电等领域，关系到国家技术的战略安全时更为突出。POWERLIN
11、K 为开放芯片支持的实现，可根据需要提供各种开发的平台支持，SERCOSIII 也支持 FPGA 实现，但是其不支持其它的实现方式，因为其需要保证运动控制的高实时性需求，而 Ethernet/IP CIP 则由于其具有的开放性可以支持各种架构的硬件平台Intel X86、ARM、FPGA 的开发。7.4 是否广泛的支持各种工业操作系统？EtherCAT 发源于 Beckhoff 的 PC 控制技术理念，其支持 Windows XP & CE，而 POWERLINK 则支持 Windows XP Embedded, Windows CE Embedded 以及 RT-Linux 这一开源技术，并且同时也支持 VxWorks、uC/OSII RTOS 这些工业自动化、航空航天领域使用的实时操作系统，并且也支持无操作系统的自动化组件开发。
