以太網(wǎng)與確定性

以太網(wǎng)與確定性[作者：MichaelB.Roche]能突然發(fā)出每秒達(dá)到10個(gè)或更多的廣播，嘗試在不可用的網(wǎng)絡(luò)域控制器、服務(wù)器份額及其他資源上登錄或注冊，由此可能對某些設(shè)備具有破壞性。如果ARP或其他廣播過多，這些廣播就可能具備破壞性，它們會(huì)使子網(wǎng)上所有終端設(shè)備的緩沖區(qū)擁塞，延遲甚至阻礙對重要的單播或多播自動(dòng)化應(yīng)用消息以及BootP或DHCP等合法UDP廣播請求的正常處理。以太網(wǎng)交換機(jī)已經(jīng)發(fā)展到可以采用廣播率限制功能來控制過多的廣播流量，該功能將對配置水平以上的過多的廣播流量進(jìn)行鉗制。選用支持廣播率限制的有管理工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以讓交換機(jī)來保護(hù)終端設(shè)備免受過多廣播的影響，并確保任何廣播風(fēng)暴的破壞性降至最低，使之不可能影響工業(yè)應(yīng)用。有一種配置原則是：允許子網(wǎng)上每個(gè)設(shè)備的交換機(jī)端口上每秒有2次一般廣播，再加上每個(gè)目標(biāo)設(shè)備每秒2次廣播的，以此作為保守?cái)?shù)字。得出這兩個(gè)數(shù)字的原則是：對2個(gè)應(yīng)用服務(wù)中（如ARP和DHCP服務(wù)）的每一個(gè)，各允許1次廣播，而IP標(biāo)準(zhǔn)廣播間隔為每秒1次。例如，如果在一個(gè)有60個(gè)主機(jī)的子網(wǎng)上，某個(gè)設(shè)備在與另外5個(gè)設(shè)備通信，則廣播率限制將是每秒130次廣播。（子網(wǎng)設(shè)備數(shù)x2）+（目標(biāo)設(shè)備數(shù)x2）=比率限制考慮斷電后恢復(fù)供電的情況，所有設(shè)備可能會(huì)幾乎同時(shí)啟動(dòng)，它們不僅會(huì)進(jìn)行重復(fù)地址檢查，還會(huì)試圖獲取地址和配置信息，并嘗試查找其指定對應(yīng)端?？蛻舳说膹V播通常情況下限制在以1s為間隔，而某些設(shè)備可能在這1s的界限內(nèi)在IEEE802.3與EthernetII之間交換幀類型。所有客戶端也會(huì)使用ARP來查找其對應(yīng)端的MAC地址，以收集發(fā)起TCP連接所需的MAC地址信息。廣播率限制配置的值必須足夠公平，以使所有設(shè)備可以接收來自子網(wǎng)上所有正在連接的設(shè)備所發(fā)送的廣播。通過以全雙工模式運(yùn)行，并減輕過多廣播或多播造成的破壞，以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)確定的性能。采用現(xiàn)代終端設(shè)備，以太網(wǎng)通?？梢?00Mbs的速率進(jìn)行傳輸。自動(dòng)化應(yīng)用協(xié)議中的數(shù)據(jù)包大小通常在500字節(jié)以內(nèi)，發(fā)送這樣的500字節(jié)數(shù)據(jù)包所需的傳輸時(shí)間為0.00004s或40ms。此外還有其他一些因素，如正常傳播速度（NVP），它是計(jì)算某個(gè)比特沿給定長度的介質(zhì)的傳播時(shí)間所必需的。NVP以光速百分比的形式度量。多數(shù)5e類電纜的NVP在0.65-0.70之間，即它們將以最高為光速70%的速度傳輸比特。針對所有實(shí)際應(yīng)用，100m電纜段上的NVP為477ns。如此小的時(shí)間值可以被忽略。如前所述,可實(shí)現(xiàn)確定性性能的傳統(tǒng)現(xiàn)場總線也有一些變量，但不會(huì)影響總的傳輸時(shí)間。例如在ModbusPlus上，設(shè)備的數(shù)量會(huì)影響令牌輪轉(zhuǎn)時(shí)間。在Profibus上，網(wǎng)絡(luò)的總長度將影響傳輸速度。但在二者任何一種網(wǎng)絡(luò)中，一旦網(wǎng)絡(luò)建立并穩(wěn)定，傳輸時(shí)間就將是穩(wěn)定的。盡管有許多控制廣播、多播和擁塞的辦法，多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)際上基本沒有出現(xiàn)這些問題的可能性，因?yàn)樽詣?dòng)化應(yīng)用中數(shù)據(jù)包都較小。較小的數(shù)據(jù)包所需傳輸時(shí)間短，插幀也更容易。在我們的測試中，我們發(fā)送了78個(gè)作為樣本的ModbusTCP/IP請求數(shù)據(jù)包，包括以太網(wǎng)MAC開銷（包間時(shí)隙、報(bào)頭、FCS），發(fā)送通過一系列以全雙工方式運(yùn)行的以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行。結(jié)果示于圖1中。圖2所示為采用275字節(jié)的ModbusTCP響應(yīng)重復(fù)進(jìn)行的相同測試的結(jié)果。由圖1和圖2可以看出，隨著路徑上交換機(jī)數(shù)量的增加，傳輸時(shí)間會(huì)相應(yīng)地增加。但請注意，即使經(jīng)過了若干臺交換機(jī)，實(shí)際的總傳輸時(shí)間仍然是一個(gè)很小的值。這表明，與專用確定性現(xiàn)場總線類似，一旦交換機(jī)路徑確定，傳輸時(shí)間就會(huì)達(dá)到一貫的穩(wěn)定狀態(tài)，變化量可能只是幾微秒。在兩個(gè)設(shè)備之間的路徑上添加一臺交換機(jī)對總傳輸時(shí)間的增量是一個(gè)大體均勻的值。在將以太網(wǎng)與業(yè)界公認(rèn)具有確定性的其他現(xiàn)場總線進(jìn)行比較時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生關(guān)于以太網(wǎng)與確定性的激烈爭論。有些人認(rèn)為相比其他專用工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的確定性不夠。我們在此將分析確認(rèn)工業(yè)以太網(wǎng)在一些通常條件下實(shí)際上是具有確定性的。首先，我們必須研究確定性的定義。確定性系統(tǒng)被認(rèn)為是可以預(yù)測的，例如，污水處理系統(tǒng)可以是應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間為500ms的穩(wěn)定而可預(yù)測的確定性系統(tǒng)，而多軸CNC運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)則可能要求應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間為1ms。以上兩例說明，確定性是每種特定應(yīng)用中隨客戶和過程要求變化的因素。確定性的實(shí)質(zhì)是適應(yīng)當(dāng)前應(yīng)用要求的每一次運(yùn)行均具備可預(yù)測性和一貫性。許多系統(tǒng)都宣稱自己具備確定性，但如果仔細(xì)研究，以太網(wǎng)的確定性可以勝過其中最好的系統(tǒng)。以一種分布式輸入/輸出系統(tǒng)（DIO）為例，其從屬I/O控制器必須由一個(gè)主PLC控制，DIO系統(tǒng)中的通信丟失將導(dǎo)致進(jìn)程失控。由于改變DIOART（應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間）性能預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)變更造成的任何延遲都可能引發(fā)問題，僅僅由于添加或移除了某個(gè)設(shè)備，或者以附加電纜延長網(wǎng)絡(luò)都可能需要不可預(yù)測的邏輯及時(shí)間變更。盡管每種現(xiàn)場總線均有其數(shù)據(jù)包負(fù)荷，以太網(wǎng)還是能夠在擴(kuò)展工序和車間網(wǎng)絡(luò)與減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷及性能損失方面尋求最佳的平衡點(diǎn)。其他現(xiàn)場總線由于有節(jié)點(diǎn)和設(shè)備數(shù)量的限制，進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)必須以非常嚴(yán)格的方式付出成本。本文研究網(wǎng)絡(luò)傳輸組件，并對以太網(wǎng)與目前被廣泛認(rèn)為是確定性系統(tǒng)的其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)進(jìn)行功能比較?，F(xiàn)場總線比較多數(shù)被視為確定性的分布式輸入/輸出（DIO）現(xiàn)場總線系統(tǒng)均為邏輯環(huán)/物理總線令牌傳遞型網(wǎng)絡(luò)，如Profibus、ModbusPlus等。以ModbusPlusDIO為例，假設(shè)PLC請求或I/O設(shè)備響應(yīng)傳輸時(shí)間固定，則可以計(jì)算出傳輸消息請求或響應(yīng)所需的時(shí)間。而在Profibus等其他確定性網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)長度超出特定的網(wǎng)絡(luò)長度邊界，傳輸時(shí)間將由于傳輸速度的降低而延長。在這些例子中，現(xiàn)場總線本身仍然被視為確定性因?yàn)槿我鈨蓚€(gè)給定節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸消息交付時(shí)間是可以計(jì)算和穩(wěn)定的。以太網(wǎng)最初是一種總線連接型網(wǎng)絡(luò)，它由于隨機(jī)、不確定性而被棄用，被視為不適用于許多工業(yè)應(yīng)用場合。因?yàn)镃SMA/CD以太網(wǎng)可能由于MAC層沖突后退算法重發(fā)定時(shí)器而導(dǎo)致消息傳輸時(shí)間變化，且存在過多的沖突導(dǎo)致消息在MAC層被放棄的可能性，以太網(wǎng)要依賴于更高層的協(xié)議（如TCP）或應(yīng)用程序來重發(fā)消息。這一點(diǎn)曾經(jīng)是以太網(wǎng)與現(xiàn)有作為基準(zhǔn)的確定性現(xiàn)場總線競爭的一大劣勢。而以太網(wǎng)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)訪問和總線爭用等障礙已經(jīng)被排除。由于1995年Kalpana引入的以太網(wǎng)交換技術(shù)，以及IEEE802.3x全雙工標(biāo)準(zhǔn)，沖突和總線爭用已經(jīng)有了解決辦法。以太網(wǎng)上任何以全雙工方式運(yùn)行的設(shè)備都可以在任何時(shí)候同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，而沒有沖突的風(fēng)險(xiǎn)。在全雙工運(yùn)行中，以太網(wǎng)CSMA/CD沖突不需要，因而被禁用了。將以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線在數(shù)據(jù)量、設(shè)備數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)距離等方面進(jìn)行比較，以太網(wǎng)具備若干優(yōu)勢。在設(shè)備數(shù)量方面，以太網(wǎng)通過采用IP子網(wǎng)掩碼，對終端設(shè)備數(shù)量沒有實(shí)質(zhì)性限制。例如，采用24個(gè)主位和8位子網(wǎng)掩碼的A類網(wǎng)絡(luò)可以提供超過1670萬個(gè)節(jié)點(diǎn)地址，我們可以認(rèn)為這是一個(gè)實(shí)際上不會(huì)達(dá)到的子網(wǎng)規(guī)模。在點(diǎn)對點(diǎn)消息分發(fā)方面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠與其他任何節(jié)點(diǎn)直接通信。由此，詢問或響應(yīng)消息的傳輸不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備數(shù)量的顯著影響，因?yàn)樵诮粨Q式以太網(wǎng)中沒有令牌傳遞拓?fù)渲兴捎玫捻樞蛳⒎职l(fā)。采用令牌傳遞的邏輯環(huán)式現(xiàn)場總線必須將令牌順序發(fā)至每個(gè)設(shè)備，因此響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨設(shè)備數(shù)量的增加而增加。在上面的簡單比較中，以太網(wǎng)比現(xiàn)有的現(xiàn)場總線具有很大的優(yōu)勢，但仍然有可能影響以太網(wǎng)傳輸確定性的因素。下面我們將分析這些影響，并研究可以用來在經(jīng)過適當(dāng)組合的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中抵消這些影響的方法。在專用的現(xiàn)場總線/令牌傳遞系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)流量通常局限在特定的消息類型和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的順序流動(dòng)中。而在以太網(wǎng)系統(tǒng)中，某些可以靈活實(shí)現(xiàn)自由形式點(diǎn)對點(diǎn)通信的消息可能需要進(jìn)行廣播，以確定構(gòu)成完整消息請求的所需資源的位置。地址解析協(xié)議（ARP）是用于將以太網(wǎng)硬件MAC地址與邏輯軟件棧IP地址綁定的輔助協(xié)議。ARP請求在設(shè)計(jì)中是要向IP子網(wǎng)或VLAN廣播域上的所有設(shè)備廣播的。但ARP請求及其他協(xié)議廣播消息在過多時(shí)可能具備破壞性。處理廣播請求是IP以太網(wǎng)的一項(xiàng)基本功能，即使ARP請求是針對另一終端設(shè)備時(shí)也是如此。其他許多通用協(xié)議（如NetBIOS或IPX）也會(huì)提供廣播服務(wù)，它們有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生與子網(wǎng)上其他所有NetBIOS主機(jī)反向的廣播，在MicrosoftWindowsNetBIOS域或工作組主機(jī)瀏覽器選舉發(fā)起時(shí)就是這種情況。還有一種情況是，一臺配置在另一網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)試圖定位其基本資源，錯(cuò)誤配置的主站PC可能突然發(fā)出每秒達(dá)到10個(gè)或更多的廣播，嘗試在不可用的網(wǎng)絡(luò)域控制器、服務(wù)器份額及其他資源上登錄或注冊，由此可能對某些設(shè)備具有破壞性。如果ARP或其他廣播過多，這些廣播就可能具備破壞性，它們會(huì)使子網(wǎng)上所有終端設(shè)備的緩沖區(qū)擁塞，延遲甚至阻礙對重要的單播或多播自動(dòng)化應(yīng)用消息以及BootP或DHCP等合法UDP廣播請求的正常處理。以太網(wǎng)交換機(jī)已經(jīng)發(fā)展到可以采用廣播率限制功能來控制過多的廣播流量，該功能將對配置水平以上的過多的廣播流量進(jìn)行鉗制。選用支持廣播率限制的有管理工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以讓交換機(jī)來保護(hù)終端設(shè)備免受過多廣播的影響，并確保任何廣播風(fēng)暴的破壞性降至最低，使之不可能影響工業(yè)應(yīng)用。有一種配置原則是：允許子網(wǎng)上每個(gè)設(shè)備的交換機(jī)端口上每秒有2次一般廣播，再加上每個(gè)目標(biāo)設(shè)備每秒2次廣播的，以此作為保守?cái)?shù)字。得出這兩個(gè)數(shù)字的原則是：對2個(gè)應(yīng)用服務(wù)中（如ARP和DHCP服務(wù)）的每一個(gè)，各允許1次廣播，而IP標(biāo)準(zhǔn)廣播間隔為每秒1次。例如，如果在一個(gè)有60個(gè)主機(jī)的子網(wǎng)上，某個(gè)設(shè)備在與另外5個(gè)設(shè)備通信，則廣播率限制將是每秒130次廣播。（子網(wǎng)設(shè)備數(shù)x2）+（目標(biāo)設(shè)備數(shù)x2）=比率限制考慮斷電后恢復(fù)供電的情況，所有設(shè)備可能會(huì)幾乎同時(shí)啟動(dòng)，它們不僅會(huì)進(jìn)行重復(fù)地址檢查，還會(huì)試圖獲取地址和配置信息，并嘗試查找其指定對應(yīng)端?？蛻舳说膹V播通常情況下限制在以1s為間隔，而某些設(shè)備可能在這1s的界限內(nèi)在IEEE802.3與EthernetII之間交換幀類型。所有客戶端也會(huì)使用ARP來查找其對應(yīng)端的MAC地址，以收集發(fā)起TCP連接所需的MAC地址信息。廣播率限制配置的值必須足夠公平，以使所有設(shè)備可以接收來自子網(wǎng)上所有正在連接的設(shè)備所發(fā)送的廣播。通過以全雙工模式運(yùn)行，并減輕過多廣播或多播造成的破壞，以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)確定的性能。采用現(xiàn)代終端設(shè)備，以太網(wǎng)通常可以100Mbs的速率進(jìn)行傳輸。自動(dòng)化應(yīng)用協(xié)議中的數(shù)據(jù)包大小通常在500字節(jié)以內(nèi)，發(fā)送這樣的500字節(jié)數(shù)據(jù)包所需的傳輸時(shí)間為0.00004s或40ms。此外還有其他一些因素，如正常傳播速度（NVP），它是計(jì)算某個(gè)比特沿給定長度的介質(zhì)的傳播時(shí)間所必需的。NVP以光速百分比的形式度量。多數(shù)5e類電纜的NVP在0.65-0.70之間，即它們將以最高為光速70%的速度傳輸比特。針對所有實(shí)際應(yīng)用，100m電纜段上的NVP為477ns。如此小的時(shí)間值可以被忽略。如前所述,可實(shí)現(xiàn)確定性性能的傳統(tǒng)現(xiàn)場總線也有一些變量，但不會(huì)影響總的傳輸時(shí)間。例如在ModbusPlus上，設(shè)備的數(shù)量會(huì)影響令牌輪轉(zhuǎn)時(shí)間。在Profibus上，網(wǎng)絡(luò)的總長度將影響傳輸速度。但在二者任何一種網(wǎng)絡(luò)中，一旦網(wǎng)絡(luò)建立并穩(wěn)定，傳輸時(shí)間就將是穩(wěn)定的。盡管有許多控制廣播、多播和擁塞的辦法，多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)際上基本沒有出現(xiàn)這些問題的可能性，因?yàn)樽詣?dòng)化應(yīng)用中數(shù)據(jù)包都較小。較小的數(shù)據(jù)包所需傳輸時(shí)間短，插幀也更容易。在我們的測試中，我們發(fā)送了78個(gè)作為樣本的ModbusTCP/IP請求數(shù)據(jù)包，包括以太網(wǎng)MAC開銷（包間時(shí)隙、報(bào)頭、FCS），發(fā)送通過一系列以全雙工方式運(yùn)行的以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行。結(jié)果示于圖1中。圖2所示為采用275字節(jié)的ModbusTCP響應(yīng)重復(fù)進(jìn)行的相同測試的結(jié)果。由圖1和圖2可以看出，隨著路徑上交換機(jī)數(shù)量的增加，傳輸時(shí)間會(huì)相應(yīng)地增加。但請注意，即使經(jīng)過了若干臺交換機(jī)，實(shí)際的總傳輸時(shí)間仍然是一個(gè)很小的值。這表明，與專用確定性現(xiàn)場總線類似，一旦交換機(jī)路徑確定，傳輸時(shí)間就會(huì)達(dá)到一貫的穩(wěn)定狀態(tài)，變化量可能只是幾微秒。在兩個(gè)設(shè)備之間的路徑上添加一臺交換機(jī)對總傳輸時(shí)間的增量是一個(gè)大體均勻的值。ModbusiSiS^R.IL ■_ ■ ■ —亠 1 *―~T8宇節(jié)帕訊bvs騎求脈沖圖1：78字節(jié)的Modbus響就測試結(jié)果Modbus1皿寄存器讀響應(yīng)圖2：275字節(jié)ModbusTCP響應(yīng)測試結(jié)果測試設(shè)置測試采用多臺有管理和無管理的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行。所用的數(shù)據(jù)包生成器為SpirentSmartbits200，如圖3所示。Modbus請求和Modbus響應(yīng)數(shù)據(jù)包在SmartBits200的輸出接口發(fā)出后分別經(jīng)過數(shù)量遞增的交換機(jī)傳遞，之后再由SmartBits200的輸入接口接收，以測量往返時(shí)間。每個(gè)數(shù)據(jù)包在各幀之間都有標(biāo)稱96比特的包間時(shí)隙（IPG），以模擬實(shí)際的數(shù)據(jù)流。所耗費(fèi)時(shí)間以SmartBits200上的單系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)測量。由于專門用于試驗(yàn)的SmartBits采用專業(yè)化ASIC來生成流量，其數(shù)據(jù)流會(huì)保持恒定，不存在軟件型數(shù)據(jù)包發(fā)生器中的操作系統(tǒng)波動(dòng)的影響。按優(yōu)先級的排隊(duì)效果即使配置了廣播率限制、多播過濾和端口優(yōu)先級，有可能出現(xiàn)一個(gè)最大的低優(yōu)先級以太網(wǎng)幀正好在一條高優(yōu)先級自動(dòng)化應(yīng)用消息之前在交換機(jī)輸入端開始緩存的情況。如圖4所示。最大的以太網(wǎng)幀將被繼續(xù)緩存，自動(dòng)化應(yīng)用消息數(shù)據(jù)包則將被強(qiáng)制排隊(duì)。這種情況可能很少見，但確實(shí)可能出現(xiàn)。在這種情況下，100Mbs鏈路上自動(dòng)化應(yīng)用數(shù)據(jù)包所經(jīng)歷的最大排隊(duì)延時(shí)將是121 這并不足以對自動(dòng)化應(yīng)用造成破壞，完全處在確定性的合理容差范圍內(nèi)。低憂先韁嚴(yán)大幀

圖4：最低優(yōu)先級最大幀在高優(yōu)先級信息之前開始緩存針對確定性設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對于確定性以太網(wǎng)的維護(hù)也起著重要作用。如前所述，當(dāng)以全雙工方式運(yùn)行時(shí)，唯一真正威脅確定性的是由非必要協(xié)議或過多廣播或多播造成的破壞。如果您開發(fā)的是以太網(wǎng)上的分布式輸入輸出(DIO)網(wǎng)絡(luò)，并需要真正的確定性性能，則應(yīng)考慮將專用PLC通信適配器上的DIO設(shè)備與專用交換機(jī)隔離(如圖5)。其他PLCCOMMS專用立換機(jī)可選塔田舒□