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以太网在工业控制中的应用

2012-08-27 10:18
安娜PARKER
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1 引言

  以太网发端于1973年在美国xerox公司paloalto研究中心工作的metcalfe与boggs2人所设计的一种以同轴电缆位共享介质的实验网络。万兆位以太网规范ieee802.3ae被批准为ieee正式标准,标志着以太网技术已经从一项只能传输数据的基于共享介质的半双工局域网技术发展成一项覆盖局域网、城域网和广域网的综合性技术。成为目前最为流行的局域网体系结构。以太网最典型的应用形式是ether+tcp/ip,即灵活的ethernet底层加上几乎以成通用标准的网络传输协议tcp/ip,使得以太网能够非常容易的集成到以internet和web技术为代表的信息网络中。

  大多数网络软件使用tcp协议。并且在以太网中,tcp从不被设计去传送实时操作。它提供可靠传送,但是这意味着重发丢失的信息包,而不管是否导致延迟。它提供安全连接,但是这意味必须管理和等待许多资源。为了实时通讯,通常为其他用户设计网络堆栈。

2 实时以太网硬件

  2.1 csma/cd backoff运算法则

  大多数ip-based lans使用流行的802.3以太网网络标准。此以太网提供快速、高效率传输,速率为10或100mbps。但是在工业控制环境中,以太网不提供确定的节点访问网络时间。它使用一个仲裁运算法则,命名为“带有冲突检测的载波侦听多路存取(csma/cd)”。通过使用csma/cd决策算法,在发送数据之前每个节点都监控线路。如果节点发现线路空闲,它就开始传送。否则,它就一直等待到空闲。大多数时间,监控线路能确保避免冲突发生,如图1所示。

  此以太网足够快,以至于节点等待线路空闲的时间仅仅带来一个小跳跃延迟。这样有1个可能性,2个节点将同时等待同样的传送到终端。在这种情况中,它们都将探测到一个空闲线路,并在同时开始传送。这将导致1个冲突,两节点必须为访问作出决断如图2所示。

  图2 当有两个节点等待使用线路时,大多数冲突就会发生。当第一个节点完成传送,另外两个节点将开始试图在同一时间去发送。

  当一个节点发现一个冲突,它将退让并在再次尝试之前等待两个时隙(slots)。如果再试失败,最大等待时间将加倍,节点将等待下一个随机周期。运算法则持续,直到网络被捕获。在一个10mbps的网络上,时隙是51.2μs。在一个100mbps网络上,一个时隙仅仅5.12μs。但是当运算法则不能持续运行,在10次尝试之后(1024个时隙延迟slotdelays)它将停止加倍,在16次尝试之后宣告失败。因此,指数级backoff运算法则将导致不可预知延迟的产生。

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