摘要
本文介绍了一种实时以太网控制协议，该协议能够保证实时信号的发送有确定的最大时延，而且它与现有的以太网介质访问控制协议兼容.分析了协议的工作原理，证明该协议是可行的有效的。
关键词: 工业以太网;实时;控制协议
引言
现场总线技术把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，世界各大公司开发了各种各样的现场总线，号称开放的现场总线也有40多种，现场总线的国际标准IEC 61158也包含了8种之多，形成了多种现场总线并存的局面。但是，这些现场总线之间不能实现互操作，现场总线技术也不能为企业提供从现场控制层到管理层的全面信息集成，而且现场总线较低的通信速率也不能满足工业控制越来越多的数据交换的需要。世界各大厂商开始寻找其它途径，目前在信息网络中广泛应用的以太网已成为新的目标。
Ethernet具有成本低、稳定、可靠、应用广泛和共享资源丰富等优点，因此迅速发展起来，使其成为最受欢迎的通信网络之一，不仅垄断了办公自动化领域的网络通信，而且在工业控制领域管理层和控制层等中上层的网络通信中也得到了广泛应用，并直接向下延伸应用于工业现场设备层通信。
工业控制网络的实时性要求
以太网被认为是几乎所有网络相关自动化问题的有效解决方案—设备层通信、控制、高速数据传输等，但将之用于工业控制则要认真考虑其互操作性和安全性。这是因为以太网技术自身只提供了一系列的物理介质定义和一个共享的构架，构架包括物理介质、简单的帧格式和LAN内设备数据包传输的寻址方案。依据开放式系统互联7层参考模型，以太网仅提供了物理层和数据链路层协议。所以，所有以太网都可以支持在其之上的一种或多种上层协议，实现数据传输和网络管理功能。上层协议决定了网络支持的功能级、连接到网络的设备和网络中设备实现互操作。
OSI 7层模型示意图
Internet采用了TCP/ IP作为网络层和传输层协议，它提供了设备间交换数据的一套服务。但是，TCP/ IP并不能保证设备间有效的通信，只能提供信息的传送。因此，在工业设备间的通信必须采用通用的应用层协议。这种通用的应用层协议采用在普通应用层上的TCP/ IP封装，使工业设备节点在以太网信息里将数据封装起来，然后该节点将带有TCP/ IP的信息发送到以太网的数据链路层。这个标准的应用层使工业自动化和控制设备的互操作性和互换性成为可能。
实际上，在控制系统中存在着两种信息：实时I/O数据（（I/ O message）和用于组态、参数设置、诊断等的显式信息（Explicit Message）。前者不包含任何协议信息，只含有要求快速传送的I/O实时数据。它的特点是要求采用短帧结构、协议额外开销少、执行实时传送，因此要采用UDP/ I P（ User Datagram Protocol/ Internet Protocol）协议。而后者的数据包含了协议信息和执行服务的指令，节点要翻译该信息的内容、执行规定的任务并产生应答信号，因此采用TCP/ IP协议。以UDP/ IP和TCP/ IP分别封装I/O信息和显式信息，可以保证提供不同网络性能要求的数据通信服务，还使工业自动化和控制设备具有互操作性和互换性。
基于以太网的实时通信层次模型
实时以太网介质访问控制协议技术
1传统以太网介质访问控制协议
以太网提供波特率为10 Mbps或100 Mbps的快速、高效的传输。但是，在一个繁忙的环境中，以太网并不能为节点提供固定的网络访问时间。相反的，它用一种称之为带有冲突检测的载波侦听多路存取（CSMA/ CD）的判优算法。使用CSMA/ CD，每个节点会在发送数据前侦听网路。如果节点发现网路有空，它就开始传输。否则，它就等到网路空闲为止。大多数时候，网路侦听可以保证消除冲突。以太网的速度足以使节点等待网络空闲，而浪费的时间仅仅造成一个很小且有上限的延迟。然而，有这样一种可能，2个节点同时等待一个传输的结束。在这种情况下，他们会同时侦听到一个空闲的网路并且同时开始传输。这就会造成一个冲突，所以两个节点必须通过调停来决定网路的访问。
当节点探测到一个冲突，它就会回退，并等待2个时间间隔后在重试数据的发送。如果重发失败，最大等待时间将会加倍，而节点将在一个随机的时间端之后再次重发。这种算法会持续到网路空闲为止。在1个10 Mbps的网络中，时间间隔为51 .2us 。在100 Mbps的网络中，一个时间间隔仅为5 .12us 。但等待时间加倍的算法不会一直继续，它将在10次后停止加倍，并在16次后显示错误信号。这样，这种指数形式的补偿计算会造成不可预知的延迟。
点通
