之前我們提到了以太網在工業領域被廣泛應用的驅動力，并簡單描述了網絡通訊協議的多層模型。

 

 

然而，既然已經將以太網技術引入了工業領域，為什么大家還要煞費苦心的搞出好多專用的工業以太網協議，而沒有沿用目前比較通用的以太網通訊標準（例如：TCP/IP、IEEE 802.3 ...）呢？以及，各家的工業以太網通訊協議，又有著怎樣的差異呢？

 

關于這個問題，我們首先還是得了解普通以太網的工作機制，和工業系統對數據交互的實時性、確定性的要求。

 

 

我們知道，以太網的作用，其實是為設備間的數據交互提供了一種共享網絡通訊服務。然而，當多臺不同類型的設備連接在同一個網絡系統中互相發送和接收各種數據信息時，就必定存在著潛在的傳輸沖突問題。這就好比很多人在一起開會，如果大家同時開口說話，就無法確保相互之間的有效溝通，因此必須事先預設一個溝通機制。

 

 

在傳統的以太網中，所有的節點共享傳輸介質，為了能夠保證有序、高效地為很多節點提供傳輸服務，在介質訪問控制上通常會采用 CSMA / CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）帶沖突檢測的載波監聽多路訪問技術（載波監聽多點接入/碰撞檢測），也就是我們經常聽說的 IEEE 802.3 協議標準。

 

 

它的工作原理是：發送數據前先偵聽信道是否空閑；若空閑，則立即發送數據；若信道忙碌，則等待一段時間，至信道中的信息傳輸結束后再發送數據；若在上一段信息發送結束后，同時有兩個或兩個以上的節點都提出發送請求，則判定為沖突；若偵聽到沖突，則立即停止發送數據，等待一段隨機時間，再重新嘗試 ...  這就好像我們開會時，要約定每個人在說話前必須先傾聽，只有等會場安靜下來后，才能夠發言。

 

 

然而，大家發現這其中的問題沒有，就是在傳統以太網中，避免數據傳輸沖突的方式居然是簡單的“等待”，完全無法保證重要的數據/指令在確定的時間內及時收發；這就好比會議中，即使再重要的發言，也都要等到別人說完之后才能開始，并且還不知道要等多久，雖然避免了沖突，但卻在一定程度上降低了重要信息的傳達效率。

 

 

通用以太網這種非實時、非確定性，對于一般信息層的網絡應用，往往算不上是什么太大的問題，因為在這些應用場合，人們對于數據傳輸的時間節點并不那么敏感，例如：我們通常不會太在意設備數據和網頁畫面在加載更新時出現的幾毫秒或幾十毫秒甚至幾秒的延遲。

 

 

然而對于工業現場的產線設備，這種數據通訊的非確定性延時，就會嚴重的影響和制約其控制性能。尤其是在運控系統中，為了達到較高的動態響應特性，控制器與驅動器之間必須能以極為精準確定的時間周期進行位置/指令數據的高頻交互，而這恰恰是傳統的以太網技術無法做到的，也是早期的脈沖串和 SERCOS 總線能夠長期統治運控江湖的主要原因。

 

 

于是，為了能夠讓工業設備中的控制器、傳感器和執行器...等自動化組件之間的連接和通訊做到具備確定性和實時性，在將以太網的硬件介質應用到工業控制領域的過程中，各大自動化廠商就分別基于已有的現場總線技術和信息/控制系統，重新調整和規劃了工業以太網的通訊機制。

 

 

例如：ProfiNet IRT 就在每個數據周期中，單獨劃出了一個同步通訊時段，專門用于實時數據的傳輸；而一般非實時數據的通訊，則只能在標準數據時段中進行，一旦進入同步通訊時段，就會立即暫停這些數據的傳輸。這與會議過程中為重要議題單獨劃出一段時間、并中止一切自由討論，是類似的道理。

 

 

POWERLINK 則不僅將數據周期分割成同步和非同步時段，而且為了提升整個網絡的通訊效率，它還通過單一主站（MN）為每個從站（CN）分配了固定的時間槽，并采用輪詢機制來實現數據的實時交換。當系統從 SoC 開始啟動等時同步傳輸后，MN 會按照分配好的時間槽逐一與每個 CN 進行一次數據交互。這相當于在會議中設定了一個主持人，與會者只能在規定好的時間節點和主持人進行單獨交談，而他們之間的交頭接耳則是絕對不允許的。

 

 

而 EtherCAT 則是采取了一種“數據列車”的通訊方式，從主站發出的數據包會按照順序沿各個從站節點接力傳遞，邊傳輸邊處理，最后返回到系統主站。在這個過程中，每個節點會按照自己的應用需要從“列車”上快速抓取數據，并將已經處理好要輸出的數據裝載到“列車”上。主站只需要發送一次數據，就能夠完成與各個從站之間的數據交換。同時，由于每個站點發送數據的目標節點都是確定的，數據包中的地址信息也因此被簡化了。

 

 

相比之下，EtherNet/IP 就沒有在數據傳輸和交互的時序/動作上給網絡中的設備設定什么限制，總體上還是沿用了通用以太網的基本協議規則。只是要求“發聲”設備（Producer 生產者）在發送數據時按照約定規則為數據貼上類別標簽，如：普通 I/O、運動控制、安全數據...，這樣，接收端（Consumer 消費者）就會在收到數據后根據其所屬類型的重要/緊急程度，決定是否接受優先使用該數據，或者稍后（甚至不做）響應。

 

 

目前市面上的工業以太網協議，除了上面提到的這些，其實還有很多，由于在實現以太網的實時通訊方面采取了極為不同的技術策略，它們在實際應用中也往往會表現出一定的性能差異，如：傳輸速率、響應周期、拓撲結構、易用性，開放性...等等。

 

同時我們也必須注意到，我們現在看到的各種工業以太網協議，基本上都是由相應的自動化廠商發起并作為“標準”進行推廣的，用戶對于網絡技術的選擇和應用體驗，很大程度上還是會受到其背后的產品架構和技術體系的影響。

 

 

所以，從某種意義上說，我們基本上可以將這些所謂的工業以太網定義為，基于通用以太網物理介質的專屬工業現場總線；同時，由于具備了實時的數據交互能力，它們應該可以被稱作是第二代工業總線。