揭開(kāi)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)神秘的面紗

　　說(shuō)到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，大多數工程師都比較陌生，什么是實(shí)時(shí)?為什么實(shí)時(shí)?其實(shí)就是一層面紗，今天我們來(lái)給您揭開(kāi)!

　　大多數工程師平時(shí)接觸的以太網(wǎng)基本都是TCP協(xié)議。因為覺(jué)得以太網(wǎng)TCP協(xié)議比UDP協(xié)議高級，理由就是數據在傳輸過(guò)程中不容易丟，但工業(yè)上的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)很多都是不基于連接的UDP協(xié)議，這是為什么呢?我們先看下他們的區別。

　　1.11.TCP與UDP的基本特性

　　1.1.11.1 TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)

　　TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)是面向連接的協(xié)議，也就是說(shuō)，在收發(fā)數據前，必須和對方建立可靠的連接。一個(gè)TCP連接必須要經(jīng)過(guò)三次握手才能建立起來(lái)。

　　TCP連接三次握手過(guò)程

　　1.主機A通過(guò)向主機B 發(fā)送一個(gè)含有同步序列號的標志位的數據段給主機B ,向主機B 請求建立連接,通過(guò)這個(gè)數據段,主機A告訴主機B 兩件事:我想要和你通信;你可以用哪個(gè)序列號作為起始數據段來(lái)回應我.;

　　2.主機B 收到主機A的請求后,用一個(gè)帶有確認應答(ACK)和同步序列號(SYN)標志位的數據段響應主機A,也告訴主機A兩件事:我已經(jīng)收到你的請求了,你可以傳輸數據了;你要用哪個(gè)序列號作為起始數據段來(lái)回應我;

　　3.主機A收到這個(gè)數據段后,再發(fā)送一個(gè)確認應答,確認已收到主機B 的數據段:"我已收到回復,我現在要開(kāi)始傳輸實(shí)際數據了;

　　這樣3次握手就完成了,主機A和主機B 就可以傳輸數據了。如圖1所示。

　　圖1 TCP建立連接3次握手過(guò)程

　　TCP斷開(kāi)四次握手過(guò)程

　　TCP建立連接要進(jìn)行3次握手，而斷開(kāi)連接要進(jìn)行4次;

　　1 .當主機A完成數據傳輸后，將控制位FIN置1,提出停止TCP連接的請求;

　　2.主機B收到FIN后對其作出響應,確認這一方向上的TCP連接將關(guān)閉,將ACK置1;

　　3 .由B 端再提出反方向的關(guān)閉請求，將FIN置1;

　　4.主機A對主機B的請求進(jìn)行確認，將ACK置1，雙方向的關(guān)閉結束。

　　圖2 TCP連接斷開(kāi)的4次握手過(guò)程

　　由TCP的三次握手和四次斷開(kāi)可以看出，TCP使用面向連接的通信方式，為了提高數據通信的可靠性，在通訊有效數據之外添加了一套復雜的驗證流程，從而加大了網(wǎng)絡(luò )的負載和系統的開(kāi)銷(xiāo)，降低了通訊的效率。并且在通訊過(guò)程中一旦出現異常斷開(kāi)，重新建立連接前，需要先斷開(kāi)連接，釋放資源，造成極大的耗時(shí)。所以TCP一般用于對實(shí)時(shí)性沒(méi)有要求的通訊場(chǎng)合，比如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、郵箱數據、文件傳送等。

　　1.1.21.2 UDP(User Data Protocol，用戶(hù)數據報協(xié)議)

　　UDP是一個(gè)非連接的協(xié)議，傳輸數據之前，源端和終端不建立連接，當它想傳送時(shí)就抓取來(lái)自應用程序的數據，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò )上。在發(fā)送端，UDP傳送數據的速度僅僅是受應用程序生成數據的速度、計算機的能力和傳輸帶寬的限制;在接收端，UDP把每個(gè)消息段放在隊列中，應用程序每次從隊列中讀一個(gè)消息段。

　　由于傳輸數據不建立連接，因此也就不需要維護連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺服務(wù)機可同時(shí)向多個(gè)客戶(hù)機傳輸相同的消息，或者可以大家共享一個(gè)廣播地址，成為UDP組播功能，類(lèi)似CAN總線(xiàn)那種通訊，發(fā)到組播地址上的信息，將被所有組成員收到。如圖3所示。

　　圖3 UDP的兩種通訊方式

　　UDP信息包的標題很短，只有8個(gè)字節，相對于TCP的20個(gè)字節信息包的額外開(kāi)銷(xiāo)很小。吞吐量不受擁擠控制算法的調節，只受應用軟件生成數據的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機性能的限制。

　　UDP使用盡最大努力交付，但發(fā)送端的鏈路層不保證可靠交付，因此發(fā)送主機不需要維持復雜的鏈接狀態(tài)表(這里面有許多參數)。UDP是面向報文的。發(fā)送方的UDP對應用程序交下來(lái)的報文，在添加首部后就向下交付給IP層。既不拆分，也不合并。

　　UDP一般用于實(shí)時(shí)性高的工業(yè)控制場(chǎng)合。比如現在絕大多數的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)都使用UDP通訊。軌道交通中的IEC61375-3-4更是以UDP作為實(shí)時(shí)過(guò)程數據的通訊，而用TCP用于參數配置和固件升級使用。

　　1.1.31.3 TCP與UDP的對比

　　表1 TCP與UDP的對比

　　1.22 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)項目中的方案對比

　　1.2.12.1 TCP方案

　　使用的TCP方案中，由于工業(yè)現場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )干擾等問(wèn)題，在通訊過(guò)程中無(wú)法保證TCP連接可靠的保持，而在每一次斷開(kāi)TCP連接并嘗試重連的過(guò)程中，都會(huì )經(jīng)歷上述的4次斷開(kāi)握手和3次連接握手的流程(如果是某些異常斷開(kāi)的TCP還需要經(jīng)歷超時(shí)重傳和?；钣嫈档牧鞒?，而在網(wǎng)絡(luò )狀況不佳的情況下完成上述流程是有很大可能超出系統應用層的超時(shí)限制，所以會(huì )出現了頻繁出錯的問(wèn)題，導致實(shí)時(shí)性很差。

　　1.2.22.2 UDP方案

　　而UDP方案基于上述介紹過(guò)的UDP的特性，在出現異常后UDP可以省去TCP繁瑣的握手流程，很快的恢復通訊，把需要發(fā)送的有效數據及時(shí)發(fā)送出去，從保證了系統要求的響應需要。

　　使用UDP方案的數據完整性是由上層應用協(xié)議來(lái)保證的。即使通訊過(guò)程中某幀數據丟失，但發(fā)送方能在未收到對方響應前利用重發(fā)機制重新把丟失的數據再次發(fā)送，以太網(wǎng)100Mbps的速率保證很短的傳輸時(shí)間，所以很快就可以保證數據到達。不容易超出系統應用層的超時(shí)限制。

　　比如軌道交通實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議中，就使用20548端口UDP組播地址作為過(guò)程數據實(shí)時(shí)控制。如圖4所示。

　　圖4 軌道交通中的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)

　　以ECNN為例，主機通過(guò)UDP組播的方式，1包即將發(fā)給所有從機的內容都發(fā)下去，如圖5所示。從機收到后，響應報文到組播地址，不但可以被主機收到，而且可以被網(wǎng)絡(luò )中的記錄設備(黑匣子)記錄，便于故障時(shí)候進(jìn)行分析。

　　圖5 軌道交通實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊過(guò)程

　　1.3總結

　　綜上所述，結合實(shí)際情況，使用UDP方案更符合實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的實(shí)際需求。ZLG致遠電子研發(fā)的ZNE-100TA串口轉以太網(wǎng)模塊，具備完整的TCP、UDP、UDP組播功能，高達1.15Mbps的串口傳輸速度，完全可以滿(mǎn)足絕大多數實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的通訊要求。嚴格完整的物理層測試，可以解決用戶(hù)對于物理鏈路層設計的煩惱。如圖6所示。