小讲堂 - EtherNet/IP | 第5讲:EtherNet/IP性能分析

罗克韦尔自动化及软件部门技术顾问王宏善

2014-05-22 罗克韦尔自动化

与我们联系，请点击这里

1 EtherNet／IP介绍

通用工业协议(Common Industrial Protocol，CIP)为开放的现场总线DeviceNet、ControlNet、Componet、EtherNet／IP等网络提供了公共的应用层和设备描述。它建立在单一的、与介质无关的平台上，为从工业现场到企业管理层提供无缝通信，使用户可以整合跨越不同网络的有关安全、控制、同步、运动、报文和组态等方面的信息。有助于使工程化和现场安装的开销最小化，使用户获得最大的投资收益。

EtherNet／IP技术是基于标准的TCP／IP协议的CIP技术与以太网技术的巧妙结合，只是在TCP或UDP报文的数据部分嵌入了CIP封装协议，封装协议的主要任务是定义和规范了如何封装和传输t层协议报文，以及如何管理和利用下层TCP／IP连接，起到承上启下的作用。

EtherNet／IP采用高效灵活的数据交换模式——生产者／消费者模式。生产者是数据的发起者，向网络上发送数据包，数据包携有指示数据内容的“唯一的”标识符。消费者是数据接收者，任何感兴趣的消费者都可通过标识符从网络中获取需要的数据，这样，多个消费者可以接收和使用这些数据。EtherNet／IP的报文主要分为隐式报文和显式报文，隐式报文主要传输一些实时I／O数据、功能性安全数据和运动控制数据，显式报文

主要是传输一些配置、诊断等数据。EtherNet／IP基于标准的以太网技术，Ether-Net／IP的数据传输的整个过程如图1所示，它利用UDP协议传送隐式报文，将UDP报文映射到IP多播传送，实现高效I／O交换，有力支持了生产者／消费者模式。并利用TCP的流量控制和点对点特性通过TCP通道传输显式报文。

2 以太网性能分析

以太网最初应用在办公自动化领域，其MAC层采用的是CSMA／CD(载波监听多路访问／冲突检测协议)，当网络负荷较高时，数据的传输就会出现延迟，产生“不确定性”，而该“不确定性”正是工业控制领域的大忌。因此，在工业以太网发展初期，许多人都抱着质疑的态度，这大大制约了工业以太网的发展。

然而，技术在不断进步，以太网的通信速率从最初的10 MB增大到如今的0．1～10 GB。同样的通信量，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着确定性的提高。据有关试验证明，在网络负荷不超过36％的情况下，以太网基本不会发生冲突；在负荷为10％以下时，10 MB以太网冲突机率为1次／5 a，100 MB以太网则为1次／15 a。而全双工通信方式也进一步避免了冲突的发生。另外，以太网交换机技术的迅速发展，给解决工业以太网的不确定性带来了新的契机。交换机可对网络上传输的数据进行过滤，使每个网段内节点间数据的传输只限在本地网段内进行，将数据包冲撞的机会从根本上减少到零，并且不占用其他网段的带宽，从而降低了所有网段和主干网的网络负荷。

与此同时，许多制造商开始致力于研究适用于恶劣工业现场环境的接插件、电缆、集线器、交换机等，网络配件来提高网络的抗干扰能力和可靠性。这些都为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。

3 EtherNet／IP性能分析

在以太网中，TCP是一个可以提供可靠的数据传输服务面向链接的协议；UDP是一个能简单、快速地传递数据报，但不能保证数据报是否安全无误地到达目的设备不基于链接的协议。EtherNet／IP采用以太网的UDP传递实时数据，TCP传递诸如配置、诊断等非实时数据。为了确保实时数据的可靠性，EtherNet／IP协议增加了一系列措施，如在每次传输数据时都增加了数据头和序列号，每发送一次数据报，序列号增加一次，接收方通过序列号就能判断数据的有效性，从而确保了数据的可靠性。

一个系统如图1所示，每个EN2T（controllogix网卡）管理着本地网络中30台EtherNet／IP适配器设备，为了减少控制器之间的负荷，控制器向下与网络中所有的适配器进行通信，向上和另一个控制器实现数据交互。

图1EtherNet／IP系统图

EtherNet／IP基于标准的以太网，因此，其网络负荷的计算方法与以太网的网络负荷计算方法基本一致。

假设每台适配器的数据长度都为50 Byte，即50 Byte的输入数据，50 Byte的输出数据，EN2T与另一个EN2T的数据长度为1500Byte，即1500 Byte的输人数据，1500 Byte的输出数据。

EN2T与每台适配器的数据交互周期都为100 ms。通信速率为100 MB。

在EtherNet／IP网络中，实际数据封装组成如图3所示。

图2EtherNet／IP数据封装组成

因此，EN2T与适配器间要传输50 Byte的数据，实际在EtherNet／IP网络中传输了128 Byte，即1024 bit。EN2T之间传输1500 Byte的数据，实际EtherNet／IP网络中传输了1578 Byte，即12624 bit。

每秒钟传送报文所占的时间：

T=CB×CT／V

式中：CB为每个报文比特数；CT为每秒钟报文数目；V为网络通信速率。每秒钟报文数目：

CT=A×B×C

式中：A为每秒钟传输报文的次数；B为数据是单向还是双向；C为适配器的个数。

首先，计算EN2T与30个适配器之间的数据：

此例中，传输周期为100 ms，因此A=10。而扫描机与适配器之间的数据是双向的，即有输入和输出数据，因此B=2。网络中有30个Adapter设备，因此C=30。

CT1=10*2*30=600
T1=1024*600/100=6.144ms
CT2=10*2*1=20
T2=12624*20/100=2.5248ms
T=T1+T2=8.67ms

即该网络中每秒钟传送的报文只占用了8.67 ms，网络负荷率仅为0．867％。

上述只是计算了隐式(周期性)报文的网络负荷率，因为显式(非周期)报文只是在需要时偶尔发送一次，对整个网络的影响很小，可忽略不计。

由此可见，EtherNet／IP网络完全可以应用于工业环境中。

3．2 EtherNet／IP性能指标

在EtherNet／IP网络中，评估网络性能的主要是以下2个指标：①请求包间隔时间(RequestedPacket Interval，RPI)；②每秒钟所发的包的个数(Packet per Second，PPS)。RPI是数据周期性传输的一个再要指标，无论网络中有多少个节点，源设备都按照用户指定的RPI周期来向目标设备发送数据。而PPS=1000÷RPI(ms)。—个设备的总PPS=源设备的总PPS+目标设备的总PPS

根据各设备的性能，设备厂家会制定设备的最小RPI和最大PPS。用户评估网络性能时，一个设备的总PPS通常不能超过最大PPS的90％，保留10％的带宽用于显式报文的通信。

举例来说，EtherNet／IP网络节点，如图3所示。网络中有3个EtherNet／IP设备，分别是节点1～3，其网络最大带宽是3000 PPS。

图3EtherNet／IP网络节点示意图

节点1设备既有作为发送端也有作为目标端的连接，对节点2发送端的2个RPI分别是50、4 ms，接收端的RPI为2 ms；对节点3发送端的RPI为4 ms，接收端的RPI为8 ms。同理，节点2接收的RPI分别为50，4和5 ms，发送端的RPI为2 ms。节点3发送的RPI分别为5和8 ms，接收端的RPI为4 ms。

节点1 PPS=1000/50+1000/4+1000/2+1000/4+1000/8=1145
节点2 PPS=1000/50+1000/4+1000/5+1000/2=970
节点3 PPS=1000/5+1000/8+1000/4=395

PPS 3000*90%=2700而每个节点都小于2700，所以网络有足够的带宽和负荷完成通讯。

与我们联系，请点击这里