【乙太網路技術(下)】
在上一期中，曾提及工業自動化網路的主/從協定之間經常存在的相互作用，當建立備援環狀(Redundant Ring)網路時，主節點將與處於同一個環上很多的從節點互相連接。主節點是針對埠與環進行邏輯區分，阻止實體環中出現「單獨的」資料封包。環是以菊鏈 (Daisy Chain)形式進行互連，最後的菊鏈將從連結接回到主節點，如果在第一環操作時發生連結故障，則由第二環立刻提供備援支援。銅纜本身的作用是可以透過連結訊號缺失探測網路故障，而光纖則是透過訊號檢測來探測網路故障。工程師採用故障連接切換模式時，主環可以自動診療其本身的故障。在圖1中表示單環連接的正常連結運轉和故障連接如何切換，所以網路中的媒介可以是光纖(100Base-FX)，也可能是銅纜(100Base-T)。
從實體(PHY)層的設計角度來看，雙埠整合式10/100 PHY晶片為目前提供備援埠最直接的解決方案，環上的節點總數受限於以時間為關鍵型的網路解析度，即對應於微秒解析度和位元(Bit)等待時間。如果採用區域網路交換器，則儲存與轉遞(Store and Forward)等待時間和大型的資料封包將會對確定性回應造成嚴重性影響。
如果主環發生連結故障，則由第二個備援環狀提供額外的後備路徑，在這種情況下，每個端點都需要兩個雙埠PHY，使用於支援主環的故障切換和備份環的故障切換(圖2)。
主節點主要是適用於防止網路備援，並將相應的資料封包發送至工作站，市場上被廣泛使用的上層數據協定例如依據IEEE802.1D規格制定的擴充樹協定 (Spanning Tree Protocol, STP)，通常適用於建立單一的路徑，得以在任意給定時間連接網路內的所有工作站。STP經常使用於多路徑、子環狀網段、備份連結或提供負載共享。依據 IEEE802.1u規格，高速STP也稱之為高速擴充樹協定(RSTP)，通常使用於時間緊湊型網路中。虛擬區域網路是區域網路交換器採用的另一種擴充樹協定概念，區域網路交換器為一組有位址的節點分發廣播域，上述的節點不受網路中各自實體位置的限制。
媒介轉換器延長距離
對於大規模的工業網路而言，區域網路交換器的間距可能比銅纜交換距離的100公尺更長，為了解決這個問題，工程師可以使用媒介轉換器來延長最大間距。建議頻寬為100Mbit/s時，銅纜/光纖媒介轉換模組可以將交換器間距從100公尺擴展到1公里，光纖轉換使區域網路連接免受高強度電磁幅射波(EMI) 和鄰近的電動控制系統干擾的影響。上述功能在一個整合式元件DP83849IF中，即可輕鬆執行。工程師只須在FX_EN接腳處添加1個上拉電阻器硬體，毋須透過其他軟體，即可將第一個埠設置為銅纜埠，第二個埠設置為光纖埠。同樣地，透過暫存器控制裝置也可以完成以上設置(圖3)。
為了支援200公尺的交換器間距，則須要使用另一種稱之為媒介擴展器的功能，同樣地，DP83849IF的雙埠可以透過硬體或暫存器控制裝置輕鬆配置。對於頻寬為100Mbit/s的銅媒介，其內部RX和TX路徑在PHY之間互連，如圖4所示，兩個DP83849IF元件採用端對端擴展模式進行配置。對於更長的距離而言，工程師須要在遠端設置電源。如果區域網路交換器可以支援供電設備控制器(PSE)功能，透過雙絞線輸出48伏特標準電壓，則能夠添加乙太網路供電系統(PoE)應用。受電裝置(PD)端與PSE經過交換列程序後，提供符合IEEE802.3af規範的功率約為13瓦的整流直流電(DC)電源。
美國國家半導體推出一種單板解決方案，搭載DP83848 PHY、LM5072 PoE PD介面和PWM控制器。上述元件均通過各自功能的互通性測試，LM5072通過乙太網路供電協會檢測，DP83848也經過UNH互操作性測試實驗室的相關檢測。在2007年IEEE802.3at規格頒布後，依照PoE Plus的規格，乙太網路供電功率將提升到30瓦。同時，LM5072 PoE的設備為支援700毫安培直流電傳輸提供一種過渡性的解決方案。工業組織將會很快發現PoE Plus規格非常適合提升工廠的自動化設備功率。事實上對於頻寬為100Mbit/s的兩公里光纖延伸線路而言，DP83849IF的互連模式與硬體或暫存器控制裝置的配置是類似的。
開放式規格支援即時性乙太網路
目前一共有4種被廣泛使用的開放式規格支援即時性乙太網路解決方案，包括EtherNet/IP、自動控制乙太網路(EtherCAT)、PROFinet及Ethernet Powerlink(EPL)。EtherNet/IP是一種開放式的應用層協定，由ControlNet International、OpenDeviceNet廠商協會和IEA工業協會制定和維護，該協定同使用802.3實體層，支援TCP/UDP/IP 層，全面與大多數工業自動化網路通用。
EtherNet/IP協定採用主題控制和訊息協定(CIP)的上層，反映至主從關係的TCP/IP和UDP，由於UDP毋須確認每條訊息，同時支援一對多節點關係模式，所以UDP資料封包的傳輸速度高於TCP/IP資料封包。為實現即時性乙太網路，另一種形式的EtherNet/IP協定應用 CIPSync(控制和訊息)同步或高速同步解決方案(使用1台100Mbit/s交換器)，採用這種方法可以實現在500奈秒範圍內，裝置間的即時性解析度。EtherNet/IP協定的缺點在於TCP和UDP資料封包傳輸都具有抖動和非確定性，並不能滿足意義上嚴格的即時性運動控制要求。
EtherCAT是由德國Beckhoff公司推出的即時性解決方案，IEC將其規格化，並得到200多個IEC會員的支持。EtherCAT協定同樣採用主/從原則，可以與TCP/IP網路互用，EtherCAT資訊框封裝在資料欄位。1個EtherCAT資訊框包括1個報頭以及1個或多個 EtherCAT指令。每個EtherCAT資訊框內都包含數個EtherCAT指令，如框頭、數據及工作計數器等，全面有效利用大容量乙太網路的資料字段(圖5)。
主節點可以引發所有傳輸功能，來控制數據存取，但從節點(Slave)卻不具有同樣的傳輸功能，然而EtherCAT卻可以成為智慧型的從節點。對於開環拓撲而言，接收EtherCAT資料封包的從節點在硬體中處理傳輸資料，然後再將數據傳輸給環上的下一個從節點，處理等待時間可能為數奈秒。環上的最後一個從節點將處理完成的報文傳回主節點，在回傳路線上，每個從節點就像中繼器，能夠放大並重新產生訊號。每個從節點都有一個雙實體層埠，可實現雙向數據通訊，而不會發生爭用現象。當從節點在處理EtherCAT資料封包時，工作計數器也將同時啟動，主節點由此以確定每個從節點是否正在交換數據， EtherCAT協定也支援任何星形、匯流排或線狀拓撲等。
EtherCAT透過IEEE 1588簡化版本的分布式時脈計算法實現同步，EtherCAT是一種確定性的高速即時性乙太網路解決方案，在主節點或從節點之間不使用任何交換器或路由器。根據IEEE 1588時序同步協定中規定，主時脈可確定獨立從時脈的傳播延遲偏置，反之亦然，並根據延遲偏置調整，可讓抖動值較低，小於1微秒，符合IEEE 1588要求。
作為一個不使用區域網路交換器設計從節點的典範，透過採用Altera生產的FPGA，EtherCAT可以被設計為具備EtherCAT MAC從控制器的解決方案。兩個採用DP83849IF晶片的雙埠PHY可執行單埠中繼器解決方案，同時第二個雙埠PHY在環狀類拓撲中進行菊鏈互連，圖 6顯示乙太網路環中的4個節點。本範例有助於降低等待時間和/或抖動值，這種傳播延遲與區域網路交換器原有的存儲和傳輸等待時間相比非常小。
PROFinet是另外一種開放式通訊協定，許多製造廠商均採用之，PROFinet曾經使用於分布式自動控制系統的工廠範圍Fieldbus規格。目前 PROFinet使用現場設備的常規I/O數據，該數據以循環式傳輸至可編程邏輯控制器(PLC)的流程圖像。ProFinet V1協定採用專用軟體通道，其即時確定性回應數量級達到10～100毫秒，適用於5～10毫秒之間的非關鍵型工廠自動化循環週期。同步即時 PROFinet-IRT硬體版本採用同步乙太網路節點，透過全雙工區域網路交換器，該協定為多個指定時間間隔指派1條確定性IRT訊道和1條常規性 TCP/IP訊道。對每個指定時間間隔而言，只要指定時間間隔總值小於1毫秒，則可以改變IRT訊道和常規TCP/IP訊道的比率。為了遵從IEEE 1588時序同步協定，保持解析度小於1毫秒，每個PROFinet-IRT設備須要採用專用的FPGA/ASIC，處理時間同步以及IRT訊道和非確定性TCP/IP訊道之間的訊道指定時間間隔劃分問題。
基於100Base-TX的Ethernet Powerlink(EPL)協定，使用標準高速乙太網路硬體設備，毋須使用FPGA/ASIC。與EtherCAT類似，標準乙太網路將 Powerlink資訊框封裝在資料欄位中。EPL使用主/從模式，與EtherCAT和 PROFinet-IRT類似，EPL採用指定時間間隔分發、同步和異步訊道，Powerlink循環包括4個指定時間間隔週期(圖7)。
當起始週期開始後，EPL主節點與從節點同步發送循環起始(SoC)資訊框，循環起始資訊框的時間是網路同步關鍵時間的基礎，所有的資訊框都受其影響。在發送SoC資訊框後，循環週期就開始執行。主節點將會向每個節點發送輪詢資訊框進行輪詢，隨後，從節點發送含有數據的輪詢回應資訊框作為回應，避免衝突發生。此外，從節點向所有設備發送回應，因此實現從節點之間的相互通訊。
在對所有節點成功進行輪詢之後，主節點將會發出循環終止資訊框。該循環資訊框傳輸到從節點處，知會循環通訊已經完成。於異步週期內，可以在主節點控制下進行非循環數據傳輸。如果在異步週期中要實施傳輸，從節點必須在循環週期內，以輪詢回應資訊框的形式，提前通知主節點。
在不引起過多等待時間情況下，主節點必須為每個從節點請求安排時間並予以執行，在此期間也可以同時傳輸標準IP報文。
就硬體設備而言，EPL與ProFiNet不同的是，EPL不須要使用區域網路交換器，EPL網路功能使用標準的集線器或中繼器，以避免前文提到的存儲和傳輸等待時間導致的額外抖動。EPL網路功能經過時間控制匯流排接入模式，從根本上避免衝突發生，因此，限制使用兩類中繼器的衝突域規定並不適用於EPL 網路功能。就因為沒有限制，所以EPL網路功能中最多可以排序10台集線器/中繼器。由於EPL設備具有非常嚴格的RT即時通訊要求，所以EPL設備不能與非RT即時乙太網路設備共同使用。
100Mbit/s中繼器目前已難找到，大部分100Mbit/s中繼器晶片已過時。DP83849IF雙埠PHY具有主連結相關的單向中繼器功能，對於多個DP83849IFPHY而言，可將雙埠設置為廣播模式，共享同一媒體存取控制(MAC)層或以FPGA/ASIC為基礎的MAC，因此，主節點可將數據資訊框同時發送給兩個節點。從節點末端也可擁有1個專用雙埠PHY。其中第一個埠作為接收主節點數據的接收連結，第二個埠作為向主節點發送數據的發送連結，這樣節點就成為全雙工連結。
主節點具一系列DP83849 PHY，可作為從節點發送連結的專用接收埠，主節點以FPGA輔助MAC，支援存取每條實體層的介面連結。整合使用中繼器和廣播操作模式， DP83849IF可排序多個單向中繼器跳動，中繼器跳動數量最多為10，因此具多種排序連接模式，圖8和9分別說明兩種連接模式。
符合IEEE 1588 確保節點時脈品質
所有網路節點都採用IEEE 1588規定的單路通訊埠的普通時脈，或用於多埠集線器/中繼器或區域網路交換器的邊界時脈。唯一的主時脈可位於任意節點，而不必停留在主節點，主時脈是最精確的時脈源，在每個節點都可以採用IEEE 1588最佳主時脈運算法，確定節點的時脈品質。如果節點不是主節點，則採用發送和接收時間計算偏置值，並透過延遲測量起動同步。工程師必須對所有節點和實體層設備都要進行精確的時間測量，在檢查實體層收發器過程當中，MII接收時脈經過接收數據流進行恢復功能，接收數據流恢復時脈的過程與內部鎖相迴路如何發揮功效具有直接關係，某些實體層設備的RX數據接收時脈最長等待時間為20奈秒。
在MII和RMII匯流排模式下，DP83848和DP83849 PHY接收數據的RX時脈等待時間僅為3奈秒，透過降低接收時脈等待時間，網路內的MAC層、電纜長度延遲和其他可變時間常數具有更多的確定性預計時間。 DP83848和DP83849的總傳輸等待時間達到重複性5位元時，因而不存在變化的不確定性。同樣接收等待時間，預計達到25.5位元時(1位時＝ 10奈秒)，因而也不存在變化的不確定性。
與原始乙太網路規格相比，現今的規格已產生巨幅變化，工業自動控制組織根據Fieldbus串行通訊技術的發展，不斷對乙太網路功能進行調整，且根據 IEEE 1588時序同步協定的規定提出即時性乙太網路要求。這些重大變化包括無衝突全雙工功能，從對等協定、客戶端－伺服器模式到主從模式的變化，及利用量身訂製式FPGA/ASIC以處理特定廠商協定。
採用標準乙太網路資訊框，將具有報頭和數據訊息的特定廠商封裝資訊框，嵌入乙太網路資訊框的資料欄位中。採用主從模式的實體層設計通常可部署為雙埠實體層設備，支援容錯網路採用的菊鏈拓撲和備援拓撲。對於工業網路連接而言，足夠成熟的區域網路交換器技術須要向更具確定性的架構演進。具有集線器/中繼器功能、主節點指定時間間隔分發以及時間安排功能的第1層至第3層設計是可能的實現方法。分布廣泛的乙太網路不僅要能實現工業領域的即時確定性乙太網路連接，還須可透過TCP/IP與非確定性互聯網路系統進行連接。