实时性讨论

 讲完了一致性类别，就该谈谈实时性了。

    记得最初接触PROFINET技术，无论是网络上的基本介绍，还是相关的论文，与客户讨论工业以太网技术，实时性都是大家关注的重点内容，每次讨论必提及“实时性”的概念和参数等等。所以讲清楚实时性是一件很应景的事情，必需要做！

    所谓“实时”，就是表示“及时”。实时是平时听新闻经常听到的一个词儿，实时资讯、现场实时报道、实时画面，大家要听资讯就要听新鲜的，过时的消息如同旧报纸，可以去卖破烂了。简单的讲，实时就是指从事件的发生、传播、再到获知，这个过程所经历的时间很短。资讯是否实时包含三个标准：

第一是信息是否都到达目标，会不会在传播的过程中出现意外丢失了；

第二是信息传播速度快不快，是写信传递信息还是通过无线电通话；

第三是信息好不好理解，比如资讯采用现场直播、图文解说、还是滚动字幕的形式呈现给人感觉是不一样的。

什么是PROFINET IO系统的实时性

 实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。

    PROFINET IO系统的实时性就是指当有一个外部事件发生时，从输入信号到传输、到控制器处理、再到输出信号给外设，这个过程需要的时间必须在工厂自动化的要求范围内。而这个过程需要的时间称为响应时间，包括传输过程需要的时间和处理过程需要的时间，分别为总线刷新时间和PLC程序循环扫描时间。所以从通信角度讲，只有总线刷新时间是通信所决定的，也就是说在同样的PLC处理速度下，如果能减少总线刷新时间，就能减少系统响应时间，从而提高系统实时性。

    PROFINET为了满足不同场合对系统实时性的要求，从响应时间的角度定性的区分出三种类型的通信——非实时、实时、等时实时，下图是大多数介绍PROFINET资料上都有的，三种自动化控制场合对系统响应时间的要求。

普通以太网不具备实时性

以太网具有世界统一的通信标准，几乎用到了办公通信中各个地方，工业领域的工程师们早就想将以太网经用于现场设备的总线连接，以及与上一级系统的连接。但是普通以太网自身具有一些固有的缺陷限制了器在工业领域的应用范围，一个突出的原因就是普通以太网不具备实时性。为什么说普通以太网不具备实时性呢？

    其实我们根据资讯是否实时的标准推断，网络系统要满足实时性的要求，也可以从这三个标准进行分析——确定性、快速和通信协议。

1、确定性

    普通以太网的介质访问方式是CSMA/CD，即带冲突检测的载波监听多路访问技术，这是什么意思呢？

    就是指每个连接在网络中的设备都在不断地侦听传输介质上的信号，当听到介质空闲时，开始发送数据。每个设备都有一个唯一的硬件地址，如果报文中的目的地址与自己的硬件地址一致，则报文被对应设备接收下来。如图所示，为了避免碰撞，节点发送数据也要做到像行人通过斑马线一样的准则，分为一看（检查介质是否可用）、二望（发送的同时也在监听）、三通过（接收机侦听）三步。 

 随着城市人口不断膨胀，汽车也越来越多，人和车对于道路的争用问题也变得越来越多，于是英国人在街道上设计出了一种斑马线，规定行人横过街道时，只能斑马线。司机驾驶汽车看到这条条白线时，会自动减速缓行或停下，让行人安全通过，从而避免交通事故的频频发生。所以，近期南京市区内交警在严查机动车不礼让斑马线的行为。

    同样在多个设备要发送数据时，就会出现介质访问冲突的问题，就是说如果几个设备同时开始传输数据，那么就会产生数据冲突（如上图右边所示）。这种现象直观的理解就是——当你打电话给一个正在通话的号码，会得到“用户正忙，稍后再拨”的提示。

    如果检测到冲突，发送取消数据的传输。此后，所有设备等待一段随机时间，然后进行尝试第二次发送，这就是所谓的退避策略。

    通俗一点讲，CSMA/CD可以概括成：先听后发、边说边听、若有碰撞就不发、退避重发、碰撞16次后不发。介质访问冲突的节点范围称为冲突域。这种介质访问冲突与争用会导致设备发送的数据有可能在发送的过程中丢失，做不到DHL承诺的一样“使命必达”，也就说普通以太网不满足“确定性”的标准。

2、传输速率

    IEEE802.3定义了以太网技术所有的特征，以太网如今已经发展到10Gb/s。自动化通信系统普遍使用100Mb/s以太网技术。

3、通信协议

    以太网的构成包括设备和协议。协议可以理解成机器之间交谈（通信）的规则。普通以太网使用TCP/IP协议，增加了通信的层次，比如说大家看到的是以滚动字幕形式呈现的资讯，然后理解这些文字，再得到其中有价值的信息，这样的话需要花费在理解协议的时间就相应的多了。

    综上所述，虽然说普通以太网也会使用100M的传输速率，但这只能说明其满足快速的标准，不能同时满足其它两个标准，所以说普通以太网不具备实时性。为此，各家制造商和组织都在针对普通以太网技术进行扩展，积极开发满足工业要求的以太网技术，比如说西门子和菲尼克斯的PROFINET、倍福的EtherCat、贝加莱的Powerlink、罗克韦尔支持的Ethernet/IP等等。

PROFINET如何实现实时性

   有一句话说的是“文艺作品要源于生活而高于生活”，想必大家不会陌生。PROFINET是基于工业以太网的，这句话可以说得文艺范一点儿：“PROFINET是源于以太网而高于以太网的”。那么，PROFINET是怎么做到“高于以太网”的呢？

    要做到比普通以太网要犀利，重要的是PROFINET要做到实时性，而要做到实时性，首先就要解决确定性的问题。前面提到普通以太网会出现介质访问冲突的问题，不满足“确定性”的标准。那么一般解决冲突的方法有哪些呢？

1.      既然PROFIBUS总线和PROFINET关系密切，先看看总线是如何的解决方法吧。PROFIBUS的通信方式是主从式，使用“令牌”控制，就像十字路**通信号灯的作用；

2.      可以想办法改进普通以太网所用的CSMA/CD，或者无线局域网（WLAN）所使用的CSMA/CA；

3.      广域网中使用信道复用，分为频分复用（FDM）和时分复用（TDM）。频分复用将一条高带宽的信道划分成带宽较小的多个信道，就像在一条公路上划分出多个车道；时分复用通过把通信数据包分配在不同时隙进行传输来实现信道复用。

    PROFINET的通信方式是生产者/消费者，各个通信节点是平等的，随时都可以收发数据，所以总线的那种“令牌”控制不能适用，只能在后两个方案中想办法。从而也造就了前面所提到的PROFINET不同于PROFIBUS的地方。

1、交换技术

    普通以太网设备有可能会出现数据碰撞，也就是所谓的CSMA/CD造成了数据发送的延迟，从而不能保证通信的确定性，也就无法谈及通信的实时性。而且前面提到冲突域的范围是有大小的。普通以太网使用传统的交换机（switch）或者是集线器（Hub）构成局域网，使用集线器连接使得整个局域网都是一个数据的冲突域。那是不是可以在从冲突域的角度对普通以太网改进一下，以彰显PROFINET的“先进性”呢？答案是肯定的。

    PROFINET采用支持IEEE 802.Q标准的交换机，或者PROFINET设备本身就集成一个带交换功能的双网口，使得同时有多个设备和一个设备所使用的带宽都是一样（100M），这样数据冲突的区域缩小到设备本身的区域内。因为端口可能有多个用户与该端口连接的用户通信，有可能发生介质访问冲突，支持IEEE 802.Q标准的交换机还采用了带有优先级的方式安排发送顺序，于是将冲突域缩小到一个具体的端口，从两个方面大大缩小了数据冲突区域，确保了通信的确定性。

    打个比方说，在两条道路交汇的十字路口，东南西北四个方向的车不可能同时通过，得通过交通信号灯来进行指引，交换机相当于建了个立交桥，甚至是多层立交桥，使得多个方向的车辆能够同时通行。而在局域网中使用支持IEEE 802.Q标准的交换机，将通信网络搭建得像沪宁高速公路一样，在一个方向中划分出多个车道（双向8车道），并且规定大车在一般不得占用内侧的车道，不仅大大提高了通行效率，而且行车的安全性也大大提高了。

2、循环通信

如上图所示，对于由控制器、设备组成的PROFINET IO系统来说，工作的方式就是输入、处理、输出，这一过程循环罔替，周而复始。处理是循环的，T1是PLC程序的循环扫描时间；而且通信也是循环的，T2是总线刷新时间，也就说每个循环周期（Cycle1…n），控制器与设备之间会进行通信。从这个角度说，PROFINET运用了时分复用中时隙的概念，这将大大提高整个网络的通信效率。时隙这个话题将在后面的章节中详细描述。

3、精简协议栈

    前面提到PROFINET IO系统是循环通信的，在一个周期内（总线刷新时间）做的事情无非是发送与接收，包括以下过程：

1.      在生产者的应用程序中创建一个变量；

2.      通过PROFINET通信报文的形式将该变量发送给通信伙伴（消费者）；

3.      在消费者的应用程序中再次获得该变量。

这个过程所花费的时间如图所示，是T1到T5的累加，详细说明如下。

普通以太网通信使用TCP/IP协议，设备处理报文的时间是ms级别。对于PROFINET实时通信来说，PROFINET使用100Mbps（快速以太网）的传输速率，以传输一个最长的PROFINET报文1522字节为例，其传输时间T3大约是125μs，与采用TCP/IP协议报文的处理时间相比，传输时间T3是很短的。于是，要缩短刷新时间，最有效的办法就要精简通信协议栈，也就是缩短了T2和T4。

    这种简化信息接受难度的做法就像鄙人当年逃课收看NBA总决赛的现场直播，现场画面和主持人的讲解让人能很快、很直接的、很“实时”的感受到现场气息，获得身临其境的效果，让鄙人看完比赛后会意犹未尽、得意洋洋地向老老实实上课的球迷同学炫耀。如果当时只有文字直播，需要花一些时间通过文字理解去想象比赛画面，你觉得还有必要逃课去当铁杆球迷吗？

    另外，PROFINET精简了通信堆栈的结构，对于时间要求苛刻的数据采用特别报文及协议，不使用TCP/IP协议栈处理，从而大大缩短了通信时间，保证了通信的实时性。这也属于实时报文类型，将会在后面章节将会详细描述。

    总而言之，PROFINET采用精简的通信堆栈结构，100Mbps快速以太网，使用交换机或者带交换功能的IO设备，还有就是其循环通讯的协议机制，这些是PROFINET实时的原因。