实时与通信
在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。
图1. 自动化中的实时通信。
以太网比现场总线快得多—
那又怎样?
为了满足自动化的实时要求，需要保证传输带宽和传输延迟。即使这些带宽通常非常小（每个器件几十个字节），该传输通道必须在每个I/O周期中可用，且达到延迟要求。
但是，经典以太网不提供延迟和带宽保证。相反，如果操作需要，以太网可以随时丢弃帧。这意味着什么？
以太网是所谓的桥接网络。帧（以太网帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（网桥），从那里可能发到其他网桥，最后到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。网桥在转发帧之前先完全接收帧。许多问题正是出在这里：
- 如果在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数，则丢弃新传入的帧。
- 由于帧长不同，因此其延迟时间为其长度的函数。这会导致延迟波动（抖动）。
- 由于交换机应通过其发送帧的端口可能已经被其他帧完全占用，所以会导致额外的延迟。发送大型以太网帧（1522字节）在100 Mbps速率下大约耗时124μs。
如果说以太网通常运行良好，这种说法在某种程度上是公允的。但是，这样做，我们使用的“通常”一词在硬实时语境下是无意义的。仅仅通常满足实时条件是不够的，必须始终满足该条件。
住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。工业通讯也不公平：最重要的是，控制/闭环控制应用始终具有优先权。
图2. ISO七层模型。
以PROFINET和EtherCAT为例展示的实时扩展。
由于负责以太网标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案，工业界开发了自己的解决方案—再次证明了其创造力。各种解决方案都有自己的优势和劣势，最终解决不同的市场问题。
图3. 协议概述。
PROFINET：普遍适用
通过PROFINET，可提供两种互补型解决方案。PROFINET RT是一种工厂自动化解决方案，周期时间最长为1 ms。RT直接以标准以太网为基础。以太网的可能性（例如，服务质量（QoS，优先级））被用于产生实时流量优先级。这有所帮助，但QoS并不能完全解决资源和延迟问题。这就是限制软实时的原因。与网络中使用的其他协议（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好兼容性是该技术的明显优势。
Figure 4. PROFINET IRT.
对于硬实时，PROFINET提供同步实时 (IRT) 扩展。在此，部分以太网带宽通过标准以太网硬件的扩展专门为IRT流量保留。这可以通过IRT节点中的时钟的精确同步来实现。因此，可以在每个周期阻止通道（红色阶段）中的正常流量。只有红色阶段中的IRT帧到达网络。此外，网络参与者准确地在预先计算的时间发送IRT帧，从而在红色阶段实现效率的最大化。IRT帧通过网络，几乎无周跳。这样做的一个优点是它可以红色阶段的长度限制在最低限度；在红色阶段，所有其他流量都必须等待。红色相位最多可以占用以太网通道带宽的50%。
如前所述，全长以太网帧（1552字节）在线路上大约耗时124μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的带宽，最快的周期时间为2×124μs=248μs，舍入后为250μs。只有这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的形式与其共存。
由于PROFINET 2.3可用于IRT的优化，包括快速转发、动态帧封装和分段，因此可以实现低至31.25μs的更快周期时间。
实时与通信
在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。
图1. 自动化中的实时通信。
以太网比现场总线快得多—
那又怎样?
为了满足自动化的实时要求，需要保证传输带宽和传输延迟。即使这些带宽通常非常小（每个器件几十个字节），该传输通道必须在每个I/O周期中可用，且达到延迟要求。
但是，经典以太网不提供延迟和带宽保证。相反，如果操作需要，以太网可以随时丢弃帧。这意味着什么？
以太网是所谓的桥接网络。帧（以太网帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（网桥），从那里可能发到其他网桥，最后到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。网桥在转发帧之前先完全接收帧。许多问题正是出在这里：
- 如果在峰值时间存储的帧数多于网桥缓冲存储器可以容纳的帧数，则丢弃新传入的帧。
- 由于帧长不同，因此其延迟时间为其长度的函数。这会导致延迟波动（抖动）。
- 由于交换机应通过其发送帧的端口可能已经被其他帧完全占用，所以会导致额外的延迟。发送大型以太网帧（1522字节）在100 Mbps速率下大约耗时124μs。
如果说以太网通常运行良好，这种说法在某种程度上是公允的。但是，这样做，我们使用的“通常”一词在硬实时语境下是无意义的。仅仅通常满足实时条件是不够的，必须始终满足该条件。
住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。工业通讯也不公平：最重要的是，控制/闭环控制应用始终具有优先权。
图2. ISO七层模型。
以PROFINET和EtherCAT为例展示的实时扩展。
由于负责以太网标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案，工业界开发了自己的解决方案—再次证明了其创造力。各种解决方案都有自己的优势和劣势，最终解决不同的市场问题。
图3. 协议概述。
PROFINET：普遍适用
通过PROFINET，可提供两种互补型解决方案。PROFINET RT是一种工厂自动化解决方案，周期时间最长为1 ms。RT直接以标准以太网为基础。以太网的可能性（例如，服务质量（QoS，优先级））被用于产生实时流量优先级。这有所帮助，但QoS并不能完全解决资源和延迟问题。这就是限制软实时的原因。与网络中使用的其他协议（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好兼容性是该技术的明显优势。
Figure 4. PROFINET IRT.
对于硬实时，PROFINET提供同步实时 (IRT) 扩展。在此，部分以太网带宽通过标准以太网硬件的扩展专门为IRT流量保留。这可以通过IRT节点中的时钟的精确同步来实现。因此，可以在每个周期阻止通道（红色阶段）中的正常流量。只有红色阶段中的IRT帧到达网络。此外，网络参与者准确地在预先计算的时间发送IRT帧，从而在红色阶段实现效率的最大化。IRT帧通过网络，几乎无周跳。这样做的一个优点是它可以红色阶段的长度限制在最低限度；在红色阶段，所有其他流量都必须等待。红色相位最多可以占用以太网通道带宽的50%。
如前所述，全长以太网帧（1552字节）在线路上大约耗时124μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的带宽，最快的周期时间为2×124μs=248μs，舍入后为250μs。只有这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的形式与其共存。
由于PROFINET 2.3可用于IRT的优化，包括快速转发、动态帧封装和分段，因此可以实现低至31.25μs的更快周期时间。
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