PROFINET如何实现实时性

      平时咱们都听过文艺做品要“源于生活而高于生活”。PROFINET是基于工业以太网的，用文艺范儿的词汇说就是“源于以太网而高于以太网”。那么，PROFINET是怎么作到“高于以太网”的呢？

       要作到比普通以太网要犀利，重要的是PROFINET要作到实时性，而要作到实时性，首先就要解决肯定性的问题。前面提到普通以太网会出现介质访问冲突的问题，不知足“肯定性”的标准。那么通常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的通讯方式是主从式，使用“令牌”控制，就像十字路口交通讯号灯的做用；
2. 能够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红带宽较小的多个信道，就像在一条公路上划分出多个车道；时分复用经过把通讯数据包分配在不一样时隙进行传输来实现信道复用。

      PROFINET的通讯方式是生产者/消费者，各个通讯节点是平等的，随时均可以收发数据，因此总线的那种“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不一样于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形成了数据发送的延迟，从而不能保证通讯的肯定性，也就没法谈及通讯的实时性。并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，使用集线器链接使得整个局域网都是一个数据的冲突域。那是否是能够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？答案是确定的。

      PROFINET采用支持IEEE 802.Q标准的交换机，或者PROFINET设备自己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同样（100M），这样数据冲突的区域缩小到设备自己的区域内。由于端口可能有多个用户与该端口链接的用户通讯，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，因而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，确保了通讯的肯定性。

      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经过，得经过交通讯号灯来进行指引，交换机至关于建了个立交桥，甚至是多层立交桥，使得多个方向的车辆可以同时通行。而在局域网中使用支持IEEE 802.Q标准的交换机，将通讯网络搭建得像沪宁高速公路同样，在一个方向中划分出多个车道（双向8车道），而且规定大车在通常不得占用内侧的车道，不只大大提升了通行效率，并且行车的安全性也大大提升了。

2、循环通讯

                       

图

      如图，对于由控制器、设备组成的PROFINET IO系统来讲，工做的方式就是输入、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；并且通讯也是循环的，T2是总线刷新时间，也就说每一个循环周期（Cycle1…n），控制器与设备之间会进行通讯。从这个角度说，PROFINET运用了时分复用中时隙的概念，这将大大提升整个网络的通讯效率。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系统是循环通讯的，在一个周期内（总线刷新时间）作的事情无非是发送与接收，包括如下过程：

1. 在生产者的应用程序中建立一个变量；
2. 经过PROFINET通讯报文的形式将该变量发送给通讯伙伴（消费者）；
3. 在消费者的应用程序中再次得到该变量。

      这个过程所花费的时间如图所示，是T1到T5的累加，详细说明以下。

      普通以太网通讯使用TCP/IP协议，设备处理报文的时间是ms级别。对于PROFINET实时通讯来讲，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。因而，要缩短刷新时间，最有效的办法就要精简通讯协议栈，也就是缩短T2和T4。这种简化信息接受难度的作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”的感觉到现场气息，得到身临其境的效果，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窗炫耀。若是当时只有文字直播，须要花一些时间经过文字理解去想象比赛画面，你以为还有必要逃课去当铁杆球迷吗？

      另外，PROFINET精简了通讯堆栈的结构，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，从而大大缩短了通讯时间，保证了通讯的实时性。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采用精简的通讯堆栈结构，100Mbps快速以太网，使用交换机或带交换功能的设备，带有优先级标识VLAN标签的报文，还有就是其循环通信的协议机制，这些是PROFINET实时的缘由。