前言
对于局外人而言，工业以太网的存在很多让他们混淆的问题-而且并非孤立，即使那些专家有时候也被各种风起云涌的竞争系统所困扰,尽管制造商们提供了很多信息，描述他们的技术性能和特定的功能，并希望给出易于理解的解释，然而，用户仍然将发现他们无法从这里获得比较全面信息以支持他们进行这个方面的投入。
我们也的确经常会遇到这方面的需求--寻求一个概要性的对于主流系统的评价：“在哪些方面存在差异？”，因此，我们觉得有必要出版一个专刊用来探讨这个话题，在创建这个话题时，我们试图去尽力保持客观与公正的角色，我们的综述聚焦于技术本身及其商业意义，也同时考虑了评估系统的战略要素－这主要是对那些考虑长期以太网设备投资安全性的决策者而言的。
我们的观点来源于与多个领域中的及决策制定者的交流与探讨而获得，我们必须使得每个观点与结论都是经过验证的，除了这些努力之外，.我们希望这有助于您对它的认同，如果您对此有任何的评述和建议，请给我们发电子邮件或者，我们期望任何您对此概览的支持，并且我们欢迎任何有助于我们尽力客观公正的探讨。
系统的选择
这五个是基于技术、实时性、标准化状态及市场方面的战略考量，例如：是否一个用户组织在持续的进行着协议的开发？该协议是否遵循iec标准，且是否系统满足硬件实时的需求？
实时性
ieee802.3以太网中存在的用于解决数据碰撞的机制带来了数据传输的延迟，为了达到实时性能，工业以太网协议采用了不同的特定方法去避免这种碰撞，对于硬实时，信号传输时间必须的按照时间帧来进行，或者他们可以触发一个错误机制。循环时间达到数百个毫秒的系统应用对于软件实时是足够的，例如温度监控，而对于数字控制或运动控制应用经常需要其循环周期小于1ms。
市场渗透
选择工业以太网系统进行比较的另一个关键因素是其市场占有情况：ims和arc调研表明大约四分之三的工业以太网使用ethernet/ip，profinet，或modbus/tcp。其次为powerlink和ethercat－这两个系统特别适合硬实时性要求。
以下描述中不考虑modbus/tcp，因其用户组织odva已经表明它将被集成到ethernet/ip网络中。对于sercosiii，尽管它的*较小，但是，它在高速运动控制领域扮演着非常重要的角色。
实时等级和应用领域（iaona分类）
系统如何工作
实时的不同方法
其中一个关键的区别在于不同的工业以太网如何调度并管理数据传输使得网络可以提供实时性，ethercat和sercosiii的通信采用了集束帧方法：在每个周期，网络向所有的节点发送一个数据报文，从一个节点到另一个沿环形拓扑结构进行传输，同时采集每个节点的响应数据。相比之下，其他通信协议则使用独立报文给每个节点，而从站也通过独立报文进行应答。
各系统使用三种不同的方法来实现实时性：
●一个主站控制网络上的时隙。在powerlink环境，主站*每个节点独立发送数据，在ethercat和sercosiii网络，集束帧报文的传输跟随主站的时钟。
●profinetirt使用同步开关控制通信过程。
●ethernet/ip通过采用cipsync同步分发ieee1588兼容的时钟信息给整个网络。
profinet通信
profinet（“过程现场网络”）按照对确定性的等级需求不同而采用不同的实现方法：
profinetrt通常用于软实时或没有实时性要求的应用场合，而profinetirt则针对硬实时应用。该技术由siemens和profibus用户组织pno的成员公司共同开发，它是基于以太网之上的profibusdp以及profineti/o的成功应用-所有i/o控制器之间的数据传输以及参数化，诊断，和网络的布局。为了覆盖不同的性能等级，profinet使得各协议和服务可自由采用生产者/消费者原则。高优先级的有效载荷数据通过以太网协议并以以太网帧vlan的优先次序直接发送，而诊断和配置数据发送使用udp/ip。这使系统实现循环周期时间约10毫秒的i/o应用。对于时钟同步周期时间要求低于毫秒及运动控制应用，则提供profinetirt，它实现了一个分时复用的硬件同步开关－所谓的动态帧包装（dfp），为用户提供一个新的profinet循环时间的优化设计并于2009年发布此特性。
powerlink通信
powerlinkzui初由b&r开发并于2001年使用，ethernetpowerlink标准化组织（epsg）是一个独立的用户组织并且遵循民主章程，自2003年以来，负责该技术的进一步发展。powerlink是一个*免费的技术，独立于供应商，采用纯软件方式的协议，却可达到硬实时的性能。在2008年，epsg提供了该技术的开源版本。powerlink集成了完整的canopen机制，并充分满足ieee802.3以太网标准，即该协议提供了所有标准的以太网功能特点包括交叉通信和热插拔，允许网络以任意方式进行拓扑。
它是如何工作？
powerlink使用时隙和轮询混合方式来实现数据的同步传输。为进行协调，网络中plc或工业pc作为管理节点（mn）。该管理节点运行周期性时隙的调度并据此来同步所有网络设备，并控制周期性数据通信。所有其他设备运行为受控节点（cn）。在每个同步周期阶段，mn以固定的时间序列逐次向cn发送“轮询请求桢preq”。每个cn以pres方式立即响应这个请求并传输数据，所有其他节点可以侦听这个响应。一个powerlink的周期包括三个部分。在开始阶段，mn发送了循环启动soc帧给网络中的所有节点，以同步网络中的所有设备。抖动大约20纳秒。
周期性同步数据交换发生在第二个阶段，多路复用技术在这个阶段中可用于优化网络带宽。第三个阶段的标志是异步启动信号soa，用于传输大容量，非时间苛刻的数据包。例如：用户数据或tcp/ip帧，均可在异步阶段进行传输。
powerlink分为实时和非实时域。在异步阶段的数据传输支持标准的ip帧，通过路由器将实时域和非实时域数据隔离以确保数据安全。powerlink非常适合各种自动化应用，包括i/o，运动控制，机器人任务，plc与plc间的通信，以及显示任务。
多种共享特性：canopen和powerlinkosi模型
ethernet/ip通信
2000年初始发布，ethernet/ip是一个开放的工业标准,它由艾伦－布拉德利（罗克韦尔自动化）和odva的开发（开放devicenet供应商协会）。“工业以太网协议”本质上是一个cip（通用工业协议）－已被使用的controlnet和的devicenet上的以太网的数据传输协议。ethernet/ip通常是在美国市场上得到非常好的应用，主要是使用罗克韦尔控制系统。
它如何工作？
ethernet/ip在标准以太网硬件上运行，并同时使用tcp/ip和udp/ip进行数据传输。由于生产者/消费者模式为cip协议所支持，ethernet/ip采用不同的通信机制来处理，例如周期性轮询，时间或事件触发，多波或简单的点对点连接，cip应用协议分为“隐性的”i/o消息和“显性的”用于配置和数据采集的请求/应答报文。当显性信息嵌入到tcp帧，实时应用数据通过udp发送，因为后者格式更紧凑且开销小。形成一个中心星型网络拓扑结构，交换机通过点对点挂钩连接方式防止数据碰撞。ethernet/ip网络通常实现10ms左右的软实时性能，而cipsync和cipmotion及的节点同步则通过在ieee1588标准定义的分布式时钟方法可以达到极低的循环周期和抖动，使得它能够用于伺服电机的控制与驱动。
ethercat通信
ethercat（以太网控制自动化技术）beckhoff自动化。这项技术的所有用户自动成为ethercat技术协会（etg）的成员。
它是如何工作？
ethercat是基于集束帧方法：ethercat主站发送包含网络所有从站数据的数据包，这个帧按照顺序通过网络上的所有节点，当它到达zui后一个帧，帧将被再次返回。当它在一个方向上通过时节点处理帧中的数据，。每个节点读出数据并将响应数据插入到帧。为了支持100mbit/s的波特率，必须使用的asic或基于fpga的硬件来高速处理数据。因此，ethercat网络拓扑总是构成一个逻辑环。
一个ethercat帧结构
所有给每个节点的指令都被包含在一个ethercat数据报文的有效载荷区。每个ethercat帧由一个头和几个ethercat的命令构成。每个命令包括它自己的头，给节点的指令数据，及一个工作计数器。高达64kb的可配置地址空间来配置从站。寻址处理通过自动递增方式：即每个从站可以处理16位地址域，从站也可以在网络初始阶段以指派方式来实现分布式的站点寻址。
ethercat过程同步
每个从站连接由主站提供的一个类似于ieee1588的实时时钟技术进行同步。从站设备可以是实时也可以是非实时机制，这更取决于硬件。基于实时时钟，控制信号可以高精度同步。
在物理层，ethercat协议不仅在以太网上运行，也可以采用lvds（低压差分信号传输）。这个标准被beckhoff使用在其端子技术上，典型的是采用带有标准以太网接口的pc作为一个ethercat主站。相较于powerlink或profinet等协议，ethercat仅贯穿osi7层模型中的1-3层，因此，为了实现与其它系统相同的应用功能，必须加载额外的协议层（coe，eoe）。
sercosiii通信
这是一个免费提供的面向数字驱动接口的实时通信标准，sercosiii不仅有特定的物理层连接的硬件架构，同时sercos接口的协议结构和应用规范的定义也是特定的。sercosiii是sercos的第三代，sercos于1985年被推向市场，是一个标准的遵循ieee802.3的数据传输协议，这个通信系统zui初使用在基于运动控制的自动化系统，一个已注册的协会-sercos协会，支持这项技术的发展并保持标准的一致性。
用于sercos技术的主从通信控制器称为sercon。
它如何工作？
sercosiii在主站和从站均采用特定的硬件，这些sercosiii硬件减轻了主cpu的通信任务，并确保了快速的实时数据处理和基于硬件的同步，从站需要特殊的硬件，而主站可以基于软件方案，sercos用户组织提供sercosiii的ipcore给基于fpga的sercosiii硬件。sercosiii采用集束帧方式来传输，网络节点必须采用菊花链或封闭的环形拓扑，由于以太网具有全双工能力，菊花链实际上已经构成一个独立的环。因此对于一个环形拓扑实际上相当于提供一个双环，使得它允许冗余数据传输。直接交叉通信能力是由每个节点上的两个端口来实现，在菊花链和环形网络，实时报文在他们向前和向后时经过每个节点，因此，节点具有在每个通信周期中相互通信两次而无需经过主站的能力，无需经过主站对数据进行路由。
除了实时通道，它也使用时间槽方式进行无碰撞的数据传输，sercosiii也提供可选的非实时通道来传递异步数据。节点通过硬件层进行同步，在通信循环的*个报文初期，主站同步报文mst被嵌入到*个报文来达到这个目的，确保在100ns以下的高精度时钟同步偏移，基于硬件的过程补偿了运行延迟和以太网硬件所造成的偏差，不同的网段将使用不同的循环时钟仍然可实现所有的同步运行。
用户组织
用户独立是总体评价一个系统的另一个关键因素，任何与品牌权益或相关的悬而未决的问题都可能会限制用户自己的开发，这是决定是否使用系统的一个关键考量因素。今后会引发的法律问题应予以预先规避-这需要深入了解始创者与用户组织的不同解决方案。
profinet用户组织pno，拼写为profibusnutzerorganisatione.v.运行一个机构来管理合作项目和向成员传递信息并及其它感兴趣的部分。profibus和profinet产品认证中心隶属于该机构，并于1996年4月24日通过章程-定义其权利和义务，且开放给所有成员公司、协会和机构、那些对于pno感兴趣的设备供应商、用户、系统解决方案供应商或profibus及profinet网络或运营商。
powerlink-epsg
ethernetpowerlink标准化组（epsg）成立于2003年。作为一个独立的组织，是由在驱动器和自动化领域的各个厂商共同发起建立的。该组织的目标是将由b&r在2001年推出的这项技术进行标准化和持续的开发。epsg也与标准化组织如cia及iec等合作。epsg是一个按照瑞士民法注册的协会组织。
ethernet/ip网络-odva
odva是所有devicenet和ethernet/ip的用户联盟。该组织参与这一总线的持续发展和进一步的推广。主要在美国和亚洲，也包括欧洲。该组织活动的主旨是开发和推广cip及其它基于此的协议。每个用户不仅可以应用这项技术，也可受邀加入对其持续发展作出贡献的特别兴趣小组（sig）。odva还积极参加其他标准化机构和行业协会。该组织的章程相对复杂。
ethercat技术-etg
ethercat技术协会是由用户、oem厂商以及其它自动化组件供应商共同建立的一个论坛。该组织的目的是提供支持和将ethercat作为一个开放技术对其收益进行宣传。所有的合作协议必须与beckhoff自动化直接签署。ethercat技术协会位于德国纽伦堡，是一个“非注册协会”，它是一个没有按照德国民法法典注册的机构。
sercosiii-sercosinternationale.v.
是一个在德国美因河畔法兰克福联邦注册的协会，这个协会的成员是由制造商和控制、驱动系统的用户，以及其它自动化组件厂商、研究机构和其它协会共同成立的。在北美及亚洲有分支机构，总部设在斯图加特大学并且有一个认证实验室。
状态、权利和*
不同的用户组织哪个是合法的？谁拥有这项技术？何种法律关系取决于绑定使用该项技术的*机制，以下几页提供了一个就此问题的概览。
ethercat技术组：非注册的俱乐部-这意味着它不是一个合法实体，它是一种协会和私人伙伴间的有效混合体，对于这种组织其法律责任关系并不清楚。
在大多数情况下，对一项技术的权益在于组织对它的责任，对于一个共同拥有者，成员有资格使用它，如果个人或某家公司拥有一项技术的权益,那么合法使用该技术的前景将不清楚。
在etg组织里，成员资格是免费的，而在其它组织，成员需要支付费用，其年费通常根据合作成员的规模而变化，powerlink和sercos用户组织也允许非成员来开发产品并投放市场。
由于sercosiii和ethercat的通信机制是特殊的，其从站的内在工作机制并未开放，用户必须采用asic芯片或fpga,fpga的vhdl代码可以从beckhoff采购，但不包括源代码。
profinet：profibus用户组织（pno）提供profinet实现的原始文档（profinet运行软件）给其成员。根据*协议的第1.5项，pno成员有权使用5项。
powerlink：powerlink的主站和从站提供bsd开源代码*，包括opensafety均可在sourceforge.net上获得。
ethernet/ip：协议堆栈可从不同的服务商处购买，一个开放源代码的变种由一所大学完成开发。
ethercat：从站的实现必须购买asic芯片，另外基于fpga实现的vhdlipcore是必须购买的，对于主站方案，etg提供部分源代码样例，由于其持有人不愿意采用代码开源机制，因此它不能开源*。
sercos：sercos软主站提供一个lgpl免费*，从站的asic和fpga代码必须购买
*来源:开源自动化开发实验室
投资可行性分析
就系统评估而言，开放性是长期投资可行性的关键，此外，技术和战略考量也在确保长期投资安全性决策方面扮演关键角色。
与现有应用层兼容性