5种主流的以太网的比较

V o l u m e 6, I s s u e PROFINET POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
系统如何运行
用户组织背景一览
投资可行性及性能
您需要知道的每件事
系统比较
五大主流技术
S t e f a n S c h ön e g g e r
B h a g a t h S i n g h K a r u n a k a r a n
H u a z h e n S o n g
S t ép h a n e P o t i e r
A n t o n M e i n d l
C h r i s t i a n S c h l e g e l
对局外人而言，工业以太网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。

在这个刊物中的观点来源于与多个领域中的开发者及决策制定者的交流与探讨而获前言
1 s 10 00 s 1 ms 10 ms 100 ms 1 s 10 s
高性能同步处理,电子传动
机床,高速过程,机器人
输送系统,简单控制,多数自动化系统
楼宇技术,控制和自动化水平,无故障过程和仓储系统
响应时间/抖动
实时等级和
应用领域
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式：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，主站授权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。

- PROFINET IRT使用同步开关控制通信过程。

- EtherNet/IP通过采用CIP Sync同步分发IEEE1588兼容的时钟信息给整个网络。

系统如何工作|
DCOM
应用
标准以太网
标准IP
标准UDP
中间件
实时周期性PROFINET
实时周期性PROFINET
标准PROFINET
工程标准应用（FTP,HTTP 等)
业务
集成
标准TCP
帧ID CRC
0x8892
802.1q
目标地址
过程数据状态信息
源地址
数据
类型=7
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。

MN
CN
异步阶段
SoA
SoC
循环时间
PReq CN1
PRes CN1
PRes CN2
PRes CN3
PReq CN2
PReq CN3
CNn
PReq CNn
PRes CNn
Async Data
同步阶段
SoC=循环开始PReq = 轮询请求PRes = 轮询响应
MN = 管理节点CN = 受控节点
SoA=异步阶段开始
驱动程序POWERLINK UDP/IP
POWERLINK CANopen
信息 (SDO 和PDO)
I/O
CAN 驱动程序
CAN 控制器以太网驱动程序
以太网控制器
设备规范协议软件
编码器阀应用层 - 对象应用字典驱动器其它
硬件
医疗传输层
基于
CAN 的CANopen
传输层多种共享特性:CANopen 和POWERLINK OSI 模型
8
能， 而CIP Sync 和CIP Motion 及精确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。

应用库
I/O CIP 消息路由连接管理
CIP
IP
以太网CSMA/CD TCP
UDP
ControlNet
CTDMA 设备描述
应用
传输层
网络层数据链接层CIP 应用层显性信息,I/O信息
封装
以太网物理层
CIP 运动控制
阀
机器人其它
ControlNet 传输层ControlNet 物理层DeviceNet 传输层DeviceNet 物理层CompoNet 传输层CompoNet 时隙CompoNet 物理层
CIP 数据管理服务
CAN CSMA/NBA EtherNet/IP
物理层
发送生产者准备过滤接受
接受
过滤过滤
消费者消费者消费者接收接收接收
广播通信
10
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，这更多取决于硬件。

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OSI 7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)。

PHY
PHY
PHY
通过LVDS 的I/O
通过LVDS 的I/O
250 ns
115 ns
帧延迟=头和数据的总字节)*10ns
主站WC EH Data FH Ethernet HDR CRC
主站同步报文MST 被嵌入到第一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，不同的网段使用不同的循环时钟仍然可实现所有的同步运行。

从站从站从站从站从站从站
AT:MDT:IP: IP 通道
C
主站
驱动报文:主站数据报文AT MDT IP
传输层…
Synchr.
SVC=服务通道
S III = SERCOS III UDP=用户报文协议
(主/从)
SVC 通道
S III 协议
UDP/TCP IP +
或
netX SERCOS III
实时通道I/O 描述运动轨迹通用设备描述
RT 通道
交叉通信M/S 通信以太网全双PHY
非实时通道安全
以太网应用
以太网
SERCON 100M/S(FPGA)
RT=实时M/S=从/主Synchr=同步
TCP =传输控制协议
FGPA=现场可编程门阵列PHY=物理层
用于SERCOS 技术的专用主从通信控制器称为SERCON 。

PROFINET 用户组织PNO ，拼写为PROFIBUS Nutzerorgani-sation e. V.运行一个机构来管理合作项目并向成员传递信息及其它感兴趣的内容。

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 网络运营商。

www.pro fi
标准
PROFINET RT | IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
组织PNO EPSG ODVA ETG
SERCOS International
www.
ethernet-

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。

SERCOS III – sercos International e.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。

标准
PROFINET RT | IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
组织类型
协会
+ 协会
+非注册俱乐部o 协会
+责任
PNO
+
EPSG +
ODVA
+
成员
o
SERCOS
+
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混合体，对于这种组织其法律责任关系并不清楚。

标准
PROFINET RT | IRT POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
权益持有者
成员
+ 成员
+ 成员
+Beckhoff o 成员
+品牌持有者
PNO +
EPSG +
ODVA +
Beckhoff o
SERCOS
+
在大多数情况下，对一项技术的权益有赖于组织对它的责任，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。

协会
+
标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
出资义务成员会费
o成员会费
o无成员会费
+成员会费o
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，其年费通常根据成员公司的规模而变化，POWERLINK和SER-COS用户组织也允许非成员来开发产品并投放市场。

标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
主站及从站规范PNO
+EPSG+ODVA+Beckhoff
o SERCOS
o
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 IP Core可以从Beckhoff采购，但不包括源代码。

标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
主站免费
代码-+
-o+
从站免费
代码-++
-o
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。

根据授权协议的第1.5项，PNO成员有权使用5项专利。

POWERLINK：POWERLINK的主站和从站提供BSD开源代码授权，包括openSAFETy均可在上获得。

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VHDL IP Core是必须购买的，对于主站方案，ETG提供部分源代码样例，由于其专利持有人不愿意采用代码开源机制，因此它不能开源*。

成员会费o
标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
树形
拓扑+++o o
星形
拓扑+++
o o
环形
拓扑+++++
菊花链
拓扑+++++与现有应用层兼容性
由于采用两个报文，SERCOSIII相较于EtherCAT在该项比较中有
标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
电气
连接点+++o+
标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
向下兼容性PROFIBUS CANopen DeviceNet CANopen SERCOS II
+++++
标准
PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
环形冗余o+o++
主站和电
缆冗余
o+o--
标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
EMC
易感性+
++o o
标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
热插拔+++-o
对于基于逻辑环技术（EtherCAT和SERCOS）而言，网络拓扑架构限制了热插拔能力，热插拔模块仅可以被连接到菊花链的末端(SERCOS),这将使得应用受到限制。

千兆网络就绪
由于Ethernet/IP和POWERLINK是专门的基于软件的技术，这些协议可以被千兆以太网硬件所采用，相反，EtherCAT需要ASIC，PROFINET IRT也需要一些重新设计的硬件-包括特殊的交换机，FPGA方案也可以被用于千兆以太网。

标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
千兆网
就绪+
-++-o SERCOS国际声明他们的IP Core已经可以基于千兆网络了。

标准
PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III 安全+++o o
安全
开放性o+o o o
市场上的产品
基于ERTEC技术的IRT产品已经在市场上可用，然而，DFP 性能的推出及新一代用于与之连接的ASIC尚未与现在的IRT 方案兼容(由Phoenix提供的触发芯片)。

标准
PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
市场上
产品+
o++++
来源：帧的封装按照IEEE802.3定义, 帧间间隔.96µs 必须添加到上面提到的5.1µs 上。

源地址
目标地址先导码帧开始符
目标MAC 地址源MAC 地址
长度(if<1501*)/类型(if<1535*)荷载数据
帧校验序列(循环冗余校验）
*十进制值
比特位
字节数
时长@100Mbps
最小长度512 5.1 s 最大长度
比特位： 7 1 6 6 2 38 ...1500 4
1010…0101.011
26+38=6426 + 1500 = 1526
12208
122 s
系统的通信架构
直接交叉通信
直接交叉通信为那些对时间要求非常苛刻的应用提供了一个紧要的收益－例如高速驱动控制-轴可以在高速同步的同时保持极高精度。

由于所有的位置值可以直接相互传递而无需通过主站，这带来更低的网络负载并确保对关联的轴而言数据是在当前周期可以使用的（例如轴的实际相位值），如果数据必须先行经过主站-这不仅延迟了一个周期，而且网络上的数据负载量也同时大幅增加。

标准
PROFINET RT | IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOSIII
直接交叉通信
+++
-
+
对于POWERLINK 和SERCOSIII ，直接交叉通信是一个即使对于专门从属功能的模块也有效的功能，Ethernet/IP 则需要通过一个带有扫描器功能的模块实现。

标准PROFINET RT | IRT
POWERLINK
EtherNet/IP
EtherCAT
SERCOS III
支持集中控制+++++支持分布式控制
+
+
+
-
o
进行刷新，而对于低优先级数据则仅隔n个周期进行刷新。

对于POWERLINK,Ethernet/IP和PROFINET，在协议的规范中已明确定义了可变的循环周期,而SERCOSIII只是最近才加入这个特性，对于EtherCAT而言，在特殊的应用方案下才可以这样。

安全通信的网络负载
基于以太网的安全是通过对安全节点间(紧急停车，安全驱动控制器)受保护数据的周期性交换来实现的-这个安全过程包含将数据进行复制和封装到一个安全容器中，这增加了网络上的数据量。

采用集束帧的方案将看到帧便计数，而独立帧方式将通过增加每个帧的数据容量-而这原本就是要增加并被发实际周期时间
在解决方案中使用的求和框架法，数据必须通过每个控制器次。

如果信号要经过许多节点，总传递时间将大幅上升，因为它能让自己的方式。

组织支持这种所引用的原始性能数据解决方案必须进行调整，占此效果。

另一个要考虑的方面是性能取决于实现细节，例如任务类，在实际使用的控制系统应用程序。

标准
PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III 性能o++o++
抖动
确保最小的抖动和极高精度的信号确定性延迟是控制质量的关键要素（时钟偏差）。

网络节点必须尽可能的同步。

各种竞争的网络通过不同的机制来达到这一目标，EtherCAT使用了分布式时钟，而POWERLINK则是通过一个简单的同步信号 (SoC) 来实现的。

标准
PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III 抖动o ++o++
EtherCAT,POWERLINK和SERCOSIII提供使用者几乎无抖动（<100nS）系统。

而在Ethernet/IP网络，抖动可以通过IEEE1588扩展在所有节点中大幅度降低，PROFINET IRT应用也可以大幅度降低抖动。

标准PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
优先级+++o+
实际性能较量
实际上,比较系统性能是件困难的事情，因为不同系统的特定性能存在差异，Ethernet/IP 和PROFINET RT 从开始就被排除在外，因为，这些系统仅仅适用于软实时需求而设计，PROFINET IRT 由于采用了不同的交换机，这导致了应用架构的复杂性，直接的比较与测量显然不适合，下面的值是建立在公开的计算机制上的：测试场景如下：
小型I/O系统:EtherCAT 小型I/O系统:POWERLINK
更好
542.88
325.2553.4
269.98
363.48269.98
分布式运动控制:EtherCAT 集中式运动控制:EtherCAT 集中式运动控制:POWERLINK
I/O 系统：EtherCAT I/O 系统：POWERLINK 分布式运动控制:POWERLINK
循环时间
271.4481.210
100
200
300400
500
主站实现
1主站非开源，只有不确保可用性的示例代码。

所有协议允许在主站上的软件实现。

主站设计
PROFINET RT | IRT
POWERLINK
EtherNet/IP
EtherCAT
SERCOS III
主站访问
–
+
–
o
+
openPOWERLINK
开源
无开源主站可用
专利保护1
通用SERCOS 主站API(开源)
实现成本
o
–
+
o
+
o
昂贵的软件堆栈
要求特殊的硬件处理器
运行在标准硬件上
昂贵的软件堆栈
运行在标准硬件上
典型采用处理器支持
无开源主站可用
22
网络组建成本PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
外部设备+o+o o o
标准交换机IRT需特殊交
换机
标准HUB或交换机
管理交换机需复杂功能支持
(IGMP侦听端口镜像等）
需要特殊网络组件1
未来有指定的额外设备，
当前没有
内部端口
o o+o++
集成交换机
需要
SIEMENS
ASIC
芯片
标准HUB集成交换机,非常复杂
需要Beckhoff ASIC
芯片2
基于FPGA技术
1 对于EtherCAT，星形或树形拓扑需要特殊的网络组件
2 Beckhoff ET1100.
23
不同实时以太网环境的节点间互联成本
对于每个节点间的互联而言，其成本参照硬件的费用，而协议授权的成本尚未计算在内。

图中引用的数字来自于不同有实现经验制造商的反馈，并覆盖了不同的工业以太网方案-有些数字也由制造商在自动化行业杂志上引用过。

PHy 的成本是2*1.1 $,这个对于所有协议都以相等的价格来考虑，成本估算以年节点采购量为1000来进行。

PROFINET ：采用ERTEC200ASIC 来进行计算，未来实现也可以采用由Phoenix 开发的TPS1芯片,在那种情况下，成本可能会降低到与EtherCAT 相当的水平。

但仍无法达到POWERLINK 的价格水平。

POWERLINK ：采用基于FPGA 的方案,RAM 和闪存也被考虑在内。

EtherNet/IP ：因为实现的成本相差较大，确定一个数字不大现实，它可能采用在微处理器上实现一个单口方案或用FPGA 或一个外部的交换机实现双口方案。

最小硬件成本
5 $
10 $
15 $
20 $
25 $
SERCOS III
EtherCAT
11.0 $
POWERLINK
9.2 $
PROFINET RT | IRT
22.2 $
15.2 $
EtherNet/IP
n/a
成本PROFINET
RT|IRT
POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III
采购
成本
o-+o+o
运行
成本
o+o++
现场总线兼容性 CIP 安全PROFI安全openSAFETY Safety over EtherCAT
支持的协议EtherNet/
IP
SERCOS
III
PROFINET
PROFINET
POWERLINK
EtherNet/IP
SERCOS III
Modbus
EtherCAT
标准CIP 安全PROFI安全openSAFETY Safety over
EtherCAT
总线验证o++o
CIP安全已被
DeviceNet验证,对
于Ethernet/IP和
SERCOSIII仍属
于新功能
PROFINET和
PROFIBUS
可用
已被高端应用验
证和测试(过程,安
全运动控制等）
仅在Beckhoff产品
可用-对于市场属
于新的
开源实现
可用性-
-+-
支持载荷数据
重复+
-+-
支持广播消息+-+-
限制点到点
连接
受限点对点连接,
仅主/从连接方式,
无直接交叉通信
支持安全设备
配置+-+-
安全的
运动控制
-++-
产品可用性
不详
产品可用性
不详
由于安全协议是纯应用协议,一个安全网络的性能取决于其底层的传输协议.基本的协议选择考虑因素如确定的可用带宽和循环时间，而且功能特性如热插拔能力和直接交叉的通信能力，交叉通信意味着网络上的节点间可以直接通信而无需通过主站-这对于安全导向的系统而言扮演非常重要的角色。

由于安全节点可以与其它节点直接通信，这提供了在危险情况下最优化的响应时间。

在一个网络上如果不支持交叉通信，那么安全节点必须通过安全主站给其它节点发送数据-安全主站再将数据发给第一个主站，然后再传输给第二个安全节点，相较于直接交叉通信，这个过程使得信号延迟-响应时间得到延缓，由于运动轴的紧急停车距离与响应时间的平方成正比，而2倍的传输时间就将导致了16倍的停车距离。

标准
CIP Safety EtherNet/IP + SERCOS III
PROFIsafe openSAFETY EtherCAT Safety
节点间直接的快速安全响应
+
o
+
o
Failsafe over EtherCAT
1X
1X
2
3
4工作：
工作：
(X) 安全传感器必须发送数据给安全运动控制器(X) 安全传感器必须发送数据给运动控制器解决：
解决：
(1) 安全传感器发送数据给安全运动控制器
(1) 安全传感器发送数据给EtherCAT 主站(2) EtherCAT 主站转发数据给安全主站(3) 安全主站发送数据给EtherCAT 主站(4) EtherCAT 主站转发数据给安全运动控制器
openSAFETY POWERLINK Master EtherCAT Master
Safe PLC Safe PLC
Safe Sensor
Safe Sensor
Safe Motion
Safe Motion。