工業以太網一般使用(yòng)IEEE 802.3中定義的(de)以太網标準。針對(duì)自動化(huà)系統的(de)網絡節點輔助采用(yòng)了(le)服務質量（ QOS）機制。PROFINET作爲工業以太網之一，它采用(yòng)了(le)三種不同的(de)方法來(lái)實現。這(zhè)樣既滿足了(le)普通(tōng)以太網的(de)需求，又滿足了(le)工業系統對(duì)不同應用(yòng)的(de)實時(shí)性的(de)要求。如下(xià)圖1所示。

圖1、PROFINET使用(yòng)到的(de)三種協議(yì)棧

① 使用(yòng)了(le)IEEE 802.3以太網标準和(hé)TCP/IP，報文結構如圖2所示。大(dà)多(duō)數的(de)PROFINET通(tōng)信是通(tōng)過沒有被修改的(de)以太網和(hé)TCP/IP包來(lái)完成。這(zhè)使得(de)可(kě)以無限制地把辦公網絡的(de)應用(yòng)集成到PROFINET網絡中。

圖2、TCP/IP報文結構

② RT的(de)通(tōng)信不僅使用(yòng)了(le)帶有優先級的(de)以太網報文幀（如下(xià)圖3所示），而且優化(huà)掉了(le)OSI協議(yì)棧的(de)3層和(hé)4層。這(zhè)樣大(dà)大(dà)縮短了(le)實時(shí)報文在協議(yì)棧的(de)處理(lǐ)時(shí)間，進一步提高(gāo)了(le)實時(shí)性能。由于沒有TCP/IP的(de)協議(yì)棧，所以RT的(de)報文不能路由。

圖3、PROFINET RT報文結構

③ IRT通(tōng)信是滿足最高(gāo)的(de)實時(shí)要求，特别是針對(duì)于等時(shí)同步的(de)應用(yòng)。IRT是基于以太網的(de)擴展協議(yì)棧，能夠同步所有的(de)通(tōng)信夥伴并使用(yòng)調度機制。IRT通(tōng)信需要在IRT應用(yòng)的(de)網絡區(qū)域内使用(yòng)IRT交換機。在IRT域内也(yě)可(kě)以并行傳輸TCP/IP協議(yì)包，如圖4所示。

圖4、PN控制器和(hé)PN設備的(de)分(fēn)片處理(lǐ)機制

以PROFINET RT爲例來(lái)理(lǐ)解在整個(gè)通(tōng)信的(de)過程中實時(shí)性能是如何來(lái)保證的(de)。

從通(tōng)信的(de)終端設備（PN控制器和(hé)PN設備）來(lái)看，首先采用(yòng)了(le)優化(huà)的(de)協議(yì)棧，這(zhè)一點可(kě)以在圖1的(de) ②看到。這(zhè)樣一來(lái)在終端的(de)設備上數據報文被處理(lǐ)的(de)時(shí)間大(dà)大(dà)的(de)縮短，這(zhè)是實時(shí)性能保證的(de)一個(gè)方面。其次是終端設備上采用(yòng)的(de)分(fēn)時(shí)間段處理(lǐ)機制，這(zhè)一點可(kě)以在圖5看到。這(zhè)樣保證了(le)在每個(gè)通(tōng)信的(de)循環的(de)周期内終端設備即可(kě)以處理(lǐ)RT的(de)實時(shí)數據又可(kě)以處理(lǐ)TCP或UDP的(de)數據。且在每個(gè)循環内優先處理(lǐ)RT的(de)實時(shí)數據。這(zhè)裏需要強調的(de)是每個(gè)PN終端設備隻對(duì)自己的(de)負責，需要發送的(de)數據會按發送循環發送、對(duì)于由其他(tā)設備發到自己的(de)數據會進行立即接收，且發送和(hé)接收是并行處理(lǐ)。

圖5、RT的(de)時(shí)間調度機制

從通(tōng)信的(de)傳輸設備（SCALANCE X交換機）來(lái)看，首先采用(yòng)百兆全雙工的(de)交換網絡，這(zhè)樣一來(lái)每個(gè)終端設備的(de)每個(gè)端口都是獨享帶寬，且可(kě)以雙向不間斷的(de)收發數據。其次是交換機支持802.1P或802.1Q的(de)标準，使得(de)發到交換機網絡的(de)PN的(de)數據幀被優先處理(lǐ)和(hé)轉發，如圖6所示。這(zhè)一點保證了(le)PN在網絡上的(de)快(kuài)速轉發，也(yě)是實時(shí)性能保證的(de)另一個(gè)方面。

圖6、交換機802.1Q的(de)工作機制

上面介紹的(de)是PN RT的(de)實時(shí)性能從機理(lǐ)上如何保證的(de)。而從量化(huà)的(de)角度去分(fēn)析的(de)話(huà)，PN RT完全是靠計算(suàn)來(lái)精确保證每個(gè)發送循環所能發送的(de)報文及對(duì)RT數據的(de)時(shí)間的(de)預留。

對(duì)于RT來(lái)說，在物(wù)理(lǐ)層上傳輸的(de)最小報文幀來(lái)爲88個(gè)字節，最大(dà)報文幀來(lái)爲1488個(gè)字節。其中包括了(le)12個(gè)字節的(de)幀間隔，如下(xià)圖7所示。

圖7、RT的(de)報文的(de)長(cháng)度

百以太網的(de)傳輸速率 ：

每個(gè)字節傳輸需要的(de)時(shí)間：

最小的(de)RT報文幀需要的(de)傳輸時(shí)間 0.08

一個(gè)PN控制下(xià)帶3個(gè)最小報文幀（40個(gè)字節的(de)C_SDU）的(de)PN設備，PN 控制器的(de)發送循環爲250 ，通(tōng)信建立後在PN接口上抓報分(fēn)析PN的(de)通(tōng)信可(kě)以分(fēn)析出PN數據幀對(duì)時(shí)間調度的(de)情況，如下(xià)圖8所示。

圖8、PN RT的(de)時(shí)間調度機制

除了(le)對(duì)PROFINET RT和(hé)IRT的(de)通(tōng)信調度的(de)分(fēn)析外，還(hái)對(duì)PROFINET的(de)抗幹擾性作了(le)大(dà)量的(de)研究。在對(duì)PROFINET推廣的(de)時(shí)候，很多(duō)用(yòng)戶很關心PROFINET是不是和(hé)PRROFIBUS一樣，存在抗幹擾的(de)性能差的(de)特點。我從理(lǐ)論和(hé)實際實驗上驗證了(le)PROFINET的(de)抗幹擾性能優于PROFIBUS的(de)抗幹擾性能。PROFINET是基于IEEE 802.3的(de)以太網标準。所以對(duì)PROFINET的(de)抗幹擾分(fēn)析實質上是對(duì)工業以太網的(de)抗幹擾分(fēn)析。