现阶段，我们经常使用的支持TCP/IP的以太网通信反应时间通常为100ms，还需要进一步解决实时性和确定性问题才能广泛适用于工业场景。在一些工业设备制造商的推动下，产生了很多不同的工业以太网协议，昌晖仪表在本文分别介绍EtherNet/IP、PROFINET、Modbus TCP、FF-HSE、EtherCAT、POWERLINK、Sercos III、CC-Link IE TSN和TSN这九种工业以太网协议特点。
1、EtherNet/IP(特点：先进、成熟、兼容、开放)
Ethernet/IP(EtherNet Industry Protocol)是一个适合工业环境应用的协议体系。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议，是通用工业协定(CIP, Control Information Protocol)中的一部分，由主推ControlNet现场总线的罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)为以太网进入自动化领域所开发，ODVA协会(Open DeviceNet Vendors Association)主要管理。
EtherNet/IP协议是一种优良的工业以太网方案。由于它采用了和DeviceNet以及ControlNet相同的应用层协议及新的生产者/消费者的通信模式，使得控制网络设备能够更有效地传输数据，更容易与Internet/Intranet集成。EtherNet/IP的OSI参考模型物理层、链路层、网络层、传输层均与标准以太网相同，特点在于其在传输层之上增添了一个封装层，对来自应用层的数据进行报文格式的封装，而应用层采用的是CIP协议，满足其在工业自动化领域的一些功能和服务。
Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10Mbps和100Mbps以太网商用产品，Ethernet/IP的协议由IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP等3个部分组成，前面两部分为标准的以太网技术，其特色就是被称作控制和信息协议的CIP部分。
EtherNet/IP通过一个TCP连接、多个CIP连接建立从一个应用节点到另一个应用节点的通信，可通过一个TCP连接来建立多个CIP连接。由于EtherNet/IP使用以太网的物理层网络，并架构了TCP/IP的通信协议上，因此用微处理器上的软件即可实现，不需要特别的ASIC或FPGA。EtherNet/IP使用标准以太网和交换机，因此它在系统中拥有的节点数不受限制，可以跨工厂车间的多个不同终点部署一个网络。
2、PROFINET(特点：快速、安全、兼容、易用)
PROFINET是PROFIBUS & PROFINET国际组织(PROFIBUS International,PI)定义的开放式工业以太网标准，通过西门子控制系统被广泛应用于工业自动化和过程控制领域，符合IEEE 802.3规范下的内容，具备自动协商、自动交叉的功能，其通常被认为是PROFIBUS的继承者，多年的PROFIBUS经验确保了向全球通用的以太网通信技术(PROFINET)的平稳过渡。
PROFINET应用TCP/IP及信息科技的相关标准，是实时的工业以太网，自2003年起，它就是IEC61158及IEC61784标准中的一部分。PROFINET=PROFIBUS+EtherNet，把PROFIBUS的主从结构移植到以太网上，所以PROFINET会有Controller和Device，他们的关系可以简单的对应于PROFIBUS的Master和Slave。它具有三种不同类别：PROFINET A类可通过代理访问PROFIBUS网络，借助TCP/IP上的远程过程调用来桥接以太网和PROFIBUS。其周期时间约为100ms，主要用于参数数据和循环I/O，典型应用包括基础设施和楼宇自动化；PROFINET B类也称为PROFINET实时(PROFINETRT)，它引进了基于软件的实时方法并将周期时间减少至大约10ms，B类通常用于工厂自动化和过程自动化；PROFINET C类 (PROFINETIRT) 是等时实时传输，需要使用专用硬件才可将周期时间减少至1ms以下，从而在实时工业以太网中提供运动控制操作所需的性能。
PROFINET支持除星形、总线形和环形拓扑结构。为了减少布线费用，并保证高度的可用性和灵活性，PROFINET提供了大量的工具帮助用户方便的实现PROFINET的安装。特别设计的工业电缆和耐用连接器满足EMC和温度要求，并且在PROFINET框架内形成标准化，保证了不同制造商设备之间的兼容性。
PROFINET的一个重要特征就是可以同时传递实时数据和标准的TCP/IP数据。在其传递TCP/IP数据的公共通道中，各种业已验证的IT技术都可以使用(如http、HTML、SNMP、DHCP和XML等)。在使用PROFINET的时候，我们可以使用这些IT标准服务加强对整个网络的管理和维护，这意味着调试和维护中的成本的节省。
3、Modbus TCP(特点：灵活、可靠、高效、扩展)
Modbus TCP协议是基于TCP/IP网络的Modbus协议的一种变体，1996年由施耐德公司 (Schneider Electric) 推出。它将Modbus协议封装在TCP/IP协议栈中，使用以太网作为物理层，通过TCP连接来实现设备之间的通信。
Modbus TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的Modbus系列通讯协议的派生产品，显而易见，它覆盖了使用TCP/IP协议的Intranet和Internet环境中Modbus报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC的远程I/O模块，以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。
Modbus TCP协议支持点对点通信，即一对一的通信方式。每个Modbus TCP设备都有一个唯一的IP地址，利用这个IP地址可以直接与特定设备进行通信。Modbus TCP支持多种数据类型，包括整数、浮点数、布尔值等。同时，它也支持多种数据结构，如单个寄存器、多个寄存器和位寄存器等。无论变体如何，所有标准ModBus通信都遵循相同的消息传递结构。一切都围绕着将值存储在寄存器中然后读取它们。
Modbus TCP使用TCP/IP以太网在站点间传送Modbus报文，Modbus TCP结合了以太网物理网络和网络标准TCP/IP以及以Modbus作为应用协议标准的数据表示方法。Modbus TCP通信报文包在以太网TCP/IP数据包中。Modbus TCP在Modbus串行通信的基础上，去除了校验(由于TCP本身就带有校验和)和设备地址(Modbus TCP弱化了设备地址，用IP地址来取代)，再加上MBAP报文头(占7bytes)。
Modbus TCP提供了一种优雅的解决方案，可促进现代网络基础设施上的Modbus通信，从而增强该协议在当今数字化工业环境中的相关性。
4、FF-HSE(特点：开放、通用、模块、冗余)
基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)最初包含低速总线H1与高速总线H2两部分，H2的传输速率有1Mbps与2.5Mbps两种，传输距离分别为750m与500m。由于技术的低速发展，互联网技术向控制网络的渗透，H2还未正式出台就已经显得不适应应用的需求而改为高速以太网HSE(High Speed Ethernet)，其传输速率为100Mbps，它能支持低速总线H1的所有功能，是对H1的补充和增强，于2000年3月29日发布了HSE的规范。
HSE是一种基于Ethernet+TCP/IP协议、运行在100Base-T以太网上的高速现场总线。其模型采用了OSI参考模型中物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，并在应用层上增加了用户层。HSE 的结构是一个增强型的标准以太网模式，底层采用标准以太网IEEE802.3μ的最新技术和CS-MA/CD链路控制协议来进行介质的访问控制。TCP/IP协议位于网络层和传输层，实现面向连接和无连接的数据传送，并为分布式主机控制协议(DHCP)、简单网络时间协议(SNTP)、简单网络管理协议(SNMP)和现场设备访问代理(FDAAgent)提供传输服务。HSE系统和网络管理代理、功能块、HSE管理代理和现场设备访问代理都位于用户层和应用层中，提供设备的描述和访问、功能块应需添加任何专用设备即可直接连入高速网络，同时也从另一方面增强了HSE设备的互操作性。
HSE除了具有高带宽和更好的开放性之外，灵活的网络和设备冗余形式以及灵活功能块技术是其特色技术。HSE充分体现了现场总线不仅是通讯协议，也是一种编程语言的概念，使得系统的组态、设备维护和诊断用统一的语言即可实现。HSE和H1相结合，使得基金会现场总线覆盖了更宽广的控制应用领域。
5、EtherCAT(特点：经济、灵活、兼容、安全)
EtherCAT全称EtherNet Control Automation Technology(以太网控制自动化技术)，是由德国倍福(Beckhoff)公司提出的一种实时以太网技术，是一种用于确定性以太网的高性能工业通信协议，它扩展了IEEE 802.3以太网标准，使得数据传输中具有可预测性定时及高精度同步等特点。
EtherCAT技术突破了其他以太网解决方案的系统限制，通过该项技术，无需接收以太网数据包，先将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中。由于这个过程完全在硬件中处理，因此，整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟，从而可以实现极短的响应时间。
EtherCAT支持几乎所有拓扑结构。因此，源于现场总线的总线形结构也可用于以太网。将总线和分支结构相结合特别有助于系统布线。所有接口都位于耦合器上，无需使用附加交换机。当然，也可以使用传统的基于交换机的星形以太网拓扑结构。
EtherCAT是MAC层协议，对于如TCP/IP、UDP、Web服务器等任何更高级别的以太网协议而言都是透明的。在拓扑方面，EtherCAT几乎支持任何拓扑类型，包括线形、树形、环形和星形等所有设备连接拓扑结构，并且不受限于级联交换机或集线器数量。也就是说，EtherCAT可连接系统中多达65,535个节点，而EtherCAT主站可以是标准以太网控制器，从而简化网络配置。每个从节点延迟较低，因此，EtherCAT可提供灵活、低成本，且兼容网络的工业以太网解决方案。作为一个“年轻”的通讯协议，近几年发展尤其迅猛，节点数量呈现指数级增长。
6、POWERLINK(特点：实时、可靠、安全、扩展)
POWERLINK是奥地利自动化公司贝加莱集成自动化公司(Bernecker&Rainer Industrie-Elektronik，B&R)开发的一种基于普通以太网，却无需专业芯片，可以在各种平台(例如 FPGA,ARM 等)上实现的，高实时性的、开源的现场总线方案。
POWERLINK是在标准以太网上的实时通信协议，在IEEE802.3上采用，因此可自由选择网络拓扑、交叉连接和热插拔。POWERLINK是Ethernet的扩展，混合了轮询以及时间切片(timeslicing)机制，可以提供：时间关键资料可以确保在非常短的等时(Isochronic)周期中发送，具有可规划的回应时间；网络上的所有节点都可以时间同步(Time-synchronisation)，精度可以到微秒以下；比较没有时间关键性的资料传输是在一个专属的异步通道中传输。目前的实现方式其循环时间可以到200μs以下，其时间精度(Jitter)小于1μs。POWERLINK主站或“托管节点”通过数据包抖动将时间同步控制在数十纳秒范围内。此类系统适用于从PLC与PLC通信和可视化到运动和I/O控制的各种自动化系统。
POWERLINK安全技术是目前已经投入使用的安全系统中最为完整的，这里包括了SafeLOGIC，Safety I/O，SafeMotion，SafePOWERLINK一体的完整安全系统，满足IEC61508 SIL3和PL e等级的安全安全一致性认证标准。
7、Sercos III(特点：安全、高速、开放、可靠)
Sercos III(Serial Realtime Communication System)是一种硬实时全双工总线，能够为控制器、运动设备(如伺服驱动器或变频器)、输入设备(如总线耦合器)、其他设备(如编码器或其他传感器)以及标准以太网节点之间的通讯提供100 Mbit/s的传输速率。Sercos基于以太网标准IEEE 802.3和ISO/IEC 8802-3。接口定义、协议规范以及协议到网络技术的映射在IEC 61800-7系列中进行了统一规定。
Sercos已在工厂自动化应用(适合机械工程和建筑)领域风靡了30多年。Sercos III是其第三代协议，制定于2003年。这种具有高效性和确定性的通信协议可将Sercos接口的实时数据交换与以太网相融合，提供实时以太网和标准TCP/IP通信，以打造低延迟工业以太网。与EtherCAT非常相似，从SercosIII通过快速提取数据并将其插入以太网帧的方法来处理数据包，从而实现低延迟。SercosIII将输入数据和输出数据分成两个帧。周期时间从31.25微秒开始，与EtherCAT和PROFINETIRT一样快。一个SercosIII主器件可控制多个SercosIII从属器件(如驱动器、传感器以及模拟和数字I/O器件)，一个主器件可控制多达511个从属器件(即从节点)，它主要用于伺服驱动器控制。
Sercos III的新特性包括线型拓朴结构(之前有环形拓朴结构)、同一环或同一线上的从设备之间的直接交叉通信、用于多组运动控制之间同步和通信的界面、用于在环路中断时容错的硬件冗余、用于连接和去除运行中节点的热插拔、用于驱动器集成的安全功能的安全通信、以及只有之前的SERCOS接口的最小值一半的周期时间(31.25微秒 vs 62.5微秒)。
8、CC-Link IE TSN(特点：融合、经济、可靠、高速)
CC Link IE TSN是一个基于以太网的工业通信标准。它以早期的CC Link IE概念为基础，将它们与时间敏感网络 (TSN) 的理念结合起来，从而改进通信功能和同步精度，这些标准由CC-Link合作伙伴协会(CLPA)维护。
CC-Link IE TSN融入了TSN技术，提高了整体的开放性，在CC-Link IE TSN协议中，OSI参考模型第2层以TSN技术为基础，由在第3-第7层CC-Link IE TSN独立协议和标准以太网协议组成，实现了从高层IT系统到生产现场的OT系统的无缝、顺畅连接，从而使大量的应用在生产中得到扩展使用。
CC-Link IE TSN使用IEEE 802.AS用于时间同步和IEEE 802.1Qbv用于调度管理，另外，IEEE 1588v2也可用于时间同步。实现标准组件CC-Link IE TSN(车间)可被集成到高级IT网络(办公室，例如ERP)以实现智能化工厂(工业4.0),具有1Gbit/s或100Mbit/s带宽和时间敏感网络(TSN)，允许传输确定性的实时数据流和标准以太网数据流(Webserver, FTP, SNMP...)经由相同网络。
CC-Link IE TSN可以实现最小31.25μs的链接扫描周期，在工业现场能够极大缩短生产节拍，提升整厂的生产能力。不仅如此，CC-Link IE TSN通过使用时间分割(IEEE802.1Qbv)实现在同一个网络中定义多种连接扫描周期，针对不同产品的特性设置相对应的链接扫描周期，比如对伺服系统、安全设备等可以定义高速周期，而对温湿度传感器等可使用中速或低速周期，从而实现最大的网络带宽利用率，提高整厂产能。
9、TSN(特点：规范、实时、确定、可靠)
TSN是时间敏感网络(Time-Sensitive Network)的英文缩写，是IEEE 802.1 TSN工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称，旨在非确定性的以太网络中实现确定性的最小时间延迟，它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输。
TSN除了实时能力和确定性之外,还有另一项巨大技术优势，那就是网络扩展能力，这使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速率运行。不过，这需要细致(因而更复杂)的网络配置。1Gbps及以上的传输速率是当今网络的逻辑演进。1Gbps为新型(物联网)应用开辟了道路，有助于克服数据密集型应用中的性能瓶颈。但是，只有当终端和以太网交换机均支持TSN功能时，TSN作为一个系统才能发挥全部效用。TSN是一种局域网(LAN)级解决方案，可与非TSN以太网一起工作，但只有在TSNLAN内部才能保证及时性。用户可以根据TSN解决的用例对TSN标准进行分组：通用的时间视图、保证极大延迟，或与背景流量或其他流量共存。与任何流行的标准一样，TSN的标准工具箱也在不断发展。
TSN调节的是ISO/OS参考模型第2层中的数据通信，严格地说，TSN代表以太网中支持实时性的第2层，不是完整的实时协议。也就是说，TSN不会取代PROFINET、EtherNet/IP及类似的以太网协议。相反，这些工业以太网协议长期而言将支持第2层TSN，因此传统工业以太网协议不会消失，但未来将建立在TSN之上。但是，现场总线则可能会被以太网永久性取代。
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