原標題：帶你看工業(yè)以太網(wǎng)交換機發(fā)展歷程，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)原理詳解

計算機技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合促進了計算機局域網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，從六十年代末ALOHA的出現(xiàn)到九十年代中期1000Mbps交換式以太網(wǎng)的登臺亮相，短短的三十年間經(jīng)過了從單工到雙工，從共享到交換，從低速到高速，從簡單到復(fù)雜，從昂貴到普及的飛躍。

八十年代中后期，由于通信量的急劇增加，促使技術(shù)的發(fā)展，使局域網(wǎng)的性能越來越高，最早1Mbps速率已廣泛地被今天的100Base-TX替代，但是，傳統(tǒng)的媒體訪問方法都局限于使大量的站點共享對一個公共傳輸媒體的訪問，即CSMA/CD。

九十年代初，隨著計算機性能的提高及通信量的劇增，傳統(tǒng)局域網(wǎng)已經(jīng)超出了自身的負荷，交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生，大大提高了局域網(wǎng)的性能。與現(xiàn)在基于網(wǎng)橋和路由器的共享媒體的局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)絡(luò)交換機能顯著地增加帶寬。交換技術(shù)的加入，就可以建立地理位置相對分散的網(wǎng)絡(luò)，使局域網(wǎng)交換機的每個端口可平行、安全、同時地互相傳輸信息，而且使局域網(wǎng)可以高度擴充。

局域網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展要追溯到兩端口網(wǎng)橋。橋是一種存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用來連接相似的局域網(wǎng)。從互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)看，橋是屬于DCE級的端到端的連接；從協(xié)議層次看，橋是在邏輯鏈路層對數(shù)據(jù)幀進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)；與中繼器在第一層、路由器在第三層的功能相似。兩端口網(wǎng)橋幾乎是和以太網(wǎng)同時發(fā)展的。以太網(wǎng)交換技術(shù)（Switch）是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上于九十年代初發(fā)展起來的，實現(xiàn)OSI模型的下兩層協(xié)議，與網(wǎng)橋有著千絲萬縷的關(guān)系，甚至被業(yè)界人士稱為“許多聯(lián)系在一起的網(wǎng)橋”，因此現(xiàn)在的交換式技術(shù)并不是什么新的標準，而是現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用而已，是一種改進了的局域網(wǎng)橋，與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋相比，它能提供更多的端口、更好的性能、更強的管理功能以及更便宜的價格。

EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)原理詳解

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，專為實時工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計。它由德國貝克霍夫（Beckhoff Automation）公司于2003年推出，并且是一個開放的國際標準，由EtherCAT技術(shù)集團（ETG）進行維護和推廣。

1. 工作原理：EtherCAT的工作原理基于標準以太網(wǎng)技術(shù)，但它采用了一種獨特的通信方式，突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制，使得數(shù)據(jù)傳輸更加高效。在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是通過一個環(huán)形或線性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳遞的，每個從站（slave）設(shè)備都會讀取它需要的數(shù)據(jù)，然后立即將數(shù)據(jù)包傳遞給下一個從站，這個過程稱為“在通過時處理”（processing on the fly）。

2. 幀格式：EtherCAT使用以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，但在幀內(nèi)部采用了特殊的封裝方法來傳輸數(shù)據(jù)。

3. 主從架構(gòu)：一個EtherCAT網(wǎng)絡(luò)由一個主站（master）控制，它負責(zé)初始化通信并處理所有的數(shù)據(jù)交換。

4. 數(shù)據(jù)交換：數(shù)據(jù)交換是通過一個或多個邏輯環(huán)（logical ring）完成的，每個從站都會根據(jù)自己的地址從幀中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。

5. 分布式時鐘：EtherCAT支持分布式時鐘（distributed clocks），這是一種同步機制，用于在網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備之間同步時間。

6. 診斷功能：EtherCAT診斷能力遠超傳統(tǒng)的以太網(wǎng)。必要的診斷信息可以由EtherCAT通信芯片（ESC）直接在硬件或在軟件功能中提供，從站無需特殊的擴展功能。

EtherCAT技術(shù)具備以下特點：

• 高速數(shù)據(jù)傳輸：EtherCAT能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，通常情況下，它使用100Mbit/s或1Gbit/s的以太網(wǎng)速度。

• 高有效數(shù)據(jù)率：數(shù)據(jù)包在通過每個節(jié)點時被即時處理，而不需要等待整個數(shù)據(jù)幀被接收完畢。由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達90%以上。

• 低通信延遲：由于其獨特的通信機制，EtherCAT可以實現(xiàn)極低的通信延遲，通常在微秒級別。

• 靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲：EtherCAT支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括線性、樹狀、星形或任意組合。

• 簡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：EtherCAT擁有簡化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不需要使用交換機或集線器，節(jié)點之間可以直接串聯(lián)。

• 良好的開放性：EtherCAT技術(shù)具備標準以太網(wǎng)設(shè)備的一切特性，不僅完全兼容以太網(wǎng)，還可以在相同的物理層網(wǎng)絡(luò)中包容其它基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議。

EtherCAT廣泛應(yīng)用于需要高速、實時通信的工業(yè)自動化領(lǐng)域，例如機器人控制、動控制系統(tǒng)、包裝機械、數(shù)控機床、測試和測量設(shè)備、汽車組裝線等。EtherCAT作為一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過其高速、低延遲和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計，在自動化控制系統(tǒng)中提供了可靠和高效的解決方案。

綜上所述，EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其獨特的工作原理和顯著的技術(shù)優(yōu)勢，在工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展，EtherCAT的應(yīng)用范圍預(yù)計將進一步擴大。