I. 簡介
工業自動化系統的網絡必須為用戶提供三種主要的服務。首先是控制，這也是最為重要的功能。控制服務主要用于完成控制設備（例如PLC）與I/O設備（例如變頻器、傳感器以及其它執行機構）之間的數據交換，并且有苛刻的實時性要求。因此，相應的傳輸網絡必須為這類數據的傳輸設定較高的優先權或者中斷等級。其次，還要提供配置服務，方便用戶對自動化設備進行設置和維護。通常，用戶需要使用個人計算機（PC）或者類似設備對系統中不同的設備進行編程和配置。這項任務不僅需要單獨執行，而且還要在控制系統運行的情況下，支持配置服務。比如，批量處理過程中的配方管理就需要這樣功能。最后，用戶需要采集自動化系統運行過程中的各種數據，用于人機界面顯示、數據分析、趨勢圖繪制、故障處理和維護。可見，工業自動化系統的網絡必須提供：控制、配置和數據采集三種服務，這樣才能讓網絡更加高效、靈活，從而提高自動化系統的整體性能。
在網絡中，生產者/消費者通訊模式比源/目標通訊模式更容易支持控制、配置和數據采集服務。在網絡應用層協議中，利用分布式對象和生產者/消費者通訊模式，將會更好地滿足自動化系統的應用要求。
如圖1所示，一個典型的工業自動化系統網絡結構。由于每種網絡都有不同的物理層和數據鏈路層，其屬性和特點也各不相同。因此，在這樣的系統中，不要指望某種單一的網絡能夠滿足所有的應用要求，而是需要采用多層網絡架構，并且要求不同網絡之間的數據具有一致性，從而方便網絡間的數據交換與共享。
如果在以太網上實現控制、配置和數據采集服務，同樣不可避免其它網絡服務也要在網絡上運行。因此，生產者/消費者通訊模式必須做到在同一網段上完全能夠與其它服務共存（比如用于網頁瀏覽的HTTP服務）。
在圖1中可以看到，一個典型的工業自動化系統網絡包括：1、信息層網絡，通過以太網來實現。許多控制器廠商早就提供對以太網的支持；2、控制層網絡，通常利用網絡的確定性和介質是否冗余等傳統標準來衡量某一網絡能否作為控制層網絡，ControlNet屬于這類網絡；3、設備層網絡，要求傳輸數據較少，能夠通過一根結實、耐用的電纜來完成數據傳輸和設備供電，DeviceNet屬于這類網絡。
ODVA（開放DeviceNet供應商協會）和ControlNet International兩家組織推出了新的CIP協議成員——EtherNet/IP，從而實現了通過以太網提供控制、配置和數據采集服務。因此，它能夠作為圖1中的信息層網絡和控制層網絡來使用。
II. CIP協議在以太網上的實現
EtherNet/IP協議規范被細分為多個章節和附錄，主要內容如圖2所示。
從圖2可以看出，EtherNet/IP、DeviceNet和ControlNet三種網絡具有統一的應用層、應用對象庫和設備描述。也就是說，在七層OSI網絡參考模型中，這三種網絡只有最低的四層不同，如圖3所示。
圖2描述了EtherNet/IP的協議結構，通過使用這些不同層面的協議，實現了對控制、配置、數據采集服務的優化，使得EtherNet/IP在控制領域的應用更加切實可行、更加安全可靠。
III. 與其它Internet協議共存
EtherNet/IP網絡的主要優勢在于大多數用戶能夠通過利用現有的以太網技術知識和網絡設施，讓它們發揮最大的作用，獲得更多的投資回報。
目前，眾多廠商都能提供以太網設備，使得組建網絡的費用大大降低。因此，用戶更希望能夠利用目前市面上已有的網絡設備，從而控制系統成本。
如果EtherNet/IP網絡需要采用指定廠商的特殊物理介質來構建，那么它的優勢就不復存在。同樣道理，如果 EtherNet/IP網絡需要一個專門的網絡環境來運行，或者不能與現有的企業網絡相連接，那么它的優勢也會黯然失色。因此，EtherNet/IP網絡必須能夠與現有的Internet和Intranet網絡協議共存。這就意味著，在任何地方都要使用TCP/IP協議。
A. 以太網通訊協議
以太網技術本身只定義了物理介質和介質的訪問方式（CSMA/CD），并采用簡單的數據幀格式和源/目標通訊模式來完成局域網設備之間的數據交換。就其本身而言，以太網缺少更為復雜的功能來實現局域網的全部應用要求。正因為如此，在實際使用過程中，還需要讓以太網支持一個或多個通訊協議，讓它們作為以太網的上層協議，負責數據傳輸，實現網絡管理等功能。因此，這種上層的通訊協議決定了網絡所支持的功能，以及什么樣的設備能夠連接網絡，怎樣實現網絡設備之間的互操作。
曾經有許多協議在以太網上應用過，例如DECnet™、Novell IPX™、MAP™、TOP、OSI Stack、AppleTalk™以及TCP/IP。在這些協議中，TCP/IP協議最為引人矚目，因為為它不僅實現了全球Internet的互聯，還能用于構建企業內部的Intranet網絡，實現企業信息的共享和數據交換。TCP/IP作為Internet的協議，不僅可以運行在以太網上，還支持其它物理介質。當然，以太網也支持其它協議。但是，由于TCP/IP協議與以太網的結合，實現了Intranet和Internet的無縫集成。所以，它們之間的關系也就越來越密切。在工業現場，無論是現在，還是在不遠的將來，TCP/IP協議遲早都會成為在以太網中占有統制地位的“中間層”協議，如圖3所示。
B. TCP/IP協議的起源與特點
多年來，世界上主流的計算機平臺都提供對TCP/IP協議的支持。現在，它已經內置到bbbbbbs NT™、bbbbbbs 2000等操作系統中，成為用戶構建計算機網絡的首選協議。在許多公司，可能擁有數臺工作站、網絡打印機、服務器、中型甚至大型計算機，單單某一家廠商很難提供所有這些設備。因此，這些設備都采用了統一的TCP/IP協議，使得它們都能夠集成到局域網中。
TCP/IP協議也采用了分層結構，它與OSI七層網絡參考模型的對應關系如圖3所示。從圖3可以看出，以太網技術只定義了物理層和數據鏈路層。網際協議（IP）對應于第三層——網絡層，TCP傳輸控制協議和UDP用戶數據報協議對應于第四層——傳輸層。在基于TCP/IP協議的網絡中，用戶服務協議屬于第七層——應用層。TCP/IP協議組沒有OSI網絡參考模型的第五層和第六層。
OSI網絡參考模型中的每一層都需要使用其下一層協議所提供的服務。比如，一個TCP連接需要在以太網上向另外的設備發送一個數據包。首先，它需要將這個數據包交給IP協議進行處理，由IP協議將這個數據包發送給以太網接口，并確定這個數據包傳送到了目標設備。同時，作為接收方，IP協議要通過以太網接口接收數據包，然后將其交給TCP協議進行處理，建立通訊連接。
TCP/IP協議的最底層是網絡層，也是IP協議所在的層面。IP協議用于在兩個網絡設備之間，采用無連接和無確認應答的方式發送數據包。因此，IP協議并不能對數據的傳輸提供擔保，而需要由傳輸層協議或者應用層協議來完成這一任務。IP協議可以運行在以太網和多種其它局域網或廣域網中，這正是IP協議能夠實現企業內部Intranet網絡和Internet無縫連接的原因。
在網絡層中，還有地址分辨協議（ARP）。ARP協議用于實現IP地址到以太網地址的映射，以及維護網絡設備中的地址映射表。當某一設備要將一個IP數據包傳送給其它設備時，發送設備首先會嘗試使用本地廣播報文去詢問目標IP地址的設備，然后將其以太網地址返回給發送設備。這一應答結果將被存入發送設備內部的地址映射表，方便以后使用。值得注意的是，以太網廣播報文只能在集線器、交換機和網橋之間傳輸，不能穿透路由器。因此，以太網廣播報文被限制在一個子網內，而不可能擴散到全球范圍的Internet網絡中。
IP地址是32位的二進制數字，由獨立的InterNIC網絡信息中心負責分配，在某一網絡中不能重復。任何企業網內部的設備需要和外界通訊，都必須使用事先分配好的IP地址。這與以太網地址不同，以太網地址是由生產廠商固定在以太網硬件設備中的地址，不能進行更改。用戶可以根據自身企業信息系統的相關規定和要求，配置網絡設備的IP地址和子網。有時候可能需要改變網絡設備的IP地址，但是應該在此之前做好心細的規劃，防止網絡上某一設備已經占用了特定的IP地址，從而造成IP地址沖突，使得已有的網絡不能正常工作。
如果一個內部的局域網通過路由器與Internet相連接，那么這些設備的IP地址必須屬于已分配給它使用的IP地址段。如果內部局域網不與Internet相連接，那么它的IP地址分配就可以按照自己的要求來進行。隨著Internet的普及和廣泛應用，可用的IP地址資源已經瀕臨枯竭。目前，人們正在研究使用新的IP地址形式，也就是IPv6，它支持48位二進制的IP地址形式，這樣一來，就有充足的IP地址供人們使用。
與以太網地址類似的是，IP地址也分為非廣播（單目標）、多點傳送（目標組）和廣播（網絡上的每個設備都能接收）地址。因此，IP地址必須通過相應的IP軟件和以太網驅動程序將其映射成對應的以太網地址。
TCP/IP協議制定了TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）兩種協議用于數據傳輸。它們都屬于OSI七層網絡參考模型中的傳輸層。TCP協議是一種面向連接的協議，用于確保數據的可靠傳輸。一旦在兩個設備之間建立起TCP連接，TCP協議將用于拆分、組裝數據包，檢測錯誤、數據重新發送，通常用于在兩個網絡設備之間提供高質量的數據傳輸。TCP協議能夠確保數據從一個網絡設備傳輸到其它網絡設備。一旦由于某種原因造成傳輸失敗，TCP協議將確保TCP連接的收發雙方應用程序能夠得知這一故障。TCP協議將數據以字節流的形式提供給它上一層的應用層協議。同時，應用層還要對字節流數據進行識別和分割。
TCP協議只適合于非廣播（點對點）傳輸方式，通常在bbbnet（終端仿真）、FTP（文件傳輸）以及HTTP（Web服務）等應用中采用。在工業自動化應用中，TCP協議通常用于計算機向PLC下載梯形圖程序，或者人機界面軟件對PLC數據進行讀寫，以及兩臺PLC之間的點對點信息交換。
UDP是一種非常簡單的傳輸協議，它采用無連接的通訊方式，用于在兩個網絡設備之間進行簡單的數據報文收發。它并不能保證數據能夠從一個網絡設備發送到另外一個，也沒有數據重發功能，甚至不知道目標設備是否已經收到了數據。因此，需要應用層協議實現設備之間的握手信號或者連接管理，通常在較小流量要求的服務中才使用UDP協議，例如SNMP（簡單網絡管理協議）和NFS（網絡文件系統）。UDP協議與TCP協議相比，傳輸能力和資源占用都比較低，因而能夠進行更小、更簡單、更快捷的數據傳輸。UDP協議支持非廣播、多點傳送和廣播三種不同的傳輸方式。在工業自動化應用中，UDP協議通常用于網絡管理、對可靠性要求不高的數據傳輸，或者由應用程序的其它功能實現自身的可靠性，比如在網絡設備中采用閃存芯片進行編程。
有關TCP/IP協議及其應用的技術資料已經被歸檔，稱為請求評注（RFC），由Internet工程任務組（IETF）負責維護。IETF是一個獨立性的組織，用于制定Internet的各種標準協議。所有RFC資料都是公開的，用戶可以從IETF的網站免費下載。
C. 應用層協議及互操作性
TCP/IP協議提供一系列的服務，無論是在局域網中，還是在廣闊的Internet中，都可以保證兩個設備之間的相互通訊。但是，單獨采用TCP/IP協議并不能確保網絡設備的通訊效率，它只能保證應用層信息能夠成功地在兩個設備之間進行傳輸。
為了提高通訊效率，需要在相應的網絡設備上安裝兼容的應用軟件。應用軟件必須相互懂得對方所提供的服務，能夠在TCP/IP（UDP/IP）協議的基礎上，使用通用的報文格式進行通訊。RFC資料提供了Internet常用應用服務的文檔，例如FTP、HTTP、bbbnet、SNMP、SMTP（E-mail）等，詳細定義了它們的工作機理。因此，任何廠商只要根據RFC資料的要求進行生產和程序開發，就可以確保設備之間能夠相互通訊，甚至是不同廠商的設備。這種通過應用層協議實現不同廠商設備之間相同通訊的能力被稱為互操作性。
雖然文件傳輸（FTP）、終端仿真（bbbnet）、電子郵件（SMTP）和其它通用的服務已經在IETF的領導下確定下來。但是在工業自動化領域，情況卻不是這么簡單。雖然某些自動化廠商的設備能夠工作在以太網上，也采用了TCP/IP協議，但是它們卻有著不同的應用層協議。這樣一來，在車間現場中，不同自動化廠商的設備即便可以與局域網相連接，在物理上能夠實現共存，卻不能進行設備之間的互操作。比如，A廠商的PLC不能通過TCP/IP連接，方便地共享B廠商PLC中的數據；或者A廠商工作站內的軟件不能對B廠商的設備編程或者配置。可見，由于缺乏互操作性，即便在同一個項目，同一個以太網中，用戶也很難將不同廠商的以太網設備集成在一起，構成一個系統。
EtherNet/IP協議能夠與任何現有的協議共存，它們都可以運行在TCP/UDP傳輸層之上。
D. 目前以太網TCP/IP協議在工業自動化中的應用
目前，基于TCP/IP協議的以太網不僅僅局限于車間范圍內的通訊，而且已經能夠實現與整個企業Intranet，甚至Internet的連接。在工廠中，以太網通常用于實現如下功能：設備程序維護、MIS或MES系統與現場設備交換數據、內部網頁服務、控制設備監管、操作員終端與現場設備通訊、事件記錄或報警等。這些功能都需要以太網提供較高的數據吞吐量和廣泛的設備連接能力，而響應時間則是第二位需要考慮的問題。現在，雖然有些用戶已經將以太網用于自動化控制系統，但是其控制能力具有一定的局限性。比如，通過以太網共享處理器中的數據，這樣的應用項目充分發揮了以太網具有較大數據吞吐量的優勢，但是它的信息響應時間卻不具備較高的確定性和可重復性。
IV. 網絡內及網絡間的數據交換
雖然EtherNet/IP網絡具備直接利用以太網進行設備數據采集和配置的功能，但也不要指望單一的網絡能夠滿足所有的需要。某些自動化設備廠商未必提供支持EtherNet/IP網絡的設備。另外，較短時期內，如果需要在光電傳感器、接近開關等簡單的設備中集成EtherNet/IP網絡連接功能，可能費用還比較高。
但是，這些困難并不意味著會阻礙用戶將EtherNet/IP網絡作為首選網絡來使用。相反，用戶可以充分利用EtherNet/IP的遠程聯網能力，像使用本地網絡一樣來操作遠程設備。更為關鍵的原因在于，網絡的應用不需要編制任何程序或者使用中間計算機設備。
為了實現上述目的，整個工業自動化系統的網絡（如圖1所示）必須使用一系列通用的服務，所有網路設備均采用通用的對象模型來組織數據。只有實現了數據的一致性，才能夠讓數據在不同的網絡之間進行路由。
A. 面向對象的數據結構
未來的Internet將采用一種分布式的對象通訊模型，用于點對點的數據交換，實現企業內部Intranet網絡與Internet的相互連接。與DCOM和CORBA等“中間件”標準相比較，雖然兩者的實現機理有所不同，但是它們關于分布式對象模型的互操作方法是一致的。分布式對象模型的結構具有顯著的優勢，它為軟件開發者和最終用戶提供了方便的手段，無需考慮設備的具體物理位置，利用簡單、面向對象和網絡化的方法就可以管理設備數據。用戶可以通過對象命名和尋址方法，對網絡設備地址及其內部數據結構實現透明訪問，獲得詳細信息。
沿用至今的源/目標通訊模式可能不會在未來的Internet網絡環境中繼續流行。因為在車間現場的以太網設備需要具備互操作性，既要支持信息應用軟件，又要滿足實時控制要求，而且通常需要在同一網絡中實現。所以，用戶需要讓不同廠商的設備在同一網絡中實現互操作。為了達到這一目的，所使用的應用層協議必須滿足一系列的要求，從而在基于TCP/IP協議的以太網上實現設備之間的互操作。
運行于TCP/IP和UDP/IP協議之上
實現分布式對象模型
提供有效的傳輸模式用于實時I/O數據
允許控制數據和信息數據在同一個以太網中共存
滿足工業自動化系統的各項要求
能夠被廣大自動化設備廠商接受并實施
B. 通用對象庫
CIP協議家族定義了一系列對象（目前有46個對象）。只有少數對象是針對專門的數據鏈路層而制定的，其中DeviceNet有1個，ControlNet有3個，EtherNet/IP有1個。其余的對象都是通用的，能夠在上述三種網絡中使用。
根據某一類設備所需的功能，今后可以加入新的對象，這將有利于對設備功能的擴充。比如，一個工作在DeviceNet網絡上的接近傳感器并不支持其它的功能。然而，開發者在使用已定義的公共對象時，還可以在設備供應商自定義尋址范圍內（類代碼100～199，8位對象類代碼空間）創建自己的對象。當然，強烈推薦開發者與ODVA和ControlNet International的特別興趣小組（SIG）合作，制定更多的通用對象，進一步取代自行開發的專用對象。
D. 電子數據表
如果沒有相應的機制去識別某一設備到底為外部應用程序提供了哪些對象，那么保持對象模型的一致性也就無從談起。因此，CIP協議提供了多種方案，用于配置設備：
打印出來的數據表
參數對象和參數對象存根
電子數據表（EDS）
電子數據表與參數對象存根相結合
設備配置信息集合與上述方法相結合
在使用打印出來的數據表進行設備配置時，配置軟件只能提示用戶該設備需要用到的服務、類的實例、屬性數據以及其它相關信息。雖然這樣也能夠完成配置工作，但是很不方便，因為這種方法不能判斷上下參數的關聯，數據的格式以及內容正確與否。
參數對象提供了另外一種方法，它將設備所有可以配置的數據進行了全面的描述。這樣一來，由于設備能夠提供所需的信息，使得配置軟件可以方便地訪問這些參數，并且操作界面也十分友好。參數的屬性包括數據類型、工程單位、最小值、最大值、缺省值、比例系數等內容，而且這些內容都保存在設備的非易失性存儲芯片中，可以進行讀寫（或只讀）操作。
由于參數對象方法將所需的全部參數信息都保存在設備中，無疑增加了小型設備的負擔，尤其是DeviceNet從設備。因此，開發人員對參數對象方法進行了簡化，稱為參數對象存根。這種方法也支持對參數數據進行訪問，但是它并不描述這一數據的任何含義。這時，就需要使用EDS電子數據表。在電子數據表中保存有全部參數對象的信息以及與之相對應的存根。因此，電子數據表與參數對象存根的配合使用，既能夠方便地實現參數對象方法的全部功能，又避免給單個設備造成負擔。
另外，設備配置信息集合方法可以允許對大批量的參數數據進行上傳和下載。
E. 報文協議
通過網絡訪問任何設備的內部對象都需要使用非連接通訊管理對象或連接通訊管理對象。
由于EtherNet/IP是基于連接的網絡。因此，一個CIP協議連接數據包會發送到網絡上。一旦連接建立成功，就會對該連接分配一個連接標識（CID）。如果這種連接是雙向的數據交換，就會給它分配兩個連接標識，如圖6所示。
既然大多數基于CIP協議的報文都采用連接方式進行通訊，就需要對兩個尚未連接的設備進行連接初試化的方法做出定義。這一工作是通過名為非連接通訊管理對象（UCMM）來實現的，它專門用于處理連接請求。一旦通訊連接建立成功，設備所需的全部通訊資源，包括中間CIP協議的橋接和路由，都將被保留。這樣一來，使得數據交換過程所需的網絡負載和帶寬占用降低到最小限度。
所有在CIP協議中的網絡連接分為兩大類：顯式報文連接和隱式（I/O數據）報文連接。
顯式報文連接用于兩個設備之間的普通信息傳輸，可以使用多用途的通訊路徑。這類連接在網絡仲裁機制中被認為是消息連接。顯式報文使用典型的請求/應答網絡通訊模式，通常需要訪問報文路由對象。每一個請求報文包含有明確的顯式信息，例如接收方的網絡地址、需要執行的動作以及產生適當的響應等內容。
隱式報文連接通過專用的特殊通訊路徑或端口，在生產者應用對象和多個消費者應用對象之間建立連接。這類報文專門用于傳輸I/O數據，在網絡仲裁機制中被認為是I/O連接。在控制層網絡中，隱式報文有著大量的應用。隱式報文數據的含義已經在通訊連接建立、分配連接標識的時候完成了定義。因此，隱式報文中只包含具體應用對象的數值。也就是說，通過連接標識“含蓄”地定義了報文數據的具體含義，因此稱為“隱式報文”。
這兩種報文連接方式都支持網絡間的橋接，詳細內容將在后續章節中討論。
F. 隱式連接
如上所述，所有的隱式連接必須是兩個設備之間的直接連接。在每個連接方向上，需要源地址、目標地址和連接標識。隱式報文通過應用層CIP協議的外部事件進行觸發。
在實際使用中，DeviceNet和ControlNet的源地址、目標地址就是設備的節點地址。在EtherNet/IP網絡中，就是設備的IP地址。
然而，TCP數據包中的CIP幀含有關于目標地址的額外信息——通訊路徑，它表示數據幀在傳輸過程中的“跳躍”路徑。
如圖1所示，在一個典型工業自動化系統網絡中，編程軟件通過個人計算機連接到信息層網絡，由它發出一個報文，需要傳送給設備層的電機起動器。在這一過程中，數據幀首先進入信息層網絡，然后進入控制層網絡，最后進入設備層網絡，整個過程至少需要三次網絡“跳躍”。通過一系列的“跳躍”，CIP數據幀的內容在整個旅途過程中都是完好無缺的，并且先后使用了TCP數據包、ControlNet數據包和CAN總線數據包。
只要CIP數據幀中的路徑完好無缺，電機起動器就可以通過CAN總線數據包將返回的報文按照原路徑回傳。無需考慮通訊的發起設備是否在同一物理網絡中，而是通過橋接，將數據傳送給本地的EtherNet/IP網絡設備，甚至可以通過Internet路由給遠程的網絡設備，實現數據的透明傳輸。
在這個示例中，電機起動器遵守DeviceNet規范，編程計算機遵守EtherNet/IP規范，這兩個設備能夠相互理解對方設備的數據組織形式。
前面已經提到，每個設備都必須支持一系列的強制性對象，其中之一就有標識對象。標識對象的強制性屬性有供應商ID、設備類型、產品代碼和修訂版本等內容。源設備在發出報文之前，可以從目標設備中獲得上述信息，而無需事先知道它到底是什么設備。通過這些數據，就能找到與之唯一對應的EDS電子數據表文件，從而知道該設備能夠支持哪些公共對象，多數情況下，還能知道供應商定義的特殊對象。當然，由于某些設備已經包含了全部的參數對象，無需EDS電子數據表文件就可以直接獲取設備的數據。這種機制不受目標設備網絡類型的約束，可以從圖2和圖5中得知，數據對象不依賴于網絡，也就是說，相同的報文可以發送給相同的數據對象，既不依賴于設備，也不依賴于網絡連接。
由于EtherNet/IP網絡仍然構建于TCP/IP協議之上，因此具備進一步的擴展潛力。例如，并不要求源設備必須位于信息層網絡中。位于控制層網絡的PLC可以通過一個連接信息層網絡的PLC或者網橋設備（無需關心控制層網絡到底是EtherNet/IP網絡還是ControlNet網絡），發起需要多次“跳躍”的報文，并可以將信息層網絡作為“跳躍”過程的一個中間環節。在這一功能的幫助下，兩個分別連入ControlNet網絡的PLC，即便是遠隔重洋，也可以通過Internet，使用顯式報文實現數據交換。
V. 基于EtherNet/IP網絡的I/O控制
A. 以太網能否作為控制網絡？
從傳統意義上來講，有人不贊成以太網用于控制目的，其原因在于以太網是非確定性的網絡。這一問題已經成為業界爭論的焦點。確定性可以幫助用戶準確估計在最壞情況下，網絡數據的傳輸能力。同時，用戶對可靠性也提出了更高的要求，需要確保每次都能在相同的時間內完成數據傳輸（或者盡快識別出數據不能到達的情況，以便采取相應措施）。隨著以太網技術的不斷發展，在網絡確定性、可重復性和數據吞吐量上，都有了很大的提高。例如，以太網交換技術將容易產生數據沖突的區域分割成單個設備區域或者一小組設備，使得數據沖突幾乎可以減少到零。CSMA/CD（帶沖突檢測的載波監聽多路訪問）技術在網絡出現沖突時，不僅能夠及時發現，而且還可以恢復網絡通訊。此外，通過在以太網（IEEE 802.1p）的適當位置引入報文優先級別，可以使交換機和TCP/IP協議棧有能力區分控制/報警信息數據包和編程數據包，以及其它的網絡路由、診斷數據（SNMP）。
然而，這些技術還未在高速控制系統中進行嘗試。在某些對實時性有苛刻要求的應用項目中，只要比預定時間晚一點收到某個數據，就可能造成生產線停機，影響產量，甚至是損壞產品或設備。在以太網交換機中，數據包延遲時間的變化甚至數據包丟失，都有可能造成嚴重的事故。在信息系統中，交換機、集線器的損壞最多會讓信息系統丟失部分生產數據；但是在控制系統中，如果發生這樣問題，不僅會影響產量，還會損壞生產設備。因此，用戶在選擇網絡時，都要對具體的應用項目進行充分考慮，以便確定基于TCP/IP協議的以太網技術到底是最好的方案，還是可行的方案。
B. 以太網交換技術的發展
近年來，轉發式集線器技術和以太網網橋技術已經被新的高速交換技術所取代，交換機任意兩個端口之間的數據交換延遲已經降低到百萬分之幾秒。通過專用的硬件設備來實現高速交換，使得交換機具有非常高的背板通訊帶寬。通常情況下，交換機背板通訊速率大于該設備所有以太網端口通訊速率之和，因此能夠支持所有端口全速運行而不會發生沖突。此外，某些交換機還能夠對數據幀進行臨時緩沖，用來解決短時期內對同一輸出端口的爭奪。
交換機被稱為交換式集線器，屬于第二層（數據鏈路層）的數據交換，也稱為簡單交換。實際上，交換機就是一臺多端口的網橋。交換機上的每個端口都有自己的沖突域，當設備通過交換機連接后，相互之間不會發生數據沖突。此外，交換機上的每個端口可以配置為半雙工模式（傳統以太網），或者全雙工模式。全雙工模式下，交換機與連接到某一端口的設備之間，能夠在每個數據傳輸方向上提供10Mbps的連接速率，總共為20Mbps。對于快速以太網來說，全雙工模式能夠為每個傳輸方向提供100Mbps的連接速率，總共為200Mbps。與傳統的網橋類似，交換機內部要建立并維護一個以太網地址與端口的映射表。當交換機從某一端口接收到數據包之后，能夠立即將該數據包“交換”到相對應的輸出端口，而這一過程通常能夠在百萬分之幾秒內完成。
更先進的交換機支持虛擬局域網功能（VLAN），用戶能夠對交換機進行配置，將若干個端口劃分為一個組，從該組某一端口接收到的數據包只能發送給組內的其它端口。另外，VLAN的劃分通常可以在一臺交換機上實現交疊，某個端口可以隸屬于多個VLAN。這一功能為用戶提供了極大的靈活性，可以將交換機上相互分割的端口配置為多個相互交疊的沖突區域。
與轉發式集線器相比，交換機能夠支持更大的數據吞吐量，不會像轉發式集線器那樣，在網絡負荷增加時出現數據沖突，造成嚴重的傳輸延遲。因此，在那些負荷較重、傳輸延遲明顯的網絡中，最好使用交換機代替轉發式集線器。雖然交換機現在的價格比轉發式集線器貴，但是隨著技術的發展，它的價格會迅速下降。到時候，交換機將取代轉發式集線器，成為網絡連接的首選設備，而它的用途也不僅僅局限于控制領域。
當然，交換機某些性能上的限制可能會對一些特殊的應用項目造成影響，必須對這些問題加以足夠的重視。例如，來自多個端口的數據包需要發送到同一端口，在這種情況下，交換機內部可能會出現數據擁塞。通常的處理辦法是簡單地丟棄某些數據包，或者告訴發送設備出現了沖突，待擁塞清除之后再發送數據。具體采用哪種方法處理數據擁塞，由交換機生產廠商做出選擇。另外一個問題在于，交換機可能會在數據流中插入時間不等的延遲，這對于普通的辦公應用來說沒有任何影響，但是對于某些工業自動化控制系統，可能會造成嚴重的后果。
雖然交換機對每個端口的沖突區域進行了隔離，但是它并沒有對廣播區域進行隔離。當然，如果交換機支持虛擬局域網功能，也可以通過設置VLAN來隔離廣播區域。在以太網中，從任一端口接收到的廣播報文將被發送給所有端口上的設備。這就意味著存在一個問題，如果某個設備出現故障，或者沒有配置好，它可能會過多地向網絡發送廣播報文，從而導致整個以太網傳輸性能下降。有些交換機生產廠商采用了相應的方法，去抑止這種過多的廣播報文。由于以太網廣播報文也采用TCP/IP協議用于地址解析。因此，廣播報文在以太網上的處理方式與其它基于TCP/IP協議的報文是平等的。所以這些方法缺少通用性。盡管如此，只要網絡配置得當、操作正常，廣播報文只會占整個網絡數據量的很小比例。
另外，交換機和轉發式集線器都屬于有源設備，其內部有著復雜的數字電路，需要外部供電（通常為交流電）才能工作。一旦交換機或者集線器出現故障，將導致所有與之相連接的設備，包括其它交換機或者集線器，都不能正常通訊。在修好或者替換交換機、集線器之前，與之相連接的設備不能與車間的其它網絡進行通訊。此外，大多數以太網介質和配件都是針對辦公室或者輕工業的應用環境而設計的，并沒有按照惡劣工業環境下控制設備的標準進行設計和測試（包括允許的溫度范圍、工業級CE認證、抗沖擊和抗振動性能等）。對于以太網在新領域，尤其是工業現場的應用，這些問題都應該加以考慮。
C. 以太網性能的發展
近年來，隨著以太網技術的發展，先后出現了快速以太網和千兆以太網。IEEE 802.3u規范標準對快速以太網進行了定義。快速以太網基本速率為100Mbps，它與10Mbps以太網采用相同的幀結構、尋址方式和CSMA/CD介質訪問協議。然而，快速以太網中的所有網絡定時參數都需要除以10。因此，在某些配置情況下，與10Mbps以太網相比，快速以太網兩個節點之間的距離可能會短一些。
快速以太網具有傳統以太網10倍的線速度，能夠充分滿足高帶寬應用項目的要求，例如視頻、音頻傳輸，或者是網絡中大數據量的文件交換。盡管如此，某些應用項目并不滿足于單純網絡線速度的提高。特別是在車間現場，有許多基于微處理器的智能設備連接到以太網中，例如I/O模塊、傳感器、執行機構、變頻器以及其它接口設備。這些設備發送和接收的數據都被封裝到64個字節長度的以太網幀內（這是以太網支持的最小幀長度）。因此，影響這些設備性能的主要因素在于微處理器速度和嵌入的固件，而不是網絡的線速度。這些設備幾乎不可能完全利用10Mbps以太網的帶寬，除非是由于應用層協議的效率較低，造成設備重復進行點對點的數據輪詢。
另外一個顯著的優勢在于，100Mbps以太網比10Mbps以太網有著更高的數據沖突恢復能力。正如前面所述，100Mbps以太網的數據沖突后退時間是10Mbps以太網的十分之一。由于網絡負荷較重，經常出現數據沖突，100Mbps以太網的性能要明顯優于10Mbps以太網。而在數據沖突不嚴重的時候，100Mbps以太網能夠提供更大的帶寬，支持更多的網絡負荷。如果某一應用項目需要使用多個交換機，100Mbps的網絡速率將有利于交換機之間的連接。當然，如果網絡負載和數據沖突在10Mbps以太網中表現不是很明顯，僅僅是簡單地升級到100Mbps以太網，這樣的投資并不會有什么收效。
D. 隱式報文（I/O信息）在EtherNet/IP網絡中的傳輸
在4.5節中，已經介紹了通訊路徑以及顯式報文和非連接報文在點對點數據交換中的應用。
第二類報文，也就是隱式報文。通過應用層協議的支持，實現了網絡節點之間的透明數據交換，無論是報文的“生產者”還是“消費者”，在報文傳輸之前，都知道這個報文格式。當隱式報文用于I/O信息傳輸時，它能夠充分利用生產者/消費者通訊模式的優勢。另外，它還可以用于控制器之間預定信息的傳輸。
在CIP協議中，隱式報文有四種主要的應用方式：
輪詢
選通
狀態改變
周期循環
輪詢方式與傳統的I/O網絡通訊十分相似，掃描器（主站）不斷地向I/O適配器（從站）發出輸出信息并接收輸入信息。
選通方式是一種特殊的輪詢，掃描器只發出一個多點傳送的數據請求報文，從設備會陸續將它們的數據傳送回掃描器，而不再需要其它來自掃描器的信息。
周期循環方式將按照預定的時間周期傳送數據，每個報文都有一個連接標識。任何其它設備，只要知道這個連接標識，就能接收網絡上符合這一連接標識的數據。
狀態改變方式與周期循環方式類似，不同之處在于，只有當數據變化時才會發出報文，而不是基于時間事件。同時，狀態改變方式還要發出一個周期性循環的“心跳”信號，以便讓數據的“消費者”知道這一設備還處于在線狀態，而且工作正常。
上述四種方式中，周期循環是EtherNet/IP網絡中首選的隱式報文數據交換方式，它在數據完整性和網絡流量優化方面有著較好的平衡。
為了讓CIP協議能夠在以太網中實現，其關鍵問題在于隱式報文可能有多個數據“消費者”，它們要共享同一個數據包，然而TCP協議只能用于點對點的數據交換，所以它發送的廣播數據包會被IP層拒絕，而且還可能增加終端設備的負荷。
UDP/IP數據包具有多點傳送能力，而且所需的應用層協議也比較簡單。因此，能夠有效減少終端設備的處理時間。
在典型的控制系統中，預期的通訊連接通常需要以幾個毫秒為周期，頻繁進行數據交換。UDP數據包并不是直接傳送給具有“真實”IP地址的接收設備，而是通過一個IP多點傳送地址來發送數據。同基于CIP連接標識的點對點傳輸方式相比較，這種方法的數據包中沒有在應用層信息幀之前指定某個具體的接收節點。
在這種情況下，接收設備作為“消費者”，它必須事先知道這個IP多點傳送地址（事先已經由“生產者”——發送設備進行了分配）
為了達到這一目的，必須采用非連接報文管理對象。
首先，通訊連接的發起設備（例如，配置為I/O模式的PLC；而另外的PLC或者其它設備作為連接的目標設備）發出點對點的TCP數據包，該數據包指明了連接發起設備需要接收的數據對象，以及按照什么樣的速率進行接收。
然后，目標設備的連接管理對象將對數據包的內容進行審核，判斷其是否符合該數據對象的連接表和刷新周期。如果符合，這個數據對象將作為“生產者”發送數據（例如，采用多點傳送形式），它的連接標識和相關的多點傳送IP地址將一并回傳給對應的“消費者”設備，如圖7所示。如果不符合，UDP協議的相關IP地址和連接標識將被分配，并加載到連接管理對象中。數據不斷地通過“生產者”發送，所有知道這個多點傳送IP地址和連接標識的設備都可以作為“消費者”，接收并使用這些數據。
最后，當“消費者”設備沒有連接到網絡上時，必須有相應的機制去關閉這個連接。由于UDP/IP協議采用了無需應答的傳輸機制，所以“生產者”無法知道是否有“消費者”在線，并且還在接收它發出的數據。為此，每個“消費者”設備還需要向“生產者”發送一種特殊的周期循環報文。在這樣的連接過程中，并不傳輸實際的應用數據，而是用于表明“消費者”設備仍然在線，因此稱為“心跳”連接。例如，“生產者”設備正在發送某個數據對象，一旦該數據對象的所有心跳連接超時，那么與之相關的連接都將被關閉。
首先通過TCP數據包建立設備之間的連接，然后利用UDP連接進行I/O數據對象報文交換，從而將網絡帶寬的占用減少到最低限度。
當然，隨著100Mbps以太網的應用，帶寬占用率已經不是主要考慮的問題。這種數據通訊方式更為明顯的優勢在于，它最大限度地減少了終端設備需要處理的數據包，從而提高了這些設備支持隱式報文連接的數目。
VI. EtherNet/IP網絡的優勢
由于ControlNet、DeviceNet和EtherNet/IP都使用相同的應用層協議，所以它們之間能夠共享對象庫和設備描述信息。這些數據對象和描述信息可以讓不同廠商的復雜設備實現即插即用和互操作。數據對象的定義非常嚴格，在同一網絡中，可以完成實時I/O信息、配置信息以及診斷信息的傳送。這就意味著無需編制特殊的軟件，便可以將各種復雜的設備，例如變頻器、機器人控制器、條形碼掃描器、稱重儀等設備連接在一起。這樣一來，不僅能夠快速構建控制系統，還方便了對設備的診斷和維護。
另外，EtherNet/IP網絡能夠同時為用戶提供顯式（信息）報文和隱式（控制）報文傳輸服務。這樣一來，EtherNet/IP網絡就能夠利用輪詢、周期循環、狀態改變等觸發機制，進行點對點和多點數據傳輸，從而滿足控制層、設備層網絡的各種要求。
除此之外，由于ControlNet和DeviceNet的應用已經普及，全球范圍內有四百多家廠商為這三種網絡提供多達五百余種的設備，而且這些設備之間還能實現互操作。可見，支持EtherNet/IP網絡的設備覆蓋面相當廣泛，其數目和種類也在不斷增長。
VII. 結論
由于采用了三項先進的技術：100Mbps快速以太網、交換式以太網和終端設備全雙工通訊方式，不僅減少了以太網數據沖突的可能性，還使得基于以太網的I/O控制成為可能。
以太網和TCP/IP協議已經十分普及，大多數用戶都以此為基礎，構建網絡，進行各種網絡應用。同時，以太網還支持廣泛的兼容設備，提供較高的數據吞吐量，而且相關配件的價格也在逐漸降低。可以預見，無論是分布式通訊，還是點對點的數據交換，從企業內部的Intranet網絡到貫穿全球的Internet，都將是以太網的天下。在這種環境下，車間現場的以太網設備不僅要在同一個網絡中實現控制功能，還要與企業的信息系統進行互操作。用戶也需要將不同廠商的設備集成在一起。為了實現這一目標，設備所采用的應用層協議應該具備如下條件：
基于TCP/IP以及UDP/IP協議
使用分布式對象模型
允許控制報文和信息報文在同一以太網中共存
提供基于生產者/消費者通訊模式的網絡服務
滿足工業自動化系統的各項要求
能夠被廣大自動化設備廠商接受并實施
在工業自動化領域，實時控制能力和通用的操作性尤為重要。這些功能都可以通過TCP/UDP/IP協議在以太網上實現。
：鞏經理
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：南京塞姆泵業有限公司
