以太网解决方案中的时间同步和实时性能

以太网为现场总线（如Modbus RTU和DeviceNet）中的RS-485、RS-422和RS-232连接已经处理的数字网络提供了更高级别的带宽和更广泛支持的物理层升级。在这方面，从现场总线到以太网的过渡比以前（在某些情况下正在进行）从点对点、4 mA到20 mA模拟连接到现场总线的过渡更可行。然而，以太网的非确定性仍然是一个绊脚石。

到 1990 年代，自动化行业开始通过开发 Modbus TCP 和 EtherNet/IP 等工业以太网协议来探索解决这一核心障碍的方法。这些解决方案结合了以太网物理层以及TCP/IP堆栈，它们可以一起传输以特定应用程序级协议定义的标准方式组织的数据。

例如，EtherNet/IP 使用由 DeviceNet、ControlNet 和 CompoNet 在标准以太网基础设施上共享的可靠通用工业协议，以促进确定性，此外还允许从工厂车间一直到企业 IT 服务的轻松连接。2此外，正如罗克韦尔自动化白皮书所讨论的那样，它可以在多层自动化架构中跨信息和控制级别实施。

直到最近，时间同步一直是许多IT网络的次要问题。许多其他基于以太网的自动化协议，以及对IEEE 802.1的补充（如音频视频桥接），都是在使以太网适用于工业和汽车环境的多年工作中产生的。尽管如此，要为新兴的工业物联网奠定基础以及在整个通用自动化行业的持续使用，还有更多的工作要做。

回到未来：时间这一古老的问题对新的IIoT至关重要

正如Broadcom的Michael Johas Teener提出的确定性以太网教程所指出的那样，IT网络长期以来一直被设计为携带尽可能多的信息，时间同步只是次要问题。4网络规范缺乏跟踪远程设备上事件的机制，除非使用带外解决方案（例如基于GPS接收器的解决方案）。

迄今为止，解决方案通常是依靠传统协议中的数据包交换，例如网络时间协议（最近在新闻中利用了拒绝服务攻击）。然而，这种方法有其缺点。特别是对于 NTP，尽可能靠近硬件的内核/驱动程序软件事件是理想的，但没有得到很好的控制;只有毫秒级的精度是可能的。

以太网物理层的事件更可取 — 在这种情况下，可以实现亚微秒级的精度。IEEE 1588精确时间协议最初提出很大程度上是为了弥补NTP和简单时间协议的缺点，以及昂贵的OOB管理。以太网 TCP/IP 网络的优化也是 PTP 的一个重要规范。

美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）指出，需要卓越的定时信号来支持物联网中更多设备的互连。

“建立在互联网端点大规模增长基础上的新经济将需要以当前系统不支持的方式进行精确和可验证的时间安排，”报告摘要指出。“应用程序、计算机和通信系统已经开发了模块和层，这些模块和层优化了数据处理，但降低了准确的计时。

如果网络架构完全符合IEEE 1588，则PTP可以实现低于100纳秒的时序。合规性需要一个以太网交换机、一个 PTP 从站和一个支持 GPS 的 PTP 主站。使用GPS卫星，主控器可以精确解析时间戳，还可以控制本地振荡器，该振荡器用作网络中专用硬件的参考时钟。

将PTP纳入工业以太网协议已经在发生：

EtherNet/IP 包括 CIP Sync，这是 CIP 的扩展，可帮助 EtherNet/IP 处理运动应用中要求苛刻的事件序列

PROFINET通过符合IEEE 1588标准的分布式同步时钟系统提高带宽效率

其他协议（如EtherCAT）有自己的同步机制，可实现与PTP类似的结果。展望未来，PTP及其同类产品对于确保自动化和控制系统能够为关键任务应用提供实时性能和精确计时至关重要。