大多數(shù)工程師平時接觸的以太網(wǎng)基本都是TCP協(xié)議,。因?yàn)橛X得以太網(wǎng)TCP協(xié)議比UDP協(xié)議高級,，理由就是數(shù)據(jù)在傳輸過程中不容易丟，但工業(yè)上的實(shí)時以太網(wǎng)很多都是不基于連接的UDP協(xié)議,，這是為什么呢,？我們先看下他們的區(qū)別。
1.11.TCP與UDP的基本特性
1.1.11.1 TCP（Transmission Control Protocol,，傳輸控制協(xié)議）
TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是面向連接的協(xié)議,，也就是說,，在收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對方建立可靠的連接,。一個TCP連接必須要經(jīng)過三次握手才能建立起來,。
TCP連接三次握手過程
1.主機(jī)A通過向主機(jī)B 發(fā)送一個含有同步序列號的標(biāo)志位的數(shù)據(jù)段給主機(jī)B ,向主機(jī)B 請求建立連接,通過這個數(shù)據(jù)段,主機(jī)A告訴主機(jī)B 兩件事:我想要和你通信;你可以用哪個序列號作為起始數(shù)據(jù)段來回應(yīng)我.；
2.主機(jī)B 收到主機(jī)A的請求后,用一個帶有確認(rèn)應(yīng)答(ACK)和同步序列號(SYN)標(biāo)志位的數(shù)據(jù)段響應(yīng)主機(jī)A,也告訴主機(jī)A兩件事:我已經(jīng)收到你的請求了,你可以傳輸數(shù)據(jù)了;你要用哪個序列號作為起始數(shù)據(jù)段來回應(yīng)我,；
3.主機(jī)A收到這個數(shù)據(jù)段后,再發(fā)送一個確認(rèn)應(yīng)答,確認(rèn)已收到主機(jī)B 的數(shù)據(jù)段:"我已收到回復(fù),我現(xiàn)在要開始傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)了,；
這樣3次握手就完成了,主機(jī)A和主機(jī)B 就可以傳輸數(shù)據(jù)了。如圖1所示,。
圖1 TCP建立連接3次握手過程
TCP斷開四次握手過程
TCP建立連接要進(jìn)行3次握手,，而斷開連接要進(jìn)行4次；
1 .當(dāng)主機(jī)A完成數(shù)據(jù)傳輸后，將控制位FIN置1,提出停止TCP連接的請求,；
2.主機(jī)B收到FIN后對其作出響應(yīng),確認(rèn)這一方向上的TCP連接將關(guān)閉,將ACK置1,；
3 .由B 端再提出反方向的關(guān)閉請求，將FIN置1,；
4.主機(jī)A對主機(jī)B的請求進(jìn)行確認(rèn),，將ACK置1，雙方向的關(guān)閉結(jié)束,。
如圖2所示,。
圖2 TCP連接斷開的4次握手過程
由TCP的三次握手和四次斷開可以看出，TCP使用面向連接的通信方式,，為了提高數(shù)據(jù)通信的可靠性,，在通訊有效數(shù)據(jù)之外添加了一套復(fù)雜的驗(yàn)證流程，從而加大了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和系統(tǒng)的開銷,，降低了通訊的效率,。并且在通訊過程中一旦出現(xiàn)異常斷開，重新建立連接前,，需要先斷開連接,，釋放資源，造成極大的耗時,。所以TCP一般用于對實(shí)時性沒有要求的通訊場合,，比如網(wǎng)頁瀏覽、郵箱數(shù)據(jù),、文件傳送等,。
1.1.21.2 UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）
UDP是一個非連接的協(xié)議,，傳輸數(shù)據(jù)之前,，源端和終端不建立連接，當(dāng)它想傳送時就抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù),，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上,。在發(fā)送端，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應(yīng)用程序生成數(shù)據(jù)的速度,、計算機(jī)的能力和傳輸帶寬的限制,；在接收端，UDP把每個消息段放在隊(duì)列中,，應(yīng)用程序每次從隊(duì)列中讀一個消息段,。
由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護(hù)連接狀態(tài),，包括收發(fā)狀態(tài)等,，因此一臺服務(wù)機(jī)可同時向多個客戶機(jī)傳輸相同的消息,，或者可以大家共享一個廣播地址，成為UDP組播功能,，類似CAN總線那種通訊,，發(fā)到組播地址上的信息，將被所有組成員收到,。如圖3所示,。
圖3 UDP的兩種通訊方式
UDP信息包的標(biāo)題很短，只有8個字節(jié),，相對于TCP的20個字節(jié)信息包的額外開銷很小,。吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率,、傳輸帶寬,、源端和終端主機(jī)性能的限制。
UDP使用盡最大努力交付,，但發(fā)送端的鏈路層不保證可靠交付,，因此發(fā)送主機(jī)不需要維持復(fù)雜的鏈接狀態(tài)表（這里面有許多參數(shù)）。UDP是面向報文的,。發(fā)送方的UDP對應(yīng)用程序交下來的報文,，在添加首部后就向下交付給IP層。既不拆分,，也不合并,。
UDP一般用于實(shí)時性高的工業(yè)控制場合。比如現(xiàn)在絕大多數(shù)的實(shí)時以太網(wǎng)都使用UDP通訊,。軌道交通中的IEC61375-3-4更是以UDP作為實(shí)時過程數(shù)據(jù)的通訊,，而用TCP用于參數(shù)配置和固件升級使用。
1.1.31.3 TCP與UDP的對比
1.22 實(shí)時以太網(wǎng)項(xiàng)目中的方案對比
1.2.12.1 TCP方案
使用的TCP方案中,，由于工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)干擾等問題,，在通訊過程中無法保證TCP連接可靠的保持，而在每一次斷開TCP連接并嘗試重連的過程中,，都會經(jīng)歷上述的4次斷開握手和3次連接握手的流程（如果是某些異常斷開的TCP還需要經(jīng)歷超時重傳和?；钣嫈?shù)的流程），而在網(wǎng)絡(luò)狀況不佳的情況下完成上述流程是有很大可能超出系統(tǒng)應(yīng)用層的超時限制,，所以會出現(xiàn)了頻繁出錯的問題，導(dǎo)致實(shí)時性很差,。
1.2.22.2 UDP方案
而UDP方案基于上述介紹過的UDP的特性,，在出現(xiàn)異常后UDP可以省去TCP繁瑣的握手流程，很快的恢復(fù)通訊,，把需要發(fā)送的有效數(shù)據(jù)及時發(fā)送出去,，從保證了系統(tǒng)要求的響應(yīng)需要,。
使用UDP方案的數(shù)據(jù)完整性是由上層應(yīng)用協(xié)議來保證的。即使通訊過程中某幀數(shù)據(jù)丟失,，但發(fā)送方能在未收到對方響應(yīng)前利用重發(fā)機(jī)制重新把丟失的數(shù)據(jù)再次發(fā)送,，以太網(wǎng)100Mbps的速率保證很短的傳輸時間，所以很快就可以保證數(shù)據(jù)到達(dá),。不容易超出系統(tǒng)應(yīng)用層的超時限制,。
比如軌道交通實(shí)時以太網(wǎng)的通訊協(xié)議中，就使用20548端口UDP組播地址作為過程數(shù)據(jù)實(shí)時控制,。如圖4所示,。
圖4 軌道交通中的實(shí)時以太網(wǎng)
以ECNN為例，主機(jī)通過UDP組播的方式,，1包即將發(fā)給所有從機(jī)的內(nèi)容都發(fā)下去,，如圖5所示。從機(jī)收到后,，響應(yīng)報文到組播地址,，不但可以被主機(jī)收到，而且可以被網(wǎng)絡(luò)中的記錄設(shè)備（黑匣子）記錄,，便于故障時候進(jìn)行分析,。
圖5 軌道交通實(shí)時以太網(wǎng)通訊過程
1.3總結(jié)
綜上所述，結(jié)合實(shí)際情況,，使用UDP方案更符合實(shí)時以太網(wǎng)的實(shí)際需求,。ZLG致遠(yuǎn)電子研發(fā)的ZNE-100TA串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，具備完整的TCP,、UDP,、UDP組播功能，高達(dá)1.15Mbps的串口傳輸速度,，完全可以滿足絕大多數(shù)實(shí)時以太網(wǎng)的通訊要求,。嚴(yán)格完整的物理層測試，可以解決用戶對于物理鏈路層設(shè)計的煩惱,。如圖6所示,。
圖6 ZNE-100TA模塊物理層測試（部分）