大多數(shù)工程師平時接觸的以太網(wǎng)基本都是TCP協(xié)議,。因為覺得以太網(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A通過向主機B 發(fā)送一個含有同步序列號的標志位的數(shù)據(jù)段給主機B ,向主機B 請求建立連接,通過這個數(shù)據(jù)段,主機A告訴主機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)段來回應我.,；
2.主機B 收到主機A的請求后,用一個帶有確認應答(ACK)和同步序列號(SYN)標志位的數(shù)據(jù)段響應主機A,也告訴主機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)段來回應我,；
3.主機A收到這個數(shù)據(jù)段后,再發(fā)送一個確認應答,確認已收到主機B 的數(shù)據(jù)段:"我已收到回復,我現(xiàn)在要開始傳輸實際數(shù)據(jù)了；
這樣3次握手就完成了,主機A和主機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建立連接要進行3次握手，而斷開連接要進行4次,；
1 .當主機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B收到FIN后對其作出響應,確認這一方向上的TCP連接將關閉,將ACK置1,；
3 .由B 端再提出反方向的關閉請求,，將FIN置1；
4.主機A對主機B的請求進行確認,，將ACK置1,，雙方向的關閉結束。
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)之外添加了一套復雜的驗證流程,，從而加大了網(wǎng)絡的負載和系統(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,，當它想傳送時就抓取來自應用程序的數(shù)據(jù),，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡上。在發(fā)送端,，UDP傳送數(shù)據(jù)的速度僅僅是受應用程序生成數(shù)據(jù)的速度,、計算機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列中,，應用程序每次從隊列中讀一個消息段。
由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接,，因此也就不需要維護連接狀態(tài),，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺服務機可同時向多個客戶機傳輸相同的消息,，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節(jié),，只受應用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬,、源端和終端主機性能的限制,。
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)送主機不需要維持復雜的鏈接狀態(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一般用于實時性高的工業(yè)控制場合,。比如現(xiàn)在絕大多數(shù)的實時以太網(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 實時以太網(wǎng)項目中的方案對比
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)應用層的超時限制，所以會出現(xiàn)了頻繁出錯的問題,，導致實時性很差,。
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)要求的響應需要,。
使用UDP方案的數(shù)據(jù)完整性是由上層應用協(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前利用重發(fā)機制重新把丟失的數(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。不容易超出系統(tǒng)應用層的超時限制,。
比如軌道交通實時以太網(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)實時控制,。如圖4所示。
圖4 軌道交通中的實時以太網(wǎng)
以ECNN為例,，主機通過UDP組播的方式,，1包即將發(fā)給所有從機的內容都發(fā)下去，如圖5所示,。從機收到后,，響應報文到組播地址，不但可以被主機收到,，而且可以被網(wǎng)絡中的記錄設備（黑匣子）記錄,，便于故障時候進行分析。
圖5 軌道交通實時以太網(wǎng)通訊過程
1.3總結
綜上所述,，結合實際情況,，使用UDP方案更符合實時以太網(wǎng)的實際需求。ZLG致遠電子研發(fā)的ZNE-100TA串口轉以太網(wǎng)模塊,，具備完整的TCP,、UDP、UDP組播功能,，高達1.15Mbps的串口傳輸速度,，完全可以滿足絕大多數(shù)實時以太網(wǎng)的通訊要求。嚴格完整的物理層測試,，可以解決用戶對于物理鏈路層設計的煩惱,。如圖6所示。
圖6 ZNE-100TA模塊物理層測試（部分）