实时工业网络的节能以太网应用

实时工业网络的节能以太网

摘要

为了提高以太网网络的能源效率，IEEE于2010年发布了IEEE802.3az修正案，即节能以太网（EEE）。该修正案引入了一种新的运行模式——低功耗空闲（LPI），可显著降低非活动以太网链路的功耗。本文研究了EEE在实时以太网（RTE）网络中的应用，这类通信系统广泛应用于具有严格时序要求的工厂自动化领域。我们首先介绍EEE的基本原理，随后重点探讨其在工业通信场景中的引入。接着，我们针对一些流行的RTE网络，具体研究了有效EEE策略的实现。分析基于工厂自动化系统底层常用的配置进行。结果表明，在对网络性能影响极小的情况下，可实现显著的节能效果。

给从业者的提示 ——本文探讨了在工业通信场景中引入节能以太网（EEE）的问题，特别关注实时以太网网络（RTE网络）。这项工作源于人们持续不断的努力，旨在提高工厂自动化系统各个层面的能效。特别是，IEEE 802.3az修订版代表了一个重要机遇，尽管遗憾的是，它并未明确提及工业网络。本文所进行的评估不仅证实了RTE网络有利采用EEE的可能性，还提出了若干对从业者感兴趣的方面。事实上，工业网络典型的周期性流量显示出能够支持EEE策略的潜力。然而，即使在网络保持严格同步的情况下，由于低功耗空闲模式（LPI模式）引入的时间开销，仍可能对帧传输造成额外延迟。不过，采用适当的策略可以减轻此类延迟的影响。此外，已经表明非周期性流量请求可能会降低EEE策略的有效性，因为它们可能频繁地引起以太网链路状态的不必要变化。最后，我们想强调在真实测试平台上开展大量测量实验的重要性，因为实际实验的结果无疑是验证理论设计的EEE策略的最佳方式。

索引术语 —节能以太网（EEE），工业自动化，实时以太网（RTE）网络。

一、引言

IN 2010，电气与电子工程师协会发布了IEEE 802.3az修正案[1]，作为广泛使用的以太网标准的一部分，通常称为节能以太网（EEE）。该修正案引入了一项可选的以太网功能，可在网络流量较低期间实现节能效果。基本而言，EEE允许两个链路伙伴（无论是站点还是网络组件，例如交换机设备）之间的以太网链路进入一种新的状态，在该状态下，链路功耗相较于其常见的空闲状态显著降低。任一链路伙伴均可发出请求进入此种状态。

节能以太网（EEE）的引入源于以下观察：尽管目前部署的几乎所有以太网链路实际运行时占空比都非常低，但遗憾的是，只要这些链路处于开启状态，其功耗几乎始终保持在相同水平。换句话说，链路的功耗仅略微依赖于该链路本身的实际数据流量[2]。相反，功耗主要取决于传输速率，通常范围从100兆比特/秒链路的几百毫瓦到10吉比特/秒链路的数瓦[3],[4]。考虑到在[2]和[5]中进行的评估均显示以太网链路的平均利用率低于5%，通过降低空闲链路的功耗所能实现的整体节能效果可能是巨大的。

实现节能的方式曾经过长期讨论，主要考虑了两种方案。第一种称为低功耗空闲（LPI）模式，可通过强制以太网链路进入一种低功耗状态来降低功耗。第二种方案是通过降低链路传输速率，从而限制功耗。IEEE 802.3委员会最终选择了LPI模式。因此，目前大多数制造商正在其产品中实施LPI，使得节能以太网（EEE）迅速得到广泛应用。

然而，节能以太网（EEE）修正案并未提供有关应实施的节能策略的任何说明，而是将其定义留给具体的应用场景来决定。这一方面是当前科学界研究的关键问题之一。特别是，最具挑战性的问题之一是如何选择进入/退出低功耗状态的时刻，以在确保较低数据包传输延迟的同时实现最佳的节能效果。

工业以太网网络[6]正发挥着越来越重要的作用，这得益于其内在的宝贵特性，能够实现等时实时通信[7],[8]。这些网络通常被称为实时以太网（RTE）预计在未来几年将实现显著增长[9]。此外，其传输速率目前几乎所有可用协议均为100兆比特/秒，未来将提升至1吉比特/秒甚至10吉比特/秒。因此，节能以太网概念很可能在实时以太网网络中也具有重要意义。然而，在这一应用领域中，低功耗空闲模式引入的时间开销可能成为关键问题，因为工业通信应用通常要求严格的时序。另一方面，需要考虑到工业流量在很大程度上是可预测的，因为它通常由周期性操作产生[10]。这种特性为设计及时且有效的EEE策略提供了极大帮助。

本文重点研究节能以太网（EEE）在实时以太网网络（RTE网络）中的应用。在对低功耗空闲模式（LPI模式）进行评估（包括详细的时序分析）之后，我们将专注于为一些最流行的RTE网络设计有效的EEE策略。具体而言，本文组织如下：第二节讨论了科学文献中关于EEE的一些显著研究成果；第三节介绍低功耗空闲（LPI）基本原理；第四节分析在工业通信场景中引入EEE所涉及的通用应用问题；第五至第七节分别探讨为一些最流行的RTE网络（即PROFINET IO、Ethernet POWERLINK、EtherCAT和EtherNet/IP）实施EEE策略的方法，这些网络已被广泛应用于多种场景；第八节基于前述示例，提供了一些有益的指导原则，以推动RTE网络采用EEE；最后，第九节对全文进行总结。

II. 相关工作

实时以太网网络采用节能以太网技术是一个新兴的研究课题，最近才受到学术界的关注。据我们所知，目前仅有少数研究工作明确涉及这一主题。在[11],中，作者分析了将适当的EEE策略应用于一种流行的RTE网络——以太网POWERLINK的可行性。通过理论分析获得的结果令人鼓舞，因为所展示的节能效果相当显著。同样针对该RTE网络，论文[12]提供了一项仿真研究，进一步探讨了旨在协调节能与时序要求的EEE策略。另一项贡献虽未正式发表，但见于[13]，其中作者就将EEE理念适配到RTE网络的可能性进行了可行性研究，并提议将其纳入IEEE 802.3az修正案中。遗憾的是，尽管该提案从标准化角度为该课题提供了有价值的尝试，但后续并未得到进一步讨论。

节能以太网（EEE）的各个方面已针对通用网络进行了广泛分析。在本节中，我们仅简要提及一些我们认为在工业通信场景应用方向上具有重要意义的研究成果。在[5],中，作者提出了自适应链路速率（ALR），这是一种通过快速改变链路传输速率来实现节能效果的技术，该技术在第一节中已有提及。尽管ALR目前已不再被考虑，但该论文提出了一些策略，这些策略可有效地应用于节能以太网（EEE）环境中。事实上，其中一些策略在[14],中被再次提及，该研究中作者重点关注休眠机制将算法作为一种实现高节能效果的方法，同时确保对帧传输产生影响的不可避免的延迟保持在非常低的水平。此外，作者提出了一个用于数据突发传输的分析模型，该模型表明，如果仅在传输这些大量数据时才激活链路，则节能效果可以显著提高。类似地，在[15],中提出了一种称为数据包聚合的技术。在此，作者专注于大尺寸TCP帧的传输，并展示了在实际传输前将确认帧进行分组（而非逐个立即发送）在能效方面的优势。另一项有趣的贡献见于[16]。在这种情况下，作者提供了一个分析模型，用于评估链路在节能以太网定义的各种状态下的停留时间。该时间是计算功耗以及设计流量整形策略以提高节能效果的关键指标。该模型基于帧以符合泊松分布的批处理方式到达的假设，并使用实际流量轨迹进行了验证。

此外，节能以太网提供的节能效果可能对一些新的以太网修正案提案具有吸引力，这些提案目前正在IEEE 802.3工作组内讨论[17]。

最后需要强调的是，节能通信系统有望在“绿色制造”中发挥重要作用，这是设计和实施创新制造系统的一个推动性概念，优先考虑减少环境影响和自然资源利用等方面。在此背景下，例如，文献[19]和[20]探讨了汽车生产系统中的节能问题，其中以太网网络预计将得到越来越广泛的应用。类似的主题也在其他领域中被讨论，如家庭自动化和楼宇自动化应用[21]。

三、低功耗空闲（LPI）基础

节能以太网适用于多种以太网物理层（物理层器件），包括对实时以太网网络具有重要意义的100BASE-TX、1000BASE-T和10GBASE-T，本文将对此进行探讨。

节能以太网基于引入低功耗空闲模式，这是以太网设备的一种新特性，允许以太网链路进入一种新的功能状态，即静默状态，在此状态下功耗显著降低且不允许通信（仅在介质上保持最小的信令）。为此，介质访问控制（MAC）协议通过引入“LPI客户端”堆栈进行了修改，如图1所示。这种新的MAC架构使得LP_IDLE协议服务对上层可用，上层可以利用它来实现EEE策略。实际上，进入/退出静默状态的转换是通过该协议服务的request和indication原语实现的，如图2所述。

当以太网链路的其中一个伙伴（例如图2中的站点A）决定强制链路进入静默状态时，它将调用LP_IDLE.request原语，并将（唯一）参数LPI_REQUEST设置为断言。随后，物理层开始向静默状态过渡。目标伙伴（站点B）的物理层通过监听传输介质检测到链路的新状态，并相应地发出向其LPI客户端发出LP_IDLE.indication原语，进而通知上层链路状态变化。唤醒链路时遵循相同的流程，但此时LPI_REQUEST参数必须设置为取消断言。值得强调的是，链路状态的改变过程仅通过链路上的电信号进行协商，不涉及任何数据包传输。当其中一方发出LPI_REQUEST原语时，其特定的信号会向另一方链路伙伴表明请求，而对方必须隐式同意。

IEEE 802.3az 还提供了一些关于低功耗空闲模式操作时序的重要信息。具体而言，激活状态的链路转入静默状态所需的时间被定义为睡眠时间。在静默状态中停留的时间取决于具体应用，但要求以固定周期发出刷新信号。刷新过程的持续时间为。最后，从静默状态返回激活状态所需的时间被定义为唤醒时间。

图3展示了低功耗空闲操作行为的一个示例。可以看出，该示例描述了一个链路在其中一个通信伙伴请求下，从激活状态切换到静默状态的情况。该链路在此状态下保持时间为。随后，执行刷新过程。接着，在之后，请求再次切换至激活状态，并在之后进入激活状态。

上述时序参数对于实际应用具有显著的重要性，因为它们是确定帧传输可能延迟的基础。

表I	所考虑的物理层的节能以太网时序

表II	工业应用关注的物理层器件的链路功耗

IEEE 802.3az 规定的这些时间值在表I中列出了工业应用关注的物理层器件（PHYs）。值得注意的是，IEEE 802.3az 并未直接提供 的值，而是引用了另外两个参数，即 和 。前者是指物理层（PHY）从静默状态切换到激活状态所需的时间，而后者称为系统唤醒时间，提供了更全面的信息，因为它考虑了链路开始唤醒的时刻与数据传输实际开始的时刻之间可能经过的最大时间。因此，表I中所示的值对应于 ，因为它代表了 的上限。

在分析节能以太网（EEE）在实时以太网网络（RTE networks）中的应用之前，有必要提及IEEE 802.3az的一些重要特性，因为这些特性在此背景下具有相当重要的意义。特别是，物理层器件（PHYs）具有源自其内部架构特性的不同特征，这些特征可能对EEE策略的设计产生显著影响。具体而言，静默状态的持续可能会在任何时刻被中断，即使是在发送刷新信号期间也是如此。此外，仅对于100BASE-TX和1000BASE-T物理层器件，在时间 内，如果任一链路伙伴收到帧发送请求，向静默状态转换的过程可能会被中断。在这种情况下，链路立即开始切换至激活状态。相反地，对于10GBASE-T，无法中止向静默状态的转换。

此外，IEEE 802.3az 引入的最有趣的特性之一是，100BASE-TX 和 10GBASE-T 物理层器件均可以在两个链路方向（发送/接收）上独立进入低功耗空闲模式。换句话说，链路伙伴可以同时在发送方向处于静默状态，而在接收方向处于激活状态。该特性在 1000BASE-T 物理层器件中不可用。

表II报告了以太网链路的功耗。这些数值源自以太网设备领域两家重要厂商的技术规格文档[3],[4]。在表II中，“LPI”列表示两个链路方向均处于静默状态的情况，而“LPI-partial”列则表示仅有一个链路方向处于静默状态的情况。其他针对市售设备通过实际测量获得的有趣功耗数据在[22]和[23]中有报道。

IV. EEE在RTE网络中的应用

典型的实时工业流量可分为两类，即周期性和非周期性[24]。前者由设定点传输、传感器数据的周期性采样以及一般的重复操作等操作产生。而非周期性流量则来源于不可预测的事件，例如与过程报警相关的事件。这两类流量所施加的时序要求的严格程度因应用场景而异。例如，在工厂自动化系统最低层的控制器与传感器/执行器之间的数据交换中，要求较高的应用（如运动控制系统[25]）可能要求周期性数据传输的周期以及报警消息的最大允许延迟均在数百微秒量级。此外，周期性操作的允许抖动可能低于1%。相反，在远程监控、传统工厂控制和楼宇自动化等其他应用领域，时序约束则宽松得多。

以EEE应用为例，我们可以参考连接两个站点的RTE网络中的特定链路。显然，最大限度地将链路保持在静默状态可实现最大的节能效果。这意味着在帧传输结束后立即进入静默状态，并在下一次新传输开始前立即退出该状态。然而，这种策略必须考虑LPI定时所带来的开销。事实上，进入静默状态所需的时间可能与该链路上允许的最短周期性操作周期相当。在这方面值得注意的是，对于100BASE-TX和1000BASE-T物理层而言，其睡眠时间的值非常接近运动控制环路的典型采样时间[26]。因此，在这种情况下采用低功耗空闲模式并不有效，因为所产生的节能效果非常有限，甚至更糟的是，网络的周期时间可能变得比预期更长。在这种情况下，选择10GBASE-T物理层可能看似是一个有价值的选项，因为其（最大值为）显著降低，但遗憾的是，其功耗仍然非常高。因此，目前尚不 a priori明确这种替代方案是否为一种理想的选择。对此问题的更准确分析只能针对具体情况逐一评估。

此外，还必须考虑到两个站点可能通过包含多个链路的路径相连。对于此类配置，进入/退出静默状态的过程必然涉及路径中的更多（可能是全部）链路。因此，显然，需要在包含多个链路的路径上传输的帧可能会产生最大为激活延迟的延迟，从而对网络性能造成负面影响。然而，该问题如[27],中初步所述，可通过在周期性操作开始前预先激活链路（例如通过专门设计的唤醒帧）来有效缓解，尽管此过程可能会降低节能效果。

如果考虑非周期性流量，特别是由过程报警产生的流量，所述场景将变得更加复杂。这些事件会触发特定帧的传输，其传输必须在（通常严格的预定义截止时间。因此，只有当路径激活延迟与发送报警帧所需时间之和小于截止时间时，两个站点之间链路上的链路才允许进入静默状态。否则，该截止时间很可能被错过。因此，假设为报警截止时间，为发送报警帧所需的时间，则必须满足

(1)

值得注意的是，(1) 实际上代表了将EEE策略应用于路径的必要条件。

报警甚至可能在链路正在进入静默状态（即，在时间内）或刷新信号正在发出时发生。然而，在这两种情况下，报警传输所增加的延迟都相当有限。事实上，对于100BASE-TX和1000BASE-T物理层器件，进入静默状态的转换可以被任意中断。IEEE 802.3az未规定返回激活状态所需的时间，但合理推测不会超过。关于10GBASE-T物理层，由于进入静默状态的转换无法中断，唤醒链路的最大时间将为。然而在此速率下，和都非常短。最后，如果转换请求在刷新过程中到达，所有物理层器件均允许立即停止该过程并重新激活链路。因此，引入的最大延迟为。

从分析角度来看，对于在两个站点之间以周期 进行周期性操作的链路，每个周期内处于静默状态的最大时间 为

(2)

其中，是执行周期性操作所需时间，是周期内发出的刷新信号数量。公式（2）反映了链路仅在执行周期性操作所必需的时间内被激活的情况。如果在链路处于静默状态时发生报警，则需要唤醒链路、发送报警帧，然后将链路重新置于静默状态。该序列所需的时间为，

(3)

因此，假设在一个周期内收集警报，且每个警报到达时链路均处于静默状态（代表最坏情况），则该链路在一个周期内的静默状态持续时间减少为

(4)

（该方程成立）。

如果两个站点之间的路径包含多个链路，则（4）适用于该路径中的每个链路。

可以观察到，非周期性流量的出现减少了链路处于静默状态的时间，从而降低了可实现的节能效果。然而，这种流量并不会直接影响EEE策略的设计，即使它可能会由于需要满足报警截止时间而阻碍这些策略的采用。

在本文的后续部分，我们将提出节能以太网应用于最广泛使用的实时以太网网络的示例。基于本节中的分析，这些示例仅考虑周期性流量，因为正如我们所见，这种流量类型实际上决定了EEE策略的设计。

V. 节能以太网在PROFINET IO中的应用

PROFINET IO 是一种广泛使用的 RTE 网络，被 IEC 61784–2 国际标准 [28], 所涵盖，该标准包含两个版本，即 PROFINET IO IRT（等时实时），标准中称为通信配置文件 CP 3–6，以及 PROFINET IO RT（实时），覆盖通信配置文件 CP 3–4 和 CP 3–5。这两种 PROFINET IO 版本均采用两类主要设备：IO控制器（IOCs，通常是执行自动化任务的智能设备，如可编程逻辑控制器或PC）和 IO设备（IODs，现场设备，例如传感器和/或执行器）。两种 PROFINET IO 版本之间的基本区别在于同步方面。具体而言，在 PROFINET IO IRT 中，网络行为基于由四个连续阶段组成的周期，所有站点严格同步。PROFINET IO IRT 周期时间值范围为到 4 ms。前两个阶段分别标记为红和橙，专用于等时实时流量，有时被视为一个整体的 IRT 阶段。第三个阶段（绿）用于所有其他类型的流量（无论是实时还是非实时）。最后，黄色阶段为空闲期。网络同步通过分布式时钟系统实现，借助周期性发送的时钟帧来保障。

相反，在PROFINET IO RT中，站点之间没有同步，网络周期的概念也不再适用。然而，通过使用帧优先级仍然可以及时发送实时数据。

PROFINET IO 的两个版本中的数据传输均仅通过在启动时于 IO控制器 和 IO设备 之间建立的“通信关系”（CRs）进行。每个 IO设备 至少需要定义两种不同的通信关系。第一种用于周期性流量，基于生产者‐消费者技术；第二种用于非周期性流量，基于客户端‐服务器模式。PROFINET IO IRT 的周期性通信关系上的数据传输周期可设置为网络周期的整数倍，而对于 RT 版本则提供可用范围（在此情况下，周期必须为 2 的幂）。

原则上，PROFINET IO 的两个版本均适用于节能以太网概念的有利应用。然而，对于 PROFINET IO IRT，需特别注意时钟帧的传输。实际上，这些帧应由“主时钟”设备（通常为 IO控制器）在绿色阶段以 30 ms 的周期发送。或者，一些商用产品可在每个周期的红色阶段传输时钟信息[30]。但在两种情况下，当时钟帧正在发送时，所有链路都必须处于激活状态，以确保所有节点能够及时接收该信息。

最后需要说明的是，基于 100BASE-TX 或 1000BASE-T 的 PROFINET IO IRT 实现极不可能使用刷新信号。事实上，如果时钟帧在每个 PROFINET IO IRT 周期都发送，则所有链路必然

表III	从IOC到IODS的数据交换周期

以远低于的周期被激活。相反，如果每 30 毫秒发送一次 时钟帧，则仅需为那些激活周期大于的链路提供刷新信号。

A. 节能以太网在PROFINET IO中的EEE应用示例

以节能以太网在PROFINET IO IRT中的应用为例，我们考虑一个由IO控制器和四个IO设备（分别称为IOD1、IOD2、IOD3和IOD4）组成的网络。所有站点通过交换机连接，如图4所示，采用单层配置，这种配置通常部署于工厂自动化系统的较低层级[31]。IOD1需在红色阶段与IOC交换数据，而其他IO设备则在绿色阶段进行通信。

该网络有五个链路，用于将所有站点与交换机连接。周期时间设置为1 ms，周期内各阶段的持续时间分别为 （红/橙）、（绿）和（黄）。为了方便起见，我们仅考虑在周期性通信关系中从IO控制器到IO设备方向的数据传输。此类传输所假设的周期如表III所示。此外，我们假设仅使用最小尺寸以太网帧，因为工业流量通常具有小有效载荷的特点。

由于任意两个节点之间的路径包含两条链路，PROFINET IO IRT 提供的严格同步在制定有效的节能以太网策略方面显得极为有益。具体而言，可以提前激活参与数据传输的链路。

图5展示了针对IOC需要向所有IODs发送数据的周期，所考虑网络的节能以太网策略示例。周期开始时，链路#1和链路#2均处于激活状态（它们在上一个周期结束时分别由IO控制器和IOD1同时唤醒）。在红/橙阶段开始时，IO控制器向IOD1发送循环数据（如链路#1和链路#2中的“IOD1”提示所示）。

图5），并在阶段即将结束前广播一个时钟帧（在图5中表示为“SYNC”）。显然，所有其他链路必须提前被激活，以确保IO设备能及时接收到该时钟帧。随后，链路#1只需保持激活状态一段时间，以允许IO控制器向其他IO设备发送数据（即绿色阶段）；而链路#2则可在之后立即停用，因为在该周期的剩余时段内没有安排任何通信流量。链路#3、#4和#5在红/橙阶段结束时被激活以接收时钟帧，随后保持在激活状态，仅维持足够完成向各自连接的IO设备进行数据传输所需的最短时间。值得注意的是，链路#4和#5在接收到时钟帧后虽然不再承载任何通信流量，但仍需保持在激活状态，因为从时钟帧到达至其所连接的IO设备接收数据之间的时间间隔不够长，不足以让这些链路进入静默状态。

图6报告了每条链路处于静默状态的时间，以及在未采用节能以太网和采用节能以太网两种情况下计算得到的网络平均功耗。静默状态的时间以周期时间的百分比表示。图6中所有数值均针对100BASE-TX，使用低功耗空闲定时计算得出。

表I中报告的参数以及表II中规定的链路功耗。值得指出的是，在实际应用中，链路需要以足够的安全裕度被激活，以确保在进行数据传输时链路处于激活状态，这会略微减少静默状态的时间，从而降低节能效果。尽管如此，图6证实了采用节能以太网可以在不影响网络性能的情况下实现显著的节能。

转向PROFINET IO RT，我们参考图7所示的更复杂示例，因为该网络通常在大型配置[32]中部署。如图所示，该网络包含一个IO控制器和14个IO设备，采用多级混合（总线/星型）拓扑[31]结构。三个交换机作为星型中心，连接若干条IO设备线路，而IO控制器则通过主干网与这些交换机相连。IO设备线路采用内置双端口交换机的设备实现。图7中的配置类似于工业厂房中的布局，其中单个控制器管理多个生产单元，每个生产单元在此由连接到同一交换机的IO设备表示[33]。

遵循节能以太网（EEE）的通用策略，即仅在实现实际数据传输所需的时段内激活链路，例如在图7中考虑从IO控制器（IOC）到IOD #1A3的传输时，需要激活链路#1、#1A1、#1A2和#1A3。然而，尽管链路#1可以提前激活（因为IO控制器知道传输的调度时间），但其他链路只能由各参与方在接收到待转发的数据后进行激活（具体而言，交换机1激活链路#1A1，IOD #1A1激活链路#1A2，最后IOD #1A2激活链路#1A3）。整个序列引入的激活延迟等于。为了实现最佳能效，

链路#1A3在向IOD #1A3的数据传输结束后，将立即开始逐步返回静默状态。连接到交换机1的线路中的其他链路也将依次执行相同的操作。

一个数值示例可以提供一些进一步的见解。我们假设，与之前的情况一样，仅考虑从IO控制器到IO设备的传输。连接到交换机1的IO设备的周期分别为2毫秒，连接到交换机2的IO设备为4毫秒，连接到交换机3的IO设备为8毫秒。图8 报告了链路#1、#2 和#3 处于静默状态的时间，以各周期的百分比表示，同时给出了整个网络的平均功耗。该计算基于IO控制器同时向所有IO设备进行数据传输的假设。在此情况下，链路#1 不仅需要保持激活状态以发送数据到连接至交换机1 的IO设备所需的时间，还需要保持激活状态以向交换机2 和交换机3 传输数据所需的时间。类似地，链路#2 也需要保持激活状态以向交换机3 传输数据所需的时间。

图8中报告的结果清楚地突显了采用节能以太网所带来的好处。然而，为了清晰起见，值得指出的是，在这种情况下，链路激活延迟可能会导致网络性能下降。尽管如此，如第四节所述，可以设计一种不同的节能以太网策略，使得所有链路提前激活，从而最小化激活延迟的影响。

VI. 节能以太网在以太网POWERLINK中的应用

以太网POWERLINK（EPL）[34]是一种包含在 IEC 61784–2 国际标准通信配置文件13–1中的RTE网络。EPL定义了两种设备类型，即管理节点（MN，执行自动化任务的设备）和受控节点（CNs，被动设备）。EPL配置由一个MN和最多239个受控节点（CNs）组成，并可采用多种拓扑结构。EPL的物理层为100BASE-TX，但由于完全兼容传统以太网，因此可以无缝采用1000BASE-T和10GBASE-T。在数据链路层，EPL使用一种专门开发的协议（EPL数据链路层），该协议构建在以太网MAC协议之上；而在应用层，它采用基于知名CANopen配置文件的协议。EPL数据链路层使用时分多址（TDMA）技术，确保所有站点能够有序地访问网络 [35]。实际上，网络运行基于以固定周期执行的周期

在每个周期开始时，管理节点（MN）广播一个名为周期开始（SoC）的帧，以同步所有受控节点。随后进入等时同步期。在此时间段内，管理节点轮询各受控节点。该操作通过两种特定帧进行，即轮询请求（PReq）和轮询响应（PRes），在为每个受控节点预留的时隙中与各受控节点交换。携带输出数据的PReq帧由管理节点发往某一受控节点，而PRes帧则是被寻址的受控节点的应答，携带输入数据。需要特别指出的是，PReq的传输方式为单播，而PRes帧则采用广播方式发送，以便其携带的数据可供所有受控节点使用。时隙可分为连续时隙或复用时隙。连续时隙表示关联的受控节点在每个周期都被轮询；而复用时隙则分配给那些轮询周期为一个周期整数倍的受控节点。当最后一个受控节点被轮询后，管理节点发送非周期开始（SOA）帧，触发非周期的开始。在此阶段，某个受控节点可发送异步消息，前提是该节点在之前的某个等时同步期内已提出请求。随后进入空闲期，在此阶段网络上无任何活动。例如，图9展示了包含两个受控节点（即受控节点 #n和受控节点#m，均在连续时隙中被轮询）以及另外三个复用受控节点（分别为#i、#j和#k，每两个EPL周期轮询一次）的网络中两个连续EPL周期的示意图。

A. EEE应用到以太网POWERLINK的示例

EPL网络的严格同步允许采用有效的EEE策略，如[11]中所述。我们考虑的网络配置是之前已针对PROFINET IO分析过的配置，如图4和图7所示。然而，我们需要指出的是，我们的分析绝不是对这两种网络的EEE能力进行比较，而 是旨在（希望）提供一些关于将EEE策略应用于不同RTE 网络的有益见解。参考图4和图7，在以太网 POWERLINK的背景下，IO控制器需由管理节点替代，而 IO设备则由受控节点（CNs）取代。此外，由于复用时隙 只能使用EPL周期的整数倍，我们必须将表III中列出的周期限制为两个值，如表IV所总结的那样，表IV列出了 EPL实际使用的周期。此外，对于图7所示的配置，在表 IV中我们指的是交换机而非受控节点（CNs），这意味着

表IV	以太网POWERLINK仿真的周期

指定交换机的周期是指该交换机连接的所有受控节点（CNs）被轮询的周期。

对于图4的配置，设为1 ms。该周期由两个连续时隙和一个复用时隙构成。连续时隙分配给控制节点1和控制节点2，而复用时隙则交替地分配给控制节点3和控制节点4，使得这些受控节点（CNs）以等于的周期进行访问。类似地，对于图7的配置，我们设置为ms。该周期配置了七个连续时隙和四个复用时隙。所有属于交换机1的受控节点（CNs）将被分配到连续时隙中，而复用时隙将在一个周期内供线路2A和线路3B的受控节点（CNs）使用，在下一个周期内则供线路3A的受控节点（CNs）使用。

两个示例中选择的EPL周期时间持续时间值可确保在周期内及时执行所需操作。实际上，假设不存在非周期性流量（这意味着异步阶段仅持续传输SoA帧所需的时长），则最小EPL周期时间定义为执行一个周期内所有操作所需的最短时间，分别对应图4和图7的配置。

图4的配置。(b) 图 7的配置)

图10显示了两种考虑配置的结果。报告了静默状态所占用时间占轮询周期的百分比，以及针对100BASE-TX物理层计算得出的整个网络的平均功耗。该分析基于以下 EPL假设进行：（i）链路方向（发送/接收）相互独立；（ii）所有链路在异步期开始至空闲期结束期间保持静默状态；（iii）所有受控节点（CNs）均接收PRes帧。这要求受控节点（CNs）的接收链路在等时同步期处于激活状态。

图10中报告的结果表明，EPL也能实现显著的节能效果。然而值得注意的是，对于图7的配置，在采用节能以太网（EEE）时，平均功耗的降低幅度小于PROFINET IO RT所达到的效果。这种差异主要是由于受控节点（CNs）的接收链路保持激活状态以确保PRes帧的接收，从而带来了额外的功耗。不过，如果该功能并非必要，可根据EPL标准中的明确说明将其禁用。

VII. 其他RTE网络的EEE

到目前为止讨论的概念以及应用示例可以扩展到其他实时以太网网络。不幸的是，由于篇幅限制，无法进行完整的评估涵盖了所有可用的网络，结果是不可能的。尽管如此，我们还是希望简要讨论另外两种网络，即EtherCAT和EtherNet/IP，因为它们是广泛使用的工业通信系统，具有截然不同的工作原理。

A. EtherCAT

EtherCAT 是包含在 IEC 61784–2 国际标准中的网络，属于通信规范CP12–1和CP12–2。EtherCAT 的行为基于主站‐从站关系。一个由主站周期性发出的帧在所有从站之间循环，并返回到主站本身，形成一种逻辑环形架构。该帧“穿过”各个从站，而不是被实际接收和重新发送。每个被帧穿过的从站即时插入输入数据，同时提取输出数据。这种通常称为“即时处理”的处理方式，能够显著缩短帧传输时间，从而实现极短的周期时间并降低抖动[36]。

所描述的操作原理强烈建议在传输EtherCAT帧时避免进入静默状态。事实上，由于节能以太网时间与EtherCAT帧传输时间相当，甚至更长（至少对于100BASE-TX和1000BASE-T而言），进出静默状态的转换将不可容忍地增加EtherCAT帧传输时间。

然而，作为一种有效的节能以太网策略，所有链路可以在一个EtherCAT帧传输结束到下一个帧传输开始之间的间隔内进入静默状态。该策略要求从站设备实现低功耗闲置客户端堆栈。然而，这一问题需要得到充分解决，因为EtherCAT从站的物理层与通用以太网设备的物理层并不完全兼容。

B. EtherNet/IP

EtherNet/IP 是一种 RTE 网络，代表 IEC 61784–2 国际标准中的通信配置文件 CP2–2。在上层，EtherNet/IP 使用广为人知的通用工业协议（CIP）[37]，而该协议又依赖于传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。底层数据链路层符合 IEEE 802.3 标准，确保与传统以太网完全兼容。EtherNet/IP 有两种版本：第一种版本中，站点之间不进行相互同步；而第二种版本则通过一种称为 CIP 同步的协议实现精确同步，该协议基于 IEEE 1588 分布式时钟系统 [38]。

与第五节中进行的分析进行简单对比后可知，EtherNet/IP 采用节能以太网的方式可类似于 PROFINET IO。具体而言，作为一种通用的节能以太网策略，当两条设备之间路径本身无数据流量时，该路径所包含的链路必须保持在静默状态。一旦出现传输请求（无论是周期性或非周期性），便会触发链路激活过程。

第八节 实时以太网节能指南

前几节提供的示例表明，节能以太网可有效地应用于多种实时以太网网络，采用的策略与所考虑应用的特性（如流量特征和性能要求）密切相关。然而，无法从特定应用的描述出发，通过分析得出通用规则来判断哪些网络适合支持EEE策略以及预期的节能效果。尽管如此，关于此问题仍可提供一些有用的指导原则。

首先，只有在周期性操作的最短周期远大于节能以太网时间开销的情况下，才能对相应链路有效实施EEE策略。由于目前100BASE-TX是实时以太网网络中应用最广泛的物理层，表I中所示的节能以太网时间表明，周期必须达到数百微秒的量级。此外，EEE策略以及可实现的节能效果都与网络拓扑和配置密切相关。例如，在图7中，如果连接到交换机1和交换机3的IO设备的周期互换，则链路#2和#3将需要更长时间保持在激活状态，从而降低可实现的节能效果。因此，建议在网络规划的初期阶段就考虑EEE策略，因为它们对网络结构方面有重大影响。

其次，对于使用配备专用硬件且不完全符合 IEEE 802.3 标准的设备（例如 EtherCAT 和 Sercos III，这两种网络均属于 IEC 61784–2）的 RTE 网络采用节能以太网技术，必须予以仔细考虑，因为这些设备的物理层可能无法提供低功耗闲置客户端堆栈。

最后，非周期性流量可能会降低可实现的节能效果。因此，在设计阶段需要仔细考虑此类流量的实际发生情况。特别是应提前确定报警截止时间，因为此类信息有助于减轻其负面影响。例如，在某些情况下，准确掌握截止时间可以在报警实际发生前将其进行分组处理传输，而不是像[14]中所述的那样在事件发生时立即发送。通过这种方式，可以显著限制因频繁报警传输而在静默和活动状态之间引起的振荡。

IX. 结论

本文对节能以太网在工业网络中的应用所涉及的问题进行了评估。分析首先介绍了 IEEE 802.3az 修正案，随后重点针对实时以太网网络，研究了其如何采用有效的 EEE 策略。具体而言，我们聚焦于一些最流行的实时以太网网络，并为典型的工业配置提供了 EEE 应用的实际示例。分析表明，在保持这些网络所需高性能水平的同时，可以实现显著的节能效果。因此，我们认为在工业通信场景中引入节能以太网是一个具有前景的研究方向。

在此背景下，可以预见若干未来的活动。首先，由于大多数工业设备（特别是传感器和执行器等现场组件）未配备内置的节能以太网功能，因此有必要开始在这些类型的设备上实现IEEE 802.3az协议栈。此外，还需要评估此类组件的实际行为，特别关注应用层采用的协议与IEEE 802.3az之间的接口。

此外，还需设计合适的EEE策略。正如我们所见，这项工作一方面受（可预测的）周期性流量特性的驱动，另一方面必须考虑非周期性数据传输请求可能带来的负面影响。

最后，值得注意的是，节能以太网在实际应用中的结果变得越来越必要。事实上，在工业通信领域，即使与理论估计的行为存在微小差异，也可能对使用网络的工厂/应用的行为产生危险影响。例如，如果某条路径的激活延迟在实践中大于理论预期值，则在该路径上执行的周期性操作的抖动可能会增加。因此，所设计的EEE策略需要通过实际实验进行验证。这样，可以揭示理论模型与实际行为之间不可避免的差异，从而实现对模型本身的精确调优。