EtherCAT 有两种运行模式：直接模式和开放模式。直接模式因其高效的实时性能被广泛使用，而开放模式则允许通过标准交换设备与现有的 IT 基础设施集成，相对而言实时性能没有前者优秀。在本文中，我们将探讨这两种模式，并重点介绍它们的主要特征。
直接模式和开放模式早在 2004 年的第一个 EtherCAT 规范 V1.0 中就已被定义，但今天几乎所有的 EtherCAT 网络仍然使用直接模式。实际上，大多数用户甚至从未听说过开放模式。
目前，相关规范仍可以在名为《ETG.1000.3 EtherCAT 规范第 3 部分——数据链路层服务定义》的文档中找到。

EtherCAT 直接模式

在直接模式下，一个 EtherCAT 段与主站连接，以太网帧中的 MAC 地址字段会被忽略。为了通信，所有 EtherCAT 从站使用 EtherCAT 从站控制器（ESC），而主站使用标准的以太网端口。

直接模式是使用 EtherCAT 设备协议（EDP）的应用程序中的标准模式。这种模式不需要交换机，因为从站通常具有两个或更多端口，这些端口可以实现菊花链路或其他拓扑结构。在直接模式下，主站中的以太网控制器专用于 EtherCAT网络。

直接模式的一个关键优势是“即时处理”原则，这与从站中的极低延迟相结合，使得具有一毫秒及更快周期时间的硬实时测量和控制应用成为可能。由于从站中的硬件处理（由 EtherCAT 从站控制器处理），“传播延迟”在整个网络段中高度一致，且仅受温度波动的轻微影响。每个从站的总延迟最多为一微秒。

Figure 1: EtherCAT Segment in Direct mode

EtherCAT 开放模式（EOM）

虽然直接模式通常因其高效和实时性能被广泛使用，但开放模式提供了更大的灵活性，可以通过标准交换设备与现有的 IT 基础设施集成。在 EtherCAT 开放模式（EOM）中，一个或多个 EtherCAT 段可以连接到标准（现有）的交换设备，如图2所示。当需要将 EtherCAT 网络集成到更大、共享的 IT 环境时，这种模式尤其有用。

要启用 EOM，首先主站必须支持 EOM 并在类似 EC-Engineer 这样的 EtherCAT 配置工具中进行相应的配置。每个段的第一个从站必须提供额外的功能，以便从主站访问 EtherCAT 段。这个第一个从站被称为“段地址设备”的原因。

主站必须支持并配置 EOM。 第一个设备，即“段地址设备”，提供从主站访问 EtherCAT 段的功能。EOM 的一个好处是，段地址设备之后的所有其他从站无需任何修改，就像在 EtherCAT 直接模式中一样工作。 EtherCAT 段中的第一个设备具有表示整个段的 ISO/IEC 8802-3 MAC 地址。这个设备有一个被称为“EOM 端口”的特性。EOM 端口将以太网帧中的目标地址字段替换为源地址字段，并将源地址字段替换为其自身的 MAC 地址。这样，如果帧遵循 EtherCAT 的编码规则，在所有从站处理后将返回到主站。

如果这种帧通过 UDP 传输，EOM 端口将以与 MAC 地址相同的方式处理源和目标 IP 地址以及 UDP 源和目标端口号。这确保了响应帧完全符合 UDP/IP 协议标准。

此外，EOM 端口还保护段内的从站免受主站或通用以太网设备的未经授权访问。EtherCAT 开放模式还使用 EtherCAT 设备协议（EDP）通过交换网络在主站和从站之间进行通信。此外，其他协议（如 TCP/IP）也可以共享相同的 IT 基础设施。

网络建立者在 EtherCAT 开放模式中使用交换网络时需要认真考虑和知悉：开放模式提供了灵活性，使得 EtherCAT 能够与现有的 IT 基础设施集成。然而，由于所有以太网帧共享相同的基础设施，并且交换机通常以“存储转发”方式操作，这导致 EtherCAT 段内的延迟显著增加。这些延迟不一致且无法提前精确计算，这影响了最低可实现的周期时间。可实现的性能在很大程度上取决于具体的 IT 网络，其配置和当前的网络负载。

灵活性与延迟之间的关键权衡：

灵活性：与现有 IT 基础设施集成，允许混合操作。 延迟：由于共享基础设施和“存储转发”交换，导致更高且不一致的延迟。 周期时间影响：最低可实现的周期时间受网络配置和负载影响。

Figure 2: EtherCAT Segments in Open mode

EtherCAT 开放模式：通信类型

在 EOM 网络段中，通信类型可以设置为“RAW”或“UDP”。在同一个 IT 基础设施内，可以进行不同网络段的混合操作。

RAW： 这种通信类型通常适用于需要最小处理开销和最高性能的应用。RAW 通信直接利用以太网帧而无需额外封装，从而降低延迟。

UDP： 当需要与基于 IP 的网络兼容时，选择这种通信类型。通过在 UDP/IP 内封装 EtherCAT 帧，网络可以利用现有的 IP 路由和基础设施，提供更大的灵活性，但代价是更高的延迟。

通信类型：RAW

在 RAW 通信类型中，使用了 VLAN 标签。发送帧的目标 MAC 地址对应于 EtherCAT 段地址，并由段地址设备的 EOM 端口验证。一旦确认，帧将被路由到从站。
源 MAC 地址由主站的网络卡分配。EOM 端口然后交换源和目标地址，确保处理后的帧返回到主站。

Outgoing frame: MainDevice to SubDevices

Incoming Frame: SubDevices to MainDevice

通信类型：UDP

在 UDP 通信类型中，EtherCAT 帧被嵌入到 UDP/IP 帧中。在这种情况下，使用 IP 的 EtherType (0x0800)，目标端口号通常为 0x88A4，这是由互联网分配号码管理局（IANA）分配的。这种帧的最大长度为 1,518 字节。

MAC 地址（目标和源）的处理与 RAW 通信类似，并相应地设置 IP 地址。在发送帧中，源字段包含主站的地址，而目标字段包含段地址设备（EOM 端口）的地址。对于接收帧，这些地址被交换，以确保正确路由回主站。

发送帧：主站到从站

接收帧：从站到主站

总结

EtherCAT 提供了两种运行模式：直接模式和开放模式，它们根据应用需求服务于不同的目的。直接模式效率高，提供最小的延迟和实时性能，非常适合需要快速响应时间的控制应用。而开放模式通过允许与标准 IT 基础设施集成，提供了更大的灵活性。根据实际需求和应用场景，可以选择最适合当前场景的模式。

Beckhoff^®, EtherCAT^®, are registered trademarks of Beckhoff Automation GmbH.

Summary

In conclusion, EtherCAT provides two modes of operation: Direct mode and Open mode, each serving different purposes based on application requirements. Direct mode is highly efficient, offering minimal latency and real-time performance, which is ideal for control applications that demand quick response times. On the other hand, Open mode provides greater flexibility by allowing integration with standard IT infrastructure, though this comes at the cost of increased and variable latency. Understanding the trade-offs between performance and flexibility is key to selecting the appropriate mode for your application.