㈠ OSI網路模型
OSI七層模型和TCP/IP五層模型
一、OSI參考模型
1、OSI的來源
OSI（Open System Interconnect），即開放式系統互聯。 一般都叫OSI參考模型，是ISO（國際標准化組織）組織在1985年研究的網路互連 模型。
ISO為了更好的使網路應用更為普及，推出了OSI參考模型。其含義就是推薦所有公司使用這個規范來控制網路。這樣所有公司都有相同的規范，就能互聯了。
2、OSI七層模型的劃分
OSI定義了網路互連的七層框架（物理層、數據鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層、應用層），即ISO開放互連系統參考模型 。如下圖。
每一層實現各自的功能和協議，並完成與相鄰層的介面通信。OSI的服務定義詳細說明了各層所提供的服務。某一層的服務就是該層及其下各層的一種能力，它通過介面提供給更高一層。各層所提供的服務與這些服務是怎麼實現的無關。
3、各層功能定義
這里我們只對OSI各層進行功能上的大概闡述，不詳細深究，因為每一層實際都是一個復雜的層。後面我也會根據個人方向展開部分層的深入學習。這里我們就大概了解一下。我們從最頂層——應用層 開始介紹。整個過程以公司A和公司B的一次商業報價單發送為例子進行講解。
<1> 應用層
OSI參考模型中最靠近用戶的一層，是為計算機用戶提供應用介面，也為用戶直接提供各種網路服務。我們常見應用層的網路服務協議有：HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP等。
實際公司A的老闆就是我們所述的用戶，而他要發送的商業報價單，就是應用層提供的一種網路服務，當然，老闆也可以選擇其他服務，比如說，發一份商業合同，發一份詢價單，等等。
<2> 表示層
表示層提供各種用於應用層數據的編碼和轉換功能,確保一個系統的應用層發送的數據能被另一個系統的應用層識別。如果必要，該層可提供一種標准表示形式，用於將計算機內部的多種數據 格式轉換成通信 中採用的標准表示形式。數據壓縮和加密也是表示層可提供的轉換功能之一。
由於公司A和公司B是不同國家的公司，他們之間的商定統一用英語作為交流的語言，所以此時表示層（公司的文秘），就是將應用層的傳遞信息轉翻譯成英語。同時為了防止別的公司看到，公司A的人也會對這份報價單做一些加密的處理。這就是表示的作用，將應用層的數據轉換翻譯等。
<3> 會話層
會話層就是負責建立、管理和終止表示層實體之間的通信會話。該層的通信由不同設備中的應用程序之間的服務請求和響應組成。
會話層的同事拿到表示層的同事轉換後資料，（會話層的同事類似公司的外聯部），會話層的同事那裡可能會掌握本公司與其他好多公司的聯系方式，這里公司就是實際傳遞過程中的實體。他們要管理本公司與外界好多公司的聯系會話。當接收到表示層的數據後，會話層將會建立並記錄本次會話，他首先要找到公司B的地址信息，然後將整份資料放進信封，並寫上地址和聯系方式。准備將資料寄出。等到確定公司B接收到此份報價單後，此次會話就算結束了，外聯部的同事就會終止此次會話。
<4> 傳輸層
傳輸層建立了主機端到端的鏈接，傳輸層的作用是為上層協議提供端到端的可靠和透明的數據傳輸服務，包括處理差錯控制和流量控制等問題。該層向高層屏蔽了下層數據通信的細節，使高層用戶看到的只是在兩個傳輸實體間的一條主機到主機的、可由用戶控制和設定的、可靠的數據通路 。我們通常說的，TCP UDP就是在這一層。埠號既是這里的「端」。
傳輸層就相當於公司中的負責快遞郵件收發的人，公司自己的投遞員，他們負責將上一層的要寄出的資料投遞到快遞公司或郵局。
<5> 網路層
本層通過IP定址來建立兩個節點之間的連接，為源端的運輸層送來的分組，選擇合適的路由和交換節點，正確無誤地按照地址傳送給目的端的運輸層。就是通常說的IP層。這一層就是我們經常說的IP協議層。IP協議是Internet的基礎。
網路層就相當於快遞公司龐大的快遞網路，全國不同的集散中心，比如說，從深圳發往北京的順豐快遞（陸運為例啊，空運好像直接就飛到北京了），首先要到順豐的深圳集散中心，從深圳集散中心再送到武漢集散中心，從武漢集散中心再寄到北京順義集散中心。這個每個集散中心，就相當於網路中的一個IP節點。
<6> 數據鏈路層
將比特組合成位元組,再將位元組組合成幀,使用鏈路層地址 (乙太網使用MAC地址)來訪問介質,並進行差錯檢測。
數據鏈路層又分為2個子層：邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC）。
MAC子層處理CSMA/CD演算法、數據出錯校驗、成幀等；LLC子層定義了一些欄位使上次協議能共享數據鏈路層。 在實際使用中，LLC子層並非必需的。
這個沒找到合適的例子
<7> 物理層
實際最終信號的傳輸是通過物理層實現的。通過物理介質傳輸比特流。規定了電平、速度和電纜針腳。常用設備有（各種物理設備）集線器、中繼器、數據機、網線、雙絞線、同軸電纜。這些都是物理層的傳輸介質。
快遞寄送過程中的交通工具，就相當於我們的物理層，例如汽車，火車，飛機，船。
4、通信特點：對等通信
對等通信，為了使數據分組從源傳送到目的地，源端OSI模型的每一層都必須與目的端的對等層進行通信，這種通信方式稱為對等層通信。在每一層通信過程中，使用本層自己協議進行通信。
二、TCP/IP五層模型
TCP/IP五層協議和OSI的七層協議對應關系如下。
在每一層都工作著不同的設備，比如我們常用的交換機就工作在數據鏈路層的，一般的路由器是工作在網路層的。
在每一層實現的協議也各不同，即每一層的服務也不同.下圖列出了每層主要的協議。其中每層中具體的協議，我會在後面的逐一學習。
參考文獻：
https://blog.csdn.net/wdkirchhoff/article/details/43915825
㈡ 28 張圖詳解網路基礎知識：OSI、TCP/IP 參考模型（含動態圖）
目錄
1、網路協議
其實協議在我們生活中也能找到相應的影子。
舉個例子，有 2 個男生准備追求同一個妹子，妹子來自河南，講河南話，還會點普通話；一個男生來自胡建，講閩南語，也會點普通話；另一個男生來自廣東，只講粵語；
協議一致，溝通自如
語言不通，無法溝通
你們猜猜？最後誰牽手成功了？答案肯定是來自胡建的那位，雙方可以通過 普通話 進行溝通，表達內容都能理解。而來自廣東的帥哥只會講粵語，不會普通話，妹子表示聽不懂，就無法進行溝通下了。
每個人的成長環境不同，所講的語言、認知、理解能力也就不同。為了使來自五湖四海的朋友能溝通自如，就需要大家協商，認識某一個語言或規則，彼此能互相理解，這個語言就是普通話。
通過這個例子，大家可以這樣理解：
把普通話比作「協議」、把聊天比作「通信」，把說話的內容比作「數據」。
相信這樣類比，大家就知道，協議是什麼了？
簡單地說，就是程序員指定一些標准，使不同的通信設備能彼此正確理解、正確解析通信的內容。我們都知道計算機世界裡是二進制，要麼 1，要麼 0，那為啥可以表達豐富多彩的內容呢？
也是因為協議，不同欄位，不同組合，可以解析不同意思，這就依然協議，讓協議來正確處理。
例如，我們使用手機連 WiFi 來刷抖音，使用的是 802.11（WLAN）協議，通過這個協議接入網路。如果你所連的 WIFI 是不需要手動設置 IP 地址，是通過自動獲取的，就使用到了 DHCP 協議，這樣你的手機算上接入了 區域網， 如果你區域網內有台 NAS 伺服器，存放了某些不可描述的視頻資源，你就可以訪問觀看了，但這時你可能無法訪問互聯網資源，例如，你還想刷會抖音，看看妹子扭一扭，結果出現如下畫面：
出現這種畫面，說明無法使用 互聯網， 可能是無線路由器沒有設置好相關協議，比如： NAT、PPPoE 協議（上網賬號或密碼設置錯誤了），只有設置正確了，就可以通過運營商（ISP）提供的線路把區域網接入到互聯網中，實現手機可以訪問互聯網上的資源（伺服器）。玩微信撩妹子、刷抖音看妹子。
網路協議示意圖
延伸閱讀
1、區域網：最顯著的特點就是范圍有限，行政可控的區域可以是一所高校、一個餐廳、一個園區、一棟辦公樓或一個家庭的私有網路。
2、城域網：原本是介意區域網和廣域網之間，實際工作中很少再刻意去區分城域網和廣域網了，所以這邊不再介紹。
3、廣域網：簡單說就是負責把多個區域網連接起來，它的傳輸距離長距離傳輸，廣域網的搭建一般是由運營商來。
4、互聯網：把全世界上提供資源共享的 IT 設備所在網路連接起來，接入了互聯網就可以隨時隨地訪問這些資源了。
5、物聯網：把所有具有聯網功能的物體都接入互聯網就形成了物聯網。如空調聯網，就可以遠程式控制制空調； 汽車 聯網，就可以遠程獲取行程數據。
總結一下吧！我們可以把電腦、手機等 IT 設備比喻做來自五湖四海的人們，大家都通過多種語言（網路協議）實現溝通（通信）。所有人要一起交流，就用普通話，大家都能理解。所有胡建人在一起，就用閩南語進行溝通，彼此也能理解。這么的方言，就好比計算機網路世界裡也有這么多協議，只是不同協議用在不同地方。
好奇的同學，可能就會問，那網路協議是由誰來規定呢？這就需要提到一個組織，ISO。這個組織制定了一個國際標准 ，叫做 OSI 參考模型，如下，很多廠商都會參考這個制定網路協議。
OSI 參考模型圖
2、OSI 參考模型
既然是模型，就好比模範一樣，大家都要向它學習，以它為原型，展開學習研究。前面我們也提到了一些協議，這么多協議如果不進行歸納，分層，大家學習起來是不是感覺很凌亂？
所以 OSI 參考模型就是將這樣復雜的協議整理並進行分層，分為易於理解的 7 層，並定義每一層的 服務 內容，協議的具體內容是 規則 。上下層之間通過 介面 進行交互，同一層之間通過 協議 進行交互。相信很多網路工程師在今後工作中遇到問題，討論協議問題還會用到這個模型展開討論。所以說，對於計算機網路初學者來說，學習了解 OSI 參考模型就是通往成功的第一步。
OSI 參考模型分層功能
7.應用層
為應用程序提供服務並規定應用程序中通信相關的細節，OSI 的最高層。包括文件傳輸、Email、遠程登錄等協議。程序員接觸這一層比較多。
應用層示例圖
6.表示層
主要負責數據格式的轉換，為上下層能夠處理的格式。如編碼、加密、解密等。
表示層示例圖
5.會話層
即負責建立、管理和終止通信連接（數據流動的邏輯通路），數據分片、重組等傳輸的管理。
會話層示例圖
4.傳輸層
保證可靠傳輸，不需要再路由器上處理，只需再通信雙方節點上進行處理，如處理差錯控制和流量控制。
傳輸層示例圖
3.網路層
主要負責定址和路由選擇，將數據包傳輸到目的地。
網路層示例圖
2.數據鏈路層
負責物理層面上互連、節點之間的通信傳輸，將0 、 1 序列比特流劃分為具有意義的數據幀傳輸給對端。這一層有點類似網路層，網路層也是基於目的地址來傳輸，不同是：網路層是將數據包負責在整個網路轉發，而數據鏈路層僅是在網段內轉發，所以大家抓包會發現，源目 MAC 地址每經過一個二層網段，都會變化。
數據鏈路層示例圖
1.物理層
負責 0、1 比特流（0、1 序列）與電壓高低電平、光的閃滅之間的互相轉換，為數據鏈路層提供物理連接。
物理層示例圖
OSI 為啥最後沒有得到運用呢？其實最主要的原因，是 OSI 模型出現的比 tcp/ip 出現的時間晚，在 OSI 開始使用前，TCP/IP 已經被廣泛的應用了。如果要換成 OSI 模型也不太現實。其次是 OSI 是專家們討論，最後形成的，由於沒有實踐，導致該協議實現起來很復雜，很多廠商不願意用 OSI，與此相比，TCP/IP 協議比較簡單，實現起來也比較容易，它是從公司中產生的，更符合市場的要求。綜合各種因素，最終 OSI 沒有被廣泛的應用。
下面我們來看看 TCP/IP 與 OSI 分層之間的對應關系及相應的協議：
4.應用層
從上圖，可以知道 TCP/IP 四層模型，把應用層、表示層、會話層集成再一起了，該層的協議有：HTTP 、 POP3 、 TELNET 、 SSH 、 FTP 、 SNMP 等。
目前，大部分基於 TCP/IP 的應用都是 客戶端/服務端 架構。一般我們把提供資源服務的那一側叫服務端， 發起訪問服務資源的這一側叫客戶端。
應用層
3.傳輸層
主要職責就是負責兩端節點間的應用程序互相通信，每個節點上可能有很多應用程序，例如，登錄了微信，又打開了網頁，又打開迅雷看看，那數據到達後怎麼正確傳送到相應的應用程序呢？那就需要 埠號 來正確識別了。傳輸層中最為常見的兩個協議分別是傳輸控制協議 TCP （Transmission Control Protocol）和用戶數據報協議 UDP （User Datagram Protocol）
面向連接 顧名思義，就是建立連接，什麼時候建立連接呢？就是在通信之前需要先建立一條邏輯的通信鏈路。就跟我們平時打電話一樣，得先撥通，通了之後即鏈路建立好了，這條鏈路只有你和對方可以在這條鏈路傳播說話內容。掛電話後，這條鏈路也就斷開了。
面向無連接 無連接，即通信之前不需要建立連接，直接發送即可。跟我們以前寫信很像，不需要管對方在不在？直接寫信寄過去就可以了。
面向連接傳輸
面向無連 接傳輸
2.網路層
主要職責就是將數據包從源地址發送到目的地址。
在網路傳輸中，每個節點會根據數據的 IP 地址信息，來判斷該數據包應該由哪個介面（網卡）發送出去。各個地址會參考一個發出介面列表， MAC 定址中所參考的這張表叫做 MAC 地址轉發表 ，而 IP 定址中所參考的叫做 路由表 。MAC 地址轉發表根據自學自動生成。路由控製表則根據路由協議自動生成。MAC 地址轉發表中所記錄的是實際的 MAC 地址本身，而路由表中記錄的 IP 地址則是集中了之後的網路號（即網路號與子網掩碼）。
1.網路介面層
在 TCP/IP 把物理層和數據鏈路層集成為 網路介面層 。主要任務是將上層的數據封裝成幀發送到網路上，數據幀通過網路到達對端，對端收到後對數據幀解封，並檢查幀中包含的 MAC 地址。如果該地址就是本機的 MAC 地址或者是廣播地址，則上傳到網路層，否則丟棄該幀。
封裝與解封裝
所謂的封裝，其實就跟你寄快遞的時候，給物品加上紙盒包裝起來或者快件到站點，快遞員貼一層標簽的過程。在網路上，就是上層的數據往下送的時候，下層會添加頭部，不過，只有在二層，不僅會加上頭部，還會在上層數據尾部添加 FCS。
封裝
所謂解封裝，就如同你收到快件一樣，一層一層地拆外包裝，直到看到快件。網路也是，一層一層地拆掉頭部，往上層傳送，直到看到數據內容。
解封裝
我們把應用層的數據封裝傳輸層頭部後的報文，稱為 段 ；
把段封裝網路層頭部後的報文，稱為 包 ；
把包封裝乙太網頭部和幀尾，稱為 幀 。
㈢ 怎麼設置網口為ethercat
EtherCAT是什麼
EtherCAT==Ethernet for Control Automation Technology==用於控制自動化技術的乙太網
EtherCAT是一個開放架構，以乙太網為基礎的現場匯流排系統。常被稱為實時乙太網，開放的實時乙太網。
EtherCAT是確定性的工業乙太網，最早是由德國的Beckhoff公司所研發。
EtherCAT主要用於實現自動化的超高速通訊
EtherCAT簡評
Beckhoff 基於乙太網現場匯流排系統的 EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技術具有性能優異、 拓撲結構靈活和系統配置簡單等特點。
EtherCAT 突破了傳統現場匯流排系統的限制，為現場匯流排技術領域樹立了新的性能標准：30 µs 內可以更新1000 個 I/O，利用乙太網和網際網路技術實現垂直優化集成，網路容量幾乎無限。
使用 EtherCAT 後，可以用簡單的線型拓撲結構替代昂貴的星型乙太網拓撲結構，無需昂貴的基礎組件。EtherCAT 還可以使用傳統的交換機連接方式，以集成其它的乙太網設備。
其它的實時乙太網方案需要專用的主站硬體或掃描卡，而EtherCAT 只需要價格低廉的標准乙太網卡便可實現。
EtherCAT 擁有傑出的通訊性能，接線非常簡單，並對其它協議開放。傳統的現場匯流排系統已達到了極限，而EtherCAT則突破建立了新的技術標准——30 µs內可以更新1000個I/O數據，可選擇雙絞線或光纖，並利用乙太網和網際網路技術實現垂直優化集成。使用 EtherCAT，可以用簡單的線型拓撲結構替代昂貴的星型乙太網拓撲結構，無需昂貴的基礎組件。EtherCAT還可以使用傳統的交換機連接方式，以集 成其它的乙太網設備。其它的實時乙太網方案需要與控制器進行特殊連接，而EtherCAT只需要價格低廉的標准乙太網卡(NIC) 便可實現。
EtherCAT擁有多種機制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通訊。
它實現了安全功能，採用技術可行且經濟實用的 方法，使乙太網技術可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優越，可以完全兼容乙太網，可將網際網路技術嵌入到簡單設備中，並最大化地利用了乙太網所 提供的巨大帶寬，是一種實時性能優越且成本低廉的網路技術。
EtherCAT出現背景+協議原理+設備行規
詳見：
【整理】EtherCAT出現背景+協議原理+設備行規
EtherCAT特點
特點簡述：
技術亮點
– 乙太網直達端子模塊 — 具有完全連續性
– 乙太網過程介面可從1 位擴展到64 kB
– 首款真正的、用於現場層的乙太網解決方案
– 精確計時，適合時間同步
性能
– 12 μs 內處理256 個數字量I/O
– 30 μs 內處理1000 個數字量I/O
– 50 μs 內處理200 個模擬量I/O（16 位），采樣率為20 kHz
– 每100 μs 處理100 個伺服軸
– 350 μs 內處理12,000 個數字量I/O
拓撲結構
– 匯流排型、樹型或星型拓撲結構
– 一個系統內最多可容納65,535 台設備
– 系統規模：近乎無限（> 500 km）
– 有無交換機均可運行
– 經濟高效的電纜敷設：工業乙太網電纜（CAT 5）
– 雙絞線電纜物理層：
– Ethernet 100 BASE-TX，兩個設備之間最大距離為100 m
– 或者：兩個從站之間光纜的最大距離為20 km
– 支持匯流排網段的熱插拔
地址空間
– 整個網路范圍內的過程映像：4 Gbyte
– 設備過程映像：1 位至64 kbyte
– 地址分配：可自由配置
– 設備地址選擇：通過軟體自動進行
成本優勢
– 無需再進行網路調整：降低工程成本
– 帶軟體主站的硬實時功能：無需插卡
– 無需主動基礎架構組件（交換機等）
– EtherCAT 所使用的乙太網電纜和連接器低於傳統的現場總 線所使用的電纜和連接器
– EtherCAT 直達I/O 端子模塊：無需復雜的匯流排耦合器
– 高度集成了EtherCAT 從站控制器，因此介面成本較低
協議
– 直接內置於乙太網幀內的優化協議
– 完全由硬體實現
– 用於路由和介面：UDP 數據報文
– 在傳遞時處理
– 用於精確同步的分布式時鍾
– 時間戳數據類型，用於納秒范圍內的解析度
– 用於高解析度測量的過采樣數據類型
診斷
– 斷點檢測
– 連續的「線路質量」測量能夠精確定位傳輸故障
– Topology View
介面
– 用於標准乙太網設備的交換機端子模塊
– 用於現場匯流排設備的現場匯流排端子模塊
– 分布式串列介面
– 通訊網關
– 連接至其它EtherCAT 系統的網關
開放性
– 與乙太網完全兼容
– 可以通過交換機和路由器運行
– 可以與其它協議混合運行
– 互聯網技術（Web 伺服器、FTP 等）
– 可與現有的匯流排端子模塊系列兼容
– 協議完全公開
– EtherCAT 符合IEC、ISO 和SEMI 標准
EtherCAT 技術協會
– 擁有眾多會員公司的國際化聯盟組織
– 成員包括用戶和製造廠商
– 為技術開發提供支持
– 保障互操作性
– 設備行規的集成和制定
現在詳細解釋其特點：
EtherCAT協議處理完全在硬體中進行
協議ASIC 可靈活配置。過程介面可從1 位擴展到64 kbyte。
詳見：
所以使得乙太網可以直達端子模塊：
符合IEEE 802.3 標準的乙太網協議無需附加任何匯流排即可訪問各個設備。耦合設備中的物理層由100BASE-TX 或–FX 轉換為E-bus，以滿足電子端子排等模塊化設備的需求。端子排內的E-bus 信號類型（LVDS）並不是專用的，它還可用於 10 Gbit 乙太網。在端子排末端，物理匯流排特性被轉換回100BASE-TX 標准。
主板集成的乙太網MAC 足以作為主站設備中的硬體使用。DMA（直接存儲器存取）用於將數據傳輸到主內存，解除了 CPU 存取網路數據的負擔。Beckhoff 的多埠插卡中運用了相同的原理，它在 一個PCI 插槽中最多捆綁了4 個乙太網 通道。
EtherCAT的性能
EtherCAT 使網路性能達到了一個新境界。
1000 個I/O 的更新時間只需30 µs，其中還包括I/O 周期時間。單個乙太網幀最多可進行1486 位元組的過程數據交換，幾乎相當於12000 個數字輸入和輸出，而傳送這些數據耗時僅為300 µs。
與100 個伺服軸的通訊每100 µs 執行一次。可在這一周期時間內更新帶有命令值和控制數據的所有軸的實際位置及狀態，分布式時鍾技術使軸的同步偏差小於1 微秒。
超高性能的EtherCAT 技術可以實現傳統的現場匯流排系統無法迄及的控制理念。
這樣，通過匯流排也可以形成超高速控制迴路。以前需要本地專用硬體支持的功能現在可在軟體中加以映射。巨大的帶寬資源使得狀態數據能夠與任何數據並行傳輸。EtherCAT 使通訊技術和現代工業PC 所具有的超強計算能力相適應，匯流排系統不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O 可能比大多數本地I/O 介面運行速度更快。
這種網路性能優勢在具有相對中等運算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT周期時間如此之短，使得它可以在兩個控制周期之間完成。因此，控制器總是能夠獲取最新的輸入數據；輸出以最小的延遲定址。無需增強本身的運算能力，控制器的響應行為就能夠得到顯著改善。
藉助於從站硬體集成和網路控制器主站的直接內存存取，整個協議的處理過程都在硬體中得以實現，因此， 完全獨立於協議堆棧的實時運行系統、CPU 性能或軟體實現方式。
1000個I/O的更新時間只需30 µs，其中還包括I/O周期時間。
單個乙太網幀最多可進行1486位元組的過程數據交換，幾乎相當於12000個數字輸入和輸出，而傳送這些數 據耗時僅為300 µs。
100個伺服軸的通訊也非常快速：可在每100µs中更新帶有命令值和控制數據的所有軸的實際位置及狀態，分布時鍾技術使軸的同步偏差小於1微秒。而即使是在保證這種性能的情況下，帶寬仍足以實現非同步通訊，如TCP/IP、下載參數或上載診斷數據。
超高性能的EtherCAT技術可以實現傳統的現場匯流排系統無法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術和現代工業PC所具有的超強計算能力相適應，匯流排系統不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數本地I/O介面運行速度更快。EtherCAT技術原理具有可塑性，並不束縛於100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴展為1000 M bps的乙太網。
簡言之：
EtherCAT的周期時間短，是因從站的微處理器不需處理乙太網的封包。所有程序資料都是由從站控制器的硬體來處理。此特性再配合EtherCAT的機能原理，使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統：包含一千個分散式數位輸入/輸出的程序資料交換只需30us，相當於在100Mbit/s的乙太網傳輸125個位元組的資料。讀寫一百個伺服軸的系統可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率約為1–30 kHz，但也可以使用較低的更新速率，以避免太頻繁的直接內存存取影響主站個人電腦的運作。
EtherCAT的拓撲
匯流排形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎任何類型的拓撲結構。
因此，由於現場匯流排而得名的匯流排結構或線型結構也 可用於乙太網，並且不受限於級聯交換機或集線器的數量。
最有效的系統連線方法是對線型、分支或樹叉結構進行拓撲組合。因為所需介面在I/O 模塊等很多設備中都已存在，所以無需附加交換機。
當然，仍然可以使用傳統的、基於乙太網 的星型拓撲結構。
還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、經濟的標准超五類乙太網電纜可採用100BASE-TX 模式傳送信號， 兩台設備之間的最大電纜長度為100 m。
還可通過交換機或介質轉換器實現不同 乙太網連線（如不同的光纖和銅電纜） 的完整組合。
信號變數可以根據每個電纜間距單獨選 擇。由於連接的設備數量可高達65535， 因此，網路的容量幾乎沒有限制。
簡言之：
EtherCAT使用全雙工的乙太網實體層，從站可能有二個或二個以上的埠。若設備沒偵測到其下游有其他設備，從站的控制器會自動關閉對應的埠並回傳乙太網幀。由於上述的特性，EtherCAT幾乎支援所有的網路拓撲，包括匯流排式、樹狀或是星狀，現場匯流排常用的匯流排式拓撲也可以用在乙太網中。
EtherCAT的拓撲可以用網路線、分枝或是短線（stub）作任意的組合。有三個或三個以上乙太網介面的設備就可以當作分接器，不一定一定要用網路交換器。 由於使用100BASE-TX的乙太網物理層，二個設備之間的距離可以到100米，一個EtherCAT區段的網路最多可以有65535個設備。若EtherCAT網路是使用環狀拓撲（主站設備需要有二個通訊埠），則此網路還有纜線冗餘的機能。
EtherCAT的速度
EtherCAT 技術原理具有可塑性，並不束縛於100 Mbaud的通訊速率，甚至有可能擴展為Gbit 的乙太網。
EtherCAT 取代PCI
隨著PC 組件逐漸向小型化方向發展，工業PC的體積也日趨取決於插槽的數目。 而高速乙太網的帶寬和EtherCAT 通訊硬體的過程數據長度則為該領域的發展提 供了新的可能性：工業PC 中的傳統介面現在可以轉變為集成的EtherCAT介面端子模塊。
除了可以對分布式I/O 進行編址，還可以對驅動和控制單元以及現場匯流排主站、快速串列介面、網關和其它通訊介面等復合系統進行編址。即使是其它無協議限制的乙太網設備變體，也可以通過分布式交換機埠設備進行連接。由於一個乙太網介面足以滿足整個外圍設備的通訊。
因此，這不僅極大地精簡了工業PC 主機的體積和外觀，而且也降低了工業PC 主機的成本。
EtherCAT的分布式時鍾
精確同步對於同時動作的分布過程而言尤為重要，例如，幾個伺服軸在同時執行協調運動時便是如此。 最有效的同步方法是精確排列分布時鍾。
與完全同步通訊中通訊出現故障會立刻影響同步品質的情況相反，分布排列的時鍾對於通訊系統中可能存在的相關故障延遲具有極好的容錯性。採用EtherCAT 後，數據交換就完全基於純硬體機制。由於通訊採用了邏輯（藉助於全雙工快速乙太網的物理層）環網結構， 主站時鍾可以簡單、精確地確定各個從站時鍾傳播的延遲偏移，反之亦然。分布式時鍾基於該值進行調整，這意味著可以在網路范圍內使用非常精確的、信號抖動小於1 微秒的、確定性的同步誤差時間基。
而跨接工廠等外部同步則可以基於IEEE 1588 標准。詳情請參閱：【整理】工業自動化規范之時間同步：IEEE 1588
此外，高解析度的分布式時鍾不僅可以用於同步，還可以提供數據採集的本地時間精確信息。當采樣時間非常短暫時，即使是出現一個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導致速度計算出現較大的階躍變化，例如，運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時間戳數據類型作為一個邏輯擴展，乙太網所提供的巨大帶寬使得高解析度的系統時間得以與測量值進行鏈接。這樣，速度的精確計算就不再受到通訊系統的同步誤差值影響，其精度要高於 基於自由同步誤差的通訊測量技術。
由於採用了新的擴展數據類型，因此，可以給被測量值分配非常精確的時間戳。
同步性與一致性：相距電纜長度為有120米的兩個分布系統，帶有300個節點的示波器比較：
為了系統的同步，EtherCAT協定中有提供分散式時鍾機制，即使通訊循環周期有抖動，時鍾的抖動遠小於1µs，大約接近IEEE 1588精密時間協議的標准。因此EtherCAT的主站設備不需針對時鍾使用特殊的硬體，可以用軟體實現在任何標準的的乙太網MAC，即使沒有特殊的通訊協處理器也沒有關系。
標准建立分散式時鍾的程序是由主站送出一特定位址的廣播訊息給所有從站來啟動。若使用環狀拓撲，所有從站會在收到訊息時閂鎖內 部時鍾，當訊息回來時會再閂鎖內部時鍾一次。主站會讀所有從站閂鎖的值，計算各個從站的延遲。為了消除抖動的影響及求得平均值，主站會盡可能的多次進行上 述的程序。所有的從站延遲會依各從站在從站環狀拓撲的位置來計算，並記錄在一個偏移寄存器中。最後主站送出一個讀寫系統時鍾的廣播訊息，會使第一個從站的 時鍾為參考時鍾，其他從站的內部時鍾會調整到和第一個從站相同。
為了在初始化後保持時鍾的同步，主站或從站需定期的再送出廣播訊號，以計算各個從站內部時鍾的速度差異，若有需要時，從站需要可以調整自身時鍾的速度，或是有其他調整時鍾的機制。
系統時鍾是一個64位元的計時器，計數內容是從2000年1月1日0點0分開始所經過的時間，單位是奈秒（ns）。
【感悟】
EtherCAT中提到的分布時鍾，同步時鍾，就相當於：
兩個人（或多個人）拿著手錶在一起，先：對點
確保各自的時間，是一致的。
這樣，在後續的某個約定的時間，一起做某事，才能確保是同步去做的。
否則就會有時間的誤差，就會影響辦事。
EtherCAT支持熱連接
許多應用都需要在運行過程中改變I/O組態。例如，需求不斷變化的加工中心、 裝備感測器的刀具系統或智能化的傳輸 系統、靈活的工件執行機構或可單獨關 閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT 系統的 協議結構中已經考慮到了這些需求：熱 連接功能可以將網路的各個部分連在一起或斷開，或「飛速」進行重新組態， 針對不斷變化的組態提供靈活的響應能 力。
EtherCAT的高可靠性
選擇冗餘電纜可以滿足快速增長的系統可靠性需求，以保證設備更換時不會導致網路癱瘓。EtherCAT也支持熱備份的主站冗餘。您可以很經濟地增加冗餘特性，僅需在主站設備端增加使用一個標準的乙太網埠（無需專用網卡或介面），並將單一的電纜從匯流排型拓撲結構轉變為環型拓撲結構即可。
當設備或電纜發生故障時，也僅需一個周期即可 完成切換。因此，即使是針對運動控制要求的應用，電纜出現故障時也不會有任何問題。EtherCAT也支持熱備份的主站冗餘。由於在環路中斷時 EtherCAT從站控制器晶元將立刻自動返回數據幀，一個設備的失敗不會導致整個網路的癱瘓。例如，拖鏈設備可以配置為分支拓撲以防線纜斷開。
EtherCAT的安全性：Safety over EtherCAT
EtherCAT有一個加強的協定版本，稱為Safety over EtherCAT，可以在同一個網路上進行安全相關的通訊和一般的控制通訊。此安全通訊是以EtherCAT的應用層為基礎，不會影響底層的通訊協定。Safety over EtherCAT有通過IEC 61508的認證，符合安全完整性等級（SIL）3的要求。
為了實現EtherCAT 安全數據通訊，我們開放了Safety over EtherCAT 協議，EtherCAT安全通信協議已經在ETG組織內部公開。該協議已經由德國技術監督局（TÜV）鑒定為符合IEC61508 定義的SIL3 等級要求。 設備上實施EtherCAT安全協議必須滿足安全目標的需求。相應的產品相關要求也必須考慮進來。
EtherCAT被用作傳輸安全和非安全數據的單一通道。傳輸介質被認為是「黑色通道」而不被包括在安全協議中。
EtherCAT過程數據中的安全數據報文包括安全過程數據和所要求的數據備份。這個「容器」在設備的應用層被安全地解析。通信仍然是單一通道的。這符合IEC61784-3附件中的模型A。因此，該安全協議也可通過其它通訊系統、背板或WLAN 傳輸。傳輸周期可根據要求縮短，不會影響殘留誤差率。Safety over EtherCAT 主站和從站之間的安全數據循環交換被稱作為由看門狗定時 器監控的連接。一個主站能建立並監控多個不同從站的連接。
上圖中的應用示例受益於這種技術。
安全元件在自動化系統中所需要的任意地方都可以使用。系統中可以使用不同規模的本地輸入和輸出元件。可以根據需求使用安全或非安全匯流排端子擴展額外的輸入和輸出。安全邏輯也嵌入到網路當中。這樣不用安全擴展的標准 PLC可以繼續處理控制任務。安全輸入和輸出功能需要的本地安全邏輯由智能化的安全匯流排端子實現。這節約了昂貴的安全PLC所帶來的成本，並可以根據當前任務隨意裁剪邏輯功能。只有安全EtherCAT主站和所分配的安全從站通過非安全的標准PLC路由。
本協議在安全數據長度，通信介質或波特率方面沒有限制。
EtherCAT被用作「黑色通道」，即，通信系統在安全處理中沒有任何作用。
協議被鑒定符合IEC61508定義的SIL3等級
提供EtherCAT安全功能的產品已經於2005年就上市了。
EtherCAT的診斷
現場匯流排系統的實際應用經驗表明，有效性和試運行時間關鍵取決於診斷能力。只有快速而准確地檢測出故障，並明確標明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發過程中，特別注重強化診斷特徵。
網路的診斷能力對於提高網路可靠性和縮短調試時間 — 從而降低總成本 — 來說至關重要。只有快速而准確地檢測出故障，並明確標明其所在位置，才能快速排除故 障。因此，在EtherCAT 的研發過程中，特別注重強化診斷功能。
試運行期間，驅動或I/O 端子等節點的實際配置需要與指定的配置進行匹配性檢查，拓撲結構也需要與配置相匹配。
由於整合的拓撲識別過程已延伸至各個端子，因此，這種檢查不僅可以在系統啟動期間進行，也可以在網路自動讀取時進行 （配置上載）。
數據傳輸過程中出現的位故障可以通過評估每台設備上的CRC 校驗進行檢測——32 位CRC多項式的最小漢明距為4。除斷點檢測和定位之外，EtherCAT 系統的協議、物理層和拓撲結構還可以對各個傳輸段分別進行品質監視，與錯誤計數器關聯的自動評估還可以對關鍵的網路段進行精確定位。此外，對於電磁干擾、連接器 破損或電纜損壞等一些漸變或突變的錯誤源而言，即便它們尚未過度應變到網路自 恢復能力的范圍，也可對其進行檢測與定位。
EtherCAT的開放性
EtherCAT 技術不僅完全兼容乙太網，而且 在「設計」之初就具備良好的開放性特 征：該協議可以在相同的物理層網路中包容其它基於乙太網的服務和協議，通常 可將其性能損失降到最小。對乙太網的 設備類型沒有限制，設備可通過交換機 埠在EtherCAT 段內進行連接。不會影響 周期時間。帶現場匯流排介面的設備可通過 EtherCAT 現場匯流排主站端子模塊集成到網路中。UDP 協議變體允許設備整合 於任何 插槽介面中。EtherCAT 是一個完全開放的 協議，是公認的正式IEC 規范（IEC 61158，type 12）。