㈠ OSI网络模型
OSI七层模型和TCP/IP五层模型
一、OSI参考模型
1、OSI的来源
OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联。 一般都叫OSI参考模型，是ISO（国际标准化组织）组织在1985年研究的网络互连 模型。
ISO为了更好的使网络应用更为普及，推出了OSI参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。
2、OSI七层模型的划分
OSI定义了网络互连的七层框架（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层），即ISO开放互连系统参考模型 。如下图。
每一层实现各自的功能和协议，并完成与相邻层的接口通信。OSI的服务定义详细说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服务是怎么实现的无关。
3、各层功能定义
这里我们只对OSI各层进行功能上的大概阐述，不详细深究，因为每一层实际都是一个复杂的层。后面我也会根据个人方向展开部分层的深入学习。这里我们就大概了解一下。我们从最顶层——应用层 开始介绍。整个过程以公司A和公司B的一次商业报价单发送为例子进行讲解。
<1> 应用层
OSI参考模型中最靠近用户的一层，是为计算机用户提供应用接口，也为用户直接提供各种网络服务。我们常见应用层的网络服务协议有：HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP等。
实际公司A的老板就是我们所述的用户，而他要发送的商业报价单，就是应用层提供的一种网络服务，当然，老板也可以选择其他服务，比如说，发一份商业合同，发一份询价单，等等。
<2> 表示层
表示层提供各种用于应用层数据的编码和转换功能,确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据 格式转换成通信 中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。
由于公司A和公司B是不同国家的公司，他们之间的商定统一用英语作为交流的语言，所以此时表示层（公司的文秘），就是将应用层的传递信息转翻译成英语。同时为了防止别的公司看到，公司A的人也会对这份报价单做一些加密的处理。这就是表示的作用，将应用层的数据转换翻译等。
<3> 会话层
会话层就是负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。
会话层的同事拿到表示层的同事转换后资料，（会话层的同事类似公司的外联部），会话层的同事那里可能会掌握本公司与其他好多公司的联系方式，这里公司就是实际传递过程中的实体。他们要管理本公司与外界好多公司的联系会话。当接收到表示层的数据后，会话层将会建立并记录本次会话，他首先要找到公司B的地址信息，然后将整份资料放进信封，并写上地址和联系方式。准备将资料寄出。等到确定公司B接收到此份报价单后，此次会话就算结束了，外联部的同事就会终止此次会话。
<4> 传输层
传输层建立了主机端到端的链接，传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路 。我们通常说的，TCP UDP就是在这一层。端口号既是这里的“端”。
传输层就相当于公司中的负责快递邮件收发的人，公司自己的投递员，他们负责将上一层的要寄出的资料投递到快递公司或邮局。
<5> 网络层
本层通过IP寻址来建立两个节点之间的连接，为源端的运输层送来的分组，选择合适的路由和交换节点，正确无误地按照地址传送给目的端的运输层。就是通常说的IP层。这一层就是我们经常说的IP协议层。IP协议是Internet的基础。
网络层就相当于快递公司庞大的快递网络，全国不同的集散中心，比如说，从深圳发往北京的顺丰快递（陆运为例啊，空运好像直接就飞到北京了），首先要到顺丰的深圳集散中心，从深圳集散中心再送到武汉集散中心，从武汉集散中心再寄到北京顺义集散中心。这个每个集散中心，就相当于网络中的一个IP节点。
<6> 数据链路层
将比特组合成字节,再将字节组合成帧,使用链路层地址 (以太网使用MAC地址)来访问介质,并进行差错检测。
数据链路层又分为2个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。
MAC子层处理CSMA/CD算法、数据出错校验、成帧等；LLC子层定义了一些字段使上次协议能共享数据链路层。 在实际使用中，LLC子层并非必需的。
这个没找到合适的例子
<7> 物理层
实际最终信号的传输是通过物理层实现的。通过物理介质传输比特流。规定了电平、速度和电缆针脚。常用设备有（各种物理设备）集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆。这些都是物理层的传输介质。
快递寄送过程中的交通工具，就相当于我们的物理层，例如汽车，火车，飞机，船。
4、通信特点：对等通信
对等通信，为了使数据分组从源传送到目的地，源端OSI模型的每一层都必须与目的端的对等层进行通信，这种通信方式称为对等层通信。在每一层通信过程中，使用本层自己协议进行通信。
二、TCP/IP五层模型
TCP/IP五层协议和OSI的七层协议对应关系如下。
在每一层都工作着不同的设备，比如我们常用的交换机就工作在数据链路层的，一般的路由器是工作在网络层的。
在每一层实现的协议也各不同，即每一层的服务也不同.下图列出了每层主要的协议。其中每层中具体的协议，我会在后面的逐一学习。
参考文献：
https://blog.csdn.net/wdkirchhoff/article/details/43915825
㈡ 28 张图详解网络基础知识：OSI、TCP/IP 参考模型（含动态图）
目录
1、网络协议
其实协议在我们生活中也能找到相应的影子。
举个例子，有 2 个男生准备追求同一个妹子，妹子来自河南，讲河南话，还会点普通话；一个男生来自胡建，讲闽南语，也会点普通话；另一个男生来自广东，只讲粤语；
协议一致，沟通自如
语言不通，无法沟通
你们猜猜？最后谁牵手成功了？答案肯定是来自胡建的那位，双方可以通过 普通话 进行沟通，表达内容都能理解。而来自广东的帅哥只会讲粤语，不会普通话，妹子表示听不懂，就无法进行沟通下了。
每个人的成长环境不同，所讲的语言、认知、理解能力也就不同。为了使来自五湖四海的朋友能沟通自如，就需要大家协商，认识某一个语言或规则，彼此能互相理解，这个语言就是普通话。
通过这个例子，大家可以这样理解：
把普通话比作“协议”、把聊天比作“通信”，把说话的内容比作“数据”。
相信这样类比，大家就知道，协议是什么了？
简单地说，就是程序员指定一些标准，使不同的通信设备能彼此正确理解、正确解析通信的内容。我们都知道计算机世界里是二进制，要么 1，要么 0，那为啥可以表达丰富多彩的内容呢？
也是因为协议，不同字段，不同组合，可以解析不同意思，这就依然协议，让协议来正确处理。
例如，我们使用手机连 WiFi 来刷抖音，使用的是 802.11（WLAN）协议，通过这个协议接入网络。如果你所连的 WIFI 是不需要手动设置 IP 地址，是通过自动获取的，就使用到了 DHCP 协议，这样你的手机算上接入了 局域网， 如果你局域网内有台 NAS 服务器，存放了某些不可描述的视频资源，你就可以访问观看了，但这时你可能无法访问互联网资源，例如，你还想刷会抖音，看看妹子扭一扭，结果出现如下画面：
出现这种画面，说明无法使用 互联网， 可能是无线路由器没有设置好相关协议，比如： NAT、PPPoE 协议（上网账号或密码设置错误了），只有设置正确了，就可以通过运营商（ISP）提供的线路把局域网接入到互联网中，实现手机可以访问互联网上的资源（服务器）。玩微信撩妹子、刷抖音看妹子。
网络协议示意图
延伸阅读
1、局域网：最显着的特点就是范围有限，行政可控的区域可以是一所高校、一个餐厅、一个园区、一栋办公楼或一个家庭的私有网络。
2、城域网：原本是介意局域网和广域网之间，实际工作中很少再刻意去区分城域网和广域网了，所以这边不再介绍。
3、广域网：简单说就是负责把多个局域网连接起来，它的传输距离长距离传输，广域网的搭建一般是由运营商来。
4、互联网：把全世界上提供资源共享的 IT 设备所在网络连接起来，接入了互联网就可以随时随地访问这些资源了。
5、物联网：把所有具有联网功能的物体都接入互联网就形成了物联网。如空调联网，就可以远程控制空调； 汽车 联网，就可以远程获取行程数据。
总结一下吧！我们可以把电脑、手机等 IT 设备比喻做来自五湖四海的人们，大家都通过多种语言（网络协议）实现沟通（通信）。所有人要一起交流，就用普通话，大家都能理解。所有胡建人在一起，就用闽南语进行沟通，彼此也能理解。这么的方言，就好比计算机网络世界里也有这么多协议，只是不同协议用在不同地方。
好奇的同学，可能就会问，那网络协议是由谁来规定呢？这就需要提到一个组织，ISO。这个组织制定了一个国际标准 ，叫做 OSI 参考模型，如下，很多厂商都会参考这个制定网络协议。
OSI 参考模型图
2、OSI 参考模型
既然是模型，就好比模范一样，大家都要向它学习，以它为原型，展开学习研究。前面我们也提到了一些协议，这么多协议如果不进行归纳，分层，大家学习起来是不是感觉很凌乱？
所以 OSI 参考模型就是将这样复杂的协议整理并进行分层，分为易于理解的 7 层，并定义每一层的 服务 内容，协议的具体内容是 规则 。上下层之间通过 接口 进行交互，同一层之间通过 协议 进行交互。相信很多网络工程师在今后工作中遇到问题，讨论协议问题还会用到这个模型展开讨论。所以说，对于计算机网络初学者来说，学习了解 OSI 参考模型就是通往成功的第一步。
OSI 参考模型分层功能
7.应用层
为应用程序提供服务并规定应用程序中通信相关的细节，OSI 的最高层。包括文件传输、Email、远程登录等协议。程序员接触这一层比较多。
应用层示例图
6.表示层
主要负责数据格式的转换，为上下层能够处理的格式。如编码、加密、解密等。
表示层示例图
5.会话层
即负责建立、管理和终止通信连接（数据流动的逻辑通路），数据分片、重组等传输的管理。
会话层示例图
4.传输层
保证可靠传输，不需要再路由器上处理，只需再通信双方节点上进行处理，如处理差错控制和流量控制。
传输层示例图
3.网络层
主要负责寻址和路由选择，将数据包传输到目的地。
网络层示例图
2.数据链路层
负责物理层面上互连、节点之间的通信传输，将0 、 1 序列比特流划分为具有意义的数据帧传输给对端。这一层有点类似网络层，网络层也是基于目的地址来传输，不同是：网络层是将数据包负责在整个网络转发，而数据链路层仅是在网段内转发，所以大家抓包会发现，源目 MAC 地址每经过一个二层网段，都会变化。
数据链路层示例图
1.物理层
负责 0、1 比特流（0、1 序列）与电压高低电平、光的闪灭之间的互相转换，为数据链路层提供物理连接。
物理层示例图
OSI 为啥最后没有得到运用呢？其实最主要的原因，是 OSI 模型出现的比 tcp/ip 出现的时间晚，在 OSI 开始使用前，TCP/IP 已经被广泛的应用了。如果要换成 OSI 模型也不太现实。其次是 OSI 是专家们讨论，最后形成的，由于没有实践，导致该协议实现起来很复杂，很多厂商不愿意用 OSI，与此相比，TCP/IP 协议比较简单，实现起来也比较容易，它是从公司中产生的，更符合市场的要求。综合各种因素，最终 OSI 没有被广泛的应用。
下面我们来看看 TCP/IP 与 OSI 分层之间的对应关系及相应的协议：
4.应用层
从上图，可以知道 TCP/IP 四层模型，把应用层、表示层、会话层集成再一起了，该层的协议有：HTTP 、 POP3 、 TELNET 、 SSH 、 FTP 、 SNMP 等。
目前，大部分基于 TCP/IP 的应用都是 客户端/服务端 架构。一般我们把提供资源服务的那一侧叫服务端， 发起访问服务资源的这一侧叫客户端。
应用层
3.传输层
主要职责就是负责两端节点间的应用程序互相通信，每个节点上可能有很多应用程序，例如，登录了微信，又打开了网页，又打开迅雷看看，那数据到达后怎么正确传送到相应的应用程序呢？那就需要 端口号 来正确识别了。传输层中最为常见的两个协议分别是传输控制协议 TCP （Transmission Control Protocol）和用户数据报协议 UDP （User Datagram Protocol）
面向连接 顾名思义，就是建立连接，什么时候建立连接呢？就是在通信之前需要先建立一条逻辑的通信链路。就跟我们平时打电话一样，得先拨通，通了之后即链路建立好了，这条链路只有你和对方可以在这条链路传播说话内容。挂电话后，这条链路也就断开了。
面向无连接 无连接，即通信之前不需要建立连接，直接发送即可。跟我们以前写信很像，不需要管对方在不在？直接写信寄过去就可以了。
面向连接传输
面向无连 接传输
2.网络层
主要职责就是将数据包从源地址发送到目的地址。
在网络传输中，每个节点会根据数据的 IP 地址信息，来判断该数据包应该由哪个接口（网卡）发送出去。各个地址会参考一个发出接口列表， MAC 寻址中所参考的这张表叫做 MAC 地址转发表 ，而 IP 寻址中所参考的叫做 路由表 。MAC 地址转发表根据自学自动生成。路由控制表则根据路由协议自动生成。MAC 地址转发表中所记录的是实际的 MAC 地址本身，而路由表中记录的 IP 地址则是集中了之后的网络号（即网络号与子网掩码）。
1.网络接口层
在 TCP/IP 把物理层和数据链路层集成为 网络接口层 。主要任务是将上层的数据封装成帧发送到网络上，数据帧通过网络到达对端，对端收到后对数据帧解封，并检查帧中包含的 MAC 地址。如果该地址就是本机的 MAC 地址或者是广播地址，则上传到网络层，否则丢弃该帧。
封装与解封装
所谓的封装，其实就跟你寄快递的时候，给物品加上纸盒包装起来或者快件到站点，快递员贴一层标签的过程。在网络上，就是上层的数据往下送的时候，下层会添加头部，不过，只有在二层，不仅会加上头部，还会在上层数据尾部添加 FCS。
封装
所谓解封装，就如同你收到快件一样，一层一层地拆外包装，直到看到快件。网络也是，一层一层地拆掉头部，往上层传送，直到看到数据内容。
解封装
我们把应用层的数据封装传输层头部后的报文，称为 段 ；
把段封装网络层头部后的报文，称为 包 ；
把包封装以太网头部和帧尾，称为 帧 。
㈢ 怎么设置网口为ethercat
EtherCAT是什么
EtherCAT==Ethernet for Control Automation Technology==用于控制自动化技术的以太网
EtherCAT是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统。常被称为实时以太网，开放的实时以太网。
EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司所研发。
EtherCAT主要用于实现自动化的超高速通讯
EtherCAT简评
Beckhoff 基于以太网现场总线系统的 EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技术具有性能优异、 拓扑结构灵活和系统配置简单等特点。
EtherCAT 突破了传统现场总线系统的限制，为现场总线技术领域树立了新的性能标准：30 µs 内可以更新1000 个 I/O，利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成，网络容量几乎无限。
使用 EtherCAT 后，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT 还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备。
其它的实时以太网方案需要专用的主站硬件或扫描卡，而EtherCAT 只需要价格低廉的标准以太网卡便可实现。
EtherCAT 拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放。传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30 µs内可以更新1000个I/O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用 EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件。EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集 成其它的以太网设备。其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC) 便可实现。
EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯。
它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的 方法，使以太网技术可以向下延伸至I/O级。EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并最大化地利用了以太网所 提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术。
EtherCAT出现背景+协议原理+设备行规
详见：
【整理】EtherCAT出现背景+协议原理+设备行规
EtherCAT特点
特点简述：
技术亮点
– 以太网直达端子模块 — 具有完全连续性
– 以太网过程接口可从1 位扩展到64 kB
– 首款真正的、用于现场层的以太网解决方案
– 精确计时，适合时间同步
性能
– 12 μs 内处理256 个数字量I/O
– 30 μs 内处理1000 个数字量I/O
– 50 μs 内处理200 个模拟量I/O（16 位），采样率为20 kHz
– 每100 μs 处理100 个伺服轴
– 350 μs 内处理12,000 个数字量I/O
拓扑结构
– 总线型、树型或星型拓扑结构
– 一个系统内最多可容纳65,535 台设备
– 系统规模：近乎无限（> 500 km）
– 有无交换机均可运行
– 经济高效的电缆敷设：工业以太网电缆（CAT 5）
– 双绞线电缆物理层：
– Ethernet 100 BASE-TX，两个设备之间最大距离为100 m
– 或者：两个从站之间光缆的最大距离为20 km
– 支持总线网段的热插拔
地址空间
– 整个网络范围内的过程映像：4 Gbyte
– 设备过程映像：1 位至64 kbyte
– 地址分配：可自由配置
– 设备地址选择：通过软件自动进行
成本优势
– 无需再进行网络调整：降低工程成本
– 带软件主站的硬实时功能：无需插卡
– 无需主动基础架构组件（交换机等）
– EtherCAT 所使用的以太网电缆和连接器低于传统的现场总 线所使用的电缆和连接器
– EtherCAT 直达I/O 端子模块：无需复杂的总线耦合器
– 高度集成了EtherCAT 从站控制器，因此接口成本较低
协议
– 直接内置于以太网帧内的优化协议
– 完全由硬件实现
– 用于路由和接口：UDP 数据报文
– 在传递时处理
– 用于精确同步的分布式时钟
– 时间戳数据类型，用于纳秒范围内的分辨率
– 用于高分辨率测量的过采样数据类型
诊断
– 断点检测
– 连续的“线路质量”测量能够精确定位传输故障
– Topology View
接口
– 用于标准以太网设备的交换机端子模块
– 用于现场总线设备的现场总线端子模块
– 分布式串行接口
– 通讯网关
– 连接至其它EtherCAT 系统的网关
开放性
– 与以太网完全兼容
– 可以通过交换机和路由器运行
– 可以与其它协议混合运行
– 互联网技术（Web 服务器、FTP 等）
– 可与现有的总线端子模块系列兼容
– 协议完全公开
– EtherCAT 符合IEC、ISO 和SEMI 标准
EtherCAT 技术协会
– 拥有众多会员公司的国际化联盟组织
– 成员包括用户和制造厂商
– 为技术开发提供支持
– 保障互操作性
– 设备行规的集成和制定
现在详细解释其特点：
EtherCAT协议处理完全在硬件中进行
协议ASIC 可灵活配置。过程接口可从1 位扩展到64 kbyte。
详见：
所以使得以太网可以直达端子模块：
符合IEEE 802.3 标准的以太网协议无需附加任何总线即可访问各个设备。耦合设备中的物理层由100BASE-TX 或–FX 转换为E-bus，以满足电子端子排等模块化设备的需求。端子排内的E-bus 信号类型（LVDS）并不是专用的，它还可用于 10 Gbit 以太网。在端子排末端，物理总线特性被转换回100BASE-TX 标准。
主板集成的以太网MAC 足以作为主站设备中的硬件使用。DMA（直接存储器存取）用于将数据传输到主内存，解除了 CPU 存取网络数据的负担。Beckhoff 的多端口插卡中运用了相同的原理，它在 一个PCI 插槽中最多捆绑了4 个以太网 通道。
EtherCAT的性能
EtherCAT 使网络性能达到了一个新境界。
1000 个I/O 的更新时间只需30 µs，其中还包括I/O 周期时间。单个以太网帧最多可进行1486 字节的过程数据交换，几乎相当于12000 个数字输入和输出，而传送这些数据耗时仅为300 µs。
与100 个伺服轴的通讯每100 µs 执行一次。可在这一周期时间内更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布式时钟技术使轴的同步偏差小于1 微秒。
超高性能的EtherCAT 技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。
这样，通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使得状态数据能够与任何数据并行传输。EtherCAT 使通讯技术和现代工业PC 所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O 可能比大多数本地I/O 接口运行速度更快。
这种网络性能优势在具有相对中等运算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT周期时间如此之短，使得它可以在两个控制周期之间完成。因此，控制器总是能够获取最新的输入数据；输出以最小的延迟寻址。无需增强本身的运算能力，控制器的响应行为就能够得到显着改善。
借助于从站硬件集成和网络控制器主站的直接内存存取，整个协议的处理过程都在硬件中得以实现，因此， 完全独立于协议堆栈的实时运行系统、CPU 性能或软件实现方式。
1000个I/O的更新时间只需30 µs，其中还包括I/O周期时间。
单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换，几乎相当于12000个数字输入和输出，而传送这些数 据耗时仅为300 µs。
100个伺服轴的通讯也非常快速：可在每100µs中更新带有命令值和控制数据的所有轴的实际位置及状态，分布时钟技术使轴的同步偏差小于1微秒。而即使是在保证这种性能的情况下，带宽仍足以实现异步通讯，如TCP/IP、下载参数或上载诊断数据。
超高性能的EtherCAT技术可以实现传统的现场总线系统无法迄及的控制理念。EtherCAT使通讯技术和现代工业PC所具有的超强计算能力相适应，总线系统不再是控制理念的瓶颈，分布式I/O可能比大多数本地I/O接口运行速度更快。EtherCAT技术原理具有可塑性，并不束缚于100 M bps的通讯速率，甚至有可能扩展为1000 M bps的以太网。
简言之：
EtherCAT的周期时间短，是因从站的微处理器不需处理以太网的封包。所有程序资料都是由从站控制器的硬件来处理。此特性再配合EtherCAT的机能原理，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us，相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率约为1–30 kHz，但也可以使用较低的更新速率，以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。
EtherCAT的拓扑
总线形、树形或星型：EtherCAT支持几乎任何类型的拓扑结构。
因此，由于现场总线而得名的总线结构或线型结构也 可用于以太网，并且不受限于级联交换机或集线器的数量。
最有效的系统连线方法是对线型、分支或树叉结构进行拓扑组合。因为所需接口在I/O 模块等很多设备中都已存在，所以无需附加交换机。
当然，仍然可以使用传统的、基于以太网 的星型拓扑结构。
还可以选择不同的电缆以提升连线的灵活性：灵活、经济的标准超五类以太网电缆可采用100BASE-TX 模式传送信号， 两台设备之间的最大电缆长度为100 m。
还可通过交换机或介质转换器实现不同 以太网连线（如不同的光纤和铜电缆） 的完整组合。
信号变量可以根据每个电缆间距单独选 择。由于连接的设备数量可高达65535， 因此，网络的容量几乎没有限制。
简言之：
EtherCAT使用全双工的以太网实体层，从站可能有二个或二个以上的端口。若设备没侦测到其下游有其他设备，从站的控制器会自动关闭对应的端口并回传以太网帧。由于上述的特性，EtherCAT几乎支援所有的网络拓扑，包括总线式、树状或是星状，现场总线常用的总线式拓扑也可以用在以太网中。
EtherCAT的拓扑可以用网络线、分枝或是短线（stub）作任意的组合。有三个或三个以上以太网接口的设备就可以当作分接器，不一定一定要用网络交换器。 由于使用100BASE-TX的以太网物理层，二个设备之间的距离可以到100米，一个EtherCAT区段的网络最多可以有65535个设备。若EtherCAT网络是使用环状拓扑（主站设备需要有二个通讯端口），则此网络还有缆线冗余的机能。
EtherCAT的速度
EtherCAT 技术原理具有可塑性，并不束缚于100 Mbaud的通讯速率，甚至有可能扩展为Gbit 的以太网。
EtherCAT 取代PCI
随着PC 组件逐渐向小型化方向发展，工业PC的体积也日趋取决于插槽的数目。 而高速以太网的带宽和EtherCAT 通讯硬件的过程数据长度则为该领域的发展提 供了新的可能性：工业PC 中的传统接口现在可以转变为集成的EtherCAT接口端子模块。
除了可以对分布式I/O 进行编址，还可以对驱动和控制单元以及现场总线主站、快速串行接口、网关和其它通讯接口等复合系统进行编址。即使是其它无协议限制的以太网设备变体，也可以通过分布式交换机端口设备进行连接。由于一个以太网接口足以满足整个外围设备的通讯。
因此，这不仅极大地精简了工业PC 主机的体积和外观，而且也降低了工业PC 主机的成本。
EtherCAT的分布式时钟
精确同步对于同时动作的分布过程而言尤为重要，例如，几个伺服轴在同时执行协调运动时便是如此。 最有效的同步方法是精确排列分布时钟。
与完全同步通讯中通讯出现故障会立刻影响同步品质的情况相反，分布排列的时钟对于通讯系统中可能存在的相关故障延迟具有极好的容错性。采用EtherCAT 后，数据交换就完全基于纯硬件机制。由于通讯采用了逻辑（借助于全双工快速以太网的物理层）环网结构， 主站时钟可以简单、精确地确定各个从站时钟传播的延迟偏移，反之亦然。分布式时钟基于该值进行调整，这意味着可以在网络范围内使用非常精确的、信号抖动小于1 微秒的、确定性的同步误差时间基。
而跨接工厂等外部同步则可以基于IEEE 1588 标准。详情请参阅：【整理】工业自动化规范之时间同步：IEEE 1588
此外，高分辨率的分布式时钟不仅可以用于同步，还可以提供数据采集的本地时间精确信息。当采样时间非常短暂时，即使是出现一个很小的位置测量瞬时同步偏差，也会导致速度计算出现较大的阶跃变化，例如，运动控制器通过顺序检测的位置计算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入时间戳数据类型作为一个逻辑扩展，以太网所提供的巨大带宽使得高分辨率的系统时间得以与测量值进行链接。这样，速度的精确计算就不再受到通讯系统的同步误差值影响，其精度要高于 基于自由同步误差的通讯测量技术。
由于采用了新的扩展数据类型，因此，可以给被测量值分配非常精确的时间戳。
同步性与一致性：相距电缆长度为有120米的两个分布系统，带有300个节点的示波器比较：
为了系统的同步，EtherCAT协定中有提供分散式时钟机制，即使通讯循环周期有抖动，时钟的抖动远小于1µs，大约接近IEEE 1588精密时间协议的标准。因此EtherCAT的主站设备不需针对时钟使用特殊的硬件，可以用软件实现在任何标准的的以太网MAC，即使没有特殊的通讯协处理器也没有关系。
标准建立分散式时钟的程序是由主站送出一特定位址的广播讯息给所有从站来启动。若使用环状拓扑，所有从站会在收到讯息时闩锁内 部时钟，当讯息回来时会再闩锁内部时钟一次。主站会读所有从站闩锁的值，计算各个从站的延迟。为了消除抖动的影响及求得平均值，主站会尽可能的多次进行上 述的程序。所有的从站延迟会依各从站在从站环状拓扑的位置来计算，并记录在一个偏移寄存器中。最后主站送出一个读写系统时钟的广播讯息，会使第一个从站的 时钟为参考时钟，其他从站的内部时钟会调整到和第一个从站相同。
为了在初始化后保持时钟的同步，主站或从站需定期的再送出广播讯号，以计算各个从站内部时钟的速度差异，若有需要时，从站需要可以调整自身时钟的速度，或是有其他调整时钟的机制。
系统时钟是一个64位元的计时器，计数内容是从2000年1月1日0点0分开始所经过的时间，单位是奈秒（ns）。
【感悟】
EtherCAT中提到的分布时钟，同步时钟，就相当于：
两个人（或多个人）拿着手表在一起，先：对点
确保各自的时间，是一致的。
这样，在后续的某个约定的时间，一起做某事，才能确保是同步去做的。
否则就会有时间的误差，就会影响办事。
EtherCAT支持热连接
许多应用都需要在运行过程中改变I/O组态。例如，需求不断变化的加工中心、 装备传感器的刀具系统或智能化的传输 系统、灵活的工件执行机构或可单独关 闭印刷单元的印刷机等。EtherCAT 系统的 协议结构中已经考虑到了这些需求：热 连接功能可以将网络的各个部分连在一起或断开，或“飞速”进行重新组态， 针对不断变化的组态提供灵活的响应能 力。
EtherCAT的高可靠性
选择冗余电缆可以满足快速增长的系统可靠性需求，以保证设备更换时不会导致网络瘫痪。EtherCAT也支持热备份的主站冗余。您可以很经济地增加冗余特性，仅需在主站设备端增加使用一个标准的以太网端口（无需专用网卡或接口），并将单一的电缆从总线型拓扑结构转变为环型拓扑结构即可。
当设备或电缆发生故障时，也仅需一个周期即可 完成切换。因此，即使是针对运动控制要求的应用，电缆出现故障时也不会有任何问题。EtherCAT也支持热备份的主站冗余。由于在环路中断时 EtherCAT从站控制器芯片将立刻自动返回数据帧，一个设备的失败不会导致整个网络的瘫痪。例如，拖链设备可以配置为分支拓扑以防线缆断开。
EtherCAT的安全性：Safety over EtherCAT
EtherCAT有一个加强的协定版本，称为Safety over EtherCAT，可以在同一个网络上进行安全相关的通讯和一般的控制通讯。此安全通讯是以EtherCAT的应用层为基础，不会影响底层的通讯协定。Safety over EtherCAT有通过IEC 61508的认证，符合安全完整性等级（SIL）3的要求。
为了实现EtherCAT 安全数据通讯，我们开放了Safety over EtherCAT 协议，EtherCAT安全通信协议已经在ETG组织内部公开。该协议已经由德国技术监督局（TÜV）鉴定为符合IEC61508 定义的SIL3 等级要求。 设备上实施EtherCAT安全协议必须满足安全目标的需求。相应的产品相关要求也必须考虑进来。
EtherCAT被用作传输安全和非安全数据的单一通道。传输介质被认为是“黑色通道”而不被包括在安全协议中。
EtherCAT过程数据中的安全数据报文包括安全过程数据和所要求的数据备份。这个“容器”在设备的应用层被安全地解析。通信仍然是单一通道的。这符合IEC61784-3附件中的模型A。因此，该安全协议也可通过其它通讯系统、背板或WLAN 传输。传输周期可根据要求缩短，不会影响残留误差率。Safety over EtherCAT 主站和从站之间的安全数据循环交换被称作为由看门狗定时 器监控的连接。一个主站能建立并监控多个不同从站的连接。
上图中的应用示例受益于这种技术。
安全元件在自动化系统中所需要的任意地方都可以使用。系统中可以使用不同规模的本地输入和输出元件。可以根据需求使用安全或非安全总线端子扩展额外的输入和输出。安全逻辑也嵌入到网络当中。这样不用安全扩展的标准 PLC可以继续处理控制任务。安全输入和输出功能需要的本地安全逻辑由智能化的安全总线端子实现。这节约了昂贵的安全PLC所带来的成本，并可以根据当前任务随意裁剪逻辑功能。只有安全EtherCAT主站和所分配的安全从站通过非安全的标准PLC路由。
本协议在安全数据长度，通信介质或波特率方面没有限制。
EtherCAT被用作“黑色通道”，即，通信系统在安全处理中没有任何作用。
协议被鉴定符合IEC61508定义的SIL3等级
提供EtherCAT安全功能的产品已经于2005年就上市了。
EtherCAT的诊断
现场总线系统的实际应用经验表明，有效性和试运行时间关键取决于诊断能力。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研发过程中，特别注重强化诊断特征。
网络的诊断能力对于提高网络可靠性和缩短调试时间 — 从而降低总成本 — 来说至关重要。只有快速而准确地检测出故障，并明确标明其所在位置，才能快速排除故 障。因此，在EtherCAT 的研发过程中，特别注重强化诊断功能。
试运行期间，驱动或I/O 端子等节点的实际配置需要与指定的配置进行匹配性检查，拓扑结构也需要与配置相匹配。
由于整合的拓扑识别过程已延伸至各个端子，因此，这种检查不仅可以在系统启动期间进行，也可以在网络自动读取时进行 （配置上载）。
数据传输过程中出现的位故障可以通过评估每台设备上的CRC 校验进行检测——32 位CRC多项式的最小汉明距为4。除断点检测和定位之外，EtherCAT 系统的协议、物理层和拓扑结构还可以对各个传输段分别进行品质监视，与错误计数器关联的自动评估还可以对关键的网络段进行精确定位。此外，对于电磁干扰、连接器 破损或电缆损坏等一些渐变或突变的错误源而言，即便它们尚未过度应变到网络自 恢复能力的范围，也可对其进行检测与定位。
EtherCAT的开放性
EtherCAT 技术不仅完全兼容以太网，而且 在“设计”之初就具备良好的开放性特 征：该协议可以在相同的物理层网络中包容其它基于以太网的服务和协议，通常 可将其性能损失降到最小。对以太网的 设备类型没有限制，设备可通过交换机 端口在EtherCAT 段内进行连接。不会影响 周期时间。带现场总线接口的设备可通过 EtherCAT 现场总线主站端子模块集成到网络中。UDP 协议变体允许设备整合 于任何 插槽接口中。EtherCAT 是一个完全开放的 协议，是公认的正式IEC 规范（IEC 61158，type 12）。