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Ethernet/IP汇总.docx

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.07M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    ethernet/IP 协议简介 pdf
    Ethernet/IP
    与Modbus相比，EtherNet/IP 是一个更现代化的标准协议。由工作组ControlNetI
    Length
    Session Handle
    Status
    Sender Context
    Options
    Command-specific data
    设备信息泄露
    Ethernet/IP中间人攻击
    Ethernet/IP高危命令字
    各种工业以太网比较（EtherCAT,EtherNet/IP,ProfiNet,Modbus-TCP
    ethernet/IP 协议简介 pdf 2018 年 08 月 01 日 21:54:23 AlexFL 阅读数：153 标签： ethernet/ip 目 录 1．现场总线控制技术与工业以太网 1. 工业以太网实时性问题 3．Ethernet／IP 协议简介 4．Ethernet／I P 通信适配器硬件设计与实现 5．EtherNet/IP 工业以太网优缺点及发展前景 Ethernet／IP 协议简介 1 现场总线控制技术与工业以太网 20 世纪 90 年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化与功能自治性的 现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入 了现场总线。 现场总线控制系统(FCS)是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字 通讯代替 4–20mA 模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化 (仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录)的发展，在控制领域内引起了一场前 所未有的革命。 控制专家们纷纷预言：FCS 将成为 21 世纪控制系统的主流。然而在控制界对 F CS 进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现 在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一：8 种现场总线经过 14 年的纷争，最 后 IEC 的现场总线标准化组织经投票，通过以下这 8 种现场总线成为 IEC6115 8 现场总线标准，即：FF H1，Control Net，ProfiBus，InterBus，P．Net，W orld FIP，Swift Net，FF 之高速 EtherNet 即 HSE。这 8 种现场总线互不兼容， 这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的 FCS 中兼容。此外，FCS 的传输速率 也不尽人意，以基金会现场总线(FF)正在制定的国际标准为例，它采用了 ISO 的 参考模型中的 3 层(物理层、数据链路层和应用层)和极具特色的用户层，其低速 总线 H1 的传输速度为 31．25kbps，高速总线 H2 的传输速度为 1 Mbps 或 2．5 Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。又如广泛用于汽车行业的 Can 总线 系统，其最高的传输速率为 1 Mbps／40 米；这些现场总线受通讯距离制约较 大。
    由于上述原因，使 FCS 在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它 支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网 采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测(CSMA／CD)通讯方式，在实 时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网 的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在 2～30ms 之 间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网 的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一 工业以太网。 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用 支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的信息层与控 制 层得到了广泛应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的趋势。从目前国 际、国内工业以太网技术的发展来看，目前工业以太网在控制层已得到广泛应 用， 并成为事实上的标准。未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设 备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。 工业以太网技术作为后起之秀，迅速抢占着其它总线形式的市场，推动其发 展的两大动力是：光纤环网的应用、分布智能装置仪表。 光纤环网解决了两大问题：第一，轻松解决了在化工、矿业等极端条件的本 质防爆问题，这一下子将以太交换设备向前推动了一个层次，使以太网可以到达 工业现场层，第一次成为真正的 FieldBus；第二，通过环网的冗余提高以太交 换 的可靠性，从而使工业以太网第一次可以应用对可靠性要求较高的应用环境中。 而分布智能的装置仪表，解决了所谓以太传输时滞不确定性的诟病。首先， 光纤环网的千兆交换速度，已经使绝大部分工业控制数据在可接受的时间内交换， 对于大部分的工业生产信息，在 100ms 的时滞都是可以接受的。而如果所有的 控制均需要通过集中的方式进行，显然这个时滞又太大了。可喜的是，工业控制 装置和智能仪表正在向分布式发展。这种发展趋势，导致大量的本地控制指令不 需要通过冗长的总线来传输，而是由仪表或装置的本地计算完成，这就不需要通 过数据交换的方式苛刻地要求工业以太网的确定时延。 2 工业以太网实时性问题 工业以太网有着许多令人所信服的优点。但是传统商业以太网技术应用到工业现 场仍然有着或多或少的不足和缺陷，经过许多研究机构和工程技术人员的不懈努 力和对关键技术的研究，使传统以太网技术不断改进来满足工业现场控制要求。
    这些关键技术包括通信确定性和实时性技术、系统稳定性技术、系统互操作性技 术、网络安全性技术、总线供电及本质安全与安全防爆技术等。下面就确定性和 实时性做一些介绍。 2.1 通讯确定性和实时性技术 传统以太网采用总线式的拓扑结构和多路存取载波侦听／碰撞(CSMA／C 通讯 方式，即网络上的每个节点都通过竞争的方式来获取发送信息报文的权利，节点 通过监听信道，当发现信道空闲时则把待发的信息报文发送出去，如果信道忙则 处于等待状态。在发送信息后检测是否发生了碰撞，如果出现则退出信道等待重 发。不难想象当网络负荷比较重的时候大量节点都在尝试重发进而导致网络堵塞， 使一些节点的信息长时间得不到发送，这种特性称为以太网的不确定性。研究表 明：传统以太网在工业控制中的传输延迟，对数据传送要求很高的场合是不能够 应用的，这也影响了以太网技术在工业底层控制网络中的应用。 随着以太网技术的不断发展，工业以太网在确定性和实时性方面已经基本达到了 工业现场实时控制的要求。 首先，在网络拓扑结构上采用了星形连接代替总线型连接。图 1 示意了两种不同 的网络拓扑结构。其中的星形连接用网桥或路由器等设备将网络分割成多个网段 (Segment)，在每个网段上以一个多口集线器为中心，将若干个设备或节点连接 起来，这样挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域(Collision)。每个冲突 域均采用 CSMA／CD 机制来管理网络冲突。这种分段方法可以使每个冲突域的 网络负荷减轻、碰撞几率减小。 图 1 以太网网络拓扑结构的比较 3 Ethernet／IP 协议简介 现场总线国际标准 IEC 61158 经过十几年的争论和斗争后，放弃了其制定单 一现场总线标准的初衷，最终发布了包括 8 种(第 3 版修订后增加了两种类型， 而 成为 10 种类型)类型总线的国际标准。这说明各大总线各具特点、不可互相替代 的局面得到世界工控界的认可。 目前有 Modbus-IDA 工业以太网，Ethernet／lP 工业以太网，FF HSE 工业 以太网，ProfitNet 工业以太网等几种协议。下来我们就 Ethernet／IP 工业以太 网进行介绍。 EtherNet／IP(EtherNet Industry Protoco1)是适合工业环境应用的协议体系。它 是由两大工业组织 ODVA(OpenDeviceNet Vendors Association)ControlNet I nternational 所推出的最新的成员。和 DeviceNet 以及 ControlNet 一样，它们都 是基于 CIP(Control and Informal／on Protoco1)协议的网络。它是一种是面向 对象的协议，能够保证网络上隐式的实时 I／0 信息和显式信息(包括用于组态参
    数设置、诊断等)的有效传输。 EtherNet／IP 采用和 DevieNet 以及 ControlNet 相同的应用层协 CIP(Control a nd Information Protoco1)，因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范， 具有较好的一致性。EtherNet／IP 采用标准的 EtherNet 和 TCP／IP 技术来传送 CIP 通信包，这样，通用且开放的应用层协议 CIP 加上已经被广泛使用的 Ether Net 和 TCP／IP 协议，就构成 EtherNet／IP 协议的体系结构。协议的各层结构 如图 2 所示。 图 2 应用 CIP 的 EtherNet/IP 3.1 Ethernet／IP 协议模型及协议内容 1. 物理层和数据链路层 EtherNet／IP 在物理层和数据链路层采用以太网。其主要由以太网控制器芯片 来实现。从图 2 可看出，不久的将来会出现更合适的物理层和数据链路层协议， 会出现相应的芯片。但是上面的协议无须改变。 2 .网络层和传输层 EtherNet／IP 在网络层和传输层采用标准的 TCP／IP 技术。对于面向控制的实 时 I／0 数据，采用 UDP／IP 协议来传送，而对于显式信息(如组态、参数设置 和诊断等)则采用 TCP／IP 来传送过程监控层流通的数据基本是显式信息，采用 TCP／IP 来传送，其优先级较低。而将来采用工业以太网 EtherNet／IP 协议的 现场设备层，流通的数据基本是实时 I／O 数据，采用 UDP／IP 胁议来传送， 其优先级较高。 3. 控制及信息协议(ClP) 控制及信息协议(CIP)是一种为工业应用开发的应用层协议，被 DeviceNet、Co ntrolNet、EtherNet／IP 等 3 种网络所采用，因此这 3 种网络相应地统称为 CIP 网络. （1）CIP 的特点有以下几点 ①报文 CIP 协议最重要的特点是可以传输多种类型的数据。工业应用中所需要传输的数 据类型有 I／O、互锁、配置、故障诊断、程序上载或下载等。这些不同类型的 数据对传输服务质量的要求是不同的。重要的传输服务质量评价指标有确定性、 单位时间内有通信行为的节点所占的比例、响应时间等。 CIP 根据所传输的数据对传输服务质量要求的不同，把报文分为两种：显 式报文和隐式报文。显式报文用于传输对时间没有苛求的数据，比如程序的上载 下载、系统维护、故障诊断、设备配置等。由于这种报文包含解读该报文所需要 的信息，所以称为显式报文。隐式报文用于传输对时间有苛求的数据，如 I／O、 实时互锁等。由于这种报文不包含解读该报文所需要的信息，其含义是在网络配
    置时就确定的，所以称为隐式报文。由于隐式报文通常用于传输 I／O 数据，隐 式报文又称为 I／O 报文或隐式 I／O 报文。 在网络底层协议的支持下，CIP 用不同的方式传输不同类型的报文，以满足它们 对传输服务质量的不同要求。DeviceNet 给予不同类型的报文不同的优先级， 隐式报文使用优先级高的报头，显式报文使用优先级低的报头。ControlNet 在预 定时问段发送隐式报文，在非预定时问段发送显式报文。而 Ethemet／IP 用 TC P 来发送显式报文，用 UDP 来发送隐式报文。 ②面向连接 CIP 还有一个重要特点是面向连接，即在通信开始之前必须建立起连接，获取惟 一的连接标识符(connection ID)。如果连接涉及到双向的数据传输，就 需要两个 CID。CID 的定义及格式是与具体网络有关的，比如，DeviceNet 的 C ID 定义是基于 CAN 标识符的。通过获取 CD，连接报文就不必包含与连接有关的 所 有信息，只需要包含 CID 即可，从而提高了通信效率。不过，建立连接需要用 到 未连接报文。未连接报文需要包括完整的目的地节点地址、内部数据描述符等信 息，如果需要应答，还要给出完整的源节点地址。 对应于两种 CIP 报文传输，CIP 连接也有两种，即显式连接和隐式连接。建立连 接需要用到末连接报文管理器(unconnected Message Manager—UCMM)，它 是 CIP 设备中专门用于处理未连接报文的一个部件。如果节点 A 试图与节点 B 建立显式连接，它就以广播的方式发出一个要求建立显式连接的未连接请求报文， 网络上所有的节点都接收到该请求，并判断是否发给自己的，节点 B 发现是发 给自己的，其 UCMM 就做出反应，也以广播的方式发出一个包含 CID 的未连接 响应报文，节点 A 接收到后，得知 CID，显式连接就建立了。隐式连接的建立 更为复杂，它是在网络配置时建立的，在这一过程中，需要用到多种显式报文传 输服务。CIP 把连接分为多个层次，从上往下依次是应用连接、传输连接和网络 连接。一个传输连接是在一个或两个网络连接的基础上建立的，而一个应用连接 是在一个或两个传输连接的基础上建立的。 ③生产者／消费者模型 在传统的源／目的通信模式下，源端每次只能和一个目的地址通信，源端提供的 实时数据必须保证每一个目的端的实时性要求，同时一些目的端可能不需要这些 数据，因此浪费了时间，而且实时数据的传送时间会随着目的端数目的多少而改 变。而在 EtherNeL／IP 所采用生产者／消费者通信模式下，数据之间的关联不 是由具体的源、目的地址联系起来，而是以生产者和消费者的形式提供，允许网
    络上所有节点同时从一个数据源存取同一数据，因此使数据的传输达到了最优化， 每个数据源只需要一次性的把数据传输到网络上，其它节点就可以选择性地接收 这些数据，避免了浪费带宽，提高了系统的通信效率，能够很好地支持系统的控 制、组态和数据采集。 （2） CIP 协议功能及特征 EtherNet/IP 其特色就是被称作控制和信息协议的 CIP 部分。CIP 一方面提供 实时 I/O 通信，一方面实现信息的对等传输。其控制部分通过隐形报文来实现实 时 I/O 通信，信息部分则通过显性报文来实现非实时的信息交换。CIP 协议的 一个重要的特性，是其介质无关性。即 CIP 作为应用层协议的实施与底层介质 无关。这就是人们可以在控制系统和 I/O 设备上灵活实施这一开放协议的原因。 同样，当未来新型的通讯手段出现时，人们一样可以方便地将其移植到更高性能 的网络上实施，并且提供全部的网络功能，保证与原有现场总线或者以太网技术 的透明性和一致性。 3.2 EtherNet/IP 的通信机制 1. 通信模式 不同于源/目的通信模式，EtherNet/IP 采用生产/消费模式，它允许网络上的节 点同时存取同一个源的数据。在生产/消费模式中，数据被分配一个唯一的标识， 每一个数据源一次性的将数据发送到网络上，其他节点选择性的读取这 些数据，从而提高了系统的通信效率。 2. CIP 报文通信 CIP 报文定义了显式报文和隐式报文两种报文类型, 隐式报文是对时间有苛刻 要求的 I/O 信息(时间触发、控制器互锁等等)，此时数据量不大但需要高的速度 或需要较长的源节点和其他节点连接时间，所以这部分采用的是速度较快的 UD P 协议；显式报文数据量较大但不需要一直连接所以这部分采用 TCP 协议。 CIP 报文的通信分为无连接的通信和基于连接的通信。无连接的报文通信是 CI P 定义的最基本的通信方式。设备的无连接通信资源由无连接报文管理器 UCM M 管 理。无连接通信不需要任何设置或任何机制保持连接激活状态; 基于连接的报文 通信是 CIP 网路传递报文的另一种方式,可用来传递 I/O 数据和显式报文。这种 通信方式支持生产者/消费者模式的多点传输关系, 一次向多个目的节点进行高 效的数据传输。 4 Ethernet／I P 通信适配器硬件设计与实现 EtherNet／IP 硬件设备开发主要有 2 种方式：一种是基于单板计算机系统；另 外一种是开发嵌入式系统。嵌入式系统应用广泛，有非常多资源可供设计者使用， 同时嵌入式系统硬件制作成本低，硬件设备可以设计的更为紧凑，有利于系统的
    小型化。下来介绍采用嵌入式系统设计 Ethernet／IP 通信适配器。 4．1 硬件系统总体架构 Ethernet／IP 通信适配器作为工业控制中的网络设备，对数据处理能力、数据收 发的实时性、可靠性上较商用以太网有着更严格的规范和要求，硬件必须能够满 足这些功能及要求。而微处理器是系统的控制核心，其性能的好坏直接决定了系 统性能的优劣；因此，本通信适配器选用三星公司的 ARM9 S3C2410 为 CPU， 其有丰富的外围接口功能，强大的处理能力。本系统硬件设计以 S3C2410 为核 心，外围扩展了 64MbitsSRAM、64Mbits NAND FLASH、以太网控制其 CS8 900、RS232 串口、I/O 接口、JTAG 程序实时仿真接口等。系统总体硬件如图 3 图 3 系统总体硬件 4．2 电源设计 本通信适配器可以接现场 I／O 模块(现场 I／O 模块分为数字 I／O 及模拟 I／O)， 因此，设计电源时需充分考虑电源的驱动能力。电源不仅要给通信适配器供电， 而且，需要给 I／O 模块的数字电路部分供电。本设计采用高效的开关电源设计， 可满足 8 个扩展 I／O 模块的驱动能力。通信适配器中，不同的芯片采用的所要 求的供电电压是不一样的。S3C2410 需要的供电电压有：3．3V 的数字电压及 模拟电压、1．8V 的数字电压及模拟电压、1．8V 的 PLL 源电压；SRAM、NA ND FLASH、I／O 采用 3．3V 电压；JTAG、以太网控制其采用 5V 电压供电。 工业以太网现场提供 24VDC 电源，因此，设计的电源模块必须提供把 24VDC 转换成 5V、3．3V 及 1．8V 的能力。 4．3 复位电路设计 由于 ARM 芯片的高速、低电压供电和低功耗导致其噪声容限较低，对电源的纹 波、瞬时响应性能、时钟源的稳定性和电源监控的可靠性等诸多方面提出了更高 的要求。为了保证系统在上电启动及电压不稳定时能够正确工作，系统设计中采 用了专门的微处理器电源监控芯片 MAX708TESA。电路如图 4 所示。 图 4 电源监控及复位电路 在图 4 中，信号 RESET 连接到以太网控制器 CS8900 的复位引脚，因为 CS89 00 的复位信号为高有效；信号 RESET 连接到 S3C2410 的复位引脚／RESET 以及芯片内部 JTAG 接口电路的复位脚 TRST。当复位按键 Sl 按下时，MAX70 8T 立即输出复位信号，其引脚 RESET 输出高电平复位信号，引脚 RESET 输出 低电平复位信号；此时 S3C2410 及以太网控制器 CS8900 都将复位。 ARM 微处理器必须保证在稳定的复位状态下启动，当微处理器在未知状态时， 必须使它保持复位状态。MAX708TESA 保证低电压的时候处理器处于复位状态，
    避免系统在上电、掉电及电源状态不稳定的时候代码执行出错。当上电的时候， 如果电源达到 1V，／RESET 引脚输出逻辑低电平，RESET 引脚输出逻辑高电 平。当电源超出了复位的门栏电压，MAX708TESA 的内部定时器保证／RESE T 和 RESET 引脚保持 200ms 的复位信号，这就保证了系统在电源不稳定或者 电源过低的情况下始终维持在复位状态，降低系统运行出错的可能性。 4．4 以太网通讯接口设计 4．4．1 以太网电路原理 以太网控制器是 Ethernet／IP 通信适配器中一个非常重要的物理部件，它实现 以太网的数据链路层协议。为了保证设备能够很好地满足工业应用的要求，所选 用的以太网控制器需具备以下一些特点：能在工业环境中运行，对高温低温、噪 声、震动等有一定的抵抗能力；支持全双工通讯；支持 10Mbit／s 或 100Mbit ／s 传输速率等。S3C2410A 没有内置的以太网控制器，本文采用 Cirrus Logic 公司开发的 CS8900A—IQ3 作为 Ethernet／IP 通信适配器的以太网控制 CS89 00A-IQ3 主要特点是：lOMbit／s 的传输速率、支持全双工运作模式、内建缓冲 区提供传送接收讯框(Frames)、可对错误的封包自动排除等；此外，其特有的 P acketPagel”结构可以自动调适网络交通的模式以及系统可用的资源。以太网通 讯接口设计中还需使用隔离变压器，其主要作用是把设备的有源部分和其网络接 口隔离开，以避免干挠网络的运行。隔离变压器应该提供尽可能高的共模抑制比， ODVA／CI 推荐采用在 30HZ 时共模抑制比在 59dB 以上的隔离变压器。 4．4．2 以太网芯片 CS8900A-IQ3 功能描述 图 5 CS8900A-CQ3 功能图 在电源开启或硬件复位后，CS8900A–IQ3 要传送或接收封包时必须先芯片内部 的组态、控制寄存器作参数的设置，比如说：存储器的基底位址、以太网络的物 理位址、什么形态的讯框可以被接收和底层媒体介面是什么等等设置。这些参数 的来源有两个地方：一个是由 host 透过 ISA 汇流排写入 CS8900A-CQ3，另一 个则是通过外部 EEPROM 自动载入进来。在所有寄存器设置完毕后 CS8900A- CQ3 便可进行相关动作.基本上 CS8900A—CQ3 的主要运作有两个部份：封包 传送、封包接收。 封包传送： 在 CS8900A-CQ3 的封包传送过程中有两个阶段： (1)封包传送第一个阶段： 主机将封包数据搬移至 CS8900A—C03 的缓冲存储器，这样子的搬移动作是在 主机发出传送命令时所发生的。传送命令是要通知 CS8900A-CQ3 有封包数据 需要被传送，并且何时要被传送(可在 CS8900A-CQ3 缓存器内设置成 5，381， 1021 或是所有 bytes 被传送出去)，以及如何被传送出去(有无 CRC、添加的位
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