Linux下EtherNet IP协议的实现.pdf-资料库

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EtherNet LinuxLinuxLinuxLinux 下 EtherNet EtherNet IPIPIPIP 协议的实现 EtherNet 摘要: Linux 作为一款稳定的、源代码开放的、免费的类 Unix 操作系统,已广泛应用到工业控制领域。与Win-dows 操作系统相比,Linux 操作系统具有很多明显的优势:性能更加稳定、系统更加安全;采用模块化的内核体系,具有可定制性、可配置性,可方便的裁剪;源代码完全开放,有着更成熟、更友好的编程接口;成本低廉。由于 Linux 内核的极大的可裁剪性、可配置性,在嵌入式系统中也取得了越来越广泛的应用,提高了系统的可靠性并降低了系统的成本。文中给出了在 Linux 下 EtherNet/IP 协议的实现方法。本程序也可方便的移植到嵌入式系统中, 作为 EtherNet/IP 网络上的一个智能节点。引言 Linux 作为一款稳定的、源代码开放的、免费的类 Unix 操作系统,已广泛应用到工业控制领域。与Win-dows 操作系统相比,Linux 操作系统具有很多明显的优势:性能更加稳定、系统更加安全;采用模块化的内核体系,具有可定制性、可配置性,可方便的裁剪;源代码完全开放,有着更成熟、更友好的编程接口;成本低廉。由于 Linux 内核的极大的可裁剪性、可配置性,在嵌入式系统中也取得了越来越广泛的应用,提高了系统的可靠性并降低了系统的成本。文中给出了在 Linux 下 EtherNet/IP 协议的实现方法。本程序也可方便的移植到嵌入式系统中,作为 EtherNet/IP 网络上的一个智能节点。 2 Linux 下 Socket 编程套接口 Socket 是开发 TCP/IP 网络应用程序的 API,它定义了很多函数和例程,提供了访问 TCP、UDP 等协议的接口。应用程序只需通过这些接口就可通过 TCP/IP 协议发送接收数据,而无需了解其协议细节。套接口是面向客户端/服务器 (C/S)模型设计的。为了实现通过 TCP 或 UDP 协议传输数据,需要在客户端和服务器端执行不同的函数调用。图 1 为采用 TCP 协议通讯时的函数调用模型,数据通讯前要先建立连接。服务器端要先用 Socket()函数调用创建一个 TCP 套接字,函数 Bind()将本地地址接字地址绑定在一起,并可指定服务器的端口号和接受的客户端的 IP 地址范围。函数 Listen() 将套接字转化为倾听套接字。Accept()返回一个新的套接字与客户端通信。当客户端通过 Connect() 和服务器建立连接后就可以通过 Read()和 Write() 传送数据。通讯完毕通过 Close()关闭套接字。 EtherNet/IP 协议采用 TCP 传送显性报文。图 2 为采用 UDP 协议通讯时的函数调用模型,此时不需建立连接。对方地址通过在 Sendto( )和 Recvfrom( )函数中指定。EtherNet/IP 协议采用 UDP 传送隐性报文。

图 1 TCP 协议的 Socket 编程模型图 2 UDP 协议的 Socket 编程模型 3 EtherNet/IP 协议体系结构 EtherNet/IP 协议的体系结构如图 3 所示。应用层采用 CIP 协议,其底层完全采用了现有以太网的传输层、网络层、数据链路层、物理层,未作任何修改。因此,应用 Linux 的 Socket 编程接口,实现 EtherNet/IP 协议主要就是实现应用层的 CIP 协议。EtherNet/IP 协议不仅支持点对点的通讯模式,还支持生产者/消费者通讯模式,这种一对一个或多个的通讯模式是通过 IP 多播的技术实现的。值得提出的是, EtherNet/IP 、ControlNet、De-viceNet 网络的应用层都是 CIP 协议,只是它们基于的物理层、数据链路层不同,实现了一种网络的 CIP 协议,略加修改就可以应用到其余两种网络上。这使得 CIP 协议有着更好的通用性,也使得 CIP 设备之间有更好的交互性。

4 CIP 协议模型图 3 EtherNet/IP 协议体系结构图 CIP 协议提供了基于连接的数据通讯机制。CIP 连接可以动态的建立。CIP 连接可分为 I/O 连接(隐性报文连接)和显性报文连接。I/O 连接为一个生产者和一个或多个消费者提供了专用的通讯路径。显性报文连接提供了典型的面向请求/ 应答的网络通讯,一般用来上载下载程序、设备信息、组态信息等。CIP 协议的 I/O 连接模型如图 4 所示。CIP 协议的显性报文连接模型如图 5 所示。数据通讯都要通过专门的连接对象进行。图 4 CIP 协议 I/O 连接模型

图 5 CIP 协议显性报文连接模型 CIP 协议用面向对象语言描述。CIP 协议对象模型如图 6 所示。未连接报文管理器(UCMM)的主要作用是建立 I/O 连接和显性连接。当一设备要与网络上另一设备建立连接时,先给对方设备的 UCMM 发送连接请求,对方设备若答应请求则创建、初始化连接对象,并向请求设备的 UCMM 返回响应信息。然后原来发出请求的设备创建、初始化自己的连接对象。连接完成之后,就可以通过连接对象传送显性报 I/O 报文。报文路由的主要作用是对报文打包、解包,将连接对象接收过来的报文解包,分发给各个对象。然后将各对象返回的数据打包,交给连接对象发送。 CIP 设备中的对象分为 3 类:通用对象、应用对象和网络特定对象。通用对象有连接对象、报文路由对象、身份对象等。身份对象中存有设备型号、名称等信息。网络特定对象有 TCP/IP 接口对象、ControlNet 接口对象和 DeviceNet 接口对象,分别存有和 EtherNet/IP 、ControlNet 、DeviceNet 特定网络相关的信息。应用对象是和具体应用、具体设备相关的对象,比如有 AC/DC 变频器,离散量、模拟量 I/O 等。图 6 CIP 协议抽象对象模型以离散量 I/O 的设备为例,需要实现的类有:身份类、报文路由类、连接类、连接管理类、TCP/IP 接口类、Ethernet 连接类、离散量 I/O 点类、离散量输入组/输出组类、汇编类。此外还要实现未连接报文管理器 UCMM,虽然 UCMM 不是一个类,但是它是每一个设备所必需的。

5 EtherNet/IP 协议数据封装格式图 7 为 EtherNet/IP 协议的报文封装示意图。CIP 协议报文经封装之后,在通讯时又逐层被封装上了 TCP、IP、Ethernet 报头。 CIP 报文封装的格式如表 1 所示。下面以向对方的 UCMM 发送建立显性连图 7 EtherNet/IP 协议的报文封装接的请求报文为例说明 CIP 报文封装。其 16 进制表示的报文为: 6F003E00000002200000 00000000000000000000 00000000000000000004 020000000000B2002E00 5402200624010AF00000 000000000180ABCD0100 98765432070000004082 1F00FB4240821F00FB42 A30220022401 表 1 CIP 报文封装格式分析报文时需要注意网络字节顺序和本机字节。网络字节顺序是从高位到低位,本机字节顺序是从低位到高位。前两字节为命令字 Command,注意高位低位存放顺序,0x006F 为发送 RRData 命令。数据长度为 0x3E=62 字节,CIP 报文总长度为 62+24( 报文头长度 )=86 字节。 Session ID="0x20020000" 。 Status=0x00000000。Sender Context="0x00000000000000000"。 Options=0x00000000 。接下来为 RRData 命令相关数据。 Interface Handle="0x00000000",Time out 项为 0x0400。Item Count="0x0002",表明下面有两项:地址项和数据项。地址项 Addr Item ID="0x0000",Addr Len="0x0000"。数据项 Data Item="0x00B2",Data Len="0x2E"=46。接下来为 CIP Data 的内容。将 CIP 报文正确封装好,通过 Socket 编程接口发送到网络上的其他节点,就可以

实现与网络上其他节点的通讯。具体命令、类、属性、行为、服务的 ID 请参照 EtherNet/IP Specification。 6 结束语本文通过分析 EtherNet/IP 协议给出了 EtherNet/ IP 协议在 Linux 上的实现方法。虽然目前工业以太网所占工业现场控制的份额较小,但是由于以太网已经取得的任何其他现场总线都不可比拟的商业应用,以及以太网技术的日益成熟、稳定、高速,工业以太网在未来的现场总线领域也一定会有所作为甚至“一网到底”。

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