EtherNet/IP工业以太网协议白皮书

DeviceNet™设备网和ControlNet™控制网已经是广为人知的工业网络，分别归ODVA（开放DeviceNet供应商协会）和ControlNet International两家国际性制造商组织所拥有，它们都在应用层采用了CIP协议（ 通用工业协议）。 最近，ODVA和ControlNet International共同推出了EtherNet/IP（标准工业以太网）。本文将介绍它的技术原理和传输机制，以及如何在基于TCP/UDP/IP协议的以太网®上实现网络服务和数据对象的一致性。 

I. 简介 
    工业自动化系统的网络必须为用户提供三种主要的服务。首先是控制，这也是最为重要的功能。控制服务主要用于完成控制设备（例如plc）与I/O设备（例如变频器、传感器以及其它执行机构）之间的数据交换，并且有苛刻的实时性要求。因此，相应的传输网络必须为这类数据的传输设定较高的优先权或者中断等级。其次，还要提供配置服务，方便用户对自动化设备进行设置和维护。通常，用户需要使用个人计算机（PC）或者类似设备对系统中不同的设备进行编程和配置。这项任务不仅需要单独执行，而且还要在控制系统运行的情况下，支持配置服务。比如，批量处理过程中的配方管理就需要这样功能。最后，用户需要采集自动化系统运行过程中的各种数据，用于人机界面显示、数据分析、趋势图绘制、故障处理和维护。可见，工业自动化系统的网络必须提供：控制、配置和数据采集三种服务，这样才能让网络更加高效、灵活，从而提高自动化系统的整体性能。 
    在网络中，生产者/消费者通讯模式比源/目标通讯模式更容易支持控制、配置和数据采集服务。在网络应用层协议中，利用分布式对象和生产者/消费者通讯模式，将会更好地满足自动化系统的应用要求。 
    如图1所示，一个典型的工业自动化系统网络结构。由于每种网络都有不同的物理层和数据链路层，其属性和特点也各不相同。因此，在这样的系统中，不要指望某种单一的网络能够满足所有的应用要求，而是需要采用多层网络架构，并且要求不同网络之间的数据具有一致性，从而方便网络间的数据交换与共享。

    如果在以太网上实现控制、配置和数据采集服务，同样不可避免其它网络服务也要在网络上运行。因此，生产者/消费者通讯模式必须做到在同一网段上完全能够与其它服务共存（比如用于网页浏览的HTTP服务）。 
    在图1中可以看到，一个典型的工业自动化系统网络包括：1、信息层网络，通过以太网来实现。许多控制器厂商早就提供对以太网的支持；2、控制层网络，通常利用网络的确定性和介质是否冗余等传统标准来衡量某一网络能否作为控制层网络，ControlNet属于这类网络；3、设备层网络，要求传输数据较少，能够通过一根结实、耐用的电缆来完成数据传输和设备供电，DeviceNet属于这类网络。 
    ODVA（开放DeviceNet供应商协会）和ControlNet International两家组织推出了新的CIP协议成员――EtherNet/IP，从而实现了通过以太网提供控制、配置和数据采集服务。因此，它能够作为图1中的信息层网络和控制层网络来使用。 
    II. CIP协议在以太网上的实现 
    EtherNet/IP协议规范被细分为多个章节和附录，主要内容如图2所示。 

    从图2可以看出，EtherNet/IP、DeviceNet和ControlNet三种网络具有统一的应用层、应用对象库和设备描述。也就是说，在七层OSI网络参考模型中，这三种网络只有最低的四层不同，如图3所示。 
    图2描述了EtherNet/IP的协议结构，通过使用这些不同层面的协议，实现了对控制、配置、数据采集服务的优化，使得EtherNet/IP在控制领域的应用更加切实可行、更加安全可靠。 

    III. 与其它Internet协议共存 
     EtherNet/IP网络的主要优势在于大多数用户能够通过利用现有的以太网技术知识和网络设施，让它们发挥最大的作用，获得更多的投资回报。 
    目前，众多厂商都能提供以太网设备，使得组建网络的费用大大降低。因此，用户更希望能够利用目前市面上已有的网络设备，从而控制系统成本。 
    如果EtherNet/IP网络需要采用指定厂商的特殊物理介质来构建，那么它的优势就不复存在。同样道理，如果 EtherNet/IP网络需要一个专门的网络环境来运行，或者不能与现有的企业网络相连接，那么它的优势也会黯然失色。因此，EtherNet/IP网络必须能够与现有的Internet和Intranet网络协议共存。这就意味着，在任何地方都要使用TCP/IP协议。 
    A. 以太网通讯协议 
    以太网技术本身只定义了物理介质和介质的访问方式（CSMA/CD），并采用简单的数据帧格式和源/目标通讯模式来完成局域网设备之间的数据交换。就其本身而言，以太网缺少更为复杂的功能来实现局域网的全部应用要求。正因为如此，在实际使用过程中，还需要让以太网支持一个或多个通讯协议，让它们作为以太网的上层协议，负责数据传输，实现网络管理等功能。因此，这种上层的通讯协议决定了网络所支持的功能，以及什么样的设备能够连接网络，怎样实现网络设备之间的互操作。 
    曾经有许多协议在以太网上应用过，例如DECnet™、Novell IPX™、MAP™、TOP、OSI Stack、AppleTalk™以及TCP/IP。在这些协议中，TCP/IP协议最为引人瞩目，因为为它不仅实现了全球Internet的互联，还能用于构建企业内部的Intranet网络，实现企业信息的共享和数据交换。TCP/IP作为Internet的协议，不仅可以运行在以太网上，还支持其它物理介质。当然，以太网也支持其它协议。但是，由于TCP/IP协议与以太网的结合，实现了Intranet和Internet的无缝集成。所以，它们之间的关系也就越来越密切。在工业现场，无论是现在，还是在不远的将来，TCP/IP协议迟早都会成为在以太网中占有统制地位的“中间层”协议，如图3所示。 #p#分页标题#e#
    B. TCP/IP协议的起源与特点 
    多年来，世界上主流的计算机平台都提供对TCP/IP协议的支持。现在，它已经内置到Windows NT™、Windows 2000等操作系统中，成为用户构建计算机网络的首选协议。在许多公司，可能拥有数台工作站、网络打印机、服务器、中型甚至大型计算机，单单某一家厂商很难提供所有这些设备。因此，这些设备都采用了统一的TCP/IP协议，使得它们都能够集成到局域网中。 
    TCP/IP协议也采用了分层结构，它与OSI七层网络参考模型的对应关系如图3所示。从图3可以看出，以太网技术只定义了物理层和数据链路层。网际协议（IP）对应于第三层――网络层，TCP传输控制协议和UDP用户数据报协议对应于第四层――传输层。在基于TCP/IP协议的网络中，用户服务协议属于第七层――应用层。TCP/IP协议组没有OSI网络参考模型的第五层和第六层。 
    OSI网络参考模型中的每一层都需要使用其下一层协议所提供的服务。比如，一个TCP连接需要在以太网上向另外的设备发送一个数据包。首先，它需要将这个数据包交给IP协议进行处理，由IP协议将这个数据包发送给以太网接口，并确定这个数据包传送到了目标设备。同时，作为接收方，IP协议要通过以太网接口接收数据包，然后将其交给TCP协议进行处理，建立通讯连接。 
    TCP/IP协议的最底层是网络层，也是IP协议所在的层面。IP协议用于在两个网络设备之间，采用无连接和无确认应答的方式发送数据包。因此，IP协议并不能对数据的传输提供担保，而需要由传输层协议或者应用层协议来完成这一任务。IP协议可以运行在以太网和多种其它局域网或广域网中，这正是IP协议能够实现企业内部Intranet网络和Internet无缝连接的原因。 
    在网络层中，还有地址分辨协议（ARP）。ARP协议用于实现IP地址到以太网地址的映射，以及维护网络设备中的地址映射表。当某一设备要将一个IP数据包传送给其它设备时，发送设备首先会尝试使用本地广播报文去询问目标IP地址的设备，然后将其以太网地址返回给发送设备。这一应答结果将被存入发送设备内部的地址映射表，方便以后使用。值得注意的是，以太网广播报文只能在集线器、交换机和网桥之间传输，不能穿透路由器。因此，以太网广播报文被限制在一个子网内，而不可能扩散到全球范围的Internet网络中。 
    IP地址是32位的二进制数字，由独立的InterNIC网络信息中心负责分配，在某一网络中不能重复。任何企业网内部的设备需要和外界通讯，都必须使用事先分配好的IP地址。这与以太网地址不同，以太网地址是由生产厂商固定在以太网硬件设备中的地址，不能进行更改。用户可以根据自身企业信息系统的相关规定和要求，配置网络设备的IP地址和子网。有时候可能需要改变网络设备的IP地址，但是应该在此之前做好心细的规划，防止网络上某一设备已经占用了特定的IP地址，从而造成IP地址冲突，使得已有的网络不能正常工作。 
    如果一个内部的局域网通过路由器与Internet相连接，那么这些设备的IP地址必须属于已分配给它使用的IP地址段。如果内部局域网不与Internet相连接，那么它的IP地址分配就可以按照自己的要求来进行。随着Internet的普及和广泛应用，可用的IP地址资源已经濒临枯竭。目前，人们正在研究使用新的IP地址形式，也就是IPv6，它支持48位二进制的IP地址形式，这样一来，就有充足的IP地址供人们使用。 
    与以太网地址类似的是，IP地址也分为非广播（单目标）、多点传送（目标组）和广播（网络上的每个设备都能接收）地址。因此，IP地址必须通过相应的IP软件和以太网驱动程序将其映射成对应的以太网地址。 
    TCP/IP协议制定了TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）两种协议用于数据传输。它们都属于OSI七层网络参考模型中的传输层。TCP协议是一种面向连接的协议，用于确保数据的可靠传输。一旦在两个设备之间建立起TCP连接，TCP协议将用于拆分、组装数据包，检测错误、数据重新发送，通常用于在两个网络设备之间提供高质量的数据传输。TCP协议能够确保数据从一个网络设备传输到其它网络设备。一旦由于某种原因造成传输失败，TCP协议将确保TCP连接的收发双方应用程序能够得知这一故障。TCP协议将数据以字节流的形式提供给它上一层的应用层协议。同时，应用层还要对字节流数据进行识别和分割。 
    TCP协议只适合于非广播（点对点）传输方式，通常在Telnet（终端仿真）、FTP（文件传输）以及HTTP（Web服务）等应用中采用。在工业自动化应用中，TCP协议通常用于计算机向PLC下载梯形图程序，或者人机界面软件对PLC数据进行读写，以及两台PLC之间的点对点信息交换。 
    UDP是一种非常简单的传输协议，它采用无连接的通讯方式，用于在两个网络设备之间进行简单的数据报文收发。它并不能保证数据能够从一个网络设备发送到另外一个，也没有数据重发功能，甚至不知道目标设备是否已经收到了数据。因此，需要应用层协议实现设备之间的握手信号或者连接管理，通常在较小流量要求的服务中才使用UDP协议，例如SNMP（简单网络管理协议）和NFS（网络文件系统）。UDP协议与TCP协议相比，传输能力和资源占用都比较低，因而能够进行更小、更简单、更快捷的数据传输。UDP协议支持非广播、多点传送和广播三种不同的传输方式。在工业自动化应用中，UDP协议通常用于网络管理、对可靠性要求不高的数据传输，或者由应用程序的其它功能实现自身的可靠性，比如在网络设备中采用闪存芯片进行编程。 
    有关TCP/IP协议及其应用的技术资料已经被归档，称为请求评注（RFC），由Internet工程任务组（IETF）负责维护。IETF是一个独立性的组织，用于制定Internet的各种标准协议。所有RFC资料都是公开的，用户可以从IETF的网站免费下载。 
    C. 应用层协议及互操作性 
    TCP/IP协议提供一系列的服务，无论是在局域网中，还是在广阔的Internet中，都可以保证两个设备之间的相互通讯。但是，单独采用TCP/IP协议并不能确保网络设备的通讯效率，它只能保证应用层信息能够成功地在两个设备之间进行传输。 

    为了提高通讯效率，需要在相应的网络设备上安装兼容的应用软件。应用软件必须相互懂得对方所提供的服务，能够在TCP/IP（UDP/IP）协议的基础上，使用通用的报文格式进行通讯。RFC资料提供了Internet常用应用服务的文档，例如FTP、HTTP、Telnet、SNMP、SMTP（E-mail）等，详细定义了它们的工作机理。因此，任何厂商只要根据RFC资料的要求进行生产和程序开发，就可以确保设备之间能够相互通讯，甚至是不同厂商的设备。这种通过应用层协议实现不同厂商设备之间相同通讯的能力被称为互操作性。 
    虽然文件传输（FTP）、终端仿真（Telnet）、电子邮件（SMTP）和其它通用的服务已经在IETF的领导下确定下来。但是在工业自动化领域，情况却不是这么简单。虽然某些自动化厂商的设备能够工作在以太网上，也采用了TCP/IP协议，但是它们却有着不同的应用层协议。这样一来，在车间现场中，不同自动化厂商的设备即便可以与局域网相连接，在物理上能够实现共存，却不能进行设备之间的互操作。比如，A厂商的PLC不能通过TCP/IP连接，方便地共享B厂商PLC中的数据；或者A厂商工作站内的软件不能对B厂商的设备编程或者配置。可见，由于缺乏互操作性，即便在同一个项目，同一个以太网中，用户也很难将不同厂商的以太网设备集成在一起，构成一个系统。 
     EtherNet/IP协议能够与任何现有的协议共存，它们都可以运行在TCP/UDP传输层之上。