1、郑 欢 /工程师关键词 /KeywordsProfiNet协议 以太网 监听 电气技术|Electric Technology34 冶金电气 2013 年第 32 卷第 4 期ProfiNet以太网协议分析深入分析 ProfiNet 实时以太网协议 ， 提出了实时以太网设备性能参数的评估和测试问题 ， 搭建 ProfiNet 实时以太网网络协议解析 、测试和评估平台 ， 逐条监听和抓取 ProfiNet 报文进行细致的深入分析 ， 采用 WireShark分析以太网报文 ， 并给出了网络实际性能测试结果 。郑 欢 陈 程 /中冶京诚工程技术有限公司随着工业自动化水平的提高和自动化技术的快速发展
2、 ， 出现了越来越多的网络通信技术 ， 对网络通信性能的要求也逐步增强 。专用现场网络总线 ， 最初的设计目的是用于简化原有集成控制系统 ， 成为分布式控制系统 ， 便于整体工厂的一致 ， 大大减少系统维护工作 。随着工业自动化的发展 ， 现有的现场总线技术已经不能满足日益增长的高速 、多节点的工厂自动化生产要求 1。本文详细分析了 ProfiNet 协议构架 、网络拓扑 、网络组建和协议性能 ，通过搭建 ProfiNet 实时以太网网络通信平台模拟工厂自动化现场情况 ， 采用西门子 Scalance 交换机的独特的网络端口镜像功能 ， 实现了完整 、详尽的实时以太网 报 文 抓 取 、保 存
3、 和 统 计 ， 结 合WireShark 网络报文统计和分析工具 ，对 ProfiNet 网络协议进行了详细分析 ，对 ProfiNet 网络性能进行研究和评估 ，对 ProfiNet 产品性能以及网络配置 、网络周期通信 、网络诊断和报警进行深入的分析 。ProfiNet 报文结构针对不同的网络性能需求 ， 从以太网报文结构上来说 ， 西门子 ProfiNet RT网络结构 、通信协议及帧结构如图 1 图 3 所示 。西门子等时同步通道 ProfiNet IRT 网络通信协议的数据报文帧结构如图 4 和图 5所示 。从图 2 图 5 可以看出 ， 西门子 Profi-Net 实时以太网数据
4、帧 ( 包括 RT 和 IRT帧 ) 都是在通用国际标准 IEEE802. 3 所定义的标准以太网帧格式基础上略作改动 ，ProfiNet 以太网协议分析 Electric Technology|电气技术www. eage. com. cn 2013年 2 月下 冶金电气 35使得协议中的 L/T 字段值大于 1 500， 扩充了网络数据吞吐能力 ， 而该参数在原有标准中是一个保留的 EtherType可以用于唯一地识别 ProfiNet 协议的实时数据帧 ， 用以区别于其他采用标准 IT 协议的以太网帧 ， 使得网络中的各类传输设备对该协议报文优先进行传输 。在西门子 ProfiNet 以太
5、网类型 标 识 中 采 用 0x0800 来 标 识 IP 帧 ， 使 用0x8892 来标识 ProfiNet 实时帧 。ProfiNet 协议帧中的应用标识符 ( Frame-ID) 域标识所接收的数据的传输类型 ， 即标识周期数据传输和非周期数据传输 ( 报警和事件 ) 。根据 PROFIBUS 国际组织提供的官方统计数据和各类网络实测性能 ， 西门子 ProfiNet 在 IRT 通信方式下应用在同步运动控制场合 ， 其性能可以比目前的现场总线方案提高 100 倍 。这种基于硬件协议芯片的等时同步 ( IRT) 通信解决方案能够在大量数据需要传递的情况下保持足够高的时间确定性 、数据快
6、速性和网络稳定性 。同时 ， 由于采用协处理器模式可缓解 ProfiNet 设备上主处理器的通信任务压力 ， 使得整个系统更加稳定和强健 。ProfiNet 网络组成不同于 Profibus-DP 网络的配置 ， ProfiNet 网络提出了基于 XML 配置文件的方式 ， 并且为每一个网络节点配置一个唯一的名称 ， 用来区分和整合工厂级以太网庞大的网络节点 。本文给出了一个简单的网络配置 ， 用以说明ProfiNet 网络协议的核心技术 ， 以及如何捕获和解析 ProfiNet 网络数据 。网络节点数量不影响本文介绍的方法 ， 故特此说明 。1. 配置系统采用 CPU4162DP 和 CP4
7、431 为系统核心 ，创建 ProfiNet 实时以太网 ， 足够的配置保证了ProfiNet 主站发挥更好的性能 ， 系统的硬件配置如图 6 所示 。采用 IM1534PN 从站模块 ， 采集现场数字量和模拟量信号 。标准以太网数据传输过程中 ， 都是一个网卡的 MAC 地址来区分各个设备的 ， ProfiNet 网络也图 6 ProfiNet 测试工程硬件配置采用该方法 。网卡 MAC 地址类似于 Profibus-DP 中的站地址 ， 全球内网卡的唯一标识 。长度为 6 字节的 MAC 地址冗长而繁琐 ， 不易于记忆和传播 ，因此 Siemens 为每个节点取一个名称 ， 并且保证同一网
8、络中名称是唯一的 。将名称和 MAC 地址绑定 ， 如图 7 所示 。图 7 设置 ProfiNet 节点名称针对网络节点数量的不同 ， ProfiNet 网络的数据吞吐量也有所不同 ， 特别是网络结构不同 ， 数据路由方式也不同 。如果 ProfiNet 网络只包含 RT节点 ， 并且不包含 IRT 节点 ， 那么 ProfiNet 网络只需要配置扫描时间 ， ProfiNet IO 的数据通信量所占百分比为 100%， 不需要为 IRT 预留数据通道带宽 ， 如图 8 和图 9 所示 。在程序中的 OB82 来对ProfiNet 网络进行诊断和监控 。电气技术|Electric Techn
9、ology36 冶金电气 2013 年第 32 卷第 4 期2. 网络组成实时以太网的结构决定了网络监听的复杂性 ，多级交换机的数据转发更加使得数据传递路由扑朔迷离 。如何捕获以太网络上的所有数据包 ， 成为网络数据监听的重要任务 。本文采用一台工程师站来配置和维护系统 ，ProfiNet 主站通过 Scalance 交换机与 ProfiNetIO 从站进行通信 ， 监听计算机通过交换机接入该网络 ，具体网络配置如图 10 所示 。图 10 ProfiNet 网络监听结构采用不同的硬件设备连接方式所测试的数据 ，可采集和分析实时以太网设备的不同处理性能和网络性能参数 。本文采用上述网络拓扑结构
10、和连接方式 ， 分析过程数据报文 、网络配置报文 、网络故障报文 、网络数据循环周期和系统时间抖动等信息 。ProfiNet 报文监听标准以太网数据报文 ， 在数据传递过程中最常遇到的是交换机 。交换机接收来自各个端口的数据 ， 以最优的传输路径 、最快的转发数据到目的端口 。这样就避免了数据碰撞 ， 使得每个端口都拥有最大的传输速率 ， 这也是交换机优于集线器的主要方面 。正是由于交换机的这个特性 ， 使得 ProfiNet 主站的数据通过 1 号端口直接流向 4 号端口 ， 到达ProfiNet 从站 。对于交换机的其他端口来说 ， 该数据流是不可见的 ， 因此也是不能被监听到的 。正是由
11、于这个原因 ， 本文引入了高级 Scalance 交换机 ， 利用其特有的端口映射功能 ， 改变网络的数据走向 。1. 端口映射Scalanec X4143 是一款多端口的高级交换机 ， 具备多种网络管理功能 ， 并提供强大的数据路由功能 。该交换机可以通过默认的 Web 网页方式进行管理 ， 也可以通过 Telnet 方式进行高级管理 。端口映射功能作为高级功能 ， 只有在 TelnetProfiNet 以太网协议分析 Electric Technology|电气技术www. eage. com. cn 2013年 2 月下 冶金电气 37方式的根权限下才可以打开 ， 如图 11 所示 。图
12、 11 Scalance 端口映射映射端口 1 的数据到端口 3， 使得所有流入 、流出端口 1 的数据 ， 均传输到端口 3， 交由 Sniffer计算机处理 ， 这样从数据流的角度就可以进行ProfiNet 网络的数据监控和分析 。2. 报文过滤WireShark 是一款以太网数据分析软件 ， 是目前全球最流行的以太网数据抓包工具 ， 用于分析和诊断以太网协议 ， 可以抓取网络上的所有数据 。在抓取的所有以太网数据包中 ， 既有 ProfiNet网络数据 ， 也有大量的无效的广播数据 。在分析以太网协议的时候 ， 必须设置抓包过滤器 ， 用来抛弃无效数据 ， 只抓取特定协议的 、有效的数据
13、包 。过滤器设置过程如图 12 所示 。本文采用的过滤条件为 ProfiNet 主站的 MAC 地址 ， 用来捕获主站发送和接收到的所有数据包 。3. 报文监听过程实时以太网网络报文监听过程 ， 主要有以下三个步骤 : 实时以太网网络报文数据的抓取 ， 网络无效信息内容的过滤 ， 关键数据信息的保存和网络数据应答过程的显示和回放 。( 1) 报文数据的抓取西门子 ProfiNet 主站 PLC 将实时以太网 Profi-Net 协议报文由物理接口 PN 传送至 Scalance 交换图 12 WireShark 报文过滤设置机 1 号端口 ， 发送到 4 号端口 ， 传送至 ProfiNet
14、从站 ， 同时交换机将数据报文复制后发送到 3 号端口 ， 从而完成报文数据的抓取打包过程 。( 2) 信息内容的过滤以太网报文由物理接口传送至 WireShark 软件的以太网驱动 ， 将报文和状态信息 、时间戳 、长度和报文错误等信息一同保存在计算机的 RAM 区中 ， 根据不同实时以太网协议报文格式进行打包 ，并计算过滤条件 ， 抛弃无效数据 。( 3) 信息的保存与显示WireShark 将过滤后的数据报文存储至用户定义的目录下 ， 并根据设置的报文显示过滤条件进行过滤 ， 将满足条件的报文显示出来 。采用此类过滤方式 ， 网络监控者可以非常方便 、快捷地对各类独立的网络报文进行具体的
15、 、区分处理和分析 ， 例如网络配置报文过程分析 、网络故障报文的分析 、各类网络协议数据循环周期 、全体网络设备网络延时和系统突发性时间抖动等 。ProfiNet 性能分析捕获 ProfiNet 网络数据包不是最终目的 ， 目的是对数据包进行分析 ， 用来提升系统性能 ， 定位网络故障和改善网络环境 ， 这也是本节进行讨论的重点 。1. 报文解读在试验和测试过程中 ， 针对 ProfiNet 协议网络报文进行了短时数据监听 ， 成功将 ProfiNet 网络建立过程 、握手通信协议过程 、周期通信过程和故障处理过程记录下来 ， 抓取完整的 ProfiNet 协议报文共计 79KB， 利用 W
16、ireShark 软件分析周期通信电气技术|Electric Technology38 冶金电气 2013 年第 32 卷第 4 期过程中所抓取的 ProfiNet 网络报文数据如图 13所示 。图 13 WireShark 抓取的报文信息捕获的数据报文忠实地记录了每次通信报文的数据内容 ， ProfiNet-RT 的每次应答均非常清晰的显示出来 。报文的记录是以监听计算机的时间戳为准 ， 并且可以任意指定参考时间 。以监听到的一个报文为例 ， 进行 ProfiNet 数据报文说明 ， 如图 14 所示 。图 14 ProfiNet 数据报文实例在 2012 04 27 07: 40: 45
17、时 刻 ， 由CP4431 主站发送报文给 IM1534PN 从站 ， 其中同步和分隔数据已经被隐藏 。0x8892 标识该数据报文采用的协议是 ProfiNet 协议 ， 4 s 后 ，IM1534PN 从站回复 CP4431 主站数据报文 ，之后为以 16ms 的网络周期进行实时数据通信 。2. 性能分析采用 Wireshark 中的高级功能 IO Graphs， 对采集到的实验室现场数据报文 ， 进行综合的数据统计和分析 ， 如图 15 所示 。图 15 WireShark 抓取的报文分析每种不同的数据报文都可以选择不同的显示颜色 ， 不同的线型进行区分 ， 还可以通过设置独立的过滤器来
18、进行数据报文的二次编程和二次加工 。通过图 5 中的网络数据报文统计可发现无网络故障报文信息 ， 充分说明了 ProfiNet 网络通信数据的准确性非常高 ， 如果网络上包含现场设备 ，也可同时分析出外部 IO 信息 。结束语针对西门子 ProfiNet 实时以太网 ， 本文详细 、深入地剖析 ProfiNet 实时以太网网络拓扑结构 、网络协议组成结构和协议内容 ， 利用已有的西门子模块和系统搭建 ProfiNet 网络检测和评估系统平台 ， 对 ProfiNet 数据报文进行了完整而有效地抓取 ， 并得到了大量的数据记录和统计 。采用高效而免费的以太网报文分析软件 WireShark 进行
19、分析 ， 对已有大量的报文数据进行各类独立的分析和统计 ， 给出了 ProfiNet 实时以太网网络实际运行的性能测试结果 。为将来的 ProfiNet 实时以太网数据监听 、网络诊断和网络分析等提供了强有力的铺垫 ， 这也是需要进行技术深入研究的方向和课题 。参考文献 1 李旭 ， 陈在平 基于 PROFINET 的实时通讯技术分析 J 天津理工大学学报 ， 2010， 26 ( 2) : 54-56 2 彭杰 ， 应启戛 PROFINET 工业以太网技术分析 J 南昌大学学报 ， 2010， 32 ( 2) : 188-191 3 胡国传 ， 沈杰 ， 等 基于 PROFINET IO 的延时和抖动研究 J 仪器仪表学报 ， 2011， 32 ( 9) : 2 153-2160( 收稿日期 : 2013-01-11) EA
