© IEEE電氣和電子工程師協(xié)會, EFTA 2001
Paul Brooks 羅克韋爾自動化
摘要：DeviceNet™設備網和ControlNet™控制網已經是廣為人知的工業(yè)網絡，它們都在應用層采用了CIP（通用工業(yè)協(xié)議）。這兩種網絡最初都是由羅克韋爾自動化開發(fā)的。而今，它們分別歸ODVA（開放DeviceNet供應商協(xié)會）和ControlNet International兩家國際性制造商組織所擁有。最近，ODVA和ControlNet International共同推出了EtherNet/IP協(xié)議（其中，IP是工業(yè)協(xié)議的英文縮寫）。本文將介紹它的技術原理和傳輸機制，以及如何在基于TCP/UDP/IP協(xié)議的以太網®上實現(xiàn)網絡服務和數(shù)據(jù)對象的一致性。
I. 簡介
工業(yè)自動化系統(tǒng)的網絡必須為用戶提供三種主要的服務。首先是控制，這也是最為重要的功能?？刂品罩饕糜谕瓿煽刂圃O備（例如PLC）與I/O設備（例如變頻器、傳感器以及其它執(zhí)行機構）之間的數(shù)據(jù)交換，并且有苛刻的實時性要求。因此，相應的傳輸網絡必須為這類數(shù)據(jù)的傳輸設定較高的優(yōu)先權或者中斷等級。其次，還要提供配置服務，方便用戶對自動化設備進行設置和維護。通常，用戶需要使用個人計算機（PC）或者類似設備對系統(tǒng)中不同的設備進行編程和配置。這項任務不僅需要單獨執(zhí)行，而且還要在控制系統(tǒng)運行的情況下，支持配置服務。比如，批量處理過程中的配方管理就需要這樣功能。最后，用戶需要采集自動化系統(tǒng)運行過程中的各種數(shù)據(jù)，用于人機界面顯示、數(shù)據(jù)分析、趨勢圖繪制、故障處理和維護。可見，工業(yè)自動化系統(tǒng)的網絡必須提供：控制、配置和數(shù)據(jù)采集三種服務，這樣才能讓網絡更加高效、靈活，從而提高自動化系統(tǒng)的整體性能。
在網絡中，生產者/消費者通訊模式比源/目標通訊模式更容易支持控制、配置和數(shù)據(jù)采集服務。在網絡應用層協(xié)議中，利用分布式對象和生產者/消費者通訊模式，將會更好地滿足自動化系統(tǒng)的應用要求。
如圖1所示，一個典型的工業(yè)自動化系統(tǒng)網絡結構。由于每種網絡都有不同的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，其屬性和特點也各不相同。因此，在這樣的系統(tǒng)中，不要指望某種單一的網絡能夠滿足所有的應用要求，而是需要采用多層網絡架構，并且要求不同網絡之間的數(shù)據(jù)具有一致性，從而方便網絡間的數(shù)據(jù)交換與共享。
圖1 典型自動化系統(tǒng)網絡結構
如果在以太網上實現(xiàn)控制、配置和數(shù)據(jù)采集服務，同樣不可避免其它網絡服務也要在網絡上運行。因此，生產者/消費者通訊模式必須做到在同一網段上完全能夠與其它服務共存（比如用于網頁瀏覽的HTTP服務）。
在圖1中可以看到，一個典型的工業(yè)自動化系統(tǒng)網絡包括：1、信息層網絡，通過以太網來實現(xiàn)。許多控制器廠商早就提供對以太網的支持；2、控制層網絡，通常利用網絡的確定性和介質是否冗余等傳統(tǒng)標準來衡量某一網絡能否作為控制層網絡，ControlNet屬于這類網絡；3、設備層網絡，要求傳輸數(shù)據(jù)較少，能夠通過一根結實、耐用的電纜來完成數(shù)據(jù)傳輸和設備供電，DeviceNet屬于這類網絡。
ODVA（開放DeviceNet供應商協(xié)會）和ControlNet International兩家組織推出了新的CIP協(xié)議成員——EtherNet/IP（其中，IP是工業(yè)協(xié)議的英文縮寫），從而實現(xiàn)了通過以太網提供控制、配置和數(shù)據(jù)采集服務。因此，它能夠作為圖1中的信息層網絡和控制層網絡來使用。
II. CIP協(xié)議在以太網上的實現(xiàn)
除了可以從EtherNet/IP專題網站免費下載《EtherNet/IP協(xié)議規(guī)范》以外，ODVA和ControlNet International的網站也提供免費下載。EtherNet/IP協(xié)議規(guī)范被細分為多個章節(jié)和附錄，主要內容如圖2所示。
從圖2可以看出，EtherNet/IP、DeviceNet和ControlNet三種網絡具有統(tǒng)一的應用層、應用對象庫和設備描述。也就是說，在七層OSI網絡參考模型中，這三種網絡只有最低的四層不同，如圖2所示。
圖2描述了EtherNet/IP的協(xié)議結構，通過使用這些不同層面的協(xié)議，實現(xiàn)了對控制、配置、數(shù)據(jù)采集服務的優(yōu)化，使得EtherNet/IP在控制領域的應用更加切實可行、更加安全可靠。
III. 與其它Internet協(xié)議共存
EtherNet/IP網絡的主要優(yōu)勢在于大多數(shù)用戶能夠通過利用現(xiàn)有的以太網技術知識和網絡設施，讓它們發(fā)揮最大的作用，獲得更多的投資回報。
目前，眾多廠商都能提供以太網設備，使得組建網絡的費用大大降低。因此，用戶更希望能夠利用目前市面上已有的網絡設備，從而控制系統(tǒng)成本。
如果EtherNet/IP網絡需要采用指定廠商的特殊物理介質來構建，那么它的優(yōu)勢就不復存在。同樣道理，如果 EtherNet/IP網絡需要一個專門的網絡環(huán)境來運行，或者不能與現(xiàn)有的企業(yè)網絡相連接，那么它的優(yōu)勢也會黯然失色。因此，EtherNet/IP網絡必須能夠與現(xiàn)有的Internet和Intranet網絡協(xié)議共存。這就意味著，在任何地方都要使用TCP/IP協(xié)議。
A. 以太網通訊協(xié)議
以太網技術本身只定義了物理介質和介質的訪問方式（CSMA/CD），并采用簡單的數(shù)據(jù)幀格式和源/目標通訊模式來完成局域網設備之間的數(shù)據(jù)交換。就其本身而言，以太網缺少更為復雜的功能來實現(xiàn)局域網的全部應用要求。正因為如此，在實際使用過程中，還需要讓以太網支持一個或多個通訊協(xié)議，讓它們作為以太網的上層協(xié)議，負責數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)網絡管理等功能。因此，這種上層的通訊協(xié)議決定了網絡所支持的功能，以及什么樣的設備能夠連接網絡，怎樣實現(xiàn)網絡設備之間的互操作。
曾經有許多協(xié)議在以太網上應用過，例如DECnet™、Novell IPX™、MAP™、TOP、OSI Stack、AppleTalk™以及TCP/IP。在這些協(xié)議中，TCP/IP協(xié)議最為引人矚目，因為為它不僅實現(xiàn)了全球Internet的互聯(lián)，還能用于構建企業(yè)內部的Intranet網絡，實現(xiàn)企業(yè)信息的共享和數(shù)據(jù)交換。TCP/IP作為Internet的協(xié)議，不僅可以運行在以太網上，還支持其它物理介質。當然，以太網也支持其它協(xié)議。但是，由于TCP/IP協(xié)議與以太網的結合，實現(xiàn)了Intranet和Internet的無縫集成。所以，它們之間的關系也就越來越密切。在工業(yè)現(xiàn)場，無論是現(xiàn)在，還是在不遠的將來，TCP/IP協(xié)議遲早都會成為在以太網中占有統(tǒng)制地位的“中間層”協(xié)議，如圖3所示。
B. TCP/IP協(xié)議的起源與特點
多年來，世界上主流的計算機平臺都提供對TCP/IP協(xié)議的支持。現(xiàn)在，它已經內置到Windows NT™、 Windows 2000等操作系統(tǒng)中，成為用戶構建計算機網絡的首選協(xié)議。在許多公司，可能擁有數(shù)臺工作站、網絡打印機、服務器、中型甚至大型計算機，單單某一家廠商很難提供所有這些設備。因此，這些設備都采用了統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，使得它們都能夠集成到局域網中。
TCP/IP協(xié)議也采用了分層結構，它與OSI七層網絡參考模型的對應關系如圖3所示。從圖3可以看出，以太網技術只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。網際協(xié)議（IP）對應于第三層——網絡層，TCP傳輸控制協(xié)議和UDP用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議對應于第四層——傳輸層。在基于TCP/IP協(xié)議的網絡中，用戶服務協(xié)議屬于第七層——應用層。TCP/IP協(xié)議組沒有OSI網絡參考模型的第五層和第六層。
OSI網絡參考模型中的每一層都需要使用其下一層協(xié)議所提供的服務。比如，一個TCP連接需要在以太網上向另外的設備發(fā)送一個數(shù)據(jù)包。首先，它需要將這個數(shù)據(jù)包交給IP協(xié)議進行處理，由IP協(xié)議將這個數(shù)據(jù)包發(fā)送給以太網接口，并確定這個數(shù)據(jù)包傳送到了目標設備。同時，作為接收方，IP協(xié)議要通過以太網接口接收數(shù)據(jù)包，然后將其交給TCP協(xié)議進行處理，建立通訊連接。
TCP/IP協(xié)議的最底層是網絡層，也是IP協(xié)議所在的層面。IP協(xié)議用于在兩個網絡設備之間，采用無連接和無確認應答的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。因此，IP協(xié)議并不能對數(shù)據(jù)的傳輸提供擔保，而需要由傳輸層協(xié)議或者應用層協(xié)議來完成這一任務。IP協(xié)議可以運行在以太網和多種其它局域網或廣域網中，這正是IP協(xié)議能夠實現(xiàn)企業(yè)內部Intranet網絡和Internet無縫連接的原因。
在網絡層中，還有地址解析協(xié)議（ARP）。ARP協(xié)議用于實現(xiàn)IP地址到以太網地址的映射，以及維護網絡設備中的地址映射表。當某一設備要將一個IP數(shù)據(jù)包傳送給其它設備時，發(fā)送設備首先會嘗試使用本地廣播報文去詢問目標IP地址的設備，然后將其以太網地址返回給發(fā)送設備。這一應答結果將被存入發(fā)送設備內部的地址映射表，方便以后使用。值得注意的是，以太網廣播報文只能在集線器、交換機和網橋之間傳輸，不能穿透路由器。因此，以太網廣播報文被限制在一個子網內，而不可能擴散到全球范圍的Internet網絡中。
IP地址是32位的二進制數(shù)字，由獨立的InterNIC網絡信息中心負責分配，在某一網絡中不能重復。任何企業(yè)網內部的設備需要和外界通訊，都必須使用事先分配好的IP地址。這與以太網地址不同，以太網地址是由生產廠商固定在以太網硬件設備中的地址，不能進行更改。用戶可以根據(jù)自身企業(yè)信息系統(tǒng)的相關規(guī)定和要求，配置網絡設備的IP地址和子網。有時候可能需要改變網絡設備的IP地址，但是應該在此之前做好心細的規(guī)劃，防止網絡上某一設備已經占用了特定的IP地址，從而造成IP地址沖突，使得已有的網絡不能正常工作。
如果一個內部的局域網通過路由器與Internet相連接，那么這些設備的IP地址必須屬于已分配給它使用的IP地址段。如果內部局域網不與Internet相連接，那么它的IP地址分配就可以按照自己的要求來進行。隨著Internet的普及和廣泛應用，可用的IP地址資源已經瀕臨枯竭。目前，人們正在研究使用新的IP地址形式，也就是IPv6，它支持48位二進制的IP地址形式，這樣一來，就有充足的IP地址供人們使用。
與以太網地址類似的是，IP地址也分為非廣播（單目標）、多點傳送（目標組）和廣播（網絡上的每個設備都能接收）地址。因此，IP地址必須通過相應的IP軟件和以太網驅動程序將其映射成對應的以太網地址。
TCP/IP協(xié)議制定了TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）兩種協(xié)議用于數(shù)據(jù)傳輸。它們都屬于OSI七層網絡參考模型中的傳輸層。TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，用于確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。一旦在兩個設備之間建立起TCP連接，TCP協(xié)議將用于拆分、組裝數(shù)據(jù)包，檢測錯誤、數(shù)據(jù)重新發(fā)送，通常用于在兩個網絡設備之間提供高質量的數(shù)據(jù)傳輸。TCP協(xié)議能夠確保數(shù)據(jù)從一個網絡設備傳輸?shù)狡渌W絡設備。一旦由于某種原因造成傳輸失敗，TCP協(xié)議將確保TCP連接的收發(fā)雙方應用程序能夠得知這一故障。TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)以字節(jié)流的形式提供給它上一層的應用層協(xié)議。同時，應用層還要對字節(jié)流數(shù)據(jù)進行識別和分割。
TCP協(xié)議只適合于非廣播（點對點）傳輸方式，通常在Telnet（終端仿真）、FTP（文件傳輸）以及HTTP（Web服務）等應用中采用。在工業(yè)自動化應用中，TCP協(xié)議通常用于計算機向PLC下載梯形圖程序，或者人機界面軟件對PLC數(shù)據(jù)進行讀寫，以及兩臺PLC之間的點對點信息交換。
UDP是一種非常簡單的傳輸協(xié)議，它采用無連接的通訊方式，用于在兩個網絡設備之間進行簡單的數(shù)據(jù)報文收發(fā)。它并不能保證數(shù)據(jù)能夠從一個網絡設備發(fā)送到另外一個，也沒有數(shù)據(jù)重發(fā)功能，甚至不知道目標設備是否已經收到了數(shù)據(jù)。因此，需要應用層協(xié)議實現(xiàn)設備之間的握手信號或者連接管理，通常在較小流量要求的服務中才使用UDP協(xié)議，例如SNMP（簡單網絡管理協(xié)議）和NFS（網絡文件系統(tǒng)）。UDP協(xié)議與TCP協(xié)議相比，傳輸能力和資源占用都比較低，因而能夠進行更小、更簡單、更快捷的數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議支持非廣播、多點傳送和廣播三種不同的傳輸方式。在工業(yè)自動化應用中，UDP協(xié)議通常用于網絡管理、對可靠性要求不高的數(shù)據(jù)傳輸，或者由應用程序的其它功能實現(xiàn)自身的可靠性，比如在網絡設備中采用閃存芯片進行編程。
有關TCP/IP協(xié)議及其應用的技術資料已經被歸檔，稱為請求評注（RFC），由Internet工程任務組（IETF）負責維護。IETF是一個獨立性的組織，用于制定Internet的各種標準協(xié)議。所有RFC資料都是公開的，用戶可以從IETF的網站免費下載。
C. 應用層協(xié)議及互操作性
TCP/IP協(xié)議提供一系列的服務，無論是在局域網中，還是在廣闊的Internet中，都可以保證兩個設備之間的相互通訊。但是，單獨采用TCP/IP協(xié)議并不能確保網絡設備的通訊效率，它只能保證應用層信息能夠成功地在兩個設備之間進行傳輸。
為了提高通訊效率，需要在相應的網絡設備上安裝兼容的應用軟件。應用軟件必須相互懂得對方所提供的服務，能夠在TCP/IP（UDP/IP）協(xié)議的基礎上，使用通用的報文格式進行通訊。RFC資料提供了Internet常用應用服務的文檔，例如FTP、HTTP、Telnet、SNMP、SMTP（E-mail）等，詳細定義了它們的工作機理。因此，任何廠商只要根據(jù)RFC資料的要求進行生產和程序開發(fā)，就可以確保設備之間能夠相互通訊，甚至是不同廠商的設備。這種通過應用層協(xié)議實現(xiàn)不同廠商設備之間相同通訊的能力被稱為互操作性。
雖然文件傳輸（FTP）、終端仿真（Telnet）、電子郵件（SMTP）和其它通用的服務已經在IETF的領導下確定下來。但是在工業(yè)自動化領域，情況卻不是這么簡單。雖然某些自動化廠商的設備能夠工作在以太網上，也采用了TCP/IP協(xié)議，但是它們卻有著不同的應用層協(xié)議。這樣一來，在車間現(xiàn)場中，不同自動化廠商的設備即便可以與局域網相連接，在物理上能夠實現(xiàn)共存，卻不能進行設備之間的互操作。比如，A廠商的PLC不能通過TCP/IP連接，方便地共享B廠商PLC中的數(shù)據(jù)；或者A廠商工作站內的軟件不能對B廠商的設備編程或者配置?？梢?，由于缺乏互操作性，即便在同一個項目，同一個以太網中，用戶也很難將不同廠商的以太網設備集成在一起，構成一個系統(tǒng)。
從圖4中可以看出，EtherNet/IP協(xié)議能夠與任何現(xiàn)有的協(xié)議共存，它們都可以運行在TCP/UDP傳輸層之上。
D. 目前以太網TCP/IP協(xié)議在工業(yè)自動化中的應用
目前，基于TCP/IP協(xié)議的以太網不僅僅局限于車間范圍內的通訊，而且已經能夠實現(xiàn)與整個企業(yè)Intranet，甚至Internet的連接。在工廠中，以太網通常用于實現(xiàn)如下功能：設備程序維護、MIS或MES系統(tǒng)與現(xiàn)場設備交換數(shù)據(jù)、內部網頁服務、控制設備監(jiān)管、操作員終端與現(xiàn)場設備通訊、事件記錄或報警等。這些功能都需要以太網提供較高的數(shù)據(jù)吞吐量和廣泛的設備連接能力，而響應時間則是第二位需要考慮的問題?，F(xiàn)在，雖然有些用戶已經將以太網用于自動化控制系統(tǒng)，但是其控制能力具有一定的局限性。比如，通過以太網共享處理器中的數(shù)據(jù)，這樣的應用項目充分發(fā)揮了以太網具有較大數(shù)據(jù)吞吐量的優(yōu)勢，但是它的信息響應時間卻不具備較高的確定性和可重復性。
圖4 CIP協(xié)議與其它應用層協(xié)議共存
圖4清楚地說明了EtherNet/IP協(xié)議提供的數(shù)據(jù)采集和設備配置服務如何在Internet環(huán)境中實現(xiàn)。
（轉載）
