鄒玉鞋
（德國(guó)赫優(yōu)訊自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司上海代表處 上海 200010）
摘要：自動(dòng)化系統(tǒng)通訊要求的逐步提高，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)研究的愈加深入，基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的設(shè)備也越來越多，而如何測(cè)試實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)備通訊性能至關(guān)重要，本文在深入研究實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助于德國(guó)赫優(yōu)訊最新實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀netANALYZER，通過搭建PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)，結(jié)合PROFINET的技術(shù)協(xié)議，利用Wireshark網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析工具，對(duì)PFOFINET時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行了深入的研究和分析。充分說明德國(guó)赫優(yōu)訊netANALYZER分析儀是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)不可缺少的工具之一。
關(guān)鍵詞: netANALYZER 實(shí)時(shí)以太網(wǎng) PROFINET 時(shí)間抖動(dòng) Wireshark
Abstract: For the requirement of automation communication becoming more and more strict, the research on real-time Ethernet becoming more and more deep, the device based on real-time Ethernet also becoming more and more, but the problem is how to test these real-time Ethernet device, it is the most important process. This article is to resolve this question by netANALYZER from Hilscher, which is analysis device for real-time Ethernet, and the article take PROFINET system for example, after setup the platform of PROFINET system, and by wireshark software, we will analysis and deep research the Time-Jitter of PROFINET. We also think netANALYZER is good partner to engineers who want to research on real-time Ethernet or develop products.
Key words: netANALYZER RTE PROFINET Time-Jitter Wireshark
1引言
工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，通訊要求的逐步增強(qiáng)，工業(yè)自動(dòng)化的控制組件、執(zhí)行器和傳感器數(shù)量的不斷增多使得控制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性變得更加明顯。最初用于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的專用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，已經(jīng)不能滿足高速、多節(jié)點(diǎn)的要求，一些問題也開始出現(xiàn)。而工業(yè)通信的未來:依靠以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化組件成本效率的提高、實(shí)時(shí)性的快速響應(yīng)和連接節(jié)點(diǎn)的增多，順應(yīng)了工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展需求，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)將非專利以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)時(shí)精確性有機(jī)地結(jié)合起來，成本更加低廉、數(shù)據(jù)處理能力比現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案快10到100倍，具有高效及確定性的通信協(xié)議，可應(yīng)用于對(duì)動(dòng)態(tài)性和精確性要求極其苛刻的場(chǎng)合。
實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在歐洲正處于高速發(fā)展的時(shí)期，研究和產(chǎn)品開發(fā)也是愈加深入，越來越多的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品也競(jìng)相面世，并且正經(jīng)歷著各種苛刻環(huán)境的考驗(yàn)，而各大自動(dòng)化廠商也是紛紛推出各自的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，比如Siemens支持的PROFINET、Beckoff支持的EtherCAT、Rockwell支持EtherNet/IP、貝加萊支持的Powerlink、Bosch Rexroth支持的SERCOS III等等。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的協(xié)議種類繁多，而如何測(cè)試實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品性能，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品兼容性等問題，成為各大自動(dòng)化廠商和自動(dòng)化用戶必須面臨的關(guān)鍵問題。
本論文正是基于上述關(guān)鍵問題，在深入分析德國(guó)赫優(yōu)訊最新推出的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀netANALYZER的基礎(chǔ)上，利用赫優(yōu)訊cifX50-RE實(shí)時(shí)以太網(wǎng)主站板卡，赫優(yōu)訊實(shí)時(shí)以太網(wǎng)從站IO測(cè)試板NXIO，搭建PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)，通過netANALYZER網(wǎng)絡(luò)分析儀抓取實(shí)時(shí)以太網(wǎng)報(bào)文，結(jié)合Wireshark網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析工具，對(duì)PROFINET網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行研究，對(duì)PROFINET產(chǎn)品性能進(jìn)行分析。
2 德國(guó)赫優(yōu)訊netANALYZER技術(shù)特點(diǎn)和工作原理分析
2.1 netANALYZER技術(shù)特點(diǎn)
赫優(yōu)訊實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀netANALYZER，如下圖1所示，基于德國(guó)赫優(yōu)訊百分百知識(shí)產(chǎn)權(quán)芯片netX，是一種智能的PC板卡，通過PCI插槽連接PC機(jī)，分析儀帶有2組以太網(wǎng)接口，支持雙向傳輸，集成了內(nèi)部TAP；具有3個(gè)狀態(tài)顯示LED用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)、報(bào)文抓取和事件偵聽；4個(gè)GPIO信號(hào)口用于連接外部IO信號(hào)。每個(gè)以太網(wǎng)幀時(shí)間戳的分辨率是10ns，可精確測(cè)量網(wǎng)絡(luò)延遲和時(shí)間抖動(dòng)。內(nèi)部firmware豐富，DPM高達(dá)64K，可應(yīng)用于EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議的分析，最大可抓取1GB的報(bào)文數(shù)據(jù)，報(bào)文數(shù)據(jù)格式可自動(dòng)轉(zhuǎn)為WinPCAP文件格式，供Wireshark等免費(fèi)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
圖1. netANALYZER實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀
2.2 netANALYZER工作原理
實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀netANALYZER的工作原理如圖2所示，大體可分為以下三個(gè)步驟：報(bào)文數(shù)據(jù)的抓取、信息內(nèi)容的轉(zhuǎn)移和信息格式的轉(zhuǎn)換與顯示。
圖2. netANALYZER實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀工作原理
2.2.1報(bào)文數(shù)據(jù)的抓取
以太網(wǎng)報(bào)文由物理接口傳送至netANALYZER，通過xC Link將報(bào)文和狀態(tài)信息、時(shí)間戳、長(zhǎng)度、報(bào)文錯(cuò)誤等信息一同傳送至netX芯片的RAM區(qū)中，報(bào)文由已經(jīng)存儲(chǔ)在flash中的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議固件，根據(jù)不同實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議報(bào)文格式進(jìn)行打包，由ARM核處理后傳送至netX芯片外部SDRAM中，從而完成報(bào)文數(shù)據(jù)的抓取打包過程。
2.2.2信息內(nèi)容的轉(zhuǎn)移
由于netANALYZER自身存儲(chǔ)空間有限，如果所有數(shù)據(jù)全部保存至netANALYZER中，將大大影響抓取報(bào)文的數(shù)量，而實(shí)時(shí)以太網(wǎng)報(bào)文數(shù)據(jù)量非常之大，為了獲得更多的報(bào)文信息，精確分析結(jié)果，netANALYZER通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂刹煌瑢?shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議firmware打包的報(bào)文，通過PCI接口，傳送至PC的RAM中，并以*.hea的二進(jìn)制格式轉(zhuǎn)存至PC的硬盤中，存儲(chǔ)的路徑根據(jù)用戶的定義，最大存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量為1G。
2.2.3信息格式的轉(zhuǎn)換與顯示
由于*.hea的二進(jìn)制格式文件并不是一個(gè)通用的文件格式，為了方便用戶使用一些常用的以太網(wǎng)報(bào)文分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，netANALYZER軟件具有將*.hea格式文件轉(zhuǎn)換為*.pcap文件格式的功能，并存儲(chǔ)至用戶定義的目錄下，這樣用戶就可以非常方便地對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析，例如錯(cuò)誤報(bào)文的分析、循環(huán)周期、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、時(shí)間抖動(dòng)等。
3 PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的搭建
netANALYZER進(jìn)行實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議報(bào)文信息的分析，首先需要搭建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，由于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議眾多，本文采用其中一種常用協(xié)議PROFINET進(jìn)行研究分析，故搭建PROFINET的測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。
PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)平臺(tái)的搭建需要PROFINET的主站和從站，選擇德國(guó)赫優(yōu)訊現(xiàn)有產(chǎn)品cifX50-RE作為PROFINET主站，NXIO作為PROFINET從站進(jìn)行測(cè)試。其中德國(guó)赫優(yōu)訊cifX50-RE同一塊硬件可通過下載不同的固件firmware，可實(shí)現(xiàn)包括EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議的主站或從站，而NXIO可通過加上不同的CF卡（CF卡上保存有相應(yīng)的firmware），實(shí)現(xiàn)不同實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的從站功能。
不同的硬件連接方式所測(cè)試的數(shù)據(jù)，可分析實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)備的不同性能和參數(shù)，（具體參考德國(guó)赫優(yōu)訊netANALYZER產(chǎn)品應(yīng)用手冊(cè)），本文采用其中一種連接方式，netANALYZER的連接如圖3，此連接方式可以分析錯(cuò)誤報(bào)文、循環(huán)周期、時(shí)間抖動(dòng)等信息。
圖3. PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)連接圖
4 PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)
4.1 PROFINET網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
cifX50-RE作為PROFINET主站，首先需要通過赫優(yōu)訊基于FDT/DTM技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)配置工具，對(duì)cifX50-RE進(jìn)行固件Firmware下載、網(wǎng)絡(luò)配置和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。而NXIO作為PROFINET從站測(cè)試板，相關(guān)Firmware等信息已經(jīng)在CF存儲(chǔ)卡中，故無需作過多的操作。具體的cifX50-RE的PROFINET網(wǎng)絡(luò)配置和PROFINET網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建可咨詢德國(guó)赫優(yōu)訊上海代表處。
4.2 netANALYZER的實(shí)現(xiàn)
在安裝上netANALYZER分析儀驅(qū)動(dòng)和軟件后，運(yùn)行netANALYZER軟件，如圖4所示，如果硬件上連接上其中一個(gè)TAP口，在圖上會(huì)顯示出連接狀態(tài)，同時(shí)可根據(jù)netANALYZER上LED進(jìn)行狀態(tài)判斷，本例中連接TAP2口。
圖4. netANALYZER軟件界面
用戶可通過file setting進(jìn)行*.hea和*.pcap文件的存儲(chǔ)路徑的設(shè)置，通過GPIO進(jìn)行外部IO信號(hào)的設(shè)定，由于IO報(bào)文可能會(huì)和其它報(bào)文產(chǎn)生混淆，赫優(yōu)訊netANALYZER光盤中特提供了“”文件，安裝此文件后，GPIO的數(shù)據(jù)格式可變成特定的格式，以便區(qū)分，直接將此文件導(dǎo)入Wireshark plugins文件夾下即可。
同時(shí)用戶可根據(jù)需要，進(jìn)行報(bào)文信息的過濾，通過filter setting設(shè)定報(bào)文信息的MAC地址，即可過濾掉不需要的報(bào)文，抓取有用的報(bào)文信息。
設(shè)定好上述信息后，用戶即可進(jìn)行PROFINET報(bào)文的抓取，單擊start，抓取完成后點(diǎn)擊stop，而后點(diǎn)擊convert進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換，即保存為*.pcap文件。
5 PROFINET網(wǎng)絡(luò)性能的分析
通過上述操作，成功抓取PROFINET報(bào)文共計(jì)5124KB，利用wireshark軟件打開所抓取的報(bào)文如圖5所示。
圖5. netANALYZER抓取的報(bào)文信息
通過Wireshark中IO Graphs進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的分析，選擇數(shù)據(jù)顯示的不同方式，如圖6所示。
圖6. netANALYZER抓取的報(bào)文分析
分析所抓取的報(bào)文，抓取報(bào)文的時(shí)間為176.007-210.662S，即34.655S，數(shù)據(jù)報(bào)文總數(shù)為69318條，其中每條報(bào)文的長(zhǎng)度為64Bytes，計(jì)算可得PROFINET在上述環(huán)境下的通訊速度為1MB/S。
通過報(bào)文的顯示顏色可發(fā)現(xiàn)無錯(cuò)誤報(bào)文信息，說明通訊數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常高，如果有外部IO信息，也可同時(shí)分析出。
根據(jù)圖6，圖上每個(gè)時(shí)間段內(nèi)報(bào)文數(shù)量比較均勻，時(shí)間段內(nèi)報(bào)文數(shù)線條光滑，說明所循環(huán)的PROFINET的報(bào)文信息時(shí)間抖動(dòng)小，從而說明實(shí)時(shí)以太網(wǎng)硬件的通訊性能良好，另外，如果數(shù)據(jù)量非常大，可以通過更為精確的分析軟件進(jìn)行研究分析時(shí)間抖動(dòng)的幅度。
6 結(jié)束語
本文在深入分析實(shí)時(shí)以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)備性能參數(shù)的測(cè)試問題，在詳細(xì)剖析赫優(yōu)訊netANALYZER實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀后，選擇PROFINET協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，通過搭建PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)PROFINET的報(bào)文抓取進(jìn)行深入探討，通過免費(fèi)以太網(wǎng)報(bào)文分析軟件Wireshark進(jìn)行分析。另外如果用戶需要對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行分析，需要對(duì)時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行更加深入的分析，用戶可自行搭建平臺(tái)如圖7所示（赫優(yōu)訊可提供幫助）。netANALYZER網(wǎng)絡(luò)分析儀可對(duì)包括EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行分析，是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)和使用過程中不可缺少的工具，是工程師的得力助手。
圖7. netANALYZER硬件連接圖
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作者簡(jiǎn)介
鄒玉鞋 德國(guó)赫優(yōu)訊自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司技術(shù)支持主管 專門從事工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)網(wǎng)絡(luò)研究。
（轉(zhuǎn)載）
