小讲堂 - EtherNet/IP | 第1讲:EtherNet/IP网络和CIP协议浅析

罗克韦尔自动化及软件部门技术顾问王宏善

2014-05-22 罗克韦尔自动化

与我们联系，请点击这里

EtherNet／IP(EtherNet Industry Protoco1)是适合工业环境应用的协议体系。它是由两大工业组织ODVA(OpenDeviceNet Vendors Association)ControlNet International所推出的最新的成员。和DeviceNet以及ControlNet一样，它们都是基于CIP(Control and Informal／on Protoco1)协议的网络。它是一种是面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时I／0信息和显式信息(包括用于组态参数设置、诊断等)的有效传输。

EtherNet／IP采用和DevieNet以及ControlNet相同的应用层协CIP(Control and Information Protoco1)，因此，它们使用相同的对象库和一致的行业规范，具有较好的一致性。EtherNet／IP采用标准的EtherNet和TCP／IP技术来传送CIP通信包，这样，通用且开放的应用层协议CIP加上已经被广泛使用的EtherNet和TCP／IP协议，就构成EtherNet／IP协议的体系结构。协议的各层结构如图1所示。

1 EtherNet／IP协议模型及协议内容

1. 物理层和数据链路层

EtherNet／IP在物理层和数据链路层采用以太网。其主要由以太网控制器芯片来实现。从图2可看出，不久的将来会出现更合适的物理层和数据链路层协议， 会出现相应的芯片。但是上面的协议无须改变。

2 .网络层和传输层

EtherNet／IP在网络层和传输层采用标准的TCP／IP技术。对于面向控制的实时I／0数据，采用UDP／IP协议来传送，而对于显式信息(如组态、参数设置和诊断等)则采用TCP／IP来传送过程监控层流通的数据基本是显式信息，采用TCP／IP来传送，其优先级较低。而将来采用工业以太网EtherNet／IP协议的现场设备层，流通的数据基本是实时I／O数据，采用UDP／IP胁议来传送，其优先级较高。

3. 控制及信息协议(ClP)

控制及信息协议(CIP)是一种为工业应用开发的应用层协议，被DeviceNet、ControlNet、EtherNet／IP等3种网络所采用，因此这3种网络相应地统称为CIP网络.

（1）CIP的特点有以下几点

①报文
CIP协议最重要的特点是可以传输多种类型的数据。工业应用中所需要传输的数据类型有I／O、互锁、配置、故障诊断、程序上载或下载等。这些不同类型的数据对传输服务质量的要求是不同的。重要的传输服务质量评价指标有确定性、单位时间内有通信行为的节点所占的比例、响应时间等。

CIP根据所传输的数据对传输服务质量要求的不同，把报文分为两种：显 式报文和隐式报文。显式报文用于传输对时间没有苛求的数据，比如程序的上载 下载、系统维护、故障诊断、设备配置等。由于这种报文包含解读该报文所需要 的信息，所以称为显式报文。隐式报文用于传输对时间有苛求的数据，如I／O、实时互锁等。由于这种报文不包含解读该报文所需要的信息，其含义是在网络配置时就确定的，所以称为隐式报文。由于隐式报文通常用于传输I／O数据，隐式报文又称为I／O报文或隐式I／O报文。

在网络底层协议的支持下，CIP用不同的方式传输不同类型的报文，以满足它们对传输服务质量的不同要求。DeviceNet给予不同类型的报文不同的优先级， 隐式报文使用优先级高的报头，显式报文使用优先级低的报头。ControlNet在预定时问段发送隐式报文，在非预定时问段发送显式报文。而Ethemet／IP用TCP来发送显式报文，用UDP来发送隐式报文。

②面向连接

CIP还有一个重要特点是面向连接，即在通信开始之前必须建立起连接，获取惟一的连接标识符(connection ID)。如果连接涉及到双向的数据传输，就 需要两个CID。CID的定义及格式是与具体网络有关的，比如，DeviceNet的CID 定义是基于CAN标识符的。通过获取CD，连接报文就不必包含与连接有关的所 有信息，只需要包含CID即可，从而提高了通信效率。不过，建立连接需要用到 未连接报文。未连接报文需要包括完整的目的地节点地址、内部数据描述符等信 息，如果需要应答，还要给出完整的源节点地址。

对应于两种CIP报文传输，CIP连接也有两种，即显式连接和隐式连接。建立连接需要用到末连接报文管理器(unconnected Message Manager—UCMM)，它是CIP设备中专门用于处理未连接报文的一个部件。如果节点A试图与节点B建立显式连接，它就以广播的方式发出一个要求建立显式连接的未连接请求报文，网络上所有的节点都接收到该请求，并判断是否发给自己的，节点B发现是发给自己的，其UCMM就做出反应，也以广播的方式发出一个包含CID的未连接响应报文，节点A接收到后，得知CID，显式连接就建立了。隐式连接的建立更为复杂，它是在网络配置时建立的，在这一过程中，需要用到多种显式报文传输服务。CIP把连接分为多个层次，从上往下依次是应用连接、传输连接和网络连接。一个传输连接是在一个或两个网络连接的基础上建立的，而一个应用连接是在一个或两个传输连接的基础上建立的。

③生产者／消费者模型
在传统的源／目的通信模式下，源端每次只能和一个目的地址通信，源端提供的实时数据必须保证每一个目的端的实时性要求，同时一些目的端可能不需要这些数据，因此浪费了时间，而且实时数据的传送时间会随着目的端数目的多少而改变。而在EtherNeL／IP所采用生产者／消费者通信模式下，数据之间的关联不是由具体的源、目的地址联系起来，而是以生产者和消费者的形式提供，允许网络上所有节点同时从一个数据源存取同一数据，因此使数据的传输达到了最优化，每个数据源只需要一次性的把数据传输到网络上，其它节点就可以选择性地接收这些数据，避免了浪费带宽，提高了系统的通信效率，能够很好地支持系统的控制、组态和数据采集。

（2） CIP 协议功能及特征

EtherNet/IP 其特色就是被称作控制和信息协议的CIP 部分。CIP 一方面提供实时I/O 通信，一方面实现信息的对等传输。其控制部分通过隐形报文来实现实时I/O 通信，信息部分则通过显性报文来实现非实时的信息交换。CIP 协议的一个重要的特性，是其介质无关性。即CIP 作为应用层协议的实施与底层介质无关。这就是人们可以在控制系统和I/O 设备上灵活实施这一开放协议的原因。同样，当未来新型的通讯手段出现时，人们一样可以方便地将其移植到更高性能的网络上实施，并且提供全部的网络功能，保证与原有现场总线或者以太网技术的透明性和一致性。

2 EtherNet/IP 的通信机制

1. 通信模式
不同于源/目的通信模式，EtherNet/IP 采用生产/消费模式，它允许网络上的节点同时存取同一个源的数据。在生产/消费模式中，数据被分配一个唯一的标识，每一个数据源一次性的将数据发送到网络上，其他节点选择性的读取这 些数据，从而提高了系统的通信效率。

2. CIP 报文通信
CIP 报文定义了显式报文和隐式报文两种报文类型, 隐式报文是对时间有苛刻要求的I/O信息(时间触发、控制器互锁等等)，此时数据量不大但需要高的速度或需要较长的源节点和其他节点连接时间，所以这部分采用的是速度较快的UDP 协议；显式报文数据量较大但不需要一直连接所以这部分采用TCP 协议。 CIP 报文的通信分为无连接的通信和基于连接的通信。无连接的报文通信是CIP 定义的最基本的通信方式。设备的无连接通信资源由无连接报文管理器UCMM 管理。无连接通信不需要任何设置或任何机制保持连接激活状态; 基于连接的报文通信是CIP 网路传递报文的另一种方式,可用来传递I/O数据和显式报文。这种通信方式支持生产者/消费者模式的多点传输关系, 一次向多个目的节点进行高效的数据传输。

与我们联系，请点击这里