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工業以太網通信——TCP協議簡介

工業以太網近年來發展迅速,頗引人矚目。主要由于工業自動化正向分布式、智能化方面發展,其中通信已成為其中關鍵一環。用戶對統一的網絡通信要求日益迫切,但多種工業線程總線互相不兼容,不同公司的控制器之間不能實現高速實時的數據傳輸,導致“自動化孤島”現象。促使人們開始尋找新的出路:工業以太網—TCP協議。

   TCP協議簡介  
TCP是TCP/IP體系中非常復雜的一個協議,TCP最主要的特點有:
● TCP是面向連接的運輸層協議。應用程序在使用TCP協議之前,必須先建立TCP連接。在傳遞數據完畢后,必須釋放已建立的TCP連接。
● 每一條TCP連接只能有兩個端點,只能說點對點的。
● TCP提供可靠交付的服務,通過TCP連接傳送的數據,無差錯,不丟失,不重復,并且按序到達
● TCP提供全雙工通信。TCP允許通信雙方的應用進程在任何時候都能發送數據。TCP連接的兩端都設有發送緩存和接收緩存,用來臨時存放雙向通信的數據。
● 面向字節流。TCP中的“流”指的是流入到進程或從進程流出的字節序列。“面向字節流”的含義是:雖然應用程序和TCP的交互是一次一個數據塊(大小不等),但TCP把應用程序交下來的數據看成僅僅是一連串的無結構的字節流。TCP并不知道所傳送的字節流的含義。TCP不保證接收方應用程序所收到的數據塊和發送方應用程序所發出的數據塊具有對應大小的關系。但接收方應用程序收到的字節流必須和發送方應用程序發出的字節流完全一樣。當然,接收方的應用程序必須有能力識別收到的字節流,把它還原成有意義的應用層數據。

TCP報文段先要傳到IP層,加上IP首部后,再傳送到數據鏈路層。再加上數據鏈路層的首部和尾部,才離開主機發送到物理鏈路。
a.TCP和UDP在發送報文時所采用的方式完全不同。TCP并不關心應用程序一次把多長的報文發送到TCP緩存中,而是根據對方給出的窗口值和當前網絡擁塞的程度來決定一個報文段應包含多少個字節(UDP發送的報文長度是應用程序給出的)。
b.如果應用程序傳送到TCP緩存的數據塊太大,TCP就可以把它劃分短一些再傳。TCP也可以等待積累有足夠多的字節后再構建成報文段發送出去。

   TCP傳輸的優點  
● 具有相當高的數據傳輸速率,PLC普遍支持100Mbps,最高可達1000Mbps。
● 基于TCP的以太網采用國際主流的標準,協議開放、不同廠商設備均可正常通信,互聯操作性極強。
● 采用雙絞線通信,抗干擾能力極強。實際使用過程中完全可以勝任高頻、靜電等工業常見干擾。

   TCP鏈接三次握手  

● 一開始,客戶端和服務端都處于CLOSED狀態
● 先是服務端主動監聽某個端口,處于LISTEN狀態
● 客戶端主動發起連接SYN,之后處于SYN-SENT狀態
● 服務端收到發起的連接,返回SYN,并且ACK客戶端的SYN,之后處于SYN-RCVD狀態
● 客戶端收到服務端發送的SYN和ACK之后,發送ACK的ACK,之后處于ESTABLISHED狀態
● 服務端收到ACK的ACK之后,處于ESTABLISHED狀態。

   TCP鏈接釋放四次揮手  

● 當前A和B都處于ESTAB-LISHED狀態。
● A的應用進程先向其TCP發出連接釋放報文段,并停止再發送數據,主動關閉TCP連接。
● B收到連接釋放報文段后即發出確認,然后B進入CLOSE-WAIT(關閉等待)狀態。TCP服務器進程這時應通知高層應用進程,因而從A到B這個方向的連接就釋放了,這時TCP連接處于半關閉狀態,即A已經沒有數據發送了。從B到A這個方向的連接并未關閉,這個狀態可能會持續一些時間。
● A收到來自B的確認后,就進入FIN-WAIT-2(終止等待2)狀態,等待B發出的連接釋放報文端。
● 若B已經沒有向A發送的數據,B發出連接釋放信號,這時B進入LAST-ACK(最后確認)狀態等待A的確認。
● A再收到B的連接釋放消息后,必須對此發出確認,然后進入TIME-WAIT(時間等待)狀態。請注意,現在TCP連接還沒有釋放掉,必須經過時間等待計時器(TIME-WAIT timer)設置的時間2MSL后,A才進入CLOSED狀態。
● B收到A發出的確認消息后,進入CLOSED狀態。

  主流應用層協議  
● Modbus TCP協議:
Modbus TCP協議是法國施耐德公司發布的協議,以一種非常簡單的方式將Modbus幀數據嵌入到TCP幀中。應用非常廣泛,最重的是設備與PC間通信不存在協議轉換開發難度大大降低。
 ● ProfiNet協議
ProfiNet協議是德國西門子發布的工業以太網規范。ProfiNet解決方案囊括了諸如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全等當前自動化領域的熱點話題。
ProfiNet支持三種通信方式:
① TCP/IP標準通信:ProfiNet基于工業以太網技術,使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP是IT領域關于通信協議方面事實上的標準,盡管其響應時間大概在100ms的量級,,但對于工廠控制級的應用來說,這個響應時間已經足夠了。
② 實時RT通信。
③ 等時同步實時通信。

 綜上這些特點和優點,目前工業機器人、PLC、數控系統等都可以使用工業以太網TCP與PC通信。很容就可做到設備信息通過互聯網發送主控室、企業的EPP和管理系統,甚至可上傳Internet、云端供人們閱讀。

 

●●● END ●●●

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工業以太網近年來發展迅速,頗引人矚目。主要由于工業自動化正向分布式、智能化方面發展,其中通信已成為其中關鍵一環。用戶對統一的網絡通信要求日益迫切,但多種工業線程總線互相不兼容,不同公司的控制器之間不能實現高速實時的數據傳輸,導致“自動化孤島”現象。促使人們開始尋找新的出路:工業以太網—TCP協議。

   TCP協議簡介  
TCP是TCP/IP體系中非常復雜的一個協議,TCP最主要的特點有:
● TCP是面向連接的運輸層協議。應用程序在使用TCP協議之前,必須先建立TCP連接。在傳遞數據完畢后,必須釋放已建立的TCP連接。
● 每一條TCP連接只能有兩個端點,只能說點對點的。
● TCP提供可靠交付的服務,通過TCP連接傳送的數據,無差錯,不丟失,不重復,并且按序到達
● TCP提供全雙工通信。TCP允許通信雙方的應用進程在任何時候都能發送數據。TCP連接的兩端都設有發送緩存和接收緩存,用來臨時存放雙向通信的數據。
● 面向字節流。TCP中的“流”指的是流入到進程或從進程流出的字節序列。“面向字節流”的含義是:雖然應用程序和TCP的交互是一次一個數據塊(大小不等),但TCP把應用程序交下來的數據看成僅僅是一連串的無結構的字節流。TCP并不知道所傳送的字節流的含義。TCP不保證接收方應用程序所收到的數據塊和發送方應用程序所發出的數據塊具有對應大小的關系。但接收方應用程序收到的字節流必須和發送方應用程序發出的字節流完全一樣。當然,接收方的應用程序必須有能力識別收到的字節流,把它還原成有意義的應用層數據。

TCP報文段先要傳到IP層,加上IP首部后,再傳送到數據鏈路層。再加上數據鏈路層的首部和尾部,才離開主機發送到物理鏈路。
a.TCP和UDP在發送報文時所采用的方式完全不同。TCP并不關心應用程序一次把多長的報文發送到TCP緩存中,而是根據對方給出的窗口值和當前網絡擁塞的程度來決定一個報文段應包含多少個字節(UDP發送的報文長度是應用程序給出的)。
b.如果應用程序傳送到TCP緩存的數據塊太大,TCP就可以把它劃分短一些再傳。TCP也可以等待積累有足夠多的字節后再構建成報文段發送出去。

   TCP傳輸的優點  
● 具有相當高的數據傳輸速率,PLC普遍支持100Mbps,最高可達1000Mbps。
● 基于TCP的以太網采用國際主流的標準,協議開放、不同廠商設備均可正常通信,互聯操作性極強。
● 采用雙絞線通信,抗干擾能力極強。實際使用過程中完全可以勝任高頻、靜電等工業常見干擾。

   TCP鏈接三次握手  

● 一開始,客戶端和服務端都處于CLOSED狀態
● 先是服務端主動監聽某個端口,處于LISTEN狀態
● 客戶端主動發起連接SYN,之后處于SYN-SENT狀態
● 服務端收到發起的連接,返回SYN,并且ACK客戶端的SYN,之后處于SYN-RCVD狀態
● 客戶端收到服務端發送的SYN和ACK之后,發送ACK的ACK,之后處于ESTABLISHED狀態
● 服務端收到ACK的ACK之后,處于ESTABLISHED狀態。

   TCP鏈接釋放四次揮手  

● 當前A和B都處于ESTAB-LISHED狀態。
● A的應用進程先向其TCP發出連接釋放報文段,并停止再發送數據,主動關閉TCP連接。
● B收到連接釋放報文段后即發出確認,然后B進入CLOSE-WAIT(關閉等待)狀態。TCP服務器進程這時應通知高層應用進程,因而從A到B這個方向的連接就釋放了,這時TCP連接處于半關閉狀態,即A已經沒有數據發送了。從B到A這個方向的連接并未關閉,這個狀態可能會持續一些時間。
● A收到來自B的確認后,就進入FIN-WAIT-2(終止等待2)狀態,等待B發出的連接釋放報文端。
● 若B已經沒有向A發送的數據,B發出連接釋放信號,這時B進入LAST-ACK(最后確認)狀態等待A的確認。
● A再收到B的連接釋放消息后,必須對此發出確認,然后進入TIME-WAIT(時間等待)狀態。請注意,現在TCP連接還沒有釋放掉,必須經過時間等待計時器(TIME-WAIT timer)設置的時間2MSL后,A才進入CLOSED狀態。
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Modbus TCP協議是法國施耐德公司發布的協議,以一種非常簡單的方式將Modbus幀數據嵌入到TCP幀中。應用非常廣泛,最重的是設備與PC間通信不存在協議轉換開發難度大大降低。
 ● ProfiNet協議
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ProfiNet支持三種通信方式:
① TCP/IP標準通信:ProfiNet基于工業以太網技術,使用TCP/IP和IT標準。TCP/IP是IT領域關于通信協議方面事實上的標準,盡管其響應時間大概在100ms的量級,,但對于工廠控制級的應用來說,這個響應時間已經足夠了。
② 實時RT通信。
③ 等時同步實時通信。

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