（控制理论与控制工程专业论文）基于ethernetip协议的多agent系统通信.pdf

摘要 摘要 以太网技术的迅速发展使得以太网逐渐进入控制领域。以太网最初被认为 不是确定性网络，不能应用于工业现场，但随着以太网技术的进一步发展，以 太网实时性和确定性已经得到了较好的解决，能够应用于控制网络。同时，工 业以太网大都采用以太网作为物理链路层，并且采用t c p i p 作为传输层和网络 层，这也使得解决工业控制网络中的互操作性更为方便。 本文主要讨论如何建立适合网络控制的工业以太网，讨论了控制网络中数 据传输的特点，以及应用层协议如何适应和满足控制系统的要求。首先，如何 根据控n n 络传输数据的类型和方式，采用合适、高效的方法来传输数据。其 次，应用层协议应该解决互操作性的问题，为此工业以太网应该采用面向对象 的应用层协议。 本文在p c 上实现了工业以太网协议e t h e r n e t i p ，它在应用层上采用c i p ( 控 制与信息协议) t 能够保证网络上的实时i o 信息和显式信息的有效传输。同时， c i p 是面向对象的应用层协议，能够较好地解决控制网络中的互操作性。 i n t e m e t 正在朝着采用分布式对象的通信模式发展，分布式对象的一个发展 方向是智能a g e n t 。这些技术能够较好的解决互操作性，并且使网络传输更高效。 本文在最后，还就将多a g e n t 技术引入工业以太网中作了阐述。 关键词：以太网工业协议控制与信息协议封装多智能体 a b s t r a c t a b s t r a c t e t h e r n e ti s s t e p p i n gi n t o c o n t r o la r e aw i t ht h er a p i di m p r o v e m e n to fe t h e r n e t t e c h n o l o g y e t h e r n e th a s e v e rb e e ns e e na san o n d e t e r m i n i s mn e t w o r k ，b u tt h e i m p r o v e m e n t s i ne t h e r n e tt e c h n o l o g yh a v e i m p r o v e dt h ed e t e r m i n i s mt o ag r e a t e m e n t ，e t h e r n e tc a nb eu s e di nc o n t r o la r e an o w a tt h es a m et i m e m o s ti n d u s t r i a l e t h e m e tu s et h es t a n d a r de t h e r n e ta st h ep h y s i c a ll a y e r , w h i l eu s i n gt c p i pa st h e t r a n s m i s s i o nl a y e ra n dt h en e t w o r kl a y e rp r o t o c o l ，s oi ti sm o r ec o n v e n i e n tf o ru st o s o l v et h e p r o b l e mo fi n t e r o p e r a b i l i t ye x i s t i n gi ni n d u s t r yn e t w o r kb e f o r e t h i sp a s s a g em a i n l yd e v o t e dt oh o wt ou s ee t h e r n e tf o rc o n t r o l ，i tp r e s e n t e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o ln e t w o r kt r a n s m i s s i o n d a t a ，a n dh o wa p p l i c a t i o n l a y e r p r o t o c o lf i t st ot r a n s m i td a t aw e l l f i r s to f a l l ，t h i sp a s s a g et a l k sa b o u th o w t ot r a n s m i t d a t ae f f i c i e n t l ya c c o r d i n gt od a t at r a n s m i s s i o na n dt h et r a n s m i s s i o nw a y s e c o n d l y ， a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o ls h o u l dp r o v i d ew a y st os o l v et h ei n t e r o p e r a b i l i t yp r o b l e m e x i s t i n gi ni n d u s t r i a ln e t w o r k ，s oa no b j e c t o r i e n t e da p p l i c a t i o np r o t o c o li sg e n e r a l l y u s e di ni n d u s t r i a le t h e r n e t t h i sp a s s a g eg a v ea na p p l i c a t i o no fe t h e r n e v i pb a s e do np c i ta d o p t e dc i pa s t h e a p p l i c a t i o nl a y e r , w h i c hc a np r o v i d et h a tn e t w o r kd e v i c e st r a n s m i td a t am o r e e f f i c i e n t l y a tt h e s a m et i m e ，c i pi sa no b j e c t o r i e n t e dp r o t o c o l ，a n di tc a ns o l v e p r o b l e m sr e l a t e dt oc o m p a t i b i l i t i e se x i s t i n gi ni n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k s i n t e m e ti s u s i n g ad i s t r i b u t e o b j e c t c o m m u n i c a t i o n m o d e l ，o n e o ft h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fd i s t r i b u t eo b j e c ti si n t e l l i g e n ta g e n t t h e s et e c h n o l o g i e s c a r ls o l v et h ei n t e r o p e r a b i l i t yp r o b l e ma n dm a k ed a t at r a n s m i s s i o nm o r ee f f i c i e n t f i n a l l y , t h i sp a s s a g ep r e s e n t e dh o wt og u i d em u l t i - a g e n tt e c h n o l o g yi n t oi n d u s t r y c o n t r 0 1 k e y w o r d s ：e t h e r n e t i p c i p e n c a p s u l a t i o nm u l t i - a g e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作和取得的 ! i i i i 成果，除了文巾特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 r w 删。i 过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或汪 r 使用过的材料。与我一同l 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 j 明确的说明并表示了谢意。 学f 讧沦丈作者签名：李采凄 签字同期：王p p 乒年月fr 学位论文版权使用授权书 水学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位沦文的规定。 l k 仪鑫垄蠢鲎i u 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 4 i ：采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借蒯。同意学校 “! i | 、l 家何走部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 r f _ ：密的学位论文在解密后适用本授权说明) 擞懈签名：拿长瘥 导师签名 矿， 乡。啄j 垄i 圳：2 口d 争年月5 同 。 签字只期：) 矿孵月_ r - r j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工业以太网是控制网络的方向 随着工业自动化系统向分布化、智能化的实时控制方面的发展，出现了各类 现场总线技术【1 】【2 l 【3 。现场总线具有开放、分散、数字化等特点，有利于企业自 动化系统与信息管理系统的集成、从而实现整个企业能力的提升。但是，由于总 线市场的巨大诱惑，多家厂家在总线标准上展开激烈的竞争，导致多种标准并行。 各种现场总线的通信协议完全不同，他们能够在各自的领域很好的工作，但是却 不能相互兼容和互操作。因此，为了适应i n t e m e t i n t r a n e t 的飞速发展，使工业控 制网络能够与i n t e m e t i n t r a n e t 相集成，并且使各厂家提能够提供具有较好的一致 性和互操作性的控制网络设备，就成为当前急待解决的问题。 为了解决现场总线所带来的问题，国际上各厂商开始采用以太网来作为控制 网络【4 儿”。将以太网应用于控制网络，具有较多的优点，主要包括： 1 、便于解决现场总线中的互操作性问题 基于以太网的网络大多采用t c p i p 协议，各种工业以太网方案也都在网络 层和传输层上采用t c p i p 协议，这就为解决控制系统中各厂商问的产品互不兼 容或可操作性差带来了很大的方便。 2 、成本低廉 低成本、易于组网是e m e m e t 的极大优越性。以太网与计算机、服务器等接 口十分方便。e t h e m e t 网卡价格十分便宜。另外，用户的拥有成本下降，几乎每 一家企业都具有e t l l e m e t 维护人员。目前以太网网卡的价格只有p r o f i b u s 、f f 等 现场总线网卡的1 1 0 ，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。 3 、通信速率高 目前以太网的通信速率为1 0 m b s ，l o o m b s 的快速以太网已开始广泛应用， 1 0 0 0 m b s 以太网技术也逐渐成熟，l o g b s 以太网也正在研究中。这些以太网的 速率比目前的现场总线快得多，可以满足对带宽有更高要求的需要。 4 、软硬件资源丰富 e t i l e m e t 受到了广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持e t h e r n e t 的应用 开发，今后还会出现更好的e t h e m e t 开发技术。由于以太网已应用多年，人们对 第一章绪论 以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资 源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用，从而可以显著降低系统的整 体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 5 、能够实现办公自动化网络，企业管理网络以及工业控制网络的无缝集成。 以太网由于其开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点，不但基本垄断了商 业领域的网络市场，而且在工业控制领域( 主要是在企业管理层) 也得到了大规模 的应用。目前许多大公司的工业控制系统都是采用以太网来统一管理层的通信， 而且各种现场总线也大多开发出以太网接口，可以建立一个从现场控制到企业管 理层都采用的以太网的控制网络。 由以上可见，将以太网应用于控制网络，具有较大的优势。它能够适应 i n t r a n e t i n t e m e t 等信息技术的飞速发展，使企业能够实现从现场控制层到企业管 理层全面的无缝信息集成。 1 2 以太网作为控制网络的一些问题 虽然以太网应用于控制网络拥有众多的优点，但仍有较多的问题需要解决。 这些问题主要包括以太网通信的实时性和实现相互间的互操作性【6 1 7 1 。目前，采 用以太网来建立一个控制系统仍然收到很多因素的制约。能够应用于工业控制的 网络属于确定性网络，这些工业控制网络大多提供一些计划好的带宽( 如时间段) 来传输时间关键性的数据。而e t h e m e t 在过去被认为是不确定性网络，不能应用 于控制网络，这主要是因为e t h e m e t 的c s m a c d 媒体访问控制方式不能保证网 络( 传输时间) 的确定性，在网络负荷重时的传输效率很低甚至崩溃，但是随着以 太网技术的进一步发展，全双工及多路复用智能集线器的使用、l o o m b s 快速 e t h e r n e t 的诞生等，基本上解决了e t h e m e t 的不确定性和实时性欠佳的问题【8 【9 】。 此外，采用适当的应用层协议，也可以在一定程度上解决e t h e m e t 不确定性和实 时| 生欠佳的问题。 以太网应用于控制网络，只是为解决各厂商间的产品互不兼容或可操作性差 带来了前提条件，实际的最终解决互操作性和建立能够无缝集成的i n t e m e t 还必 须采用相同的高层协议。 e t h e m e t 是世界上使用最多的网络，成本低，速度高，获得众多的支持。基 于以太网的协议众多，有d e c n e l ，n o v e l l l p x ，m a p ，t h eo s i s t a c k ，a p p l e t a l k 和 t c p i p 等。在这些协议中，t c p i p 受到广泛重视和支持，此外，t c p i p 才是i n t e r n e t 第一章绪论 的协议。采用t c p i p 为中间协议的以太网现在并且即将成为工业控制网络的主 要标准。 在解决工业以太网互操作性的问题上，仅仅是物理层采用以太网和传输层网 络层采用t c p ，i p 仍然是不够的。这是因为t c p n p 协议能够为通过以太网及其它 网络相连接的两个设备提供一系列的服务。但是，t c p i p 并不能保证网络上的两 个节点能够有效通信，它只能保证应用层的信息能够成功的在两个节点间传送。 有效的通信传输需要网络上的双方具有相互兼容的应用软件，使用相同的语言。 这些应用软件需要能够理解从对方传来的信息的属性、服务等，因此它们就需要 一个共同的基于t c p ，i p ( u d p _ i p ) 的方案，这样，连接在以太网上的各种设备才能 够具有较好的一致性，真正实现互操作。 1 3 主要的工业以太网解决方案 目前的工业以太网解决方案主要有采用封装、代理服务器和实时通信系统3 种解决方案。 1 3 1 封装 封装的方案主要包括r o c k w e l la u t o m a t i o n 和o d v a 开发的e t h e m e t i p 、f f 开发的h s e 、s c h n e i d e re l e c t r i c 开发的m o d b u s t c p 以及将原有p r o f i b u s 与互 联网技术结合形成的p r o f i n e t 的网络方案等。 1 、e t h e m e t i p ( e t h e r n e ti n d u s t r yp r o t o c 0 1 ) e t h e r n e t i p 是适合工业环境应用的协议体系。它是由两大工业组织0 d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r sa s s o c i a t i o n ) 和c o n t r o l n e ti n t e m a t i o n a l 所推出的最新 的成员，和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n e t 一样，它们都是基于c i p ( c o n t r o la n d i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议的网络。 2 、h s e ( f i e l d b u s f o u n d a t i o n h i g h s p e e de t h e m e 0 f f h 1 于1 9 9 7 年公布，当时对h 2 的构想是1 m b s 和2 5 m b s 波特率，传 输距离为5 0 0 m 和7 5 0 m 。后来f f 接受了一个更合理的建议，在1 9 9 8 年休斯敦会 议上决定改成以1 0 0 m b s 以太网为基础，并称高速以太网现场总线h s e 。 h s e 的技术特点是速度高( 1 0 0 m b s ) ，数据透过量很大，与计算机联接容易， 价格低。h s e 有两类用途，一类是完成由于计算量过大而不适合在现场仪表中进 行的高层次模型或调度运算；第二类是作为多条h 1 总线或其他网络的网关桥路 第一章绪论 器。 3 、m o d b u s ，r c p s c h e i d e ra u t o m a t i o n 公司于1 9 9 9 年公布了m o d b u s t c p 协议1 。11 1 1 。 m o d b u s t c p 并没有对m o d b u s 协议本身进行修改，但是为了满足工业实时 性需要，改变了数据的传输方法和速率。 m o d b u s t c p 协议以一种非常简单的方式将m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧中 ( 如下图所示) 。这是一种面向连接的方式，每一个呼叫都要求一个应答。这种呼 叫应答的机制与m o d b u s 的主从机制相互配合，使交换式以太网具有很高的确 定性。利用t c p i p 协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。利用网络 浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。s c h n e i d e r 公司已经为m o d b u s 注册了5 0 2 端口，这样就可以将实时数据嵌入到网页中。通过在设备中嵌入w e b 服务器，就可以将w e b 浏览器作为设备的操作终端。 这几种工业以太网方案都采用了物理层和链路层使用以太网，传输层和网络 层使用标准的t c p i p 协议的方案。 。 1 3 2 代理服务器 代理服务器( p r o x y ) 类似于对两个不同通信协议进行转换的网关( g a t e w a y ) ， 但是其功能要比后者强得多。代理服务器的主要目标是将标准现场总线网络集成 到工业以太网网络，其主要优点是现有的现场总线设备在今后仍能长期使用，从 而保护用户的投资。支持这种观点的是由p r o f i b u s 国际组织发布的p r o f i n e t ，它包 含两个概念，即开放的、面向对象的运行期( r u n t i m e ) 概念和独立于制造商的工程 概念。运行期概念基于t c p i p 、u d p 、r p c ( 运程程序调用) 和d c o m ，并对这些 基本机制进行加强和优化，因而它适合于高实时性能要求的应用领域。工程概念 包括建立工程对象模型，它不仅使用户能通过不同制造商的组态工具进行开发， 还可以采用分面( f a c e t ) 的方法定义制造商和应用专用的扩展功能，因此支持在单 个工厂范围集成不同制造商的产品。 1 3 3 实时通信系统 i d a ( i n t e r f a c e f o r d i s t r i b u t e d a u t o m a t i o n ，用于分布式自动化的接口) 采用美国 c a l i f o r n i a 公司丌发的位于第四层的n d d s 实时通信系统，n d d s 是 p u b l i s h e r s u b s c r i b e r 模式，提供宽范围强有力的应用服务。i d a 的另一个重要特 4 第一章绪论 性是基于w 曲的设备管理。所有现场设备均有其本身的w e b 页面，包括组态、 操作和诊断参数，用户可通过标准的浏览器进行访问。基于x m l 的设备描述简 化了系统的组态，并支持设备的互操作性和互换性。i d a 位于工业以太网的第七 层，它还定义从第四层到第七层和应用接i ( a p i ) 之间的通信，甚至还包括应用程 序的标准编程接口。 1 4 本课题主要的研究内容 针对目前工业以太网的研究现状，以及工业以太网在应用中所主要解决的问 题，本课题主要研究采用封装方案的工业以太网，并且考虑在工业以太网中传输 的数据的特点，采用合适的方法来保证能够有效通信。 工业以太网和i n t e m e t 技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工 业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层。以太网最为理想的情况是应 用在大量数据的传输和用在开放的网络( 点对点) 以及对时间要求不苛刻的数据 交换的时。在解决以太网应用于控制网络的过程中，除了需要继续提高以太网硬 件的数据传输速率，仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络负载等，降低数据冲 突发生的概率外，还需要根据工业现场通信的要求和特点，采用并制定适合工业 现场应用的应用层协议。 本课题主要根据工业控制网络上传输的信息类型及信息传输的要求来讨论 当以太网作为控制网络时，如何能够更好的满足控制网络传输信息的需要，为网 络上的通信设备提供高速并且可靠的通信链路。本文据此要求实现了e t h e r n e t i p 协议的部分规范，在p c 上利用e t h e r n e t i p 协议来传输控制网络上的两种报文数 据。同时，目前很多工业控制网络中的数据传输，都是面向分布式对象间的数据 传输，是开放性的网络条件下面向对象的数据传输，除了传输数据外，还传输具 体的对象，这样能够更好的解决工业以太网中的互操作性问题。 同时，分布式对象的网络环境也是将来的i n t e m e t 网络发展的方向，在本课 题中，还考虑将很多面向分布式对象的技术也引入到工业以太网的实现中来，提 高互操作性，并且完成基于e t h e r n e t i p 协议的多a g e n t 系统通信的设计。 第二章e t h e r n e t 1 p 协议简介 2 1 协议结构 第二章e t h e r n e t i p 协议简介 e t h e r n e t i p ( e t h e r n e ti n d u s t r yp r o t o c 0 1 ) 0 2 【1 3 】是适合工业环境应用的协议 体系1 4 1 。它是由两大工业组织o d v a ( o p e nd e v i c e n e tv e n d o r sa s s o c i a t i o n ) 和 c o n t r o l n e t i n t e r n a t i o n a l 所推出的最新的成员，和d e v i c e n e t 以及c o n 拓0 1 n e t 一样， 它们都是基于c i p ( c o n t r o la n d i n f o r m a t i o n p r o t o c 0 1 ) 协议的网络 1 5 】1 1 6 1 旧1 1 8 。 图2 1 基于c i p 的e t h e r n e t i p 协议o s i 模型 e t h e r n e t i p 采用了和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n e t 相同的应用层协议c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 1 9 1 2 0 , 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。e t h e r n e t i p 采用标准的e t h e r n e t 和t c p i p 技 第二章e _ l h e r n e t i p 协议简介 术来传送c i p 通信包。这样，通用、开放的应用层协议c i p 加上已经被广泛使 用的e t h e r n e t 和t c p f l p 协议，就构成e t h e r n e t i p 协议的体系结构。协议的各层 结构如图2 ，1 所示。 从图2 - 1 中，我们可以看到e t h e r n e t i p 和d e v i c e n e t 以及c o n t r o l n e t 采用 了相同的应用层c i p 协议规范，只是在o s i 协议7 层模型中的低4 层有所不同， e t h e r n e t i p 在物理层和数据链路层采用e t h e r n e t 技术，在传输层和网络层采用 t c p ( u d p ) i p 技术。 2 2 物理层和链路层采用e t h e r n e t e t h e r n e t l i p 在物理层和数据链路层采用e t h e r n e t 技术，在链路层上是 c s m a c d ，这使得他被认为是一种不确定的网络。 c s m a c d 具有一些优点和缺点。优点主要如下： l 、启动快速，因为简化了网络的连接方法。 2 、灵活性大，因为现有设备可以不受影响地随时扩展。 3 、可靠性高，因为采用了冗余式的网络拓扑结构。 4 、无限的通信能力，因为使用交换技术，可根据用户需求提供可伸缩的性 能。 5 、覆盖极为广泛的企业应用，可从办公室到生产现场。 6 、投资可靠，因为该系统正不断得到进一步开发，而且完全向下兼容。 c s m a c d 同时也有以下一些缺点： 不支持任何报文的优先权排序且不确定介质访问时间，在最坏情况下，将 发生无限制延时。网络负荷高时，报文碰撞是主要问题，因为它们将影响数据 的吞吐量和延时，b e b 标准算法中的e t h e r n e t 捕获效应将引起不平衡，这将导 致实际性能的降低。在最坏的情况下，可能会发生无限延迟。由此引起的不确 定性和实时性能欠佳的问题，主要是利用智能集线器、主动切换功能的实现、 优先权的引入阻及全双工的布线等，基本上能够解决以太网的不确定性和实时 性问题1 2 2 1 2 3 1 。 2 3 网络层和传输层采用t c p ( u d p ) i p 由图2 1 可见，e t h e r n e t i p 在传输层和网络层采用了标准的t c p i p 技术。 第二章e t h e r n e t i p 协议简介 这是因为，只有采用了e t h e r n e t 和t c p i p 技术，工业控制网络才能够很好的集 成到i n t e r n e t i n t r a n e t 上，适应全球化的i n t e r n e t 的需要。这是因为，以太网是世 界上使用最多的网络，成本低，速度高，获得众多的支持，9 0 以上的网络采用 以太网构成的网络。支持以太网的协议众多，有d e c n e l ，n o v e l l l p x ，m a p ，t h e o s is t a c k ，a p p l e t a l k 和t c p i ? 等，在这些协议中，t c p ，i p 受到广泛重视和支 持，并且，t c p i p 才是i n t e m e t 的协议。因此，尽管t c p i p 支持的网络很多， 支持e t h e r n e t 的协议也很多，但却只有把e t h e r n e t 和t c p i p 结合起来，才能适 应全球化的i n t e m e t ，采用t c p i p 为中间协议的以太网现在并即将成为工业控制 网络的主要标准。可以说现在或者不远的将来t c p 和i p 将成为在以太网和工厂 底层运行的协议中占统治地位的“中间层”协议。 e t h e r n e t i p 利用t c p i p ( u d p i p ) 来传送隐式的i o 数据和显式的报文数 据。t c p 是一个面向连接的并能够为一台设备同另一台设备提供可靠通信的协 议，它只能工作在单播( 点对点) 模式。u d p 是一个无连接的协议，它只提供 了设备间发送数据报的能力，可以工作在单播、多播和广播的方式下。对于对 实时性要求较高的实时i o 数据，采用u d p i p 协议来传送，而对实时性要求不 太高的显式信息( 如组态、参数设置和诊断等) 则采用t c p i p 来传送。e t h e r n e t l p 采用了生产者消费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 的通信模式而不是传统的源、目的 ( s o u r c e d e s t i n a t i o n ) 通信模式来交换对时间要求苛刻的数据。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 e t h e r n e v i p 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的接收这些数 据，避免了浪费带宽，提高了系统的通信效率，能够很好的支持系统的控制、 组态和数据采集。对于e t h e r n e t i p 来说，这是由c i p 网络和传输层以及i p 多点 传送技术来完成的。 2 4 应用层协议c i p 工业以太网在传输层和网络层上都使用t c p i p 协议来进行通信。t c p i p 协 8 第二章e t h e r n e l i p 协议简介 议能够为通过以太网及其它网络相连接的两个设备提供一系列的服务。但是， t c p ，i p 并不能保证网络上的两个节点能够有效通信，它只能保证应用层的信息 能够成功的在两个节点间传送。有效的通信传输需要网络上的双方具有相互兼 容的应用软件，并使用相同的语言。这些应用软件需要能够理解从对方传来的 信息的属性、服务等，因此它们就需要一个共同的基于t c p i p ( u d p i p ) 的方案， 这样，连接在以太网上的各种设备才能够具有较好的一致性。支持e t h e r n e t - - t c p i p 的网络应用有很多，r f c 规定了一系列i n t e m e t 的应用如f t p ，h t t p ， t e l n e t ，s n m p ，s m t p ( e m a i l ) 等等。r f c 还规定了这些应用所需要展示出来的特 性，不同的产品提供者能够提供互相兼容。这些规定所提供的服务已经得到了 很好的应用，但将它们应用于工业领域就没有如此简单了。每一个自动化的提 供商都为之制定了自己的协议。这使得不同厂家的产品能够共存在以太网的链 路上却不能够互操作，为此需要为之制定相同的应用层标准。 流程层 端到端层 因特网层 网络存取层 图2 2c i p 协议与其它e t h e r n e t t c p i p 协议问的联系 第二章e t h e r n e t p 协议简介 在e t h e r n e t i p 网络上，c i p ( 控制和信息协议) 就是这样一种协议hj ，它是 一种面向对象的协议，能够保证网络上隐式的实时i o 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。此外，e t h e r n e v i p 还可以利用已经 存在的其它基于t c p f l p 的协议来为控制网络服务，例如h t t p 和却等应用层协 议。 图2 2 显示了c i p 和其它典型的以以太网为基础的协议之间的联系。显示 出c i p 可以毫无问题的同其它协议共存，并且c i p 很完美的混合到了已存在的 功能组中。这意味着无论什么人利用部分或者全部的流行的以太网服务可以添 加c i p 而不必承担很大的负担。像h t t p 和邱等已经存在的服务将保持原状并且 c i p 将成为这个层上的另外一种服务。 控制和信息协议c i p 是e t h e r n e t i p 模型的有特色的部分25 1 ，它是在1 9 9 9 年 发布的，它最初是作为c o n t r o l n e t 和d e v i c e n e t 控制网络中的应用层协议，现在 它能够支持e t h e r n e t i p 。在c o n t r o l l o g i x 、p l c 5 和s l c 家族的所有e t h e r n e t i p 产品都使用c i p 通信。c i p 一方面提供实时的i 0 通信，另一方面则实现信息的 对等传输。其控制部分用来实现实时i o 通信，信息部分则用来实现非实时的信 息交换。 e t h e r n e t d l p 的许多模块有内置的网络服务器，能支持h t t p 功能，能够嵌入 w e bs e r v e r 。模块、网络、系统数据信息可以通过标准的网络浏览器获得。现有 的e t h e m e t i p 产品能够通过h t t p 提供以下功能：读写数据、读诊断、发送电 子邮件和编辑、组态数据。 第三章c i p 协议规范 第三章c l p 协议规范 c i p 协议是一个端到端的面向对象并提供了工业设备和高级设备之间的连 接的协议，它独立于物理层和数据链路层之上，因此可以应用在采用以太网作为 物理链路以及以t c p i p 作为传输层的环境之下【2 6 1 。c i p 有两个主要的目的，一 是传输同i o 设备相联系的面向控制的数据，二是传输其它同被控系统相关的信 息，如组态、参数设置和诊断等。c i p 协议规范主要由对象模型、通用对象库、 设备行规、电子数据表、信息管理等组成。 3 1c i p 协议中的对象 3 1 1 对象和类 c i p 对象模型使用抽象的对象模型来描述可供使用的一系列通信服务、c i p 节点的外部特性和c i p 产品获得及交换信息的通用方法。i n t e m e t 为网络上的各 种分布对象提供端到端的通信服务。c i p 所使用的面向对象的结构，它使得开发 者和最终用户使用简单的、面向对象并且具有广泛的网络接口的网络设备。洋细 的网络地址和内部的设备数据结构都对用户透明。 每个c i p 节点都是以对象集合的形式来建模的。对象提供生产中特定组件 的抽象表现。任何没有经过对象格式描述的节点都不能通过c i p 协议达到可视。 c i p 对象被构建到类、实现和属性中。 图3 1c i p 对象和类 1 l 第三章c i p 协议规范 类是对象的一种设置，用于说明系统组件的同一种性质。对象的实现是类中 特定对象的现实表现。所有类的实现都有相同的属性，但是他们拥有自己属性值 的特别设置。如图3 1 所示，一个c i p 节点中可以存在多个一个特定类中的多 对象实现。 对象的实现及对象的类都有属性，该属性用来提供服务、实现动作。 对象和他们的元素是由包含下面要素的寻址方案所唯一定为的： 类# 5 1 、介质存取控制表示符( m a ci d ) ，一个分配给每个c i p 网络上节点的 整数标识值。 2 、类标识符( c l a s si d ) ，一个分配给每个来自网络的可存取的类对象的 整数标识值。 3 、实例标识符( i n s t a n c ei d ) ，一个分配给标识同一个类中的所有实例的 对象实例的整数标识值。 4 、属性标识符( a t t r i b u t ei d ) ，一个分配给类及实例属性的整数标识值。 5 、服务代码，一个指示特别对象实例及对象类函数的整数标识值。 图3 2 给出的是一个对象的寻址方案。 第三章c i p 协议规范 对象类的属性也主要包括类属性和实例属性。类属性是相同类的所有对象所 共有的属性。实例属性是不属于对象属性并且对象不同实例所特有的一些属性。 3 1 2 对象和类服务 c i p 对象还为类和实例提供了一系列服务，其中类服务主要包括服务列表、 实例属性，实例服务主要包括一些请求和响应的参数。服务代码用来定义当一个 对象部分的对象利用在图3 2 中描述的寻址方案寻址发生时的行为。除了简单 的读写功能外，一组c i p 通用服务也被定义了。这些c i p 通用服务在本质上就 是通用的，也就是说他们在应用上是非常普遍的，并且有非常多的对象支持这些 服务。此外，对象特殊服务代码可能对由一个对象产生同一个代码有不同的意义。 最后，还使根据开发者的要求来定义提供商特殊服务成为可能。尽管被赋予了很 大的灵活性，但是提供商特殊服务的最大的缺陷就是不能被广泛的理解。 蓑躐漤戮舔黼搿鼗誊囊瓣缓蠹藁鬟潮匪器滗j 番鼯瑟翥籀誊l i 鞋备警拇镒漤一；蠢萎罄藤 0 0r e s e r v e df o rf u t u r eu s e 0 l g e t a t t r i b u t e a 1 1 0 2 s e t a t t r i b u t e a 1 1 一r e q u e s t 0 3g e ta t t r i b u t ea 1 1 0 4 s e t a t t r i b u t e _ l i s t 0 5r e s e t 0 6s t a r t 0 7 s t o p 0 8c r e a t 0 9d e l e t e o a m u l t i p l es e r v ic ep a c k e t 0 b 一0 cr e s e r v e df o rf u t u r eu s e o d a p p ly a t t r i b u t e 0 b s e t a t t r i b u t es i n 9 1 e o fr e s e r v e df o rf u t u r eu s e 1 0 s e t a t t r i b u t e _ s i n g l e 1 l f i n d n e x t o b j e c t i n s t a n c e 12 一1 3r e s e r v e df o rf u t u r euse 1 4e r r o rr e s p o n c e 1 5r e g t o r e 1 6s a v e 1 7 n oo p e r a t i o n 1 8g e tn u m b e r 1 9s e tn u m b e r l ai u s e r tm u m b e r l br e m o v em e m b e r 1 c 一3 l r e s e r v e df o ra d d t i o n a l 表3 1c i p 协议通用服务 1 3 第三章c i p 协议规范 在c i p 协议通用的服务被完全定义了的时候，它包括以下几个方面： 1 、服务所能够提供的功能： 2 、服务所带来的特性； 3 、包含了服务的显示信息的参数包括数据类型及详细的数据。 c i p 协议通用服务在c i p 协议附录1 中作了详细的定义，主要的服务及服务 代码如图所示。详细的c i p 协议通用服务可以参考c i p 协议规范附录a 的部分。 3 2c 1 p 报文协议 c i p 是一个基于连接的分层网络。每个c i p 连接为多种应用之间提供传送信 息的通道。未连接管理器为尚未连接的设备创立连接。每一个连接被建立时，这 个连接就被赋予一个连接i d ，如果连接包括双向的数据交换，那它就被赋予两 个连接i d 。连接和连接1 d 如图3 3 所示。 连接i d = 1 应用对象 资料= 报文 连接对象连接对象应用对象 图3 3 连接及连接i d 连接i d 的定义及格式从属于网络。比如，d e v i c e n e t 上的c i p 连接的连接 i d 就是基于c a n 标识符域的。因为大多数报文是通过连接在c i p 网络之间进行 的，为在尚未建立连接的两个设备之间建立类似的连接定义了一个过程。这是通 过可靠处理的无连接报文管理( u c m m ) 完成的。而对于e t h e r n e t t c p i p 连接 来说连接i d 是设备选择的一个3 2 b i t 的标识符，已经在使用的网络连接标识符 不能在没有断开连接或者因超时而断开连接的情况下不能够被重复使用。 在c i p 网络中的所有连接都可以划分为i o 连接和显式报文连接。i o 连接 提供了生产应用与一个或多个消费应用之间的专有、具体的目的路径。具体应用 资料通过这些端1 3 移动，称之为隐式报文。显式报文连接提供两个设备之间一般， 多目的通信路径。这些连接被称为报文连接。显式报文连接提供典型的清求响 第三章c i p 协议规范 应一定向网络通信。 c i p 协议将网络上的数据也分为隐式的i o 数据和显式的报文数据。显式信 息主要包括一些协议信息和执行一些服务的数据。接收到显式信息请求的节点， 必须能够分析每一个显式的报文，执行请求的操作和产生回应，这种类型的信息 主要用来进行组态、参数设置和诊断等。显式信息的主要采用点对点的t c p 协 议来传送。而隐式的信息通常是对时间要求苛刻，并且同控制相关的一些实时 o 数据，它采用能够工作在点对点或者一点对多点的u d p 协议来传送。隐式 信息的传送是在通过显式的信息为产生和消费数据的对象建立连接并在建立连 接时对数据的意