IV.    网络内及网络间的数据交换
虽然EtherNet/IP网络具备直接利用以太网进行设备数据采集和配置的功能，但也不要指望单一的网络能够满足所有的需要。某些自动化设备厂商未必提供支持EtherNet/IP网络的设备。另外，较短时期内，如果需要在光电传感器、接近开关等简单的设备中集成EtherNet/IP网络连接功能，可能费用还比较高。

    但是，这些困难并不意味着会阻碍用户将EtherNet/IP网络作为首选网络来使用。相反，用户可以充分利用EtherNet/IP的远程联网能力，像使用本地网络一样来操作远程设备。更为关键的原因在于，网络的应用不需要编制任何程序或者使用中间计算机设备。

为了实现上述目的，整个工业自动化系统的网络（请看"EtherNet/IP工业以太网白皮书"的图1）必须使用一系列通用的服务，所有网路设备均采用通用的对象模型来组织数据。只有实现了数据的一致性，才能够让数据在不同的网络之间进行路由。

A.    面向对象的数据结构
未来的Internet将采用一种分布式的对象通讯模型，用于点对点的数据交换，实现企业内部Intranet网络与Internet的相互连接。与DCOM和CORBA等“中间件”标准相比较，虽然两者的实现机理有所不同，但是它们关于分布式对象模型的互操作方法是一致的。分布式对象模型的结构具有显著的优势，它为软件开发者和最终用户提供了方便的手段，无需考虑设备的具体物理位置，利用简单、面向对象和网络化的方法就可以管理设备数据。用户可以通过对象命名和寻址方法，对网络设备地址及其内部数据结构实现透明访问，获得详细信息。

沿用至今的源/目标通讯模式可能不会在未来的Internet网络环境中继续流行。因为在车间现场的以太网设备需要具备互操作性，既要支持信息应用软件，又要满足实时控制要求，而且通常需要在同一网络中实现。所以，用户需要让不同厂商的设备在同一网络中实现互操作。为了达到这一目的，所使用的应用层协议必须满足一系列的要求，从而在基于TCP/IP协议的以太网上实现设备之间的互操作。
    运行于TCP/IP和UDP/IP协议之上
    实现分布式对象模型
    提供有效的传输模式用于实时I/O数据
    允许控制数据和信息数据在同一个以太网中共存
    满足工业自动化系统的各项要求
    能够被广大自动化设备厂商接受并实施

B.    通用对象库
CIP协议家族定义了一系列对象（目前有46个对象）。只有少数对象是针对专门的数据链路层而制定的，其中DeviceNet有1个，ControlNet有3个，EtherNet/IP有1个。其余的对象都是通用的，能够在上述三种网络中使用。

    根据某一类设备所需的功能，今后可以加入新的对象，这将有利于对设备功能的扩充。比如，一个工作在DeviceNet网络上的接近传感器并不支持其它的功能。然而，开发者在使用已定义的公共对象时，还可以在设备供应商自定义寻址范围内（类代码100~199，8位对象类代码空间）创建自己的对象。当然，强烈推荐开发者与ODVA和ControlNet International的特别兴趣小组（SIG）合作，制定更多的通用对象，进一步取代自行开发的专用对象。

作为必须的公共对象，标识对象（类代码：1）的实例属性如表1所示：

C.    通常情况下，不需要改变设备的标识内容。因此，所有这些属性（除心跳信号间隔属性以外）都是“只读”属性。

D.    电子数据表

如果没有相应的机制去识别某一设备到底为外部应用程序提供了哪些对象，那么保持对象模型的一致性也就无从谈起。因此，CIP协议提供了多种方案，用于配置设备：
    打印出来的数据表
    参数对象和参数对象存根
    电子数据表（EDS）
    电子数据表与参数对象存根相结合
    设备配置信息集合与上述方法相结合

在使用打印出来的数据表进行设备配置时，配置软件只能提示用户该设备需要用到的服务、类的实例、属性数据以及其它相关信息。虽然这样也能够完成配置工作，但是很不方便，因为这种方法不能判断上下参数的关联，数据的格式以及内容正确与否。

    参数对象提供了另外一种方法，它将设备所有可以配置的数据进行了全面的描述。这样一来，由于设备能够提供所需的信息，使得配置软件可以方便地访问这些参数，并且操作界面也十分友好。参数的属性包括数据类型、工程单位、最小值、最大值、缺省值、比例系数等内容，而且这些内容都保存在设备的非易失性存储芯片中，可以进行读写（或只读）操作。

    由于参数对象方法将所需的全部参数信息都保存在设备中，无疑增加了小型设备的负担，尤其是DeviceNet从设备。因此，开发人员对参数对象方法进行了简化，称为参数对象存根。这种方法也支持对参数数据进行访问，但是它并不描述这一数据的任何含义。这时，就需要使用EDS电子数据表。在电子数据表中保存有全部参数对象的信息以及与之相对应的存根。因此，电子数据表与参数对象存根的配合使用，既能够方便地实现参数对象方法的全部功能，又避免给单个设备造成负担。

    另外，设备配置信息集合方法可以允许对大批量的参数数据进行上传和下载。

E.    报文协议

     如图5所示，通过网络访问任何设备的内部对象都需要使用非连接通讯管理对象或连接通讯管理对象。

由于EtherNet/IP是基于连接的网络。因此，一个CIP协议连接数据包会发送到网络上。一旦连接建立成功，就会对该连接分配一个连接标识（CID）。如果这种连接是双向的数据交换，就会给它分配两个连接标识，如图6所示。

既然大多数基于CIP协议的报文都采用连接方式进行通讯，就需要对两个尚未连接的设备进行连接初试化的方法做出定义。这一工作是通过名为非连接通讯管理对象（UCMM）来实现的，它专门用于处理连接请求。一旦通讯连接建立成功，设备所需的全部通讯资源，包括中间CIP协议的桥接和路由，都将被保留。这样一来，使得数据交换过程所需的网络负载和带宽占用降低到最小限度。

所有在CIP协议中的网络连接分为两大类：显式报文连接和隐式（I/O数据）报文连接。

    显式报文连接用于两个设备之间的普通信息传输，可以使用多用途的通讯路径。这类连接在网络仲裁机制中被认为是消息连接。显式报文使用典型的请求/应答网络通讯模式，通常需要访问报文路由对象。每一个请求报文包含有明确的显式信息，例如接收方的网络地址、需要执行的动作以及产生适当的响应等内容。
    隐式报文连接通过专用的特殊通讯路径或端口，在生产者应用对象和多个消费者应用对象之间建立连接。这类报文专门用于传输I/O数据，在网络仲裁机制中被认为是I/O连接。在控制层网络中，隐式报文有着大量的应用。隐式报文数据的含义已经在通讯连接建立、分配连接标识的时候完成了定义。因此，隐式报文中只包含具体应用对象的数值。也就是说，通过连接标识“含蓄”地定义了报文数据的具体含义，因此称为“隐式报文”。

这两种报文连接方式都支持网络间的桥接，详细内容将在后续章节中讨论。

F.    隐式连接
如上所述，所有的隐式连接必须是两个设备之间的直接连接。在每个连接方向上，需要源地址、目标地址和连接标识。隐式报文通过应用层CIP协议的外部事件进行触发。

在实际使用中，DeviceNet和ControlNet的源地址、目标地址就是设备的节点地址。在EtherNet/IP网络中，就是设备的IP地址。

然而，TCP数据包中的CIP帧含有关于目标地址的额外信息——通讯路径，它表示数据帧在传输过程中的“跳跃”路径。

如图1所示，在一个典型工业自动化系统网络中，编程软件通过个人计算机连接到信息层网络，由它发出一个报文，需要传送给设备层的电机起动器。在这一过程中，数据帧首先进入信息层网络，然后进入控制层网络，最后进入设备层网络，整个过程至少需要三次网络“跳跃”。通过一系列的“跳跃”，CIP数据帧的内容在整个旅途过程中都是完好无缺的，并且先后使用了TCP数据包、ControlNet数据包和CAN总线数据包。

只要CIP数据帧中的路径完好无缺，电机起动器就可以通过CAN总线数据包将返回的报文按照原路径回传。无需考虑通讯的发起设备是否在同一物理网络中，而是通过桥接，将数据传送给本地的EtherNet/IP网络设备，甚至可以通过Internet路由给远程的网络设备，实现数据的透明传输。

在这个示例中，电机起动器遵守DeviceNet规范，编程计算机遵守EtherNet/IP规范，这两个设备能够相互理解对方设备的数据组织形式。

前面已经提到，每个设备都必须支持一系列的强制性对象，其中之一就有标识对象。标识对象的强制性属性有供应商ID、设备类型、产品代码和修订版本等内容。源设备在发出报文之前，可以从目标设备中获得上述信息，而无需事先知道它到底是什么设备。通过这些数据，就能找到与之唯一对应的EDS电子数据表文件，从而知道该设备能够支持哪些公共对象，多数情况下，还能知道供应商定义的特殊对象。当然，由于某些设备已经包含了全部的参数对象，无需EDS电子数据表文件就可以直接获取设备的数据。这种机制不受目标设备网络类型的约束，可以从图2和图5中得知，数据对象不依赖于网络，也就是说，相同的报文可以发送给相同的数据对象，既不依赖于设备，也不依赖于网络连接。

    由于EtherNet/IP网络仍然构建于TCP/IP协议之上，因此具备进一步的扩展潜力。例如，并不要求源设备必须位于信息层网络中。位于控制层网络的PLC可以通过一个连接信息层网络的PLC或者网桥设备（无需关心控制层网络到底是EtherNet/IP网络还是ControlNet网络），发起需要多次“跳跃”的报文，并可以将信息层网络作为“跳跃”过程的一个中间环节。在这一功能的帮助下，两个分别连入ControlNet网络的PLC，即便是远隔重洋，也可以通过Internet，使用显式报文实现数据交换。

V.    基于EtherNet/IP网络的I/O控制
A.    以太网能否作为控制网络？
从传统意义上来讲，有人不赞成以太网用于控制目的，其原因在于以太网是非确定性的网络。这一问题已经成为业界争论的焦点。确定性可以帮助用户准确估计在最坏情况下，网络数据的传输能力。同时，用户对可靠性也提出了更高的要求，需要确保每次都能在相同的时间内完成数据传输（或者尽快识别出数据不能到达的情况，以便采取相应措施）。随着以太网技术的不断发展，在网络确定性、可重复性和数据吞吐量上，都有了很大的提高。例如，以太网交换技术将容易产生数据冲突的区域分割成单个设备区域或者一小组设备，使得数据冲突几乎可以减少到零。CSMA/CD（带冲突检测的载波监听多路访问）技术在网络出现冲突时，不仅能够及时发现，而且还可以恢复网络通讯。此外，通过在以太网（IEEE 802.1p）的适当位置引入报文优先级别，可以使交换机和TCP/IP协议栈有能力区分控制/报警信息数据包和编程数据包，以及其它的网络路由、诊断数据（SNMP）。

然而，这些技术还未在高速控制系统中进行尝试。在某些对实时性有苛刻要求的应用项目中，只要比预定时间晚一点收到某个数据，就可能造成生产线停机，影响产量，甚至是损坏产品或设备。在以太网交换机中，数据包延迟时间的变化甚至数据包丢失，都有可能造成严重的事故。在信息系统中，交换机、集线器的损坏最多会让信息系统丢失部分生产数据；但是在控制系统中，如果发生这样问题，不仅会影响产量，还会损坏生产设备。因此，用户在选择网络时，都要对具体的应用项目进行充分考虑，以便确定基于TCP/IP协议的以太网技术到底是最好的方案，还是可行的方案。

B.    以太网交换技术的发展
近年来，转发式集线器技术和以太网网桥技术已经被新的高速交换技术所取代，交换机任意两个端口之间的数据交换延迟已经降低到百万分之几秒。通过专用的硬件设备来实现高速交换，使得交换机具有非常高的背板通讯带宽。通常情况下，交换机背板通讯速率大于该设备所有以太网端口通讯速率之和，因此能够支持所有端口全速运行而不会发生冲突。此外，某些交换机还能够对数据帧进行临时缓冲，用来解决短时期内对同一输出端口的争夺。

交换机被称为交换式集线器，属于第二层（数据链路层）的数据交换，也称为简单交换。实际上，交换机就是一台多端口的网桥。交换机上的每个端口都有自己的冲突域，当设备通过交换机连接后，相互之间不会发生数据冲突。此外，交换机上的每个端口可以配置为半双工模式（传统以太网），或者全双工模式。全双工模式下，交换机与连接到某一端口的设备之间，能够在每个数据传输方向上提供10Mbps的连接速率，总共为20Mbps。对于快速以太网来说，全双工模式能够为每个传输方向提供100Mbps的连接速率，总共为200Mbps。与传统的网桥类似，交换机内部要建立并维护一个以太网地址与端口的映射表。当交换机从某一端口接收到数据包之后，能够立即将该数据包“交换”到相对应的输出端口，而这一过程通常能够在百万分之几秒内完成。

更先进的交换机支持虚拟局域网功能（VLAN），用户能够对交换机进行配置，将若干个端口划分为一个组，从该组某一端口接收到的数据包只能发送给组内的其它端口。另外，VLAN的划分通常可以在一台交换机上实现交叠，某个端口可以隶属于多个VLAN。这一功能为用户提供了极大的灵活性，可以将交换机上相互分割的端口配置为多个相互交叠的冲突区域。

    与转发式集线器相比，交换机能够支持更大的数据吞吐量，不会像转发式集线器那样，在网络负荷增加时出现数据冲突，造成严重的传输延迟。因此，在那些负荷较重、传输延迟明显的网络中，最好使用交换机代替转发式集线器。虽然交换机现在的价格比转发式集线器贵，但是随着技术的发展，它的价格会迅速下降。到时候，交换机将取代转发式集线器，成为网络连接的首选设备，而它的用途也不仅仅局限于控制领域。

    当然，交换机某些性能上的限制可能会对一些特殊的应用项目造成影响，必须对这些问题加以足够的重视。例如，来自多个端口的数据包需要发送到同一端口，在这种情况下，交换机内部可能会出现数据拥塞。通常的处理办法是简单地丢弃某些数据包，或者告诉发送设备出现了冲突，待拥塞清除之后再发送数据。具体采用哪种方法处理数据拥塞，由交换机生产厂商做出选择。另外一个问题在于，交换机可能会在数据流中插入时间不等的延迟，这对于普通的办公应用来说没有任何影响，但是对于某些工业自动化控制系统，可能会造成严重的后果。

    虽然交换机对每个端口的冲突区域进行了隔离，但是它并没有对广播区域进行隔离。当然，如果交换机支持虚拟局域网功能，也可以通过设置VLAN来隔离广播区域。在以太网中，从任一端口接收到的广播报文将被发送给所有端口上的设备。这就意味着存在一个问题，如果某个设备出现故障，或者没有配置好，它可能会过多地向网络发送广播报文，从而导致整个以太网传输性能下降。有些交换机生产厂商采用了相应的方法，去抑止这种过多的广播报文。由于以太网广播报文也采用TCP/IP协议用于地址解析。因此，广播报文在以太网上的处理方式与其它基于TCP/IP协议的报文是平等的。所以这些方法缺少通用性。尽管如此，只要网络配置得当、操作正常，广播报文只会占整个网络数据量的很小比例。

    另外，交换机和转发式集线器都属于有源设备，其内部有着复杂的数字电路，需要外部供电（通常为交流电）才能工作。一旦交换机或者集线器出现故障，将导致所有与之相连接的设备，包括其它交换机或者集线器，都不能正常通讯。在修好或者替换交换机、集线器之前，与之相连接的设备不能与车间的其它网络进行通讯。此外，大多数以太网介质和配件都是针对办公室或者轻工业的应用环境而设计的，并没有按照恶劣工业环境下控制设备的标准进行设计和测试（包括允许的温度范围、工业级CE认证、抗冲击和抗振动性能等）。对于以太网在新领域，尤其是工业现场的应用，这些问题都应该加以考虑。

C.    以太网性能的发展
近年来，随着以太网技术的发展，先后出现了快速以太网和千兆以太网。IEEE 802.3u规范标准对快速以太网进行了定义。快速以太网基本速率为100Mbps，它与10Mbps以太网采用相同的帧结构、寻址方式和CSMA/CD介质访问协议。然而，快速以太网中的所有网络定时参数都需要除以10。因此，在某些配置情况下，与10Mbps以太网相比，快速以太网两个节点之间的距离可能会短一些。

    快速以太网具有传统以太网10倍的线速度，能够充分满足高带宽应用项目的要求，例如视频、音频传输，或者是网络中大数据量的文件交换。尽管如此，某些应用项目并不满足于单纯网络线速度的提高。特别是在车间现场，有许多基于微处理器的智能设备连接到以太网中，例如I/O模块、传感器、执行机构、变频器以及其它接口设备。这些设备发送和接收的数据都被封装到64个字节长度的以太网帧内（这是以太网支持的最小帧长度）。因此，影响这些设备性能的主要因素在于微处理器速度和嵌入的固件，而不是网络的线速度。这些设备几乎不可能完全利用10Mbps以太网的带宽，除非是由于应用层协议的效率较低，造成设备重复进行点对点的数据轮询。

    另外一个显著的优势在于，100Mbps以太网比10Mbps以太网有着更高的数据冲突恢复能力。正如前面所述，100Mbps以太网的数据冲突后退时间是10Mbps以太网的十分之一。由于网络负荷较重，经常出现数据冲突，100Mbps以太网的性能要明显优于10Mbps以太网。而在数据冲突不严重的时候，100Mbps以太网能够提供更大的带宽，支持更多的网络负荷。如果某一应用项目需要使用多个交换机，100Mbps的网络速率将有利于交换机之间的连接。当然，如果网络负载和数据冲突在10Mbps以太网中表现不是很明显，仅仅是简单地升级到100Mbps以太网，这样的投资并不会有什么收效。

D.    隐式报文（I/O信息）在EtherNet/IP网络中的传输
在4.5节中，已经介绍了通讯路径以及显式报文和非连接报文在点对点数据交换中的应用。
第二类报文，也就是隐式报文。通过应用层协议的支持，实现了网络节点之间的透明数据交换，无论是报文的“生产者”还是“消费者”，在报文传输之前，都知道这个报文格式。当隐式报文用于I/O信息传输时，它能够充分利用生产者/消费者通讯模式的优势。另外，它还可以用于控制器之间预定信息的传输。
在CIP协议中，隐式报文有四种主要的应用方式：
    轮询
    选通
    状态改变
    周期循环
轮询方式与传统的I/O网络通讯十分相似，扫描器（主站）不断地向I/O适配器（从站）发出输出信息并接收输入信息。
选通方式是一种特殊的轮询，扫描器只发出一个多点传送的数据请求报文，从设备会陆续将它们的数据传送回扫描器，而不再需要其它来自扫描器的信息。
周期循环方式将按照预定的时间周期传送数据，每个报文都有一个连接标识。任何其它设备，只要知道这个连接标识，就能接收网络上符合这一连接标识的数据。
状态改变方式与周期循环方式类似，不同之处在于，只有当数据变化时才会发出报文，而不是基于时间事件。同时，状态改变方式还要发出一个周期性循环的“心跳”信号，以便让数据的“消费者”知道这一设备还处于在线状态，而且工作正常。
上述四种方式中，周期循环是EtherNet/IP网络中首选的隐式报文数据交换方式，它在数据完整性和网络流量优化方面有着较好的平衡。
为了让CIP协议能够在以太网中实现，其关键问题在于隐式报文可能有多个数据“消费者”，它们要共享同一个数据包，然而TCP协议只能用于点对点的数据交换，所以它发送的广播数据包会被IP层拒绝，而且还可能增加终端设备的负荷。
UDP/IP数据包具有多点传送能力，而且所需的应用层协议也比较简单。因此，能够有效减少终端设备的处理时间。
在典型的控制系统中，预期的通讯连接通常需要以几个毫秒为周期，频繁进行数据交换。UDP数据包并不是直接传送给具有“真实”IP地址的接收设备，而是通过一个IP多点传送地址来发送数据。同基于CIP连接标识的点对点传输方式相比较，这种方法的数据包中没有在应用层信息帧之前指定某个具体的接收节点。
在这种情况下，接收设备作为“消费者”，它必须事先知道这个IP多点传送地址（事先已经由“生产者”——发送设备进行了分配）
为了达到这一目的，必须采用非连接报文管理对象，如图5所示。

首先，通讯连接的发起设备（例如，配置为I/O模式的PLC；而另外的PLC或者其它设备作为连接的目标设备）发出点对点的TCP数据包，该数据包指明了连接发起设备需要接收的数据对象，以及按照什么样的速率进行接收。
    然后，目标设备的连接管理对象将对数据包的内容进行审核，判断其是否符合该数据对象的连接表和刷新周期。如果符合，这个数据对象将作为“生产者”发送数据（例如，采用多点传送形式），它的连接标识和相关的多点传送IP地址将一并回传给对应的“消费者”设备，如图7所示。如果不符合，UDP协议的相关IP地址和连接标识将被分配，并加载到连接管理对象中。数据不断地通过“生产者”发送，所有知道这个多点传送IP地址和连接标识的设备都可以作为“消费者”，接收并使用这些数据。
    最后，当“消费者”设备没有连接到网络上时，必须有相应的机制去关闭这个连接。由于UDP/IP协议采用了无需应答的传输机制，所以“生产者”无法知道是否有“消费者”在线，并且还在接收它发出的数据。为此，每个“消费者”设备还需要向“生产者”发送一种特殊的周期循环报文。在这样的连接过程中，并不传输实际的应用数据，而是用于表明“消费者”设备仍然在线，因此称为“心跳”连接。例如，“生产者”设备正在发送某个数据对象，一旦该数据对象的所有心跳连接超时，那么与之相关的连接都将被关闭。
    如上所述，首先通过TCP数据包建立设备之间的连接，然后利用UDP连接进行I/O数据对象报文交换，从而将网络带宽的占用减少到最低限度。
    当然，随着100Mbps以太网的应用，带宽占用率已经不是主要考虑的问题。这种数据通讯方式更为明显的优势在于，它最大限度地减少了终端设备需要处理的数据包，从而提高了这些设备支持隐式报文连接的数目。
转自“工控网”