摘要：自動化系統通訊要求的逐步提高，實時以太網技術研究的愈加深入，基于實時以太網的設備也越來越多，而如何測試實時以太網設備通訊性能至關重要，本文在深入研究實時以太網技術的基礎上，借助于德國赫優訊最新實時以太網分析儀netANALYZER，通過搭建PROFINET實時以太網網絡通訊平臺，結合PROFINET的技術協議，利用Wireshark網絡報文分析工具，對PFOFINET時間抖動進行了深入的研究和分析。充分說明德國赫優訊netANALYZER分析儀是實時以太網技術研究和產品開發不可缺少的工具之一。 關鍵詞: netANALYZER 實時以太網 PROFINET 時間抖動 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 工業自動化的快速發展，通訊要求的逐步增強，工業自動化的控制組件、執行器和傳感器數量的不斷增多使得控制網絡的復雜性變得更加明顯。最初用于簡化網絡的專用現場總線系統，已經不能滿足高速、多節點的要求，一些問題也開始出現。而工業通信的未來:依靠以太網技術實現自動化組件成本效率的提高、實時性的快速響應和連接節點的增多，順應了工業自動化的發展需求，實時以太網將非專利以太網標準的優點與工業自動化技術的實時精確性有機地結合起來，成本更加低廉、數據處理能力比現場總線解決方案快10到100倍，具有高效及確定性的通信協議，可應用于對動態性和精確性要求極其苛刻的場合。 實時以太網技術在歐洲正處于高速發展的時期，研究和產品開發也是愈加深入，越來越多的實時以太網產品也競相面世，并且正經歷著各種苛刻環境的考驗，而各大自動化廠商也是紛紛推出各自的實時以太網協議標準，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。實時以太網的協議種類繁多，而如何測試實時以太網產品性能，實時以太網產品兼容性等問題，成為各大自動化廠商和自動化用戶必須面臨的關鍵問題。 本論文正是基于上述關鍵問題，在深入分析德國赫優訊最新推出的實時以太網分析儀netANALYZER的基礎上，利用赫優訊cifX50-RE實時以太網主站板卡，赫優訊實時以太網從站IO測試板NXIO，搭建PROFINET實時以太網網絡通訊平臺，通過netANALYZER網絡分析儀抓取實時以太網報文，結合Wireshark網絡報文分析工具，對PROFINET網絡性能進行研究，對PROFINET產品性能進行分析。 2 德國赫優訊netANALYZER技術特點和工作原理分析 2.1 netANALYZER技術特點 赫優訊實時以太網網絡分析儀netANALYZER，如下圖1所示，基于德國赫優訊百分百知識產權芯片netX，是一種智能的PC板卡，通過PCI插槽連接PC機，分析儀帶有2組以太網接口，支持雙向傳輸，集成了內部TAP；具有3個狀態顯示LED用于顯示系統狀態、報文抓取和事件偵聽；4個GPIO信號口用于連接外部IO信號。每個以太網幀時間戳的分辨率是10ns，可精確測量網絡延遲和時間抖動。內部firmware豐富，DPM高達64K，可應用于EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等實時以太網協議的分析，最大可抓取1GB的報文數據，報文數據格式可自動轉為WinPCAP文件格式，供Wireshark等免費軟件進行數據分析。 [align=center] 圖1. netANALYZER實時以太網分析儀[/align] 2.2 netANALYZER工作原理 實時以太網網絡分析儀netANALYZER的工作原理如圖2所示，大體可分為以下三個步驟：報文數據的抓取、信息內容的轉移和信息格式的轉換與顯示。 [align=center] 圖2. netANALYZER實時以太網分析儀工作原理[/align] 2.2.1報文數據的抓取 以太網報文由物理接口傳送至netANALYZER，通過xC Link將報文和狀態信息、時間戳、長度、報文錯誤等信息一同傳送至netX芯片的RAM區中，報文由已經存儲在flash中的實時以太網協議固件，根據不同實時以太網協議報文格式進行打包，由ARM核處理后傳送至netX芯片外部SDRAM中，從而完成報文數據的抓取打包過程。 2.2.2信息內容的轉移 由于netANALYZER自身存儲空間有限，如果所有數據全部保存至netANALYZER中，將大大影響抓取報文的數量，而實時以太網報文數據量非常之大，為了獲得更多的報文信息，精確分析結果，netANALYZER通過驅動程序將由不同實時以太網協議firmware打包的報文，通過PCI接口，傳送至PC的RAM中，并以＊.hea的二進制格式轉存至PC的硬盤中，存儲的路徑根據用戶的定義，最大存儲數據量為1G。 2.2.3信息格式的轉換與顯示 由于＊.hea的二進制格式文件并不是一個通用的文件格式，為了方便用戶使用一些常用的以太網報文分析軟件進行數據的分析，netANALYZER軟件具有將＊.hea格式文件轉換為＊.pcap文件格式的功能，并存儲至用戶定義的目錄下，這樣用戶就可以非常方便地對報文數據進行具體的分析，例如錯誤報文的分析、循環周期、網絡延時、時間抖動等。 3 PROFINET網絡測試平臺的搭建 netANALYZER進行實時以太網協議報文信息的分析，首先需要搭建相應的網絡測試平臺，由于實時以太網協議眾多，本文采用其中一種常用協議PROFINET進行研究分析，故搭建PROFINET的測試平臺如圖3所示。 PROFINET實時以太網平臺的搭建需要PROFINET的主站和從站，選擇德國赫優訊現有產品cifX50-RE作為PROFINET主站，NXIO作為PROFINET從站進行測試。其中德國赫優訊cifX50-RE同一塊硬件可通過下載不同的固件firmware，可實現包括EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等各種實時以太網協議的主站或從站，而NXIO可通過加上不同的CF卡（CF卡上保存有相應的firmware），實現不同實時以太網的從站功能。 不同的硬件連接方式所測試的數據，可分析實時以太網設備的不同性能和參數，（具體參考德國赫優訊netANALYZER產品應用手冊），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誤報文、循環周期、時間抖動等信息。 [align=center] 圖3. PROFINET網絡測試平臺連接圖[/align] 4 PROFINET網絡測試的實現 4.1 PROFINET網絡平臺的實現 cifX50-RE作為PROFINET主站，首先需要通過赫優訊基于FDT/DTM技術的網絡配置工具SyCon.net，對cifX50-RE進行固件Firmware下載、網絡配置和相關參數的設置。而NXIO作為PROFINET從站測試板，相關Firmware等信息已經在CF存儲卡中，故無需作過多的操作。具體的cifX50-RE的PROFINET網絡配置和PROFINET網絡平臺的搭建可咨詢德國赫優訊上海代表處。 4.2 netANALYZER的實現 在安裝上netANALYZER分析儀驅動和軟件后，運行netANALYZER軟件，如圖4所示，如果硬件上連接上其中一個TAP口，在圖上會顯示出連接狀態，同時可根據netANALYZER上LED進行狀態判斷，本例中連接TAP2口。 [align=center] 圖4. netANALYZER軟件界面[/align] 用戶可通過file setting進行＊.hea和＊.pcap文件的存儲路徑的設置，通過GPIO進行外部IO信號的設定，由于IO報文可能會和其它報文產生混淆，赫優訊netANALYZER光盤中特提供了“hilscher_net_analyzer.dll”文件，安裝此文件后，GPIO的數據格式可變成特定的格式，以便區分，直接將此文件導入Wireshark plugins文件夾下即可。 同時用戶可根據需要，進行報文信息的過濾，通過filter setting設定報文信息的MAC地址，即可過濾掉不需要的報文，抓取有用的報文信息。 設定好上述信息后，用戶即可進行PROFINET報文的抓取，單擊start，抓取完成后點擊stop，而后點擊convert進行文件格式的轉換，即保存為＊.pcap文件。 5 PROFINET網絡性能的分析 通過上述操作，成功抓取PROFINET報文共計5124KB，利用wireshark軟件打開所抓取的報文如圖5所示。 [align=center] 圖5. netANALYZER抓取的報文信息[/align] 通過Wireshark中IO Graphs進行數據統計的分析，選擇數據顯示的不同方式，如圖6所示。 [align=center] 圖6. netANALYZER抓取的報文分析[/align] 分析所抓取的報文，抓取報文的時間為176.007-210.662S，即34.655S，數據報文總數為69318條，其中每條報文的長度為64Bytes，計算可得PROFINET在上述環境下的通訊速度為1MB/S。 通過報文的顯示顏色可發現無錯誤報文信息，說明通訊數據的準確性非常高，如果有外部IO信息，也可同時分析出。 根據圖6，圖上每個時間段內報文數量比較均勻，時間段內報文數線條光滑，說明所循環的PROFINET的報文信息時間抖動小，從而說明實時以太網硬件的通訊性能良好，另外，如果數據量非常大，可以通過更為精確的分析軟件進行研究分析時間抖動的幅度。 6 結束語 本文在深入分析實時以太網優勢和發展趨勢的基礎上，提出了實時以太網設備性能參數的測試問題，在詳細剖析赫優訊netANALYZER實時以太網網絡分析儀后，選擇PROFINET協議進行測試，通過搭建PROFINET網絡測試平臺，對PROFINET的報文抓取進行深入探討，通過免費以太網報文分析軟件Wireshark進行分析。另外如果用戶需要對實時以太網的網絡延時進行分析，需要對時間抖動進行更加深入的分析，用戶可自行搭建平臺如圖7所示（赫優訊可提供幫助）。netANALYZER網絡分析儀可對包括EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等各種實時以太網協議進行分析，是實時以太網產品研發和使用過程中不可缺少的工具，是工程師的得力助手。 [align=center] 圖7. netANALYZER硬件連接圖[/align] 參考文獻 [1] NXANL 50-RE_usermanual_en. Hilscher Company.（德國赫優訊自動化系統有限公司）, 2007. [2] SYCONnet_netDevice_en. Hilscher Company.（德國赫優訊自動化系統有限公司）, 2004. [3] http://www.wireshark.org Network Monitoring Program Wireshark. [4] http://www.winpcap.org The Library WinPcap. [5] PROFINET_IO_Device_DTM_en. Hilscher Company.（德國赫優訊自動化系統有限公司）, 2006. [6] CIFX 50-RE_quickstart_en. Hilscher Company.（德國赫優訊自動化系統有限公司）, 2006. 作者簡介 鄒玉鞋（1980——） 男 碩士 德國赫優訊自動化系統有限公司技術支持主管 專門從事工業自動化行業網絡研究。