標准的TCP/IP工業以太網-EtherNet/IP
徐智穹
以太網具有傳輸速度高、兼容性好、應用廣泛等方面的優勢，支持幾乎所有流行的網絡協議，其中使用的最廣泛TCP/IP協議支持基於異種操作系統的異種網絡間的互聯，是真正的開放系統通信協議，已成為目前國際上進行異種網絡互聯的事實上的標准。
工業控制領域正向分布式、智能化的實時控制方向發展，用戶對統一的通訊協議和網絡的要求日益迫切；同時用戶要求企業從現場控制層到管理層能夠實現全面的無縫的信息集成，並提供一個開放的基礎構架，這些都要求控制網絡使用開放的、透明的通信協議。但是目前的各種現場總線都無法滿足這些要求，而在以太網上廣泛使用的TCP／IP協議的開放性使得在工控領域中的通訊問題得到了解決。因而，近年來以太網逐漸進入了控制領域，形成了新型的以太網控制網絡技術，即“工業以太網”技術。過去以太網沒有進入工控領域，主要是由於以太網采用的帶沖突檢測的載波監聽多點訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD)是一種非確定性或隨機性通信方式，不能滿足實時性和確定性高要求的使用需求。但是，隨着以太網技術的不斷發展，其網絡傳輸速度不斷提高，帶寬達千兆的網絡已經出現；而且高速交換技術也極大的提高了以太網的確定性。克服了過去的種種不足后，以太網最終得以進入工業領域。
國際上廣泛使用的IE有：控制網絡國際組織（ControlNet International，CI）和開放式設備供貨商協會（Open DeviceNet Vendor Association，ODVA）開發的EtherNet/IP（EIP）、由Mod－bus－IDA組織開發的Modbus TCP和由PNO（Profibus Nutzer Organization）開發的和Siemens開發的Profinet，它們分別由相應的企業和組織進行推廣。
1. EtherNet/IP的優點
相對於其他IE而言，EIP使用標准TCP/IP 以太網，使其工業用戶能夠直接從標准TCP/IP 以太網技術本身的持續創新和成本降低等好處中獲益。EIP的性能會隨着以太網其他技術（如信息安全技術、高速傳輸技術、高速交換技術等）的不斷發展而發展。
標准TCP/IP以太網技術的完全開放意味着EIP產品供應商可以自由、自主地選擇全球范圍內任何符合工業等級要求的TCP/IP以太網控制芯片進行開發和生產。EIP在商業以太網的硬件和軟件基礎上運行適用於工業自動化設備的應用層協議。這樣，商業以太網的交換機等設備就可以直接用在工業控制系統中（當然需要滿足實際系統的控制和環境等條件要求）。在EIP產品的開發和制造中，中國自動控制廠商和國外廠商站在了同一條起跑線上。
圖1 EtherNet/IP和CIP的協議架構
EIP在商業以太網中引入了通用工業協議 (Common Industrial Protocol，CIP)。CIP是專為工業控制設計的應用層協議，提供了訪問數據和控制設備操作的對象集。EIP和CIP的協議架構如圖1所示。在發送CIP數據包以前必須對其進行封裝；運行在EIP上的CIP協議可以與運行在標准TCP/IP傳輸層上的任何其他協議並存；EIP還可以與任何一個基於CIP的網絡（如DeviceNet和ControlNet）共存。由於建立在廣泛使用的協議簇之上，故EIP首次實現了傳感器級網絡到控制器和企業級網絡的無縫集成。
2. CIP
CIP是經實踐證明的、實時性能很好的應用層協議，具備CIP應用層的以太網才是真正開放的工業以太網產品。它是基於DeviceNet、ControlNet、EIP的通信協議，為DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP網絡提供公共的應用層和設備描述。CIP建立在單一的、與介質無關的平台上，為從工業現場到企業管理層提供無縫通信，使用戶可以整合跨越不同網絡的有關安全、控制、同步、運動、報文和組態等方面的信息。它有助於使工程化和現場安裝的開銷最小化，使用戶獲得最大的投資收益。
CIP采用基於非連接的用戶數據報文協議/網際協議（UDP/IP）和基於連接的傳輸控制協議/網際協議（TCP/IP）作為Ethernet網上控制和信息的傳輸協議，允許發送顯式和隱式報文（CIP與TCP/IP層次關系見圖2）。
其中，隱式報文是對時間有苛刻要求的控制信息，通過UDP/IP完成；顯式報文是對時間無苛刻要求的點對點信息，可由TCP/IP完成。顯式報文用於配置、下載和故障診斷；隱式報文用於實時I/O數據的傳輸。CIP是一個基於對象的網絡設備的解決方案。作為設備間進行自動化數據傳輸的通訊協議，CIP把每一個網絡設備看作一系列對象的集合。每個對象也只是一組設備相關數據的集合，稱為屬性。它通過設備描述對網絡中的設備進行完整的定義。CIP向終端用戶提供了自動化系統必不可少的控制、組態、數據采集服務功能。為面向自動化領域提供了以太網上的工業自動化設備的互操作性和互換性。
圖2 CIP與TCP/IP層次關系
2.1 CIP對象模型
圖3為CIP的對象模型。包括所有EIP設備都必須實現的核心對象，如消息路由器
（Message Router）、無連接信息管理器（Unconnected Message Manager）、標識對象（Identity Object）和連接管理器（Connection Manager）；可以選擇實現的對象：組合對象（Assembly Object）。
（1）消息路由器。負責接收來自UCMM或Transport的顯式報文，去掉報文頭，將數據進行解析。根據要訪問的類和屬性路徑對目的對象進行路由；
（2）無連接信息管理器（UCMM）。主要通過基於非連接傳輸方式的報文解析，提供跨網絡的報文服務並可以進行報文復制檢測和重試服務。值得注意的是CIP中UCMM和Transport並不是真正意義上的對象，而是與產品具體實現相關的功能組件。相對於UCMM來講，Transport在網絡層和設備對象之間直接建立了一個接口：當接收到顯式報文時，將數據送給Message Router處理；當接收到隱式報文時，直接將數據送到應用對象處理。提供跨網絡的報文服務並可以進行報文復制檢測和重試服務；
（3）標識對象。包含了當產品接入網絡時與網絡相關的所有服務和屬性，如提供Vendor ID、IP地址和端口號等設備相關信息；
（4）連接管理器。負責管理網絡上連接的打開和關閉，為1類和3類連接提供傳輸目標。
（5）組合對象。用於實現網絡上結點數據的傳送和接收。
圖3 CIP的對象模型
CIP規約定義了三種類型的對象：①必須對象②應用對象③廠商定義對象。
必須對象是指每個CIP設備都必須包含的對象（如標識對象和消息路由器等）。
應用對象定義了設備封裝的數據。這類對象對應於不同的設備。比如，驅動系統中的電機對象包含了描述頻率、額定電流和電機尺寸等屬性數據；I/O設備的模擬量輸入對象包含了模擬輸入的類型和電流值等屬性數據。
廠商定義對象是指那些在規約中沒有指明的而是由廠商自己構造的特殊對象，在訪問這類對象時可以使用與訪問必須對象和應用對象相同的方法。
2.2 3種主要的傳輸方式
EIP中現有的主要三種傳輸類型為UCMM方式、1類和3類傳輸方式。
（1）UCMM方式，即基於無連接的報文傳輸。
該方式由客戶端和服務器端組成，客戶端發起報文傳輸，服務器端對客戶端的請求進行響應。UCMM方式采用了重發和確認機制來保證每次請求和響應包的可靠傳輸。與1類和3類傳輸方式相比，這種傳輸方式效率相對較低，但由於采用基於無連接的方式，在傳輸請求和響應包時不需要預先進行協商。UCMM客戶端可以同時向一個和多個服務器端發起多次請求/響應傳輸，具體傳輸次數大小僅由實際客戶端設備的傳輸記錄能力來決定。與此類似，UCMM的服務器端可以同時接收來自多個不同客戶端傳輸請求/響應，具體數目也是僅由實際服務器端設備的傳輸記錄能力來決定的。UCMM類傳輸方式多用在1類和3類傳輸初始化階段，連接初始化工作由Connection Manager Object（連接管理器對象）來完成。
（2）1類傳輸，即基於連接的實時數據傳輸。
與UCMM和3類傳輸方式不同，該傳輸方式不是由采用客戶端和服務器端的組成，而是由生產者和消費者組成。 它允許連接中的雙方節點可以分別同時發送和接收數據，而不再有先請求后響應的順序要求了。1類傳輸可以重復進行，是進行實時控制數據傳輸的主要方式。
 3類傳輸： 基於連接的報文傳輸；
與UCMM傳輸方式類似，3類傳輸方式也由客戶端和服務器端組成，客戶端發起報文傳輸，服務器端則對客戶端的請求進行響應。這種方式適合於以定時方式進行的事件類觸發數據的傳輸，傳輸效率高於UCMM傳輸方式。
三種傳輸方式與TCP和UDP的關系如表1所示。
表1 三種傳輸方式與TCP和UDP的關系
TCP UDP
Unconnected UCMM
Connected 3類傳輸 1類傳輸
3類傳輸是通過TCP/IP協議收發報文的，主要是通過TCP端口0xaf12進行的，所有的3類報文都是采用點對點方式傳輸的；1類傳輸是通過UDP/IP協議收發報文的，主要是通過UDP端口0x08ae進行的，1類報文可以采用點對點傳輸，也可以采用多播方式進行多點傳輸。
3.3 EIP產品的開發
為了推廣EIP作為工業自動化應用層協議的使用，國際上有四個獨立的組織一直在努力工作，即：ODVA（Open DeviceNet V