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利用德國(guó)赫優(yōu)訊netANALYZER分析儀研究實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的時(shí)間抖動(dòng)

鄒玉鞋
(德國(guó)赫優(yōu)訊自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司上海代表處  上海  200010)

摘要:自動(dòng)化系統(tǒng)通訊要求的逐步提高巍虫,實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)研究的愈加深入匾灶,基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的設(shè)備也越來越多,而如何測(cè)試實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)備通訊性能至關(guān)重要哎媚,本文在深入研究實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上喇伯,借助于德國(guó)赫優(yōu)訊最新實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀netANALYZER喊儡,通過搭建PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái),結(jié)合PROFINET的技術(shù)協(xié)議稻据,利用Wireshark網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析工具艾猜,對(duì)PFOFINET時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行了深入的研究和分析。充分說明德國(guó)赫優(yōu)訊netANALYZER分析儀是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)不可缺少的工具之一霉枢。

關(guān)鍵詞: netANALYZER 實(shí)時(shí)以太網(wǎng) PROFINET 時(shí)間抖動(dòng) 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(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展首冒,通訊要求的逐步增強(qiáng),工業(yè)自動(dòng)化的控制組件斑宴、執(zhí)行器和傳感器數(shù)量的不斷增多使得控制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性變得更加明顯烙损。最初用于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的專用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng),已經(jīng)不能滿足高速窒埃、多節(jié)點(diǎn)的要求诺订,一些問題也開始出現(xiàn)。而工業(yè)通信的未來:依靠以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化組件成本效率的提高宽考、實(shí)時(shí)性的快速響應(yīng)和連接節(jié)點(diǎn)的增多马榆,順應(yīng)了工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展需求,實(shí)時(shí)以太網(wǎng)將非專利以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)時(shí)精確性有機(jī)地結(jié)合起來侵选,成本更加低廉糟糊、數(shù)據(jù)處理能力比現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案快10到100倍愕匪,具有高效及確定性的通信協(xié)議盐儿,可應(yīng)用于對(duì)動(dòng)態(tài)性和精確性要求極其苛刻的場(chǎng)合。
  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在歐洲正處于高速發(fā)展的時(shí)期涮较,研究和產(chǎn)品開發(fā)也是愈加深入稠鼻,越來越多的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品也競(jìng)相面世,并且正經(jīng)歷著各種苛刻環(huán)境的考驗(yàn)狂票,而各大自動(dòng)化廠商也是紛紛推出各自的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)候齿,比如Siemens支持的PROFINET、Beckoff支持的EtherCAT闺属、Rockwell支持EtherNet/IP慌盯、貝加萊支持的Powerlink、Bosch Rexroth支持的SERCOS III等等掂器。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的協(xié)議種類繁多亚皂,而如何測(cè)試實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品性能,實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品兼容性等問題国瓮,成為各大自動(dòng)化廠商和自動(dòng)化用戶必須面臨的關(guān)鍵問題灭必。
  本論文正是基于上述關(guān)鍵問題,在深入分析德國(guó)赫優(yōu)訊最新推出的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀netANALYZER的基礎(chǔ)上乃摹,利用赫優(yōu)訊cifX50-RE實(shí)時(shí)以太網(wǎng)主站板卡禁漓,赫優(yōu)訊實(shí)時(shí)以太網(wǎng)從站IO測(cè)試板NXIO跟衅,搭建PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái),通過netANALYZER網(wǎng)絡(luò)分析儀抓取實(shí)時(shí)以太網(wǎng)報(bào)文泳寥,結(jié)合Wireshark網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析工具载呢,對(duì)PROFINET網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行研究,對(duì)PROFINET產(chǎn)品性能進(jìn)行分析疹神。

2  德國(guó)赫優(yōu)訊netANALYZER技術(shù)特點(diǎn)和工作原理分析
2.1  netANALYZER技術(shù)特點(diǎn)
  赫優(yōu)訊實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀netANALYZER草颤,如下圖1所示,基于德國(guó)赫優(yōu)訊百分百知識(shí)產(chǎn)權(quán)芯片netX墙弛,是一種智能的PC板卡捏表,通過PCI插槽連接PC機(jī),分析儀帶有2組以太網(wǎng)接口降井,支持雙向傳輸镊迟,集成了內(nèi)部TAP;具有3個(gè)狀態(tài)顯示LED用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)隘吆、報(bào)文抓取和事件偵聽箭溜;4個(gè)GPIO信號(hào)口用于連接外部IO信號(hào)。每個(gè)以太網(wǎng)幀時(shí)間戳的分辨率是10ns晕石,可精確測(cè)量網(wǎng)絡(luò)延遲和時(shí)間抖動(dòng)桦陨。內(nèi)部firmware豐富,DPM高達(dá)64K据途,可應(yīng)用于EtherCAT绞愚,EtherNet/IP,Powerlink颖医,PROFINET和SERCOS III等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議的分析位衩,最大可抓取1GB的報(bào)文數(shù)據(jù),報(bào)文數(shù)據(jù)格式可自動(dòng)轉(zhuǎn)為WinPCAP文件格式熔萧,供Wireshark等免費(fèi)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析糖驴。
 


圖1. netANALYZER實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀

2.2  netANALYZER工作原理

  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀netANALYZER的工作原理如圖2所示,大體可分為以下三個(gè)步驟:報(bào)文數(shù)據(jù)的抓取佛致、信息內(nèi)容的轉(zhuǎn)移和信息格式的轉(zhuǎn)換與顯示贮缕。
 


圖2. netANALYZER實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析儀工作原理

  2.2.1報(bào)文數(shù)據(jù)的抓取
  以太網(wǎng)報(bào)文由物理接口傳送至netANALYZER,通過xC Link將報(bào)文和狀態(tài)信息俺榆、時(shí)間戳感昼、長(zhǎng)度、報(bào)文錯(cuò)誤等信息一同傳送至netX芯片的RAM區(qū)中肋演,報(bào)文由已經(jīng)存儲(chǔ)在flash中的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議固件抑诸,根據(jù)不同實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議報(bào)文格式進(jìn)行打包,由ARM核處理后傳送至netX芯片外部SDRAM中状萤,從而完成報(bào)文數(shù)據(jù)的抓取打包過程玷仗。

  2.2.2信息內(nèi)容的轉(zhuǎn)移
  由于netANALYZER自身存儲(chǔ)空間有限洽灿,如果所有數(shù)據(jù)全部保存至netANALYZER中,將大大影響抓取報(bào)文的數(shù)量仅犬,而實(shí)時(shí)以太網(wǎng)報(bào)文數(shù)據(jù)量非常之大盆述,為了獲得更多的報(bào)文信息,精確分析結(jié)果案哄,netANALYZER通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂刹煌瑢?shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議firmware打包的報(bào)文霜铸,通過PCI接口,傳送至PC的RAM中沐亏,并以*.hea的二進(jìn)制格式轉(zhuǎn)存至PC的硬盤中灌大,存儲(chǔ)的路徑根據(jù)用戶的定義,最大存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量為1G耸挟。

  2.2.3信息格式的轉(zhuǎn)換與顯示
  由于*.hea的二進(jìn)制格式文件并不是一個(gè)通用的文件格式死唇,為了方便用戶使用一些常用的以太網(wǎng)報(bào)文分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析,netANALYZER軟件具有將*.hea格式文件轉(zhuǎn)換為*.pcap文件格式的功能卿捎,并存儲(chǔ)至用戶定義的目錄下配紫,這樣用戶就可以非常方便地對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析,例如錯(cuò)誤報(bào)文的分析午阵、循環(huán)周期躺孝、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、時(shí)間抖動(dòng)等底桂。

3  PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的搭建

  netANALYZER進(jìn)行實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議報(bào)文信息的分析植袍,首先需要搭建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái),由于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議眾多戚啥,本文采用其中一種常用協(xié)議PROFINET進(jìn)行研究分析奋单,故搭建PROFINET的測(cè)試平臺(tái)如圖3所示锉试。
  PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)平臺(tái)的搭建需要PROFINET的主站和從站猫十,選擇德國(guó)赫優(yōu)訊現(xiàn)有產(chǎn)品cifX50-RE作為PROFINET主站,NXIO作為PROFINET從站進(jìn)行測(cè)試呆盖。其中德國(guó)赫優(yōu)訊cifX50-RE同一塊硬件可通過下載不同的固件firmware拖云,可實(shí)現(xiàn)包括EtherCAT,EtherNet/IP应又,Powerlink宙项,PROFINET和SERCOS III等各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)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(yīng)的firmware)鲜映,實(shí)現(xiàn)不同實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的從站功能定岳。
  不同的硬件連接方式所測(cè)試的數(shù)據(jù),可分析實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)備的不同性能和參數(shù)袭仲,(具體參考德國(guó)赫優(yōu)訊netANALYZER產(chǎn)品應(yīng)用手冊(cè))池膜,本文采用其中一種連接方式非淹,netANALYZER的連接如圖3,此連接方式可以分析錯(cuò)誤報(bào)文盘称、循環(huán)周期周讯、時(shí)間抖動(dòng)等信息。
 


圖3. PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)連接圖

4 PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

4.1 PROFINET網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
  cifX50-RE作為PROFINET主站兔阿,首先需要通過赫優(yōu)訊基于FDT/DTM技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)配置工具(暫不可見)奔沐,對(duì)cifX50-RE進(jìn)行固件Firmware下載、網(wǎng)絡(luò)配置和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置蜕逾。而NXIO作為PROFINET從站測(cè)試板碘展,相關(guān)Firmware等信息已經(jīng)在CF存儲(chǔ)卡中,故無需作過多的操作挑庶。具體的cifX50-RE的PROFINET網(wǎng)絡(luò)配置和PROFINET網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建可咨詢德國(guó)赫優(yōu)訊上海代表處叹放。

4.2 netANALYZER的實(shí)現(xiàn)

  在安裝上netANALYZER分析儀驅(qū)動(dòng)和軟件后,運(yùn)行netANALYZER軟件挠羔,如圖4所示井仰,如果硬件上連接上其中一個(gè)TAP口,在圖上會(huì)顯示出連接狀態(tài)破加,同時(shí)可根據(jù)netANALYZER上LED進(jìn)行狀態(tài)判斷俱恶,本例中連接TAP2口。
 


圖4. netANALYZER軟件界面

  用戶可通過file setting進(jìn)行*.hea和*.pcap文件的存儲(chǔ)路徑的設(shè)置范舀,通過GPIO進(jìn)行外部IO信號(hào)的設(shè)定合是,由于IO報(bào)文可能會(huì)和其它報(bào)文產(chǎn)生混淆,赫優(yōu)訊netANALYZER光盤中特提供了“hilscher_net_analyzer.dll”文件锭环,安裝此文件后聪全,GPIO的數(shù)據(jù)格式可變成特定的格式,以便區(qū)分辅辩,直接將此文件導(dǎo)入Wireshark plugins文件夾下即可难礼。
  同時(shí)用戶可根據(jù)需要,進(jìn)行報(bào)文信息的過濾墩倔,通過filter setting設(shè)定報(bào)文信息的MAC地址涂颠,即可過濾掉不需要的報(bào)文,抓取有用的報(bào)文信息摇皿。
  設(shè)定好上述信息后俗齿,用戶即可進(jìn)行PROFINET報(bào)文的抓取,單擊start泳嵌,抓取完成后點(diǎn)擊stop圆滓,而后點(diǎn)擊convert進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換,即保存為*.pcap文件膊抄。

5 PROFINET網(wǎng)絡(luò)性能的分析

  通過上述操作存站,成功抓取PROFINET報(bào)文共計(jì)5124KB理章,利用wireshark軟件打開所抓取的報(bào)文如圖5所示。
 


圖5. netANALYZER抓取的報(bào)文信息

    通過Wireshark中IO Graphs進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的分析清腌,選擇數(shù)據(jù)顯示的不同方式厂均,如圖6所示。
 


圖6. netANALYZER抓取的報(bào)文分析

  分析所抓取的報(bào)文帆摊,抓取報(bào)文的時(shí)間為176.007-210.662S碱茁,即34.655S,數(shù)據(jù)報(bào)文總數(shù)為69318條仿贬,其中每條報(bào)文的長(zhǎng)度為64Bytes纽竣,計(jì)算可得PROFINET在上述環(huán)境下的通訊速度為1MB/S。
  通過報(bào)文的顯示顏色可發(fā)現(xiàn)無錯(cuò)誤報(bào)文信息茧泪,說明通訊數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常高蜓氨,如果有外部IO信息,也可同時(shí)分析出队伟。
  根據(jù)圖6穴吹,圖上每個(gè)時(shí)間段內(nèi)報(bào)文數(shù)量比較均勻,時(shí)間段內(nèi)報(bào)文數(shù)線條光滑嗜侮,說明所循環(huán)的PROFINET的報(bào)文信息時(shí)間抖動(dòng)小港令,從而說明實(shí)時(shí)以太網(wǎng)硬件的通訊性能良好,另外锈颗,如果數(shù)據(jù)量非常大顷霹,可以通過更為精確的分析軟件進(jìn)行研究分析時(shí)間抖動(dòng)的幅度。

6 結(jié)束語

  本文在深入分析實(shí)時(shí)以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上击吱,提出了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)設(shè)備性能參數(shù)的測(cè)試問題淋淀,在詳細(xì)剖析赫優(yōu)訊netANALYZER實(shí)時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析儀后,選擇PROFINET協(xié)議進(jìn)行測(cè)試帖与,通過搭建PROFINET網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)萍卑,對(duì)PROFINET的報(bào)文抓取進(jìn)行深入探討,通過免費(fèi)以太網(wǎng)報(bào)文分析軟件Wireshark進(jìn)行分析构演。另外如果用戶需要對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行分析辩钢,需要對(duì)時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行更加深入的分析,用戶可自行搭建平臺(tái)如圖7所示(赫優(yōu)訊可提供幫助)允由。netANALYZER網(wǎng)絡(luò)分析儀可對(duì)包括EtherCAT,EtherNet/IP影虫,Powerlink谒只,PROFINET和SERCOS III等各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行分析,是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)和使用過程中不可缺少的工具跛农,是工程師的得力助手橡吗。
 


圖7. netANALYZER硬件連接圖

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介
鄒玉鞋 德國(guó)赫優(yōu)訊自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司技術(shù)支持主管  專門從事工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)網(wǎng)絡(luò)研究谢市。


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