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這篇文章的標(biāo)題雖然是關(guān)于EtherCAT EOE，但其實主要內(nèi)容是關(guān)于整個EOE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，屬于計算機網(wǎng)絡(luò)原理。而EtherCAT EoE只是簡單介紹，并不是文章的重點。需要注意的是，我們的描述主要基于Linux操作系統(tǒng)，但在Windows或其他RTOS上的原理也是類似的，大家可以自行類比遷移。

為了避免混淆，文中將會使用"EtherNet"或"以太網(wǎng)"來指代TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，以區(qū)分EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和普通的以太網(wǎng)。

一、EoE

EtherCAT是一種實時以太網(wǎng)總線協(xié)議，是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，EtherCAT已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中最受歡迎的總線協(xié)議之一，被廣泛應(yīng)用于機器人、自動化生產(chǎn)線、運動控制等場景。

EtherCAT使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)幀，單從以太網(wǎng)角度看，ETherCAT是二層網(wǎng)絡(luò)，常說的MAC層，以太網(wǎng)幀頭使用以太網(wǎng)類型0x88A4來和其他以太網(wǎng)幀相區(qū)別。

一個完整EtherCAT幀如下所示。

EtherCAT采用主從結(jié)構(gòu)進(jìn)行訪問控制，通信關(guān)系始終由主站發(fā)起。主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，從站使用專門的ETherCAT從站控制器ESC(Ethercat Slave Controller)芯片來處理子報文。

整個EtherCAT網(wǎng)絡(luò)形成一個環(huán)狀，主站向各個從站發(fā)送EtherCAT以太網(wǎng)幀，該幀的數(shù)據(jù)區(qū)包含了多個ETherCAT子報文。這些子報文包含地址信息，用于定位每個從站，主站通過這些子報文與每個從站進(jìn)行交互。每個從站ESC可以從數(shù)據(jù)幀中提取或插入數(shù)據(jù)。

ethercat工作圖示

工業(yè)通信必須滿足不同要求的數(shù)據(jù)傳輸特性，這些數(shù)據(jù)大致可分為兩類，一類是對通信時間要求嚴(yán)格的過程數(shù)據(jù)（實時數(shù)據(jù)），另一類是對時間要求相對不重要的非過程數(shù)據(jù)（非實時數(shù)據(jù)），如參數(shù)數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)、批量數(shù)據(jù)等，EtherCAT支持多種服務(wù)和協(xié)議來滿足這些不同的要求。支撐這兩類數(shù)據(jù)的底層硬件主要是ESC的郵箱（SM）和FMMU。

因為ETherCAT修改了原來的二層以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，為了實現(xiàn)從站接入普通以太網(wǎng)，有了EoE。EOE是EtherNet Over EtherCAT（EtherCAT上的以太網(wǎng)）的縮寫，它是一種將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀通過EtherCAT傳輸?shù)慕鉀Q方案。使用EOE技術(shù)，可以將EtherCAT從站接入互聯(lián)網(wǎng)，并使其能夠與其他設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交互，具體能用通過從站EtherNet來做什么，就看各位的想象力了(如通過EoE訪問從站設(shè)備的參數(shù)，以便配置和診斷從站設(shè)備；tftp、web 服務(wù)等)。

圖片來源:https://techdocs.wago.com/Software/EtherCAT/en-US/1486077323.html

這里說到郵箱，簡答介紹一下郵箱報文的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的請查閱ETG相關(guān)文檔

EOE使用郵箱協(xié)議傳輸，ETherCAT中不僅有EOE，還有CoE(CANopen Over EtherCAT)、FoE(File Over EtherCAT)、SoE(SERCOR Over EtherCAT)、VoE等非實時數(shù)據(jù)通信，其底層都是是通過EtherCAT郵箱交互數(shù)據(jù)。主站通過一個個ETherCAT子報文讀寫郵箱，不同的協(xié)議數(shù)據(jù)類型通過郵箱(mailbox)協(xié)議來區(qū)別，郵箱協(xié)議數(shù)據(jù)在子報文數(shù)據(jù)區(qū)中，結(jié)構(gòu)如下。

郵箱協(xié)議數(shù)據(jù)包含郵箱頭和郵箱數(shù)據(jù)，郵箱頭主要表示郵箱數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)類型，結(jié)構(gòu)如下：

在郵箱數(shù)據(jù)區(qū)中，進(jìn)一步包含有COE、EOE、FOE等協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)。以EOE為例，通常情況下，EtherNet幀的大小為1514/1518字節(jié)（不包括前導(dǎo)碼和FCS校驗）。但從站的郵箱大小有限，每次傳輸只能傳輸幾百字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，在通過郵箱協(xié)議傳輸EtherNet幀之前，需要將其分成多個段傳輸，這就需要一定的協(xié)議和規(guī)范。此外，從站EtherNet網(wǎng)絡(luò)還設(shè)計MAC、IP、網(wǎng)關(guān)地址等參數(shù)配置，也需要通過郵箱進(jìn)行配置，統(tǒng)一需要一定的協(xié)議和規(guī)范。因此，ETG定義了EoE服務(wù)規(guī)范來應(yīng)對這些需求，它被放置在郵箱數(shù)據(jù)區(qū)中。整個ETherCAT數(shù)據(jù)幀就和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)幀一樣分層，像套娃一樣，一層協(xié)議套一層協(xié)議。其他的COE、FOE、VOE等服務(wù)規(guī)范也類似。

二、EoE服務(wù)規(guī)范

按照ETG官方文檔中對EoE應(yīng)用服務(wù)的定義，EoE服務(wù)請求規(guī)范如下：

• 初始化EoE請求（Initiate EoE），部分從站需要主站發(fā)送Initiate EoE來觸發(fā)從站初始化從站EOE，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧初始化等等，請求-響應(yīng)模式（主站發(fā)起請求，然后查詢從站響應(yīng)，根據(jù)響應(yīng)確定從站是否執(zhí)行成功）。

request：EOE frameType 0x02

response: EOE frameType 0x03

• EoE幀傳輸請求（EoE Fragment），用于傳輸主站與從站的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，只有請求，沒有響應(yīng)。

request：EOE frameType 0x00

• 設(shè)置IP參數(shù)請求（Set IP Parameter），設(shè)置從站的IP地址、網(wǎng)關(guān)等配置信息，請求-響應(yīng)模式。

request：EOE frameType 0x02

response: EOE frameType 0x03

• 設(shè)置MAC過濾器請求（Set MAC Filter），請求-響應(yīng)模式。暫未見到應(yīng)用場景。

request：EOE frameType 0x04

response: EOE frameType 0x05

以上均是通過郵箱協(xié)議來與從站交互，關(guān)于EOE服務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范大家可參考ETG官方文檔《ETG1000.6.應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范》5.7小節(jié)，這里不再詳細(xì)貼出。

EtherCAT主站如何提供EoE服務(wù)？

通過上面對EoE的描述，EtherCAT主站提供EOE功能有：

• 為每個從站配置IP、MAC、網(wǎng)關(guān)等IP參數(shù)。
• 外部發(fā)送給從站的EtherNet 幀，需要主站通過EoE Fragment發(fā)送給從站；同時主站要接收從站發(fā)送的EtherNet 幀，然后向外發(fā)送。
• 可選的MAC過濾器請求、初始化EoE請求。

Set IP Parameter request、Set MAC Filter request與 SDO upload/download請求機制類似，EtherCAT主站內(nèi)部通過一系列狀態(tài)機來為應(yīng)用層提供這些服務(wù)。不是本文的重點，具體大家可參考開源EtherCAT協(xié)議棧（igh、soem...雖然有些bug）源碼和文檔，在此不再說明。

最重要的是，EtherCAT主站需要提供一個基于ETherCAT郵箱協(xié)議的EtherNet“物理層”通道，用于從站與PLC外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信。本文關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)層面部分，即如何處理EtherNet幀并傳遞給從站，以及從站如何處理并向外界發(fā)送數(shù)據(jù)。對于EtherCAT主站如何進(jìn)行郵箱通信并不是本文的重點，自行查閱相關(guān)資料。

三、EoE網(wǎng)絡(luò)

EOE網(wǎng)絡(luò)

一個典型的EOE網(wǎng)絡(luò)通常如下圖所示：PLC（或其他運行EtherCAT主站的主機）至少配備兩個網(wǎng)卡。其中，一個網(wǎng)卡完全由EtherCAT主站管理，連接著EtherCAT從站（假設(shè)有64個從站，且全部支持EOE）。另一個網(wǎng)卡則是PLC的普通以太網(wǎng)網(wǎng)卡，用于連接到外部網(wǎng)絡(luò)。

基于這個結(jié)構(gòu)，我們考慮如下問題（本文暫且關(guān)注基本問題）：

• 如何將各個從站的網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)連接起來？
  • 外部網(wǎng)絡(luò)作為服務(wù)端如何才能連接？
  • 從站作為服務(wù)端時，客戶端在外部網(wǎng)絡(luò)，如何才能連接？
• 如何實現(xiàn)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，從站與從站之間通過EtherNet相互通信？
• ETherCAT網(wǎng)絡(luò)中的從站會經(jīng)常拔插（創(chuàng)建、刪除）如何靈活管理？
• 從站作為服務(wù)端接入外部網(wǎng)絡(luò)，如何保障基本安全？

在解決這些問題之前，我們再次看看這個網(wǎng)絡(luò)。首先，從站EOE就像一個完整的EtherNet設(shè)備。ESC EOE郵箱相當(dāng)于網(wǎng)卡，每個EOE從站則相當(dāng)于網(wǎng)卡+TCP/IP協(xié)議棧。在TCP/IP協(xié)議棧的上層，是具體的Ethernet應(yīng)用程序（如TFTP、HTTP等）。

從PLC的角度看，PLC與這64個EOE從站直接'連接'，只不過這64個網(wǎng)口共用一條EtherCAT網(wǎng)線作為總線，說到這大家有沒有聯(lián)想到什么？

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)讓人想起了在電腦上創(chuàng)建虛擬機時使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就和我們在電腦上創(chuàng)建幾個虛擬機的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一樣的！看下面這個圖你就明白了。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，PLC中的EtherCAT EOE網(wǎng)絡(luò)與我們在電腦上創(chuàng)建多個虛擬機的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常相似！PLC相當(dāng)于我們的物理機，而EOE從站則相當(dāng)于物理機里創(chuàng)建的虛擬機。每個虛擬機都有自己的網(wǎng)卡，并且安裝有操作系統(tǒng)，每個虛擬機對外要互聯(lián)互通。

在自己電腦上創(chuàng)建虛擬機只是多種虛擬化技術(shù)和應(yīng)用場景之一。

因此，EtherCAT主站EOE網(wǎng)絡(luò)的工作機制與虛擬化場景下的網(wǎng)絡(luò)工作機制類似，EtherCAT主站EOE網(wǎng)絡(luò)問題可以使用類似虛擬化場景下的網(wǎng)絡(luò)解決方式去解決。不同之處在于數(shù)量上存在差異，由于ETherCAT網(wǎng)絡(luò)有多個ETherCAT從站，需要靈活管理（如創(chuàng)建、刪除），在EtherCAT上會根據(jù)應(yīng)用場景簡化處理。

虛擬化網(wǎng)絡(luò)底層原理是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和操作系統(tǒng)技術(shù)，這方面的知識這部分內(nèi)容留到下篇文章（淺談EtherCAT主站EOE(下)-虛擬化網(wǎng)絡(luò)與EOE網(wǎng)絡(luò)）介紹。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-461914.html

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