EtherNET/IP协议基础知识
一、EtherNet/IP基础概念
1.ODVA组织简介
ODVA成立于1995年，是一个全球性协会，其成员包括世界领先的自动化公司。ODVA的使命是促进工业自动化中开放的，可互操作的信息和通信技术。ODVA将其独立于媒体的网络协议，通用工业协议或“CIPTM”以及CIP的网络改进版EtherNet/IPTM，DeviceNetTM , CompoNetTM和ControlNetTM视为其核心技术。其负责的主要内容有：
1.设备的一致性测试认证与互操作；
2.授权EtherNet/IP技术；
3.发放Vendor ID代表厂商设备信息；
4.其下的SIG小组负责各类规范、方针等内容的制定。
2.EtherNet/IP基础架构
2.1 EtherNet/IP OSI参考模型
图：EtherNet/IP的ISO/OSI参考模型
EtherNet/IP的ISO/OSI参考模型如上图所示，其物理层、链路层、网络层、传输层均与标准以太网相同，特点在于其在传输层之上增添了一个封装层，对来自应用层的数据进行报文格式的封装；而应用层采用的是CIP协议，满足其在工业自动化领域的一些功能和服务。
特点：
1.服务于各类工业自动化应用；
2.基于标准的IEEE802.3与TCP/IP Suite；
3.应用层采用通用工业协议CIP；
4.IT集成，包括Web、OPC等服务；
5.物理层实现基于标准的以太网控制器；
6.规定了特定的传输端口，UDP/IP(PORT 44818)，TCP/IP(PORT 44818)。
2.2 EtherNet/IP 各层功能特点
2.2.1 物理层：
1）传输介质可选铜缆双绞线或光纤；
2）几乎可以容纳无限数量的点对点节点；
3）可以通过嵌入式交换机技术和设备级环网技术来实现线型、星型和环网拓扑；
4）可根据需求选择不同的物理接口：基本的以太网连接，支持COTS现成商用标准，适合IP 20应用；工业等级应用，需性能增强的RJ-45连接器，密封RJ-45连接器以及更紧凑的M12连接器，适合IP 67应用；
2.2.2 数据链路层与网络层：
图：EtherNet/IP的以太网帧格式
EtherNet/IP的链路层帧格式如上图所示，与标准以太网没有区别，遵循IEEE 802.3规范设计，并支持全双工传输。
图：EtherNet/IP的网络层与传输层
同时网络层与传输层也使用TCP/IP与UDP/IP进行传输，两种方式分别传输两种不同的消息：TCP/IP是面向连接的点对点传输，并且传输的是封装CIP explicit messages（显示消息），主要用于配置信息与诊断数据的传输；UDP/IP是单对多的广播传输，主要用于实时性要求较高的数据传输，并由Timeout机制检测是否传输出错。
2.2.3 Encapsulation封装协议
2.2.3.1 主要功能
图：EtherNet/IP封装层协议
实时性要求不同的数据会采用不同的封装形式与传输形式：实时性要求不高的数据会采用CPF（Common Packet Format通用包格式）+Encapsulation的封装，走TCP/IP传输通道；而实时性要求较高的数据仅采用CPF封装，并走UDP/IP传输通道。封装层主要功能如下：
1.解除IP网络的CIP消息封装；
2.将CIP消息包装为以太网消息；
3.会话管理；
4.与下层TCP/IP协议层以及TCP/IP堆栈进行交互。
2.2.3.2 封装结构
图：EtherNet/IP以太网包结构
图：封装部分的结构
EtherNet/IP的以太网包与其中的封装部分结构如上图所示，其中封装部分各细分部分功能如下：
Command：代表该包的功能和作用；
Length：指示后方数据域的长度；
Session Handle：会话句柄，表示会话建立或响应的请求；
Status：指示改包的命令有无正确执行，可比对状态码表进行确认；
Sender Context：包含描述发送者信息的内容；
Options：可选设置；
Command-specific Data：根据命令的不同有所区别
2.2.3.3 命令类型
表：部分命令类型
2.2.3.4 命令特定数据域（CPF）结构
图：数据域结构
数据域部分的结构如上图所示，其结构为1个1个的item的连接，其每种item的含义如下：
- Item Count：指示该包数据域中item的总个数
- Address Item：存放目的地地址信息：
Type ID：地址类型；
Length：地址长度；
Data：地址具体数值；
- Data Item：存放数据信息：
Type ID：数据类型；
Length：数据长度；
Data：具体数据，封装了CIP报文包的内容，包含CIP命令、请求路径等内容；
2.2.4 传输层的消息类型
2.2.4.1 显式消息
应用：非周期性从端数据的读写
特点：
①报文中包含地址项和服务请求（命令）；
②通常用于两个站点之间的通用通信路径；
③面向逻辑连接的连接方式，点对点传输，请求对应响应；
图：显式消息封装部分的报文结构
上图中，Command的值为0x6F，指示该报文为SendRRData，其上半部分的结构为封装报文头结构，下半部分为命令特定数据域结构，与前文提到的报文结构基本无异。
2.2.4.2 隐式消息
应用：实时的IO应用数据交互
特点：
①报文中没有地址项，也没有服务请求（命令）；
②通过Connection ID来确定任务目标；
③生产者与（一或多个）消费者之间的特殊通信路径；
④点对点或多播；
图：隐式消息封装部分的报文结构
上图的报文结构中，不含有封装协议报文头，且命令特定数据域中的地址项与数据均固定，通过Connection ID来标识访问的数据。
2.2.5 EtherNet/IP 应用层-CIP
图：CIP协议基本架构
基本原理：以是否存在实时性要求为依据，划分数据的优先级，区别对待不同优先级的数据。具体的协议内容，将单独成篇进行介绍。
2.3 EtherNet/IP 特点总结
①在标准以太网基础上建立，而不仅仅是与之兼容；
②多种数据传输速率：10、100、1000Mbit/s；
③可以使用标准基础架构来构建系统；
④可以使用IP路由器将网络构建为子网；
⑤使用IP寻址进行所有通信，完全支持跨子网的通信，因此网络中几乎没有节点数量限制；
⑥非实时通信和实时通信可以在同一子网中共存；
⑦支持协调驱动和运动控制；
⑧支持设备级环网（DLR），该环网通过介质冗余提供单容错能力；
⑨与其他上层协议（如HTTP,FTP,VOIP等）共存；
二、EtherNet/IP设备
1. EtherNet/IP 设备类型
图：EtherNet/IP设备类型与功能
为了方便设备厂商进行EtherNet/IP设备的开发，或是开发商选用合适的EtherNet/IP设备，ODVA为EtherNet/IP设备制定了一套明确的设备类型标准，每一个类型都界定了一个功能的范围：
Level 1：显示消息服务器
·仅用于显式消息;
·示例：程序上传、数据收集器、状态监视……
Level 2：I/O消息服务器
·类似于Level 1，但具有循环I/O消息；
·响应显式和隐式消息；
·示例：现场设备、旋转编码器、驱动器等；
Level 3：显式消息客户端/服务器
·类似于Level 1，但是有客户端用于显式消息；
·能发送、接收显式消息；
·示例：编码器、SCADA设备等；
Level 4：I/O消息客户端/服务器
·类似于Level 1、Level 2、Level 3，加上客户端用于隐式IO参考；
·可以发送和接收显式和隐式消息；
·示例：PLC、softPLC、I/O Scanner 路由器等；
2. EtherNet/IP 协议的实现方式
2.1硬件方式
①采用现有已经设计好的一些接口板卡。基本上无需关心硬件方面的内容，插入接口后使用厂商配备的软件即可进行EtherNet/IP通信；
②采用嵌入了EtherNet/IP协议栈的MCU。还需要对MCU的外围电路进行相应的设计，将MCU的功能从引脚中引出，即可进行EtherNet/IP通信；
③采用嵌入了EtherNet/IP协议栈的接口模块；与方案2）类似，需要设计相应的硬件电路，接口模块需要一个MCU对其进行主控才可进行EtherNet/IP通信；
④采用网关。类似于接口板卡，插入接口后使用厂商配备的软件即可进行通信，特点是其进行的是协议间的通信，并不单独针对EtherNet/IP协议。
2.2软件方式
集成EtherNet/IP协议栈到MCU中，即参考EtherNet/IP协议文档，自行编写代码至MCU中，或购买软件厂商相应的代码移植入MCU中。这样就可以进一步进行EtherNet/IP设备的开发。
2.3建议参考文档
①PUB00213R0_EtherNetIP_Developers_Guide.pdf
该文档并非是EtherNet/IP协议的详解，而是一个总结性的、概括性的、指导性的文档。文档概述了EtherNet/IP协议的基本内容，会给予开发者实现EtherNet/IP协议，或开发相应的EtherNet/IP设备时的各种建议。比如，从何处开始了解协议、协议的哪些条例需要注意、开发设备需要了解协议到何种程度、哪些步骤应该参考其它哪些文档等等等等。
图：文档目录
②PUB00070_Recommanded-Functionality-for-EIP-Devices-v10.pdf
该文档明确了各种不同EtherNet/IP设备所具备的具体功能细则，给EtherNet/IP设备开发者提供了一个重要的参考标准。
