利用德国赫优讯netANALYZER分析仪研究实时以太网的时间抖动

邹玉鞋
（德国赫优讯自动化系统有限公司上海代表处  上海  200010）

摘要：自动化系统通讯要求的逐步提高，实时以太网技术研究的愈加深入，基于实时以太网的设备也越来越多，而如何测试实时以太网设备通讯性能至关重要，本文在深入研究实时以太网技术的基础上，借助于德国赫优讯最新实时以太网分析仪netANALYZER，通过搭建PROFINET实时以太网网络通讯平台，结合PROFINET的技术协议，利用Wireshark网络报文分析工具，对PFOFINET时间抖动进行了深入的研究和分析。充分说明德国赫优讯netANALYZER分析仪是实时以太网技术研究和产品开发不可缺少的工具之一。

关键词: netANALYZER 实时以太网 PROFINET 时间抖动 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

　　工业自动化的快速发展，通讯要求的逐步增强，工业自动化的控制组件、执行器和传感器数量的不断增多使得控制网络的复杂性变得更加明显。最初用于简化网络的专用现场总线系统，已经不能满足高速、多节点的要求，一些问题也开始出现。而工业通信的未来:依靠以太网技术实现自动化组件成本效率的提高、实时性的快速响应和连接节点的增多，顺应了工业自动化的发展需求，实时以太网将非专利以太网标准的优点与工业自动化技术的实时精确性有机地结合起来，成本更加低廉、数据处理能力比现场总线解决方案快10到100倍，具有高效及确定性的通信协议，可应用于对动态性和精确性要求极其苛刻的场合。
　　实时以太网技术在欧洲正处于高速发展的时期，研究和产品开发也是愈加深入，越来越多的实时以太网产品也竞相面世，并且正经历着各种苛刻环境的考验，而各大自动化厂商也是纷纷推出各自的实时以太网协议标准，比如Siemens支持的PROFINET、Beckoff支持的EtherCAT、Rockwell支持EtherNet/IP、贝加莱支持的Powerlink、Bosch Rexroth支持的SERCOS III等等。实时以太网的协议种类繁多，而如何测试实时以太网产品性能，实时以太网产品兼容性等问题，成为各大自动化厂商和自动化用户必须面临的关键问题。
　　本论文正是基于上述关键问题，在深入分析德国赫优讯最新推出的实时以太网分析仪netANALYZER的基础上，利用赫优讯cifX50-RE实时以太网主站板卡，赫优讯实时以太网从站IO测试板NXIO，搭建PROFINET实时以太网网络通讯平台，通过netANALYZER网络分析仪抓取实时以太网报文，结合Wireshark网络报文分析工具，对PROFINET网络性能进行研究，对PROFINET产品性能进行分析。

2  德国赫优讯netANALYZER技术特点和工作原理分析
2.1  netANALYZER技术特点
　　赫优讯实时以太网网络分析仪netANALYZER，如下图1所示，基于德国赫优讯百分百知识产权芯片netX，是一种智能的PC板卡，通过PCI插槽连接PC机，分析仪带有2组以太网接口，支持双向传输，集成了内部TAP；具有3个状态显示LED用于显示系统状态、报文抓取和事件侦听；4个GPIO信号口用于连接外部IO信号。每个以太网帧时间戳的分辨率是10ns，可精确测量网络延迟和时间抖动。内部firmware丰富，DPM高达64K，可应用于EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等实时以太网协议的分析，最大可抓取1GB的报文数据，报文数据格式可自动转为WinPCAP文件格式，供Wireshark等免费软件进行数据分析。
 

图1. netANALYZER实时以太网分析仪

2.2  netANALYZER工作原理

　　实时以太网网络分析仪netANALYZER的工作原理如图2所示，大体可分为以下三个步骤：报文数据的抓取、信息内容的转移和信息格式的转换与显示。
　

图2. netANALYZER实时以太网分析仪工作原理

　　2.2.1报文数据的抓取
　　以太网报文由物理接口传送至netANALYZER，通过xC Link将报文和状态信息、时间戳、长度、报文错误等信息一同传送至netX芯片的RAM区中，报文由已经存储在flash中的实时以太网协议固件，根据不同实时以太网协议报文格式进行打包，由ARM核处理后传送至netX芯片外部SDRAM中，从而完成报文数据的抓取打包过程。

　　2.2.2信息内容的转移
　　由于netANALYZER自身存储空间有限，如果所有数据全部保存至netANALYZER中，将大大影响抓取报文的数量，而实时以太网报文数据量非常之大，为了获得更多的报文信息，精确分析结果，netANALYZER通过驱动程序将由不同实时以太网协议firmware打包的报文，通过PCI接口，传送至PC的RAM中，并以*.hea的二进制格式转存至PC的硬盘中，存储的路径根据用户的定义，最大存储数据量为1G。

　　2.2.3信息格式的转换与显示
　　由于*.hea的二进制格式文件并不是一个通用的文件格式，为了方便用户使用一些常用的以太网报文分析软件进行数据的分析，netANALYZER软件具有将*.hea格式文件转换为*.pcap文件格式的功能，并存储至用户定义的目录下，这样用户就可以非常方便地对报文数据进行具体的分析，例如错误报文的分析、循环周期、网络延时、时间抖动等。

3  PROFINET网络测试平台的搭建

　　netANALYZER进行实时以太网协议报文信息的分析，首先需要搭建相应的网络测试平台，由于实时以太网协议众多，本文采用其中一种常用协议PROFINET进行研究分析，故搭建PROFINET的测试平台如图3所示。
　　PROFINET实时以太网平台的搭建需要PROFINET的主站和从站，选择德国赫优讯现有产品cifX50-RE作为PROFINET主站，NXIO作为PROFINET从站进行测试。其中德国赫优讯cifX50-RE同一块硬件可通过下载不同的固件firmware，可实现包括EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等各种实时以太网协议的主站或从站，而NXIO可通过加上不同的CF卡（CF卡上保存有相应的firmware），实现不同实时以太网的从站功能。
　　不同的硬件连接方式所测试的数据，可分析实时以太网设备的不同性能和参数，（具体参考德国赫优讯netANALYZER产品应用手册），本文采用其中一种连接方式，netANALYZER的连接如图3，此连接方式可以分析错误报文、循环周期、时间抖动等信息。
　

图3. PROFINET网络测试平台连接图

4 PROFINET网络测试的实现

4.1 PROFINET网络平台的实现
　　cifX50-RE作为PROFINET主站，首先需要通过赫优讯基于FDT/DTM技术的网络配置工具(暂不可见)，对cifX50-RE进行固件Firmware下载、网络配置和相关参数的设置。而NXIO作为PROFINET从站测试板，相关Firmware等信息已经在CF存储卡中，故无需作过多的操作。具体的cifX50-RE的PROFINET网络配置和PROFINET网络平台的搭建可咨询德国赫优讯上海代表处。

4.2 netANALYZER的实现

　　在安装上netANALYZER分析仪驱动和软件后，运行netANALYZER软件，如图4所示，如果硬件上连接上其中一个TAP口，在图上会显示出连接状态，同时可根据netANALYZER上LED进行状态判断，本例中连接TAP2口。
　

图4. netANALYZER软件界面

　　用户可通过file setting进行*.hea和*.pcap文件的存储路径的设置，通过GPIO进行外部IO信号的设定，由于IO报文可能会和其它报文产生混淆，赫优讯netANALYZER光盘中特提供了“hilscher_net_analyzer.dll”文件，安装此文件后，GPIO的数据格式可变成特定的格式，以便区分，直接将此文件导入Wireshark plugins文件夹下即可。
　　同时用户可根据需要，进行报文信息的过滤，通过filter setting设定报文信息的MAC地址，即可过滤掉不需要的报文，抓取有用的报文信息。
　　设定好上述信息后，用户即可进行PROFINET报文的抓取，单击start，抓取完成后点击stop，而后点击convert进行文件格式的转换，即保存为*.pcap文件。

5 PROFINET网络性能的分析

　　通过上述操作，成功抓取PROFINET报文共计5124KB，利用wireshark软件打开所抓取的报文如图5所示。
　

图5. netANALYZER抓取的报文信息

    通过Wireshark中IO Graphs进行数据统计的分析，选择数据显示的不同方式，如图6所示。
　

图6. netANALYZER抓取的报文分析

　　分析所抓取的报文，抓取报文的时间为176.007-210.662S，即34.655S，数据报文总数为69318条，其中每条报文的长度为64Bytes，计算可得PROFINET在上述环境下的通讯速度为1MB/S。
　　通过报文的显示颜色可发现无错误报文信息，说明通讯数据的准确性非常高，如果有外部IO信息，也可同时分析出。
　　根据图6，图上每个时间段内报文数量比较均匀，时间段内报文数线条光滑，说明所循环的PROFINET的报文信息时间抖动小，从而说明实时以太网硬件的通讯性能良好，另外，如果数据量非常大，可以通过更为精确的分析软件进行研究分析时间抖动的幅度。

6 结束语

　　本文在深入分析实时以太网优势和发展趋势的基础上，提出了实时以太网设备性能参数的测试问题，在详细剖析赫优讯netANALYZER实时以太网网络分析仪后，选择PROFINET协议进行测试，通过搭建PROFINET网络测试平台，对PROFINET的报文抓取进行深入探讨，通过免费以太网报文分析软件Wireshark进行分析。另外如果用户需要对实时以太网的网络延时进行分析，需要对时间抖动进行更加深入的分析，用户可自行搭建平台如图7所示（赫优讯可提供帮助）。netANALYZER网络分析仪可对包括EtherCAT，EtherNet/IP，Powerlink，PROFINET和SERCOS III等各种实时以太网协议进行分析，是实时以太网产品研发和使用过程中不可缺少的工具，是工程师的得力助手。
　

图7. netANALYZER硬件连接图

参考文献

[1] NXANL 50-RE_usermanual_en. 
Hilscher Company.（德国赫优讯自动化系统有限公司）,   2007.
[2] SYCONnet_netDevice_en.  
Hilscher Company.（德国赫优讯自动化系统有限公司）,   2004.
[3] (暂不可见)   
Network Monitoring Program Wireshark.
[4] (暂不可见)     
The Library WinPcap.
[5] PROFINET_IO_Device_DTM_en. 
Hilscher Company.（德国赫优讯自动化系统有限公司）,   2006.
[6] CIFX 50-RE_quickstart_en. 
Hilscher Company.（德国赫优讯自动化系统有限公司）,   2006.

作者简介
邹玉鞋　德国赫优讯自动化系统有限公司技术支持主管  专门从事工业自动化行业网络研究。

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