CN103117900A - 一种可配置式工业以太网数据解析系统及解析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可配置式的工业以太网数据解析系统，可以对工业以太网中多点进行数据监听和数据解析，其捕获数据包的时间戳精度可以达到ns级。该系统包括使用EPGA自助开发的网络数据监听器和PC，两者之间使用网口进行数据通信，上位机无需开发驱动或专业硬件支持。网络数据监听器可以捕捉网络中多点的数据包并上发数据到PC上位机的网卡。该系统还网络模型生成器、数据包解析器和数据映射器。本发明还提供了一种可配置式的工业以太网数据解析系统的解析方法。本发明的硬件连接方便可靠，成本低，且用户可以根据待测总线的结构快速组建网络测试模型。它在工业以太网技术领域具有广泛的使用价值和应用前景。

Description

一种可配置式工业以太网数据解析系统及解析方法

技术领域

本发明涉及一种可配置式工业以太网数据解析系统及解析方法，主要应用于工业以太网测试技术领域，具体指利用现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array,FPGA)开发网络数据监听器实时捕获工业以太网数据并添加标识、时间戳、端口号、流水号等信息，然后通过以太网接口将数据传输到PC上位机，上位机根据由各节点的应用层设备描述文件生成的网络模型和监听器添加的有效信息对以太网数据进行解析并分析被测以太网的多种性能。

背景技术

工业以太网是以太网技术在工业领域的应用，由于其在性能、成本等多方面的优势，现已逐渐取代传统的现场总线成为工业现场通信的主流技术。相比于普通以太网的TCP/IP或者OSI分层结构，工业以太网的体系精简为物理层、数据链路层、应用层三层结构，仍然遵循IEEE802.3标准，并通过多种方法保证实时性。应用层是工业以太网的最高层，目前主要的应用层协议有CANopen、SERCOS等。工业以太网中的每个节点在应用层都有一个对应的应用层硬件设备描述信息，详细描述了该节点的数据传输格式和传输规则等内容。

目前基于Windows或Linux系统的网络数据解析软件功能丰富，可以解析多种以太网数据信息，但是无法直观解析网络的各个节点的数据信息；由于硬件平台和操作系统的限制，其捕获的数据包的时间戳最大精度仅能达到10μs，这不能满足工业以太网对时间性的要求。基于PC的商业工业以太网数据监听分析器主要采用PCI接口的通信方式与主机连接，硬件插拔不够便捷，需要配合特定的驱动程序才能使用，并且可解析的网络协议受限于硬件内部程序，拓展性不强。

发明内容

针对工业以太网的种类多样性和强实时性的特点，本发明提供了一种低成本、可配置且硬件连接便捷的一种基于设备描述文件的可配置式工业以太网数据解析系统及解析方法，该系统可解析网络中各节点的数据信息和网络中多点数据到达的时间，时间精度可达到ns级，并根据监听器捕获给上位机的信息分析被测试工业以太网的负载率、通讯周期、时间同步精度、抖动、误码率和丢包率等重要性能指标。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种可配置式工业以太网数据解析系统，如图1所示，包括下位机和上位机，下位机包括基于FPGA开发的工业以太网数据监听器，上位机包括带有标准网卡的PC。

所述下位机的方案为：

基于FPGA开发的工业以太网数据监听器具有多个用于传输数据的以太网接口，该网口可以分为两种，一种是负责向PC上位机上传数据的网口，称为上传数据网口；另一种网口规定两个为一组，网络数据由一个网口流入并立即由另一个网口流出，并将数据全部存储下来，称为监听网口。数据监听和上传过程如下，可参考图2：

第一步，网络数据经过网络监听器的一个网口流入，并立刻由另一个网口流回网络中。

第二步，FPGA捕捉数据并添加标识、时间戳、端口号、流水号等信息，作为分析网络性能的重要指标。

第三步，将监听到的网络数据和添加的信息组成新的数据帧，并重新进行CRC校验计算，经过上传数据网口发送到PC上位机。

数据帧时间戳信息以FPGA内部绝对时间为参考，FPGA内部时间为上电启动后时间寄存器以系统时钟作为触发源的累加值。数据帧到达时间以以太网帧前导符到达为触发信号，由FPGA精确锁定该时刻的时间。该时间精度根据硬件所选晶振频率大小不同而不同，可实现ns级精度。

由网络数据监听器控制向上位机发送数据的频率，该频率较工业以太网的数据通信频率有所降低以适应上位机响应速度。上位机采用普通的windows或linux系统即可捕捉和解析全部的工业以太网网络数据包，并分析其性能。

上位机可以对捕获的网络中多点数据的信息进行相关的分析，可以得出节点的数据传输延迟时间、同步精度、误码率、丢包率等性能。

所述上位机的方案为：

上位机包括网络模型生成器、数据包解析器和数据映射器等。各部分相互协作，组成一个可配置的工业以太网数据分析系统。

网络模型生成器，可以根据各节点的应用层设备描述文件生成一种描述当前网络的网络模型文件。

数据包解析器，具有捕捉数据包并保存读取的功能和解析网络数据包的功能，通过对从网口捕获到的数据解析，获得网络原始数据和时间戳、流水号等信息。

数据包解析器的网络数据捕获功能使用Winpcap或者SharpPcap(.NET)编写，捕获由数据监听器通过网口发送到PC上位机网口的数据。Winpcap本身的驱动程序在接收到数据包时会记录当前时间作为该数据帧的时间戳，但是只能达到10us精度，不能满足工业以太网的测试精度要求。Winpcap是一个针对Win32平台上的抓包和网络分析的免费、开放、公用的架构，提供了丰富的网络数据包捕获库函数。SharpPcap是一个对Winpcap进行.NET封装的函数库，适用于.NET环境的程序开发。主要使用Winpcap或SharpPcap中函数包括：1.捕捉网络适配器上原始以太网数据报文的函数；2.打开已经保存的以太网数据文件的函数；3.保存网络数据包至网络数据文件的函数。

数据映射器通过导入数据包解析器解析出的网络原始数据并根据指定的网络模型文件，将数据映射到每个节点，获得每个节点的数据信息。

根据网络模型文件分析网络数据，得出网络中各节点的数据信息。该网络模型文件可以通过导入节点的应用层设备描述文件生成。应用层设备描述文件为待测工业以太网协议中规定的标准设备描述文件，其格式符合XML文件编码规则。

本发明的操作流程分为两部分：准备工作和运行工作。

准备工作包括以下步骤：

第一步，准备各节点的设备描述文件。使用者可以根据待测工业以太网规定的设备描述文件编写规范，手工编写网络中各节点的设备描述文件，或者向待测试网络的开发商索取各节点的设备描述文件等方式准备各节点的设备描述文件。

第二步，网络模型生成器可以根据节点编号次序导入网络中各个节点对应的设备描述文件，然后根据待测试网络的协议类型选择指定的应用层解析规则生成待测试网络的网络模型文件。

第三步，数据映射器导入第二步生成的网络模型文件，为运行过程中解析数据做准备。运行工作，分为两种：在线解析和离线解析。

在线解析是指在线捕获网口数据并解析，具体步骤如下：

第一步，准备工作，先开启网络数据监听器然后开启网络模型生成器、数据包解析器和数据映射器，最后使工业以太网进入运行状态。

第二步，数据包解析器捕获和分析网卡输入的数据帧，其数据帧格式如图4所示，解析出网络原始数据和ns级精度的时间戳、流水号、端口号等信息。

第三步，数据映射器导入原始数据帧，并根据准备工作中生成的网络模型文件的网络模型，将数据映射到每一个节点中，从而得到各节点对应的数据，并分析网络的多种性能指标。

离线解析，是指使用者使用保存有网络数据文件作为数据分析员进行分析，无需该工业以太网在线工作和连接网络数据监听器。其导入的网络数据文件可以由数据包解析器或其他网络嗅探器软件捕获的网络数据进行保存生成。具体步骤如下：

第一步，数据包解析器导入网络数据文件，然后解析出网络原始数据和其ns级精度的时间戳、流水号等信息。

第二步，数据映射器导入原始数据帧，并根据准备工作中生成的网络模型文件的网络模型，将数据映射到每一个节点中，从而得到各节点对应的数据，并分析网络的多种性能指标。

本发明可以兼容多种网络应用层协议，包括CANopen、SERCOSIII、EtherNet等。使用者无需配置任何文件，只需要添加多个节点的应用层设备描述文件即可生成对网络模型文件，然后导入到网络映射器中即可实现对网络数据解析。

本发明的有益效果是：

（1）上位机使用Windows操作系统，不需要实时操作系统或实时扩展补丁，通用性好。

（2）使用FPGA开发的网络监听模块，实现检测网络数据和发送数据到PC上位机，可以控制数据发送频率以适应上位机系统，成本低。

（3）通过网口的数据传输方式，上位机无需专门硬件和开发专门数据采集驱动，即可读取所有数据。使用通用且免费的winpcap软件架构就可以监听完整的数据包。

（4）低成本实现了ns级时间精度的数据包捕捉和解析。

（5）使用者无需配置任何文件，只需要添加多个节点的应用层设备描述文件即可生成对网络的数据解析模型，具有非常好的可配置性。

（6）兼容多种工业以太网应用层协议，包括CANopen、SERCOSIII等网络协议。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的数据监听器的FPGA程序结构图。

图3是本发明的硬件连接图。

图4是本发明的上发数据帧组成方式。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

以下结合一个工业以太网的具体实例，详细说明本发明如何解析实时以太网数据。本实例中以POWERLINK工业以太网为例说明在线解析和离线解析。

准备工作：

第一步，准备POWERLINK网络中各个节点的设备描述文件。根据网络中每个节点的硬件，自主编写或使用第三方提供的各节点的具体的工业以太网应用层的设备描述文件。POWERLINK的开发公司B&R提供了设备描述文件编写规范，文件编写格式符合XML文件格式，扩展名为XML。

第二步，将设备描述文件按照节点编号顺序依次导入网络规则生成器中，选择相应的应用层协议解析规则，这里选择POWERLINK协议，然后生成这种POWERLINK网络的网络模型文件。

第三步，将第二步生成网络模型文件导入数据映射器中，使数据映射器可以对当前网络的传输数据进行模型解析。

在线解析：

第一步，硬件连接。数据监听器介入工业以太网中，PC上位机和数据监听器连接，连接方式参考图3。

第二步，开启上位机程序，然后开启网络数据监听器，最后开启工业以太网。

第三步，系统进入运行状态。数据监听器捕获网络数据包，并加入新标识、时间戳、端口号、流水号等组成新的网路数据帧发送到上位机PC中。数据包监听器向PC上位机发送数据需保持一定的低频率，使上位机能够及时捕捉到数据包。

第四步，PC上位机的数据包解析器捕捉来自网口的数据包监听器上发的数据，并解析出网络原数据和时间戳等信息。将网络原数据传递到数据映射器。

第五步，数据映射器根据准备工作中生成的网络模型文件的规则，解析网络原数据，得到各节点的数据信息，并分析网络的多种性能指标。

原始数据流入数据映射器，根据网络规则文件，解析出各个节点的数据信息。

离线解析：

首先准备好网络数据文件，这里可以使用数据包解析器或者其他网络嗅探器采集的工业以太网数据保存的文件。该文件作为工业以太网数据分析系统的数据源，其文件格式需满足使用标准或通用的网络数据文件格式，如pcap文件格式。上位机可以在不连接网络数据监听器和网络没有运行的状态下实现对数据包解析。具体数据解析步骤如下：

第一步，网络数据解析器读取网络数据文件，并解析出网络原数据和时间戳等信息，并将网络原数据传输到数据应映射器。该时间戳的精度为ns级时间精度。

第二步，数据映射器根据准备工作中生成的网络模型文件的规则，解析网络原数据，得到各节点的数据信息。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种可配置式工业以太网数据解析系统，包括由下位机和上位机，其特征是，下位机包括基于FPGA开发的工业以太网数据监听器，上位机包括带有标准网卡的PC；

上位机能够对捕获的网络中多点数据的时间信息进行相关的分析，上位机包括网络模型生成器、数据包解析器和数据映射器；

网络模型生成器，根据各节点的应用层设备描述文件生成一种描述当前网络的网络模型文件；

数据包解析器，具有捕捉数据包并保存读取的功能和解析网络数据包的功能，通过对从网口捕获到的数据解析，获得网络原始数据和ns级精度的时间戳；

数据映射器通过导入数据包解析器解析出的网络原始数据并根据指定的网络模型文件，将数据映射到每个节点，获得每个节点的数据信息；

所述应用层设备描述文件为待测工业以太网协议中规定的标准设备描述文件。

2.如权利要求1所述的可配置式工业以太网数据解析系统，其特征是，所述数据包解析器的网络数据捕获功能使用Winpcap或者SharpPcap编写，捕获由数据监听器通过网口发送到PC上位机网口的数据。

3.如权利要求1所述的可配置式工业以太网数据解析系统，其特征是，可配置式工业以太网数据解析系统能够兼容的网络应用层协议，包括CANopen、SERCOSIII、EtherNet。

4.如权利要求1所述的可配置式工业以太网数据解析系统，其特征是，所述基于FPGA开发的工业以太网数据监听器具有多个用于传输数据的网口，该网口分为两种，一种是负责向PC上位机发送数据的网口；另一种网口两个为一组，网络数据由一个网口流入则由另一个网口流出，能够捕捉网络中多点的数据信息。

5.如权利要求1所述的可配置式工业以太网数据解析系统，其特征是，基于FPGA开发的工业以太网数据监听器，数据帧到达时间以FPGA内部绝对时间为参考，FPGA的内部时间为上电启动后时间寄存器以系统时钟作为触发源的累加值；数据帧到达时间以工业以太网的数据帧前导符到达为触发信号，由FPGA进行精确锁定的时间。

6.如权利要求1所述的可配置式工业以太网数据解析系统，其特征是，所述基于FPGA开发的工业以太网数据监听器控制向上位机发送数据的频率，该频率较工业以太网的数据到达频率有所降低以适应上位机响应速度。

7.如权利要求1所述的可配置式工业以太网数据解析系统的解析方法，其特征是，包括准备工作和运行工作；

准备工作包括以下步骤：

第一步，准备各节点的设备描述文件；使用者根据待测工业以太网规定的设备描述文件编写规范，手工编写网络中各节点的设备描述文件，或者向待测试网络的开发商索取各节点的设备描述文件等方式准备各节点的设备描述文件；

第二步，网络模型生成器根据节点编号次序导入网络中各个节点对应的设备描述文件，然后根据待测试网络的协议类型选择指定的应用层解析规则生成待测试网络的网络模型文件；

第三步，数据映射器导入第二步生成的网络模型文件，为运行过程中解析数据做准备；

运行工作，分为两种：在线解析和离线解析；

在线解析是指在线捕获网口数据并解析，离线解析，是指使用者使用保存有网络数据文件作为数据分析员进行分析，无需该工业以太网在线工作和连接网络数据监听器；其导入的网络数据文件由数据包解析器或其他网络嗅探器软件捕获的网络数据进行保存生成。

8.如权利要求7所述的可配置式工业以太网数据解析系统的解析方法，其特征是，在线解析的具体步骤如下：

第一步，连接硬件，先开启网络数据监听器然后开启网络模型生成器、数据包解析器和数据映射器，最后使工业以太网进入运行状态；

第二步，数据包解析器捕获和分析网卡输入的数据帧，解析出网络原始数据和其ns级精度的时间戳；

第三步，数据映射器导入原始数据帧，并根据准备工作中生成的网络模型文件的网络模型，将数据映射到每一个节点中，从而得到各节点对应的数据。

9.如权利要求7所述的可配置式工业以太网数据解析系统的解析方法，其特征是，离线解析的具体步骤如下：

第一步，数据包解析器导入网络数据文件，然后解析出网络原始数据和其ns级精度的时间戳；

第二步，数据映射器导入原始数据帧，并根据准备工作中生成的网络模型文件的网络模型，将数据映射到每一个节点中，从而得到各节点对应的数据。

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