CN103490943A - 一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，首先要定义网络节点状态、然后以基于西门子工业以太网的Write报文和Fetch报文为基础，构建包含心跳信号的数据报文，嵌入式设备采用主动发送方式，每发送一次数据报文，心跳信号按照数据序列的顺序变化一次；PLC在接收到N个心跳信号后，要检查是否漏接心跳信号，如果有漏接将其通过Fetch报文返回给嵌入式设备，通过该模式在PLC与嵌入式设备间传递心跳包，判断双方在通信时是否丢包，然后，根据返回的心跳信号查找丢失的数据并重发。该方法不但可以减少丢包现象，而且PLC由于不需用每次接收到数据报文都检测是否存在丢包，所以大大降低了PLC的网络负担。

Description

一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法
技术领域
本发明涉及工业以太网通信领域，尤其是一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法。
背景技术
工业以太网是基于IEEE802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。西门子公司的ProfiNet就是以工业以太网为基础，将原有的Profibus与互联网技术结合，形成了ProfiNet的网络方案。目前，已经在国内经过了广泛的应用。ProfiNet采用标准TCP/IP十以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用层的RPC/DCOM来完成节点间的通信和网络寻址。可以同时挂接传统Profibus系统和新型的智能现场设备。这使其既具有具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，又能兼容西门子公司基于profibus总线的设备。但是西门子公司的ProfiNet网络对非西门子公司的设备兼容性不好，其它嵌入式设备很难通过标准的TCP/IP协议与连接在ProfiNet中的PLC通信。为解决这个问题，通过使用西门子公司基于以太网的S5协议中的Fetch和Write报文，实现对PLC中RAM的直接读写。但在实际使用中，发现数据在传输中掉包明显，急需一种算法解决这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，不但可以减少丢包现象，而且PLC由于不需用每次接收到数据报文都检测是否存在丢包，所以大大降低了PLC的网络负担。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，包括以下步骤：
（1）首先，设计心跳模型，将接入ProfiNet嵌入式设备的通信状态设定为：
“通信中断”，表示未建立连接链路；
“通信丢包”，表示发现丢包正在重发；
“通信正常”，表示链路正常，心跳包收发正常；
（2）然后，由嵌入式设备向PLC发送含有心跳信号的数据报文，这个数据报文中包含用于检测数据报文是否丢包的测试数据，测试数据并不固定，每次发送心跳包时从一组连续数据序列中循环地、顺序地选取一位同时存储这次发送的数据；存储的总量不超过N个，N<=数据序列个数；
（3）当PLC收到数据报文后会将心跳信号取出存储在一个专门的数据区中，当接收到的N个数据报文后，检测这些心信号是否是这N个数据报文对应的心跳信号；
（4）如果有问题就把掉包的数据报文发回给嵌入式设备，要求其重发，否则，不做任何操作。
基于心跳信号设计数据报文，并在系统各个设备中传递心跳包，检测对方数据报文是否丢失，以便在丢失数据报文时采取相应措施保证PLC不会丢失嵌入式设备上传的关键数据。整个基于心跳机制的数据帧如下表所示：
数据位 设备编号 心跳测试位
在该协议中：数据位长度不定，用于表示需要传送到远端的实时数据和长度；设备编号多用于在嵌入式设备向PLC发送的心跳数据包中，用于表示嵌入式设备的ID，这里用2个字节表示；心跳测试位是用于检测连接的特定信息，心跳测试位采用了一组序列数据，这里采用数据序列0～N。
作为改进，当系统存在掉包现象，并且发送的数据报文个数达到整个数据序列个数时，要检测丢包率，当丢包率达到预先设定的限值时，要重新建立连接。
作为改进，PLC与嵌入式控制器之间的数据报文是基于西门子公司的Write报文和Fetch报文为基础的。
作为改进，PLC只需要建立一个Write服务器和Fetch服务器接收Write报文和Fetch报文。
作为改进，所述心跳帧包含：数据位、设备编号、心跳测试位。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
基于心跳信号设计数据报文，并在系统各个设备中传递心跳包，检测对方数据报文是否丢失，以便在丢失数据报文时采取相应措施保证PLC不会丢失嵌入式设备上传的关键数据。这种方式不但可以减少丢包现象，而且PLC由于不需用每次接收到数据报文都检测是否存在丢包，所以大大降低了PLC的网络负担；而且基于这种模型数据包协议具有很好的扩展性，所以该方法不但可以减少网络中的丢包问题，而且，通信传输的数据量小，可靠性高，监控端和被监控端之间不会产生无效发送数据的现象。
附图说明
图1是本发明基于以PLC为服务器端的ProfiNet系统结构图。
图2是本发明基于心跳信号的网络丢包检测的实现流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，包括以下步骤：
（1）首先，设计心跳模型，将接入ProfiNet嵌入式设备的通信状态设定为：
“通信中断”，表示未建立连接链路；
“通信丢包”，表示发现丢包正在重发；
“通信正常”，表示链路正常，心跳包收发正常；
（2）然后，由嵌入式设备向PLC发送含有心跳信号的数据报文，这个数据报文中包含用于检测数据报文是否丢包的测试数据，测试数据并不固定，每次发送心跳包时从一组连续数据序列中循环地、顺序地选取一位同时存储这次发送的数据；存储的总量不超过N个，N<=数据序列个数；PLC与嵌入式控制器之间的数据报文是基于西门子公司的Write报文和Fetch报文为基础的；
（3）当PLC收到数据报文后会将心跳信号取出存储在一个专门的数据区中，当接收到的N个数据报文后，检测这些心信号是否是这N个数据报文对应的心跳信号；PLC只需要建立一个Write服务器和Fetch服务器接收Write报文和Fetch报文；
（4）如果有问题就把掉包的数据报文发回给嵌入式设备，要求其重发，否则，不做任何操作；
（5）当系统存在掉包现象，并且发送的数据报文个数达到整个数据序列个数时，要检测丢包率，当丢包率达到预先设定的限值时，要重新建立连接。
基于心跳信号设计数据报文，并在系统各个设备中传递心跳包，检测对方数据报文是否丢失，以便在丢失数据报文时采取相应措施保证PLC不会丢失嵌入式设备上传的关键数据。整个基于心跳机制的数据帧如下表所示：
数据位 设备编号 心跳测试位
在该协议中：数据位长度不定，用于表示需要传送到远端的实时数据和长度；设备编号多用于在嵌入式设备向PLC发送的心跳数据包中，用于表示嵌入式设备的ID，这里用2个字节表示；心跳测试位是用于检测连接的特定信息，心跳测试位采用了一组序列数据，这里采用数据序列0～N。
对上述方法进行举例说明，如图1所示，以PLC为服务器端的ProfiNet系统，采用C/S模式构建系统的网络结构。现场存在多个基于嵌入式系统的阀门控制器，它们一方面需用根据生产工艺要求对阀门进行控制，同时作为客户端要通过工业往远端传送实时采样的设备运行数据，以及接收从PLC发送的各种设置信息。在这个系统中，主要采用基于西门子公司的S5协议中的Fetch和Write报文，该方式可以通过网络直接访问PLC的内存，因此，PLC侧无需编程。其数据帧结构如下：
Figure BDA00003465275500061
表2Fetch报文格式
如该表所示，0、1字节是s和5的ascii码，其它是16进制数。第八个字节代表是读取PLC那个内存块的数据（包括DB块、M模块等）第九个字节代表读取DB块的名称。第10、11字节访问内存的起始地址，第十二、十三字节是长度。通过发送Fetch报文，嵌入式系统通过PLC返回的报文可以得到PLC想要发送给它的数据。Write报文就是在这个基础上加上传送给PLC的数据。在这个报文的基础上，在发送给PLC的数据中加入心跳信号就可以检测网络数据在传送过程中是否掉包，如图2所示，具体过程：在参数初始化完成后，嵌入式系统开始周期性地发送含有心跳信号的Fetch和Write报文给PLC，同时将要传输给PLC的数据与对应的心跳信号存入预先划分好的缓冲区中，PLC每接收到一个Write数据报文就将对应的心跳信号存入长度为N的DB块中，而当接收到第N个Write报文后，检查这N个数据对应的心跳信号是否都接收到，如果有就在Fetch报文的返回报文中的对应字节写入一个设定好的值表示正常，反之则把丢失的报文心跳信号写入，嵌入式系统接收到这个信号后，在缓冲区中查找到对应的数据重发给PLC，当完成整个数据序列的发送完，并存在丢包现象，嵌入式系统要检查丢包率，如果丢包率高于设定值，则嵌入式系统进行重连。

Claims (5)

1.一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）首先，设计心跳模型，将接入ProfiNet嵌入式设备的通信状态设定为：
“通信中断”，表示未建立连接链路；
“通信丢包”，表示发现丢包正在重发；
“通信正常”，表示链路正常，心跳包收发正常；
（2）然后，由嵌入式设备向PLC发送含有心跳信号的数据报文，这个数据报文中包含用于检测数据报文是否丢包的测试数据，测试数据并不固定，每次发送心跳包时从一组连续数据序列中循环地、顺序地选取一位同时存储这次发送的数据；存储的总量不超过N个，N<=数据序列个数；
（3）当PLC收到数据报文后会将心跳信号取出存储在一个专门的数据区中，当接收到的N个数据报文后，检测这些心信号是否是这N个数据报文对应的心跳信号；
（4）如果有问题就把掉包的数据报文发回给嵌入式设备，要求其重发，否则，不做任何操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，其特征在于：当系统存在掉包现象，并且发送的数据报文个数达到整个数据序列个数时，要检测丢包率，当丢包率达到预先设定的限值时，要重新建立连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，其特征在于：PLC与嵌入式控制器之间的数据报文是基于西门子公司的Write报文和Fetch报文为基础的。
4.根据权利要求3所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，其特征在于：PLC只需要建立一个Write服务器和Fetch服务器接收Write报文和Fetch报文。
5.根据权利要求1所述的一种基于心跳信号的工业以太网丢包检测方法，其特征在于：所述心跳帧包含：数据位、设备编号、心跳测试位。
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