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工業(yè)以太網(wǎng)通信——TCP協(xié)議簡介

工業(yè)以太網(wǎng)近年來發(fā)展迅速，頗引人矚目。主要由于工業(yè)自動化正向分布式、智能化方面發(fā)展，其中通信已成為其中關(guān)鍵一環(huán)。用戶對統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信要求日益迫切，但多種工業(yè)線程總線互相不兼容，不同公司的控制器之間不能實現(xiàn)高速實時的數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致“自動化孤島”現(xiàn)象。促使人們開始尋找新的出路：工業(yè)以太網(wǎng)—TCP協(xié)議。

   TCP協(xié)議簡介  
TCP是TCP/IP體系中復(fù)雜的一個協(xié)議，TCP主要的特點有：
● TCP是面向連接的運(yùn)輸層協(xié)議。應(yīng)用程序在使用TCP協(xié)議之前，必須先建立TCP連接。在傳遞數(shù)據(jù)完畢后，必須釋放已建立的TCP連接。
● 每一條TCP連接只能有兩個端點，只能說點對點的。
● TCP提供可靠交付的服務(wù)，通過TCP連接傳送的數(shù)據(jù)，無差錯，不丟失，不重復(fù)，并且按序到達(dá)
● TCP提供全雙工通信。TCP允許通信雙方的應(yīng)用進(jìn)程在任何時候都能發(fā)送數(shù)據(jù)。TCP連接的兩端都設(shè)有發(fā)送緩存和接收緩存，用來臨時存放雙向通信的數(shù)據(jù)。
● 面向字節(jié)流。TCP中的“流”指的是流入到進(jìn)程或從進(jìn)程流出的字節(jié)序列。“面向字節(jié)流”的含義是：雖然應(yīng)用程序和TCP的交互是一次一個數(shù)據(jù)塊(大小不等)，但TCP把應(yīng)用程序交下來的數(shù)據(jù)看成僅僅是一連串的無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流。TCP并不知道所傳送的字節(jié)流的含義。TCP不保證接收方應(yīng)用程序所收到的數(shù)據(jù)塊和發(fā)送方應(yīng)用程序所發(fā)出的數(shù)據(jù)塊具有對應(yīng)大小的關(guān)系。但接收方應(yīng)用程序收到的字節(jié)流必須和發(fā)送方應(yīng)用程序發(fā)出的字節(jié)流一樣。當(dāng)然，接收方的應(yīng)用程序必須有能力識別收到的字節(jié)流，把它還原成有意義的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。

TCP報文段先要傳到IP層，加上IP首部后，再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層。再加上數(shù)據(jù)鏈路層的首部和尾部，才離開主機(jī)發(fā)送到物理鏈路。
a.TCP和UDP在發(fā)送報文時所采用的方式不同。TCP并不關(guān)心應(yīng)用程序一次把多長的報文發(fā)送到TCP緩存中，而是根據(jù)對方給出的窗口值和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度來決定一個報文段應(yīng)包含多少個字節(jié)（UDP發(fā)送的報文長度是應(yīng)用程序給出的）。
b.如果應(yīng)用程序傳送到TCP緩存的數(shù)據(jù)塊太大，TCP就可以把它劃分短一些再傳。TCP也可以等待積累有足夠多的字節(jié)后再構(gòu)建成報文段發(fā)送出去。

   TCP傳輸?shù)膬?yōu)點  
● 具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，PLC普遍支持100Mbps,最高可達(dá)1000Mbps。
● 基于TCP的以太網(wǎng)采用國際主流的標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議開放、不同廠商設(shè)備均可正常通信，互聯(lián)操作性極強(qiáng)。
● 采用雙絞線通信，抗干擾能力極強(qiáng)。實際使用過程中可以勝任高頻、靜電等工業(yè)常見干擾。

   TCP鏈接三次握手  

● 一開始，客戶端和服務(wù)端都處于CLOSED狀態(tài)
● 先是服務(wù)端主動監(jiān)聽某個端口，處于LISTEN狀態(tài)
● 客戶端主動發(fā)起連接SYN，之后處于SYN-SENT狀態(tài)
● 服務(wù)端收到發(fā)起的連接，返回SYN，并且ACK客戶端的SYN，之后處于SYN-RCVD狀態(tài)
● 客戶端收到服務(wù)端發(fā)送的SYN和ACK之后，發(fā)送ACK的ACK，之后處于ESTABLISHED狀態(tài)
● 服務(wù)端收到ACK的ACK之后，處于ESTABLISHED狀態(tài)。

   TCP鏈接釋放四次揮手  

● 當(dāng)前A和B都處于ESTAB-LISHED狀態(tài)。
● A的應(yīng)用進(jìn)程先向其TCP發(fā)出連接釋放報文段，并停止再發(fā)送數(shù)據(jù)，主動關(guān)閉TCP連接。
● B收到連接釋放報文段后即發(fā)出確認(rèn)，然后B進(jìn)入CLOSE-WAIT(關(guān)閉等待)狀態(tài)。TCP服務(wù)器進(jìn)程這時應(yīng)通知高層應(yīng)用進(jìn)程，因而從A到B這個方向的連接就釋放了，這時TCP連接處于半關(guān)閉狀態(tài)，即A已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送了。從B到A這個方向的連接并未關(guān)閉，這個狀態(tài)可能會持續(xù)一些時間。
● A收到來自B的確認(rèn)后，就進(jìn)入FIN-WAIT-2(終止等待2)狀態(tài)，等待B發(fā)出的連接釋放報文端。
● 若B已經(jīng)沒有向A發(fā)送的數(shù)據(jù)，B發(fā)出連接釋放信號，這時B進(jìn)入LAST-ACK(最后確認(rèn))狀態(tài)等待A的確認(rèn)。
● A再收到B的連接釋放消息后，必須對此發(fā)出確認(rèn)，然后進(jìn)入TIME-WAIT（時間等待）狀態(tài)。請注意，現(xiàn)在TCP連接還沒有釋放掉，必須經(jīng)過時間等待計時器（TIME－WAIT timer）設(shè)置的時間2MSL后，A才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。
● B收到A發(fā)出的確認(rèn)消息后，進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

  主流應(yīng)用層協(xié)議  
● Modbus TCP協(xié)議：
Modbus TCP協(xié)議是法國施耐德公司發(fā)布的協(xié)議，以一種簡單的方式將Modbus幀數(shù)據(jù)嵌入到TCP幀中。應(yīng)用廣泛，最重的是設(shè)備與PC間通信不存在協(xié)議轉(zhuǎn)換開發(fā)難度大大減少。
 ● ProfiNet協(xié)議
ProfiNet協(xié)議是德國西門子發(fā)布的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范。ProfiNet解決方案囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運(yùn)動控制、分布式自動化、故障安全等當(dāng)前自動化領(lǐng)域的熱點話題。
ProfiNet支持三種通信方式：
① TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信：ProfiNet基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時間大概在100ms的量級，,但對于工廠控制級的應(yīng)用來說，這個響應(yīng)時間已經(jīng)足夠了。
② 實時RT通信。
③ 等時同步實時通信。

 綜上這些特點和優(yōu)點，目前工業(yè)機(jī)器人、PLC、數(shù)控系統(tǒng)等都可以使用工業(yè)以太網(wǎng)TCP與PC通信。很容就可做到設(shè)備信息通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送主控室、企業(yè)的EPP和管理系統(tǒng)，甚至可上傳Internet、云端供人們閱讀。

 

●●● END ●●●

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工業(yè)以太網(wǎng)近年來發(fā)展迅速，頗引人矚目。主要由于工業(yè)自動化正向分布式、智能化方面發(fā)展，其中通信已成為其中關(guān)鍵一環(huán)。用戶對統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信要求日益迫切，但多種工業(yè)線程總線互相不兼容，不同公司的控制器之間不能實現(xiàn)高速實時的數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致“自動化孤島”現(xiàn)象。促使人們開始尋找新的出路：工業(yè)以太網(wǎng)—TCP協(xié)議。

   TCP協(xié)議簡介  
TCP是TCP/IP體系中復(fù)雜的一個協(xié)議，TCP主要的特點有：
● TCP是面向連接的運(yùn)輸層協(xié)議。應(yīng)用程序在使用TCP協(xié)議之前，必須先建立TCP連接。在傳遞數(shù)據(jù)完畢后，必須釋放已建立的TCP連接。
● 每一條TCP連接只能有兩個端點，只能說點對點的。
● TCP提供可靠交付的服務(wù)，通過TCP連接傳送的數(shù)據(jù)，無差錯，不丟失，不重復(fù)，并且按序到達(dá)
● TCP提供全雙工通信。TCP允許通信雙方的應(yīng)用進(jìn)程在任何時候都能發(fā)送數(shù)據(jù)。TCP連接的兩端都設(shè)有發(fā)送緩存和接收緩存，用來臨時存放雙向通信的數(shù)據(jù)。
● 面向字節(jié)流。TCP中的“流”指的是流入到進(jìn)程或從進(jìn)程流出的字節(jié)序列。“面向字節(jié)流”的含義是：雖然應(yīng)用程序和TCP的交互是一次一個數(shù)據(jù)塊(大小不等)，但TCP把應(yīng)用程序交下來的數(shù)據(jù)看成僅僅是一連串的無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流。TCP并不知道所傳送的字節(jié)流的含義。TCP不保證接收方應(yīng)用程序所收到的數(shù)據(jù)塊和發(fā)送方應(yīng)用程序所發(fā)出的數(shù)據(jù)塊具有對應(yīng)大小的關(guān)系。但接收方應(yīng)用程序收到的字節(jié)流必須和發(fā)送方應(yīng)用程序發(fā)出的字節(jié)流一樣。當(dāng)然，接收方的應(yīng)用程序必須有能力識別收到的字節(jié)流，把它還原成有意義的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。

TCP報文段先要傳到IP層，加上IP首部后，再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層。再加上數(shù)據(jù)鏈路層的首部和尾部，才離開主機(jī)發(fā)送到物理鏈路。
a.TCP和UDP在發(fā)送報文時所采用的方式不同。TCP并不關(guān)心應(yīng)用程序一次把多長的報文發(fā)送到TCP緩存中，而是根據(jù)對方給出的窗口值和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度來決定一個報文段應(yīng)包含多少個字節(jié)（UDP發(fā)送的報文長度是應(yīng)用程序給出的）。
b.如果應(yīng)用程序傳送到TCP緩存的數(shù)據(jù)塊太大，TCP就可以把它劃分短一些再傳。TCP也可以等待積累有足夠多的字節(jié)后再構(gòu)建成報文段發(fā)送出去。

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● 具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，PLC普遍支持100Mbps,最高可達(dá)1000Mbps。
● 基于TCP的以太網(wǎng)采用國際主流的標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議開放、不同廠商設(shè)備均可正常通信，互聯(lián)操作性極強(qiáng)。
● 采用雙絞線通信，抗干擾能力極強(qiáng)。實際使用過程中可以勝任高頻、靜電等工業(yè)常見干擾。

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● 客戶端收到服務(wù)端發(fā)送的SYN和ACK之后，發(fā)送ACK的ACK，之后處于ESTABLISHED狀態(tài)
● 服務(wù)端收到ACK的ACK之后，處于ESTABLISHED狀態(tài)。

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● 當(dāng)前A和B都處于ESTAB-LISHED狀態(tài)。
● A的應(yīng)用進(jìn)程先向其TCP發(fā)出連接釋放報文段，并停止再發(fā)送數(shù)據(jù)，主動關(guān)閉TCP連接。
● B收到連接釋放報文段后即發(fā)出確認(rèn)，然后B進(jìn)入CLOSE-WAIT(關(guān)閉等待)狀態(tài)。TCP服務(wù)器進(jìn)程這時應(yīng)通知高層應(yīng)用進(jìn)程，因而從A到B這個方向的連接就釋放了，這時TCP連接處于半關(guān)閉狀態(tài)，即A已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送了。從B到A這個方向的連接并未關(guān)閉，這個狀態(tài)可能會持續(xù)一些時間。
● A收到來自B的確認(rèn)后，就進(jìn)入FIN-WAIT-2(終止等待2)狀態(tài)，等待B發(fā)出的連接釋放報文端。
● 若B已經(jīng)沒有向A發(fā)送的數(shù)據(jù)，B發(fā)出連接釋放信號，這時B進(jìn)入LAST-ACK(最后確認(rèn))狀態(tài)等待A的確認(rèn)。
● A再收到B的連接釋放消息后，必須對此發(fā)出確認(rèn)，然后進(jìn)入TIME-WAIT（時間等待）狀態(tài)。請注意，現(xiàn)在TCP連接還沒有釋放掉，必須經(jīng)過時間等待計時器（TIME－WAIT timer）設(shè)置的時間2MSL后，A才進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。
● B收到A發(fā)出的確認(rèn)消息后，進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

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① TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信：ProfiNet基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，使用TCP/IP和IT標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時間大概在100ms的量級，,但對于工廠控制級的應(yīng)用來說，這個響應(yīng)時間已經(jīng)足夠了。
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