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我与PROFINET不得不说的事-03协议

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赵欣

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我与PROFINET不得不说的事-03协议

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2021-02-09 13:05:16

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(我与PROFINET不得不说的事-02抓包-技术论坛-工业支持中心-西门子中国 (siemens.com.cn))刚开始接触PROFINET的时候,还不知道从哪里入手,东瞧瞧,西看看,最终觉得还是从协议入手,可是那个时候的我也是刚刚入职不久,说实话,协议是什么不是很懂。胶片和手册中都提到PROFINET协议和TCP协议可以并存,里面也提到和TCP协议做对比,还提到建立通信连接是通过UDP协议的,而PN IO RT通信是不需要TCP和UDP协议的,当时看到这样的话,也是一头雾水,到底PN和TCP/UDP协议到底有什么关联呢?两者到底是怎样工作在PN通信中的?带着这样的疑问,我想刚刚使用VB通过Socket来编写TCP协议与TDC通信,还是先了解一下TCP/IP协议吧,毕竟我还是觉得自己更加的熟悉,(就自以为是了,哈哈!),然而却陷入了TCP/IP的陷阱,这是一个比PN难百倍的协议。经历在技术支持工作超过15年,我也不敢说我精通TCP/IP协议,我只能说略懂,嗯,对,略懂而已!

 

手册和胶片中常常说TCP的协议特点,如下:

遵循RFC793,是开放式协议

可靠的,面向连接的,字节流的点对点通讯协议

IP即网际协议,负责将消息从一个主机传送到另一个主机。在传送的过程中可能被分割成一个个的小包

在接收端收到后再根据顺序号将其正确地还原,保证了数据包在传送中准确无误

数据包正确的到达后,发送方得到这些分段的一个应答

错误,重复以及丢失会重新发送数据

通过“滑动窗口”进行流量控制

通过端口号可实现多路复用

下面我就通过对TCP/IP略懂的知识,给大家介绍一下,TCP/IP协议是怎样的一种协议。

 

作为开放式协议,显而易见,你也可以用,我也可以用,无论是西门子还是第三方设备,只要支持TCP/IP都遵循RFC793,即都可以相互通信。对比S7协议,这是西门子自己独有的协议,只有西门子自己支持自己产品间的通信,所以不是开放式的协议。

 

面向连接,指的是TCP/IP通信是要先建立连接的,然后才能数据交换,建立连接的方式就是我们常常听到的所谓的三次握手。字节流的通信,大家会觉得这三个字很简单,首先,其它协议交换的数据信息都可以以字节为单位,那么关键在于“流”这个字眼。看到这个字,大家的脑海里闪现的肯定是液体,或者首先想到的是水,那么TCP/IP似水一样的流动,向接收端发送字节流,既然像水,接收端就像一个容器,接收这些水,那么你会区别这里面的水,哪些是先倒入的,哪些是后倒入的?显而易见,你无法区分,所以才会有你在TCP/IP通信的时候,处理可变数据长度时的尴尬。

 

对于IP协议,这个TCP协议为啥还要关联IP协议,总是凑成TCP/IP协议呢?这个IP协议的作用是大的很呢,可以说法力无边!这要从ISO/OSI参考模型的第三层说起,第三层IP的主要作用有两点,第一点是选路,也就是我们常说的路由,帮助IP数据从一个网段路由到另一个网段,这时IP地址就有用了。第二点就是分片,作为工控工程师,我们在做以太网通信时,应该知道以太网帧数据的长度是46-1500Bytes,这是由以太网的物理特性决定的,通常1500Bytes被称为数据链路层的最大传输单元,即MTU。IP的数据报文从理论上最大可以传输64KB数据,但是在以太网上的传输数据长度却不能,所以IP数据报大于1500B时,即大于MTU,发送方的IP报文即会被分解成若干片,这样每一片都小于或等于MTU的大小。而接收方则对这些报文的分片进行重组。然而,由于可能网络中各种状况的出现,例如其中一片丢失,整个IP报就不能完成重组,整个IP报就会丢弃,所以IP报是不可靠的传输协议。

那这时大家会有疑问了,不是说TCP/IP是可靠的传输协议吗?这到底是怎么回事儿?那需要我们说说TCP到底是怎么工作的,TCP采用了尽量分片的方法,避免IP在MTU分片所造成的不可靠的数据传输,这样也就避免了IP分片所造成数传时的数据丢失,增加重传数据包的机率。前面提到TCP通信需要建立通信连接, 3次握手,在握手的时候,双方就协商了MSS的大小,即Maximum Segment Size,也就是双方确定TCP最大分节长度。这个值用来告诉对方,能够发送TCP分节的大小。而这个值是取其链路层MTU大小减去TCP头部大小和IP头部大小,即MSS=MTU-TCP头部大小-IP头部大小。这样对于以太网的MSS的最大长度为1500-20-20=1460Bytes。这样TCP的数据每次发送都不会超过1460B,到了数据链路层不会超过MTU的大小,那么IP报自然不会进行分片传输,这样就减少了TCP/IP重传的机率。TCP可靠的数据传输,除了MSS的协商机制,那么还有一个重要的特性就是序列号确认机制,这两个特性基本上可以保证数据的可靠传输。在TCP分节报文中,包含顺序号和应答号的字段,数据重传和数据应答机制的基本前提就是对每个传输字节进行编号,即顺序号Sequence Number。顺序号表示发送方已发送字节流的计数,接收方在成功接收到一个有效数据包后,发送一个确认应答数据包给发送方,应答数据包中包含的应答号Ack Number即指已接收的数据长度+1,或者说已接收到的数据中的最后一个字节的序列号+1,表示已期望接收的下一个字节的序列号。这个机制可以解决诸如数据在传输过程中破坏的问题,处理接收重复数据的问题,数据丢失的问题,以及处理接收端数据乱序的问题等等来保证可靠的数据传输。

 

对于“滑动窗口”,这也是TCP/IP通信的一个特点,在TCP通要建立通信连接, 3次握手的时候,不仅仅双方协商了MSS的大小,也协商了Window Size的大小。接收端的容器,水总会有注满的时候,所以通过不断向发送端告知容器还有多少的剩余,也就是自己窗口的大小,通知发送端,根据我的接收能力,你还能发送多少数据给我,这就是流量的控制。这个流量控制对于TCP/IP通信的通信速度影响很大,如果你需要你的TCP/IP通信快速,那你就需要保证你的接收侧的滑动窗口始终有富余,唯一的办法就是接收一定要比发送快!

 

对于端口号的多路复用,这里给大家举一个例子,1500PLC是集成Web Server的,你可以通过一台PC1的浏览器浏览这个网页服务,默认的端口是80。当然你也可以同时使用另外一台PC2浏览这个网页服务,默认端口仍然是80。这个端口就是在被复用。

 

当然除此之外,还有许多定时器用于TCP/IP可靠的数据传输,例如Keepalive等等,这里就不一一赘述了。然而当看了五花八门的各种概念和协议机制,给了我乱花渐欲迷人眼的感觉,对于理解PN似乎没有什么帮助啊,但是最起码我知道了协议这个概念和工作机制。那么PN也可以套用这些理念的,至少可以做个对比。

 

您是否还有疑问呢,请点击下面的留言区,我们可以相互交流。

 


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