一種集成工業(yè)以太網(wǎng)從站自主識(shí)別主站的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成工業(yè)以太網(wǎng)從站自主識(shí)別主站的方法，應(yīng)用在嵌入有Linux操作系統(tǒng)的集成從站上。該方法基于工業(yè)以太網(wǎng)主從站之間通信前，主站會(huì)向從站發(fā)送識(shí)別信息這一前提，采用在Linux操作系統(tǒng)下原始套接字編程的方法，抓取通信網(wǎng)絡(luò)中主站發(fā)出的識(shí)別信息，并對(duì)抓取到的識(shí)別信息進(jìn)行區(qū)分判斷，從而確定主站的類型并加載相應(yīng)的從站程序。通過該方法，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)集成從站自主識(shí)別與之相連接的主站類型，并完成自動(dòng)加載運(yùn)行與之對(duì)應(yīng)的從站程序。
【專利說明】一種集成工業(yè)以太網(wǎng)從站自主識(shí)別主站的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)控制領(lǐng)域，涉及工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的集成工業(yè)以太網(wǎng)從站，與不同種類工業(yè)以太網(wǎng)主站進(jìn)行通信時(shí)，進(jìn)行自主識(shí)別與之連接的主站種類，進(jìn)行相應(yīng)從站程序的選擇運(yùn)行。

【背景技術(shù)】
[0002]以太網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的推廣，為生產(chǎn)效率的提高，產(chǎn)品的優(yōu)化等等多方面都起到了極大的促進(jìn)作用。目前世界上有多種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，種類繁多，各有優(yōu)點(diǎn)，在某一生產(chǎn)過程中，往往需要幾種工業(yè)以太網(wǎng)配合使用會(huì)產(chǎn)生更大的收益。所以，在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)比較流行使用集成工業(yè)以太網(wǎng)從站，但是，集成從站內(nèi)對(duì)于從站程序的選擇運(yùn)行，一直采用傳統(tǒng)的手動(dòng)加載運(yùn)行，即在上電前確定集成從站的性質(zhì)，這給大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)帶來了很多不便。目前，急需一種方法，能夠?qū)崿F(xiàn)集成從站自主識(shí)別與之連接的主站類型，并自動(dòng)運(yùn)行與之對(duì)應(yīng)的從站程序。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)上存在的上述問題，提供一種集成工業(yè)以太網(wǎng)從站能夠識(shí)別主站類型并自主選擇加載運(yùn)行相應(yīng)從站程序的方法。
[0004]本發(fā)明提供的集成工業(yè)以太網(wǎng)從站自主識(shí)別主站的方法，應(yīng)用在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的集成工業(yè)以太網(wǎng)從站，以下簡(jiǎn)稱集成從站；所述的集成從站集成了 Modbus-TCP和P0WERLINK從站程序；此方法通過分析判斷來自通信網(wǎng)絡(luò)中的主站識(shí)別信息，來確定與集成從站相連接的主站類型，從而選擇加載運(yùn)行對(duì)應(yīng)的集成從站程序，實(shí)現(xiàn)了集成從站對(duì)主站類型的自主識(shí)別和集成從站程序的自動(dòng)加載，擺脫了傳統(tǒng)的手動(dòng)加載的方法；
該方法具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
第I步、抓取工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中主站發(fā)送的識(shí)別數(shù)據(jù)包；
第1.1步、啟動(dòng)集成從站中的Linux操作系統(tǒng)；
第1.2步、設(shè)置集成從站以太網(wǎng)芯片的工作模式為混雜模式，這樣集成從站就不會(huì)只接受目的地址為它的數(shù)據(jù)包，而是全部經(jīng)過它的數(shù)據(jù)包，方便下面獲得主站發(fā)送來的識(shí)別信息數(shù)據(jù)包。
[0005]第1.3步、通過socket套接字函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)原始套接字的文件描述符；
第1.4步、利用recv O函數(shù)來接受來自通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包，并將接收到的數(shù)據(jù)包賦值到一個(gè)字符型指針變量中，方便后續(xù)對(duì)其進(jìn)行分析。
[0006]第2步、分析抓取到的通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包；
第2.1步、將第I步中抓取到的數(shù)據(jù)包劃分格式，因?yàn)樗ト〉臄?shù)據(jù)包賦值給某一變量時(shí)是沒有劃分格式的，數(shù)據(jù)包從左向右依次為以太網(wǎng)報(bào)文頭、IP報(bào)文頭、TCP報(bào)文頭或者UDP報(bào)文頭，在區(qū)分Modbus-TCP和P0WERLINK工業(yè)以太網(wǎng)只需要知道以太網(wǎng)報(bào)文頭即可。將抓取到的數(shù)據(jù)包強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為struct ether_header結(jié)構(gòu)體，那么數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)報(bào)文頭便被保留下來。
[0007]第2.2步、判斷struct ether_header結(jié)構(gòu)體中的ether_type成員變量，如果變量的值為0x0806則可確定數(shù)據(jù)包來自Modbus-TCP主站，與集成從站相連的是Modbus-TCP主站，結(jié)束第2步，進(jìn)入第3步；如果ether_type的值，不為0x0806，繼續(xù)分析數(shù)據(jù)包。
[0008]第2.3步、繼續(xù)判斷struct ether_header結(jié)構(gòu)體中的ether_type成員變量，如果變量的值為0x88ab則可確定數(shù)據(jù)包來自P0WERLINK主站，與集成從站相連的是P0WERLINK主站，結(jié)束第2步，進(jìn)入第3步；如果ether_type的值，不為0x88ab，繼續(xù)分析數(shù)據(jù)包。
[0009]第2.4步、拋棄所抓取的數(shù)據(jù)包，返回第I步，重新抓取通信網(wǎng)絡(luò)中其他數(shù)據(jù)包。
[0010]第3步、根據(jù)第2步的分析結(jié)果，加載相應(yīng)的從站程序；
此步驟根據(jù)第2步中對(duì)ether_type成員變量的分析判斷結(jié)果不同，選擇加載運(yùn)行不同的工業(yè)以太網(wǎng)從站程序，或者不加載運(yùn)行:
第3.1步、對(duì)于Modbus-TCP主站，Modbus-TCP作為L(zhǎng)inux下的可執(zhí)行程序，在可執(zhí)行文件中通過system ()函數(shù)來完成Modbus-TCP從站程序的運(yùn)行；
第3.2步、對(duì)于P0WERLINK主站，POffERLINK從站程序代碼被交叉編譯后生成一個(gè)Linux內(nèi)核模塊，需要通過insmod命令加載到Linux內(nèi)核中才能運(yùn)行；這里，通過編寫一個(gè)shell腳本文件，在可執(zhí)行程序中通過執(zhí)行system()來執(zhí)行腳本文件，從而完成P0WERLINK從站程序的加載運(yùn)行。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果
通過本發(fā)明采用的技術(shù)方案可以看出，本方法能夠?qū)崿F(xiàn)集成工業(yè)以太網(wǎng)從站對(duì)與之相連接主站進(jìn)行判斷識(shí)別，并加載相應(yīng)的從站程序，與主站建立連接，完成后續(xù)通信的任務(wù)。擺脫了傳統(tǒng)的手動(dòng)選擇方式所帶來的工作量大，不確定因素多等問題?，F(xiàn)在的方法既方便又安全可靠，有更高的實(shí)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是數(shù)據(jù)包抓取流程圖；
圖2是以太網(wǎng)控制芯片設(shè)置分析圖；
圖3是Modbus-TCP和P0WERLINK主站報(bào)文分析圖；
圖4是Modbus-TCP和P0WERLINK報(bào)文以太網(wǎng)頭分析圖；
圖5是數(shù)據(jù)包分析流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明提供的集成工業(yè)以太網(wǎng)從站自主識(shí)別主站的方法，具體步驟如下:
第I步、抓取工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中主站發(fā)送的識(shí)別數(shù)據(jù)包；
圖1是集成從站嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，如何運(yùn)行程序來抓取通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包。
[0014]首先啟動(dòng)Linux操作系統(tǒng)，提供軟件程序的工作環(huán)境，加載af_packet.ko原始套接字功能模塊，一般的嵌入式Linux操作系統(tǒng)中往往不具有這一模塊，需要自行加載到內(nèi)核中。接著，將與集成從站相連的以太網(wǎng)芯片的工作模式設(shè)置成混雜模式，因?yàn)橐蕴W(wǎng)芯片的缺省工作模式為直接模式或廣播模式，缺省工作模式下，以太網(wǎng)控制芯片會(huì)判斷每個(gè)物理數(shù)據(jù)幀目的地是否為本站地址，如果不是就將它丟棄。然而，集成從站需要在從站程序運(yùn)行前，完成對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中主站發(fā)出的帶有識(shí)別信息的數(shù)據(jù)包進(jìn)行抓取和分析。因此，需要將適配器網(wǎng)卡設(shè)置成為混雜模式，這樣就可以達(dá)到對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)視捕獲的目的。通過命令“ifconfig ethO promise”完成以太網(wǎng)卡模式的修改，圖2上下兩部分顯示出了以太網(wǎng)控制芯片設(shè)置前后的狀態(tài)。
[0015]第2步、分析抓取到的通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包；
這里涉及到的圖3和圖4都是通過wireshark抓包工具，抓取到的來自通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包。
[0016]圖3中方框標(biāo)注的內(nèi)容分別為Modbus-TCP和P0WERLINK工業(yè)以太網(wǎng)主站發(fā)出的識(shí)別信息數(shù)據(jù)包，觀察比較可知，二者在協(xié)議類型(protocol選項(xiàng))上存在差異，Modbus-TCP是ARP，POffERLINK是印1，以此作為區(qū)標(biāo)志。
[0017]圖4是這兩種協(xié)議以太網(wǎng)報(bào)文頭的分析圖。本發(fā)明方法對(duì)抓取到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，所涉及到的內(nèi)容是在數(shù)據(jù)鏈路層，主要判定以太網(wǎng)報(bào)文頭，對(duì)上層網(wǎng)絡(luò)包括網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，不作分析判定。Modbus-TCP和P0WERLINK為兩種工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，使用的均為Ethernet II幀格式，這里之所以要突出是使用的Ethernet II型數(shù)據(jù)幀，是因?yàn)樗?2字節(jié)之后為類型選項(xiàng)，而Modbus-TCP和P0WERLINK這兩種協(xié)議在這里有所區(qū)分。Modbus-TCP協(xié)議是基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)，它的以太網(wǎng)報(bào)文頭中此項(xiàng)內(nèi)容為0x0806 ;P0WERLINK協(xié)議不是基于TCP/IP的以太網(wǎng)，它有自己的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此它的以太網(wǎng)報(bào)文頭的類型內(nèi)容為0x88ab。因此，就可以通過判斷抓取到的數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文類型，來確定與集成從節(jié)點(diǎn)相連接的通信主站類型。
[0018]圖5是分析判斷所抓取到數(shù)據(jù)包的流程圖。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)包的構(gòu)成形式，將抓取到的數(shù)據(jù)包劃分格式，因?yàn)樗ト〉臄?shù)據(jù)包給某一變量是沒有劃分格式的，數(shù)據(jù)包從左向右依次為以太網(wǎng)報(bào)文頭、IP報(bào)文頭、TCP報(bào)文頭或者UDP報(bào)文頭，根據(jù)上面的分析，可知區(qū)分Modbus-TCP和P0WERLINK工業(yè)以太網(wǎng)只需要知道以太網(wǎng)報(bào)文頭即可。將數(shù)據(jù)包賦值到某一字符指針變量中，并將此變量強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為struct ether_header結(jié)構(gòu)體，那么數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)報(bào)文頭便被保留下來。struct ether_header結(jié)構(gòu)體是以太網(wǎng)報(bào)文頭的函數(shù)體形式，具體構(gòu)成如下:
氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺
struct ether—header
{
u_int8_t ether_dhost[ΕΤΗ—ALEN];
u_int8_t ether_shost[ETH—ALEN];
u_intl6_t ether—type;
}；
接著，通過判斷語句，判斷以太網(wǎng)報(bào)文頭中的ether_type這一項(xiàng)，根據(jù)圖3的報(bào)文分析可知，如果以太網(wǎng)頭的類型為0x0806，就是Modbus-TCP主站的識(shí)別信息，那么就加載Modbus-TCP從站程序；如果以太網(wǎng)頭的類型為0x88ab，就是P0WERLINK主站的識(shí)別信息，那么就加載P0WERLINK從站程序；如果不是這兩種的一個(gè)，那么就是垃圾包，將其丟棄，并通過while函數(shù)返回到第I步，重新抓取分析數(shù)據(jù)包。
[0019]第3步、根據(jù)第2步的分析結(jié)果，加載相應(yīng)的從站程序
此步驟根據(jù)第2步中對(duì)ether_type成員變量的分析判斷結(jié)果不同，選擇加載運(yùn)行不同的工業(yè)以太網(wǎng)從站程序，或者不加載運(yùn)行。由于Modbus-TCP和P0WERLINK的從站程序的特點(diǎn)不同，它們運(yùn)行的方式也是不同的。Modbus-TCP作為L(zhǎng)inux下的可執(zhí)行程序，在可執(zhí)行文件中通過system ()函數(shù)來完成Modbus-TCP從站程序的運(yùn)行；而POWERLINK從站程序代碼被交叉編譯后生成一個(gè)Linux內(nèi)核模塊，需要通過insmod命令加載到Linux內(nèi)核中才能運(yùn)行，但是，從可執(zhí)行文件中是無法執(zhí)行insmod命令來加載內(nèi)核模塊，這里，通過編寫一個(gè)shell腳本文件，在可執(zhí)行程序中通過執(zhí)行system O來執(zhí)行腳本文件，從而間接地完成POffERLINK從站程序的加載運(yùn)行。
【權(quán)利要求】
1.一種集成工業(yè)以太網(wǎng)從站自主識(shí)別主站的方法，該方法應(yīng)用在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的集成工業(yè)以太網(wǎng)從站，以下簡(jiǎn)稱集成從站；所述的集成從站集成了 Modbus-TCP和POWERLINK從站程序；此方法通過分析判斷來自通信網(wǎng)絡(luò)中的主站識(shí)別信息，來確定與集成從站相連接的主站類型，從而選擇加載運(yùn)行對(duì)應(yīng)的集成從站程序，實(shí)現(xiàn)了集成從站對(duì)主站類型的自主識(shí)別和集成從站程序的自動(dòng)加載，擺脫了傳統(tǒng)的手動(dòng)加載的方法；此方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下: 第I步、抓取工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中主站發(fā)送的識(shí)別數(shù)據(jù)包； 第1.1步、啟動(dòng)集成從站中的Linux操作系統(tǒng)； 第1.2步、設(shè)置集成從站以太網(wǎng)芯片的工作模式為混雜模式，這樣集成從站就不會(huì)只接受目的地址為它的數(shù)據(jù)包，而是全部經(jīng)過它的數(shù)據(jù)包，方便獲得主站發(fā)送來的識(shí)別信息數(shù)據(jù)包； 第1.3步、通過socket套接字函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)原始套接字的文件描述符； 第1.4步、利用recv O函數(shù)來接受來自通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包，并將接收到的數(shù)據(jù)包賦值到一個(gè)字符型指針變量中，方便后續(xù)對(duì)其進(jìn)行分析； 第2步、分析抓取到的通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包； 第2.1步、將第I步中抓取到的數(shù)據(jù)包劃分格式，因?yàn)樗ト〉臄?shù)據(jù)包賦值給某一變量時(shí)，是沒有劃分格式的，數(shù)據(jù)包從左向右依次為以太網(wǎng)報(bào)文頭、IP報(bào)文頭、TCP報(bào)文頭或者UDP報(bào)文頭，在區(qū)分Modbus-TCP和POWERLINK工業(yè)以太網(wǎng)只需要知道以太網(wǎng)報(bào)文頭即可；將數(shù)據(jù)包所復(fù)制的變量強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為struct ether_header結(jié)構(gòu)體，那么數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)報(bào)文頭便被保留下來； 第2.2步、判斷struct ether_header結(jié)構(gòu)體中的ether_type成員變量，如果變量的值為0x0806則可確定數(shù)據(jù)包來自Modbus-TCP主站，與集成從站相連的是Modbus-TCP主站，結(jié)束第2步，進(jìn)入第3步；如果ether_type的值，不為0x0806，繼續(xù)分析數(shù)據(jù)包； 第2.3步、繼續(xù)判斷struct ether_header結(jié)構(gòu)體中的ether_type成員變量，如果變量的值為0x88ab則能夠確定數(shù)據(jù)包來自POWERLINK主站，與集成從站相連的是POWERLINK主站，結(jié)束第2步，進(jìn)入第3步；如果ether_type的值，不為0x88ab，繼續(xù)分析數(shù)據(jù)包； 第2.4步、拋棄所抓取的數(shù)據(jù)包，返回第I步，重新抓取通信網(wǎng)絡(luò)中其他數(shù)據(jù)包； 第3步、根據(jù)第2步的分析結(jié)果，加載相應(yīng)的從站程序； 此步驟根據(jù)第2步中對(duì)ether_type成員變量的分析判斷結(jié)果不同，選擇加載運(yùn)行不同的工業(yè)以太網(wǎng)從站程序，或者不加載運(yùn)行: 第3.1步、對(duì)于Modbus-TCP主站，Modbus-TCP作為L(zhǎng)inux下的可執(zhí)行程序，在可執(zhí)行文件中通過system ()函數(shù)來完成Modbus-TCP從站程序的運(yùn)行； 第3.2步、對(duì)于POWERLINK主站，POWERLINK從站程序代碼被交叉編譯后生成一個(gè)Linux內(nèi)核模塊，需要通過insmod命令加載到Linux內(nèi)核中才能運(yùn)行；這里，通過編寫一個(gè)shell腳本文件，在可執(zhí)行程序中通過執(zhí)行system()來執(zhí)行腳本文件，從而完成POWERLINK從站程序的加載運(yùn)行。
【文檔編號(hào)】G05B19/418GK104503390SQ201410703498
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月30日
【發(fā)明者】陳在平, 孫遜, 賈超, 倪建云 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)