工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域解決方案 利用Profishark工具捕獲EtherCAT報(bào)文

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)捕獲和分析的需求也在增加。尤其在EtherCAT這樣的高性能工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，精準(zhǔn)的報(bào)文捕獲和分析工具顯得尤為重要。在這篇文章中，我們將深入探討如何利用ProfiShark工具捕獲EtherCAT報(bào)文，并展示其在實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)大功能。

一、為什么要使用profishark捕獲報(bào)文

使用方便：profishark作為專用的抓包硬件，在性能、穩(wěn)定性、精確度上都比普通的抓包工具好很多，并且有一些PLC或者其它無(wú)法直接運(yùn)行wireshark軟件的專用控制器作為EtherCAT主站，這種情況下使用專用的抓包工具會(huì)省事很多，并且profishark串聯(lián)在網(wǎng)絡(luò)中帶來(lái)的延遲和抖動(dòng)很低，可以適用于大多數(shù)對(duì)于時(shí)間敏感的工業(yè)協(xié)議。

高分辨率時(shí)間戳：ProfiShark 提供分辨率為 8 ns 的硬件時(shí)間戳。ProfiShark 1G+ 和 10G+ 提供多種高級(jí)時(shí)間戳功能。 GPS芯片可以檢索UTC時(shí)間，并將其與內(nèi)部PPS同步，典型精度為±32 ns。 ProfiShark 1G+和10G+還可以通過(guò)SNTP（使用ProfiShark Manager或CLI工具）檢索時(shí)間，或使用內(nèi)部RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘），并通過(guò)外部PPS信號(hào)同步。可以提供 PPS 輸出，以便與另一個(gè) ProfiShark 設(shè)備或任何其他接受 PPS 輸入的設(shè)備同步。這些功能可以以不同的方式組合，為數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確和精確的時(shí)間戳提供多種可能的選項(xiàng)。

100%高保真流量捕獲：為所有監(jiān)控源安裝 TAP 可保證 100% 的網(wǎng)絡(luò)流量被復(fù)制并傳輸?shù)奖O(jiān)控工具，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

TSN支持，低抖動(dòng)：ProfiShark能夠捕獲和分析支持Time-Sensitive Networking（TSN）技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)流量，并且能夠準(zhǔn)確地測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序性，以便進(jìn)行分析和故障排除。ProfiShark 與協(xié)議無(wú)關(guān)，并且對(duì)所有幀、標(biāo)簽和封裝進(jìn)行 L1 直通。這包括搶占幀 (IEEE 802.1Qbu/802.3br)、分段幀和 CRC 無(wú)效幀。Profishark 100M、1Gv5、1Gv6 和 1G+ 支持 TSN（IEEE 802.1Qbu/802.3br 幀）。

PoE直通功能：ProfiShark 1G 可以配置為串聯(lián)模式或帶外模式。串聯(lián)模式具有故障安全功能，具有 PoE 直通功能，一旦 TAP 在網(wǎng)絡(luò)中就位，監(jiān)控端口就可以隨意連接和斷開(kāi)，而不會(huì)中斷網(wǎng)絡(luò)鏈路。而帶外模式則允許監(jiān)控來(lái)自 SPAN/鏡像端口或外部 TAP 的流量。

二、Profishark使用場(chǎng)景

抓取以太網(wǎng)報(bào)文

搜索報(bào)文CRC error

比較輸入數(shù)據(jù)幀和輸出數(shù)據(jù)幀

測(cè)量網(wǎng)絡(luò)幀的抖動(dòng)和延遲

分析主控端發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程和原理

分析處理設(shè)備處理網(wǎng)絡(luò)幀處理流程及原理

主控設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量

測(cè)量和處理設(shè)備的響應(yīng)性能

工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與備份

三、技術(shù)參數(shù)

四、連接方式

必須在現(xiàn)有的 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中插入一個(gè)測(cè)試接入點(diǎn)（TAP），以捕獲 EtherCAT 幀。建議將 TAP 安裝在主站和第一個(gè)從站之間，但也可以安裝在任意兩個(gè)從站設(shè)備之間。不過(guò)，只有當(dāng) TAP 緊跟在主站之后安裝時(shí)，才能完全分析所有輸入和輸出數(shù)據(jù)，因?yàn)橛行?shù)據(jù)（LRW 命令）會(huì)被下游從站的后續(xù)輸入數(shù)據(jù)覆蓋。所選的 TAP 設(shè)備（如 profishark 100M）應(yīng)具有較小的傳播延遲，以避免干擾整個(gè)網(wǎng)絡(luò)定時(shí)。
TAP 的 “監(jiān)控 ”端口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜與運(yùn)行主站檢查軟件的計(jì)算機(jī)相連。

ProfiShark 100M 是一款袖珍型設(shè)備，一側(cè)有兩個(gè) RJ45 連接器，另一側(cè)有一個(gè) USB 3.0 端口（還有一個(gè)可選的 5 V 直流外部電源接口）。
(1)將 ProfiShark 放在需要監(jiān)控流量的站點(diǎn)（如 PLC 的以太網(wǎng)端口、CPU 的以太網(wǎng)模塊、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等）前方。
(2)斷開(kāi)EtherCAT主站上的以太網(wǎng)電纜，將其連接到 ProfiShark 的一個(gè)以太網(wǎng)端口。然后，使用適配器附帶的以太網(wǎng)電纜將ProfiShark 的另一個(gè)以太網(wǎng)端口連接到第一個(gè)從站。
(3)現(xiàn)在，ProfiShark處于要分析的數(shù)據(jù)包的線路中，所有流量都通過(guò)該 TAP 適配器。
(4)確認(rèn)兩端通信正常之后，將電源端口（USB端口）連接至裝有profishark manager的電腦上，并通過(guò)profishark manager或者Wireshark 軟件進(jìn)行捕獲和分析數(shù)據(jù)包。

五、如何使用wireshark分析EtherCAT報(bào)文

在使用ProfiShark成功捕獲EtherCAT報(bào)文后，我們可以利用Wireshark來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的分析。Wireshark是一款功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析工具，它可以幫助我們對(duì)捕獲到的EtherCAT報(bào)文進(jìn)行深入的檢查和分析。以下是詳細(xì)步驟和技巧：
1. 設(shè)置EtherCAT過(guò)濾器
EtherCAT報(bào)文在Wireshark中有特定的過(guò)濾器可以使用。我們可以通過(guò)設(shè)置這些過(guò)濾器來(lái)篩選出我們感興趣的報(bào)文。例如，要過(guò)濾出特定類型的從站進(jìn)入OP狀態(tài)的報(bào)文，可以使用以下命令：
ecat.ado == 0x130
這個(gè)命令可以幫助我們快速找到并分析目標(biāo)報(bào)文。
2. 捕獲報(bào)文的詳細(xì)信息
一旦捕獲到EtherCAT報(bào)文，我們可以查看它們的詳細(xì)信息。點(diǎn)擊報(bào)文，可以展開(kāi)查看其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，包括EtherCAT報(bào)文的頭部信息、數(shù)據(jù)區(qū)、以及各個(gè)字段的具體值。這些信息可以幫助我們了解報(bào)文的具體內(nèi)容和意義。
3. 分析周期性報(bào)文
在EtherCAT通信中，每個(gè)周期性報(bào)文通常包含三個(gè)子報(bào)文。這些子報(bào)文包括邏輯尋址、物理尋址等信息。通過(guò)分析這些子報(bào)文，我們可以了解主站與從站之間的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。例如，查看LRW（Logical Read/Write）命令，可以看到從站的響應(yīng)和主站的請(qǐng)求數(shù)據(jù)。
4. 分析時(shí)間間隔
時(shí)間間隔分析是評(píng)估EtherCAT系統(tǒng)性能的重要手段。通過(guò)Wireshark，我們可以測(cè)量報(bào)文之間的時(shí)間間隔，以評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。具體操作是查看兩個(gè)報(bào)文之間的時(shí)間差異，通過(guò)Wireshark的“時(shí)間顯示格式”功能，可以更直觀地看到這些時(shí)間差。
5. 常見(jiàn)錯(cuò)誤分析
在EtherCAT系統(tǒng)中，常見(jiàn)的錯(cuò)誤類型包括CRC錯(cuò)誤、丟包、報(bào)文延遲過(guò)長(zhǎng)等。通過(guò)Wireshark，我們可以檢測(cè)并分析這些錯(cuò)誤。例如，通過(guò)設(shè)置CRC錯(cuò)誤過(guò)濾器，可以快速定位并分析存在問(wèn)題的報(bào)文。分析這些錯(cuò)誤需要我們熟悉EtherCAT的工作原理和流程，能夠識(shí)別和診斷常見(jiàn)的通信問(wèn)題。
6. 數(shù)據(jù)積累與學(xué)習(xí)
分析EtherCAT報(bào)文是一個(gè)需要不斷積累和學(xué)習(xí)的過(guò)程。了解和掌握EtherCAT協(xié)議的細(xì)節(jié)是關(guān)鍵，這樣才能在實(shí)際分析中得心應(yīng)手。建議多閱讀相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)文檔，參與技術(shù)交流，不斷提升自己的技能和知識(shí)水平。

六、總結(jié)

通過(guò)使用ProfiShark和Wireshark，我們可以高效地捕獲和分析EtherCAT報(bào)文，滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和故障排除的需求。ProfiShark憑借其高分辨率時(shí)間戳、100%高保真流量捕獲、TSN支持及PoE直通功能，為工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)有力的支持。結(jié)合Wireshark的強(qiáng)大分析功能，我們能夠詳細(xì)查看報(bào)文結(jié)構(gòu)、分析周期性報(bào)文的時(shí)間間隔、檢測(cè)并診斷常見(jiàn)的通信錯(cuò)誤，從而提高系統(tǒng)的性能和可靠性。隨著對(duì)EtherCAT工作原理和分析技巧的不斷積累和學(xué)習(xí)，我們可以更有效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和問(wèn)題解決，為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

審核編輯 黃宇