ProfiNet 性能分析
捕获 ProfiNet 网络数据包不是最终目的，目的 是对数据包进行分析，用来提升系统性能，定位 网络故障和改善网络环境，这也是本节进行讨论 的重点。
1. 报文解读 在试验和测试过程中，针对 ProfiNet 协议网络 报文进行了短时数据监听，成功将 ProfiNet 网络建 立过程、握手通信协议过程、周期通信过程和故 障处理过程记录下来，抓取完整的 ProfiNet 协议报 文共计 79KB，利用 WireShark 软件分析周期通信
ProfiNet 主站通过 Scalance 交换机与 ProfiNetIO 从 理。端口映射功能作为高级功能，只有在 Telnet
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·冶金电气·2013 年第 32 卷第 4 期
ProfiNet 以太网协议分析 方式的根权限下才可以打开，如图 11 所示。
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ProfiNet 以太网协议分析
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使得协议中的 L / T 字段值大于 1 500，扩充了网络 数据吞吐能力，而该参数在原有标准中是一个保 留的 EtherTypeⅡ可以用于唯一地识别 ProfiNet 协 议的实时数据帧，用以区别于其他采用标准 IT 协 议的以太网帧，使得网络中的各类传输设备对该 协议报文优先进行传输。在西门子 ProfiNet 以太网 类型 标 识 中 采 用 0x0800 来 标 识 IP 帧， 使 用 0x8892 来标识 ProfiNet 实时帧。ProfiNet 协议帧中 的应用标识符 （ Frame-ID） 域标识所接收的数据 的传输类型，即标识周期数据传输和非周期数据 传输 （ 报警和事件） 。
图 11 Scalance 端口映射
映射端口 1 的数据到端口 3，使得所有流入、 流出端口 1 的数据，均传输到端口 3，交由 Sniffer 计算机 处 理，这 样 从 数 据 流 的 角 度 就 可 以 进 行 ProfiNet 网络的数据监控和分析。
2. 报文过滤 WireShark 是一款以太网数据分析软件，是目 前全球最流行的以太网数据抓包工具，用于分析 和诊断以太网协议，可以抓取网络上的所有数据。 在抓取的所有以太网数据包中，既有 ProfiNet 网络数据，也有大量的无效的广播数据。在分析 以太网协议的时候，必须设置抓包过滤器，用来 抛弃无效数据，只抓取特定协议的、有效的数据 包。过滤器设置过程如图 12 所示。本文采用的过 滤条件为 ProfiNet 主站的 MAC 地址，用来捕获主 站发送和接收到的所有数据包。 3. 报文监听过程 实时以太网网络报文监听过程，主要有以下 三个步骤： 实时以太网网络报文数据的抓取，网 络无效信息内容的过滤，关键数据信息的保存和 网络数据应答过程的显示和回放。 （ 1） 报文数据的抓取 西门子 ProfiNet 主站 PLC 将实时以太网 ProfiNet 协议报文由物理接口 PN 传送至 Scalance 交换
据走向。 1. 端口映射 Scalanec X414—3 是 一 款 多 端 口 的 高 级 交 换
机，具备多种网络管理功能，并提供强大的数据 路由功能。该交换机可以通过默认的 Web 网页方
本文采 用 一 台 工 程 师 站 来 配 置 和 维 护 系 统， 式进行管理，也可以通过 Telnet 方式进行高级管
结束语
针对西门子 ProfiNet 实时以太网，本文详细、
深入地剖析 ProfiNet 实时以太网网络拓扑结构、网
络协议组成结构和协议内容，利用已有的西门子
模块和系统搭建 ProfiNet 网络检测和评估系统平
1. 配置系统 采用 CPU416—2DP 和 CP443—1 为系统核心， 创建 ProfiNet 实 时 以 太 网， 足 够 的 配 置 保 证 了 ProfiNet 主站发挥更好的性能，系统的硬件配置如 图 6 所示。采用 IM153—4PN 从站模块，采集现场 数字量和模拟量信号。 标准以太网数据传输过程中，都是一个网卡 的 MAC 地址来区分各个设备的，ProfiNet 网络也 采用该方法。网卡 MAC 地址类似于 Profibus-DP 中
本文 详 细 分 析 了 ProfiNet 协 议 构 架、网络拓扑、网络组建和协议性能， 通过搭建 ProfiNet 实时以太网网络通信 平台模拟工厂自动化现场情况，采用西 门子 Scalance 交换机的独特的网络端口 镜像功能，实现了完整、详尽的实时以 太 网 报 文 抓 取、 保 存 和 统 计， 结 合 WireShark 网 络 报 文 统 计 和 分 析 工 具， 对 ProfiNet 网络协议进行了详细分析， 对 ProfiNet 网络性能进行研究和评估， 对 ProfiNet 产品性能以及网络配置、网 络周期通信、网络诊断和报警进行深入 的分析。
ProfiNet 报文监听
标准以太网数据报文，在数据传递过程中最
常遇到的是交换机。交换机接收来自各个端口的
数据，以最优的传输路径、最快的转发数据到目
的端口。这样就避免了数据碰撞，使得每个端口
都拥有最大的传输速率，这也是交换机优于集线
器的主要方面。
正是由于交换机的这个特性，使得 ProfiNet 主
站的数据通过 1 号端口直接流向 4 号端口，到达
图 7 设置 ProfiNet 节点名称
针对网络节点数量的不同，ProfiNet 网络的数 据吞吐量也有所不同，特别是网络结构不同，数 据路由方式也不同。如果 ProfiNet 网络只包含 RT 节点，并且不包含 IRT 节点，那么 ProfiNet 网络只 需要配置扫描时间，ProfiNet IO 的数据通信量所占 百分比为 100% ，不需要为 IRT 预留数据通道带 宽，如图 8 和图 9 所示。在程序中的 OB82 来对 ProfiNet 网络进行诊断和监控。
ProfiNet 从站。对于交换机的其他端口来说，该数
据流是不可见的，因此也是不能被监听到的。正
是由于这个原因，本文引入了高级 Scalance 交换
机，利用其特有的端口映射功能，改变网络的数
2. 网络组成 实时以太网的结构决定了网络监听的复杂性， 多级交换机的数据转发更加使得数据传递路由扑 朔迷离。如何捕获以太网络上的所有数据包，成 为网络数据监听的重要任务。
郑 欢 陈 程 /中冶京诚工程技术有限公司
郑 欢 /工程师
关键词 /Keywords ProfiNet· 协议· 以太网· 监听·
随着工业自动化水平的提高和自动 化技术的快速发展，出现了越来越多的 网络通信技术，对网络通信性能的要求 也逐步增强。专用现场网络总线，最初 的设计目的是用于简化原有集成控制系 统，成为分布式控制系统，便于整体工 厂的一致，大大减少系统维护工作。随 着工业自动化的发展，现有的现场总线 技术已经不能满足日益增长的高速、多 节点的工厂自动化生产要求［1］。
以监听到的一个报文为例，进行 ProfiNet 数据 报文说明，如图 14 所示。
图 15 WireShark 抓取的报文分析
每种不同的数据报文都可以选择不同的显示 颜色，不同的线型进行区分，还可以通过设置独 立的过滤器来进行数据报文的二次编程和二次加 工。通过图 5 中的网络数据报文统计可发现无网 络故障报文信息，充分说明了 ProfiNet 网络通信数 据的准 确 性 非 常 高， 如 果 网 络 上 包 含 现 场 设 备， 也可同时分析出外部 IO 信息。
图 12 WireShark 报文过滤设置
机 1 号端口，发送到 4 号端口，传送至 ProfiNet 从 站，同时交换机将数据报文复制后发送到 3 号端 口，从而完成报文数据的抓取打包过程。
（ 2） 信息内容的过滤 以太网报文由物理接口传送至 WireShark 软件 的以太网驱动，将报文和状态信息、时间戳、长 度和报文错误等信息一同保存在计算机的 RAM 区 中，根据不同实时以太网协议报文格式进行打包， 并计算过滤条件，抛弃无效数据。 （ 3） 信息的保存与显示 WireShark 将过滤后的数据报文存储至用户定 义的目录下，并根据设置的报文显示过滤条件进 行过滤，将满足条件的报文显示出来。采用此类 过滤方式，网络监控者可以非常方便、快捷地对 各类独立的网络报文进行具体的、区分处理和分 析，例如网络配置报文过程分析、网络故障报文 的分析、各类网络协议数据循环周期、全体网络 设备网络延时和系统突发性时间抖动等。
根据 PROFIBUS 国际组织提供的官方统计数 据和各类网络实测性能，西门子 ProfiNet 在 IRT 通 信方式下应用在同步运动控制场合，其性能可以 比目前的现场总线方案提高 100 倍。这种基于硬 件协议芯片的等 时 同 步 （ IRT） 通 信 解 决 方 案 能够在大量数据需要传递的情况下保持足够高 的时间确定性、数据快速性和网络稳定性。同 时 ， 由 于 采 用 协 处 理 器 模 式 可 缓 解 ProfiNet 设 备上主处理器的通信任务压力，使得整个系统更 加稳定和强健。
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过程 中 所 抓 取 的 ProfiNet 网 络 报 文 数 据 如 图 13 所示。
图 13 WireShark 抓取的报文信息
捕获的数据报文忠实地记录了每次通信报文 的数据内容，ProfiNet-RT 的每次应答均非常清晰 的显示出来。报文的记录是以监听计算机的时间 戳为准，并且可以任意指定参考时间。
不同于 Profibus-DP 网络的配置，ProfiNet 网络 提出了基于 XML 配置文件的方式，并且为每一个 网络节点配置一个唯一的名称，用来区分和整合 工厂级以太网庞大的网络节点。
本文给出了一个简单的网络配置，用以说明 ProfiNet 网络协议的核心技术，以及如何捕获和解 析 ProfiNet 网络数据。网络节点数量不影响本文介 绍的方法，故特此说明。
图 6 ProfiNet 测试工程硬件配置
的站地址，全球内网卡的唯一标识。长度为 6 字 节的 MAC 地址冗长而繁琐，不易于记忆和传播， 因此 Siemens 为每个节点取一个名称，并且保证同 一网络中名称 是 唯 一 的。将 名 称 和 MAC 地 址 绑 定，如图 7 所示。
ProfiNet 网络组成
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站进行ຫໍສະໝຸດ Baidu信，监听计算机通过交换机接入该网络， 具体网络配置如图 10 所示。
图 10 ProfiNet 网络监听结构
采用不同的硬件设备连接方式所测试的数据， 可采集和分析实时以太网设备的不同处理性能和 网络性能参数。本文采用上述网络拓扑结构和连 接方式，分析过程数据报文、网络配置报文、网 络故障报文、网络数据循环周期和系统时间抖动 等信息。
ProfiNet 报文结构
针对不同的网络性能需求，从以太 网报文结构上来说，西门子 ProfiNet RT 网络结构、通信协议及帧结构如图 1 ～ 图 3 所示。
西门子等时同步通道 ProfiNet IRT 网络 通信协议的数据报文帧结构如图 4 和图 5 所示。
从图 2 ～ 图 5 可以看出，西门子 ProfiNet 实时 以 太 网 数 据 帧 （ 包 括 RT 和 IRT 帧） 都是在通用国际标准 IEEE802. 3 所定 义的标准以太网帧格式基础上略作改动，
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ProfiNet 以太网协议分析
深入分析 ProfiNet 实时以太网协议，提出了实时以 太网设备性能参数的评估和测试问题，搭建 ProfiNet 实 时以太网网络协议解析、测试和评估平台，逐条监听和抓 取 ProfiNet 报文进行细致的深入分析，采用 WireShark 分析以太网报文，并给出了网络实际性能测试结果。