【原创】浅谈EtherCAT主站EOE(上)-EOE网络

这篇文章的标题虽然是关于EtherCAT EOE，但其实主要内容是关于整个EOE网络结构，属于计算机网络原理。而EtherCAT EoE只是简单介绍，并不是文章的重点。需要注意的是，我们的描述主要基于Linux操作系统，但在Windows或其他RTOS上的原理也是类似的，大家可以自行类比迁移。

为了避免混淆，文中将会使用"EtherNet"或"以太网"来指代TCP/IP网络，以区分EtherCAT网络和普通的以太网。

一、EoE

EtherCAT是一种实时以太网总线协议，是以以太网为基础的现场总线系统，EtherCAT已成为工业自动化领域中最受欢迎的总线协议之一，被广泛应用于机器人、自动化生产线、运动控制等场景。

EtherCAT使用标准的IEEE802.3以太网帧，单从以太网角度看，ETherCAT是二层网络，常说的MAC层，以太网帧头使用以太网类型0x88A4来和其他以太网帧相区别。

一个完整EtherCAT帧如下所示。

EtherCAT采用主从结构进行访问控制，通信关系始终由主站发起。主站使用标准的以太网接口，从站使用专门的ETherCAT从站控制器ESC(Ethercat Slave Controller)芯片来处理子报文。

整个EtherCAT网络形成一个环状，主站向各个从站发送EtherCAT以太网帧，该帧的数据区包含了多个ETherCAT子报文。这些子报文包含地址信息，用于定位每个从站，主站通过这些子报文与每个从站进行交互。每个从站ESC可以从数据帧中提取或插入数据。

工业通信必须满足不同要求的数据传输特性，这些数据大致可分为两类，一类是对通信时间要求严格的过程数据（实时数据），另一类是对时间要求相对不重要的非过程数据（非实时数据），如参数数据、诊断数据、批量数据等，EtherCAT支持多种服务和协议来满足这些不同的要求。支撑这两类数据的底层硬件主要是ESC的邮箱和FMMU。

因为ETherCAT修改了原来的二层以太网网络，为了实现从站接入普通以太网，有了EoE。EOE是EtherNet Over EtherCAT（EtherCAT上的以太网）的缩写，它是一种将标准以太网帧通过EtherCAT传输的解决方案。使用EOE技术，可以将EtherCAT从站接入互联网，并使其能够与其他设备通过互联网进行交互，具体能用通过从站EtherNet来做什么，就看各位的想象力了。

这里说到邮箱，简答介绍一下邮箱报文的结构，详细的请查阅ETG相关文档

EOE使用邮箱协议传输，ETherCAT中不仅有EOE，还有CoE(CANopen Over EtherCAT)、FoE(File Over EtherCAT)、SoE(SERCOR Over EtherCAT)、VoE等非实时数据通信，其底层都是是通过EtherCAT邮箱交互数据。主站通过一个个ETherCAT子报文读写邮箱，不同的协议数据类型通过邮箱(mailbox)协议来区别，邮箱协议数据在子报文数据区中，结构如下。

邮箱协议数据包含邮箱头和邮箱数据，邮箱头主要表示邮箱数据区的数据类型，结构如下：

在邮箱数据区中，进一步包含有COE、EOE、FOE等协议规范的数据。以EOE为例，通常情况下，EtherNet帧的大小为1514/1518字节（不包括前导码和FCS校验）。但从站的邮箱大小有限，每次传输只能传输几百字节的数据。因此，在通过邮箱协议传输EtherNet帧之前，需要将其分成多个段传输，这就需要一定的协议和规范。此外，从站EtherNet网络还设计MAC、IP、网关地址等参数配置，也需要通过邮箱进行配置，统一需要一定的协议和规范。因此，ETG定义了EoE服务规范来应对这些需求，它被放置在邮箱数据区中。整个ETherCAT数据帧就和TCP/IP网络帧一样分层，像套娃一样，一层协议套一层协议。其他的COE、FOE、VOE等服务规范也类似。

二、EoE服务规范

按照ETG官方文档中对EoE应用服务的定义，EoE服务请求规范如下：

初始化EoE请求（Initiate EoE），部分从站需要主站发送Initiate EoE来触发从站初始化从站EOE，如网络协议栈初始化等等，请求-响应模式（主站发起请求，然后查询从站响应，根据响应确定从站是否执行成功）。

request：EOE frameType 0x02

response: EOE frameType 0x03

EoE帧传输请求（EoE Fragment），用于传输主站与从站的标准以太网数据，只有请求，没有响应。

request：EOE frameType 0x00

设置IP参数请求（Set IP Parameter），设置从站的IP地址、网关等配置信息，请求-响应模式。

request：EOE frameType 0x02

response: EOE frameType 0x03

设置MAC过滤器请求（Set MAC Filter），请求-响应模式。暂未见到应用场景。

request：EOE frameType 0x04

response: EOE frameType 0x05

以上均是通过邮箱协议来与从站交互，关于EOE服务的数据结构规范大家可参考ETG官方文档《ETG1000.6.应用层协议规范》5.7小节，这里不再详细贴出。

EtherCAT主站如何提供EoE服务？

通过上面对EoE的描述，EtherCAT主站提供EOE功能有：

为每个从站配置IP、MAC、网关等IP参数。
外部发送给从站的EtherNet 帧，需要主站通过EoE Fragment发送给从站；同时主站要接收从站发送的EtherNet 帧，然后向外发送。
可选的MAC过滤器请求、初始化EoE请求。

Set IP Parameter request、Set MAC Filter request与 SDO upload/download请求机制类似，EtherCAT主站内部通过一系列状态机来为应用层提供这些服务。不是本文的重点，具体大家可参考开源EtherCAT协议栈（igh、soem...虽然有些bug）源码和文档，在此不再说明。

最重要的是，EtherCAT主站需要提供一个基于ETherCAT邮箱协议的EtherNet“物理层”通道，用于从站与PLC外部网络之间的通信。本文关注的是网络层面部分，即如何处理EtherNet帧并传递给从站，以及从站如何处理并向外界发送数据。对于EtherCAT主站如何进行邮箱通信并不是本文的重点，自行查阅相关资料。

三、EoE网络

EOE网络

一个典型的EOE网络通常如下图所示：PLC（或其他运行EtherCAT主站的主机）至少配备两个网卡。其中，一个网卡完全由EtherCAT主站管理，连接着EtherCAT从站（假设有64个从站且全部支持EOE）。另一个网卡则是PLC的普通以太网网卡，用于连接到外部网络。

基于这个结构，我们考虑如下问题（本文暂且关注基本问题）：

如何将各个从站的网络和外部网络连接起来？
- 外部网络作为服务端如何才能连接？
- 从站作为服务端时如何才能连接？
如何实现EtherCAT网络中，从站之间通过EtherNet相互通信？
ETherCAT网络中的从站会经常拔插（创建、删除）如何灵活管理？
从站作为服务端接入外部网络，如何保障基本安全？

在解决这些问题之前，我们再次看看这个网络。首先，从站EOE就像一个完整的EtherNet设备。ESC EOE邮箱相当于网卡，每个EOE从站则相当于网卡+TCP/IP协议栈。在TCP/IP协议栈的上层，是具体的Ethernet应用程序（如TFTP、HTTP等）。

从PLC的角度看，PLC与这64个EOE从站直接'连接'，只不过这64个网口共用一条EtherCAT网线作为总线，说到这大家有没有联想到什么？

这种网络结构让人想起了在电脑上创建虚拟机时使用的网络结构，就和我们在电脑上创建几个虚拟机的网络结构是一样的！看下面这个图你就明白了。

网络结构上，PLC中的EtherCAT EOE网络与我们在电脑上创建多个虚拟机的网络结构非常相似！PLC相当于我们的物理机，而EOE从站则相当于物理机里创建的虚拟机。每个虚拟机都有自己的网卡，并且安装有操作系统，每个虚拟机对外要互联互通。

在自己电脑上创建虚拟机只是多种虚拟化技术和应用场景之一。

因此，EtherCAT主站EOE网络的工作机制与虚拟化场景下的网络工作机制类似，EtherCAT主站EOE网络问题可以使用类似虚拟化场景下的网络解决方式去解决。不同之处在于数量上存在差异，由于ETherCAT网络有多个ETherCAT从站，需要灵活管理（如创建、删除），在EtherCAT上会根据应用场景简化处理。

虚拟化网络底层原理是计算机网络技术和操作系统技术，这方面的知识这部分内容留到下篇文章（浅谈EtherCAT主站EOE(下)-虚拟化网络与EOE网络）介绍。