Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen

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1 Applikationsbeispiel Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen Haftungsausschluß Die Schaltungen in diesem Dokument werden zu Amateurzwecken und ohne Rücksicht auf die Patentlage mitgeteilt. Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt Wir haben den Inhalt dieses Dokumentes auf Übereinstimmung mit der beschriebenen Hard- und Software geprüft. Dennoch können Abweichungen nicht ausgeschlossen werden, so dass wir für die vollständige Übereinstimmung keine Gewähr übernehmen. Die Angeben in diesem Dokument werden jedoch regelmäßig überprüft. Notwendige Korrekturen sind in den nachfolgenden Versionen erhalten. Für Verbesserungsvorschläge sind wir dankbar. Copyright by HMS GmbH. All rights reserved. Erstellt Version Name Kommentar BEG Erstausgabe Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 1 -

2 1. Aufgabenstellung Oftmals stellt sich dem Anwender die Frage, wie er denn bei Einsatz ethernetbasierter Anybus-S-Module (z.b. für Ethernet IP, Modbus TCP, PROFInet IO) Daten auch mit einem PC austauschen kann. 2. Lösung Die Ethernet-basierten Anybus-S-Module verfügen unter anderem auch über ein TCP-/UDP- Socket-Interface. Das Socket-Interface bietet die Möglichkeit, eigene Applikationsprotokolle zu entwickeln. Die nachfolgende Beschreibung soll helfen, dem Anwender den Einstieg und die Verwendung des Socket-Interfaces bei den Ethernet-basierten Anybus-S-Modulen zu erleichtern. Das nachfolgend erläuterte Applikationsbeispiel beschreibt, wie eine Host-Applikation (in unserem Beispiel ein Evaluationboard für die Anybus-S-Module) über das Anybus-S-Modul sowohl Daten an die übergeordnete SPS, als auch an einen am selben Netzwerk angeschlossenen PC austauschen kann. Für dieses Beispiel wurde die Variante mit PROFInet IO gewählt. 2.1 Systemaufbau Industrial Ethernet Switch Industrial Ethernet Ethernet Siemens SIMATIC S7 mit PROFInet IO HMS Anybus-S-Evaluationboard mit Anybus-S-Modul z.b. ABS-PRT für PROFInet IO Windows-PC Bei PROFInet IO ist der Einsatz eines Switch vorgeschrieben. Der Switch sorgt unter anderem dafür, daß Telegramme nur an den Adressaten und nicht an alle Busteilnehmer geleitet werden. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 2 -

3 2.2 Funktionsprinzip Dieses Dokument behandelt folgende Themen: 1. Was bedeutet Blocking-Modus / NON-Blocking-Modus? 2. Was sind die Hauptunterschiede von TCP und UDP? 3. Was bedeutet Server / Client in Bezug auf Socket-Interface? 4. Übersicht über die jeweils zu verwendenden Socket-Kommandos für - UDP, NON-Blocking-Modus, Server / Client - UDP, Blocking-Modus, Server / Client - TCP, NON-Blocking-Modus, Server / Client - TCP, Blocking-Modus, Server / Client 5. Besonderheiten einiger Socket-Kommandos 6. Erläuterungen zu dem Beispielcode für das Anybus-S-Modul in Verbindung mit dem Anybus-S-Evaluationboard 7. Tools zum Testen der Funktionalität des Socket-Interfaces 8. Links zu weiterführenden Informationen zum Thema Socket-Interface Was bedeutet Blocking-Modus / NON-Blocking-Modus? Dies sind zwei Modi, in denen das AnybusS-Socket-Interface verwendet werden kann. Hintergrund für diese beiden Modi ist die Architektur des AnybusS. Socket-Kommandos werden an das AnybusS in Form von Mailboxkommandos gesendet. Jedes Mailboxkommando wird von dem Modul beantwortet. Im NON-Blocking-Modus wird die Antwort unittelbar beantwortet, im Blocking-Modus jedoch erst, wenn entsprechende Antworten seitens des Busses vorliegen. Beispiel: Daten Lesen von einem Socket NON_Blocking-Mode: wenn keine Daten vorliegen, wird als Anwort zurückgegeben, daß keine Daten vorliegen Blocking-Mode: eine Antwort wird erst dann zurückgegeben, sobald Daten vorliegen VORTEIL des Blocking-Modus: Der Blocking-Modus ist der modernere, effizientere Modus, da hier ein ständiges Polling über Mailboxkommandos entfällt (Entlastung der CPU). Die Applikation kann neue Kommandos an das Socket-Interface senden, ohne auf die Antwort auf eines zuvor gesendeten Kommandos warten zu müssen. Außerdem kann hier die Tatsache genutzt werden, daß eine eintreffende Response einen Interrupt auslösen kann (sofern der Interrupt hierfür implementiert und freigegeben ist). In diesem Fall entfällt dann sogar der Aufwand, das Kontrollregister pollen zu müssen, um festzustellen, daß eine Antwortmail eingetroffen ist (weitere CPU-Entlastung). NACHTEIL des Blocking-Modus: Die Antworten zu den gesendeten Nachrichten treffen unsynchronisiert und nicht chronologisch ein. Daher muß ein Mailbox-Handler realisiert werden, der eine Zuordnung der Antworten zu den Kommandos durchführt. Anybus kann bis zu 16 NON-Blocking-Sockets (0 15) und 32 Blocking-Sockets (16 47) verwalten. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 3 -

4 2.2.2 Was sind die Hauptunterschiede von TCP und UDP? Der Hauptunterschied zwischen TCP und UDP liegt darin, daß UDP im Gegensatz zu TCP verbindungslos ist. Das bedeutet, daß unter UDP Telegramme zwar mit Angabe einer Zieladresse versandt werden, jedoch keine Kontrolle oder Rückmeldung erfolgt, ob das Telegramm an seiner Zieladresse angekommen ist. Einzelne Telegramme können daher verloren gehen. Auch die Reihenfolge der empfangenen Telegramme kann von der Reihenfolge abweichen, in der die Telegramme versandt wurden. UDP liefert von sich aus gewöhnlich keine CRC-Checksummen mit. Das bedeutet, daß ohne zusätzliche Maßnahmen durch die Applikation nicht sichergestellt ist, daß auch tatsächlich die Daten angekommen sind, die versendet wurden. Diese Sicherungsmechanismen hat bei Verwendung von UDP daher die darüber gelegene Applikation zu übernehmen. Die genannten Protokollsicherungsmaßnahmen wie CRC-Checksum, Einhaltung der Telegramm-Reihenfolge, Wiederholung von verlorengegangenen oder verstümmelten Telegrammen sind bei TCP umgesetzt. Die Übertragung ist bei TCP daher sicherer, durch den Telegrammoverhead für die Maßnahmen zur Telegrammsicherung jedoch wesentlich langsamer Was bedeutet Server / Client in Bezug auf Socket-Interface? Ein Server stellt in der Regel einen Dienst zur Verfügung, den ein Client nutzt. Der Aufbau einer Kommunikation wird daher immer vom Client initiiert, der dem Server mitteilt, daß er mit diesem kommunizieren möchte (Socket-Kommando CONNECT). Der Server muß seinerseits immer lauschen, ob ein Client mit ihm Verbindung aufnehmen möchte (Socket- Kommando LISTEN). Der Server überprüft dann, ob er den gewünschten Dienst zur Verfügung stellen kann. Wenn er kann, wird er den Verbindungswunsch des Clients akzeptieren (Socket-Kommando ACCEPT). In der Regel wird eine Verbindung dann auch vom Client wieder geschlossen (Socket- Kommando ). Dies kann jedoch auch vom Server aus durchgeführt werden. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 4 -

5 2.2.4 Übersicht über die jeweils zu verwendenden Socket-Kommandos UDP, non-blocking Client SOCKET_NB CONNECT SEND RECV SEND_FRAG RECV_FRAG SEND_FRAG_TO RECV_FRAG_FROM SEND_TO RECV_FROM Server SOCKET_NB SEND_FRAG_TO RECV_FRAG_FROM SEND_TO RECV_FROM UDP, blocking Client SOCKET_B CONNECT SEND RECV SEND_FRAG RECV_FRAG SEND_FRAG_TO RECV_FRAG_FROM SEND_TO RECV_FROM Server SOCKET_B SEND_FRAG_TO RECV_FRAG_FROM SEND_TO RECV_FROM Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 5 -

6 TCP, non-blocking Client SOCKET_NB CONNECT SEND RECV SEND_FRAG RECV_FRAG Server SOCKET_NB LISTEN ACCEPT SEND RECV SEND_FRAG RECV_FRAG TCP, blocking Client SOCKET_B CONNECT SEND RECV SEND_FRAG RECV_FRAG Server SOCKET_B LISTEN ACCEPT SEND RECV SEND_FRAG RECV_FRAG Besonderheiten einiger Socket-Kommandos UDP ist verbindungslos, daher sind die Socket-Kommandos LISTEN und ACCEPT hier nicht sinnvoll bzw. auch nicht verfügbar, denn Ziel dieser Kommandos ist, eine feste Verbindung zu einem Client herzustellen. Das Kommando CONNECT ist bei einem UDP-Client jedoch möglich. Diese Verbindung ist dann zwar logisch, jedoch nicht physikalisch vorhanden. Der Client kann nach Ausführen des CONNECT-Kommandos Telegramme über die Kommandos SEND und RECV versenden bzw. empfangen (mit Angabe des Socket-Descriptors statt IP-Adr. Und Portnummer). Das Kommando ACCEPT liefert als Antwort einen neuen Socket-Deskriptor. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 6 -

7 3. Erläuterungen zu dem Beispielcode für das Anybus-S- Modul in Verbindung mit dem Anybus-S-Evaluationboard Der Beispielcode ist für das Anybus-S-Evaluationboard entwickelt worden. Der Beispielcode beinhaltet folgende Funktionalität: - Kommunikation über UDP-Socket-Interface mit einem PC oder einem weiteren Anybus-S-Evaluationboard - Kommunikation über TCP-Socket-Interface als Client oder als Server - es wird jeweils nur ein Socket erzeugt und anschließend über diesen Daten gesendet und empfangen; ein mehrfaches Erzeugen von Sockets (TCP-Socket, Server- Funktionalität) ist hier nicht realisiert, ebenso wenig das mehrfache Erzeugen und Schließen desselben Sockets Der Beispielcode wurde ausschließlich für den Blocking-Modus geschrieben. Der NON-Blocking-Modus ist eher als historisch zu betrachten und wird von den Modulen mehr oder weniger aus Kompatibilitätsgründen zu älteren Modulen, bei denen kein Blocking- Mode realisiert war, unterstützt. 3.1 RealisierteApplikation Das Anybus-S-Evaluationboard verfügt über 2 Drehpotentiometer, die je einen 8-Bit- Analogwert liefern (Wertebereichj ). Die Applikation sieht nun vor, die beiden Analogwerte, sobald sich auch nur einer davon geändert hat, als Telegramm zu versenden. Die aktuellen bzw. versendeten Werte werden parallel auf dem LCD-Display in der oberen Zeile als HEX-Werte ausgegeben (z.b..sent: 3F 53) Das Telegrammformat sieht wie folgt aus: STX HNPL LNPL HNPR LNPR ETX (STX: 0x02, HNPL: High Nibble Poti Links,..., ETX: 0x03) In der unteren Zeile werden ebenfalls 2 Werte ausgegeben, in diesem Fall jedoch die Werte, die empfangen werden (z.b. RCVD: 44 6E) Werden zwei Evaluationboards miteinander verbunden, so können diese sich gegenseitig und unabhängig voneinander Werte zusenden und zur Anzeige bringen. Um von UDP auf TCP zu wechseln oder umgekehrt, müssen im Sourcecode der Compilerschalter TCP_SOCKET bzw. UDP_SOCKET aktiviert / deaktiviert werden und der Code danach jeweils compiliert werden (siehe Datei evalboard.h). Um parallel zum Socket-Interface die Daten mit der SPS auszutauschen, ist ider Compilerschalter CYCLE_DATA_EXCHANGE zu aktivieren. Das Modul wird standardmäßig auf 16 Byte Eingangsdaten und 16 Bytes Ausgangsdaten konfigiduriert. Bei Aktivierung des Compilerschalters werden die Werte der beiden Potentiometer als Ausgangsbytes 0 und1 zyklisch an die SPS übertragen. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 7 -

8 Zu den Themen Konfiguration der SPS / Einbinden des Moduls über GSD-Datei möchten wir Sie an dieser Stelle auf das Anwendungsbeispiel verweisen. Die auf dieser Seite zum Download befindliche Schritt-für-Schritt-Anleitung erläutert dies ausführlich. Falls dennoch Fragen hierzu offen bleiben sollten, kontaktieren Sie einfach den Technischen Support bei HMS Industrial Networks GmbH (siehe Ende dieses Dokuments). 3.2 Vorgaben für die Einstellung der IP-Adressen Um den Test mit zwei Boards zu vereinfachen, wurde folgende Festlegungen getroffen: - die IP-Adresse ist bei den obersten 3 Bytes gleich einzustellen (z.b ) - die Subnetzmaske ist auf den Wert einzustellen - das unterste Byte der IP-Adresse legt die Client-/Server-Adresse (TCP) bzw. die Adresse des UDP-Kommunikationspartners fest: bei TCP: - ungeradzahliger (kleinerer) Wert: TCP-Server - geradzahliger (größerer) Wert: TCP-Client bzw. bei UDP: - nächst höhere gerade Adresse, wenn eigene Adresse ungerade - nächst niedrigere Adresse, wenn eigene Adresse gerade - der geradezahlige Wert sollte genau um 1 größer sein als der ungeradzahlige Beispiel: Server-Adresse (ungerader Wert) Client-Adresse (nächst größerer, geradzahliger Wert) Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 8 -

9 3.3 Struktur des Beispiel-Codes Der Beispielcode wurde in Form eines Keil-C51-Projektes für die Keil- Entwicklungsumgebung µ-vision 2 angelegt. Diese Entwicklungsumgebung ist auch im Lieferumfang eines Anybus-S-Evaluationboards enthalten. Der Beispielcode sollte in ein Verzeichnis kopiert werden, auf das der Anwender Schreibrechte hat. Durch Doppelklicken auf die Datei anybus.uv2 wird das Projekt geladen; es sollte sich dann folgendes Bild ergeben: Die Hautroutine main befindet sich in dem Modul EVALBOARD.c. Die Initialisierung eines Sockets wird durch Aufruf der Routine InstallSocket durchgeführt. Nach Ausführung dieser Prozedur können die Daten über das Socket-Interface ausgetauscht werden. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen - 9 -

10 3.4 Standardeinstellungen und deren Veränderungen Die nachfolgend genannten Standardeinstellungen befinden sich in der Datei evalboard.h: /* Socket-Interface: Auswahl Test UDP-/TCP- oder kein Socket */ #define UDP_SOCKET 1 #ifndef UDP_SOCKET #define TCP_SOCKET 1 #endif /* zyklischer I/O-Datenaustausch: wenn aktiviert, werden entsprechend INPUT_LENGTH_IO und OUTPUT_LENGTH_IO Prozessdaten zwischen Applikation und Anybus-Modul bzw. Feldbussystem ausgetauscht. */ //#define CYCLE_DATA_EXCHANGE 1 /* Bei Aktivierung des #define CYCLE_DATA_EXCHANGE wird, sofern TCP-Socket oder UDP-Socket aktiviert ist, der Compilerschalter #define CYCLE_DATA_IN aktiviert; dieser Schalter sorgt dafür, daß die beiden Poti-Werte als zyklische IO-Daten gesendet werden. */ #ifdef UDP_COCKET #ifdef CYCLE_DATA_EXCHANGE #define CYCLE_DATA_IN 1 #endif #endif #ifdef UDP_COCKET #ifdef CYCLE_DATA_EXCHANGE #define CYCLE_DATA_IN 1 #endif #endif /* Festlegen, ob über den Socket empfangen und / oder gesendet wird */ #define SOCKET_SEND_ENABLED 1 #define SOCKET_RECEIVE_ENABLED 1 /* Portnummer für TCP-/UDP-Socket */ #define LOCAL_PORT 0x8888 // willkürliche, beispielhafte Festlegung #define TARGET_PORT 0x8888 // willkürliche, beispielhafte Festlegung Die nachfolgend aufgelisteten Compilerschalter sind anzupassen, wenn sich die Länge der Nutzdaten (Datagramm) ändern sollte: /* Längen der UDP- bzw. TCP-Telegramm-Nutzdaten */ #define UDP_DATAGRAMM_SIZE 0x06 // willkürliche, beispielhafte Festlegung #define TCP_DATA_SIZE 0x06 // willkürliche, beispielhafte Festlegung Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen

11 3.5 Allgemeines zum socket-interface bei Anybus-S Das socket-interface wird beim Anybus-S über das standardmäßig integrierte Mailbox- Interface realisiert. Dieses Mailbox-Interface ist ein Bereich im Dual-Port-RAM, in das die HOST-Applikation Daten in Form einer message mit definierter Struktur (mail) einträgt. Die Anybus-Firmware liest diese mail, bearbeitet diese und sendet eine Antwort hierzu zurück. Die socket-befehle werden also über Mailbox-Kommandos der Host-Applikation an das Anybus-Modul abgewickelt. Den eigentlichen Socket-Aufbau und Datentransfer in Richtung Feldbus bzw. PC übernimmt dann das Anybus-Modul. Der Host sendet Daten aktiv an das Modul und holt diese auch aktiv ab. 3.6 Daten über Socket empfangen Über die Prozedur ReceiveNewDataFromSocket wird das Lesen neuer Daten vom Socket angestoßen. Tatsächlich werden die Daten dann über die Prozedur AnybusMailHandler empfangen. Die Hierarchie der Prozeduraufrufe ist wie folgt: AnybusMailHandler AnybusToHostResponseHandler Socket_ResponseHandler Socket_HandleReceivedData Diese Prozedur legt dann die empfangenen Nutzdaten in dem über den Pointer *RcvData übergebenen Datenpuffer (ReceivedData) ab. Innerhalb der Prozedur Socket_ResponseHandler wird dann dieser Puffer über die Prozeduren ApplHandleReceivedTCPDataStream bzw. ApplHandleReceivedData ausgelesen und ausgewertet. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen

12 3.7 Daten über Socket senden Das Senden neuer Daten über das Socket-Interface erfolgt über die Prozedur. SendNewDataToSocket. Die Hierarchie der Prozeduraufrufe ist wie folgt: SendNewDataToSocket SendNewDataToUDPSocket bzw. SendNewDataToTCPSocket Socket_SendToUDP bzw. Socket_SendTCP Weitere Details können dem Source entnommen werden. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen

13 4 Tools zum Testen der Funktionalität des Socket- Interfaces 4.1 Ethereal Ein sehr hilfreiches Windows-PC-Tool, das zudem noch kostenlos ist, kann unter folgendem Link heruntergeladen werden: Dieses Tool ist ein Ethernet-Monitorprogramm, mit dessen Hilfe man die Kommunikation überprüfen kann. Eine Dokumentation hierzu kann ebenfalls unter diesem Link heruntergeladen werden. Wichtiger Hinweis: Wenn ein Netzwerk mit Switches aufgebaut ist, muss derjenige PC, auf dem das Monitorprogramm läuft, über einen Hub mit dem zu beobachtenden Gerät verbunden werden. Der Anschluß des PCs über einen freien Port am Switch funktioniert nicht, da der Switch die Telegramme jeweils nur an die Zeiladresse weiterleitet. 4.2 Anybus IP-Config-Tool Dieses Windows-PC-Programm ermöglicht Ihnen, auf einfache Art und Weise die wichtigsten IP-Parameter einzustellen. Das Tool kann unter folgendem Link heruntergeladen werden: Anybus IPConfig Tool 4.3 Windows-Programm zum Testen der Socket-Kommunikation Unter dem nachfolgendem Link kann das kostenlose Testtool Builder.exe heruntergeladen werden: Mit Hilfe dieses einfachen Tools können TCP- und UDP-Telegramme sowohl gesendet als auch empfangen werden. Die Bedienung dieses Programms ist über die programminterne Hilfe dokuemnetiert. Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen

14 5 Informationen zur Programmierung von Sockets unter Windows Unter nachfolgenden Links sind hinreichende Infos zu o.g. Thema zu finden: HMS Industrial Networks GmbH Haid-und-Neu-Str. 7 D Karlsruhe Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Internet: Anwenden des TCP-/UDP-socket-interfaces bei ethernetbasierten Anybus-S-Modulen

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