原创 【工业自动化领域解决方案】利用Profishark工具捕获EtherCAT报文

随着工业自动化技术的不断进步，对于实时数据捕获和分析的需求也在增加。尤其在EtherCAT这样的高性能工业网络中，精准的报文捕获和分析工具显得尤为重要。在这篇文章中，我们将深入探讨如何利用ProfiShark工具捕获EtherCAT报文，并展示其在实际应用中的强大功能。

一、为什么要使用profishark捕获报文

• 使用方便：profishark作为专用的抓包硬件，在性能、稳定性、精确度上都比普通的抓包工具好很多，并且有一些PLC或者其它无法直接运行wireshark软件的专用控制器作为EtherCAT主站，这种情况下使用专用的抓包工具会省事很多，并且profishark串联在网络中带来的延迟和抖动很低，可以适用于大多数对于时间敏感的工业协议。
• 高分辨率时间戳：ProfiShark 提供分辨率为 8 ns 的硬件时间戳。ProfiShark 1G+ 和 10G+ 提供多种高级时间戳功能。 GPS芯片可以检索UTC时间，并将其与内部PPS同步，典型精度为±32 ns。 ProfiShark 1G+和10G+还可以通过SNTP（使用ProfiShark Manager或CLI工具）检索时间，或使用内部RTC（实时时钟），并通过外部PPS信号同步。可以提供 PPS 输出，以便与另一个 ProfiShark 设备或任何其他接受 PPS 输入的设备同步。这些功能可以以不同的方式组合，为数据包的准确和精确的时间戳提供多种可能的选项。
• 100%高保真流量捕获：为所有监控源安装 TAP 可保证 100% 的网络流量被复制并传输到监控工具，实现实时网络监控。
• TSN支持，低抖动：ProfiShark能够捕获和分析支持Time-Sensitive Networking（TSN）技术的网络流量，并且能够准确地测量和记录数据传输的时序性，以便进行分析和故障排除。ProfiShark 与协议无关，并且对所有帧、标签和封装进行 L1 直通。这包括抢占帧 (IEEE 802.1Qbu/802.3br)、分段帧和 CRC 无效帧。Profishark 100M、1Gv5、1Gv6 和 1G+ 支持 TSN（IEEE 802.1Qbu/802.3br 帧）。
• PoE直通功能：ProfiShark 1G 可以配置为串联模式或带外模式。串联模式具有故障安全功能，具有 PoE 直通功能，一旦 TAP 在网络中就位，监控端口就可以随意连接和断开，而不会中断网络链路。而带外模式则允许监控来自 SPAN/镜像端口或外部 TAP 的流量。

二、Profishark使用场景

• 抓取以太网报文
• 搜索报文CRC error
• 比较输入数据帧和输出数据帧
• 测量网络帧的抖动和延迟
• 分析主控端发送数据的过程和原理
• 分析处理设备处理网络帧处理流程及原理
• 主控设备实时测量
• 测量和处理设备的响应性能
• 工业以太网数据的监控与备份

三、技术参数

四、连接方式

必须在现有的 EtherCAT 网络中插入一个测试接入点（TAP），以捕获 EtherCAT 帧。建议将 TAP 安装在主站和第一个从站之间，但也可以安装在任意两个从站设备之间。不过，只有当 TAP 紧跟在主站之后安装时，才能完全分析所有输入和输出数据，因为有些数据（LRW 命令）会被下游从站的后续输入数据覆盖。所选的 TAP 设备（如 profishark 100M）应具有较小的传播延迟，以避免干扰整个网络定时。

TAP 的 “监控 ”端口通过标准以太网电缆与运行主站检查软件的计算机相连。

ProfiShark 100M 是一款袖珍型设备，一侧有两个 RJ45 连接器，另一侧有一个 USB 3.0 端口（还有一个可选的 5 V 直流外部电源接口）。

1. 将 ProfiShark 放在需要监控流量的站点（如 PLC 的以太网端口、CPU 的以太网模块、计算机、服务器等）前方。
2. 断开EtherCAT主站上的以太网电缆，将其连接到 ProfiShark 的一个以太网端口。然后，使用适配器附带的以太网电缆将ProfiShark 的另一个以太网端口连接到第一个从站。
3. 现在，ProfiShark处于要分析的数据包的线路中，所有流量都通过该 TAP 适配器。
4. 确认两端通信正常之后，将电源端口（USB端口）连接至装有profishark manager的电脑上，并通过profishark manager或者Wireshark 软件进行捕获和分析数据包。

五、如何使用wireshark分析EtherCAT报文

在使用ProfiShark成功捕获EtherCAT报文后，我们可以利用Wireshark来进行详细的分析。Wireshark是一款功能强大的网络协议分析工具，它可以帮助我们对捕获到的EtherCAT报文进行深入的检查和分析。以下是详细步骤和技巧：

1. 设置EtherCAT过滤器

EtherCAT报文在Wireshark中有特定的过滤器可以使用。我们可以通过设置这些过滤器来筛选出我们感兴趣的报文。例如，要过滤出特定类型的从站进入OP状态的报文，可以使用以下命令：

ecat.ado == 0x130

这个命令可以帮助我们快速找到并分析目标报文。

2. 捕获报文的详细信息

一旦捕获到EtherCAT报文，我们可以查看它们的详细信息。点击报文，可以展开查看其结构和内容，包括EtherCAT报文的头部信息、数据区、以及各个字段的具体值。这些信息可以帮助我们了解报文的具体内容和意义。

3. 分析周期性报文

在EtherCAT通信中，每个周期性报文通常包含三个子报文。这些子报文包括逻辑寻址、物理寻址等信息。通过分析这些子报文，我们可以了解主站与从站之间的数据交换过程。例如，查看LRW（Logical Read/Write）命令，可以看到从站的响应和主站的请求数据。

4. 分析时间间隔

时间间隔分析是评估EtherCAT系统性能的重要手段。通过Wireshark，我们可以测量报文之间的时间间隔，以评估系统的实时性和稳定性。具体操作是查看两个报文之间的时间差异，通过Wireshark的“时间显示格式”功能，可以更直观地看到这些时间差。

5. 常见错误分析

在EtherCAT系统中，常见的错误类型包括CRC错误、丢包、报文延迟过长等。通过Wireshark，我们可以检测并分析这些错误。例如，通过设置CRC错误过滤器，可以快速定位并分析存在问题的报文。分析这些错误需要我们熟悉EtherCAT的工作原理和流程，能够识别和诊断常见的通信问题。

6. 数据积累与学习

分析EtherCAT报文是一个需要不断积累和学习的过程。了解和掌握EtherCAT协议的细节是关键，这样才能在实际分析中得心应手。建议多阅读相关文献和技术文档，参与技术交流，不断提升自己的技能和知识水平。

六、总结

通过使用ProfiShark和Wireshark，我们可以高效地捕获和分析EtherCAT报文，满足工业网络系统对实时数据监控和故障排除的需求。ProfiShark凭借其高分辨率时间戳、100%高保真流量捕获、TSN支持及PoE直通功能，为工业自动化网络提供了强有力的支持。结合Wireshark的强大分析功能，我们能够详细查看报文结构、分析周期性报文的时间间隔、检测并诊断常见的通信错误，从而提高系统的性能和可靠性。随着对EtherCAT工作原理和分析技巧的不断积累和学习，我们可以更有效地进行网络监控和问题解决，为工业自动化的发展提供坚实的技术保障。