西门子S7以太网通讯协议

S7以太网协议属于TCP/IP协议族的一种，下图为S7以太网协议在ISO-OSI参考模型中的位置。

 

通过WireShark抓包，可以看出S7以太网协议的模型：

 

 

ISO-OSI参考模型、TCP/IP模型及S7以太网协议模型对比

ISO-OSI参考模型	TCP/IP模型	S7以太网协议模型
7-应用层	4-应用层	6-S7  Communication
6-表示层		5-  COTP(TSAP)	RFC1006
5-会话层		4-TPKT
4-传输层	3-传输层	3-TCP(102端口)
3-网络层	2-网络互连层	2-IP
2-数据链路层	1-网络接口层	1-工业以太网
1-物理层

第5层（相对于ISO-OSI参考模型）：TPKT（ISO Transport Service ontop of the TCP/ ISO传输服务通过TCP），介于TCP和COTP协议之间。这是一个传输服务协议，主要用来在COTP和TCP之间建立桥梁，包含了上层协议数据包的长度。

 

第6层（相对于ISO-OSI参考模型）：COTP（Connection OrientedTransport Protocol/面向连接的传输协议），比较TCP与COTP两种协议，因为它们都是用于通过网络可靠地传输用户数据，基于数据流的与基于数据包的：COTP将数据包从一个用户传输到另一个用户，所以接收者将获得与发送者传输完全相同的数据边界。TCP将连续的数据流传输到接收器，因此TCP上的协议通常必须自己添加这样的边界（如TPKT协议）。

为了复用客户端和服务端之间的几个会话，COTP使用了TSAP（传输服务访问点），TSAP为2个字节，通常使用一个有意义的字符串。TSAP的第2个字节由机架号+插槽号组成，插槽号在0-4Bit机架号在5-7Bit。这些TSAP在连接建立阶段被匹配，并且在数据传输时由2字节（目标/源）参考代替。

下图示例为SIMATIC NET OPC与S7-200 SMART PLC 通过S7以太网协议通讯的COTP TSAP设置值

通过WireShark抓包，COTP的连接报文如下：

 

为什么要使用RFC 1006 协议扩展

RFCs(Request for Comments) 是一些技术类文档, 内容包括针对-例如以太网结构，协议的设计，email 报文头设计等等进行了详细的描述。 RFC 1006 中的“ISO Transport Service on top of theTCP（TPKT）”（ISO传输服务通过TCP）是TCP协议的一种扩展。这意味着除了TCP数据，在通讯双方之间还可以提供特殊的传输服务（ISO服务）。

当数据使用TCP协议进行传输时，传输工作聚焦在数据流上。因此没有关于数据长度或者数据起始以及终止的信息。这对于发送方没有问题，因为它知道所要发送的字节数。但对于接收方来讲，它无法知道该信息什么时候开始，什么时候结束，以及下一条信息什么时候被发送。
在许多自动化应用中，必须要关注工作信息。信息块通过一个连接由发送方发出，其完整性由接收方进行确认。为了进行这样的确认，RFC1006规定了在数据前面必须要加上报文头。RFC1006因此提供了这样一种应用，及根据TCP协议建立数据流，但面向消息进行传输。

第7层（相对于ISO-OSI参考模型）S7 Communication应用协议（协议ID=0x32），包含三部分：1-Header；2-Parameter；3-Data。根据功能（S7Comm.Parameter.Function ）不同，S7 Communication协议的结构会有所不同。例如，请求数据报文只包含前两部分。

应答数据报文为3部分包括数据Data 段

S7Communication应用协议中Parameter.Function的取值对应的功能如下表：

下图为S7以太网通讯客户端从建立TCP连接到读取到服务端数据的整个过程

1.握手

当客户端192.168.1.101与服务端192.168.1.200通过Socket建立连接时，会进行“三次握手”，这是标准的TCP连接方式，这个过程会由Socket自动完成；

2.通讯请求

在“握手”之后，并不能马上进行数据交换，还需要“通讯请求”过程。

这个过程包含两次报文交换：

• 客户端发送COTP报文给服务端，在COTP报文中包含“连接请求”和“Destination TSAP”，以明确CPU的机架号和槽号；服务端应答COTP报文，包含“连接确认”；这样服务端就清楚了客户端需要和哪个CPU来进行数据通讯；

• 客户端发送S7 Communicaton报文给服务端，在S7Communicaton报文中包含“通讯请求”； 服务端反馈S7 Communicaton报文。

• 交换数据

通讯应用就在这个过程内完成，可以组织报文来实现需要的功能。这个过程内的报文是S7 communicaton，具体实现时，需要对S7协议中的第5、6、7层进行编程。

注意，如果不进行“第2步-通讯请求”而直接发送交换数据报文，则服务端会将连接断开。