【原创】浅谈EtherCAT主站EOE(下)-EtherCAT IgH主站EoE具体实现

目录

本文介绍了linux内核态EtherCAT主站igh 中EoE的具体实现，希望对你有所帮助。

1.IgH 框架概述

详见本博客博文【原创】EtherCAT主站IgH解析(一)--主站初始化、状态机与EtherCAT报文 ，不再赘述。

2. IgH EOE机制

【原创】浅谈EtherCAT主站EOE(上)-EOE网络中已经对EOE有了整体的认识，EOE是与操作系统EtherNet相关的，这意味着不同的主站、在不同的操作系统下具体实现是不一样的，接下来我们看看linux内核态中的igh主站EOE是如何实现的。

2.1 EoE服务规范

按照ETG官方文档中对EoE应用服务的定义，EoE主站需要提供如下服务：

  • 初始化EoE请求（Initiate EoE），暂不清楚其作用和应用场合。

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。暂不清楚其作用和应用场合。

request：EOE frameType 0x04

response: EOE frameType 0x05

关于EOE服务的数据结构规范参考ETG100.6.

2.1 EoE虚拟网络设备

首先IgH主站运行在Linux内核态，所以上篇文章【原创】浅谈EtherCAT主站EOE(上)-EOE网络中的情况之一。

主站完成从站扫描后，EtherCAT主站根据SII信息中邮箱协议的支持情况，为支持EoE的从站创建虚拟网络设备，注册到linux网络设备驱动中，用于和EoE从站的数据交互，在Linux看来就是多了很多虚拟以太网网卡，每个网络接口对于一个ethercat eoe从站。

image-20210523100431887

2.1.1 EoE Virtual Network Interfaces

创建虚拟网络设备接口时，其接口名称规定如下：

eoe<MASTER>[as]<SLAVE>

[as] a表示使用别名，<SLAVE>则为站点别名；s表示使用别名，<SLAVE>则为站点地址，<MASTER>表示主站index。

2.1.2 EoE Virtual Network MAC Address

Eoe Mac地址派生自唯一的mac。

现在，EoE MAC地址从可用网络接口的链接列表的第一个全局唯一MAC地址的NIC部分派生，或者从EtherCAT主站使用的MAC地址派生，或者linux随机生成。

EoE MAC地址将采用02:NIC:NIC:NIC:RP:RP的格式，其中NIC来自唯一的MAC地址，而RP是EoE从站的环位置。

image-202305220916361262

2.2.3 Linux网络数据处理流程

再介绍igh eoe具体实现之前，有必要先介绍Linux网络数据处理，以Linux 应用TCP通信为例，根据上图，简要说明一个网络数据如何到达网络设备驱动层的：

  1. VFS 层：应用通过write socket文件描述符发送数据，write 系统调用找到 struct file，根据里面的 file_operations的定义，调用sock_write_iter函数。sock_write_iter 函数调sock_sendmsg 函数。

  2. Socket 层：从struct file里面的 private_data 得到 struct socket，根据里面 ops 的定义，调用 inet_sendmsg 函数。

  3. Sock 层：从struct socket里面的 sk 得到 struct sock，根据里面 sk_prot 的定义，调用 tcp_sendmsg 函数。

  4. TCP 层：tcp_sendmsg 函数会调用 tcp_write_xmit 函数，tcp_write_xmit 函数会调用 tcp_transmit_skb，在这里实现了 TCP 层面向连接的逻辑；完成TCP头添加传递给IP层。

  5. IP 层：扩展 struct sock，得到 struct inet_connection_sock，根据里面 icsk_af_ops 的定义，调用ip_queue_xmit函数。

  6. IP 层：ip_route_output_ports 函数里面会调用 fib_lookup 查找路由表。FIB 全称是 Forwarding Information Base，转发信息表，也就是路由表。填写 IP 层的头。还要做的一件事情就是通过iptables规则。完成IP头添加后，IP 层接着调用 ip_finish_output 进行 MAC 层处理。

  7. MAC 层需要 ARP 获得 MAC 地址，因而要调用___neigh_lookup_noref查找属于同一个网段的邻居，它会调用 neigh_probe 发送 ARP。

  8. 有了 MAC 地址，添加MAC头后，就可以调用 dev_queue_xmit 发送二层网络包了，它会调用 __dev_xmit_skb 会将请求放入队列，最后到达设备层。

  9. 设备层：网络包的发送会触发一个软中断 NET_TX_SOFTIRQ 来处理队列中的数据。

  10. 在软中断处理函数中，会将网络包从队列上拿下来，调用网络设备的传输函数 ndo_xmit_frame，将网络包发到设备的队列上去。

到此上层应用发送的网络数据包已到达EOE虚拟网络设备驱动中，如何将上层应用的网络数据报通过EtherCAT EOE 发送给从站，这需要主站来实现，具体实现机制后面详细分析。接收从站应用网络数据包是一个相反的过程。

2.2 EoE request实现

对于Set IP Parameter request、Set MAC Filter request类似IgH SDO upload/download请求机制,简述如下。

  1. 通过ioctl()向应用提供Set IP Parameter、Set MAC Filter请求的接口。
  2. 各参数通过ioctl传递到内核后，根据参数找到需要操作的从站对象，构建eoe request对象eoe_request_t，插入到从站对象eoe_requests链表中，然后阻塞等待内核线程执行状态机处理完成。

image-20210523100708125

  1. 状态机方面，类似slave状态机下处理sdo下载请求的子状态机fsm_coe，在slave状态机下新添加处理eoe请求的子状态机fsm_eoe。

  2. 内核线程执行slave状态机过程中，slave状态机的READY状态函数判断从站对象的eoe_requests链表是否有挂起的请求需要处理（链表非空），有则初始化并执行子状态机fsm_eoe来处理链表上的request。

  3. fsm_eoe状态机执行，与从站邮箱通信完成Set IP Parameter后，唤醒阻塞的用户态应用。

  4. 内核线程继续执行slave状态机的下一个状态。

image-20210523100731954

Fsm_eoe状态机状态状态转换如下：

  • SET_IP_START：设置Ip参数入口，检查邮箱EOE支持情况，构造设置 ip 请求箱帧，发送数据帧，SET_IP_REQUEST状态。

  • SET_IP_REQUEST: 设置IP参数请求帧已接收，发送查询邮箱数据帧，检查邮箱是否有数据，转到SET_IP_CHECK状态。

  • SET_IP_CHECK：查询邮箱数据帧已接收，如果从站邮箱有数据，则发送取邮箱数据帧，转到SET_IP_RESPONSE状态。

  • SET_IP_RESPONSE：邮箱数据帧已接收，若邮箱数据是set IP request 响应数据，检查结果，转到结束或出错。

若不是响应数据，则继续发送查询邮箱数据帧，跳转到SET_IP_CHECK继续检查。

image-20210523100806879

Fsm_eoe状态转换、与从站邮箱数据交互如图所示：

image-20210523100813622

2.3 EoE Frament实现

5.2中，linux网络应用数据经过协议栈层层封装，调用网络设备的传输函数 ndo_xmit_frame，将网络包发到EOE虚拟网络设备后，主站需要一种机制将EOE虚拟网络设备中的网络数据包通过EtherCAT数据帧发送到从站。

同时，主站需要查询邮箱，将从站TCP/IP应用需要发送的标准以太网数据通过邮箱协议读取，解析并提交给linux网络协议栈接收处理。

image-20210523100925825

2.3.1.EoE Handler

虚拟EoE接口、EOE帧请求状态机和相关功能封装在ec_eoe_t类中，称为EoE handler。每个EOE虚拟网卡对应一个EoE handler。主站扫描从站过程中，根据从站对邮箱协议支持情况，为EoE从站创建虚拟设备，同时创建EOE handler，并将EOE handler放到EoE虚拟设备的私有数据中。

主站使用链表eoe_handlers来管理主站下的EoE handler，创建后的EoE handler插入该链表中，方便后续内核线程遍历处理。

image-20210523100959641

2.3.2 EoE 状态机

每个EOE数据（以太网数据包）通过邮箱分段发送和接收，根据邮箱的交互特性，则每个EOE handler需要一个状态机来完成EOE数据收发工作。

  • RX_START：EOE状态机起始状态，发送邮箱查询数据帧查询从站邮箱是否新数据。发送后跳转RX_CHECK状态。

  • RX_CHECK：邮箱查询数据帧已接收，若从站邮箱没有数据，转到TX_START开始写邮箱数据。

若邮箱有新数据，发送读取邮箱数据帧读取邮箱数据，转到RX_FETCH。

  • RX_FETCH：读取邮箱数据帧已接收，如果邮箱数据不是“EoE Fragment request”，结束读流程转到发送流程TX_START。

如果接受的邮箱数据是一个”EOE Fragment request”如果是一个起始帧，则分配一个新的socket_buffer,否则填充到已有的socket_buffer的正确的位置，转到RX_START继续接收。

如果是最后一个帧，将socket_buffer提交到linux网络协议栈处理，完成一个接收流程，开始发送流程，转到TX_START状态。

  • TX_START：开始一个发送序列，检查tx_ring是否有网络数据包需要发送，如果没有，转到RX_START开始一个新的接收序列。

检查一个skb是否发送完毕，若完全发送成功，将其从tx_ring删除，通知linux可以继续往网络设备下发数据包。开始发送一个新的skb的第一个EOE帧，转到TX_SENT.

  • TX_SENT:根据WKC检查第一个EOE帧是否发送成功，第一个EOE帧发送成则转到TX_SENT发送下一个帧，直到整个skb发送完。

如果skb的最后一帧发送成功，转到RX_START 开始一个新的接收序列。

​ image-20210523101024212

2.3.3 EoE 线程

每个EOE虚拟网卡对应一个EoE handler，多个从站就需要多个handler，且Linux协议层下发的skb远大于邮箱大小，每个skb需要多次邮箱通信才能完成一个skb发送，若将所有handler放到idle_thead或operat_thead去处理，不仅严重影响其他数据交互的及时性，而且每几个周期只能发送或接收一个EoE片段，这导致数据速率非常低，因为在应用程序周期之间的时间内未执行EoE状态机，EoE数据速率将取决于应用程序任务的周期。

为解决这些问题，故在主站中单独使用一个内核线程eoe_thead来处理所有EoE handler，在从站邮箱空闲时进行EOE数据发送，保证了带宽的恒定。

image-20210523101124033

添加eoe线程后带来一些其他问题，如从站邮箱并发操作、xenomai实时应用与eoe并发访问主站发送等，需要一定机制解决，这在后面章节4.5介绍。

EOE线程每周期处理一个状态，所以EOE线程的运行周期决定EOE通讯延迟，即与操作系统调度强相关。

2.3.4 TX Ring

为提高各EOE数据吞吐量，充分利用EtherCAT剩余带宽，为每个虚拟网络设备添加skb_buff发送缓冲区队列tx_ring。每次内核通过接口的hard_start_xmit()回调进行发送一个skb时，将这个skb插入tx_ring中，再由eoe_thead执行EoE handler处理发送；EoE Handler 处理过程中根据tx_ring的容量情况通知linux协议栈暂停/开始向该EoE虚拟设备发送数据，以控制流量。

对于接收，EtherCAT总线带宽100Mbps，考虑到是多个从站共同使用、且带宽不完全由EoE占用，上层linux能及时处理，暂不需要。

2.3.5 EoE 处理流程简述

  1. 协议栈处理后的网络数据包skb，通过EOE虚拟设备驱动提供的回调函数ndo_xmit_frame()插入EoE handler的tx_ring中，如果该队列已满，则通过调用netif_stop_queue()来通知上层暂停新skb的下发。

image-20210523101230636

  1. EoE线程循环处理主站下处于激活状态的EoE Handler，即执行状态机EoE状态机，解析或填充datagram。

image-20210523101241431

  1. 执行完所有的EoE handler一个状态后，状态机已构建好EoE通信数据报，调用eoe发送回调函数，将这些数据报对象，插入eoe发送链表ext_datagram_queue.

  2. 先将ext_datagram_queue上的数据报转移到主发送链表datagram_queue，再调用主发送函数ecrt_master_send()发送，发送过程与2.4节数据报发送流程一致。

2.4. 共享资源访问控制

若Ether CAT主站仅使用邮箱的CoE功能，CoE功能相关状态机由内核线程idle_thead(或operat_thead)执行。在此基础上实现EOE功能需要添加内核线程eoe_thread来处理EoE数据，因为两个线程都需要访问主站总线、从站邮箱，所以总线和从站邮箱会成为两个内核线程的共享资源，对它们的访问必须按顺序进行。

2.4.1 主站

多任务下，主站总线是共享资源，必须按顺序对它进行访问。

IDLE阶段

主站IDLE阶段，内核EoE线程、idle_thead都需要调用主站发送函数ecrt_master_send()访问总线，这个阶段总线顺序访问由master对象中的信号量io_sem来保证。

Operation阶段

应用请求主站后，主站处于operation状态，此时idle_thead退出，所以总线便成为EoE线程与周期应用程序之间的共享资源，这时需要根据具体的操作系统来解决。

  1. 对于普通linux应用，使用普通内核信号量即可，在ioctl系统调用发送的操作前后使用io_sem来保证。

  2. 对于Xeomai和RTAI应用，需要区分内核态和用户态：

  • 对于用户态应用，若用按普通linux的方式，使用普通内核信号量，会导致实时任务切换到非实时域，影响周期任务实时性。正确的解决方式为有两种：

方法一、将内核线创建为xenomai内核线程，且使用xenomai内核锁来避免域切换（整个协议栈使用xenomai实现，工作量较大）。

方法二、将EOE处理循环通过ioctl导出到用户空间，由xenomai用户线程来驱动EOE的处理。

  • 对于内核态应用，使用IgH已有的方式，内核应用必须负责提供适当的锁定机制和回调函数，如果另一个实例想要访问主站，则它必须通过回调请求总线访问，如下图所示。

image-20210523101346293

风险：周期应用与EOE线程对主站总线的顺序访问，可能加大周期数据的抖动。

2.4.2 slave邮箱

对于邮箱，若不按顺访问，可能出现如下情况

假如主站先后成功对同一个从站下发COE和EoE请求，但从站先将COE响应还是EoE响应写到邮箱未知，若此时邮箱内为EoE响应数据可读，由于读取报文前后的不确定性，可能造成CoE 状态机读取了EoE响应数据，CoE状态机处理时检测到数据类型错误而丢弃。而EoE读取失败，两个状态机均无法正常执行。

为此解决办法是只让一个状态机去取邮箱数据，slave对象中添加一个标志表示邮箱有没有被使用，使用mutex或原子变量来保护该变量，当状态机要读邮箱时先判断该标识，若邮箱已被其他状态机使用，先跳转到下一个状态或重试。

image-20210523101417823

这只能保证只有一个线程中的状态机取数据，但还没解决邮箱数据与执行读的状态机不一致导致数据丢失的问题，所以还要解决数据丢失问题：

a. 抽象邮箱数据为ec_mbox_data_t，为每个从站状态机添加从站支持的协议对应的邮箱数据对象ec_mbox_data_t，如下。

image-20210523101428985

b. 主站接收到EtherCAT数据帧解析子报文时，加入报文解析步骤，解析报文，看是否符合邮箱数据格式，若符合根据邮箱数据类型分别拷贝到对应的ec_mbox_data_t对象中，如接收的报文满足COE邮箱数结构，则将报文数据保存到mbox_coe_data中。这样不论该数据是哪个状态机读取的，该数据都会得到保存。

image-20210523101439719

c. 修改邮箱相关状态机，状态机读邮箱数据时，若邮箱已被占用，直接跳转下一个状态，先检查对应的ec_mbox_data_t有无数据，有则处理，没有则回到上check状态重试。

风险：每个子报文数据都需要判断是否为邮箱数据，并解析，增加CPU资源、一周期内主站时间消耗增加；

接收过程中，目前从站对象、数据报之间的查找关系通过遍历链表来实现，随着从站数据量增加，时间复杂度呈线性增长，是否考虑通过其他数据结构优化。

3. EOE虚拟网络设备管理

3.1 Linux Bridge介绍

主站为每个EOE从站创建了虚拟网络设备，有了虚拟网卡，我们很自然就会联想到让网卡接入到交换机里，来实现多个容器间的相互连接。而Linux Bridge就是 Linux 系统下的虚拟化交换机，虽然它是以“网桥”（Bridge）而不是“交换机”（Switch）为名，但在使用过程中，你会发现 Linux Bridge 看起来像交换机，功能使用起来像交换机、程序实现起来也像交换机，所以它实际就是一台虚拟交换机。
Linux Bridge 是在 Linux Kernel 2.2 版本开始提供的二层转发工具，由brctl命令创建和管理。Linux Bridge 创建以后，就能够接入任何位于二层的网络设备，无论是真实的物理设备（比如 eth0），还是虚拟的设备（比如 veth 或者 tap），都能与 Linux Bridge 配合工作。当有二层数据包（以太帧）从网卡进入 Linux Bridge，它就会根据数据包的类型和目标 MAC 地址，按照如下规则转发处理：

  • 如果数据包是广播帧，转发给所有接入网桥的设备。如果数据包是单播帧，且 MAC 地址在地址转发表中不存在，则洪泛（Flooding）给所有接入网桥的设备，并把响应设备的接口与 MAC 地址学习（MAC Learning）到自己的 MAC 地址转发表中。
  • 如果数据包是单播帧，且 MAC 地址在地址转发表中已存在，则直接转发到地址表中指定的设备。

如果数据包是此前转发过的，又重新发回到此 Bridge，说明冗余链路产生了环路。由于以太帧不像 IP 报文那样有 TTL 来约束，所以一旦出现环路，如果没有额外措施来处理的话，就会永不停歇地转发下去。那么对于这种数据包，就需要交换机实现生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）来交换拓扑信息，生成唯一拓扑链路以切断环路。

刚刚提到的这些名词，比如二层转发、泛洪、STP、MAC 学习、地址转发表，等等，都是物理交换机中已经非常成熟的概念了，它们在 Linux Bridge 中都有对应的实现，所以我才说，Linux Bridge 不仅用起来像交换机，实现起来也像交换机。
不过，它与普通的物理交换机也还是有一点差别的，普通交换机只会单纯地做二层转发，Linux Bridge 却还支持把发给它自身的数据包，接入到主机的三层协议栈中。
对于通过brctl命令显式接入网桥的设备，Linux Bridge 与物理交换机的转发行为是完全一致的，它也不允许给接入的设备设置 IP 地址，因为网桥是根据 MAC 地址做二层转发的，就算设置了三层的 IP 地址也没有意义。然而，Linux Bridge 与普通交换机的区别是，除了显式接入的设备外，它自己也无可分割地连接着一台有着完整网络协议栈的 Linux 主机，因为 Linux Bridge 本身肯定是在某台 Linux 主机上创建的，我们可以看作是 Linux Bridge 有一个与自己名字相同的隐藏端口，隐式地连接了创建它的那台 Linux 主机。
因此，Linux Bridge 允许给自己设置 IP 地址，这样就比普通交换机多出了一种特殊的转发情况：如果数据包的目的 MAC 地址为网桥本身，并且网桥设置了 IP 地址的话，那该数据包就会被认为是收到发往创建网桥那台主机的数据包，这个数据包将不会转发到任何设备，而是直接交给上层（三层）协议栈去处理。这时，网桥就取代了物理网卡 eth0 设备来对接协议栈，进行三层协议的处理。

主站为每个EOE从站创建了虚拟网络设备，这些虚拟网络设备需要连接外网，否则上位机或其他网络设备无法与其连接，在linux下，其连接外网有桥接和NAT两种方式，两种方式如下图所示。

image-20210523101515791

image-20210523101522580

Linux中使用虚拟网桥实现图中虚拟交换机的功能，创建网桥eoebr0，eoe虚拟网卡都连到 eoebr0上，与上图中不同的是，物理网卡不连接到eoebr0,通过设置 net.ipv4.ip_forward = 1，开启物理机的转发功能，同时为网桥设置ip地址，作为所有EOE虚拟网卡的网关。

这样其中物理网卡eth0收到数据包，根据数据包的目的ip地址将数据包发往网桥eoebr0，eoebr0再根据路由表继续发送数据包到EOE虚拟网卡,最后有EtherCAT master 通过EOE完成数据包到从站的传输。从站发送的EOE数据包一个相反的过程。

注： Linux内核需启用相关模块，以便支持桥接、路由。

3.2 桥接

综上，创建一个包含所有EoE接口的网桥，网桥内从站EOE处于同一网段：

​ image-20210523101548671

  1. 创建网桥设备br0
$sudo brctl addbr br0
  1. 配置网桥设备br0 IP
$sudo ip addr add 192.168.100.1/24 dev br0

或

$sudo ifconfig br0 192.168.57.1/24
  1. 向br0中添加网卡
$sudo brctl addif br0 eoe0s0
$sudo brctl addif br0 eoe0s1
  1. 设置eoe虚拟网卡IP并up
$sudo ifconfig eoe0s0 0.0.0.0 up
$sudo ifconfig eoe0s1 0.0.0.0 up
  1. 设置从站eoe Ip参数
$sudo ethercat ip addr 192.168.100.2/24 link 00:11:22:33:44:04 default 192.168.100.1 name xxx0 -p 0

$sudo ethercat ip addr 192.168.100.3/24 link 00:11:22:33:44:05 default 192.168.100.1 name xxx1 -p 1
  1. Up br0
$sudo ip link set br0 up
  1. Down br0
#ip link set br0 down
  1. 从br0中删除网卡
#brctl delif br0 eoe0s0
#brctl delif br0 eoe0s1
  1. 删除网桥br0
#brctl delbr br0

上面的示例允许使用通过EoE连接到EtherCAT总线的子网192.168.100.0/24访问IPv4节点。

但是，示例使用配置命令临时配置，如果总线拓扑发生更改，则会重新创建EoE接口，并且必须再次将其添加到网桥。 因此，需使用Linux网络配置文件来保存配置，或使用udev脚本、应用监测网络热拔插等动态配置方式，以便自动添加出现的EoE设备。

image-20230522091636126

3.3 路由

为每个EoE接口创建一个IP子网：

$ip addr add 192.168.200.1/24 dev eoe0s0
$ip addr add 192.168.201.1/24 dev eoe0s1
$echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

如果它们能够在不同的EoE接口IP网络之间进行通信，则必须在连接到EoE从站的IP节点上正确设置默认网关。

如果必须设置从站IP地址和其他参数（而不是主站EoE接口），则可以通过命令行工具ethercat ip来实现。

ethercat ip addr 192.168.100.3/24 link 00:11:22:33:44:05 default 192.168.100.1 name xxxx -p 1

EOE虚拟网卡仅负责传输linux网络协议栈下发的数据包，可通过设置linux iptables来过滤不相关的数据包。

4. 总结

EtherCAT EoE协议与普通以太网EtherNet强相关，所以EtherCAT 主站EoE实现方式与具体的操作系统强相关，本文介绍了linux内核态igh的EoE实现方式。

posted @ 2025-01-05 14:25  沐多  阅读(70)  评论(0)  编辑  收藏  举报