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S7-300/400以太網(wǎng)通訊模塊如何用于UDP組播

1. 組播
組播技術(shù)是IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸三種方式之一，在介紹IP組播技術(shù)之前，先對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯尾?、組播和廣播方式做一個(gè)簡單的介紹，見圖1：
單播（Unicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。如果一臺(tái)發(fā)送者同時(shí)給多個(gè)的接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也必須相應(yīng)的復(fù)制多份的相同數(shù)據(jù)包。如果有大量主機(jī)希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時(shí)，將導(dǎo)致發(fā)送者負(fù)擔(dān)沉重、延遲長、網(wǎng)絡(luò)擁塞；為保證一定的服務(wù)質(zhì)量需增加硬件和帶寬。
組播（Multicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接。如果一臺(tái)發(fā)送者同時(shí)給多個(gè)的接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也只需復(fù)制一份的相同數(shù)據(jù)包。它提高了數(shù)據(jù)傳送效率。減少了骨干網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞的可能性。
廣播（Broadcast）傳輸：是指在IP子網(wǎng)內(nèi)廣播數(shù)據(jù)包，所有在子網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)都將收到這些數(shù)據(jù)包。廣播意味著網(wǎng)絡(luò)向子網(wǎng)每一個(gè)主機(jī)都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這些主機(jī)是否樂于接收該數(shù)據(jù)包。所以廣播的使用范圍非常小，只在本地子網(wǎng)內(nèi)有效，通過路由器和交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制廣播傳輸。

圖1

2. 組播IP地址
組播IP地址用于標(biāo)識(shí)一個(gè)IP組播組。IANA（internet assigned number authority）把D類地址空間分配給IP組播，其范圍是從224.0.0.0到239.255.255.255。如下所示(二進(jìn)制表示)，IP組播地址前四位均為1110。
八位組（1） 八位組（2） 八位組（3） 八位組（4）
1110XXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX
組播組可以是永的也可以是臨時(shí)的。組播組地址中，有一部分由*分配的，稱為久組播組。永組播組保持不變的是它的IP地址，組中的成員構(gòu)成可以發(fā)生變化。永組播組中成員的數(shù)量都可以是任意的，甚至可以為零。那些沒有保留下來供永組播組使用的IP播地址，可以被臨時(shí)組播組利用。
224.0.0.0～224.0.0.255為預(yù)留的組播地址（永組地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由協(xié)議使用； 224.0.1.0～238.255.255.255為用戶可用的組播地址（臨時(shí)組地址），全網(wǎng)范圍內(nèi)有效；239.0.0.0～239.255.255.255為本地管理組播地址，僅在特定的本地范圍內(nèi)有效。常用的預(yù)留組播地址如下：
224.0.0.0 基準(zhǔn)地址（保留） 224.0.0.1 所有主機(jī)的地址 224.0.0.2 所有組播路由器的地址。

3. 網(wǎng)絡(luò)二層組播相關(guān)協(xié)議
不支持組播的交換機(jī)，數(shù)據(jù)在里面是泛洪傳播的，數(shù)據(jù)也是可以進(jìn)行傳送的。解決第二層組播數(shù)據(jù)洪泛的問題，引入IGMP Snooping及GMRP等概念。
網(wǎng)絡(luò)二層組播相關(guān)協(xié)議包括IGMP Snooping ,IGMP Proxy和CGMP協(xié)議。
IGMP協(xié)議運(yùn)行于主機(jī)和與主機(jī)直接相連的組播路由器之間，主機(jī)通過此協(xié)議告訴本地路由器希望加入并接受某個(gè)特定組播組的信息，同時(shí)路由器通過此協(xié)議周期性地查詢局域網(wǎng)內(nèi)某個(gè)已知組的成員是否處于活動(dòng)狀態(tài)（即該網(wǎng)段是否仍有屬于某個(gè)組播組的成員），實(shí)現(xiàn)所連網(wǎng)絡(luò)組成員關(guān)系的收集與維護(hù)。
IGMP Snooping的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是：交換機(jī)通過偵聽主機(jī)發(fā)向路由器的IGMP成員報(bào)告消息的方式，形成組成員和交換機(jī)接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系；交換機(jī)根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系將收到組播數(shù)據(jù)包只轉(zhuǎn)給具有組成員的接口。通過上述機(jī)制，在組播路由器里建立起一張表，其中包含路由器的各個(gè)端口以及在端口所對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)上都有哪些組的成員。當(dāng)路由器接收到某個(gè)組G的數(shù)據(jù)報(bào)文后，只向那些有G的成員的端口上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文。

4. STEP7中的組態(tài)
不同的S7300/400 以太網(wǎng)通訊模塊支持的組播連接的個(gè)數(shù)不同，通過鏈接中文檔可以查詢模塊支持的協(xié)議及連接資源數(shù)： 16767769

SIMATIC S7-300 系列工業(yè)以太網(wǎng) CP 模塊之間有哪些區(qū)別？

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SIMATIC S7-400系列工業(yè)以太網(wǎng) CP模塊之間有哪些區(qū)別？

本文中以S7-300 CP343-1模塊為例，具體組態(tài)步驟如下：
a) 在STEP7項(xiàng)目插入兩個(gè)CPU，分別組態(tài)兩個(gè)CP343-1，分配IP地址，分別為192.168.0.10和192.168.0.11。
b) 打開NetPro，在兩個(gè)CPU下分別插入新的連接，連接類型選擇“UDP Connection”鏈接對(duì)象選擇“All multicast stations”，如圖2。
c) 如圖3，在彈出的屬性窗口顯示出連接“ID”和“LADDR”參數(shù)，之后編程會(huì)用到。
d) 在“Address”界面下，“Local”自定義本地的端口號(hào)；“Multicast Group”定義所要加入的組播組地址和通訊對(duì)方的端口號(hào)，可用的組播地址從224.0.1.0到239.255.255.255，可用的端口號(hào)從1025到65535，如圖4、圖5。

圖2

圖3

圖4

圖5

e) 編譯無誤后，分別下載到兩個(gè)CPU。
f) 編程，在程序中調(diào)用FC5 “AG_SEND” 、FC6 “AG_RECV”。“ID”和“LADDR”填寫連接中的參數(shù)；“SEND”“LEN”定義發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)和發(fā)送的長度；如圖6，定義了發(fā)送接收都是20字節(jié)。完成后下載到CPU。

圖6

g) 使用TCP/UDP測(cè)試工具添加一個(gè)組播成員到組播組，如圖7。

圖7

h) 測(cè)試結(jié)果，在IP:192.168.0.10側(cè)觸發(fā)“AG_SEND”，則數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)給所有屬于IP組：224.0.1.0 端口號(hào)為2002的成員，如圖8、圖9。

圖8

圖9

5. 交換機(jī)的設(shè)置
交換機(jī)如果不做任何設(shè)置，或者不支持組播，數(shù)據(jù)也是可以進(jìn)行傳送的，但是是泛洪傳播的。為了提高效率，應(yīng)該在交換機(jī)中激活I(lǐng)GMP Snooping，如圖10，本例中使用西門子SCALANCE X312。通過IGMP Snooping，這樣交換機(jī)就能夠形成端口和組播組成員的對(duì)應(yīng)關(guān)系，交換機(jī)根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系將收到的組播數(shù)據(jù)包只傳給屬于改組的端口，如圖11。圖12顯示了組播IP地址到二層MAC地址的映射關(guān)系。

圖10

圖11

圖12

關(guān)鍵詞
S7-300，S7-400，Ethernet communication ，UDP，Multicast