前言

一、EtherCAT简介

EtherCAT（用于控制自动化技术的以太网）是Beckhoff 在2003年开发的实时以太网网络。它基于CANOPEN协议和以太网，但是与Internet通信或网络通信不同之处在于，它专门针对工业自动化控制进行了优化。其可以支持主从站之间的通信，可以挂载多个从站。

1.运行机制

EtherCAT总线最高可以达到100Mbit/s的数据传输速率，而这样的性能得益于其独特的数据帧处理方式：如下图所示，数据帧就如同我们乘坐的高铁，到达每个从站时，对应地址的数据插入数据帧，从站也读取相应的数据，且整个数据在站点间的传输是在硬件中进行的。而不再接收以太网数据包并对其解释、处理、复制。这样的处理方式使得EtherCAT有极高的带宽利用率和极低的延迟。

2.OSI模型

EtherCAT通过以太网传递数据，而不同于普遍使用的OSI七层模型，EtherCAT主要分为三层模型：物理层、数据链路层、应用层。

压缩过的OSI三层模型如下图所示。

物理层利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。它定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。
数据链路层负责通信基础设施，链接物理层和应用层，将有差错的物理信道变为无差错的、能可靠传输数据帧的数据链路。在EtherCAT中包括连接控制、寻址、同步管理、分布时钟等内容。
应用层是用户、各种应用和网络的接口，是模型的最高层，在EtherCAT中包括状态机管理、邮箱通讯、COE协议、EOE协议、FOE协议等。

3.灵活的拓扑结构

在逻辑上，EthrCAT网段内丛站设备的布置构成-一个开口的环型总线。在开口的一端，主站设备直接或者通过标准以太网交换机插入以太网数据帧，并在另一端接收经过处理的数据帧。所有的数据帧都被从第一个丛站设备转发到后续的节点。最后一个丛站设备将数据帧返回到主站。
EtherCAT从站通信控制器芯片ESC负责处理EtherCAT数据帧，ESC具有四个数据收发端口,每个端口都可以收发以太网数据帧。数据帧在ESC内部的传输顺序是固定的，如下图所示。通常，数据从端口0进入ESC,然后按照端口3端口1端口2端口0的顺序依次传输。如果ESC检测到某个端口没有外部链接，则自动闭合此端口，数据将自动回环并转发到下一端口。 一个EtherCAT 从站设备至少使用两个数据端口，使用多个数据端口可以构成多种物理拓扑结构。

EtherCAT丛站的数据帧处理机制允许在EtherCAT网段内的任一位置使用分支结构，同时不打破逻辑环路。分支结构可以构成各种物理拓扑(如线形、树形、星形，菊花链形)以及各种拓扑结构的组合，从而使设备连接布线非常灵活方便。如下图，主站发出数据帧后的传输顺序如图中数字标号所示，其中从站8使用了ESC的全部四个端口，构成星型拓扑。

二、EtherCAT数据帧分析

1.数据帧结构

EtherCAT数据帧包括EtherCAT帧头、数据和帧校验序列。


其各部分定义如下表所示：

每个EtherCAT子报文包括子报文头、数据域和相应的工作计数器(WKC，WorkingCounter)。WKC记录了子报文被从站操作的次数，主站为每个通信服务子报文设置预期的WKC。发送子报文中的工作计数器初值为0,子报文被从站正确处理后，工作计数器的值将增加一个增量，主站比较返回子报文中的WKC和预期WKC来判断子报文是否被正确处理。WKC由ESC在处理数据帧的同时进行处理，不同的通信服务对WKC的增加方式不同。下表给出了EtherCAT子报文的结构定义。

2.Wireshark抓取数据包验证

Wireshark是一款高效免费的抓包软件，可以帮助捕获和分析实时网络中的数据，而EtherCAT通过标准以太网传输数据，使用Wireshark可以帮助进行数据帧的分析。
下图是使用Wireshark抓取的EtherCAT的数据帧。

可以看出，其实际传输的数据帧很好的匹配了图片和表格中的内容，验证了数据传输的有效性。
使用Wireshark还可以分析数据的抖动情况，如果大家对这方面感兴趣，后续可以出详细教程。