解密PROFINET循环过程数据

过程数据会在IO控制器与IO设备之间周期性通信，如何解读这些周期性数据呢？本文给出了答案，并且通过Wireshark软件进行解析。

PROFINET过程数据报文结构

PROFINET报文遵循IEEE 802.3以太网报文结构，由目标地址、源地址、VLAN、帧类型、FrameId、C_SDU和APDU状态组成。IO控制器和IO设备发送数据时会包含2字节的VALN标签，而交换机在转发数据时会去掉VLAN标签。以太网报文（包含VLAN）最小长度为64字节，其中的C_SDU最小长度应该为40字节，所以如果实际数据组成不到40字节，会用0填充；而ADPU为数据状态，包含循环计数（Cycle Counter）和其他状态字节。

过程数据报文的数据域为C_SDU，也就是客户端/服务器数据单元（Client_Server Data Unit），通常由若干对象组成，分IO数据对象和IOCS：

• IO数据对象：IO数据对象由子模块的过程数据及其IOPS组成，IOPS通常为1字节
• IOCS对象：只包含子模块的IOCS，通常为1字节

不过不同的子模块数据在C_SDU数据域的具体位置，也就是数据偏移，则是在启动时通过RPC连接请求进行设置，也就是参数化的过程。而在C_SDU数据域的对象之间有时会插入一些填充字节，以下举个例子来说明。

示例

过程数据的详细分析如下，该报文为一条输入IOCR。正如解读密文电报需要借助密码本，分析过程数据报文的密码本来自于启动时的RPC连接服务。

RPC连接服务的过程包含一些PNIO-CM报文的通信，下图为Wireshark对一帧PNIO-CM报文的分析，报文的数据由不同的块（Block）组成，其中红色标记的块（IOCRBlockReq）描述了IOCR，黄色标记的块（ExpectedSubmoduleBlockReq）描述了API及其子模块。

接下来对IOCRBlockReq进行分析，可以得到FrameID和数据部分在C_SDU数据域中是如何组成的，也就是过程数据大小和数据偏移，着重分析输入IOCR。

输出数据对应输入IOCRBlockReq，其中分配的FrameID为0x8000；

通过分析上图所示的输入IOCRBlockReq，可以得出一帧输入过程数据报文中的C_SDU将包含了以下部分，并且每个部分在C_SDU的偏移：

C_SDU地址偏移	类型	API	槽Slot	子槽Subslot	数据长度	C_SDU长度
0	IO Data	0	0x0001	0x0001
17	IO Data	0	0x0000	0x0001
18	IO Data	0	0x0000	0x8000
19	IO Data	0	0x0000	0x8001
20	IO Data	0	0x0000	0x8002
21	IOCS	0	0x0002	0x0001	-

分析组成C_SDU的每个数据来源的子模块的信息，得出每个组成部分的数据大小和数据偏移，先从第一个子模块信息（黄色框中的Expected Submodule Block）开始：

子模块属于API0和槽0，包含4个子模块，每个子模块包含的子模块号、子槽、数据长度、IOCS长度、子模块属性及其描述，比如说是输入还是输出数据，有的子模块的数据长度可能为0字节。

C SDU Offset	Kind	Api	Slot	Subslot	Length of Data	Length of Item
0	IO Data	0	0x0001	0x0001
17	IO Data	0	0x0000	0x0001	0	0 + 1
18	IO Data	0	0x0000	0x8000	0	0 + 1
19	IO Data	0	0x0000	0x8001	0	0 + 1
20	IO Data	0	0x0000	0x8002	0	0 + 1
21	IOCS	0	0x0002	0x0001	-

IOPS/IOCS长度通常是一个字节

参考第一个子模块分析方法，分析其余子模块信息：

从上图中橙色方框的子模块信息可以最终得到IO数据的完整组成

C SDU Offset	Kind	Api	Slot	Subslot	Length of Data	Length of Item
0	IO Data	0	0x0001	0x0001	16	16 + 1
17	IO Data	0	0x0000	0x0001	0	0 + 1
18	IO Data	0	0x0000	0x8000	0	0 + 1
19	IO Data	0	0x0000	0x8001	0	0 + 1
20	IO Data	0	0x0000	0x8002	0	0 + 1
21	IOCS	0	0x0002	0x0001	-	1

该表包含多个0字节的IO数据对象，也就是说实际上这些PROFINET子模块并没有任何过程数据。

分析过程数据报文

最后根据以上背景表来分析PROFINET过程数据报文，过程数据通常也是周期性数据。下图显示了输入IOCR的特定报文,不仅应考虑帧ID，还应考虑报文的源MAC地址，因为相同的帧ID可能由RT模式下的不同设备使用。下图选择第106条报文进行分析。

蓝色标记部分是PROFINET过程数据完整报文中包含的过程数据CSDU（包括填充字节），过程数据组成部分及其含义解析如下表所示，可以看出“0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x10 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x8f 0xff”就是包含的16字节的实际过程数据，而6个0x80表示数据生产者状态。

C SDU Offset	Kind	Api	Slot	Subslot	Length of Data	Length of Item	Data	Status(IOPS/IOCS)
0	IO Data	0	0x0001	0x0001	16	16 + 1	0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x10 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x8f 0xff	0x80
17	IO Data	0	0x0000	0x0001	0	0 + 1	-	0x80
18	IO Data	0	0x0000	0x8000	0	0 + 1	-	0x80
19	IO Data	0	0x0000	0x8001	0	0 + 1	-	0x80
20	IO Data	0	0x0000	0x8002	0	0 + 1	-	0x80
21	IOCS	0	0x0002	0x0001	-	1	-	0x80

状态值0x80表示该过程数据有效。对于IOCS对象，它表示相关过程数据的数据的消费者正在使用数据。（相关过程数据以相反的者向传输，因此不是此IOCR的一部分。换句话说，在这种情况下，槽0x1，子槽0x1是一个输入子模块和槽0x2，子槽0x1是输出子模块）。