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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
組播技術是IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸三種方式之一，在介紹IP組播技術之前，先對IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯尾ァ⒔M播和廣播方式做一個簡單的介紹，見圖1：
單播（Unicast）傳輸：在發(fā)送者和每一接收者之間實現(xiàn)點對點網(wǎng)絡連接。如果一臺發(fā)送者同時給多個的接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也必須相應的復制多份的相同數(shù)據(jù)包。如果有大量主機希望獲得數(shù)據(jù)包的同一份拷貝時，將導致發(fā)送者負擔沉重、延遲長、網(wǎng)絡擁塞；為保證一定的服務質(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現(xiàn)點對多點網(wǎng)絡連接。如果一臺發(fā)送者同時給多個的接收者傳輸相同的數(shù)據(jù)，也只需復制一份的相同數(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)部的主機都將收到這些數(shù)據(jù)包。廣播意味著網(wǎng)絡向子網(wǎng)每一個主機都投遞一份數(shù)據(jù)包，不論這些主機是否樂于接收該數(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網(wǎng)絡設備控制廣播傳輸。

圖1

2. 組播IP地址
組播IP地址用于標識一個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，可以被臨時組播組利用。
224.0.0.0～224.0.0.255為預留的組播地址（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。常用的預留組播地址如下：
224.0.0.0 基準地址（保留） 224.0.0.1 所有主機的地址 224.0.0.2 所有組播路由器的地址。

3. 網(wǎng)絡二層組播相關協(xié)議
不支持組播的交換機，數(shù)據(jù)在里面是泛洪傳播的，數(shù)據(jù)也是可以進行傳送的。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)絡二層組播相關協(xié)議包括IGMP Snooping ,IGMP Proxy和CGMP協(xié)議。
IGMP協(xié)議運行于主機和與主機直接相連的組播路由器之間，主機通過此協(xié)議告訴本地路由器希望加入并接受某個特定組播組的信息，同時路由器通過此協(xié)議周期性地查詢局域網(wǎng)內(nèi)某個已知組的成員是否處于活動狀態(tài)（即該網(wǎng)段是否仍有屬于某個組播組的成員），實現(xiàn)所連網(wǎng)絡組成員關系的收集與維護。
IGMP Snooping的實現(xiàn)機理是：交換機通過偵聽主機發(fā)向路由器的IGMP成員報告消息的方式，形成組成員和交換機接口的對應關系；交換機根據(jù)該對應關系將收到組播數(shù)據(jù)包只轉給具有組成員的接口。通過上述機制，在組播路由器里建立起一張表，其中包含路由器的各個端口以及在端口所對應的子網(wǎng)上都有哪些組的成員。當路由器接收到某個組G的數(shù)據(jù)報文后，只向那些有G的成員的端口上轉發(fā)數(shù)據(jù)報文。

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項目插入兩個CPU，分別組態(tài)兩個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CPU下分別插入新的連接，連接類型選擇“UDP Connection”鏈接對象選擇“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)，之后編程會用到。
d) 在“Address”界面下，“Local”自定義本地的端口號；“Multicast Group”定義所要加入的組播組地址和通訊對方的端口號，可用的組播地址從224.0.1.0到239.255.255.255，可用的端口號從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測試工具添加一個組播成員到組播組，如圖7。

圖7

h) 測試結果，在IP:192.168.0.10側觸發(fā)“AG_SEND”，則數(shù)據(jù)會發(fā)給所有屬于IP組：224.0.1.0 端口號為2002的成員，如圖8、圖9。

圖8

圖9

5. 交換機的設置
交換機如果不做任何設置，或者不支持組播，數(shù)據(jù)也是可以進行傳送的，但是是泛洪傳播的。為了提高效率，應該在交換機中激活IGMP Snooping，如圖10，本例中使用西門子SCALANCE X312。通過IGMP Snooping，這樣交換機就能夠形成端口和組播組成員的對應關系，交換機根據(jù)該對應關系將收到的組播數(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地址的映射關系。

圖10

圖11

圖12

關鍵詞
S7-300，S7-400，Ethernet communication ，UDP，Multicast