TCP и UDP сокеты в CODESYS V3

CPM723-01: Рекомендации к применению

Сопроводительные документы

Сокеты и стек протоколов TCP/IP

Рис. 1. Пример протоколов стека TCP/IP в соответствии с моделью OSI

В распределенных системах управления обмен данными является одним из ключевых моментов работы системы. Контроллер CPM723-01 позволяет отправлять и получать данные по промышленному протоколу Modbus TCP на базе протокола TCP/IP с использованием двух портов Ethernet и по протоколу Modbus RTU/ACSII на базе последовательных сетей RS-485/ RS-232 с помощью коммуникационных модулей NIM741/NIM742. Кроме того, система исполнения контроллера CPM723-01 поддерживает механизм сетевого обмена данными между контроллерами, принадлежащими одной подсети, средствами специального протокола прикладного уровня CODESYS V3.

Иногда возникает необходимость использовать протоколы низкого уровня, которые позволяют обмениваться большим количеством сообщений с помощью стека TCP/IP. Также, на базе них можно создавать протоколы более высокого уровня модели OSI (рис. 1).

Взаимодействие между устройствами в рамках стека TCP/IP осуществляется с помощью связки IP адреса и порта.

Для заданияIP адресав настоящее время чаще всего используется протокол IPv4. Для него IP-адрес записывается в виде 32-битной формы, представляемой в символьной форме mmm.nnn.ppp.qqq: адрес, разбитый на четыре поля, разделённых точками, по одному байту в поле, например, 192.168.102.101. Номер порта задается в диапазоне от 0 до 65535.

Пара адрес и порт образует сокет (с английского socket – «гнездо»). Сокет – является программным интерфейсом, который обеспечивает обмен данными между устройствами на низком уровне (рис. 2).

Рис. 2. Общение с помощью сокетов.

Протокол TCP/IP основывается на соединениях, устанавливаемых между двумя компьютерами, обычно называемых клиентом и сервером. Поэтому, различают сокет клиента и сокет сервера. Для организации общения клиент должен знать IP адрес и номер порта сервера, по которым он подключается к удаленному устройству. в рамках стека протоколов TCP/IP различают два типа сокетов TCP и UDP. Также, TCP сокеты называют потоковыми, а UDP – датаграммными.

Протокол TCP/IP основывается на соединениях, устанавливаемых между двумя компьютерами, обычно называемых клиентом и сервером. Поэтому, различают сокет клиента и сокет сервера. Для организации общения клиент должен знать IP-адрес и номер порта сервера, по которым он подключается к удаленному устройству. в рамках стека протоколов TCP/IP различают два типа сокетов TCP и UDP. Также, TCP сокеты называют потоковыми, а UDP – датаграммными.

TCP сокеты

TCP сокеты используют TCP-соединения, в которых на транспортном уровне (рис. 1) обеспечивается надёжная доставка данных. TCP протокол отвечает за установление и поддержание соединения, сегментацию, доставку и буферизацию данных, упорядочивание и избавление от дублированных TCP-сегментов данных, контроль ошибок и скорости передачи. Схема работы простого TCP сокета представлена на рисунке 3.

Для удобства в качестве функций, указанных на диаграмме, используются функции, из системной библиотеки SysSocket 3.х.x.x, которая позволяет создавать сокеты на устройствах, поддерживающих платформу CODESYS V3 в том числе на контроллере CPM723-01 модульной линейки Fastwel I/O.

Cерверный TCP сокет

Рассмотрим работу серверного сокета (рис. 3). Будем считать, что существует отдельная программа, исполняемая в контроллере, которая организует обмен данными с помощью сокетов.

Рис. 3. Работа простого TCP сокета

Инициализация сокета

При старте программы происходит инициализация сервера. С помощью функции SysSockCreate() создается системный идентификатор (handle) сокета. Данная функция в качестве входных параметров принимает аргументы, задающие тип и протокол сокета. Для использования TCP протокола функция SysSockCreate() должна принимать следующие входные аргументы:

Далее сокет сервера привязывается к определенному IP-адресу и порту с помощью функции SysSockBind() . Для привязки к определенному IP-адресу функция SysSockBind() ссылается на структуру SOCKADDRESS , в которой хранятся заданный адрес сокета для привязки.

После успешной привязки к адресу функция SysSockListen() включает прослушивание входящих соединений (ожидание подключений клиентов к серверу). Функцией SysSockListen() также определяется максимальное количество подключений к серверу. Например, если максимальное количество подключений равно 3, и если 3 клиента уже подключились к серверу, то 4-тому будет отказано в подключении.

Обмен данными

После того как сервер включает режим прослушивания, он переходит в рабочий режим и ждет входящие соединения от клиентов. Как только клиент подключается к сокету сервера, с помощью функции SysSockAccept() создается системный идентификатор клиентского сокета hclientSocket и соединение считается открытым:

Серверный сокет принимает сообщения с помощью функции SysSockRecv() :

Затем отправляет данные с помощью функции SysSockSend() :

Обработка новых подключений

После успешных приема и передачи данных может быть реализовано несколько вариантов поведения программы:

• 1. Программа может закрыть клиентское соединение. В таком случае, в следующих циклах программы сервер будет ожидать подключения с новым клиентом. Такой режим работы не является эффективным, так как контроллеру придется во время каждого цикла закрывать клиентское соединение и подключать нового (или того же самого что и в предыдущем цикле) клиента.
• 2. Программа может не закрывать клиентский сокет, а сохранить установленное соединение. В таком случае, один раз установив соединение, клиент будет постоянно отправлять и получать данные от сервера. Такой режим работы более эффективный, но может возникнуть ситуация, когда все клиентские соединения будут заняты, и новый клиент не сможет подключиться к серверу. Решить данную ситуацию можно различными способами. Один из вариантов – следить за последним временем активности клиентских сокетов, и отключать самое старое соединение в случае, если в очереди обнаружился новый клиент (рис. 4).

Рис. 4. Обработка подключения нового клиента

Закрытие соединения

В рабочем режиме работы серверный сокет всегда остается открытым. Закрытие серверного сокета может происходить при внешнем событии, или при возникновении критических ошибок. Ошибки при создании и работе сокетов отображаются в системном идентификаторе result, который имеет тип структуры RTS_IEC_RESULT. Обозначение кодов ошибок описано в системной библиотеке CmpErrors Interfaces в глобальных константах Errors (рис. 5).
Для закрытии сокетного соединения используется фукнция SysSockClose() :

Рис. 5. Расшифровка кодов ошибок работы сокетов

Клиентский TCP сокет

Схема работы клиентского сокета отображена на рисунке 3 справа.

Инициализация клиента

Функция SysSockCreate() создает системный идентификатор сокета. Также, как и для сервера, для клиента необходимо создать потоковый сокет:

Зная IP-адрес и порт сервера, клиент с помощью SysSockConnect() подключается к серверному сокету:

Обмен данными

Обмен данными между клиентом и с помощью функций SysSockSend() и SysSockRecv() :

Закрытие соединения

После обмена данными сокет может быть закрыт с помощью с помощью SysSockClose() :

Однако, с точки зрения циклического обмена данными реального времени, каждый раз закрывать и открывать сокет заново неэффективно. Поэтому после успешной установки соединения обмен данными осуществляется в бесконечном цикле.

Особенности сокетов TCP

Использование TCP сокетов позволяет приложениям клиента и сервера обмениваться данными почти прозрачно, не заботясь о поддержании сетевого соединения, доставке пакетов по сети, порядке передачи пакетов и буферизации. TCP сокеты гарантируют доставку сообщений и правильный порядок пакетов, а также пересылают пакеты повторно, если подтверждение о передаче не приходит в течение определенного промежутка времени. Таким образом, использовать TCP сокеты уместно там, где необходима гарантированная доставка данных сетевыми средствами.

Несмотря на многие преимущества, TCP сокеты имеют и негативные стороны. Например, необходимость поддержания TCP-соединения уменьшает пропускную способность обмена данными в распределенных системах. Также, в системах обмена данными реального времени повторная передача потерянных пакетов может привести к тому, что система получит данные, которые утратили свою актуальность.

UDP сокеты

Все перечисленные недостатки TCP сокетов связаны с особенностью TCP-протокола. Если в системе присутствие данных факторов крайне нежелательно, а гарантированность доставки сообщений не является критичным требованием, то в качестве альтернативы TCP сокетов могут использоваться UDP (датаграммные) сокеты.

UDP сокеты устроены проще, чем TCP. В качестве транспортного уровня используется протокол UDP, который не требует установления соединения и подтверждения приема. Информация пересылается в предположении, что принимающая сторона ее ожидает. Датаграммные сокеты не контролирует ничего, кроме целостности полученных датаграмм. Несмотря на это, UDP сокеты нашли свое применение в системах, где на первом месте стоит именно актуальность данных и их быстрая доставка, а не гарантия доставки каждого сообщения.

Например, сервер в ответ на запросы клиента передает по сети текущие (мгновенные) значения некоторого параметра контролируемого технологического процесса, а клиент формирует управляющий сигнал на основе принятых значений. Если темп опроса сервера клиентом много больше требуемого времени реакции алгоритма управления на изменение значения контролируемого параметра, то потеря одного-двух сообщений от сервера несущественно повлияет на качество формирования управляющего сигнала. В случае использования TCP соединения потерянное сообщение будет автоматически передано повторно, что может привести к получению клиентом неактуального значения контролируемого параметра и к формированию неправильного управляющего сигнала.

Серверный UDP сокет

На рисунке 6 показана схема работы простого UDP сокета.

Инициализация сервера

Также, как в случае TCP сокетов, системный идентификатор UDP сокета создается с помощью функции SysSockCreate() :

После создания сокет сервера привязывается к определенному IP-адресу и порту с помощью функции SysSockBind() . В отличие от TCP, UDP сокет не включает прослушивание входящих соединений, а сразу подготавливается к получению данных по сети:

Обмен данными

Для получения данных по UDP сокетам используется функция SysSockRecvFrom() (в отличие от SysSockRecv() для TCP сокетов). Ее главная особенность в том, что она не просто принимает данные от клиента, но и записывает адрес и порт клиента в специальную структуру для хранения адреса SOCKADDRESS , чтобы в дальнейшем сервер знал, куда отправлять ответное сообщение:

Рис. 6. Схема работы простого UDP сокета.

Ответное сообщение отправляется с помощью SysSockSendTo() , которая аналогична SysSockSend() для TCP протокола, но в качестве аргумента принимает ссылку на адрес структуры SOCKADDRESS , где хранится записанный ранее адрес клиента:

Закрытие соединения

После отправки данных, сокет сервера снова переходит к функции SysSockRecvFrom() и остается незакрытым.

Но в случае необходимости серверный сокет можно закрыть аналогично TCP сокету:

Клиентский UDP сокет

Клиент UDP работает аналогично клиентскому сокету TCP за исключением использования функций SysSockSendTo() и SysSockRecvFrom() для отправки и получения сообщений.

Инициализация клиента

Функция SysSockCreate() создает системный идентификатор сокета. Также, как и для сервера, для клиента необходимо создать потоковый сокет:

Обмен данными

В отличие от TCP сокетов, при использовании UDP протокола клиентский сокет не устанавливает соединения с сервером, а сразу после создания клиентского сокета переходит к обмену данными с помощью функций SysSockSendTo() и SysSockRecvFrom() :

bytesRecv:=SysSockRecvFrom(hClientSocket, ADR(recvMessage), 256, 0, ADR(clientAddress), SIZEOF(clientAddress), ADR(result));
// hClientSocket — системный идентификатор сокета сервера;
// bytesRead, bytesRecv – количество полученных и отправленных байт;
// В случае ошибки возвращается 0;
// ADR(clientAddress) – указатель на структуру SOCKADDRESS, в которую запишется адрес клиента;
// ADR(result) – указатель на идентификатор результата

Закрытие соединения

После обмена данными сокет может быть закрыт с помощью с помощью SysSockClose() :

Однако, с точки зрения циклического обмена данными реального времени, каждый раз закрывать и открывать сокет заново неэффективно. Поэтому после успешной установки соединения обмен данными осуществляется в бесконечном цикле.

Дополнительные настройки сокетов

На рисунке 3 и 6 показана работа простых серверного и клиентского сокетов. Но на деле, такая простая схема имеет некоторые ограничения и недостатки.

Блокирующий режим

По умолчанию, некоторые функции библиотеки SysSocket являются блокирующими. Это значит, что вызов функции не возвращает управление коду, до тех пор, пока он не выполнится. Блокирующими функциями являются SysSockAccept() , SysSockSend() , SysSockRecv() , SysSockSendTo() , SysSockRecvFrom() и так далее.

Например, сервер включает прослушивание входящих соединений с помощью неблокирующей функции SysSockListen() , сразу после которой идет вызов SysSockAccept() . И до тех пор, пока в очереди установленных соединений не появится хотя бы одно подключение, программа не будет исполняться дальше. Такой режим работы также называется синхронным.

Естественно, такое поведение программы не является безопасным, и при циклическом вызове программы в ПЛК может сработать сторожевой таймер или произойти выход в безопасный режим – контроллер будет считать, что программа зависла.

Для того чтобы использовать функции в неблокирующем режиме, необходимо после создания сокета SysSockCreate() вызвать функцию SysSockIoctl() с входным аргументом SOCKET_FIONBIO , которая является командой перевода сокета в неблокирующий режим. При неблокирующим (асинхронном) режиме функция возвращает управление программе вне зависимости от того, закончена операция приема/передачи или нет:

Также, дополнительные настройки работы сокета можно сделать с помощью функции SysSockSetOptions() . Например, включить возможность повторного использования порта:

Подключение несколько клиентов

Серверный сокет, работающий согласно схемам на рисунках 3 и 6, подходит для обмена данными в режиме точка-точка, когда существует одно входящее клиентское соединение. В случае если к серверу будет подключаться несколько клиентов, может возникнуть путаница с принимаемыми и отправляемыми сообщениями, а также может возникнуть очередь на ожидание подключения.

Для того чтобы эффективно работать с несколькими клиентами, используется функция SysSockSelect() . Данный метод проверяет состояние нескольких идентификаторов сокетов одновременно. Сокеты можно проверять на готовность к чтению, записи или на наличие исключительных ситуаций, то есть ошибок.

Если хотя бы один сокет клиента готов, например, к отправке данных, SysSockSelect() сообщит об этом программе и соединение с данным клиентом будет установлено. Схема работы серверного сокета с использованием SysSockSelect() показана на рисунке 5.

Функция SysSockSelect() является блокирующей, она возвращает управление, если хотя бы один из проверяемых сокетов готов к выполнению соответствующей операции. Но в качестве настройки в функции можно указать интервал времени, по прошествии которого она вернет управление в любом случае.

Рис. 7. Схема работы сокетов с использованием функции SysSockSelect()

Программа сокетов для CPM723

В проектах TCP_UDP_Sockets.project и 2xPLCs_Sockets.project, входящих в комплект поставки программного обеспечения Fastwel I/O, реализованы программы TCP сокетов и UDP сокетов на языках ST и CFC стандарта МЭК 61131-3.

Структура проекта TCP_UDP_Sockets.project указана на рисунке 8. В данном проекте реализовано два проекта для UDP и TCP сокетов, для работы в рамках одного контроллера CPM723-01. В первом проекте CPM723_LOCAL_CFC работа сокетов реализована с помощью функциональных блоков, вызываемых в программах (язык CFC). Во втором проекте CPM723_LOCAL_ST работа сокетов реализована в программах (язык ST).

Рис. 8. Структура проекта TCP_UDP_Sockets.project

В проекте 2xPLCs_Sockets.project реализован пример для двух контроллеров CPM723-01, обменивающихся данными по протоколу TCP. На первом контроллере ClientsTCP реализованы TCP сокеты клиентов, на втором контроллере ServerTCP – TCP сокет сервера. Структура проекта указана на рисунке 9.

Рис. 8. Структура проекта TCP_UDP_Sockets.project

Заключение

Сокеты отвечают за обмен данными между различными устройствами и процессами. На базе обмена данными по сокетам можно создавать протоколы стека TCP/IP более высокого уровня.

TCP сокеты необходимо там, где требуется надежная доставка сообщений, а скорость передачи данных не критична. UDP сокеты лучше всего использовать там, где нужна эффективность на быстрых сетях с короткими соединениями и данные реального времени, а гарантированность доставки сообщений не нужна.