注：本文内容基于 ETHERNET POWERLINK 的官方文档 EPSG DS 301 V1.3.0 进行整理小结。
Ethernet POWERLINK 是一个运行在数据链路层上的协议，该协议本身的设计目的是为了满足工业控制中的实时控制需求，低延迟。Ethernet POWERLINK 在使用时不需要额外分配 IP 地址，因为它的交互基于数据链路层，只需要物理地址(MAC)即可实现设备间的交互。Ethernet POWERLINK 也提供了在数据传输层进行交互的方式来满足远程的一些需要，但是限制比较多。
一、Ethernet POWERLINK 拓扑模型
Ethernet POWERLINK 基本兼容所有的拓扑模型，树形，星形，线形
如果是总线形连接，设备内部应当如 Hub 一般将输入信号向另一端口转发，这个需求也是由POWERLINK 的通讯模式所决定的。POWERLINK 本身的连接方，除了本文将讨论的RJ-45（常规网线），也支持其它串口通讯，例如 M12.
注意：由于Ethernet POWERLINK 对低延迟的需求，同时一般情况下设备不需要远程控制，在这个网络中不应该出现路由器, 通常采用 Hub 或者 Switch 来构建网络（Hub 优先）。
二、Ethernet POWERLINK 通信模型
1. 节点（Node）----设备
在一个完整的POWERLINK 网络中，应当包含两个部分，控制节点（MN,Managing Node）以及N个受控节点（CN, Controlled Node）。MN 和 CN 是它们的称呼方式，其本质就是一个主从控制系统。
MN 作为控制节点，把握全场节奏，有权点名CN回答问题。
CN 作为受控节点，等待MN点名并回答指定问题（无法*发表意见）。
一般的，CN有两种类型，一种为 等时/同步CN（Isochronous CN），一种为 异步CN（Asynchronous CN） 。
这两个类型的区别与POWERLINK的通讯模式有关，简单的讲 POWERLINK 一个周期中有两个环节，同步与异步环节，那么 同步CN 能够参与这两个环节，而异步CN只能参与异步环节。
因为没有IP,一般一个网络内允许的设备上限是255，MN的地址默认为240，CN的地址一般从1-239。
2. 周期（Cycle）
POWERLINK 或者其它的工控协议，大致的逻辑都是相同的，周期性的向某些单元进行访问或写入数据，以达到实时监控或者控制的作用。
POWERLINK所使用的方法是将一个周期分为三个阶段，同步阶段、异步阶段以及空闲阶段。
2.1 同步阶段（Isochronous phase）
在进入这个阶段时，MN首先会广播一个名为SoC （Start of Cycle）的数据包，提示网络内所有的CN 注意点名。然后开始挨个点名。在每一次点名的过程中，一个叫做 PReq(Poll-Request)的数据包会被定向发给特定的CN，这个数据包中包含了MN 对CN中变量的期望值。CN 收到这个数据包之后，会对这些变量进行处理，并广播一个PRes（Poll-Respond），这个数据包中包含了CN 希望其它节点看到的变量的当前值。
那有同学就问了，每次同步阶段，MN 都要对所有 CN 进行一次同步，如果在网络中有大量的CN，岂不会使得每个周期都变长，变相的增加了信息的交互时间吗？是不是有办法能够降低同步时间要求低的CN的访问频率呢？
那么POWERLINK 引入了 复用时隙的概念（Multiplexed Timeslots），对某些CN，MN 不必在每个周期中都对其进行数据同步，而是在特定次数个周期之后，对这些CN进行数据同步。
2.2 异步阶段 （Asynchronous phase）
在进入这个阶段时，MN 会广播一个 SoA （Start of Asynchronous）数据包，告知网络内所有用户，现在是异步时间，并且这个数据包中应当包含需要交互的对象。
在这一阶段，MN 只会与一个CN 进行交互或者不与任何CN交互。
如果交互，将以ASnd （Asynchronous Send）数据包发送，MN 只提供一条服务，并且CN 在接收服务后可能不会即时反馈，而是在数个周期后再给出服务评价，这就是所谓的异步阶段。
那么这一阶段MN 提供的服务都有哪些？
- 身份认证（Ident Requests）
- 状态认证（Status Requests）
- 通用传输请求（Generic transmit Requests）
- 发言请求（Transmit Requests）
前三者的发起人都是 MN, 而第四者的发起人为 CN。这里大概讲下四个服务的内容
- 身份认证：在MN 启动之初，所有的CN 都将标记为未**状态，身份认证就是**这些CN的第一步。如果被点名的CN未作出相应，那么MN 将点名下一位CN，直到全部点名完毕后。重新开始新一轮点名，在新一轮点名中，标记为**状态的将被跳过。
- 状态请求：一般在出现错误时，MN会向CN发起状态请求，CN应当立即相应该请求，相应内容中应包含详细错误信息。除此情况外，异步CN 也会被周期性的发起该请求以检查其状况。
- 通用传输请求：这个请求。。。官方文档语焉不详，目测应该包含所有除上述两者外的所有请求吧（CN的网络状态配置，CN的对象映射）。
- 发言请求：同上，应当只在CN出现某些特定状况时会发起该请求（诸如数据错误？）。
2.3 空闲阶段（Idel Phase）
就空着 -.-
三、Network Management（NMT）
NMT 是POWERLINK的一个网络管理工具，每一个节点都配套有该服务，该服务的一部分会自动运行配置，一部分需要MN在异步阶段来对 CN进行配置。NMT 有初始化部分，这一部分对MN 与 CN都是一样的，一般的都会自动配置，这里不详述其各个状态。在初始化完成后，MN 与 CN的状态列表除命名方式外基本都是一样的，区别是MN会自动进行配置，而CN需要MN 发送NMT命令来**，并且CN多一个Stopped状态。在数据传输的过程中，只有发送NMT命令的部分是可以在网络中观测到的，其它部分都有节点自己完成。
这里以CN 的NMT 状态为例有（将状态中的CS改为MS即为MN的状态，MN没有STOPPED 状态）：
- NMT_CS_NOT_ACTIVE: 这个状态下，设备仅允许监听网络，能够识别NMTReset 指令。当检测到SoC,PReq，PRes或者SoA的超时状态时，会进入 NMT_CS_BASIC_ETHERNET 状态。当检测到正常的SoA或SoC 时，会进入 NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_1 状态。
- NMT_CS_BASIC_ETHERNET: 该状态下，设备能够响应基于 IEEE802.3 的传统以太网协议。当检测到正常SoC,PReq,PRes或SoA时，将进入NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_1 状态。
- NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_1: 该状态下，仅在接收到来自MN通过SoA 给予的 AsyncInvite 指令授权后方能发送数据包。可通过MN 的 IdentRequest 身份认证指令进行认证，认证过后应当自动跳转到NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_2 状态。
- NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_2: 该状态下，CN 将等代自身配置完成。此时能够接收并响应来自MN的 PReq指令。需要注意的是，这个时候PDO 可能还未进行映射，接收到的指令数据可能会被丢弃。在进行响应时，CN 会通过 RD flag来表明自己当前不接受这些数据。当接收到NMTEnableReadyToOperate 时，跳转至 NMT_CS_READY_TO_OPERATE 状态。当检测到错误发生时，将跳转至OPERATION_1 状态。当检测到NMTStopNode指令时，将进入NMT_CS_STOPPED状态
- NMT_CS_READY_TO_OPERATE: 此时应当向MN 发出准备运行的信号，并参与到正常的周期响应中。RD flag 此时因设为0，不管设备本身是否能够处理这些数据。当检测到NMTStartNode 指令时，进入NMT_CS_OPERATIONAL 状态。其它同上。
- NMT_CS_OPERATIONAL: 该状态是正常操作状态。可通过指令进入OPERATIONAL_2 或 STOPPED 状态，检测到异常时，将进入OPERATIONAL_1状态。
- NMT_CS_STOPPED: 自闭模式，该状态下CN不参与正常沟通，但任旧观察SoA阶段的数据包，可通过NMT命令重新进入NMT_CS_PRE_OPERATIONAL_2状态，检测到异常时进入OPERATIONAL_1状态。
对于MN, 其NMT 会自动配置至NMT_MS_OPERATIONAL状态（如果没有意外的话）。对于CN, 在接收到来自MN 的身份认证请求后，其将进入OPERATIONAL_2 状态，根据不同的厂家应用的方式也不一样，以B&R家的PLC为例，CN开机后第一次进入OPERATIONAL_2状态后，需要MN进行一系列的SDO命令来完成配置，配置完成后MN会向CN发送一个NMTRestConfiguration的命令来重置CN的配置（PDO映射），之后会重新发送身份认证的请求，这次CN认证之后，MN将发送NMT指令使CN进入NMT_CS_OPERATIONAL 状态。
四、应用层
1. 数据包格式
如开始所说，一般的，POWERLINK 运作在 数据链路层上（Data-Link Layer），Wireshark中的第二层。其EtherType 为固定的 (88AB)h, Ethernet 的数据内容即为POWERLINK 的内容。
| Ethernet HEADER | POWERLINK (Header + Data) | CRC |
|---|
下表列举了各种广播时，数据链路层所对应的物理地址。
| 信息类型 | 缩写 | 对应物理地址 |
|---|---|---|
| Start of Cycle | SoC | 01:11:1E:00:00:01 |
| PollRequest | PReq | 点名 |
| PollResponse | PRes | 01:11:1E:00:00:02 |
| Start of Asynchronous | SoA | 01:11:1E:00:00:03 |
| Asynchronous Send | ASnd | 01:11:1E:00:00:04 |
注意在POWERLINK 中还有Destination和Source，这里其对应的是节点序号，MN为240，CN序号取决于程序设计时的给定值（1-239）。
| 信息类型 | 格式 | 示例 |
|---|---|---|
| SoC |  |
 |
| PReq |  |
 |
| PRes |  |
 |
| SoA |  |
 |
POWERLINK也支持数据传输层的应用，但是因为对延迟响应的限制只有异步阶段能够支持。（并非每个厂家的设备都支持.）
| Ethernet HEADER | IP Header | UDP Header | POWERLINK | CRC |
|---|
POWERLINK 钦定了在使用数据传输层应当使用IP地址（192.168.100.节点地址）。对于不支持该功能的设备，POWERLINK 提供了一个POWERLINK Router的耦合设备，它能够接收并识别这些设备发出的数据加以调整，配上IP发送出去以实现部分远程控制。
2. 对象字典 （Object Dictionary）
POWERLINK 的对象有以下几个元素
索引（Index），对象类型（Object Type），名字（Name），数据类型 （Data Type），类别（Category），访问权限（Access），取值范围（Value Range），默认值（Default Value），处理数据对象映射（PDO Mapping）。
Access：决定了该对象是否可读可写以及数据的存储是否与子索引有关。
PDO Mapping： PDO（Process Data Object）有三个可能值，分别为 Opt 可映射， Def 默认值（取决于设备），No 不可映射。
3.服务数据 SDO（Service Data）
通过SDO 服务，MN 可以访问修改对象字典中的内容，这个步骤会出现在MN 启动初对 CN 的配置阶段（SoA 中出现）。
SDO 服务本身有两层，序列层以及命令层。
序列层负责对分段传输命令的各段进行排序，以便为POWERLINK命令层提供正确的字节流。
命令层定义用于访问对象字典参数的命令。 该层区分快速转移和分段转移。
因为SDO 是 异步阶段中的服务，所以可以通过数据传输层来实现。其逻辑原理同在数据链路层基本无异，所以不单独讨论。（唯一的区别是终点及源头的地址由原先的在POWERLINK中的1-240变为在IP中的192.168.100.1-240）
需要注意的是，SDO服务需要初始化以建立连接。
连接建立完成后，MN方可进行其它配置操作。配置完成后，MN会结束连接。
小结
一般正常的工业使用过程中，只要会接线，会编程就行了，并不需要过多了解这些内容，厂商会提供完整的网络解决方案。但如果由特殊需求，需要了解其工作原理的，主要要注意的就是启动时MN是如何对CN配置的，配置完成后，SoC阶段中数据的交互值是什么，编码原理是什么。网上也有opern POWERLINK的源码，感兴趣的可以下来研究研究。