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Wireshark抓包EtherCAT报文

2.00

发布于 2025-05-09 13:39:25 浏览：87 订阅该版

[tocm]

> 在使用TwinCAT测试EtherCAT EOE功能时，我们会发现正常是无法使用Wireshark去进行网络抓包抓取EtherCAT报文的，今天这篇文章就带大家来上手EtherCAT抓包方式。

## 准备环境

硬件环境：

* EtherKit开发板
* 网线一根
* Type-C USB线一根

软件环境

* TwinCAT3
* RT-Thread studio
* wireshark

## EtherCAT EOE工程下载

首先 RT-Thread studio 安装 EtherKit SDK 包，然后新建一个示例工程：etherkit_ethercat_eoe，编译并下载程序；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/d21d465e778abbaa6ae692f0248fb4ef.png.webp)

将电脑一端网线连接至 EtherKit 的 ETH0，同时修改以太网适配器IP保持与从站IP在同一网段下：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/4bae52df74485c6275d16ae16683ce71.png.webp)

观察开发板串口状态，此时可以看到 eoe app 已经正常运行了：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/2f05c5678400fb77249ae2491ae1da48.png)

## TwinCAT3 模拟EtherCAT主站启动

在启动 TwinCAT3过程中还需要配置ESI文件及安装Twin CAT驱动，可参考[EtherKit用户手册](https://gitee.com/RT-Thread-Studio-Mirror/sdk-bsp-rzn2l-etherkit/raw/master/docs/EtherKit_User_Manual.pdf)，此处不再详述；

接下来我们主站扫描从站设备，并激活该从站设备：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/aac37e7b382dfa745d3dd2af2a5c06e7.png)

激活从站设备后可以看到 EtherKit 开发板板载以太网指示灯正常工作，同时默认从站DC模式为 SM-Synchron :

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/481cb17445dd752e8800c02f4b4102a9.png.webp)

## TwinCAT3配置DC-Synchron

首先我们需要开启 wireshark 抓包支持，右键点击 Device，在 Adapter 中勾选 Promiscuous Mode（use with Wireshark only）来开启混杂模式；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/94c8dcf15e5b2791922efbdcb85ece65.png)

接着我们需要先切换DC模式，由默认的 SM-Synchron 模式切换为 DC-Synchron；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/59aa42fe63c5ea062ed174af699f8001.png.webp)

接着我们点击上方导航栏 TwinCAT->Restart TwinCAT(config Mode)；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/8a05959e5d328ffe4b28f2ce67c08f5d.png.webp)

提示 Restart TwinCAT system in config Mode，点击确定；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/50a729ea089f3c2365ebad89b3286860.png)

shell再次提示 Load IO设备，点击确定；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/50a5e6e6fa374b993f519a0d54e14b05.png)

然后点击激活；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/2e80c25a18aa3206312311e85f0366d9.png)

接着我们再切换回 SM-Synchron，并打开wireshark，选择对应的网卡设备，此时就可以看到ECAT报文了；

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/a78081337291ea2cf940d1b6623e4476.png)

## EtherCAT数据帧结构

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/a7407ca4fc79848194452e9c521a03d1.png.webp)

EtherCAT数据直接使用以太网数据帧进行传输，帧类型为0x88A4。一个EtherCAT数据包括2个字节的数据头和44~1498字节的数据，其中数据区由一个或多个EtherCAT子报文组成，每个子报文对应独立的设备或从站存储区域；

**EtherCAT帧结构定义**

| 名称                        | 含义                                     |
| --------------------------- | ---------------------------------------- |
| 目的地址                    | 接收方MAC地址                            |
| 源地址                      | 发送方MAC地址                            |
| 帧类型                      | 0x88A4                                   |
| EtherCAT 头：长度           | EtherCAT数据区长度，即所有子报文长度总和 |
| EtherCAT 头：类型           | 1：表示与从站通信；其余保留              |
| FCS（Frame Check Sequence） | 帧校验序列                               |

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，Working Counter）；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；

**EtherCAT子报文结构定义**

| 名称   | 含义                     |
| ------ | ------------------------ |
| 命令   | 寻址方式及读写方式       |
| 索引   | 帧编码                   |
| 地址区 | 从站地址                 |
| 长度   | 报文数据区长度           |
| R      | 保留位                   |
| M      | 后续报文标志             |
| 状态位 | 中断到来标志             |
| 数据区 | 子报文数据结构，用户定义 |
| WKC    | 工作计数器               |

## EtherCAT报文分析

### 1.请求报文

首先我们设置过滤规则：

```c
ecat.cmd==BRD && ecat.ado==0x130
```

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/cdc4851d5fb0d6a87475fdbf879dea1f.png.webp)

我们随机抓取一条BRD报文，主站向从站发送的偏移地址为 0x130 的报文，表示读取从站特定寄存器（如设备标识符、状态字等）的值。此类报文在系统初始化或状态监测中常被使用。

### 2.应答报文

从站启动过程：主站依次向偏移地址 0x120 发送 1、2、4、8 命令，控制从站依次进入初始化（INIT）、预操作（PRE-OP）、安全模式（SAFE-OP）和操作模式（OP）：

```c
ecat.ado==0x120 && (ecat.adp==0x03e9 ||ecat.adp==0xffff)
```

其中 ecat.adp == 0xffff 表示广播方式，主站向所有从站发送命令；而 ecat.adp==0x03e9（例如）表示特定从站地址（可根据实际地址修改）发送控制命令。

### 3.控制命令与EOE报文过滤

我们使用如下过滤规则来抓取EtherCAT控制命令与以太网封装（EOE, Ethernet over EtherCAT）相关的报文：

```c
(ecat.ado==0x120 || ecat_mailbox.eoe) && (ecat.adp==0x03e9 || ecat.adp==0xffff)
```

**解析说明**

- `ecat.ado==0x120`：表示抓取访问地址偏移 `0x120` 的寄存器命令，此为 **从站状态控制寄存器**，主站通过它向从站发送模式切换指令（如INIT、PRE-OP、SAFE-OP、OP）；
- `ecat_mailbox.eoe`：表示抓取所有 **EOE协议封装的以太网数据**，EOE允许通过EtherCAT传输标准以太网帧（如TCP/IP、UDP）；
- `ecat.adp==0x03e9`：指定从站地址为 `0x03e9`（十进制1001），用于单个从站点对点通信；
- `ecat.adp==0xffff`：表示广播命令，主站向所有从站同时发起操作。

**应用场景**

此过滤规则可用于同时监控：

1. **主站对某个从站（或全部从站）的工作模式控制行为**；
2. **通过EOE传输的数据帧**（常见于使用TCP/IP通信的EtherCAT从站，如带IP接口的远程IO模块或工业摄像头）；

下面是使用Wireshark实际抓包情况：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/a83f675b6530ad18b28d958ff8f9e92e.png.webp)

### 4. EtherCAT EOE抓包TCP报文

首先我们修改工程目录下的 src/hal_entry.c 文件，将该文件全部替换为如下代码：

```c
/*
 * Copyright (c) 2006-2024, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author        Notes
 * 2024-03-11     Wangyuqiang   first version
 */

#include <rtthread.h>
#include "hal_data.h"
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>

#include <sys/socket.h>
#include <netdb.h>
#include <string.h>
#include <finsh.h>

#define BUFSZ       (1024)

static const char send_data[] = "This is TCP Server from RT-Thread.";

void hal_entry(void)
{
    rt_kprintf("\nHello RT-Thread!\n");
    rt_kprintf("==================================================\n");
    rt_kprintf("This example project is an ethercat eoe routine!\n");
    rt_kprintf("==================================================\n");
}

static void tcpserv(void *parameter)
{
    char *recv_data; /* 用于接收的指针，后面会做一次动态分配以请求可用内存 */
    socklen_t sin_size;
    int sock, connected, bytes_received;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    rt_bool_t stop = RT_FALSE; /* 停止标志 */
    int ret;
    recv_data = rt_malloc(BUFSZ + 1); /* 分配接收用的数据缓冲 */
    if (recv_data == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("No memory\n");
        return;
    }
    /* 一个socket在使用前，需要预先创建出来，指定SOCK_STREAM为TCP的socket */
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1)
    {
        /* 创建失败的错误处理 */
        rt_kprintf("Socket error\n");
        /* 释放已分配的接收缓冲 */
        rt_free(recv_data);
        return;
    }
    /* 初始化服务端地址 */
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(5000); /* 服务端工作的端口 */
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    rt_memset(&(server_addr.sin_zero), 0, sizeof(server_addr.sin_zero));
    /* 绑定socket到服务端地址 */
    if (bind(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr)) == -1)
    {
        /* 绑定失败 */
        rt_kprintf("Unable to bind\n");
        /* 释放已分配的接收缓冲 */
        rt_free(recv_data);
        return;
    }
    /* 在socket上进行监听 */
    if (listen(sock, 5) == -1)
    {
        rt_kprintf("Listen error\n");
        /* release recv buffer */
        rt_free(recv_data);
        return;
    }
    rt_kprintf("\nTCPServer Waiting for client on port 5000...\n");
    while (stop != RT_TRUE)
    {
        sin_size = sizeof(struct sockaddr_in);
        /* 接受一个客户端连接socket的请求，这个函数调用是阻塞式的 */
        connected = accept(sock, (struct sockaddr *)&client_addr, &sin_size);
        /* 返回的是连接成功的socket */
        if (connected < 0)
        {
            rt_kprintf("accept connection failed! errno = %d\n", errno);
            continue;
        }
        /* 接受返回的client_addr指向了客户端的地址信息 */
        rt_kprintf("I got a connection from (%s , %d)\n",
                   inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));
        /* 客户端连接的处理 */
        while (1)
        {
            /* 发送数据到connected socket */
            ret = send(connected, send_data, strlen(send_data), 0);
            if (ret < 0)
            {
                /* 发送失败，关闭这个连接 */
                closesocket(connected);
                rt_kprintf("\nsend error,close the socket.\r\n");
                break;
            }
            else if (ret == 0)
            {
                /* 打印send函数返回值为0的警告信息 */
                rt_kprintf("\n Send warning,send function return 0.\r\n");
            }
            /* 从connected socket中接收数据，接收buffer是1024大小，但并不一定能够收到1024大小的数据 */
            bytes_received = recv(connected, recv_data, BUFSZ, 0);
            if (bytes_received < 0)
            {
                /* 接收失败，关闭这个connected socket */
                closesocket(connected);
                break;
            }
            else if (bytes_received == 0)
            {
                /* 打印recv函数返回值为0的警告信息 */
                rt_kprintf("\nReceived warning,recv function return 0.\r\n");
                closesocket(connected);
                break;
            }
            /* 有接收到数据，把末端清零 */
            recv_data[bytes_received] = '\0';
            if (strcmp(recv_data, "q") == 0 || strcmp(recv_data, "Q") == 0)
            {
                /* 如果是首字母是q或Q，关闭这个连接 */
                closesocket(connected);
                break;
            }
            else if (strcmp(recv_data, "exit") == 0)
            {
                /* 如果接收的是exit，则关闭整个服务端 */
                closesocket(connected);
                stop = RT_TRUE;
                break;
            }
            else
            {
                /* 在控制终端显示收到的数据 */
                rt_kprintf("RECEIVED DATA = %s \n", recv_data);
            }
        }
    }
    /* 退出服务 */
    closesocket(sock);
    /* 释放接收缓冲 */
    rt_free(recv_data);
    return ;
}

static int tcpserv_app(void)
{
    rt_thread_t tcps = rt_thread_create("tcpserv", tcpserv, RT_NULL, 2048, 18, 10);
    if(tcps != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(tcps);
    }

return 0;
}
MSH_CMD_EXPORT(tcpserv_app, a tcp server sample);
```

编译下载后重新烧录程序并启动，在从站成功连接到主站后，执行 tcpserv_app 指令来启动一个 TCP Server：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/865933fa1e197e25e896f5efb7a58668.png)

同时我们打开 TCP 测试软件，配置 TCP 客户端，配置信息如下：

* 目标IP：192.168.10.100（从站IP）
* 目标端口：5000

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/06ed75b2427ae63243177dad89ffee41.png)

同时打开 Wireshark ，查看 EtherCAT EOE网络下的 TCP报文能够被成功捕获：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20250509/b43da393085ce67d58fb8a0cee4f4319.png.webp)

## 附录1 EtherCAT通信服务命令

EtherCAT 子报文所有的服务都是以主站操作描述的。数据链路层去规定了从站内部物理存储、读写和交换（读取并马上写入）数据的服务。读写操作和寻址方式共同决定了子报文的通信服务类型， 由子报文头中的命令字节表示：

| 寻址方式     | 读写模式   | 命令名称和编号 | 解释                                             | WKC                  |
| ------------ | ---------- | -------------- | ------------------------------------------------ | -------------------- |
| **空指令**   | -          | NOP（0）       | 没有操作                                         | 0                    |
| **顺序寻址** | 读数据     | APRD（1）      | 主站使用顺序寻址从从站读取一定长度数据           | 1                    |
|              | 写数据     | APWR（2）      | 主站使用顺序寻址从从站写入一定长度数据           | 1                    |
|              | 读写       | APRW（3）      | 主站使用顺序寻址与从站交换数据                   | 3                    |
| **设置寻址** | 读数据     | FPRD（4）      | 主站使用设置寻址从从站读取一定长度数据           | 1                    |
|              | 写数据     | FPWR（5）      | 主站使用设置寻址从从站写入一定长度数据           | 1                    |
|              | 读写       | FPRW（6）      | 主站使用设置寻址与从站交换数据                   | 3                    |
| **广播寻址** | 读数据     | BRD（7）       | 主站从所有从站的物理地址读取数据并作逻辑或操作   | 与寻址到从站个数相关 |
|              | 写数据     | BWR（8）       | 主站广播写入所有从站                             | 与寻址到从站个数相关 |
|              | 读写       | BRW（9）       | 主站与所有从站交换数据，对读取的数据做逻辑或操作 | 与寻址到从站个数相关 |
| **逻辑寻址** | 读数据     | LRD（10）      | 使用逻辑地址读取一定长度数据                     | 与寻址到从站个数相关 |
|              | 写数据     | LWR（11）      | 使用逻辑地址写入一定长度数据                     | 与寻址到从站个数相关 |
|              | 读写       | LRW（12）      | 使用逻辑寻址与从站交换数据                       | 与寻址到从站个数相关 |
| **顺序寻址** | 读，多重写 | ARMW（13）     | 由从站读取数据，并写入以后所有从站的相同地址     | 与寻址到从站个数相关 |

主站接收到返回数据帧后，检查子报文中的WKC，如果不等于预期值，则表示此子报文没有被正确处理。子报文的WKC预期值与通信服务类型和寻址地址相关。子报文经过某一个从站时，如果是单独地读或写操作， WKC 加1 。如果是读写操作， 读成功时WKC加1，写成功时WKC 加2 ，读写全部完成时WKC加3，子报文由多个从站处理时， WKC是各个从站处理结果的累加。

## 附录2 EtherCAT状态码

| 状态码            | 状态位 |
| ----------------- | ------ |
| INIT(初始化模式)  | 0x01   |
| PREOP(预操作模式) | 0x02   |
| BOOT(BOOT模式)    | 0x03   |
| SAFEOP(安全模式)  | 0x04   |
| OP(操作模式)      | 0x08   |