📚 课程目录第2章 HSMS通信基础

2. HSMS通信基础：HSMS协议定义、TCP/IP连接建立、会话管理与心跳机制

2.1 HSMS协议定义与协议栈定位

HSMS（High-Speed SECS Message Services）是SEMI标准E37定义的通信协议，它替代了传统的RS-232串行通信方式，将SECS-II消息承载于TCP/IP网络之上。HSMS并非独立的应用层协议，而是SECS/GEM协议栈中负责传输层与网络层适配的关键中间层。

  核心定位：HSMS将SECS-II的Message ID、System Bytes、Data等结构化数据封装为TCP报文段，通过标准Socket接口实现设备（Equipment）与主机（Host）之间的可靠、高速、双向通信。

HSMS协议栈在SECS/GEM体系中的位置如下表所示：

OSI层	SECS/GEM协议组件	HSMS职责
应用层	GEM (E30) / SECS-II (E5)	定义设备状态模型、事件报告、远程命令
表示层	SECS-II (E5)	消息编码（SML/二进制）、Item格式
会话层	HSMS (E37)	连接建立/释放、会话管理、心跳保活
传输层	HSMS (E37)	消息分帧、长度前缀、重传控制
网络层	TCP/IP	IP寻址、路由、可靠字节流传输
数据链路层	以太网	MAC帧封装、物理介质访问

关键概念：HSMS不负责SECS-II消息的语义解析，它只保证消息字节流在TCP连接上完整、有序、不重复地到达对端。语义解析由上层SECS-II/GEM模块完成。

2.2 TCP/IP连接建立：主动连接与被动监听

HSMS定义了两种通信实体角色：主动方（Active）和被动方（Passive）。主动方发起TCP连接请求，被动方监听并接受连接。在半导体工厂自动化场景中，通常Host作为被动方（监听端口），Equipment作为主动方（发起连接）。

2.2.1 连接建立流程

被动方启动监听：Host在指定端口（默认5000）上调用listen()，等待Equipment连接。
主动方发起连接：Equipment通过connect()向Host的IP:Port发起TCP三次握手。
TCP连接就绪：三次握手完成后，双方Socket进入ESTABLISHED状态。
HSMS会话初始化：TCP连接建立后，Equipment发送Select.req消息，Host回复Select.rsp，完成HSMS会话激活。

常见陷阱：TCP连接建立成功 ≠ HSMS会话可用。必须等待Select.req/rsp握手完成后，才能开始传输SECS-II消息。部分设备在TCP连接后立即发送数据，会导致Host端协议解析异常。

2.2.2 连接参数配置

参数	默认值	说明
端口号	5000	SEMI标准推荐端口，可自定义
连接超时	10秒	主动方等待TCP连接建立的最大时间
重连间隔	15秒	连接断开后自动重连的等待时间
最大重连次数	无限制	通常持续重连直到成功或手动停止

2.3 会话管理：状态机与消息类型

HSMS会话管理基于有限状态机（FSM）模型，定义了5种会话状态和6种控制消息。状态机确保通信双方在连接建立、数据传输、连接释放等阶段的行为一致。

2.3.1 会话状态定义

状态	名称	说明
1	NOT CONNECTED	TCP连接未建立，无任何通信
2	CONNECTED	TCP连接已建立，但HSMS会话未激活
3	SELECTED	HSMS会话激活，可传输SECS-II数据消息
4	NOT SELECTED	TCP连接存在，但会话被对方取消选择
5	WAIT	等待对方响应Select.req或Deselect.req

2.3.2 控制消息类型

Select.req / Select.rsp：激活HSMS会话。Equipment发送Select.req，Host回复Select.rsp（成功/失败）。
Deselect.req / Deselect.rsp：释放HSMS会话。任一方可发起，成功后状态回到CONNECTED。
Linktest.req / Linktest.rsp：心跳检测。用于验证TCP连接和会话是否仍然存活。
Separate.req：分离通知。通知对端即将关闭连接，无需回复。

最佳实践：在SELECTED状态下，Equipment应定期发送Linktest.req（默认间隔30秒），Host必须在T3超时（默认45秒）内回复Linktest.rsp。连续3次心跳超时，应主动关闭TCP连接并触发重连。

2.4 心跳机制：Linktest协议与超时处理

心跳机制是HSMS保证通信链路健康的核心手段。通过定期交换Linktest.req和Linktest.rsp消息，双方可以检测TCP连接是否仍然有效，以及对方协议栈是否正常运行。

2.4.1 心跳参数

参数	符号	默认值	说明
心跳发送间隔	T5	30秒	Equipment发送Linktest.req的周期
心跳响应超时	T3	45秒	等待Linktest.rsp的最大时间
最大重试次数	—	3次	连续超时次数达到阈值后断开连接

2.4.2 心跳处理流程

Equipment启动定时器T5，每30秒触发一次Linktest.req发送。
Equipment发送Linktest.req后，启动T3超时计时器。
Host收到Linktest.req后，立即回复Linktest.rsp。
Equipment收到Linktest.rsp，重置T3计时器，继续等待下一个T5周期。
若T3超时未收到回复，Equipment重发Linktest.req，重试计数器+1。
连续3次T3超时，Equipment判定连接失效，关闭TCP连接并进入NOT CONNECTED状态。

  工程经验：在MES与设备集成调试阶段，建议将T5临时缩短至10秒、T3缩短至15秒，以便快速验证心跳交互是否正常。上线运行后再恢复为标准值。

2.4.3 心跳消息格式

Linktest消息使用HSMS控制消息格式，消息头长度为10字节，不携带数据体：

字节偏移  字段          长度(字节)  说明
0-1       消息长度      2          固定为0x000A (10字节头长度)
2-3       Session ID   2          0xFFFF (控制消息专用)
4         消息类型      1          0x05 (Linktest.req) / 0x06 (Linktest.rsp)
5         保留          1          0x00
6-9       System Bytes 4          递增的会话序列号

注意：Session ID在控制消息中固定为0xFFFF。数据消息（SECS-II）的Session ID由Select握手时协商分配，通常从0x0001开始递增。

2.5 消息分帧与长度前缀

HSMS在TCP字节流之上定义了消息分帧机制，解决TCP粘包/拆包问题。每个HSMS消息包含一个4字节长度前缀（Message Length），后跟10字节消息头和可选的数据体。

2.5.1 消息帧结构

字段	长度	说明
Message Length	4字节	后续消息头+数据体的总长度（大端序）
Message Header	10字节	包含Session ID、消息类型、System Bytes等
Data Body	0~N字节	SECS-II编码后的数据（控制消息无此字段）

2.5.2 消息头字段详解

字节偏移  字段          长度(字节)  说明
0-1       Session ID   2          数据消息: 设备ID; 控制消息: 0xFFFF
2         消息类型      1          0x00=数据消息; 0x01~0x06=控制消息
3         保留          1          0x00
4-5       S/F          2          Stream/Function编码 (仅数据消息)
6-9       System Bytes 4          消息序列号，用于请求-响应匹配

解析要点：接收方从TCP缓冲区读取4字节得到Message Length，再根据该长度读取完整的消息帧。如果Message Length为0x0000000A，表示只有10字节消息头，无数据体（控制消息场景）。