工业网络技术第9课

2006年01月14日现场总线技术与应用东北大学秦皇岛分校工业以太网2006年01月14日现场总线技术与应用以太网简介•由DEC、Intel和Xerox等三家公司公布以太网规范；•IEEE802标准委员会制定的IEEE802局域网和城域网标准。2006年01月14日现场总线技术与应用IEEE802标准•IEEE802.1定义了标准的概述、体系结构、桥接、网络管理等；•IEEE802.2定义了数据链路层的逻辑链路控制子层；•IEEE802.3定义了以太网的物理层以及数据链路层的媒体访问控制（MAC）子层。2006年01月14日现场总线技术与应用以太网的物理层•基带：采用曼彻斯特编码。•宽带：采用PSK相移键控编码。2006年01月14日现场总线技术与应用以太网类型名称•名称最前是数字，表示的是通信波特率。•名称中间是BASE或BROAD，表示网络是宽带还是基带。•名称最后如果是数字表示的是网段的最大长度，如果是字母T表示传输介质是双绞线，如果是字母F表示传输介质是光纤。•如10BASE5、10BASE-T。2006年01月14日现场总线技术与应用以太网物理层-10BASE-T•10BASE-T是以太网发展的里程碑。•在3、4、5类非屏蔽双绞线作为传输介质上实现了10Mbps的数据传输。•采用RJ-45连接器•采用星型拓扑结构•每个站点有一条专用电缆连接到集线器2006年01月14日现场总线技术与应用以太网物理层-10BASE-Text•节点与集线器间连线最长100m。•最多可使用4个集线器。•两个站点之间的距离不会超过500m。•提供对全双工通信的支持。2006年01月14日现场总线技术与应用RJ-45连接•RJ45连接器有4对双绞线：1与2，3与6，4与5，7与8。•10BASET上只连接两对双绞线。•在网卡上1、2为发送，3、6为接收。•在集线器上则相反1、2为接收，3、6为发送。2006年01月14日现场总线技术与应用RJ45连接Ext网卡1236集线器1236网卡与集线器间的连接2006年01月14日现场总线技术与应用RJ45连接Ext集线器1236集线器1236集线器与集线器的连接2006年01月14日现场总线技术与应用以太网物理层-10BASE-FL•以光纤为传输介质的组网方式。•传输距离可达2km。•采用星型拓扑和集线器组网。•可在半双工模式和全双工模式下工作。•传输距离远，抗电磁干扰能力强。2006年01月14日现场总线技术与应用快速以太网技术•基于10BASE-T和10BASE-FL快速发展。•百兆以太网分为100BASET4、100BASET2、100BASETX、100BASEFX。•千兆以太网分为1000BASEX、1000BASET。2006年01月14日现场总线技术与应用以太网的数据链路层•媒体访问控制子层（MAC）•逻辑链路控制子层（LLC）2006年01月14日现场总线技术与应用MAC子层•CSMA/CD•缺点：1、半双工通信模式。2、不提供优先级机制，网络上的节点地位是平等的。2006年01月14日现场总线技术与应用MAC帧结构前导码SFD目的地址源地址长度数据区填充段CRC校验2006年01月14日现场总线技术与应用MAC帧结构ext•前导码共7B，每个字节均为10101010B。•开始定界符1B，指示帧的开始。•目的地址和源地址。以太网采用6B的地址。•数据区的长度是0~1500B。•为了碰撞检测的需要，如果数据区的长度小于46字节，需要在后面加一段填充段。•CRC校验结果。2006年01月14日现场总线技术与应用TCP/IP概况•TCP/IP由ARPANET项目发展起来。•TCP/IP由因特网架构委员会IAB负责。2006年01月14日现场总线技术与应用TCP/IP参考模型应用层(Telnet、FTP、HTTP、DNS、SNMP和SMTP等)传输层(TCP和UDP)网络层(IP、ICMP和IGMP)TCP/IP参考模型不涉及数据链路层和物理层。2006年01月14日现场总线技术与应用TCP/IP数据封装/解封过程客户数据FTP头TCP头IP头IP数据报客户数据FTP头TCP头TCP段客户数据FTP头应用层数据包客户数据主机A客户数据FTP头TCP头IP头以太网头以太网数据帧路由器接收以太网数据帧并根据目标IP地址转发到令牌环网接口客户数据FTP头TCP头IP头IP数据报客户数据FTP头TCP头TCP段客户数据FTP头应用层数据包客户数据主机1客户数据FTP头TCP头IP头令牌网头令牌环网数据帧发送端数据封装过程接收端数据解封过程2006年01月14日现场总线技术与应用TCP/IP网络层•包含网际互联协议IP、地址解析协议ARP、反向地址解析协议RARP、网际控制报文协议ICMP和网际组管理协议IGMP。•将数据包从源节点送到目的节点。2006年01月14日现场总线技术与应用IP协议•主要功能是提供无连接的数据报传送和数据报的路由选择。•IP协议以包的形式传输数据，称为IP数据报。•IP是一种不可靠，但是会尽力传送的协议。•不可靠体现在IP不追踪传输路径，也没有任何机制来对报文重新排序。•尽力传送体现在IP不轻易放弃任何一个数据报，只有在资源耗尽或网络出现故障的情况下才会放弃。2006年01月14日现场总线技术与应用IP协议ext•IP数据报格式•IP地址•子网与子网掩码•路由选择•IPv62006年01月14日现场总线技术与应用IP地址•IP地址是用于在互联网上表示源地址和目的地址的一种逻辑编号。•由于源和目的计算机位于不同的网络，因此源和目的地址要由网络号和主机号组成。•IP地址为一个32位的二进制数串，每8位一个字节，每字节分别用十进制表示，取值范围0~255，用点分隔。2006年01月14日现场总线技术与应用IP协议ext•IP数据报格式•IP地址•子网与子网掩码•路由选择•IPv62006年01月14日现场总线技术与应用子网和子网掩码•使用A类地址或B类地址的单位可以将网络划分成几个部分，称为子网。•每个子网可以对应一个部门或一个地理范围，这样会给管理和维护带来许多方便。•采用子网掩码的方式识别不同子网。2006年01月14日现场总线技术与应用IP协议ext•IP数据报格式•IP地址•子网与子网掩码•路由选择•IPv62006年01月14日现场总线技术与应用路由选择•IP协议是一个网络层协议，它所面对的是由多个路由器和物理网络组成的网络。•路由选择是将IP数据报从源主机无连接的、逐步转送到目标主机。•由路由器的路由表完成该功能。2006年01月14日现场总线技术与应用路由选择extR1R2R3130.124.x.x130.127.x.x192.101.50.x12130.124.55.6192.101.50.12130.128.22.111223130.124.0.0130.127.0.0192.101.50.0122portNetworkNextHopLocal130.128.22.1130.128.22.1RI路由列表如果地址为130.124.55.6的设备需要向地址为192.101.50.12的设备发送信息。它检测到目标设备不在同一网段，将信息发至路由器。2006年01月14日现场总线技术与应用IP协议ext•IP数据报格式•IP地址•子网与子网掩码•路由选择•IPv62006年01月14日现场总线技术与应用IPv6•随着TCP/IP网络的不断发展，采用32位地址的IPv4已经出现能力不足的情况。•因此，采用IPv6协议将地址空间扩展到128位。•关键是IPv4如何无缝切换到IPv6。2006年01月14日现场总线技术与应用TCP/IP传输层•传输层协议为两个应用进程提供可靠的数据传输。•传输层协议有两种：用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP）。2006年01月14日现场总线技术与应用用户数据报协议UDP•UDP是一种无连接的端到端的传输层协议，仅仅为上层的数据增加端口地址、校验和以及长度信息。•UDP不能保证每个用户数据报都发送成功，也不能保证接收节点收到的数据报顺序正确。•UDP不可靠，但传输效率较高。2006年01月14日现场总线技术与应用传输控制协议TCP•TCP是一个面向连接的端到端协议。通信两端在传输数据之前必须建立连接。•通过建立连接，在发送者和接收者间建立了一条虚电路，并通过差错检测和重传坏帧来保证传输的可靠性。•TCP传输可靠、安全，但是速度慢、效率低。2006年01月14日现场总线技术与应用工业以太网•在以太网技术和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种工业网络。2006年01月14日现场总线技术与应用为什么在工业中应用以太网？•使用以太网要比其他现场总线容易。•以太网产品价格低廉，会降低成本。•以太网技术发展速度，技术的先进性，功能的强大是其他现场总线无法比拟的。•更方便的实现企业信息集成。•符合自动化系统的网络结构扁平化发展的趋势。2006年01月14日现场总线技术与应用要解决的难题•通信实时性、确定性的问题•对环境的适应性与可靠性问题•总线供电问题•本质安全问题2006年01月14日现场总线技术与应用解决非确定性问题的措施•提高通信速率，减少碰撞机会。•控制网络负荷，提高网络通信的确定性。•采用以太网的全双工交换技术。•提供适应工业环境的器件。2006年01月14日现场总线技术与应用工业以太网-EtherNet/IP•标准和开放EtherNet/IPisStandard&open•功能全面EtherNet/IP,onenetworkforall•智慧设计，使用简单EtherNet/IP,smart&simply•广泛认可及成功应用EtherNet/IPiswellestablished2006年01月14日现场总线技术与应用EtherNet/IP工业以太网UDPARPIPRARPICMPOSPFTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSMTPIGMPIGRPIEEE802.3EthernetUDPIPTCPCIPUpperLayers(Session,Presentation,Application,DeviceProfiles)DataLink&PhysicalLayersNetworkLayerTransportLayerExplicitMessagingReal-timeI/OControlEtherNet/IP=标准TCP/IP以太网+CIP2006年01月14日现场总线技术与应用EtherNet/IP=标准TCP/IP以太网+CIP•为什么使用标准TCP/IP以太网？–技术完全开放，“全球范围最大化参与”。其生命力和推动力，是那些只被某家或某些家公司推动的技术所不能比拟的。–EtherNet/IP工业用户能直接受益于标准TCP/IP以太网的持续创新、功能增强和成本降低等带来的好处。–EtherNet/IP产品生产商可以自由、自主地选择任何符合工业要求的TCP/IP以太网芯片进行开发和生产。在EtherNet/IP产品开发和制造中，中国厂商和全球范围内其他厂商完全站在同一条起跑线上。2006年01月14日现场总线技术与应用CommonIndustrialProtocol(CIP)CIP包含了各种工业实时控制需要的服务和行规；CIP将网络上数据按照有实时控制要求和没有实时控制要求以不同的优先等级区别对待。CIPMessageRouting,ConnectionManagementCIPDataManagementServicesExplicitMessages,I/OMessagesCIPApplicationLayerApplicationObjectLibrarySemi-conductorValvesDrivesRobotsOther通用工业协议CIP（CommonIndustrialProtocol）设备应用描述AppProfilesLay7应用层2006年01月14日现场总线技术与应用工业以太网-E