以太网原理及技术基础.doc

介绍早在1980年，一个包括Xerox，Inter和Digital Equipment等几大公司在内的机构，宣布了以太网1.0版本的诞生。1983年，2.0版本随之而出，这一个版本即IEEE802.3标准。但是，在最初的时候，局域网并不普及，它们主要用于大学和大型的企业内部。虽然在1981年IBM公司推出的XT系列个人电脑已经投入市场。但是当时的软件业并不强大，可用的网络系统也是很少的。 随着处理器容量的不断提升，应用软件产业也有了十足的发展。用户数量出现了急剧上涨。由于用户共享资源的扩大，统一的数据管理和软件产品的增加，使得局域网的需求出现突飞猛进的发展。 局域网增长因素示意图：伴随着工业领域对网络技术的需求增长，新的网络设计出现在自动化行业中。1985年时，以太网技术凭借Siemens SINEC H1而获准进入工业通讯领域。在1996年推出的SIMAIC NET，现在已经在工业通讯中占据重要地位，而SINEC H1即为它的前身。 当今，工业以太网在工业网络中已经成为一种标准，比如在自动化工业或者在工业车间部门中，通讯协议的可用性和稳定性是其中最重要的因素。 网络用户数量不断增长以及软件所使用的带宽需求增加，传统的10Mbps以太网无法满足工业要求。因此，人们开始准备设计一种100Mbps的以太网（即快速以太网（Fast Ethernet），FDDI，100 Base VG）。快速以太网起源于1993年6月，当时超过50家制造商共同建立了快速以太网联盟，目的是共同研制一种100Mbps的以太网。该组织同时还要设计所有的相关的网络元件，比如适配器，中继器/集线器，交换机，路由器和管理工具。所有的产品都要符合标准，以保证不同的制造商都可以应用这些产品。这也是快速以太网为什么会被广泛应用，并受到一致赞扬的原因。到了1995年6月，快速以太网被最终确定为IEEE 802.3标准。 快速以太网提供了100Mbps技术的可能性。用户不需改变整个网络结构就可以获得高速的传输率。这就是当今为何快速以太网作为100Mbps网络，成为使用率最高的通讯协议。 以太网在工业中早已被高度接受并获得了一致的认同。但在1999年，制造商们开始了新的探索，大家希望建立千兆以太网（1000Mbps），也就是10Gigabit标准。自动化技术的网络等级为了清楚地认识以太网在自动化中的地位，我们可以将自动化系统分为以下级别：为了在一个大型企业中可以随时，充分的了解企业中各种复杂的信息，在整个自动化系统中形成了不同的网络等级。在这些不同等级的网络中，信息可以在垂直和水平两个方向上相互传递。 每个等级的网络都与上下相邻的网络连接，可以判定相互间通讯的需求。在最上层网络，存在众多复杂的计算机系统，能够不定期的对各种复杂数据进行响应，大量的通讯参与者和响应者在网络中相互协调。在最底层，依然有很大的信息吞吐量，只是数据相对要少于上层结构。 在自动化系统网络中可以分为以下5层结构：计划编制层（Planning Level），对来自生产层的信息进行评价，组织编排并协助生产部门进行决策。在这一层中，不论是信息量还是传输速率和距离都是最大的。控制层（Control Level），对每个生产层进行协调。控制层得到来自上一层的生产编排信息，对低层进行编制。该层中的各计算机可以进行诊断，操作和记录工作。单元层（Cell Level），连接各个不同的生产层，被各单元计算机或PLC控制。现场层（Field Level），存在大量用于控制的可编程控制装置，调节和检测元件比如PLC或工业计算机等，并可以对执行器/传感器层进行评价。该层可以连接至可视化系统，对数据进行响应和传输。执行器/传感器层(Actuator/Sensor Level)，属于现场层得一部分并于现场层的控制器连接。该层的特点是输入和输出数据的传输速率极快。输入和输出数据的更新时间甚至低于控制器的循环扫描周期。以太网以太网是全球范围内广泛应用，各制造商兼容的LAN（局域网，Local Area Network）网络。传输速率可以达到10，100或1000Mbps。LAN被定义为IEEE802标准，且不同于其他网络：总线长度或网络范围大（101000m）传输介质技术多样（同轴电缆，双绞线和光纤）网络拓扑结构多样（总线型，环型，星型和树型） 以太网一部分被定义为IEEE802.3，快速以太网定义为IEEE802.3u。网络工作方式在以太网网络中，没有主站和从站的区分。任何参与者都有权介入到总线中。为了协调各参与者，采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）协议，也可以称作“听说协议”（Listen While Talk）。该协议描述的内容是，何时将数据放入到网络中，以及如何对数据冲突进行处理。如果一个连接至LAN中的参与者希望发送数据，首先要等待，直到网络“空闲”下来，也就是说网络中没有数据在传送（carrier sense）。确定网络中没有数据进行传输后，该参与者开始发送自己的数据。在这个过程中，可能有很多参与者都在等待这个“空闲”时刻，并且当该时刻来临时都开始发送各自的数据（多路访问，ultiple Access）。如果发生这种情况，就被称为“冲突”。以太网通讯可以检测出这种冲突。如果CSMA/CD协议判断出冲突，数据的发送方将被中断，数据也会被删除。经过一个随机周期后，网络重新进行新一轮的数据传输。而这个随机周期通过一种国际标准的固化公式计算出来的，并不是网络随意分配的。 为了保证CSMA/CD访问技术能够成功实现，以太网网络的范围就要受到限制，从而控制数据包的最长传输时间。CSMA/CD协议所支持的最佳网络距离就成为冲突区域（collision domain）。在10Mbps以太网中，冲突区域的范围是4520m。以太网数据包格式MAC地址在以太网中的每个网络接口，比如PC的网络插卡或PC内部的以太网CP模块，都具有一个以太网地址。通常这个地址被称为MAC（介质访问控制，Media Access Control）地址，该地址在以太网网络中都是特定的，独一的地址。MAC地址有个字节，被分为两部分。第一部分（基本MAC地址）识别制造商。第二部分可以判定一个工业以太网中的不同节点。数据包格式：以太网数据包的格式是以太网标准的特征之一。所有的数据都在以太网网络中进行交换，并以数据包的形式进行传输。此功能与数据报相似。为了安全的传输这些数据，除了必要的数据信息，还要加上一些附加信息。下面将详细介绍它们的名称和作用：Preamble和Framestart：Preamble长度为个字节，要与其他通讯参与者保持同步时钟脉冲。它与Framestart在以太网数据包中共同担任数据起始标志的作用。 Destination Address：该地址作为网络中MAC地址的一部分，代表数据接收设备的地址。 Source Address：同样属于MAC地址的一部分，代表数据发送设备的地址。 Data Field Width：数据长度代表以太网数据包中数据的准确长度。长度范围从0到1500字节。 Data and Pad：根据CSMA/CD的协议规则，为了保证在数据发生冲突时能够准确被监测，以太网数据包必需提供至少64字节的内容，如果实际数据低于这个长度，在该段内要增加更多的数据以保证达到最小数据容量。 Check-Sum：以太网的数据包还包括一个校验位。如果该段检测到传输错误，则必须中止传输并阻止数据访问下一协议层。以太网传输介质：以太网提供了不同类型的传输介质，通常使用以下几种：同轴电缆双绞线光纤 早期，主要使用同轴电缆，但是现在更多的还是使用双绞线。这种电缆包括两对铜线，每一对都两两相绞。而且每一对双绞线都有金属屏蔽层和绝缘皮层。光纤主要应用于长距离或高传送率的场合中。对于不同类型的电缆，都有不同种类的插头与之对应。比如RJ45插头适用于双绞线：通常，双绞线连接发送设备（TD）和接收设备（RD），两端接口相同。这些电缆连接网络参与者，比如PC或以太网CP插卡等装置。两个网络参与者本该用电缆直接连接，比如PC直接连接至以太网CP卡上，但有时由于种种原因，无法直接连接，而需要跨线。请看下图：中继器/集线器中继器用于连接各网络段，从而延展了网络范围，扩大网络拓扑结构。集线器的功能与中继器相近，但是它带有更多的接口，因此也成为多路中继器。中继器或集线器将网络段扩大，使数据传送到更多的设备中。因此，中继器可以连接不同类型的电缆（比如同轴电缆和双绞线）。集线器通常也用于连接不同的网络参与者。 交换机/网桥：与中继器相比，网桥不仅能使数据传送到更多的设备中，而且当冲突发生时，网桥可以将网络分隔成两个相互独立的冲突区域。交换机的功能与网桥相似，但是它可以将网络分隔成更多的区域。因此，交换机的每个接口都可以分隔出两个冲突区域。网桥和交换机可以连接在不同传输速率的以太网网络间，比如一端是10Mbps，另一端是10Mbps。 路由器/网关：路由器是另一种具有扩展功能的元件。路由器不仅能识别出各种以太网数据包，还能读出它们的具体内容，包括数据包的地址信息，经过路由器的分析，按照地址信息将该数据包传送至相应的接收设备中。通常路由器连接于不同的独立的网络间。下图是一个Ethernet-ISDN Router的连接示例。路由器连接在Internet和LAN之间。快速以太网 以太网与快速以太网的比较快速以太网与以太网非常相似，快速以太网标准基于经典以太网标准（10 Base T）而建立，但传输速率由10Mbps提高到100Mbps。 快速以太网的优点在于： 现存的以太网技术可以被进一步的应用。对于初次使用快速以太网的用户来说，不需要花费时间去学习新的知识。新的快速以太网技术可以直接使用且很快的掌握。 以太网与快速以太网的共同特点：数据格式：最短长度：64字节最大长度：1518字节地址区长度：48字节访问协议：CSMA/CD传输介质：除同轴电缆外其他相同通过中继器可以扩展网络。 不同点：两种网络的差别在于快速以太网具有更高的传输速率。 快速以太网的扩展能力明显小于10Mbps的经典以太网网络。为了保证CSMS/CD的有效性，从一个节点到另一节点的数据包传输时间被严格限制。传输时间取决于传输速率，以及被扩展的网络段。10Mbps以太网的最大长度为4520m，快速以太网为412m。当使用双绞线作为传输介质时，快速以太网的最大扩展距离为205m。如果使用光纤的话，可以达到320m，不过这也取决于采用什么样的拓扑方式。而10Base T经典以太网的拓展扩展距离可以达到500m。 快速以太网不支持同轴电缆。快速以太网支持以下传输介质：100Base T4 支持第3，4，5类4对双绞线100Base TX2支持第5类2对双绞线100Base FX 支持62.5/125m两芯光纤 而经典以太网可以使用双绞线，光纤以及同轴电缆。 快速以太网的网络设计不同于经典以太网：在经典以太网中，或多或少要用到中继器，在两个节点点不超过4个中继器。快速以太网网络中最多只能使用2个中继器。而中继器包括两种类型。 第一类中继器：这类中继器支持100BaseFX，100BaseT4和100BaseTX（支持光线和不同类型的双绞线）。在一个网络中（一个冲突区域）只能有一个第一类的中继器。 第二类中继器：这类中继器只支持100BaseTX和100BaseFX（支持光纤和第5类双绞线）。在一个网络中（一个冲突区域）可以使用两个第二类中继器。两个中继器之间的连接线路可以达到5m。 信号传输标准：尽管经典以太网也支持第3，4，5类双绞线传输信号，但是快速以太网的100BaseT4和100BaseTX所采用的信号传输标准不相同，也不同于10BaseT。也就是说10BaseT与100BaseT4和100BaseTX相互不兼容。如果选用双绞线通讯，要保证终端设备接口相同。若选用光纤，经典以太网和快速以太网的信号传输标准也是不同的。快速以太网具有自动检测功能可以与经典以太网设备进行通讯。 SIMAITIC NET具有下列特性：100 Base TX工业双绞线链接100 Base FX光纤链接 经典以太网 快速以太网IEEE标准 802.3 802.3u数据速率 10Mbps 100Mbps传输1位的时间 100ns 10ns协议 CSMA/CD CSMA/CD最大数据包 1518字节 1518字节最小数据包 64字节 64字节地址长度 48字节 48字节拓扑结构 总线，星，树 总线，树传输介质 双绞线，光线，同轴电缆 双绞线，光纤最大网络扩展长度 4520m 412m最大TP长度 100m 100m最大FO长度HDX 2000m 412m（点对点）最大FO长度FDX 2000m 2000m最大网络扩展长度取决于信号传输时间。根据所使用的网络主动设备数量，扩展长度会相应减少。传输介质100Base TX描述的是第5类2对双绞线以100Mbps速率传输数据。第五类电缆适用于最大频率为100MHZ的场合。而相应的接口也要符合第五类电缆的需求，可以使用10BaseT支持的RJ45连接器以及D9连接器。SIMATIC NET工业双绞线和接口也可使用超5类电缆。 100Base T4描述的是第3，4，5类4对双绞线以100Mbp速率传输数据。其中3对双绞线用于传输数据，另一对负责传送冲突消息。 第3类双绞线在10BaseT网络中也可传输高达10Mbps的数据。与第5类相比，第3类电缆更加便宜，但由于自身特性原因，在欧洲并没有广泛应用。第4类电缆用于令牌网络，最高可用于20MHZ的场合中。目前100BaseTX是快速以太网的最高标准，100Base T4则无法用于全双工场合。 100Base FX描述的是2芯62.5/125m光纤可达到100Mbps传输速率。在半双工模式下，光纤最大长度达到412m。如果连接交换机或路由器，全双工模式下长度甚至达到了2000m。设计规则快速以太网的设计规则主要为以下四个方面： 1 双绞线连接双绞线连接最长距离可达100m（包括终端设备/中继器或中继器/交换机）。 2 中继器：在两个节点间，只能使用1个第一类中继器，而第二类中继器最多可以使用2个。在两个中继器间的连接线最长不能超过5m。 3 全双工连接全双工连接（比如交换机/交换机连接）线路最长可达2000m。 4 光纤连接最长距离由中继器和所用的拓扑结构决定。中继器配置如下：上图中的Node代表任意的终端设备，网桥/交换机或者路由器。AB中继器A端最大长度B端最大长度第5类双绞线第5类双绞线第1/2类100100第5类双绞线光纤第1类100160光纤光纤第1类136136第5类双绞线光纤第2类100208光纤光纤第2类160160第2类中继器配置：上图中的Node代表任意的终端设备，网桥/交换机或者路由器。C代表双绞线，最大长度5m。AB中继器A端最大长度B端最大长度第5类双绞线第5类双绞线第2类100100第5类双绞线光纤第2类100116光纤光纤第2类114114全双工/半双工全双工（FDX）与半双工（HDX）相比，可以让通讯参与的双方同时传送和接收数据。当使用FDX时，通讯活动的参与者无法自动的检测到冲突是否发生。 全双工和半双工这两个名字来源于串口数据通讯技术。它们描述的是点对点连接的类型和方式。全双工并不是一种网络拓扑结构，它在以太网，快速以太网以及点对点通信中应用，但不一定在整个网络中全都使用全双工模式，只需在某些节点间使用，比如全双工模式连接中继器和交换机或是连接两个交换机。 全双工模式中，传输介质将信道分割，使用两个不同的路径来发送或接收数据。这就要求节点不仅能支持全双工模式，还要将信道分割成发送和接收两条路径。而光纤和双绞线恰恰能满足这些要求。 在使用光纤时，可以用两条光纤分别作为发送和接收通道。使用双绞线时，同样是靠两对双绞线分别作为发送和接收通道。 对于半双工模式来说，发送方和接收方使用相同的物理传输介质。在任何时刻，只有一方可以发送数据，另一方只能接受数据。通讯双方交替利用介质传输数据。 经典的同轴电缆是典型的半双工模式的传输介质。但是，双绞线和光纤一样可以支持半双工模式。 快速以太网明确规定要使用全双工模式。但是全双工模式不能支持100Base T4。同轴电缆不能支持全双工模式。 全双工和并行通讯全双工模式具有两个决定性的优点： 由于在全双工模式中不存在冲突，数据传输速率与网络的额定速率来说要提高一倍，经典以太网可以达到20Mbps，快速以太网可以达到200Mbps。 全双工也可以使网络扩展能力得到增强。如果使用光线作为传输介质的话，在100Base FX标准下，62.5/125mm的光线最大长度可以达到200mm。 如果在工业环境下，尤其是较大型的环境中，这个距离可能会显得有些短，但是为了保证数据发送和接收装置具有很高的执行能力，可以选用OSM（光学交换机模块），可以使通讯双方的距离达到3000m。以太网交换机以太网交换机根据数据包中的地址信息，将数据包直接从输入端口直接转送到输出端口。交换机是在网桥基础上设计而成，但与网桥相比，交换机可以同时传送多个数据包。交换机具有下列功能： 连接冲突区域和子网：由于中继器和集线器在物理层中工作，他们的扩展性受到冲突区域的限制。交换机用于连接多个冲突区域，因此它们不受中继器网络的数量限制。交换机可以被允许建立大型网络，最大范围可达到150KM，甚至更大。但是由于网络范围增加，必须考虑到数据包传输时会有延时。 网络分隔：使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。 冲突诊断：交换机通过检查数据包的校验位，可以检测出数据是否准确，如果有误，交换机可以保证数据包不会被传输。这样，发生在一个区域中的冲突不会影响到其它区域。并行通讯：交换机能够在不同网络段或节点间，同时处理多路数据。根据交换机接口数量的不同，它可以在不同网络段或终端设备间建立临时和动态的多路通讯路径。但是数据吞吐量会增加很多，因此要考虑到网络的处理能力。 大型网络中，主要有以下三种技术：100Mbps交换机全双工模式 自动协商自动协商是快速以太网的一种配置协议。指两个节点在传送第一个数据包之前，可以相互谈判来确定谁先发出数据。谈判结束后，由优先级更高的一个节点首先传输数据。整个系统的优先级为：100Base TX或 100Base FX全双工模式100Base T4半双工100Base TX半双工100Base T 全双工100Base T 半双工 为了保证得到准确的配置，也可以取消自动协商的功能。但自动协商的最大优点在于可以保证整个以太网中所有装置无故障。经典以太网没有自动协商功能，该功能只在快速以太网中存在。 自动检测自动检测指各网络节点能够自动地检测到数据传输速率（10Mbps或100Mbps），并且还具有自动协商的功能。 生成树协议在IEEE 802.1（d）标准中，生成树表示以太网结构由网桥和交换机连接而成。这样可以使数据包在网络中循环流通，从而使整个网络成为一个有机体。网桥/交换机通过使用生成树协议而相互连接起来，但是该协议非常复杂。在该协议下生成的网络结构也依赖于所使用的交换机数量，以及拓扑结构。通常情况下，系统根据协议建立起来的底层结构大概要花费30秒左右的时间，这在办公环境下或许可以接受，但对可视化或过程控制中无法满足实际要求。 在工业通讯中，系统响应时间要比办公环境下小很多，为了满足这种快速响应的要求，通常使用SIMATIC NET来对整个过程进行控制冗余的处理。因此要保证重新建立一个有效的网络基础结构，所需时间一定要小于0.3秒。 SIMATIC NET高速冗余： 工业以太网工业中的通讯要求与办公环境有着天壤之别。要考虑到通讯中的每一方面，比如网络中的主动和被动元件，终端设备，网络设计和拓扑结构，甚至环境要求等因素。而且在制造和控制自动化行业中还要使用TCP/IP协议。从而能够优化工业通讯。工业以太网的基本思想就是通过开发现存的网络标准，使各装置和整个系统适应现场环境的需求。 所谓主动元件，主要指如OLM，ELM，OSM，ESM等元件，它们连接不同的终端设备，不仅传送数据，还具有更多的智能功能。而被动元件是同轴电缆，双绞线和光纤这样的传输介质，它们只能对数据进行传送，不具有判定，分析的功能。 标准工业以太网机遇相应的国际标准，比如IEEE802.3，ISO/IEC 11801，EN 50173，并结合了各标准中的优点。通常情况下，在工业以太网和经典以太网间各元件不存在相互影响的状况。但在犹如生产和过程控制环境下，不得不考虑设备兼容的问题，因为工业以太网与经典以太网还是有不同之处，比如工业双绞线的连接，冗余要求等。除了标准有所不同外，工业以太网还在一些功能上有自己的特点，也是经典以太网不能提供的功能。 环境要求环境要求在工业场合与办公环境有很大差异。工业中必须符合EMC标准。工业与办公环境的要求主要是以下方面：EMC（电磁干扰的敏感性；干扰信号的传输）温度振动湿度环境污染 工业以太网就要求有很高的传输效率和很强的抗干扰能力，甚至要满足恶劣条件下的各种要求。 机架工业以太网一定要使用全金属机架。作为一条法则，要使用符合DIN标准的导轨，控制箱等设备，而且还要满足空间尺寸的要求，以及设备所能承受的振动防护要求。 温度范围传送的网络设备的温度范围在0到40摄氏度。但在工业环境下，要保证设备能够承受低温和高温，通常工作环境的温度会超过50摄氏度，所以工业以太网的设备温度范围在0到60摄氏度之间。 D型/RJ45连接方式D型连接方式在工业中已经成功地应用了很多年，包括现场总线PROFIBUS，而在工业以太网中也使用这种连接器。D型连接器与经常在办公环境中使用的RJ45相比，更适合在工业中使用，因为D型连接器工作更加稳定，适应性强，可支持的传输距离也更长。 双绞线（TP）和工业双绞线（ITP）EN50173（ISO/IEC11801）是第一个关于双绞线的标准。该标准定义了从主动网络设备（星型设配器，交换机）如何与终端设备（PC）进行连接，也说明了双绞线的允许长度。 由上图可以看出，标准规定了各段电缆的长度。RJ45连接器的接头很窄，只能连接截面通径很小的导线，才能插入到接口中。这种接法屏蔽方式太简单，会产生很高的信号噪声。Installation Line必须有较好的屏蔽层，大通径导线的信号噪声要小得多，但是无法安装在RJ45接口中。因此一种名为Patch Panel的设备被设计出来。它专门用于连接大通径导线，从而确保传送线上很低的噪声。标准规定在两个终端设备间的接线最长为100m。Installation cable与其它电缆相比，具有更好的屏蔽特性，长度可以达到90m。 工业双绞线的有以下两个特点：工业双绞线具有特殊的屏蔽设计：每对电缆都有铝箔屏蔽层；且两对电缆分别以辩状双绞。 D型口连接双绞线用于节点连接： 工业双绞线与全金属D型口一起使用，可以达到最好的屏蔽效果。下图说明了与其它接线系统相比，选用工业双绞线与D型口的好处，它们可以对现场环境的电压做出自适应，将干扰电压抑制在最小范围内。 干扰电压标准S/STP双绞线工业双绞线-2KV1190+2KV20-4KV61712+4KV2470 随着数据包错误数量的增加，会降低网络的有效性。在CSMA/CD协议中，即使出现数据包错误，网络的通讯不会停止。但是，通讯的质量大大下降。比如，不能保证每一次对警报信号的响应都有效！ 为了保证网络的有效性，请注意下列要求： ITP（D型口）TP（RJ45）电缆标准ITP电缆，带屏蔽最长100m点对点距离TP电缆最长10m点对点距离应用场合可以用以楼宇或EMC要求很高的场合生产控制过程控制控制室洁净的室内或EMC要求低的场合控制室用法控制柜内或外部终端设备连接连接网络设备控制柜内终端设备连接连接网络设备 双绞线/工业双绞线示意图： 距离上述内容已经详细介绍了双绞线技术。工业双绞线允许两个节点的传输距离达到100m，并且带有屏蔽保护层，而传统的双绞线只能达到10m的距离，而且屏蔽技术很落后。 使用光电元件时，要考虑到光纤的类型和所使用的接口，参看下图：元件光纤距离OLM DIN星型连接多模62.5/125m3100mOSM DIN交换机多模62.5/125m3000mOSM-LD DIN交换机单模9/125m40km 可用性在任何一个自动化系统中，通讯都是非常重要的一个环节。在制造自动化和过程控制中，必须要保证通讯的无故障化。网络或通讯中的故障可能导致整个系统的瘫痪。系统中断必然会引起很高的成本开销。因此，要尽量避免通讯和网络故障。SIMATIC NET工业以太网具有下列特点，可以满足上述要求：满足EN50082-2标准中所要求的对干扰的免疫性可以对网络中的元件提供24VDC冗余可以检测信号错误可为低水平工业进行扩展满足EMC条件冗余网络结构 冗余网络结构可保证网络底层的工作稳定性，即使网络发生了错误。在自动化，尤其是过程控制中，更要求系统有较高的适应性，通过使用高端的终端设备可以达到此要求。 环形冗余仅仅通过使用附加的电缆，就可以将网络构建成环型，从而获得效率高且经济的冗余网络。如果网络主动元件实效或电缆断路时，网络只需花费几毫秒的时间进行自主配置。因此，可以避免在昂贵的生产线中发生网络故障。SIMATIC NET环型冗余网络可以用光纤和双绞线构建，传输速率可达工业以太网标准。 信号传输原理信号传输原理实现了一种简单且非常经济的手段对网络进行监视。尤其是对冗余网络非常有效。由于介质冗余，通讯连续性和传输路径这些错误很难被发现，会导致在后续的通讯中出现网络完全瘫痪。如果使用DIN星型连接器OLM，所有的主动工业以太网网络元件共同形成了为信号接触器。通过网络元件的共同配合，提供了24VDC可以对各元件或网络做出不同状态的信号指示。这些指示也可以连接至HMI系统（比如WinCC）。这样，在故障发生后，所有的错误都可以被及时的修复。除了信号接触器外，网络元件也可以安装LEDs，以显示不同的状态。 网络管理 在很多情况下，都是通过信号接触器来对网络进行监视。但并不是所有场合都适合用信号接触器来监控网络，尤其是大型，多分支网络以及无法读取数字信号的终端设备。 因此，SIMATIC NET带有网络管理功能，通过新型的OSM/ESM（光电转换模块/电气转换模块）可以对网络进行管理，监测和诊断。 基于SNMP的网络管理：简单网络管理协议（SNMP）是一种基于TCP/IP的协议，专门用于数据网络管理。网络中的不同节点网络元件或者终端设备都可以称作是一个管理代理（agent），管理代理是一种特殊的软件或固件，包含了一个特定设备及该设备所处环境的信息。当一个管理代理被安装到一个设备上时，这个设备就被列为“被管理的”。管理代理可以获得所驻留设备的运转状态、设备特性和系统配置等相关信息。它就像是每个被管理设备的经纪人，完成管理器布置的信息采集任务。管理代理行使管理系统与管理代理所驻留设备的中介职能，通过管理信息数据库(MIB)中的内容来管理该设备。管理信息数据库中所包含的数据，随被安装设备的不同而不同。安装在网络管理工作站上的管理器，向管理代理收集设备信息时有轮询和中断两种方法。网络管理工作站可以通过轮询管理代理获得关于设备的信息，可以修改、增加或者删除代理中的表项，可以为设备中特定的事件设置阈值。当设备中发生某个闽值超过设定范围的异常事件时，管理代理可以立即向网络管理工作站发送自陷信息，通过基于中断的方法通知网络管理工作站进行处理。 目前，几乎所有的网络设备生产厂家都实现了对SNMP的支持。 基于网络的管理可以监测并诊断网络节点网络元件或终端设备使用标准的Internet浏览器，比如Netscape或Internet Explorer。使用这些浏览器，HTML网页中可以看到各节点中提供的开放的信息。 网络管理：工业通讯的设定下列内容将介绍快速以太网标准的背景和如何工作，未来的工业网络将离不开快速以太网和交换技术：快速以太网之所以得到成功的原因在上面的内容已经介绍，它跟10Mbps的以太网相比有很多相似之处，也正是在以太网一步一步拓展的基础上诞生的，而没有更多新生的，完全不一样的技术。成本和费用在100Mbps技术中也得到了理想的控制。 网络分段网络之所以可以工作的重要因素在于构建网络段。一个网络可以被分为不同的网络段，各个网络段与交换机连接。如果需要的话，每个终端设备也可以直接与交换机相连。SIMATIC NET交换机（比如ESM电气交换模块）可以将10Mbps的网络段与100Mbps的网络段连接为一体。 使用ESM对网络进行分段：交换机可以连接不同速率的网络段，也可以同时处理多路数据包。独立网络ESM可以将每个节点单独连接起来，每个节点单独工作。 ESM的功能类似一个多路复用器：100Mbps总线型拓扑链路100Mbps技术的使用起初是为了在网络中建立快速链路。当然，现存的10Mbps终端设备和网络元件依然可以建立快速链路，它们没有什么大的区别。但如果需要的话，可以将这些设备直接接入到100Mbps的网络中。 SIMATIC NET提供了OSM（光电交换模块）和ESM（电气交换模块）。这意味着用户可以通过光纤或双绞线来配置高性能的100Mbps网络的链路。 OSM是一种网络元件，带有2个100Mbps光纤接口和6个10/100Mbps接口。工业双绞线（D型口）和双绞线（RJ45）也可与OSM一起使用。100Mbps链路通过光纤口配置而成。终端设备或现存的网络段（比如来自OLM的工业以太网）能够连接到10/100Mbps的接口上。数据传输速率可以根据所连接的各装置的容量而自动调节。总线型拓扑结构中用100Mbps光纤构建的链路：ESM是一种全电气化的网络元件，带有8个10/100Mbps接口。工业双绞线（D型口）和双绞线（RJ45）也可与ESM一起使用。10Mbps链路通过2个双绞线接口配置而成。终端设备或现存的网络段（比如来自OLM的工业以太网）能够连接到10/100Mbps的接口上。 总线型拓扑结构中用100Mbps双绞线构建的链路：新式网络拓扑的设计传统的网络结构比如总线型或星型，它们通讯的基本需求在工业环境下不能完全满足。拓扑结构必须保证网络的可靠性和安全性，不能让任何干扰影响到生产系统或控制系统。生产的中断直接带来巨大的成本支出。因此，我们需要有一种可以监测故障，保证通讯可靠性的冗余网络。SIMATIC NET网络元件中的光电交换模块（OSM）和电气交换模块（ESM）满足上述要求，并且提供了各种可能性来配置一个冗余网络拓扑结构。带有交换机的环型冗余结构SIMATIC NET的OSM和ESM在1999年2月投入市场，它们第一次使配置100Mbps带有冗余环的以太网成为可能。冗余环包含了多路复用技术的优点。环状结构可以用很低的成本，尽可能大的扩大网络的范围，只需要多加一根电缆，就可以扩展网络。此外，环型结构与总线结构相比在一定情况下可以管理两个同时发生的故障。用光纤构建的环型网络还具备光纤所特有的EMC特性。这种网络拓扑结构由于OSM和ESM的产生而变得非常容易实现。因此，ORM凭借能够快速配置冗余而具有很大需求，该功能在新的工业以太网交换机中几乎全部被采用。环型冗余管理器通过DIP开关可以在模块中激活。 由光纤构建的环型冗余结构的交换网络：带有OSM和ESM的快速冗余在工业网络中，生成树协议并不十分适合，因为生成树原则需要很长响应时间。因此一个SIMATIC NET交换机创造了一种新的配置过程，该过程可以产生非常快的冗余。 在OSM或ESM中的冗余通过RM或环被控制。它保证在由50个OSMs或ESMs组成的环结构中，由于故障而需要重新配置网络的时间小于0.3秒。 这种技术可以不用更换现有的各种应用软件。这是非常重要的一点，特别是在工业通讯中！在工业中，自动化任务的工作很少采用无线方式通讯，在不同的自动化系统中通常都是有线方式进行逻辑连接，这就要时刻对这些设备进行维护。 快速冗余技术保证这些逻辑连接不会被中断，通讯也不会瘫痪。大型网络扩展在两个OSM之间，如果使用多模光纤，最长距离可以达到3000m。在包含50个OSM的环型冗余结构中，可以延长到150km。 当使用新型OSM-LDs（LD代表long distance）和单模光纤时，两个模块间的距离甚至可以达到40km。这就意味着包含50个OSM-LD的环型冗余结构，延展距离为2000km。环型结构的等级在实际应用中，有时不需要整个网络的全部装置都参与工作，可能只需一部分元件执行命令。网络的结构可以按照需要而分成一个个子网。使用OSM，ESM和OLM这些工业以太网元件，就可以将网络分隔成不同结构的子网。 环型冗余或网段可以用OSM和ESM进行分隔。同样，在一个环型中的两个OSM或ESM通过后备接口可以进行冗余连接。在环型冗余连接中，一方为主动方，剩下的连接为后备方。两个模块为了交换状态信息也相互连接。如果在主动方出现故障，系统会在0.3秒内自动将网络连接切换至后备方连接。环型结构的等级：这种拓扑结构在主环型网络中，产生了子环型网。互联协议TCP/IPTCP/IP表示两种不同的协议。IP协议（Internet Protocol）是一种基于Internet的协议。IP协议实现的是数据包在Internet中不同网络间的传输。TCP协议（Transmission Control Protocol）基于IP协议，起协调数据传输的作用。Internet连接着各种网络，这些网络并非一定是以太网络。为了能够从各网络中提取出数据，IP协议成为通讯中的基础。因此，要具有下列特性：能够获得所有网络的地址能够在整个网络范围内传送数据包寻址为了清楚的分辨出Internet中的所有参与者，IP协议定义了一种寻址方式，这种方式的优先级高于以太网的MAC寻址方式，被称为IP地址。它包含了32个位，这些位由点号被分配成4个相互独立的字节（比如139.6.138.20）。大部分的IP地址都是开放的。这些地址从中央机构发布至互联网的参与者或大型企业中。除了开放的地址，还有一部分地址是私人的，并不公开发放。 私人IP地址10.0.0.1 - 10.255.255.254172.16.0.1 - 172.31.255.254192.168.0.1 - 192.168.255.254 这些私人IP地址用于为网络参与者建立局域网。由于这些地址在全球被反复使用，所以他们不能在Internet中被分配，并且路由器也不法读取这些地址。当以太网卡的MAC地址随机被分配时，IP地址也根据网络的逻辑拓扑方式被分配。因此，IP地址可以分为两部分：IP地址包括网络地址和节点地址，分别是两高位字节和两低位字节，一个以太网内部的所有装置都有相同的网络地址，他们都是同一网络的参与者。子网掩码可以确定网络上的主机是否在同一网络段内。和IP地址一样，子网掩码也包含32个位，4个字节。在同一网段内，不同IP地址的子网掩码的相应的位全部为1。子网掩码原理参见下图：根据Internet的另一种协议，根据MAC地址而产生的不同的IP地址分为不同的类，该协议为ARP协议（Address Resolution Protocal）。比如，如果网络参与者想发送一个数据包给同一网络内的另一个参与者，但它并不知道接受方的MAC地址，为了找到这个地址，一个特殊的数据包会发送给局域网内的每一个参与者。当真正的接受方感知到这个数据包后，发送方根据对方的IP地址确定可以将数据发送。 IP通讯虽然网络中每个参与者都具有一个特定的IP地址，但是互联网的拓扑结构极其复杂，当两个参与者传送数据时，它不可能每个参与者哪条路径才是最佳选择。因此，就要有一种特殊的路径选择技术。所以，每个参与者必须知道自己的临近参与者的地址，以确定发送数据时如何选择最佳路径。 比如，如果参与者A2想法送数据给B1（见下图），A2起初并不知道如何将数据送至B1。但是，通过比较B1的和自己的IP地址，A2可以确定对方并不是和自己同处于网络段A内。 A2所在网段内的路由器（在Windows操作系统中也被称为网关）具有一个IP地址和子网掩码。该路由器的地址就是图中的Router A。由于A2已经认识到数据接受方在其它网络段中，所以必须通过路由器A来传输数据。路由器A可能并不知道B1的地址，但是它知道B1网段内路由器的地址。最终，数据包将传送给路由器B。而路由器B知道B1的地址，并将数据包传送到B1。TCP协议 现在，发送方希望发送的数据包已经通过IP协议送给了接受方，即使两者在不同的网段内。然而，如果数据包不得不被分成多个