（控制理论与控制工程专业论文）工业以太网的实时调度及系统设计.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 9 0 年代以来，以i n t e r n e t 为代表的计算机信息产业和数据通信网络蓬勃兴起， 发展迅速，同样也对工业自动化领域形成了强大的冲击，新型的工业计算机网络 如新型集散控制系统( d c s ) 、现场总线( f i e l d b u s ) 、工业以太网( i n d u s t r i a l e t h e r n e t ) 等大量涌现，给工业自动化带来一场深层次的革命。但现场总线的国 际标准未能统，不同总线产品膳q 羞不能直接互连、互用和互可操作，现场总线 真正实现开放性任重而道远随着技术的发展，企业要求工业网络从现场控制层 到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架。这时传统以 太网逐渐进入了控制领域。 本文根据工业网络的要求，结合传统以太网技术、交换技术等，研究了工业 以太网的控制策略、测试方法、实时调度、网络管理和系统设计等技术问题，分 析了工业以太网的冗余设计，提出了理想的工业以太网理想解决方案。 f 本文的主要内容包括： 、 1 、系统介绍了工业网络历史发展和研究现状，对工业以太网和d c s 、现 场总线进行了比较，介绍了工业以太网的历史发展和背景知识，指出了工业以太 网所具有的优势、存在的问题及本文的研究方向。 2 、对以太网控制策略的实施进行了深入的研究，设计了具体的网络配置 实例，通过模拟软件进行了仿真，并详细分析了仿真结果；测试了吞吐量、传输 时延、故障恢复时延等网络基本性能，并对测试结果进行了定性的分析。 3 、针对传统以太网的不确定性，我们结合现有技术，研究了采用全双工 交换式以太网、虚拟局域网、服务质量( q o s ) 、i p v 6 等技术提高工业以太网实 时性的方法和途径。 4 、 根据网络管理系统的特性，深入研究了工业以太网管理系统的体系结 构，并对基于o p c 的现场获取进行分析，提出了基于x m l 的远程监控。 5 、 分析了工业以太网的核心层和分布层的冗余设计，并给出各种冗余设 浙江大学硕上学位论文 计方案；研究了工业以太网的系统设计，提出了理想的工业以太网解决方案，并 指出未来一段时间内的发展方向混合型系统。 最后对全文进行了概括性的总结，并指出了其他有待深入研究的问题和今后 工作的重点。 工业以太网以其开放的特性和结构化的设计，在工业控制领域必然有很好的 应用前景：而目前仍有很多关键技术有待解决，积极的研究工作将有助于工业以 太网的迅速应用，并产生良好的经济效益。、 、” 关键词：三缈网；型度；歪筑设计；唑笪理；塑童卜 v 浙江人学硕i 学位论文 a b s t r a c t a f t e r19 9 0 s i n f o r m a t i o n i n d u , ；t r y a n dd a t at r a f f l cn e t w o r kh a v e g r e a t l y m u s h r o o m e da n di n f i u e n c e di n d u s t f i a la u t o m a t i o n n e wt y p ei n d u s t r i a ln e t w o r k ss u c h a sd c s ，f i e l d b u sa n di n d u s t r i a le t h e m e th a v eb r o u g h tah i g h l e v e lr e v o l u t i o ni n i n d u s t r i a la u t o m a t i o n h o w e v e rb e c a u s eo ft h ed i s u n i o no ft h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s o f f i e l d b u sa n di n d i r e c ti n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r o p e r a t i o nb e t w e e nd i f i e r e n tk i n d so f f i e l d b u sp r o d u c t s t h eo p e n n e s so ff i e l d b u sc a nn o tb ea c h i e v e de a s i l y w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea b i l i t yo f s e a m l e s si n t e g r a t i o nb e t w e e n m a n a g e m e n tl a y e ra n df i e l dc o n t r o ll a y e ri sr e q u i r e da sw e l la sa l lo p e n i n f r a s t r u c t u r e b ye n t e r p r i s e s a n dc o n s u m e r s t r a d i t i o n a le t h e m e th a s g r a d u a l l y e n t e r e dt h e i n d u s t r i a lc o n t r 0 1f i e l di nt h es a m et i m e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi n d u s t r i a ln e t w o r k ，t h es c h e d u l i n go f r e a l t i m e t r a f f i c ，n e t w o r km a n a g e m e n t ，c o n t r o ls g a t e g ya n d t e s tm e t h o do fi n d u s t r i a le t h e m e t w e r ed i s c u s s e dc o m b i n i n gt r a d i t i o n a le t h e m e tt e c h n o l o g ya n ds w i t c h i n gt e e h n o l o g y i nt h i st h e s i s w ea n a l y z e dt h ea n a l y z e dt h er e d u n d a n c yd e s i g na n dp r o v i d e dt h ei d e a l s y s t e md e s i g no f i n d u s t r i a le t h e m e t t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i s1 sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 f i r s t l y , w em a k ea no v e r v i e wt h eh i s t o r y a n dt h el a t e s ta c h i e v e m e n to f i n d u s t r i a ln e t w o r ka n dc o m p a r ei n d u s t r i a le t h e m e tw i t hd c sa n df i e l d b u s w ea l s o i n t r o d u c e dt h e h i s t o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l e t h e r n e t w em a k ea d i s c u s s i o no na d v a n t a g e sa n dp r o b l e m so fi n d u s t r i a le t h e m e ta n dp o i n t e do u tt h e d i r e c t i o no f r e s e a r c hf o rt h i st h e s i s 2 w es t u d i e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe t h e r n e ti n d e p t ha n dd e s i g n e ds p e c i f i c e x a m p l eo fn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n ；t h e nw ee m u l a t e d t h ee x a m p l eo ns i m u l a t i o n s o f t w a r ea n da n a l y z e dt h er e s u l t so fe m u l a t i o ni nd e t a i l w ja l s ot e s t e dt h eb a s i c p e r f o r m a n c eo f n e t w o r ks u c ha st h r o u g h p u t 、t r a n s m i s s i o nl a t e n c ya n df a u l tr e c o v e r y l a t e n c ya n dq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e dt h er e s u l t so f t h e t e s t 3t ot h en o n d e t e r m i n i s t i co ft r a d i t i o n a le t h e m e t w es t u d i e dt h et e c h n o l o g i e s s u c ha sf u l l d u p l e xs w i t c h e de t h e m e tn e t w o r k ，v l a n ，q o sa n di p v 6t e c h n o l o g yi n d e t a i l ，w h i c ha r eu s e dt or e a l i z et h ea b i l i t yo f r e a l t i m eo f i n d u s t r i a le t h e m e t 4 b a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ，w ed i s c u s s e d 浙江大学硕 学位论文 t h ea r c h i t e c t u r eo fi n d u s t r i a le t h e m e tn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m w ea n a l y z e d d a t a o b t a i n i n gp r o c e s so f i n d u s t r i a lf i e l db a s e do n0 p ca n d p u tf o r w a r da n e wr e m o t e s u p e r v i s es y s t e mb a s e d o nx m l t e c h n o l o g y 5 l a s t l y ，w ea n a l y z e d t h e r e d u n d a n c yd e s i g n o ft h ec o r e l a y e r a n dt h e d i s t r i b u t i n gl a y e ro fi n d u s t r i a le t h e m e ta n dp r o v i d e dt h es c h e m e so fr e d u n d a n c y d e s i g n a tt h es a m et i m e ，w ed i s c u s s e dt h ep a t t e r nd e s i g no fi n d u s t r i a le t h e r n e t ， p r o v i d e dt h e i d e a l s y s t e md e s i g no fi n d u s t r i a l e t h e m e ta n dp o i n t e do u tt h en e w d i r e c t i o n h y b r i ds y s t e m o fi n d u s t r i a le t h e m e ti nt h ef u t u r e f i n a l l y , w ed r e w ac o n c l u s i o na n d p r o p o s et h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s w eb e l i e v et h a ti n d u s t r i a le t h e m e tw i l lh a v eab r i g h tf u t u r eo fa p p l i c a t i o ni n i n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d t h e r ea r es t i l ls o m ek e yp r o b l e m sn e e d e dt or e s o l v e p o s i t i v e s t u d yw o u l d b eh e l p f u lt op u s hi n d u s t r i a le t h e m e tf o r w a r di na p p l i c a t i o n k e y w o r d ：i n d u s t r i a le t h e m e t ；s c h e d u l i n go f r e a l t i m e ；s y s t e md e s i g n ； n e t w o r k m a n a g e m e n t ；r e d u n d a n c yd e s i g n ； 浙江大学硕士学位论文 致谢 值此论文付梓之际，首先谨向我的导师、中国工程院院士孙优贤教授表示 崇高的敬意和衷心的感谢! 本学位论文是在导师的悉心指导下完成的。在我攻读 硕士学位期间，导师在学习、工作和生活上都给予了无微不至的关怀和帮助。导 师严谨而开放的治学态度、渊博而深邃的学识、敏捷深刻的洞察力和平易近人的 长者风范一直影响和激励着我，并将是我一生最宝贵的精神财富，使我终生受益。 衷心感谢林庆女士和李卫华老师在我攻读硕士学位期间在生活学习上所给 予的周到、热忱的帮助。 衷心感谢王智副教授对论文给予指导，并在学习和生活上无微不至的关怀。 感谢孔亚广博士、胡国龙博士、蒋鹏博士、沈国江博士、高利新博士、黎 善斌博士、范兴刚博士、陈积明博士、刘稳国硕士、许锋硕士、黄清波硕士、方 瞍硕士、李扬硕士等对我的帮助和支持，在学习过程中与他们所进行的诸多有益 的讨论，使我获益非浅。同时对所有关心和帮助过我的其他老师、同学表示诚挚 的感谢，谢谢你们与我一起度过这段美好时光。 最后，我要特别感谢我的家人和朋友。一直以来，他们给予我在生活和工作 上的理解、关怀与支持鼓励，远非语言所能表达，如果没有他们，我不可能顺利 地完成两年多的学习，当然也不会有本文的完成。谢谢! v i l l 宰守刚 2 0 0 3 年2 月 于求是园 浙江大学硕上学位沦文 第一章综述 摘要：本章介绍了工业计算机网络的发展和现状，对现有的研究成果进行 了分析和述评：分析了现场总线对工业网络的影响，指出了现场总线在工业应用 中的优势和不足；回顾了以太网技术的发展；回顾和总结了工业以太网的研究历 史和现状，讨论了交换技术在工业以太网中的应用，阐明了本文的研究对象和采 用的方法。 1 1 引言 9 0 年代以来，以i n t e r n e t 为代表的计算机信息产业和数据通信网络蓬勃兴起， 发展迅速，对工业自动化领域形成了强大的冲击，新型的工业计算机网络如新型 集散控制系统( d c s ) 、现场总线( f i e l d b u s ) 、工业以太网( i n d u s t r i a le t h e m e t ) 等大量 涌现【1 1 ；信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的 各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场。信息技术的飞速发展， 导致了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业 信息系统f2 1 。在追求控制系统的整体性能提升的同时，对其重要的支撑系统 工业网络系统的研究和改进从来没有停止过。 当前，在企业网络不同层次间传送数据信息已经变得越来越复杂，工业网络 在开放性、互连性、带宽等方面提出了更高的要求【3 】，这也使得工业网络向体系 结构开放性的方向发展。开放系统应具备如下的特征【5 1 ： 1 ) 标准化：与国际有关的程序设计、通信、网络管理、界面表示、系统 接口等标准兼容，符合开放系统互联协议； 2 ) 可移植性：各种平台的应用程序可以移植； 3 ) 可伸缩性：系统规模、功能具有伸缩性： 4 ) 可互操作性：系统的设计和实现不依赖特定的供应商的设备、计算机 硬件与软件平台。 浙江大学硕士学位沦文 在当前的工业网络中，具有开放性体系结构的特征的工业网络类型主要有 m a p ( 制造自动化协议) 、f i e l d b u s ( 现场总线) 和i n d u s t r i a le t h e m e t ( 工业以太网) 。 由于m a p 至今还未满足工业用户的期望，因此下面的章节我们就详细讨论 f i e d b u s 和i n d u s t r i a le t h e m e t 的历史发展、研究现状和各自的特征，对m a p 我们 将只作简单的介绍。 1 2 集散控制系统( d c s ) 上个世纪7 0 年代中期，工业控制领域出现的崭新工业控制系统集散控 制系统( d c s ) ，可以看作是工业计算机网络的雏形。2 0 多年来，d c s 已由以分散 控制为主的早期产品发展到了以全面信息管理为重点的新型综合控制系统，这大 致经历了3 个阶段。第一代d c s 实现了以微处理器为核心的过程控制单元( p c u ) 的分散化，将c r t 操作站与p c u 相分离，采用主从式通信系统，它是计算机、 过程控制、通信和c i 盯技术相互融合的产物。计算机局域网技术的突破性发展 直接促使产生第二代d c s 。第二代d c s 变为无主站的n ：n 通信，各p c u 、上 位机、c r t 操作站等处于“平等”地位，传输方式为点一点、点一多点和广播 式，媒体访问控制以令牌传送为主。第三代d c s 的网络通讯协议趋于标准化， 如采用m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 和t o p ( t e c h n i c a la n d o f f i c e p r o t o c 0 1 ) ，力图解决整个企业的综合管理问题。【1 ，3 ，4 】 m a p 是一个开放网络，但至今还未满足用户的期望。它具有第一流的，但 却是缓慢的信息传递协议，这些协议一直在不断地发展中；由于m a p t o p 指导 委员会在1 9 8 7 年6 月发表声明，m a p 3 0 稳定六年不变，因此大多数的制造商 都降低了m a p 的发展速度1 5 】。 1 3 现场总线技术 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络【6 1 。它 在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 浙江犬学硕士学位沦文 1 3 1 现场总线的发展情况 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算 机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速的发 展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的 模拟型号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系 统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的 信息集成，要实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性 能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的 多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换”i s 。现 场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造自动 化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，沟通了生产过程现场 控制设备之间及其与更高控制管理网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信 息孤岛创造了条件。 而智能仪表为现场总线的出现奠定了基础。1 9 8 3 年，h o n e y w e l l 推出了智能 化仪表s m a r 变送器；这些仪表带有微处理器芯片，在模拟仪表的基础上增 加了复杂的计算功能，还在输出的g 2 0 m a 直流信号上迭加了数字信号，使现场 与控制室之间由模拟型号过渡到数字信号扣j 。此后，各大公司都相继推出了各有 特色的智能仪表。这些智能仪表克服了单一模拟仪表的多种缺陷，使现场j 总线用 于工业现场成为可能。 1 9 8 4 年美国仪表学会( i s a ) 下属的标准与实施工作组中的i s a s p 5 0 开始制 定现场总线标准 6 1 ；1 9 8 5 年，国际电工委员会决定由p r o w a yw o r k i n gg r o u p 负责 现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总 线( p r o c e s sf i e l d b u s ) 标准，简称p r o f i b u s 吲。1 9 9 2 年由s i e m e n s 、f o x b o r o 、 y o k o g a w a 、a b b 等公司成立i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 组织，着手以 p r o f i b u s 为基础制定现场总线标准，1 9 9 3 年成立了i s p 基金会i s p f 1 0 l 。1 9 9 3 年由h o n e y w e l l 、b a i l e y 等公司牵头成立了w o r l df i p ，约1 2 0 多个公司加盟，以 法国标准f i p 为基础制定现场总线标准】。由于标准众多，又代表各大公司利益， 致使现场总线标准化工作进展缓慢。1 9 9 4 年，世界两大现场总线组织i s p 和w o r l d 浙江大学硕士学位沦文 f i p 北美部分合并，成立了现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，简标f f ) ，总部 设在美国t e x a s 州的a u s t i n ，以推动现场总线标准的制定和产品开发。与此同 时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基 础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。如德国 b o s c h 公司推出c a n 、美国e c h e l o n 公司推出的l o n w o r k s 等。 1 3 2 现场总线的技术特点与优点 现场总线系统在技术上有以下特点 5 , 7 , 1 3 , 1 4 1 ： 1 ) 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，不同厂家的设备之间可以 互联并实现信息交换。现场总线的开发者就是要致力于建立统一的工厂设备层网 络的开放系统。 2 ) 可互操作性与互用性。可互操作性，是指实现互联设备问、系统问的信 息传送与沟通，可实现点对点、点对多点的数字通信。互用性意味着对不同生产 厂家的性能类似的设备可进行相互替换。 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处 理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4 ) 系统结构的高度分散性。现场总线构成一种新的全分散性控制系统的体 系结构，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 ) 对现场环境的适应性。现场总线是专为在现场环境下工作而设计的，它 可支持双绞线、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采 用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从 设计、安装、投运到l 下常生产及其检修维护工作简便，从而有以下优点【5 , 15 , 1 6 】： i ) 节省硬件数量和投资。由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能蛊 接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要 单独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技 术及其复杂接线，从而节省了硬件投资。控制设备的减少也减少了控制室的占地 4 浙江大学硕士学位沦文 面积。 2 1 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆 上可挂接多个设备，因而电缆、端子、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校 对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，可就近连接在原有电缆上， 节省了投资，减少了设计、安装的工作量。 3 1 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并 将相关的诊断维护信息送往控制室。用户可以查询设备的运行情况，诊断维护信 息，分析故障原因并快速排除，从而缩短了维护停工时间，减少了维护的工作量。 4 1 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商提供的设 备来集成系统，系统集成的主动权掌握在客户手里。 5 1 提高了系统的准确性与可靠性。与模拟信号相比，现场总线设备的智能 化、数字化从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于 系统结构简化，设备与连线减少，提高了系统的可靠性。 另外，现场总线设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构 等优点。 1 3 3 现场总线的不足 现场总线有其突出的优点，但也有其明显的不足之处，主要表现在以下两点 1 5 j ： 1 ) 现场总线没有单一的国际标准 各类现场总线制定了各自不同的体系结构和标准。而经过1 4 年的纷争，2 0 0 0 年初8 种现场总线成为i e c 现场总线国际标准子集 2 6 】。这一结果令人失望，也 违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。尽管基金会现场总线试图推出中立 和公正、防止任何技术垄断、广泛性的体系结构和标准，但至今仍有一些标准未 能取得一致通过，并且迟迟未见产品问世。现场总线真正实现开放性任重而道远。 在这种情况下，多种现场总线并存，共存于一个系统已成为客观事实。 2 ) 现场总线的系统开发困难，开放性有一定的局限性 f f ，l o nw o r k s ，c a n 等现场总线均有自己的协议，要构成一个控制系统， 必须采用相应的丌发工具、平台、软件包。这需要较昂贵的代价，往往只有开发 浙江大学硕士学位沦文 商、研究机构才能有这类开发工具，一般用户则无能为力。这说明现场总线的丌 放性仍有一定的局限性。许多技术人员正致力于现场总线图形化节点软件开发工 具的研究工作。 当现场总线由于以上不足而停滞不前时，人们开始寻找新的出路，以太网进 入了人们的视线。 1 4 以太网技术、交换技术与工业以太网 以太网是目前应用最广泛的通信网络之一。9 0 年代中期，当现场总线大战 正浓时，传统用于办公室和商业的以太网开始进入工业控制领域。 1 - 4 i 以太网技术 以太网是在1 9 7 2 年发明的。由于种种原因，x e r o x 、d e c 、i n t e l 等公司联合 起来开发以太网产品；1 9 7 9 年9 月x e r o x 、d e c 、i n t e l 等公司联合推出了“以太 网，一种局域网：数据链路层和物理层规范1 0 版”，这就是著名的以太网蓝皮 书，也称为d i x 版以太网1 0 规范。最初的以太网采用1 0 m b p s 速率和带有冲 突检测的多路载波侦听协议( c s m a c d ) 。在d i x 开展以太网标准化工作的同时， 世界性专业组织i e e e 也组成了一个定义与促进工业l a n 标准的委员会 i e e e 8 0 2 委员会。1 9 8 1 年6 月，i e e e s 0 2 委员会决定成立8 0 2 3 分委员会，以产 生基于d i x 工作成果的国际公认标准。1 9 8 3 年，新的i e e e 8 0 2 3 草稿标准最终 以i e e e1 0 b a s e 5 面世，它包括o s i 参考模型的物理层和数据链路层。这是第一 个以太网规范。此后，各大公司相继推出了自己的以太网产品，并且随着个人计 算机迅速占领市场而得到了迅速的发展。 1 s , 1 9 , 2 0 1 当前，以太网结合t c p i p 是目前应用最广泛的局域网技术之- - 1 9 。以太网 最初是作为非实时通信网络出现的，采用带有冲突检测的多路载波侦听协议 f c s m a c d ) $ 口二- - 进制指数回退算法( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k - o f 0 处理冲突【1 8 】。以 太网具有通信速度快( 最高可达1 g b i t s ) ，开发和生产成本低( 工业需求量大) ，开 放性好( 支持多种网络协议) ，技术发展进步速度快等优点【2 1 1 。这使以太网在办公 自动化和i t 行业取得了广泛的应用，已经成为最受欢迎的通信网络之一。 浙江大学硕e 学位沦文 传统的以太网采用的c s m a c d 协议，在介质共享时使用，它禁止运行周期 性的实时通信，延迟大，实时性差。c a m a c d 协汉在传输过程中引起冲突时， 将中止数据传输，等待一段时间后，再尝试重新传输 2 2 】。随着联网站点的增加、 设备性能的提高及多媒体技术的应用，传统的以太网存在的缺点越来越明显，己 远远不能满足需求。随着技术的发展，人们把交换技术引入了以太网网络系统， 从而极大地改进了以太网的性能。 1 4 2 交换技术 交换机是一种多端口带有处理器和存储器的通信设备，它一般有多个 1 0 m 1 0 0 m 的以太网端口和l 一2 个1 0 0 m 1 0 0 0 m 的上行链路端口【2 ”。交换机的用 途有进行网络分段和工作组连通。交换机是在以太网实施交换技术的硬件设备。 以太网交换机基于硬件实施桥接和选路。在交换机中，数据帧的转发是出被 称为专用集成电路( a s i c ) 的专业化硬件处理的。现在普遍采用的交换方式是存储 一转发( s t o r ea n df o r w a r d ) 、直接转发( c u tt h r o u g h ) 、快速转发( f a s tf o r w a r d ) 2 4 1 。 当前采用的交换机提供的技术主要有以下几种【2 5 】： 1 ) 网络分段。交换机使用网络分段把原来的一个大的冲突域分割成几个较 小的冲突域，冲突域中的设备减少，每个设备所使用的带宽增加。冲突域中的设 备越少，同时有两台或两台以上的设备尝试发送数据而发生冲突的可能就越小。 浙江大学硕士学位沦文 初始化的时候，交换机接收到的数据帧被转发到交换机的每一个端口。当交 换机建立了完整的转发数据库后，它将仅仅把数据帧转发到和数据帧的目的地址 相对应的端1 3 。如图1 1 所示，以太网交换机把网络分割为一个个单独的冲突域， 并且数据只发送到和数据帧目的地址对应的端口，这大大减少了发生冲突的几 率。实际上，当我们把重要的现场控制设备放到一个单独的冲突域中， 这个设 备的数据流和另外的数据流发生冲突的几率几乎为零。 2 1 控制策略。交换机可以在各个端口上实施控制策略，从而限制使用交换 机的主机硬件地址；也可以通过访问控制列表来管理物理设备，通过端口安全控 制来为网络的物理访问提供安全保障。数据流量管理控制也可以通过使用访问控 制列表来完成。 3 1 虚拟局域网( v l a n ) 。v l a n 可以克服物理位置的限制，把一组特定的 设备组成一个广播域，从而更加合理的使用带宽，增强网络的安全性。虚拟局域 网利用v l a n 干道协议( v t p ) 来进行配置。虚拟局域网与外部通信必须通过路由 选路。 4 ) 第2 层交换。第2 层交换可以实现数据的优先级别，保证关键数据的实 时传输，提供了在不给网络添加不必要的复杂性的前提下增加带宽的能力。第2 层交换通过在交换机端1 3 的设置，可以限制使用交换机的主机硬件地t t k ( m a c 地 址1 ，以防止非授权用户对工业网络设备的访问和减少不必要的网络流量，从而 节省了带宽，保证工业网络的安全。 5 ) 第3 层交换。第3 层交换是基于硬件的选路。实际上第3 层交换机和路 由器对数据包交换操作的主要区别在于物理的实施，路由器基于微处理器的引擎 执行数据包交换，而第3 层交换机通过硬件执行数据包交换。由于能够高性能地 处理局域网数据流量，第3 层交换机可以放在网络中的任何地方经济有效地取代 传统路由器。 第3 层交换机可以通过标准访问控制列表来管理物理设备，完成网络数据流 量控制。第3 层交换机在接口应用标准访问控制列表，允许或限制特定的源i p 地址数据通过该接口，从而为网络提供安全性，对网络的数据流量进行控制，也 可以节省带宽。 6 ) 第4 层交换。第4 层交换是指考虑了应用基于硬件的第3 层选路。第4 浙江大学硕士学位沦文 层交换不仅可以基于硬件地址( m a c 地址) 和源目的i p 地址来做出转发决定，也 基于第4 层参数( 如t c p 端口或u d p 端口) 来做出转发决定。第4 层交换机在接 口应用扩展访问控制列表，允许或限制特定的源目的i p 地址、协议类型和端口 号的数据信息通过该接口，从而实施对网络的控制策略。 通过以上各种交换技术的应用，可以克服传统以太网的不足，可以对网络流 量进行有选择的传送，从而使以太网中的网络数据有一定程度的优先级别。 1 4 3 网络知识及t c p i p 协议1 8 】 本节将给出一些关于网络通信协议的背景知识。 1 ) o s i 参考模型。开放系统互联( o s i ) 参考模型是由国际标准化组织( i s o ) 制定发展的。它的最终版本是i s o7 4 9 8 ，于1 9 8 4 年出版。这个参考模型主要有 七层组成。下面简单介绍一下这些层： 应用层：包含大量人们普遍需要的协议。应用层还有文件传输的功能。 表示层：完成某些特定的功能，由于这些功能常被请求，因此人们希望找到 通用的解决办法，而不是让每个用户来实现。表示层以下的各层只关心可靠地传 输比特率，而表示层关心的是所传输的信息的语法和语义。表示层服务的一个典 型例子是用一种大家一致同意的标准方法对数据编码。 会话层：允许不同机器上的用户建立会话( s e s s i o n ) 关系。会话层循序进行 类似传输层的普通数据传输，并提供了对某些应用有用的增强服务会话，也可被 用于远程登录到分时系统或在两台机器间传递文件。 传输层：在终端到终端之间提供可靠的、透明的数据传输；提供端到端的纠 错和流量控制。 网络层：关系到子网的运行控制，其中的一个关键问题是确定分组从源端到 目的端如何选择路由；负责建立、维持和中止链接。 数据链路层：主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显 现一条无错线路。同时负责使发送的帧同步，检错和流量控制( 防止高速的发送 方的数据把低速的接收方“淹没”) 。 物理层： 涉及到通信在物理传输介质上的原始比特( b i t ) 流。这里的设计 主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质问题。 9 浙江大学硕士学位沦立 这些层通常用数字来表示，以物理层作为第一层开始。以太网在o s i 参考 模型的第一层( 物理层) 和第二层( 数据链路层) 。 2 ) t c p i p 参考模型 t c p i p 参考模型是a r p a n e t 和其后继的因特网使用的参考模型，t c p i p 参考模型是当前使用最广泛的参考模型之一。它主要由四层组成，下面我们简单 介绍t c p i p 参考模型的四层。 应用层：包含所有的高层协议。例如f t p 协议、h t t p 协议等。 传输层：它的功能是使源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话，和 o s i 的传输层一样。这里定义了两个端到端的协议：传输控制协议( t c p ) 和用 户数据报协议( u d p ) 。 互联网层：它是整个体系结构的关键部分。它的功能是使主机可以把分组发 往任何网络并使分组独立地传向目标( 可能经由不同的网络) 。i p 协议就在这一 层。 主机到网络层：t c p i p 参考模型并没有真正描述这一部分，只是指出主机 必须使用某些协议与网络连接。这一部分可以是以太网、令牌环、光纤网，也可 以是x 2 5 、帧中继、i s d n 、a t m 等。 3 ) o s i 参考模型和t c p i p 参考模型的比较 i 0 浙江大学硕士学位沦文 o s i 参考模型和t c p i p 参考模型有很多相似之处。它们都是基于独立的协 议栈概念。而且，层的功能也大体相同。但是，除了基本的相似之处外，这两个 模型也有很多差别，图1 2 是o s i 参考模型和t c p i p 参考模型的比较。 o s i 参考模型产生在协议发明之前。这意味着该模型没有偏向于任何特定的 协议因此非常通用。但不利的方面是设计者在协议方面没有太多的经验，因此不 知道该把那些功能放在那一层好。因此，当人们开始用o s i 模型和现存的协议 组建真正的网络时，常常发现它们不符合要求的服务规范，就不得不在模型上增 加子层以弥补不足。 t c p i p 参考模型却正好相反，首先出现的协议，模型实际上是对已有协议 的描述，因此不会出现协议不能匹配模型的情况。但是该模型不适合任何其他的 协议栈。因此，它对于描述其他的非t c p f i p 网络并不特别有用。 1 4 4 工业以太网的发展与现状 9 0 年代中期，当现场总线大战正浓时，传统上用于办公室和商业的以太网 开始逐渐进入工业控制领域。近来以太网更是走向前台，发展迅速，究其原因， 是由于工业自动化系统不断向分散化、智能化的实时控制方面发展，其中，通信 已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切【l6 j ；另方面， i m r a l l e t i m e m e t 等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现 全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满 足这些要求。应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命， 但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据 传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等。 而经过1 4 年的纷争，2 0 0 0 年初8 种现场总线成为m c 现场总线国际标准 子集【2 6 。这一结果令人失望，也违背了制定世界上单一现场总线标准的初衷。 这个结局也向世人表明，在相当长的段时期内，将出现多种现场总线并存并致 使控制网络的系统集成与信息集成面临困难的复杂局面( ”j 。这促使人们关注现 场总线技术发展新动向的同时，开始寻求新的出路，并加大了对工业以太网的应 用研究。 国外公司对工业以太网的研究始于1 9 9 5 前后，而国内对其研究则刚刚起步 浙江大学硕士学位沦文 2 7 1 。目前，国外很多自动化控制系统和设备制造公司在控制系统中将以太网技 术用于监控层的数据交换，尽管这些系统在底层还不能实现互操作，但通过以太 网，控制系统监控层之间、各种控制系统之间、以及控制系统与企业经营决策管 理信息系统之间的数据交换与共享已经变得非常方便、快速。因此，以太网在控 制系统监控层的应用，不仅消除了控制系统数据传输的瓶颈，而且消除了企业内 部各种自动化系统之间的“信息化孤岛”，基本体现出了这些控制系统的开放性。 此外，虽然存在费用高的问题，以太网仍有进一步向设备层渗透的趋势【2 8 】。 为了促进以太网在工业领域的应用，国际上成立了工业以太网协会 f i n d u s t r i a le t h e m e ta s s o c i a t i o n ， w w w i n d u s t r i a l e t h e m e t c o r n ) 和 i a o n a ( w w w i a o n a c o r n ) 并与美国的a r ca d v i s o r yg r o u p 、a m rr e s e a r c h 研究中心和 g a r m e rg r o u p 等机构合作，开展工业以太网关键技术的研究【2 6 】。美国电气和电 子工程师协会( i e e e ) j e 在着手制订现场总线和以太网通信的新标准，该标准将 使网络能看到“对象”1 2 9 1 。i a o n a ( 工业自动化开放网络联盟) 最近与o d v a 和i d a 集团就共同推进e t h e m e t 和t c p f l p 达成共识。这些工作为以太网进入工 业自动化的现场级打下了基础。 与此同时，各现场总线的支持组织和自动化厂商也意识到众多现场总线所面 临的问题；为适应市场趋势，在加强与其他现场总线竞争的同时，也加强了工业 以太网的实现。如现