（测试计量技术及仪器专业论文）工业控制的以太网通信系统研究及实现.pdf

关键词 交按式以太嬲工业以太网、现场总酵t c p ( u d p ) i p 协议l ，s d 、蹬 ：业 控制传输确定性 ， 仁十世纪是信息经济的时代，网络成为各项信息交流的热门于段。1y t p 1 ；t 太网以其独特的优点成为工业控制领域公认的2 1 世纪控制删络的最他j l i 决力 案。日前，基于以太网的f ：业控制系统正逐渐替代现有的现场总线式控制系统 应用在各个控制领域争本文设汁的以a 网控制系统包括了泌度；罹样、测如衙# f 并实现网络通信的多功能控制系统。 系统没计q j 解次了一般以太网固有的传输不确定性；现场设簖n 0 供电j j q 题；传统以太网没蔷互可操作性不强；奉顾安全和远程传输等缺点，制定r 、i 的企业技术标准。我们用全双 交换式以太网技术解决传输r | l 通信的文盼彳! ! 确 定性问题，使j j 交换式集线器扩大网络t 箝宽使川u ! j p 通信协议僳证搬史传输阳 有效载荷，避免不必耍的填充域数掷降 刚络l 传输所r i 川的带宽，使网帑阻持融 轻负葡工作条件下，进一步傀旺嘲络传输的丈时性。 j d j ：u i ij d i t j il u 缆， 、的。n 渺 缆为现场殴锯提供一i n 二电源，凹，奠旦q 现场总线口 ：叱。m 蛆太州。 c p ( 【，) ” 【：j j 议的丛础h 制订统一并迓用1 j f , ! k l ! | = i j ：d 控制船应删压：技术规范，列时参照 】e c 有关标准，在应用层上增加用，联，j 孑f 业控制f f f n 0 功能坎j j u 逊f 7 锄：准化， 通过规定它们子臼的输入、输f “、搏f 凡嗣件、参数，肝4 1 ：t 。：们绷成为t t j 庄岩1 、 现场设备中执行的应用进程，1 更j ：；观1 s d 集成了多种，j 编程逻辑器件，凶此人人地简化j 碰r i l 路，技系统n 0 瞪 计、修改椰扩展变符 。分灵 ；i 方便。礼设计， ，泉川了w s j 公t 的j i h 软仆i s d fc e x p r e s s if l a s i i i i n k ”j t a g n 缆4 憝卜一出j 豇! j f ! n 劫_ 秘：，i l ij ! l 抛i jj l i 备设 计伊i _ i ：t 4 i t ；棼r 缩m 了：j ：, - 7 7 ； j l q ，姆低丁娃“，e 木，提：丁祭帆弛能，阿 修永 统随时挪町以根据所需情灾施现场亚新。中 侄木摸块 1 采 j 公础 洲9 8 作为以太阳拧删器，他 1 j 系统， ：仪j 阶； 微软公司的洲插蹦f f j 功能，i 川0 j f j 以八例先仑腺容， “泛的逊川r j ：。t l 、【； 以 一口露 一 一 婚 型 摘 塑! ：竺堡! 塑娑兰一 采用p i t 。i p ! t s 公司的p 5 1 x a 一6 3 ，结合数据采集和处理电路，构成一个现场聚f ￥， 变送与控制的多j j 途模块，对广泛适应用户的需要，增强产- 讯的生命n 具_ f 艇人 的意义。 i 浙江人学坝j 学垃论文 a b s t r a c t n e t w o r kb e c o m ep o p u l a r i t yo nm a n yi n f o r m a t i o ni n t e r c o f i l i n u n i o n in2 1 c e n t u r y t h ei n d u s t r i a lb e t w o l kt h a t u s et t a d i t i d n a lf i e ld b u sm a k eth e s e a m l e s si n t e g r a t i o i lo fo f f i c oa u t o m a t i o n ( o a ) a n di n d u s t l + i a la ul o m a ti 0 1 1 ( i a ) i m p o s s i b l e t o d a yt h e r eh a v eb e e nm a n ye n h a n c e m e n t st ot h ee t h e f h ec s t a n d a r d s e s p e c i a l l yi na r e a so fd e t e r m i n ll i o i l ，s p e e da n dp r i o i it i y ， i s s u e st h a t p r e v e n t e t h e r n e tf r o mb e i n gu s e d i nr e a lt i m ec o i l t r 0 1 e r w i r o n m e n t sh a v en o wb e e nr e s o l v e d s i n e eg d m r n e ti sa l r e a d yt i l en e t w o r k c h o i c ef o rb u s i n e s sc o m p u t a t i o n i t sp r e s e n c ea tt h ec o n t r o l1 e v c 、1w il1 f a c i l i t a t et h ei n f o r m a t i o ni n t e g ta t i o nf r o ms e n s o rl e v e lt om a n a g e m e n t 1 e v e l o u rt e a mh a s d e v e l o p e dr e s o l v i n g s o m e d i s a d v a n t a g e ，w h i c h n o n d e t e r m i n a t i o nt r a n s p o l tt h a tt r a d i t d o n a le t h e r n e tt r a n s m i ts i g n a l s p o w e ro no ff i e l dd e v i c e ，w e a ki n t e r o p r a t i o ni nt r a d i t i o n a le t h e r n e t ，a n t i e s t a b l i s h i n gt e c h n o l o g y ss t a n d a r d sa b o u t t h i se n t e r p r i s e m e n t i ) e t m m i n a t i o na n dr e a l 一t i m et r a n s p o r ti si m p l e m e n t e db yaf u l l 一d u a l w a ye x c h a n g e e t h e r n e t b a n d w i d t ho fn e t w o r ki s e x p a n d e db y t h i s e x c h a n g e h u b u i ) i p r o t o c o lp r o v i d ee n o u g hl o a dw h i l ep a c k a g ei st r a n s m i t t e d i ti sa v e i d i n g t ob ee n g r o s s e db a n d w i d t hb yu s e l e s sf i l l i n gd a t at h a ti st r a n s f o r m e di n n e t w o r k i no r d e rt oa s s u r et h er e a lt i m eo fn e t w o r kt r a n s p o r t ，n e t w o r k j sm a i n t a i n e da1i g h t 一1 0 a ds t a t u s iljst h e w a y st h a tf i e l d b u sisp o w e r e d p r o v jd i n gw o r k p o w e rf o rf i e l dd e v i c eb ys p a r ew i r e sa m o n g 】i n k i n g w i r e s o nt h eb a s eo fe t h e r n e t + i c p ( u d p ) j pp r o t o c o l ，t e c h n o l o g y sc r it e f l o no f a p p l i c a t i o na r ee s t a b l i s h e d ，w h i c h a ieu n i o na n da p p l i c a b l eo i li n d u s t r y f i e l d c o n t r o l ，s i m u l t a n e i t y ，a c c o r d i n g t oi e c s t a n d a r d s ，in d u sl r i a l c o n t r o lf u n c t i o nb 1 0 c k sa r es t a n d a r d e dt h o u g ha d d i n gt ou s e r 1 a y e ro v e l 、 a p p li c a t i o nl a y e r m i x e dc o n f i g r a t i na n di m p l e m e n t ir i g a m o n g d if f e r c n t d e v i c e s a p p l i c a t i o n c o u r s ea f o c o m p o s e d o ft h e ir i n p u t s ，( i l l t p n i s s a r i t h m e t i c s ，e v e n t s ，f u n c t i o n s ，w h i c ha r ee x e c u t e do ns o m ef 。ie l dd e v ic o s u s i n gt e c h n o l o g y so fp s i ) d e s i g n ，id e s i g n e dc h i pb a s e do np r e g r a m m in g 1 0 9 i ca n di s p i no r d e rt ot e s tp r o g r a m 。 im a d ec r o s s t a l ks i m u l a t i o nu n d e l t h ep s d s o f t e x p r e s s w s ii n c t h e p r o g r a mc a d b ed o w n l o a df r o m f l a s i l i n k ，t h u s e i i m i h a t e so nb o a r df l a s h u s i n gu m 9 0 0 8 a se t h e r n e t c o n t r o l l e r ，d e s i g n e ds y s t e m i sa h i g h ly i n t e g r a r e d d e s i g n t h a t p r o v i d e s a lij i f e d i a ia c c e s sc o n t e la n d e n c o d e d e c o d ef u n c t i o n si na c c o r d a n c e w i t h t h ei e e e8 0 2 3 s t a n d a r d m i c r o s o f t s ) l u g a n d p l a y a n dt h e j u m p i e s s s o f t w a r e c o n f i g u r a t i o nr u n e t i o na r eb o t hs u p p o r t e d t h ec a p a b i l i t yo f t i l e l n pa n l 1 n o n p n p m o d ea u t o s w i t c h f u n c i t i o na l l o w d i f e e t l y t o 】i n kc o m m o nn e t w o r k k e yw o r d s ：t c p ( u d p ) i p p r o t o c o l ；d e s i g n o f p s d ；f i e l d l u s ： e x c h a n g ee t h e r n e t ；i n d u s t r ye t h e r n e t ：i n d u s t r i a lc o n t r 0 1 d e t e r m i n a t et r a n s p o r t 溉江人学硕士学位论文 第一章绪论 在这一章里，我们说明了以太网通信技术在工业控制中应用的实际意义。山 此引出了本文的课题：c 业控制的以太网通信系统研究及实现，其基本l 1 标是设 计一个用于工业控制的具有所需功能的以太网通信系统。 1 1课题的提出 传统的工业控制网络是基于现场总线的。出于的现场总线的通讯标准尚未 统一，各厂商以各自的利益为目标，为了使自己的技术和产t 锆能够占领整个界 市场，围绕着现场总线技术的标准化，展，门剧烈竞争，山此使现场总线的标准 各种各样，使得各厂商的仪表设备难以在不同的现场总线控制系统( f c s ) l f l 兼 容。此外，现场总线目前尚处于低速阶段，难以满足数据商速传输的需要。丽m 我图在现场总线的技术水平远远落后于发达国家。 基于以太网( e t h e r n e t ) 的工业控制网络具有数据传输率高、可靠性好、 易维护、可远程传输、互操作性好等优点。随着互联网技术的普及与推广，以太 网通信速率的提高、交换技术的发展，使徊它受到了全球的拥护和软硬什支持， 并得到了迅速发展和普及。f n 此，基于以太刚的x ) l k 控制网络是工业控制系统的 发展趋势。 1 2 工业控制现场总线的历史和发展 现场总线控制系统( f c s ) 是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是 用数字通讯代替4 - - 2 0 m a 模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一 体化( 仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录) 的发展，在控制领域内q l 起了 一场d 所未有的革命。控制专家f fj 预言f c s 将成为2 j 世纪控制系统的主流。 然丽就在人们对f c s 的应用前景看好的时候，却没有注意到它的发展在某些 方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得备 r 一商的仪表设箍难以在不同的f c st k 容。此外，f c s 的传输速率1 i # “以娃余 会现场总线( ”) 正在制定的图际标准为例，它采用了i s o 的参考模型【 i 的3 层( 物理层、数据链路层嗣i 应用层) 和傲具特色的用户层，其低速总线i l l 的 传输速度为3 1 2 5 k b p s ，高速总线t 1 2 的传输速度为1 m b p s 或2 5 m b p s ，这在订些 场合下仍无法满足工业控制i 实时控制的要求。 ， 当今的f c s 领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面。其中有影响的为 i n t e l 公司的b i i b u s 、德国的l t a r t 和p r o f i b u s 、月麦的p - n e t 、t l o n e y v e l l 及 a b 的w o r l d f i p 、f o x b o r o ，a b b 和横河的i s l 、f t 的上和l l z 和e t h e l 0 1 1 的l o n w o r k s 等。这种混乱局面是山于各大厂商为了抢占市场急于推出自己的产品，而f c s 的国际标准又迟迟不能出台所造成的。标准的不统一使备厂家推出的f c s 成为一 个个“自动化孤岛”，不同系统和现场设备的兼容性都 差。i ? c s 的圈际标准仍 在用户的期待中。 1 9 9 4 年6 月w o r l d f i p 和i s p 联合推动成立了f f 它包括了世界上几乎所有 的著名控制仪表厂商在内的1 0 0 多个成员单位，共同致力于i g c 的f c s 国际标 准化工作。但由于部分成员为了自身利益，力图阻止f c s 的固际标准 f 台，致 使f f 的f c s 国际标准难以“一统天下”。解决这一问题的途径，一是要求r f 在其国际标准中推出完善的用户层和严格的互操作性的产i 强认证；二足提高| j 户 抵制非国际标准的f c s 的自觉性。在问题解决以 口f c s 在工业控制中的推广应j | 受到了一定的限制。在这一背景下，人们丌始把注意力转向在商业网络f f i 以获j 1 泛应用的以太网。 以太网的早期开发工作足位于加利福尼亚的施乐帕鲁阿图研究中心完成 的。据况是因为电磁辐射波可以在以太这种物质中传播丽给系统命名为“以太 网”。后来美国施乐公司、d e c 公司和i n t e l 公司联合丌发了以太网“蓝皮弦标 准”。i e e e 根据“蓝皮书标准”第二版制定了8 0 2 3c s m a c d 标准，它是) 世界上应j 目最广泛的局域网。以太网的，f 输速度从最早的l o m b p s ，到现在的 1 0 0 0 b p s ，传输媒体根据情况可以选择同轴f c i 缆、双绞线、光纤和无线等，网络 机理从早期的共享式发展到h 前盛行的交换式，网络接门的：i ：怍方式从单一【：发展 到全双工。目前国内外都在加紧研究以太刚作为控制总线的技术。与其它挖制网 络棚比以太嘲的优势上耍体现仡以下几个力耐：( i ) 以太f 叫州以满足控制系统 各个j 菇次的要求，使企业信息嘲络与控制闽络衡以统。 ( 2 ) 设备j 戍水卜降， 因为安装景的缘故，今历现场总线的成水也远远尤_ = ! ：j 以太l 叫, f l l 1 1 。( ： ) j f | j 。 拥有成本下降儿乎每家企 l k g ；有具备以太网维护能力的人员，无需再专f j 学? j 一种控制网络。( ，1 ) 以太网易于与i n t e r n el 集成。在与传统现场总线的对比 测试中以太网显示m 的明显优势；使其能够先仝胜旺控制：【，程中对实叫i o l 、”j - 靠 性、抗干扰性的高要求，咀太网已被汪明是未来控制网络的最佳解决方案。 1 3国内外工业以太网通信的研发和现状 田外对以太劂作为控制总线的研究已从理论阶段过度到j l ：发阶段惠普公i d 应用i e e e l 4 5 1 2 标准，生产的 茨入式以太网控制器具有1 0 一b a s e t 以太网接1 ：1 ， 运行f t p t i t l p t c p i p 协议，应用于传感器、驱动器等现场没备。n e l s i j i c e l l 公司应用n e t + a i m 体系，生产嵌入式e t h e i n e t i n t e l l i e t 芯| 。德n 的几家公 司如j l j r s c h m a n n 、j e t t e ra g 、o i ，t 0 2 2 等已丌发出基于以太网的控制系统的i o 产品和设备。 目前几个主要的现场总线组织也在丌发基二r 以太网的现场总线 议，如 f f 、p 1 ，o f i b u s 、c o n t r o l n e t ，更有一些公司已诅- 7 1 ：发具有以太网接口的仪蓖，现 场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 制定了个t l s l i 计划( 1 l i g hs p e e d e t h e r n e tp r o g r a m ) ，用高速以太网作为 1 2 姻一剥，选择，, f i g # r 已组织了来f l2 u 个厂家、4 0 多人组成的庞大工作组，f ：发现场总线与以太网的连接产- ，1 9 9 9 年底已完成原型产品。现场总线基金会宣称，效粜超出预期日标，现已进入编写 标准规范阶段。 1 9 9 8 年1 0 月在美国成立了二l 业自动化开放网络联合会i a o n a ( i n d u s t r i l l a u t o m a t i o no p e nn e t w o r k i n ga 1 1 1 7 e ) ，该组织致力于分析工业自动化领域 应用以太网和i n t e r ，n e t 协议的障碍，研究可能的实现方法，并制定相关标准。 国际= 最近还成立了2 k _ , l k 以太网协会( f n d u s t r i a l e t h e r n e ta s s o c i a t i o i l ) 、 o d v a ( o p e nd e v i c e n e lv e n d o ra s s o c a t i o n ) 、c i ( c o n t r o 】l i eli l l t e r n al i 0 ( i 1 1 ) 等组织，这些组织也矿在致力0 二这方面的j ：作。 近年来我罔的控制与通讯一j ：程师们l 也丌始致力j 二新型。i j 业以太例| f , j 6 j t 究1 ： 作，其中有代表性的魁采川i ? i ? 制定的快速以瓜网标准，传输速度为1 0 0 m b p s 。 列：i ：业以太同的研究， 要仡睡个方丽：以太网集线器和具彳，j 助能n 0 以太网的协议。 一、以太网集线器 f ? f 将以太网技术加入到1 1 2 协议c h 并以它作为l 2 的底层哳议，e 网络采 用星型拓朴结构。 集线器( t l u b ) 胃于网络中心并通过以太网i o 接口挂接现场设备，其，l t 实 时现场仪表和普通现场仪表( 通过通道组) 分别挂接在不同的以太网i o 接口 ：。 以太网i o 接口高速( 约1 0 0k l l z ) 扫描所有灾时现场仪表和通道组，然历f 送_ i | 【 据包到上层控制器。 通常普通控制算法在现场控制器中进行( 可上层控制器卜 载) ，i 丽高级拧 制算法则在上层控制器中进行，其控制输出经以太网集线器和以太网i ( j 接传 输到现场执行仪表。山于实时现场仪表挫接在专用的以太网入口地址，并用先全 分离的线路传输数据，所以保汪了实时数据不会产生传输延滞永 线路m 塞。 集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时问外，还对传输的数 据包进行优先级没鼹，使每条信息鄙包含传输优先级等实时参数。此外智能化的 集线器还可以动态检测需要通讯的现场没街所在以太网i o 口，并为之提供数据 缓冲区，这样可火大缩短现场设备的响应时闽和减少数据的重发次数。集线器与 其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。 经验证这种采用以太网集线器技术的f c s 可使实时数据的延迟时间控制在 2 0 0 纳秒的范围之内，这已足以满足多数场合的实时控制要求。 二、在以太网的协议中加入实f f ! f 功能 一些l ? c s 的生产商开发自己的工业以太网f c s 时，在工业以太网协议 pj u i i 八 实时功能，此项技术被称为“地道”，它其实仪仪是在设备中加入特殊的胁议芯 片，这坦1 ：做具体介绍。 j l l _ i ，人学硕“ ：学位论文 一一 应该看到，同外铂：削k 以_ 爪嘲：疗断的成绩和我国的相比有y l ：多先进的地，j ”， 但总体上讲，h = 5 t - 芷：l ：业以太删方嘶的研究还处于起步阶段，我嘲与l 埘外的差斟 很小，基本保持同步。 1 4本课题的任务和目标 本课题将设计一种基于以太网的温度检测、传送，并采用数字控制p 1 1 ) 算法 的温度自动控制系统。 主要研究内容： ( 1 ) 以太网传输技术的研究； ( 2 ) 以太网传输铷议的研究； ( 3 ) p s d 设计技术的研究： ( 4 ) 抗干扰、高可靠性设计技术的髟f 究； ( 5 ) 小信号、低噪声设计技术的研究； ( 6 ) 数字p i d 控制器算法的研究； ( 7 ) a d 采样技术的研究； ( 8 ) 单片机设计技术的研究； ( 9 ) 利用j t a g 接口下载程序技术的研究； 基于以上课题要求设计的以太网温度变送控制器，可实现以下功能： ( 1 ) 对传感器模块送来的信号进行采样； ( 2 ) 将采样的信号通过以太网传送到另外的基于以太网的i 5 备或传送 到负责监控的上位机； ( 3 ) d j 上位机将系统的组态信息通过以太网传送到下位机： ( 4 ) 能实现王兕场设备的自主控制和上位机的控制功能，即能够将控制功 能下放到现场； ( 5 ) 能够实现总线供也功能 设计了能实现以太网通信功能的温度变送器，可实现以下操作： ( 1 ) 温度数据的传送，包括将得到的温度数据向另外的现场设备的传送 和向负责监控的上位机的传送； ( 2 ) 上位机通过组态可以刘现场设备进行i pj 也j ：l l 的修改： ( 3 ) 存入或凋出组忿信息和组态参数； e 浙江人。羔堕! 兰! ! 堡壅一一一 一一一一 ( 4 ) 读墩i 断信息； ( 5 ) i ) i d 参数的殴氍与修改 圻江人学硕士学位论文 第二章工业以太网系统的关键技术研究 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等优点，山于它支持几 乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总 线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测( c s m a c d ) 通讯方式”，在实时性 要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这放称为以太网的 “不确定性”。研究表明“1 ：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2 3 0 m s 之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。本文将对此 以及其它工业以太网中的关键技术作了一定的研究。 2 1 通信的确定性 2 1 1以太网的通信响应“不确定性”产生的原因 以太网通信响应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的主要障碍之 一。 以太网采用的介质访问控制方法是c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o f l ) ，冲突检测载波监听多点访问) 机制，它的 基本工作原理简单说可以被描述为“先监听再行动的工作方式”是：某节点要发 送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送；如 果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，它们发送的报文将发生 冲突，因此每个节点在发送时，还必须继续监听网络。当检测到两个或更多个撤 文之间出现碰撞时，节点立即停止发送，并等待一段随机长度的时问后重新发送。 该随机时间将山标准二进制指数补偿算法确定。重发前的时间在0 、( 2 - 1 ) 之间 的时问片中随机选择( 此处代表被节点检测到的第j 次碰撞事件) ，一个时间 片为重发循环所需的最小时问。但是，在l o 次碰撞发生后，浚间距将被冻结在 最大时间片( 即1 0 2 3 ) 上，1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器 回报失败信息。 在网络负荷较高时，以太网上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它极人 浙ij 地影响了以太网的数据吞j 止越界h e 输延时，并导致以太网实际性能的卜- 降。j 二 在一系列碰撞后，撤文可能会丢失，因此节点与i ，点之问的通信将无 射寻到保障。 就是说，以，k 嘲的这种c s m a c d 介质访问机制导敛了网络传输延时平通信i 删遁的 “不确定性：”。 这种机制比较适合信息吞吐量大、但对传输实h , i 性要求不商的场介( 如办 公自动化) 。而对于工业现场控制网络，以太网的这种“不确定性”会导致系统 控制性能的f 降，更j i 甚苦，这种“不确定性”还会使现场j i l 鬻：信息1 i 能及时发 送出去而导致事故的发g i 。 举例说，a 和b 足连接在同一网段上的两个设备，其中a 设箭为变送器 j 没备为执行机构，山于网络碰撞， 设备的测量数据从 d 转换完成到发送i j ；去、 并准确到达b 设备所需的时间或长或短( 最坏的隋况下，a 竹点盯j ：适续f = ；：测到 碰撞而丢弃该数撕) ，| | j 传输延时不确定；另一方而，【1 j 丁控制弹法，0 j 最样l _ _ 问等控制参数是不可能频繁修改的，因此如果测量数捌1 ；能及时征控制侍i 缁到 反映，会使得系统控制效果 i i 稳定，甚至会引起系统失稳。 山于上述原因，以太网以前没订能够_ 盘：实时性要求较高的现场测控设备通 信领域得到应j h 。 2 1 2 以太网技术的发展为通信响应“确定性”提供了技术保障 众所周知，以太网( e t l e r n e t ) 最初是在1 9 7 3 年山d rr o b e r tm e t c a c f e 领 导的小组在x e r o xp a l oa j t or e s e a r c hp a r k 研制出来的。它最v 应用r 微型汁 算机系统商业网络终端。1 9 8 3 年出版的i e e e s 0 2 3 标准足时d i xe t h e r e t 2 o 版本修改和提高，它和1 9 8 5 年发，f 珀0i s 0 8 8 0 2 ： 标准是棚网的。移j 删以a j 哪的 拓扑结构是总线型的，传输介质为糊自 | f 司车j f l 电缆。挂接在l o b a s e 5 ( 车h 蚓轴f 乜 缆) 或l o b a s e 2 ( 细同轴电缆) 上的所有以太网设备e 享i d 一个逻辑传输介质。 当网络负荷较大时，以太f ( j 4 上的擞文碰撞就比较频繁，人人影l 嘲了网络的吞吐最 删传输延啊，并使网络性能人大降骶。 为解决这个问题，人们通过f 细设计，采用网桥或路山器等设备将刚络分 割成多个网段( s u l ) 。存每个州段 ：，以一个多f 集线器为t 心，将嚣i ：个 设备战节点适接起来，这种方- 即构j 戍了足型拓扑结阳。挂接在同一网段【的所 浙江人学颂：t 学位论文 有设备形成一个冲突域( c o l l i s i o nd o m a i n s ) ，每个7 1 | l ：突域均录川( ：, s i a c d 机制 来管p l ! 网络冲突。这种分段疗法可以使每个冲突域的州络负荷人人减，j 、，p , h l g ；，i 1 突很少发生或几乎不发生。 这种以集线器为，h t l , 的星型网络拓扑结构，足以爪网技术发塍r 0 一人进 步。它的特点是：在基j 以太网的系统中，同一i j , 核t l r , ；以实现多通道通f 膏，因此 网络性能得到了大大提高。 到了二十世纪九十年代，随着快速以太网技术和j “品的发展，以太网交换 技术和产品的发展更足迅速，应用也非常应用。如今，交换式千兆以人网刚产，l 二 就毫无疑问地被。泛接受和使用。 交换式以太网系统t f ，的交换式集：上嚣，也称以太网交换机。它o j t h 传统策 线器( 即共享式集线器) 构成的以太网系统相比，虽然两者在形式j 二均履丁翟型 结构，但它们有着本质的区别。山于共享式集线器的结构和功能仅仅足种物f ! ! 层中继器，因此在逻辑上仍i l _ 可以认为是具有多个连接点的公共总线，女l i 网3 所示。也就是说，逻辑上，连接到公j b 总线上的符节点遵循嚣c s h t a c i ) 介质访n 日 控制方式进行发送和接1 投报文，因此还会发生碰撞。 ( a ) 物理连接 可肝 ( b ) 逻辑连接 图2 1 共享式集线器的物理和逻辑连接 一般来说，交换式集线器可以认为是个受控制的多端 - 1 7 l ：关矩阵，如阁2 1 所示。一个具有5 个端| 1 的物理交换机，2 个不同端f1 之问看似具有个逻 辑开关，该丌关受控接通或断丌，这样，在交换机上可以存在2 0 个逻辑”哭， 控制莉2 0 个数据通道，每个数掘通道在实际上反映丁一一个端| j 发送帧和，j 个 端fj 发收帧的逻辑现象。j i 【 然，j f 叫 ，j ：f l ：i i 一，j 个端川r d i i , h i 能f 柚1 个以f 端fj 发送帧( ，。；母或纽播除纠) ，1 个j 重遁上也不能同州进 j 舣向的数荆 0 输( 令z z 工数据传输除外) 。从逻辑机l 巨i 上也可以看到，器端! j 的f i 媳流足坡碥i 嘎的， 眄j 尚【1 之i w f f ，j 通f 矗通道一经处0 ：，z 觉i 叮以交互。 此可见，谯咀奠：网交换, t t l p l is , 茈i ( , j 系统。i ，每个端f 就足一个冲突 或，拜 个冲突域通过交换机进行隔离，实现了系统一 | i 突域的连接和数t l , b l j , j i l 内交搀。达 样，交换机i 3 - _ i i , d f i 之问同1 i 7 i f 以形成多个数据通道，限隆工作的端f ：的f 。j 流 54321 ， r 一 ， 控制逻辑 图2 2 以太网交换机工作的机理 1 、 2i 3 端v i 呼 4i 5 不会在其他端口上广播，端口之问报文帧的输入和输出已不再受到c s i a c ) 介质 访问控制协议的约束。 然而，在交换式以太网l ) ，虽然交换机夺身：【：作时已不受c s i v l a c d 的约束 但在节点到交换机和两个交换机之f j = l j 如果还是采用传统的半双工传输方：r t 3 i , j 活， 那么这些网段上不管足采用双绞线还足光缆，仍要受到( s m a c d 介质访问控制，j 式的约束( 如图2 3 所示) ，其结果足，在理沦一l ：这些网段还会存在。j ：f l _ l i j 遗两 引起的通信延时“不确定性”。 为解决这个问题，全双一l 以太刚技术和产出问世了，且在1 9 9 7 年山 1 e e e 8 0 2 3 x 标准来说明该技术的舰j + 苴。j 传统的、卜双厂以太网技术的区别 h 端【1 问两对双绞线( 或 l j = 恨光纤) i - ：j 以同时接收刷毁遇搬史i 哦，一：阿受到 c s f v l 。t c d 的约束，因此任5 。霄点发送报文帧时不会阿发化碰 ，i t ：| 突扎! 。终f 、砭 z f f i j _ 【 i ：w - ，以太刚的通信速率也彳 ： 到了极大的提高，i o m 以太网已应f j 瞄常i l 遛， i o o m 以太例也衡到了广泛应用，1 0 0 0 m 以太网也已在骨一f 二嘲j ：i u j ：l l 较多的应川。 冲突域 图2 3 交换式以太网分割半双工传输的；中突域 以太网通信速率的提高，也使得网络传输延时也缩小为i o m 时的i 1 0 、1 1 0 0 。 因此当以太网发展到今天的交换式以太网时，i 蜘应小确定性的问题已f f 到解决。 图2 4 端口阅全双工以太网传输 总起来说，采用交换机，接入网络的：仃点各自独t 圩一条线路，避免了冲突：采j 】 高速背扳交换或微处理器交换，响应时问是确定的据a r c 公司的分折，1 2 6 个 节点的l o o m 交换式以大网的响应时间是2 3 l n 。，几乎可以满足各种控制系统的 要求：现代以太网采用非屏蔽双绞线，亡；f j j l 丸f 扰能力与4 2 0 1 1 1 a 模拟化愉线 路褶：j ；如果需要更强的抗干执能力可以采用坍敲双绞线或光纤通讯。 2 1 3 传输通信协议 山于以太网技术本身只作了物理应；媒体以及介质访l u 控制、报文帧 _ - f 浙江人学硕f 学位论文 逻辑链路控制等方而的技术舰定，对应于 s o , o s i 参考模型的物删层，f = i 数据链踏 层，m 对复杂的较 i 嘏( 网络层到应川层) 技术规范则没= f ，作心定( 如劁2 5 所，啄) 。这使衡以，k 网j ：l i j 以支持运行多种协议，如t c f i f 、u f , c n e t 、n w ( ，x 、m a i ，、a p p l 。t ：- i k 、+ 川，等。i ! c , pt c i ，u ，足互j | ：) 网的协汉。随? i h l f j n 的 普及与应f j t c i ，f i 协议也f ：挎4 了最为“泛的应川，并成为以太州络f ：“事安 应朋层 表示层 会话层 传输层 喇络层 数据链路层 物理层 o s i 参考模i ! 局域网l a n 模型 图2 5 局域网l a n 模型的映射关系 一h ”的标准，目前几乎每个操作系统( 无论是p c 帆还是嵌入式系统的撵作系统) 都支持t c p i p 阱议。在t c p i p 叻- 议集巾，i i ，映射为i s o o s i 七层参考模型r f ， 的网络层，而传输层协议则为t c t ，( 他输控制协议) 和u d p ( 用，。数抓报呐议) 。 t c p 和u d p 两种怒最为著名的传盼层阱议，陌行都使f jf r 彳17 为网络层协议。 r l c p 是一个面向连接的传输j 、议，坎川三次握手的连接方法，疆求对连接的仃番： 和连接她立之后的分组传送进行确认，足一种可嚣的通信服务。通信双方花传输 数据之前，首先必须建立连接，一旦m ，j 童接建波成功，t c p 协议就能i l 动处理 消息包的分纽打包、解包、检错、亟发和错炭报告，以保证数据可靠地到达f 的 地址。数据报通过e 进入网络时到达f 1 的地的最佳踏径传输。数据报传输的一种 替代：玎法魁使用虚f f _ l 路，即在发起连接时网络： ，点建立个固定的路住，后续数 据交换均在该路径上进行。，j 、c i 使刚j 麓 c l 路实现传输，”则拒嘲络之m i i 抛 j 1 1 f i 阳 数捌鲢的例笑f 0 输鞭务，州使川b i ) l 州， 输丘n o t 2 据传输足厄适接的， j j 数 l ，人网 投术蜘范 塑望查堂堡主望垡堡墨一 图2 7u u p 搬义格式 】p ( 互联网协议) 为t c p 和u d p 提供了公共的第三层传输，把数据从源端发送 到目的端，它划子网m 的传输提供了弧阳数据 睦的网关服务。这使得主机能够访 问其它主机，但不能提商可靠性，凼为它依赖高层协议进行差错检测和修n ! 。作 为第三层协议，i p 负责选路和投递数撕报。为实现这一任务，i p 完成一系列通 信功能，包括寻址、状态指示、管理、分段和在必要时对数据报进行重新组装a o”m舯 4 位4 位首部日位服舟类型 1 砷z 总长髓( 字节撤) 版本i 长度( 了_ 【) s ) j 矗_ 1 3 使片佩蒋1 6 使标识 标岳 8 位生存叫问 j 6 垃苜柙檀骑和 c 删 8 位坼搜 3 2 位根1 1 地址 3 2 位目的l p 地址 觏( 如果有1j r 数错 j 图2 8l p 数据报格式及莳部中的各字段 i p 编址方式采用3 2 比特地址，并被分成指定网络编号和主机号两部分。i p 地址 编号由i n t e r n i c 因特嘲网络信息中心分配。由予以太网为4 8 比特地址，因此这 中间需要转换。当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主 机时，是根据4 8 比特的以太网地址来确定口的接口的。设备驱动程序从不检查 i p 数据c i | 的i p 目的地址。地址解析跚议a r p 为返两种不同的地址形式提供映t , 1 ： 3 2 位的1 p 地址和数据链路层使用的任何类型的地址( 如低层物理地址) ，一般 为网络接口卡的r o m 地址，在我们这里是u m 9 0 0 8 的9 3 c 4 6 中的地址。物理地址 就是介质访问控制m a c 地址。因此，a i 讲提供了从i p 到m a c 的地址解析，使i p 下ll婶ili土 被访问的通信点。长度字段指示包括头标，f i j 用户数据在内的u d i 分；1 1 l f j ：芦。1 ，k 度。校验和是l 的补码的算术羽j ，并列伪头标和整个u d p 分组避行计算伪头栎 | j 1 2 个字节组成，前8 个f j 于从】p 分组中歌得源和目的i i ，地址，此后跺。一个零 填充字节和一个标识、议的乒l ，最后两个字节标识u d p 分组的长皮。通过对伪 头标和用户数据计算校验和，可以获得一定程度的额外的数据完整性。 01 53 1 源端口目的端口 头字节校验和 数据 图2 - - 7u d p 报文格式 i p ( 互联网协议) 为t c p 和u d p 提供了公共的第三层传输，把数据从源端发送 到目的端，它对予网问的传输提供了丽向数据报的网关服务。这使得土机能 访 问其它主机，但不能提高可靠性，因为它依赖高层坼议进行差锚检测和修e f 。f | ： 为第三层协议，l p 负责选路和投递