工业网络技术第9课

东北大学秦皇岛分校 工业以太网 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 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 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 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 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 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 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 RJ45连接Ext 集线器 1 2 3 6 网卡与集线器间的连接 RJ45连接Ext 集线器 1 2 3 6 集线器与集线器的连接 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 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 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 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 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 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 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 TCP IP参考模型 TCP IP参考模型不涉及数据链路层和物理层 TCP IP数据封装 解封过程 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 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 IP协议ext IP数据报格式IP地址子网与子网掩码路由选择IPv6 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 IP协议ext IP数据报格式IP地址子网与子网掩码路由选择IPv6 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 IP协议ext IP数据报格式IP地址子网与子网掩码路由选择IPv6 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 路由选择ext R1 R2 R3 130 124 x x 130 127 x x 192 101 50 x 1 2 130 124 55 6 192 101 50 12 130 128 22 1 1 1 2 2 3 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 IP协议ext IP数据报格式IP地址子网与子网掩码路由选择IPv6 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 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 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 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 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 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 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 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 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 IPiswellestablished EtherNet IP工业以太网 EtherNet IP 标准TCP IP以太网 CIP 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 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 ConnectionManagement CIPDataManagementServicesExplicitMessages I OMessages CIPApplicationLayerApplicationObjectLibrary Semi conductor Valves Drives Robots Other 通用工业协议CIP CommonIndustrialProtocol 设备应用描述AppProfiles Lay7应用层 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 IPiswellestablished 网络功能 ContinuousProcessorBatch OneIndustrialNetwork 过程自动化 工厂自动化 DiscreteControlDevices Robotics CNC 继电保护及电力SCADA SOEI O ProtectionDevice Measurement MotionControl Safetyinc ESD FAS MachineSafety EtherNet IP 常规IO实时控制 介质访问机制是带有冲突检测的载波侦听多路访问 由于冲突的存在不适合传输实时I O数据 在同轴电缆或HUB构成的网络中 当网络负荷达到网络带宽的10 有部分数据包由于冲突的存在而延时发送 而当网络的负荷达到网络带宽的30 时 网络中多数数据包不能够发送出去 当网络负荷达到网络带宽的40 时 节点间已经没有数据包可以成功发送和接收 EtherNet IP 常规IO实时控制 全双工线速交换机解决了冲突QoS IEEE802 1P 和链路聚合解决了拥塞 运动控制和IO数据优先转发VLAN IEEE802 1Q 控制了广播风暴IGMPSnooping控制了多播 以太网交换机 支持数据包优先 低优先权 最高优先权 高优先权 低优先权 最高优先权 高优先权 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 IPiswellestablished ProgrammableLogicControllersProcessControllersHumanMachineInterfacesMultipleI OPlatformsWeighScalesMotionControllerDriveControllersVisionSystemsResolverInterfaceEtherNet IPtoSerialInterfacesWindowsDriver OPCServerEtherNet IPtoOtherIndustrialN