网络_5章_以太网.ppt

1、1,第5章工业以太网,工业计算机网络与通信,2,9.1 工业以太网简介 9.2 以太网的物理层与帧结构 9.3 TCP/IP 协议组 9.4 EtherNet/IP 9.5 高速以太网HSE 9.6 基于Web技术的远程监控 9.7 基于以太网的远程温度采集系统,工业计算机网络与通信,3,9.1 工业以太网简介,以太网（EtherNet） 美国Xerox，DEC、Intel公司，于1982年公布以太网规范（物理层、数据链路层） 以太网技术模型 以太网物理层 以太网数据链路层（CSMA/CD） 网络层（IP） 传输层（TCP/UDP） 应用层协议（DNS、FTP等等） 应用领域：办公、商业,IE

2、EE802.3,TCP/IP协议组,工业计算机网络与通信,4,9.1 工业以太网简介,工业以太网 以太网技术在控制网络的延伸：网络连接的一致性需求、以太网通信性能的一些优势 工业以太网定义：一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、环境的适应性及可靠性、实时性、总线供电、本质安全、可互操作性等方面能满足工业现场的需要。 应用层：尚未取得共识 应用模式 各种现场总线控制网络与以太网的结合 直接采用以太网技术,工业计算机网络与通信,5,9.1 工业以太网简介,工业以太网的特点 解决环境适应性问题：工业级产品 解决非确定性问题的措施 高通信速率 控制网络负荷 采用

3、全双工以太网技术 采用交换式以太网 实时以太网 网络供电 本质安全 应用层协议,工业计算机网络与通信,6,9.1 工业以太网简介,以太网的通信帧结构与数据封装 封装 将要传输的“用户数据”嵌入到以太网数据帧中，将用户数据分层逐一添加上各层的协议信息 封装过程 应用层：加上应用首部 传输层：加上TCP或UDP首部 网络层：加上IP首部 数据链路层：加上帧头、帧尾,工业计算机网络与通信,7,9.2 以太网的物理层与帧结构,以太网物理层 分类：宽带、基带 工业以太网中应用基带技术：曼彻斯特编码 按传输速率分类 10Mbps以太网：10BASE5、10BASE2、10BASET、10BASEFL 快速

4、以太网：100BASETX、100BASET4、100BASET2、100BASEFX等 千兆以太网/吉比特以太网：1000BASELX、1000BASESX、1000BASECX、1000BASET等,工业计算机网络与通信,8,以太网物理层：10Mbps以太网 粗缆以太网10BASE5 粗同轴电缆：直径为1cm，特征阻抗为50 每个网段的最大长度可达500m 外置收发器 性能好，价格较贵，不易安装，已不使用,工业计算机网络与通信,9,以太网物理层：10Mbps以太网 细缆以太网10BASE2 细同轴电缆：直径为5mm，特征阻抗为50 每个网段的最大长度为200m 网卡上内置收发器 价格低廉、

5、便于安装、可靠性差，已不使用,工业计算机网络与通信,10,以太网物理层：10Mbps以太网 10BASET：以太网技术发展的里程碑 非屏蔽双绞线、 RJ-45连接器、网卡内置收发器 星型拓朴、物理介质最长达100m、最多4个集线器 价格低廉、便于安装、有一定的抗电磁干扰能力、广泛采用,10BASEFL 多模光纤 传输距离可 达2km 星型拓朴 逐步发展,工业计算机网络与通信,11,以太网物理层 RJ-45连接器的针脚定义：EIA/TIA标准,（a）插孔,（b）插头,工业计算机网络与通信,12,以太网物理层 5类双绞线 EIA/TIA-568A标准,EIA/TIA-568B标准：工程中应用较多,

6、注意：线序不能随意改动,工业计算机网络与通信,13,以太网物理层 运用RJ45的双绞线连接 直通连接 交叉连接,网线制作：,工业计算机网络与通信,14,9.2 以太网的物理层与帧结构,以太网的MAC帧：RFC894 前导码帧前定界符目的地址源地址类型数据域CRC （7字节）（1） （6） （6） (2) (461500) (4) IEEE802.2/802.3的帧结构：RFC1042 前导码帧前定界符目的地址源地址长度数据域CRC （7字节）（1） （6） （6） (2) (461500) (4) 较少使用,工业计算机网络与通信,15,以太网的MAC帧：RFC894 前导码（56位）：每个字节

7、均为10101010B 帧前定界码：0 xAB 目标地址（48位）：单一地址、多地址、广播地址 源地址（ 48位） ：站点或路由器 类型域（16位）:网络层的协议类型 例：0800（IP）、0806（ARP）、0835（RARP）,工业计算机网络与通信,16,以太网的MAC帧：RFC894 数据域（461500字节） 不足46字节时，须填充 CRC（4个字节）：从地址域开始到数据域 生成多项式：CRC-32,工业计算机网络与通信,17,IEEE802.3的帧格式: RFC1042 长度/类型域 表示数据域的字节数 表示网络层的协议类型：数值大于0 x0600；数据域的长度固定 数据域/LLC帧

8、（461500字节） 目的服务访问点源服务访问点Ctrl字段Orgcode类型数据 （AA） （AA） （03） （00 00 00） 类型域定义与RFC894相同 真正数据只有381492字节,工业计算机网络与通信,18,9.3 TCP/IP 协议组,构成 网络层 IP 地址解析协议ARP、反向地址解析协议RARP：被IP协议使用 ICMP、IGMP：使用IP协议 传输层 TCP、UDP 应用层 SMTP、DNS、FTP、HTTP、SNMP、SNTP等,工业计算机网络与通信,19,IP 协议,特点 无连接的服务：传输之前不建立连接，直接将数据报发往目的站点 不可靠的服务：只对报文头进行校验，

9、出错则丢弃 IP数据报：报文头数据 报文头（2060字节） 版本报文头长度服务类型总长度 标识标记段偏移 生存周期协议报文头校验和 源IP地址 目标IP地址 选项,20字节,工业计算机网络与通信,20,IP 协议,IP数据报：报文头 版本(4位)：0100版本号为IPv4 报文头长度(4位)：以4字节为单位 报文头不是4字节的整数倍时，必须进行填充 服务类型(8位)：0服务类型(4位)优先级(3位) 一般服务：D6D3全为0 D6D3中只有一位置1：低迟延(D3)、高吞吐量(D4)、高可靠性(D5)、费用低(D6) 一般优先权：D2D0全为0 总长度(16位)：报文头数据区，单位为字节 以太网

10、的最大值为1500,工业计算机网络与通信,21,IP 协议,IP数据报：报文头 标识(16位)：数据报过长，要分段(片)发送时，将计数器的当前值复制到所有分段的标识字段中 标记(3位)：分段信息 最低位MF：1还有后续段；0当前段为最后一段 中间位DF：1不能分段；0允许分段 段偏移(13位)：分段数据在原数据区中的偏移量，以8字节为单位 例：一数据报的数据部分长度3800字节长，被分为3个数据报片，长度分别为1400字节、1400字节和1000字节，则： 数据片1、2、3的偏移值分别为0，0 xAF和0 x15E； MF值分别为1，1，0；DF值都是0；标识值相同。,工业计算机网络与通信,2

11、2,IP 协议,IP数据报：报文头 生存周期(8位)：数据报在网络中的寿命 最大生存时间：传送时，路由器不断减去所历经的时间，减到0时，从网中清除该数据报 简单办法：规定数据报所历经的最大跳数 协议(8位)：所携带数据的协议类型 TCP为6、UDP为17等 报文头校验和(16位) 算法（RFC1071）：按16位字求一的补码和，累加结果取反即为校验和,工业计算机网络与通信,23,IP 协议,IP数据报：报文头 源IP地址(32位) 目标IP地址(32位) 选项(040字节)：定义数据报的更多功能，如排错、安全限制、记录路径等 IP地址 逻辑地址(32位) 孤立的局域网：自定义 连接到Inter

12、net：申请全球唯一的IP地址,工业计算机网络与通信,24,IP 协议,分类的IP地址 点分十进制记法：如0 格式：类型网络标识主机标识 A类：07位网络标识24位主机标识 B类：1014位网络标识16位主机标识 C类：11021位网络标识8位主机标识 D类：1110组播地址 E类：11110地址(保留今后使用),工业计算机网络与通信,25,IP 协议,分类的IP地址：特殊的IP地址,工业计算机网络与通信,26,IP 协议,分类的IP地址：IP地址的范围,工业计算机网络与通信,27,IP 协议,划分子网：A类或B类网络 方法：原主机标识子网标识子网主机标识 子网掩码(

13、32位) 子网的主机标识全为0，其余全为1 子网识别：IP地址和子网掩码相与,工业计算机网络与通信,28,IP 协议,路由选择：路由表 目标网络号下一跳IP地址 IPv6 地址空间扩展到128位 简化的首部：使用固定长度的基本首部(8个字段)和扩展首部 考虑了安全性和服务质量问题 由IPv4无缝地切换到IPv6，有许多技术问题尚需解决,工业计算机网络与通信,29,9.3 TCP/IP 协议组,传输层：用户数据报协议UDP 无连接的端到端协议 UDP报文格式 源端口地址(16位) 目的端口地址(16位) 总长度(16位)：字节数 校验和(16位)：首部和数据部分，以及伪报头 算法：同IP数据报

14、全0选择不校验 数据域 特点：帧短、快速、可靠性差,工业计算机网络与通信,30,9.3 TCP/IP 协议组,传输层：传输控制协议TCP 面向连接的端到端的协议，可靠的、完整的服务 TCP的报文格式 源端口地址目的端口地址 顺序编号 确认编号 报文头长度保留控制标志滑动窗口 校验和紧急指针 选项和填充 数据区,工业计算机网络与通信,31,TCP协议,TCP报文的格式 源端口地址(16位) 目的端口地址(16位) 顺序编号(32位)：本段数据的第一个字节的序号 确认编号(32位)：期望下一次接收的数据序号 例：B向A发出报文段，其顺序编号为501，数据长度为200字节；A正确接收该报文。则： A

15、发给B的响应报文段中的确认编号应为701。 报文头长度(4位)：以4字节为单位 保留(6位)：置为0,工业计算机网络与通信,32,TCP协议,TCP报文的格式 标志(6位)：URG+ACK+PSH+RST+SYN+FIN 紧急比特URG： 1紧急指针有效 确认比特ACK： 1确认编号有效 推送比特PSH：1通知对方立即发送数据 复位比特RST：1出现严重差错，要连接重置 同步比特SYN：用于建立连接 SYN为1，ACK为0表明是连接请求 SYN为1，ACK为1表明同意建立连接，发出的响应报文 终止比特FIN：1要求释放连接,工业计算机网络与通信,33,TCP协议,TCP报文的格式 滑动窗口大小

16、(16位)：流量控制。告诉发方，其在收到收方的下一次确认之前，发方能够发送的数据长度不能超过此窗口的值。单位为字节 校验和(16位)：首部、数据和伪报头 算法：同UDP 紧急指针(16位)：本报文段中紧急数据的末字节相对于本报文段序号的偏移量 选项和填充：如最大报文段长度、窗口比例因子、时间戳、负确认等 数据区,工业计算机网络与通信,34,9.3 TCP/IP 协议组,应用层：简单网络管理协议SNMP 网络管理的5个功能域 故障管理 配置管理 性能管理 安全管理 计费管理 网络管理工具SNMP的特点 建立在UDP/IP基础上 简单、低资源消耗，被广泛应用,工业计算机网络与通信,35,应用层：简

17、单网络管理协议SNMP SNMP的管理模型 管理器manager、代理agent 管理信息库MIB：被管理对象的结构化集合 通信协议SNMP,工业计算机网络与通信,36,应用层：简单网络管理协议SNMP SNMPv1的报文类型：5种,管理器发出报文：UDP端口号161 代理发出报文：UDP端口号162 基本操作：轮询方式，客户服务器模式 Trap机制：基于中断,工业计算机网络与通信,37,9.5 Ethernet/IP,通信参考模型 物理层 数据链路层 网络层 传输层 应用层：控制与信息协议CIP,以太网技术,历史 1999年，CI （ControlNet国际化组织)和ODVA （开放Devi

18、ceNet供应商协会）联合公布EtherNet/IP规范 美国罗克韦尔支持,工业计算机网络与通信,38,9.4 Ethernet/IP,工业计算机网络与通信,39,9.4 Ethernet/IP,CIP的报文种类 I/O数据报文（隐性报文） 利用UDP协议 信息报文（显性报文） 利用TCP协议 网络维护报文 广播方式 CIP的对象与标识 将网络设备做为一个对象集 每个对象的抽象描述：属性、服务、行为 提高设备之间的互操作性,工业计算机网络与通信,40,9.4 Ethernet/IP,技术特点 采用以太网物理介质、通信芯片、交换机等 典型结构：星型拓朴 以太网的优势：大容量数据包、高速率 现场设

19、备内置Web Server功能 便于系统集成 应用案例 美国百威啤酒 武汉卷烟厂等,工业计算机网络与通信,41,9.5 高速以太网HSE,基金会现场总线FF 适用于过程自动化系统：本质安全防爆、总线供电 是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场总线，同时遵守 IEC 的协议规划 FF 现场总线基金会： 100 多个成员单位，于1994年 6 月合并成立 低速网段H1：31.25Kbps，1996年颁布 高速网段HSE：2000年颁布,工业计算机网络与通信,42,9.5 高速以太网HSE,通信模型 物理层：100Mbps 数据链路层 网络层：IP 传输层 应用层：现场设备访问FDA 用户

20、层：功能块、设备描述、网络与系统管理等,以太网技术,以太网物理层HSE通信栈用户层,工业计算机网络与通信,43,9.5 高速以太网HSE,HSE的功能块 标准的FF功能块：AI、AO、PID等 柔性功能块：高级控制 功能块下放到设备中,工业计算机网络与通信,44,9.5 高速以太网HSE,HSE与现场设备的通信 链接设备 网关功能：H1网段和HSE网段连接 网桥功能：连接多个H1总线网段 直接连接,工业计算机网络与通信,45,9.6 基于Web技术的远程监控,Web 技术 服务器浏览器模式 发展历程 基于静态页面：静态的文本文档 基于动态页面：服务器与数据库互联 基于Web对象：分布式，避免W

21、eb服务器构成的瓶颈,工业计算机网络与通信,46,9.6 基于Web技术的远程监控,根据Web服务器的实现方式分类 工控节点中内置Web服务器 结构简单、响应快速、无信息交换瓶颈 设备需要IP地址、服务器功能简单 适用于散点等小信息量的简单系统 Web服务器独立式 适用于设备集中或信息交互量大的场合 安全防范措施 身份验证、权限限制、传输加密、防火墙、防病毒等,工业计算机网络与通信,47,9.6 基于Web技术的远程监控,嵌入式以太网节点 采用带普通以太网通信接口的芯片构成测量控制节点 实现TCP/IP协议栈、集成Web服务器、网关等 UBICOM公司的IP2022，RABBIT公司的RABB

22、IT 2000等,48,9.4 基于以太网的远程温度采集,系统结构 软件基本流程（TCP、UDP） 系统调试 工控后台软件的组成结构,49,基于以太网的远程温度采集,50,基于以太网的远程温度采集,系统结构 硬件：温度传感器、温度采集模块、串口联网服务器、PC机、电缆、电源 软件： 串口（联网）服务器NC602 网关功能 1个网口：10M/100M自适应 2个串行口：RS422/485 电源：交流220V,51,基于以太网的远程温度采集,软件基本流程（ UDP、TCP） 套接字Socket 一种抽象概念:不同主机间进程进行双向通信的端点 组成 IP地址 端口号 类型 基于TCP协议、基于UDP

23、协议 Windows Sockets API编程原理,52,基于以太网的远程温度采集,软件 流程: TCP,53,基于以太网的远程温度采集,软件基本流程（ UDP）,54,基于以太网的远程温度采集,系统调试 硬件连接 获得串口服务器的IP地址 设置PC机的IP地址 设置串口服务器的工作模式 IP地址、端口号、TCP或UDP协议选择 串行通信参数 运行监测软件,55,基于以太网的远程温度采集,工控后台软件的组成 通信前置程序 系统图及实时数据界面 数据库 实时曲线、历史曲线 报文查看 用户管理 事故报警 事件记录 绘图工具,56,57,工业计算机网络与通信,58,课堂练习,1.现用Etherea

24、l网络协议分析仪捕获到一帧以太网报文，请进行协议分析： 00 c0 9f d9 7d 48 00 00 39 be 77 aa 08 00 45 00 00 21 01 a8 00 00 80 11 b6 0c c0 a8 00 e9 c0 a8 00 de 04 05 07 cf 00 0d 0a a4 00 11 22 33 44 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 注：该报文不包含MAC帧的CRC校验码，因为当一个帧到达并被确认后，网卡就把它删除了。,工业计算机网络与通信,59,第九章 作业,1. 说明课堂练习中给出的数据包应用了哪些协议，并标注出各协议的报头、报尾和数据。 2. 说明课堂实例“基于以太网的远程温度采集系统”的串口联网服务器的参数设置包括哪些内容？,工业计算机网络与通信,60,第九章 课外作业,论述一种常用的以太网协议标准或网络命令 硬件设计：以太网通信接口设计 软件设计：以太网驱动程序设计,工业计算机网络与通信,61,第九章 复习题,1.掌握以太网的通信参考模型和数据封装过程； 2.工业以太网技术要解决的一系列问题及措施； 3.了解以太网物理层的类别； 4.学会制做网线和连接以太网设备； 6.掌握以太网的帧格式、 IP报文格式以及UDP和TCP报文格式