工业以太网PPT课件

.,1,第7章工业以太网,.,2,第7章工业以太网,工业以太网简介以太网的物理连接与帧结构TCP/IP协议组实时以太网EtherNet/IP高速以太网HSEPROFINET嵌入式以太网节点与基于Web的远程监控,.,3,什么是工业以太网,什么是工业以太网？是用于工业环境的以太网？还是用于测量控制领域的以太网？还是某种现场总线？目前对工业以太网没有一个严格的定义。各家推出的工业以太网在技术上也存在相当大的差距。工业以太网源于、而又不同于普通以太网技术，它是计算机网络技术在工业应用领域延伸将普通以太网改进为适合工业应用环境添加控制应用功能、形成基于以太网通信的测量控制网络工业以太网是普通以太网技术在控制网络延伸的产物,是工业应用环境下信息网络与控制网络的结合体。应用于工业自动化领域的以太网技术。在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的一种工业网络。,.,4,PROFINET和PROFIBUS,PROFINET和PROFIBUS是PNO组织推出的两种现场总线。两者本身没有可比性，PROFINET基于工业以太网，而PROFIBUS基于RS485串行总线，两者协议上由于介质不同完全不同，没有任何关联。两者相似的地方都具有很好的实时性，原因在于都使用了精简的堆栈结构。基于标准以太网的任何开发都可以直接应用在PROFINET网络中，世界上基于以太网的解决方案的开发者远远多于PROFIBUS开发者，所以，有更多的可用资源去创新技术。,.,5,.,6,因特网的发展历程1969年，最早的因特网ARPANET；20世纪80年代，因特网NSFNET；20世纪90年代以后，商业因特网。,.,7,.,8,以太网的物理层命名原则信号速率（Mbit/s）带宽（基带或宽带）长度（米）或电缆类型,.,9,.,10,.,11,.,12,.,13,.,14,以太网的物理层基带传输是指在一条线上只有一个信道，所有的数据传输只能使用这个信道，基带采用MANCHESTER编码。10BASE5是最早也是最经典的以太网标准1990年发布的10BASE-T是以太网发展史上的一个里程碑，它在双绞线上实现了10Mbit/s的数据传输。1992年发布的10BASE-F系列以太网使用的传输介质是光纤。1995年通过了快速以太网标准IEEE802.3u。1998年开始陆续发布了吉位（千兆位）以太网1000BASE系列，从2002年开始陆续发布了万兆以太网10GBASE系列。大多数的工业以太网技术都是基于快速以太网技术而开发的。控制网络的应用领域一般都是百兆以太网。,.,15,以太网的数据链路层以太网的数据链路层分为媒体访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。MACLLC介质访问方式是CSMA/CD,.,16,工业以太网技术应解决的问题,1.通信实时性问题以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一间题的切实可行的解决方案。,.,17,2.对环境的适应性与可靠性问题以太网是按办公环境设计的，将它用于工业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等能否自动化的要求。在产品设计时要特别注重材质、元器件的选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。,.,18,3.总线供电在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网络技术都可利用网线对现场设备供电，工业以太网目前还没有对网络节点供电做出规定。4.本质安全工业以太网如果要用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问题，这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。,.,19,解决以太网竞争问题和提高服务质量的措施全双工以太网（fullduplexEthernet）数据优先权（dataprioritization）数据优先权涉及到为数据帧分配优先级IEEE802.1q服务质量（QualityofService，QoS）为具体的传输建立确定的参数（确定性问题），保证传输延时（即等待时间）是可预测和有保障的。,.,20,用以太网作为现场总线网络的高速网段在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络提出了与以太网结合，用以太网作为现场总线网络的高速网段，使控制网络与Internet融为一体的解决方案。例如Hl的高速网段HSE，EtherNet/IP，PROFlNet等，都是工业以太网技术的典型代表。,.,21,“E”网到底，远程监控在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，实现Ethernet的“E”网到底，使控制网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的一员。在应用层协议尚末统一的环境下，借助IE等通用的网络测览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控，也是人们提出且正在实现的一个有效的解决方案。,.,22,工业以太网非确定性问题的解决措施,通信非确定性是以太网技术迸人控制领域的最大障碍。控制网络不同于普通计算机网络，其最大特点在于它应该满足控制作用对实时性的要求。以太网采用CSMA/CD的媒体访问控制方式：非确定性(non-deterministic)网络。,.,23,1.提高通信速率在相同通信量的条件下，提高通信速率可以减少通信信号占用传输介质的时间，从一个角度为减少信号的碰撞冲突，解决以太网通信的非确定性提供了途径。以太网：10Mbit/s，100Mbit/s到千兆控制网络：几十千位/s、几百千位/s、lMbit/s、5Mbit/s通信速率的提高是明显的，对减少碰撞冲突也是有效的。,.,24,2.控制网络负荷减轻网络负荷也可以减少信号的碰撞冲突，提高网络通信的确定性。控制网络的通信量不大，随机性、突发性通信的机会也不多，其网络通信大都可以事先预计，并对其做出相应的通信调度安排。在网络设计时正确选择网络的拓扑结构控制各网段的负荷量合理分布各现场设备的节点位置,.,25,3.采用以太网络的全双工交换技术采用以太网交换机，将网络切分为多个网段，就为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，相当于每个设备独点一个网段，使同一个交换机上的不同设备之间不存在资源争夺。在网段分配合理的情况下，由于网段上的多数数据不需要经过主干网传输，因此交换机能够过滤掉这些数据，使数据只在本地网络传输，而不占用其他网段的带宽。交换机之间通过主干线进行连接，从而有效地降低了各网段和主干网络的负荷，使网络中产生冲突的可能性大大降低，提高了网络通信的确定性。,.,26,4.提供适应工业环境的元件现已开发出一系列密封性好、坚固、抗震动的以太网设备与连接件，例如导轨式收发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接插件等。它们适合在工业环境中使用，为以太网进入工业控制环境创造了条件。采取上述措施可以使以太网的非确定性问题得到相当程度的缓解，但还不能说从根本上得到了解决。,.,27,工业以太网组织:工业以太网协会IEA（IndustrialEthernetAssociation）工业自动化开放网络联盟IAONA（IndustrialAutomationOpenNetworkAlliance）等推进工业以太网技术的发展、教育和标准化管理、工业应用领域运用美国电气电子工程师协会(IEEE)也正着手制定现场装置与以太网通信的标准。,.,28,以太网进入工控领域的优势,价格优势：由于信息网络的存在和以太网的大量使用，使得其具有价格明显低于控制网络相应软硬件的特点，如网卡技术优势：技术成熟、易于得到、技术深入人心，已为许多人掌握。有利于企业网络的信息集成，便于与上层网络的连接，便于与外界沟通信息工业以太网沿用现有以太网技术可发挥其上述优势工业以太网的标准化工作目前一是集中在应用层，二是致力于在数据链路层实现实时以太网工业以太网目前还没有一致的定义与规范,.,29,以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:（1）采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的可持续发展。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，保证了以太网技术的不断发展。如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需独自的研究投入。,.,30,以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:（2）以太网受到广泛的开发技术支持。由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，例如Java、VisualC+、VisualBasic等。采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。,.,31,以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:（3）由于以太网是应用最广泛的计算机网络技术，它也受到硬件开发商的高度重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产品可供选择。（4）由于以太网己被使用多年，以太网具有大量的软件资源，人们对以太网设计、应用有很多的经验，对以太网技术十分熟悉。,.,32,以太网技术作为现场总线技术具有如下技术优势:最重要的是，如果采用以太网作为现场总线技术，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，使现场总线技术和计算机网络技术的主流技术很好地融合起来，形成现场总线技术和一般的计算机网络技术相互促进的局面。这将意味着可以实现自动化控制领域的彻底开放，从而打破任何垄断的企图，并使自动化领域产生新的生机和活力。,.,33,工业以太网与其它控制网络比较的优势:（1）工业以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一。（2）设备成本下降。以太网卡的价格是现场总线网络接口卡的十分之一，由于安装量的原因，现场总线的成本也远远无法与以太网相比。（3）用户拥有成本下降。几乎每家企业都具有以太网维护能力的人员，无需再专门学习一种控制网络。（4）以太网易与Internet集成。,.,34,工业以太网的现状技术上的改造大公司增加开发力度几种主要的工业以太网Ethernet/IP基于以太网技术、TCP/IP技术和CIP技术，因此它兼具工业以太网和CIP网络的优点。HSE基于以太网（IEEE802.3）TCP/IPH1的六层结构。,.,35,发展以太网技术最早由Xerox开发，后经数字设备公司(digitalequipment此rp)、lntel公司联合扩展，于1982年公布了以太网规范。IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定的。以太网规范只包括通信模型中的物理层与数据链路层。1999年底，PIPROFINET;2000年底，成为IEC61158-10;2002年，第一个软件包；基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准，是一种实时以太网技术，同时它无缝地集成现有的现场总线系统，从而使现在对于现场总线技术的投资得到保护。支撑技术多，集成的功能强,.,36,工业以太网技术的发展趋势,以太网描述了物理层和数据链路层，并已成为Internet的协议。所以，许多现场总线组织也在致力于发展IP和以太网技术，当前快速发展的IT(informationtechnology)技术已成为工业控制网络中的一部分。,.,37,发展趋势,.,38,随着微处理器和工业以太网的发展，末来的I/O设备可以是一台网络服务器，通过测览器网页就可以实现设备的加载、组态、监控。注册时，系统可以通过IP自动搜索网络上的硬件，这时组态软件就可以显示这些硬件，并提供组态界面。,发展趋势,.,39,当前流行的OPC(OLE(-ObjectLinkingandEmbedding，对象连接与嵌入)forProcessControl,用于过程控制的OLE)、HTTP等技术将为这一过程铺平道路。上位机和底层设备之间的客户端-服务器模式如图所示。还可以在现场设备中嵌人称之ChipSever的Internet芯片，从而使Internet无处不在的理念得到实现。,发展趋势,.,40,发展趋势,.,41,还可以在现场设备中嵌人称之ChipSever的Internet芯片，从而使“Internet”无处不在的理念得到实现。WindowsNT对以太网驱动程序的支持，将使其成为工业控制中最合适的操作系统。WindowsCE也被认为是设备合适的嵌人式操作系统。WindowsNT会占据80%的市场分额WindowsCE以其实时功能占据16%剩下的4%是专用系统,发展趋势,.,42,从信息集成的观点来看，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接，将底层信息集成到车间、公司级的数据库中，甚至通过WEB方式测览和交互控制。因此，有专家预言，现场总线技术与以太网技术相结合将是未来发展的方向。,发展趋势,.,43,.,44,概述实质：为什么还要发展和使用工业以太网？关于IEC61158选择什么样的网络技术？需要解决的问题通信的实时性问题对环境的适应性和可靠性问题总线供电问题本质安全与防爆问题其他问题,.,45,工业以太网是一系列技术的统称,以太网的由来与标准以太网最早由Xerox开发，后经数字仪器公司、Intel公司联合扩展，形成局域网标准IEEE802.3就是以这个技术规范为基础制定的以太网的通信参考模型按ISO开放系统互连参考模型的分层结构，以太网只包括通信模型中的物理层与数据链路层工业以太网含盖了一系列技术以太网规范（物理层与数据链路层）TCP/IP（网络层的网际互连协议IP；传输层的传输控制协议TCP；用户数据报协议UDP）。属TCP/IP协议组下层协议应用层上的SMTP（电子邮件协议）、DNS（域名系统服务）、FTP（文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）、动态网页发布等；属TCP/IP协议组的上层协议,.,46,工业以太网技术：不仅包含了物理层与数据链路层的以太网规范，而且包含TCP/IP协议组，即包含网络层的网际互联协议lP、传输层的传输控制协议TCP、用户数据包协议UDP等。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议SMTP、域名服务DNS、文件传输协议FTP、再加上超文本链接HTTP、动态网页发布等互联网上的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。,.,47,过去以太网在工业自动化领域应用有限（1）以太网采用CSMA/CD碰撞检测方式：网络的不确定性（2）以太网所用的接插件(connector)、集线器(hub)、交换机(switches)和电缆等不符合工业现场恶劣环境的要求。（3）以太网抗干扰性能较差，不具备本质安全性能。（4）以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。,.,48,现场总线与以太网融合在现场总线协议中，为提高传输效率，一般只定义七层协议中的物理层、数据链路层和应用层。为与以太网融合，通常在数据包前加入IP地址，并通过TCP来进行数据传递。如今的控制网络中，以太网己经成为企业层和控制层的主要网络技术。,.,49,以太网使用了TCP/IP协议在IS0/OSI7层协议中，以太网本身只定义了物理层和数据链路层。高层控制协议，以太网使用了TCP/IP协议。IP(internetprotocol)：确定信息传递路线TCP(transmissioncontroIprotocol)：保证传输的可靠性。,.,50,IP技术IP技术是Internet的基础：IEEE1394，ATM(asynchronoustransfermode)，TCP,UDP(userdatagramprotocol)等等，它还可以适用于其它的通信标准，如FTP(filetransferprotocol)和SMTP(Simplemailtransferprotocol)等。以太网已成为事实上的工业标准：办公自动化企业的管理网络,.,51,TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）实质APRANET的网络控制协议，它基于以下两个原则：一是物理网络不完全可靠二是网络协议不能依赖于特定的硬件或软件,.,52,TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）1982年，ARPA将TCP/IP定为ARPANET的协议族，同时国防部也宣布其为军用标准。互联网即互联的网络集合，特别是使用TCP/IP的网络集合。而因特网就是连接起来的TCP/IP互联网。上世纪80年代，UNIX绑定了TCP/IP，NSF也命令组成NSFNET的所有NSF资助的超级计算机中心和计算机网络都将TCP/IP作为它们的网络通信协议。所有这一切基本上确定了TCP/IP在网络通信协议中的事实上标准的地位。,.,53,TCP/IP模型TCP/IP早，OSI晚TCP/IP没有按一种标准去开发设计，但最终成为公认的标准；OSI是国际标准，但最终使用者很少。TCP/IP只有4层，最下面的网络接口层实际上不是通常意义上的层，它仅仅是网络层和底层的接口。TCP/IP模型:开始并没有什么“模型”，为了和OSI进行比较，才画出了一个模型。,.,54,工业以太网与OSI的通信参考模型对比,.,55,TCP/IP各层的功能网络层传输层传输控制协议（TCP）用户数据包协议UDP应用层包含多种协议来满足不同的需要。,.,56,工业以太网的应用分类,作为工业环境中的计算机网络作为其他现场总线网段的上层（高速）网络基于普通以太网技术的控制网络E网到底，在实时性要求不严格的场合用作控制网络基于实时以太网技术的控制网络,.,57,H1设备集成,用于工业环境的计算机网络,H1离散I/O,H1设备集成,.,58,作为其它现场总线网段的上层网络,.,59,基于普通以太网技术的嵌入式控制节点,带以太网接口的嵌入式控制节点随着ASIC芯片集成度与功能的不断增强，单个芯片内可包括CPU、存储器、通信接口、I/O接口等等（如ARM9）在现场智能设备中直接集成带以太网接口的多功能芯片，添加驱动、隔离电路等，便可形成嵌入式以太网控制节点。还可集成Web服务器、CAN2.0B，Bluetooth等通信接口，以及相关控制功能在实时性要求不高的场合，由带普通以太网接口的现场智能节点组成控制网络如在楼宇自动化的某些应用场合,.,60,典型嵌入式以太网节点的结构框图,.,61,基于普通以太网技术的控制网络智能小区监控系（供暖、供水、配电、保安、消防）,1号楼设备,接其它以太网设备,接上层网络,光纤,.,62,基于普通以太网技术的混合网络（计算机网络挂接嵌入式控制节点）,.,63,基于实时以太网的企业网络,.,64,以太网与TCP/IP的分层模型,.,65,物理层与数据链路层采用IEEE802.3以太网标准物理层采用基带曼彻斯特编码数据链路层媒体访问控制采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）网络层采用网际互连协议IP（InternetProtocol）；网际控制报文协议ICMP（InternetControlMessageProtocol）；负责控制和报告因路由等问题引起的差错地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)；将IP地址转换成网络连接设备的物理地址。逆向地址解析协议RARP，将网络连接设备的物理地址转换为IP地址,.,66,.,67,.,68,.,69,.,70,双绞线中电线的功能分配,.,71,.,72,.,73,.,74,.,75,RJ-45插头和制作工具,.,76,.,77,.,78,.,79,RJ-45插座的接线方法,.,80,这是超五类双绞线为达到性能指标和统一接线规范而制定的二种国际标准线序。12345678T568A的线序为：白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕，棕T568B的线序为：白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕,网线制作方法,.,81,平行线二端都使用相同的接线标准。在通常情况下，业界都使用T568B标准！切记！（网卡和HUB间连线）。交叉线一端使用T568A线序，另一端则使用T568B线序。（网卡间连线）。,平行线与交叉线,.,82,.,83,.,84,.,85,IP防护等级IP（INGRESSPROTECTION）防护等级系统是由IEC（INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION）所起草。将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级。这里所指的外物含工具，人的手指等均不可接触到灯具内之带电部分，以免触电。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示灯具离尘、防止外物侵入的等级，第2个数字表示灯具防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高.,.,86,.,87,工业以太网物理连接,.,88,.,89,.,90,具有不同类型接口的网卡,.,91,现场工业以太网交换机,OSMITP62-LD,ESMTP80,工业以太网OLM,.,92,二、以太网的帧结构,IEEE802.3标准具体定义了以太网数据帧的封装格式，如图所示。,前导码帧前定界码目的MAC源MAC类型数据CRC,7字节,1字节,6字节,6字节,2字节,46-1500字节,4字节,G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,CRC-32:,.,93,以太网通信帧的结构（RFC894）internet标准（RequestforComment）,以太网首部（802.3MAC）,类型0800,IP数据报46-1500,类型0806,ARP请求/应答28,PAD18,类型8035,RARP请求/应答28,PAD18,.,94,前导码用来表示数据流的开始通知接收端即将有数据帧到来，使接收端能够利用曼彻斯特编码的信号跳变来同步时钟。前导码包含7个字节（56位），全部是二进制“1”“0”的交替代码帧前定界码只有一个字节，内容为“10101011”表示传输内容的开始目的地址6字节标记下一目的地的物理地址；可以是下一LAN的路由器地址；在到达目标网络后为目的设备的地址。源地址6字节，包含发送或转发数据包设备的物理地址,.,95,以太网的帧结构与封装过程,三、以太网的通信帧结构与工业数据封装,.,96,三、以太网的通信帧结构与工业数据封装,TCP/IP封装的工业控制数据包,.,97,三、以太网的通信帧结构与工业数据封装,工业以太网中通常利用TCP/IP协议来发送非实时数据，而用UDP/IP来发送实时数据。非实时数据的特点是数据包的大小经常变化，且发送时间不定。实时数据的特点是数据包短，需要定时或周期性通信。TCP/IP一般用来传输组态和诊断信息，UDP/IP用来传输实时I/O数据。现场总线控制网络与以太网结合，用以太网作为现场总线上层(高速)网段的场合，通常会采用TCP/IP和UDP/IP协议来包装现场总线数据，让现场总线网段的数据借助以太网通过传送到管理层，或异地的另一现场总线网段上。,.,98,一、TCP/IP协议组二、IP协议三、用户数据报协议UDP四、传输控制协议TCP五、简单网络管理协议SNMP,.,99,在诸多网络互连协议中,传输控制协议/互连网协议TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)是一个使用非常普遍的网络互连标准协议。TCP/IP协议是美国的国防部高级计划研究局DARPA为实现ARPANET(后来发展为Internet)互连网而开发的，也是很多大学及研究所多年的研究及商业化的结果。目前，众多的网络产品厂家都支持TCP/IP协议，TCP/IP已成为一个事实上的工业标准。,.,100,TCP/IP是一组协议的代名词，它还包括许多别的协议，组成了TCP/IP协议簇。一般来说，TCP提供运输层服务，而IP提供网络层服务。TCP/IP的体系结构与ISO的OSI七层参考模型的对应关系如图4-2所示。在TCP/IP层次模型中，第二层为TCP/IP的实现基础，其中可包含MILNET，IEEE802.3的CSMA/CD、IEEE802.5的TokenRing。在第三层网络中，IP为网际协议(InternetProtocol)、ICMP为网际控制报文协议(InternetControlMessageProtocol)、ARP为地址转换协议(AddressResolutionProtocol)、RARP为反向地址转换协议(ReverseARP)。第四层为运输层，TCP为传输控制协议、UDP为用户数据报协议(UserDatagramProtocol)。第五七层中，SMTP为简单邮件传送协议(SimpleMailTransferProtocol)、DNS为域名服务(DomainNameService)、FTP为文件传输协议(FileTransferProtocol)、TELNET为远程终端访问协议。,.,101,.,102,一、TCP/IP协议组,.,103,物理层与数据链路层采用IEEE802.3以太网标准物理层采用基带曼彻斯特编码数据链路层媒体访问控制采用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）网络层采用网际互连协议IP（InternetProtocol）；网际控制报文协议ICMP（InternetControlMessageProtocol）；负责控制和报告因路由等问题引起的差错地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)；将IP地址转换成网络连接设备的物理地址。逆向地址解析协议RARP，将网络连接设备的物理地址转换为IP地址,.,104,网络层最重要的协议是IP，它将多个网络联成一个互连网，可以把高层的数据以多个数据报的形式通过互连网分发出去。,.,105,1、IP协议主要具有以下几部分功能：（1）寻址（2）路由选择路由选择是以单个IP数据包为基础的，概括而言是确定某个IP数据包到达目的主机需经过哪些路由器。路由选择可以由源主机决定，也可以由IP数据包所途经的路由器决定。在IP协议中，路由选择依靠路由表进行。在IP网上的主机和路由器中均保存了一张路由表，路由表指明下一个路由器（或目的主机）的IP地址。路由表由目的主机地址和去往目的主机的路径两部分组成。其中，去往目的主机的路径通常是下一个路由器的地址，也可是目的主机的IP地址。（3）分段与组装IP数据包在实际传送过程中所经过的物理网络帧的最大长度可能不同，当长IP数据包需通过短帧子网时，需对IP数据包进行分段与组装。IP协议实现分段与组装的方法是给每个IP数据包分配一个惟一的标志符，且报头部分还有与分段与组装相关的分段标记和位移。IP数据包在分段时，每一段需包含原有的标志符。为了提高效率、减轻路由器的负担，重新组装工作由目的主机来完成。,.,106,二、IP协议IP数据报的格式,.,107,3、ARP和RARP在一些象以太网这样的网络结构中，可以使用Internet协议栈中的两个子协议ARP（地址解析协议）和RARP（逆向地址解析协议）动态的获得网络主机的IP地址。ARP协议可以通过发送网络广播信息的方式，确定与某个网络层IP地址相对应的物理层地址（即MAC地址）。RARP是ARP的反向协议，同样通过网络广播的方式决定与某个硬件地址相对应的网络层IP地址。RARP协议对于无盘工作站尤为重要，因为无盘工作站系统启动时不知道本机的网络层地址，但是可以通过RARP协议找到与本机硬件层地址相对应的IP地址。,.,108,ARP地址解析为两种不同地址形式提供映射,32位Internet地址IP地址，如25ARPRARPMAC地址，如：00e04ce28bc548位以太网地址,.,109,传输层传输控制协议TCP（TransferControlProtocol）用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol）。应用层域名服务DNS文件传输协议FTP简单网络管理协议SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol）简单邮件传输协议SMTP简单网络定时协议SNTP超文本传输协议HTTP,.,110,ARP分组格式,28字节ARP请求/应答硬件地址长度协议地址长度221126464,硬件类型,协议类型,操作类型,发送端以太网地址,发送端IP地址,发送端以太网地址,目的以太网地址,目的IP地址,.,111,二、IP协议IPv6IPv6是互联网协议第6版“InternetProtocolVersion6”的缩写。IPv6是IETF（互联网工程工作组）为了代替现有的互联网协议IP第4版（IPv4）而推出的下一代协议版本。IPv4已有差不多20年历史，IPv4地址空间越来越少，所有需要加入互联网的新设备需要更大的地址空间。IPv6将IP地址从32位扩充为128位之后，据称能为地球上每一个沙粒配备一个唯一的IP地址。不管这一说法是否夸张，但它的确为控制网络中的设备各自提供一个全球唯一的IP地址提供了可能，这为控制网络的技术发展添加了新的活力。,.,112,IP数据报的格式,.,113,版本第一个域定义了IP的版本号。目前的版本是IPV4，它的二进制表示为0100。报文长度(字节数)报文长度域定义了报文头的长度，这四位可以表示从015的数字。它以4字节为一个单位。将报文长度域的数乘以4，就得到报文头的长度值。报文头长度最大为60字节。服务类型服务类型域定义了数据报应该如何被处理。它包括数据报的优先级（3位），也包括发送者所希望的服务类型（4位）。还有1位未用（须置0）这里的服务类型包括最小迟延、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用，4位中只能有1位置1，4位均为0是一般服务。,.,114,总长度总长度域定义了IP数据报的总长度。这是一个两字节的域（16位），能定义的长度最长可达65536个字节。标识标识域用于识别分段。一个数据报在通过不同网络的时候，可能需要分段以适应网络帧的大小。这时，将在标识域中使用一个序列号来识别每个段。标记标记域在处理分段中用于表示数据可以或不可以被分段，是属于第一个段、中间段还是最后一个段等。段偏移段偏移是一个指针，表示被分段的数据在原始数据报中的偏移量,.,115,生存周期（timetolive）数据报可以经过的路由器的数目。数据报的生存时间由原主机设置为32或64，经过一个路由器减1，该字段为0时数据报被丢弃并通知原主机。协议用于识别是哪个协议向IP传送的数据（ICMP、IGMP、TCP、UDP）报文头校验和对首部中每个16位进行二进制反码求和，结果存于该字段。,.,116,IP地址,IP地址是一种逻辑编号地址有别于计算机网卡、路由器等的MAC地址IP地址为一个32位的二进制数串，4个8位字节每个字节的取值范围为0255，采用带点的十进制标记法例如：16611117010IP地址的32位数串被分成3个域：类型、网络标识、主机标识,.,117,Internet的IP地址被划分为5类（IPv4）,图9.7IP地址的格式,.,118,IP资源与IPV6,目前使用的IP协议是在1981年制定的，称为IPv4，地址长度为32位IPv4所限定的地址将耗尽新的IP协议版本被定名为IPv6IP地址由原来的32位增加到了128位（约合1038）IPv6为现场智能节点成为互联网上的站点提供了条件,.,119,各类IP地址的范围,类型地址范围A到55B到55C到55D到55E到55,.,120,TCP的报文格式（TCP首部20字节）,.,121,三、用户数据报协议UDP,用户数据报协议UDP是一个无连接的端到端的传输层协议，仅仅为来自上层的数据增加端口地址、校验和以及长度信息。UDP所产生的包称为用户数据报。,UDP的报文格式,.,122,用户数据报协议UDP是对IP协议组的扩充，它增加了一种机制，发送方使用这种机制可以区分一台计算机上的多个接收者。每个UDP报文除了包含某用户进程发送数据外，还有报文目的端口的编号和报文源端口的编号，从而使UDP的这种扩充，使得在两个用户进程之间的递送数据报成为可能。UDP是依靠IP协议来传送报文的，因而它的服务和IP一样是不可靠的。这种服务不用确认、不对报文排序、也不进行流量控制，UDP报文有可能会出现丢失、重复、失序等现象。UDP协议不提供端-端的确认和重传功能,不保证信息包一定能到达目的地,因此称为不可靠协议。应用开发人员选择UDP时,应用层协议软件几乎是直接与IP通信。,.,123,用户数据报协议UDP,用户数据报协议UDP是端到端无连接的传输层协议UDP所产生的包称为用户数据报在上层数据的基础上增加端口地址、校验和以及长度信息UDP首部为8字节，以下4项各2个字节源端口地址（2字节）创建报文应用程序地址(发送进程)。目的端口地址（2字节）接收报文应用程序的地址（接收进程）长度信息（2字节）长度信息定义用户数据报的总长度，以字节为单位。校验和（2字节）用于差错控制,.,124,端口号,端口号（地址）端口号用于识别应用程序TCP和UDP采用16位端口号来识别应用程序知名端口号知名端口号用来识别常用程序如识别服务器等：FTP服务器的TCP端口号是21，Telnet服务器的TCP端口号是23，FTP文件传输协议的UDP端口号是69；知名端口号的范围是11023；一般知名端口号介于1255；2561023由Unix占用客户端口号客户端口号客户端口号又称为临时端口号；客户端口号范围是10245000之间大于5000的端口号是预留的,.,125,源端口地址源端口地址定义了源计算机上的应用程序地址。目标端口地址目标端口地址定义了目标计算机上的应用程序地址。顺序编号顺序编号域表示数据在原始数据流中的位置应用程序的数据流可以被划分为两个或更多的TCP段。确认编号32位的确认编号用于确认接收到来自其他通信设备的数据这个编号只有在控制域中的ACK置位之后才有效确认编号指出下一个期望到来的段的顺序编号。,.,126,报文头长度域4位的报文头长度指出了TCP报文头的长度报文头的长度以32位（4个字节）为一个单位4比特报文头的长度可以定义的最大值为15个单位报文头最多可以达到的字节数是4*15=60字节保留域6位，保留给将来使用。控制标志6位的控制标志域中每位都有其独立功能。报文头最长60个字节报文头最少需要20个字节来表达可以有40字节保留给选项域使用,.,127,数据域的长度可以从46到1500个字节不等46个字节是数据域的最小长度，以便让局域网上所有站点都能检测到该帧数据段小于46个字节时由高层软件把数据域填充到46个字节循环冗余校验CRC共4个字节检验范围：从目的地址域开始一直到数据域结束发送站点在发送时就边发送边进行CRC校验，形成该32位的循环冗余校验码接收站点也从目的地址域开始，边接收边进行CRC校验，得到的结果如果与收到的CRC域的数据相同，则说明该帧传输无误，否则表明出错,.,128,TCP提供的是一种可靠的数据传输服务。当传送受差错干扰的数据，或基础网络故障，或网络负荷太重而使网际基本传输系统(无连接报文递交系统)不能正常工作时，就需要通过其它协议来保证通信的可靠。TCP就是这样的协议，它对应于OSI模型的传输层，它在IP协议的基础上，提供端到端的面向连接的可靠传输。,四、传输控制协议TCP,.,129,TCP采用“带重传的肯定确认”技术来实现传输的可靠性。简单的“带重传的肯定确认”是指与发送方通信的接收者，每接收一次数据，就送回一个确认报文，发送者对每个发出去的报文都留一份记录，等到收到确认之后再发出下一报文分组。发送者发出一个报文分组时，启动一个计时器，若计时器计数完毕，确认还未到达，则发送者重新送该报文分组。,四、传输控制协议TCP,.,130,四、传输控制协议TCP,传输控制协议为用户提供完整的传输层服务。TCP是一个可靠的面向连接的端到端协议。通信两端在传输数据之前必须先建立连接。TCP通过创立连接，在发送者和接收者之间建立起一条虚电路，这条虚电路在整个传输过程中都是有效的。TCP通知接收者即将有数据到达来开始一次传输，同时通过连接中断来结束连接。通过这种方法，使接收者知道这是一次完成的传输过程，而不仅仅是一个包。,.,131,四、传输控制协议TCP,TCP的报文格式,.,132,TCP与UDP的比较传输层的作用是提供应用程序间(端到端)的通信服务,它提供两个协议:用户数据报协议UDP(userdatagramprotocol),其负责提供高效率的服务,用于传送少量的报文,几乎不提供可靠性措施,使用UDP的应用程序须自己完成可靠性操作;传输控制协议TCP(transmissioncontrolprotocol),其负责提供高可靠的数据传送服务,主要用于传送大量报文,并为保证可靠性做了大量工作。下表列出它们之间的主要区别。,.,133,TCP与UDP之比较,表2TCP与UDP之比较TCP与UDP的用途,.,134,TCP与UDP的用途,虽然UDP几乎不提供可靠性措施,但其实现机制简单,假如通信子网提供足够的可靠性,使用UDP将获得可观的效率。比如远程过程调用(RPC),生产过程数据交换等,这种场合一次传输发送分组的数量不多,为这种有限几次的交互而建立一个连接开销太大,让每个分组携带IP地址并进行寻址也不会太影响效率,即便传输出错,导致几次重传,其效率也比面向联接方式为高,所以RPC建立在UDP之上。应用层依赖于UDP的还有简单网络管理协议SNMP、单纯文件传输协议TFTP、引导协议BOOTP等。面向联接的TCP不要求每一分组都含目的IP地址,只要求包含一个很短的联接号,所以非常适合于每个分组仅发送很少字符的交互式终端应用。另外,TCP也适合于进行大数据量的文件传输,因为每次大文件传输可能要传送许多分组,建立联接后就不必为每个分组进行单调的寻址,传输的效率显然比每个分组都进行寻址高出许多。应用层依赖于TCP的协议包括大量交互型的虚拟终端协议TELNET、远程登录和远程shell执行以及文件传输型的电子邮件协议SMTP、文件传输协议FTP等。,.,135,五、简单网络管理协议SNMP,SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol)属于应用层协议。管理程序和代理程序按客户服务器方式工作。管理程序运行SNMP客户程序，向某个代理程序发出请求（或命令），代理程序运行SNMP服务器程序，返回响应（或执行某个动作）。在网管系统中往往是一个（或少数几个）客户程序与很多的服务器程序进行交互。在多种不同协议控制网络并存的形式下，可以借助应用层的SNMP，实现不同控制网络设备之间的数据交互和信息集成。,.,136,简单网络管理协议(SimpleNetworkManagementProtocol)是一种应用层协议，是TCP/IP协议族的一部分，它使网络设备间能方便地交换管理信息。SNMP能够让网络管理员管理网络的性能，发现和解决网络问题及进行网络的扩充。现在有两个版本的SNMPv1和SNMPv2，这两个版本都有一些共同特性，但SNMPv2提供了加强的功能，比如：额外的协议操作命令。,.,137,五、简单网络管理协议SNMP,网络管理的一般模型,管理站,因特网,网络管理员,被管设备,管理程序（运行SNMP客户程序）,代理程序（运行SNMP服务器程序）,A,A,A,A,M,被管设备,被管设备,被管设备,M,A,A,被管设备,网管协议,.,138,工业数据封装,控制网段之间借助以太网的通信控制数据通过Tunneling打包为TCP/UDP/IP数据报TCP/UDP/IP数据报借助以太网传输目的地设备打开封装，提取出原来的控制数据由目的地设备或网络采用本地协议解读控制数据信息,.,139,Tunneling,工业以太网中非实时数据（组态和诊断信息），采用TCP/IP数据包发送实时数据（I/O数据），采用UDP/IP数据包发送Tunneling将某个工业数据放置在TCP/UDP/IP数据域组成数据报将这个数据报发送到以太网上传送到目的地目的地设备收到数据后，打开TCP/UDP/IP封装解读,.,140,.,141,在工控领域以太网技术应用受限的原因,CSMA/CD的媒体访问控制方式不能满足一些控制场合的实时性要求接插件、集线器、交换机等是为办公应用设计的，不适应工业现场恶劣环境的要求抗电磁干扰能力本质安全总线供电,.,142,适应工业应用环境的解决方案,可安装在DIN导轨上的导轨式收发器、集线器、交换机系列SynergeticMicroSystem(美)、Hirschmann(德)公司开发的系列产品工业级接插件特殊封装的工业以太网接插件，如WoodheadConnectivity公司的RJ-LnxxIP67采用DB-9结构的接插件冗余电源供电,.,143,针对通信实时性的解决方案,通信实时性的问题以太网采用的CSMA/CD随机访问、平等竞争的介质访问控制方式具有不确定性（nondeterministic）不能满足工业自动化领域某些数据对通信实时性的要求解决方案利用以太网现有的技术优势，扬长避短开发实时以太网技术，如研制实时以太网通信接口芯片NetSilicon等,.,144,扬长避短的措施,利用通信速率高的优势相同通信量的条件下，高通信速率可以减少通信信号占用传输介质的时间，可减少信号的碰撞冲突，为提高通信确定性提供了途径以太网的通信速率从10MbpS，100MbpS到千兆控制网络传统通信速率的几十、几百Kbps，1M、5Mbps通信量一定的条件下，利用以太网的高通信速率有效减少碰撞冲突,.,145,采取控制网络负荷的措施减轻网络负荷也可有效减少信号碰撞冲突的几率，提高网络通信的确定性。控制网络的通信量不大，随机性、突发性通信的机会也不多，其网络通信大都可以事先预计并作出相应的通信调度安排如在网络设计时能合理分布各现场设备的节点位置，控制或减少各网段的负荷量，可有效避免冲突研究表明，在网络负荷低于满负荷的30时，以太网基本可以满足对控制系统通信确定性的要求。,.,146,采用全双工交换技术半双工通信发送或接收报文均在一对网线上完成，发生碰撞的几率大使网络处于全双工通信状态，一对线用来发送数据，另一对线用来接收数据采用全双工以太网交换机将网络切分为多个网段，为连接在其端口上的每个网络节点提供独立带宽，相当于每个设备独占一个网段，数据只在本地网络传输而不占用其他网段的带宽。连接在同一个交换机上的不同设备不存在资源争夺交换机可使网段上多数数据不经主干网传输交换式全双工以太网消除了冲突的可能，有条件达到确定性网络的要求,.,147,实时以太网RTE(RealTimeEthernet),实时以太网是考虑到现场总线的实时性与以太网通信技术相结合，建立的适合于工业自动化并有实时能力的以太网总线。实时的含义是指对一个给定的应用，保证在一个确定的