第10章 工业以太网课件

1、安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程1第10章 工业以太网周鸣争安徽工程大学计算机与信息学院安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程2主要内容1 概述2 工业以太网的体系结构3 工业以太网实时性分析4 以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程31 概 述 第10章 工业以太网安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程41 工业以太网络的定义： 一般来说是指技术上与IEEE802.3兼容，但在产品设计上兼顾工业现场的特殊要求的局域网。其特点有：（1）通信的确定性与实时性 工业控制网必须满足实时性要求，信号传输要足够的快和满足信号的确定性。传统的以太

2、网采用CSMA/CD方式，一直被认为是非确定性的网络。 快速以太网与交换以太网的发展，冲突下降，确定性和实时性大大提高，完全能满足工业控制的要求。（2）稳定性与可靠性 工业控制网必须满足在恶劣环境下的抗干扰性要求。概 述安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程5概 述 传统的以太网所使用的介质与器件均为商用而设计的，抗干扰性能较差。若用于危险场合，它不具备本安特性，也不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。随着网络技术的发展，上述问题正在迅速得到解决，现在的工业Ethernet采用导轨式收发器、集线器和交换机和一种称为连接装置（linking device）类似带开关的集线器结构，并有冗余

3、电源供电，很好地解决了Ethernet的可靠性问题。（3）由于采用与商用Ethernet相同的技术，因此具有最广大的支持网络和资源。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程6 2 工业以太网络的常用标准： 为适应市场趋势全球主要自动化厂商和组织加强了工业Ethernet实现。国际上成立了工业Ethernet协会目前常用的标准有：（1）法国施奈德公司：ModbusTCP/IP（1998）（2）德国门子公司：2001年发布其工业Ethernet的规范，称为PROFINET。（3）美国洛威尔自动化公司：2000年发布工业Ethernet规范，称为Ethernet/IP。（4）基金会现场总线FF

4、：2000年发布工业Ethernet规范，称为HSE。概 述安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程7 概 述3 3 存在的问题存在的问题 目前工业以太网发展中还存在如下需要解决的问题目前工业以太网发展中还存在如下需要解决的问题（1 1）制定工业加强型网络端口连接件的工业标准：目）制定工业加强型网络端口连接件的工业标准：目前前50%50%的故障由连接件造成。的故障由连接件造成。（2 2）网络的生存性：任一组件发生故障，均不能导致）网络的生存性：任一组件发生故障，均不能导致系统瘫痪。系统瘫痪。（3 3）网络的安全性：难以避免病毒、黑客的入侵与非）网络的安全性：难以避免病毒、黑客的入侵与非法

5、操作，本质安全。法操作，本质安全。（4 4）应用层无法统一；）应用层无法统一；（5 5）总线供电技术；）总线供电技术；（6 6）远距离传输技术；）远距离传输技术；安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程8概 述4工业以太网的分类 从实时调度的角度对工业以太网进行分类 ( 1) 软实时工业以太网。软实时工业以太网主要采取了交换式以太网技术与TCP( UDP) / IP 机制,数据传输的实时调度在 TCP( UDP) / IP之上, 响应时间为几十毫秒, 主要用于工厂控制领域。典型的有 Modbus, Ethernet/ IP等。 软实时工业控制网络由于在 TCP( UDP) / IP上进行

6、实时调度, 因此 TCP( UDP) / IP 本身特点会导致实时行为受限。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程9概 述( 2) 硬实时工业以太网。数据传输的实时调度在 M AC之上, 响应时间为 1ms 10ms, 主要用于过程控制领域。典型的有 Pr ofiNet IO, Tcnet, Vnet 等。( 3) 同步硬实时工业以太网。带精确的时钟同步, 响应时间为 250us 到 1ms, 抖动小于 1us, 主要用于运动控制领域。典型的有 Power link, EtherCAT , Sercos II I, 基于等时特性的Pr ofiNet IO 及基于时间同步的 Ethern

7、et/ IP等。( 4) 非实时工业以太网。主要用于诊断、 维护、 测试等方面,安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程10概 述5 发展趋势 由于以太网具有应用广泛、价格低、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技术成熟等优点，已在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用。其发展趋势体现在：（1）与现场总线相结合：体现在物理介质、连接设备、物理层与链路层的标准。（2）直接应用于工业现场设备间的通信（3）实现“一网到底”。 ( 4) 实时异构网络:无线通信进入工业控制领域的趋势无可置疑。通过有线网络与无线网络融合、 广域网与局域网集成来构建实时异构网络,是未来发展的趋

8、势。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程112 工业以太网的体系结构第10章 工业以太网安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程12工业以太网的体系结构1. IEEE802局域网参考模型n IEEE802只包含两层：数据链路层，物理层;nIEEE802定义了多种物理层802.3802.1x，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法；n数据链路层又分为逻辑链路控制LLC和介质访问控制MAC两个子层：lLLC：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接、差错控制、帧序号处理等功能，与介质、拓扑无关； lMAC：进行寻址与差错检测，与介质、拓扑相关, MAC在各

9、子标准802.3-802.1x中定义。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程13工业以太网的体系结构数据链路层数据链路层物理层物理层工业以太网工业以太网 IEEE802 介质访问控制子层介质访问控制子层 MAC802.3CSMA/CD802.4令牌总线令牌总线802.5令牌环令牌环802.8FDDI802.11WLANIEEE802.2 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层LLCIEEE802.1 上层协议接口子层上层协议接口子层802.x网络层网络层 （IP、ICMP、ARP）传输层（传输层（TCP、UDP应用层应用层上层使用IP地址下层使用物理地址由硬件实现由操作系统内核实现由应用软件

10、实现安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程14工业以太网的体系结构2 物理层标准物理层标准 传统以太网：10Mb/s 802.3 粗同轴电缆 802.3a 细同轴电缆 802.3i 双绞线 802.3j 光纤 快速以太网（FE）：100Mb/s 802.3u 双绞线，光纤 千兆以太网（GE）：1000Mb/s（1Gb/s） 802.3z 屏蔽短双绞线、光纤 802.3ab 双绞线 万兆以太网（10GE）：10Gb/s 802.3ae 光纤（1）标准标准安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程15工业以太网的体系结构（2）拓扑结构 拓扑是网络中电缆的布置。众所周知，EIA-485或

11、CAN采用总线型拓扑。但在工业以太网中，由于普遍使用集线器或交换机，拓扑结构为星型或分散星型。 （3）接线 工业以太网使用的电缆有屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）、多模或单模光缆。 10Mbps的速率对双绞线没有过高的要求，而在100Mbps速率下，推荐使用五类或超五类线。 光纤链接时需要一对，常用的多模光纤波长为62.5/125m或50/125m。与多模光纤的内芯相比，单模光纤的内芯很细，只有10m左右。通常，10Mbps使用多模光纤，100Mbps下，单模、多模光纤都适用。 安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程16工业以太网的体系结构（4） 接头和连接 双绞线接头中R

12、J-45较常见，共两对线，一对用于发送，另一对用于接收。在媒介相关接口（MDI）的定义中，这四个信号分别标识为RD+，RD-，TD+，TD-。 一条通信链路由DTE（数据终端设备，如工作站）和DCE（数据通讯设备，如中继器或交换机）组成。集线器端口标识为MDI-X端口表明DTE和DCE可以使用直通电缆相连。假如是两个DTE或两个DCE相连？可以采用电缆交叉的方法或直接利用集线器提供的上连端口（电缆不要交叉）。 光纤接头有两种，ST接头用于10Mbps或100Mbps；SC接头专用于100Mbps。单模纤通常使用SC接头。DTE与DCE之间的连接只需依照端口的TX、RX标识即可。 安徽工程大学安

13、徽工程大学 研究生课程研究生课程17工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程18工业以太网的体系结构（5）速度和距离 对工业以太网来说，10Mbps和100Mbps是最常用的。在10Mbps，全部采用双绞线的以太网网络中，与距离有关的概念有两个，即网段（SegmentSegment）和网络范围(Network (Network Diameter)Diameter)。前者指连接两个设备（集线器、交换机或主机）的距离，后者指网络中两个最远端设备之间的距离。不管是10Mbps或100Mbps的网络，网段的最远距离不能超过100100米。考虑网络延伸，最有用的规则就是5-4-

14、3规则（仅仅针对10Mbps中继器）。 光纤网段的最远距离可达2公里，但IEEE802.3IEEE802.3标准规定，使用光纤，级联数最多不能超过3 3个，且网络末端需使用双绞线，中间的两个为光纤网段并保证每个网段不超过1 1公里。这样，整个光纤网段长度限制在2公里。 5-4-3规则对100Mbps是不适用的。建议使用100Mbps交换机。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程193 链路层协议： 链路层协议包括数据帧格式定义和链路层协议包括数据帧格式定义和CSMA/CD协议。协议。（1）802.3 MAC 帧格式：帧格式：工业以太网的体系结构前导符起始符目的地址源地址类型/长度数据P

15、ADCRC7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4 (bytes)校验区间校验区间64-1518 字节字节l 前导符前导符PR:7个个Bytes的的10101010，该字段的曼彻斯特编码会产生，该字段的曼彻斯特编码会产生 10MHz，持续时间为，持续时间为 5.6 s，以便接收方和发送的时钟进行同步；，以便接收方和发送的时钟进行同步；l 起始符起始符SFD:10101011，标志着一帧的开始；，标志着一帧的开始；l 目的目的MAC地址地址DA: Unicast Addr：最高位为最高位为0， Multicast Addr：最高位为最高位为1, Broadcast Addr：全：全 1；

16、安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程20l源源MAC地址地址SA: Unicast Addr：最高位为最高位为0 .l长度长度/帧类型：指明数据部分的字节数，帧类型：指明数据部分的字节数，01500 Bytes，或者指明，或者指明数据帧的数据帧的类型类型；0806H-ARP、0800H-IP、0835H-RARP、0X01H-ICMP、0X06-TCP、0X11-UDP。lData：数据，：数据，0-1500字节字节;l PAD: 填充字段填充字段, 046 Bytes；u为了确保为了确保64 Bytes 的的 最小帧长最小帧长 ，当数据的字节数不够时进行填充。，当数据的字节数不够时

17、进行填充。u64 目的地址（目的地址（6） 源地址（源地址（6） 长度（长度（2） CRC(4) = 46 ByteslCRC校验码校验码：4 Bytes；u CRC校验：为了保证发送数据的正确性，在发送端根据发送的数据产生一个校校验：为了保证发送数据的正确性，在发送端根据发送的数据产生一个校验码（循环冗余码），附加在数据的后面一起发送到接收端，接收端对收到的数验码（循环冗余码），附加在数据的后面一起发送到接收端，接收端对收到的数据按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，则要求对方重发。据按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，则要求对方重发。uCRC校验例子校验例子：u校

18、验范围为：目的地址、源地址、长度校验范围为：目的地址、源地址、长度/类型、数据和类型、数据和PAD；u802.3的生成多项式为：的生成多项式为：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16 +X11+X10 +X8+X7 +X5+X4+X2+X1+1工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程21（2 2）MACMAC地址地址 MAC又称为又称为物理地址物理地址，它是网络节点的全球唯一的标，它是网络节点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。识符，与其物理位置无关。l注意：注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层。在物理层

19、。 网络节点的每一个网络接口（网卡）都有一个唯一网络节点的每一个网络接口（网卡）都有一个唯一的的MAC地址。地址。lMAC地址固化在网卡中地址固化在网卡中. 一个节点允许有多个一个节点允许有多个MAC地址，取决于该站点网络接地址，取决于该站点网络接口的个数。例如：口的个数。例如：l安装有多块网卡的计算机；安装有多块网卡的计算机；l有多个以太网接口的路由器。有多个以太网接口的路由器。工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程22工业以太网的体系结构uIEEE802.3标准规定： MAC地址的长度为6个字节，共48位； 可表示24670万亿个地址（有2位用于特殊用途） 高2

20、4位为机构惟一标识符OUI ，由IEEE统一分给设备生产厂商； 如3COM公司的OUI=02608C 低24位称为扩展标识符EI，由厂商自行分配给每一块网卡或设备的网络硬件接口。I/GOUI（22位）位）G/LEI（24位）位）0=全局管理地址全局管理地址1=本地管理地址（一般不用）本地管理地址（一般不用）0=单播地址单播地址1=组播地址组播地址安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程23 MAC地址的三种类型：单播地址（ Unicast Addr ）：（I/G0） 拥有单播地址的帧将发送给网络中惟一一个由单播地址指定的站点点对点传输；多播地址（ Multicast Addr ）：（I/

21、G1） 拥有多播地址的帧将发送给网络中由组播地址指定的一组站点点对多点传输；广播地址（ Broadcast Addr ）：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）拥有广播地址的帧将发送给网络中所有的站点。广播传输注意，以上分类只适用于目的地址，对于源地址只能为单播地址。工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程24工业以太网的体系结构（3）802.3 的 CSMA/CD 协议其基本思想为：l某站点想要发送数据，它必须首先侦听信道；l如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；l如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，立即发送 数据并进行冲突检测；l如果站点在发

22、送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据， 并等待一随机长的时间，重新侦听信道。l接收者收取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则继续侦听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中，并进行CRC校验，正确则交给上层协议，否则丢弃之。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程254 网络层协议工业以太网的体系结构以太网以太网令牌环令牌环FDDI 网网X.25ATMARP协议协议IP协议协议ICMP协议协议ATM路由协议路由协议IGMP协议协议TCP协议协议UDP协议协议TELNETFTPSMTPHTTPDNS应用层应用层网络层网络层接口层接口层传输层传输层地址转换地址转换数据格式数据格

23、式地址格式地址格式分组处理分组处理错误报告错误报告拥塞控制拥塞控制路由选择路由选择RIP, OSPF, BGP组播信息交互组播信息交互组播路由选择组播路由选择安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程26工业以太网的体系结构（1）IP协议 负责在任意两个主机之间进行数据传送；采用的是无连接的数据报协议；主要包括IP包格式定义、IP地址的定义、数据分段与重组、IP包传送、差错控制等。IP报文格式 在TCP/IP的网络层需要把传输层传来的数据按IP包的格式打包，再交给接口层进行发送； 在RFC ：0791 中详细描述了IP协议安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程27工业以太网的体系结

24、构RFC 0791版本号版本号，值，值=4IP 报头长度，报头长度，4Byte为单位为单位,值：值：5-15服务类型：服务类型：PPPDTR00PPP:优先级优先级D=1:低延时低延时T=1:高吞吐高吞吐R=1:高可靠高可靠IP 报文长度，报文长度，含报头和数据含报头和数据,值：值：0-65536 即即 64KBIP 报文编号标识报文编号标识，判断分段属于，判断分段属于哪一个哪一个IP报报高层协议标示高层协议标示TCP/UDP跳步数跳步数，64-255包含选项的包含选项的IP包包头头CheckSum,每经过一个路由每经过一个路由器需重新计算。器需重新计算。分段偏移，说明分段偏移，说明本段在当前

25、本段在当前IP包包中的位置，以中的位置，以8Byte为单位。为单位。DF=1:未分段未分段DF=0:分段分段MF=1:中间段中间段MF=0:最后段最后段安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程28工业以太网的体系结构8 bits8 bits8 bits8 bits最高位为最高位为0，接下来，接下来的的7位为网络位为网络ID，共，共有有27-2=126个网络，个网络，网络号是网络号是1126,127专用。专用。n IP地址是由四个地址是由四个8位二进制数字域组成的位二进制数字域组成的,总长度为总长度为4个字节个字节的的32位二进制数，理论上可组成位二进制数，理论上可组成23240多亿个不同

26、的多亿个不同的IP地址。地址。剩余的剩余的24位代表主位代表主机机ID。每个网络。每个网络224-2=16777214个个主机地址。主机地址。高位为高位为10，接下来，接下来的的14位为网络位为网络ID，共有共有214 =16384个个网络，首个域值为网络，首个域值为128191。高位为高位为110，接下来，接下来的的21位为网络位为网络ID，共，共有有221= 2097152个网个网络，首个域值为络，首个域值为192223D类地址的高位为类地址的高位为1110，其余，其余28位为位为组播地址，第一个域组播地址，第一个域值为值为224239 。E类地址的高位为类地址的高位为11110，其余，其

27、余27位目前位目前保留，第一个域值为保留，第一个域值为224239 。剩余的剩余的16位代表主位代表主机机ID。每个网络有。每个网络有216-2 = 65534个主个主机地址。机地址。剩余的剩余的8位代表主位代表主机机ID。每个网络有。每个网络有28-2=254个主机地个主机地址。址。每个客户机可以参每个客户机可以参加特定组，只有注加特定组，只有注册了多播地址的主册了多播地址的主机才能收到数据包机才能收到数据包有效的主机有效的主机ID和网络和网络ID不能为不能为0或或255；网络网络ID不能为不能为127；IP地址全球唯一性；地址全球唯一性；使用便于记忆的格式：使用便于记忆的格式：xxx.xx

28、x.xxx.xxx如：如：68安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程29IPIP工作过程工作过程uIP 协议一个基于数据报的无连接的通信协议，传输的数据单元为IP包；uIP 协议的主要通信过程包括： 数据包的分段：当传输层的数据长度大于IP包的长度限制时（MTU），将传输层的数据按照IP包的MTU进行分段，在交给接口层传输； 数据包的重组由于IP协议采用的是基于数据报的无连接的通信协议，因此IP协议必须负责将收到的IP包按发送的顺序重组后在送给传输层。工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程30工业以太网的体系结构（2）ICMP协议u为

29、了提高 IP 数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)。uICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。uICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。uICMP 报文作为 IP 层数据报的数据，加上数据报的首部，组成 IP 数据报发送出去。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程31ICMP 报文的格式 首 部ICMP 报文0数 据 部 分检验和类型代码（这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类型）81631IP 数据报前 4 个字节都是一样的ICMP 的数据部分（长度取决于

30、类型）工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程32工业以太网的体系结构ICMP报文类型 ICMP 报文的种类有两种，即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文。 ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关。ICMP 差错报告报文共有 5 种终点不可达 源点抑制(Source quench) 时间超过 参数问题 改变路由（重定向）(Redirect)安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程33工业以太网的体系结构uICMP 询问报文有两种回送请求和回答报文时间戳请求和回答报

31、文下面的几种 ICMP 报文不再使用信息请求与回答报文掩码地址请求和回答报文路由器询问和通告报文 安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程34工业以太网的体系结构（3）ARP协议n IPIP层为了把层为了把IPIP包（以包（以IPIP地址标示源端和目的端）通过链路层和物理层从地址标示源端和目的端）通过链路层和物理层从源端传送到目的端，必须处理源端传送到目的端，必须处理IPIP地址转换为物理地址的问题；地址转换为物理地址的问题；n IPIP层为了进行地址转换，需要维护一个层为了进行地址转换，需要维护一个IPIP地址与物理地址映射表；地址与物理地址映射表；n 在发送端，由在发送端，由IPIP

32、层先查层先查IPIP地址与物理地址映射表得到源地址与物理地址映射表得到源IPIP、目的、目的IPIP地地址对应的物理地址，然后把址对应的物理地址，然后把IPIP包及源、目主机的包及源、目主机的MACMAC地址交给网络接口层地址交给网络接口层，由网络接口层按数据帧格式封装（不同的网络格式不同），然后通过，由网络接口层按数据帧格式封装（不同的网络格式不同），然后通过物理网络发送；物理网络发送；n 在接收端，网络接口层把收到的帧的物理地址取出，与本机的物理地在接收端，网络接口层把收到的帧的物理地址取出，与本机的物理地址比较，若相同，则交给址比较，若相同，则交给IPIP层处理，否则丢弃之；层处理，否则

33、丢弃之；n 关键问题：如何维持关键问题：如何维持IPIP地址与物理地址映射表呢？地址与物理地址映射表呢？ 通过通过 ARPARP、RARPRARP地址解析协议完成地址解析协议完成安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程35n 工作过程；工作过程； 当源端主机与目的端主机在同一物理网络时（如当源端主机与目的端主机在同一物理网络时（如下图示）：下图示）： 以以太太网网 主主机机 1 主主机机 2 IP地地址址： 物物理理地地址址：E1 IP地地址址： 物物理理地地址址：E2 （1） 查表查表当主机当主机1向主机向主机2发送发送IP包时，先在映射

34、表中查对应的物包时，先在映射表中查对应的物理地址，若查到，则返回相应的物理地址；理地址，若查到，则返回相应的物理地址；（2）询问）询问若查不到，则主机若查不到，则主机1向网络发送的一个称为向网络发送的一个称为ARP包的广播包的广播包，向所有机器询问包，向所有机器询问 “谁的谁的IP地址为地址为，请把你的物理地，请把你的物理地址告诉给址告诉给/E1 ”；Internet Addr. Physical Addr. Type- 00-11-22-33-44-55 static 00-11-22-33-44

35、-55 staticInternet Addr. Physical Addr. Type- 00-11-22-33-44-55 static 00-11-22-33-44-55 static工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程36工业以太网的体系结构（3）响应）响应当主机当主机2收到收到ARP询问包后，马上向主机询问包后，马上向主机1 即即/E1回一个包含自己回一个包含自己IP地址地址和物理地址和物理地址E2的的ARP包，并在自己的地包，并在自己的地址映射表中记录或更新

36、主机址映射表中记录或更新主机1的的IP和物理地址；和物理地址；（4）学习学习网络上其他主机收到主机网络上其他主机收到主机1的询问包后也的询问包后也会在自己的地址映射表中记录或更新主机会在自己的地址映射表中记录或更新主机1的的IP和物理和物理地址地址E1；（5）通报通报对于新入网的主机，要求它主动广播自己对于新入网的主机，要求它主动广播自己的的IP地址和物理地址，以便本广播域内的计算机都知地址和物理地址，以便本广播域内的计算机都知道它的道它的IP和和MAC对应关系。对应关系。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程37工业以太网的体系结构5传输层协议传输层协议传送层有两个协议：传送层有两个

37、协议：TCP 与与 UDP：l UDP v是一个无连接是一个无连接(Connectionless)的非可靠传输协议的非可靠传输协议;v没有确认机制来保证数据是否正确的被接收没有确认机制来保证数据是否正确的被接收;v不需要重传遗失的数据不需要重传遗失的数据;v数据的接收可不必按顺序进行数据的接收可不必按顺序进行;v没有控制数据流速度的机制；没有控制数据流速度的机制；v适合讯息量较大、时效性大于可靠性的传输；适合讯息量较大、时效性大于可靠性的传输；l TCP v是一个面向连接是一个面向连接(Connection Oriented)的可靠传输；的可靠传输；v提供数据包的错误检测、回应确认、流量控制和

38、数据包顺序控提供数据包的错误检测、回应确认、流量控制和数据包顺序控制等机制。制等机制。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程38工业以太网的体系结构（1）服务端口 如何标示主机上的应用进程：主机上可能有多个进程同时运行，发送端如何将数据包发给指定进程呢？当数据包抵达目的地后，接收端又如何将它交给正确的服务进程处理呢？ -门牌号码 为每个需要通信的应用程序分配一个通讯端口（Port），在TCP/IP中，其值为1216 ，用于唯一标识一个进程；在技术上，进程使用哪一个端口并不重要，关键是能让对方知道就行，同一主机中进程的端口号必须是唯一的。端口的分配有： 全局分配编号从1到1024这些端口

39、标识了某些特定服务的协议，这种端口是不可再重新定义，如21表示FTP服务，23表示TELNET服务等； 本地分配用于标识主动要求通信或非公开服务的进程，由进程动态申请获得。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程39工业以太网的体系结构 通常把端口号为1024以内的称之为常用端口，这些常用端口所对应的服务通常情况下是固定的。服务类型 默认端口 服务类型 默认端口 Echo 7Daytime 13FTP 21Telnet 23SMTP 25Time 37Whois 43DNS 53Gopher 70Finger 79WWW 80POP3 110NTP 119IRC 194安徽工程大学安徽工

40、程大学 研究生课程研究生课程40工业以太网的体系结构（2）UDP协议 UDP是在IP层之上，和IP层一样提供无连接的数据报服务，与IP相比，主要增加了协议端口功能，以提供主机上进程之间的通信服务。 不可靠的数据报（datagram）服务； 不支持报文分组； 支持多路复用； 不提供流量控制； 服务效率高（没有建/拆链时间）； 适合于在高可靠性、低延时的局域网上运行； 数据的可靠性等问题由上层协议解决。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程41UDP报文格式 UDP Source Port (16)UDP Destination Port (16)Message Length (16)UD

41、P Checksum (16)DATA.l Source Port & Destination Port -源端进程获得的端口号和源端进程获得的端口号和目的端进程分配的端口号；目的端进程分配的端口号；l Message Length - UDP 包的字节数，包括包头和数据，最包的字节数，包括包头和数据，最小值为小值为 8 ；l Checksum 校验和，包括校验和，包括伪包头伪包头 + UDP包头包头 + UDP数据；数据； 包头包头 数据区数据区工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程42工业以太网的体系结构（3）TCP协议 TCP 除了提供和UDP一样的主机中进程

42、通信能力外，还增强了通信的可靠性。 面向连接（采用虚电路技术）的服务，需要建/拆链； 全双工字符流通信； 支持报文分组； 提供包的差错控制、顺序控制、应答与重传机制； 提供流量控制； 保证发送方不会“淹没”接收方； 提供报文拥塞控制； 保证发送方不会“淹没”网络中的路由器。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程43工业以太网的体系结构u报文格式Source Port (16)Destination Port (16)Sequence Number (32)Acknowledgment Number (32)DataOffset(4)Reserved (6)UGRACKPSHRSTSYN

43、FINWindow(16)Checksum (16)Urgent Pointer (16)Options (0 or more 32 bit words + padding)DATA.安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程44 TCP连接建立连接建立三次握手机制连接建立三次握手机制Host AHost BSYN=1, Seq_no = xSYN=1, Seq_no = y, ACK=1, Ack_no = x+1Seq_no = x+1, ACK=1, Ack_no = y+1source IP: Adest IP: Bsource port: 3210 dest port: 1230

44、source IP: Bdest IP: Asource port: 1230 dest port: 3210注意：注意：源、目源、目IP地址只地址只在连接建立时传在连接建立时传给给IP层，数据通层，数据通信时在信时在TCP包中包中并未包含并未包含IP地址，地址，只有端口号。只有端口号。连接建立连接建立连接建立连接建立工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程45ACK=1,Ack_noy+1FIN=1, ACK=1Seq_no=y，,Ack_no=x+1ACK=1，Ack_nox+1FIN=1， seq=xTCP连接删除 连接拆除三次握手机制连接拆除三次握手机制dat

45、aACK4、接收、接收ACK报文报文2、接收、接收ACK报文报文3、数据发完，同、数据发完，同意拆链意拆链1、接收到、接收到FIN报报文并应答文并应答主主机机21、应用程序关闭连、应用程序关闭连接时发拆链请求接时发拆链请求主主机机14、接收、接收FIN报报文并应答，对文并应答，对方同意拆链方同意拆链2、继续发数据、继续发数据并等待应答并等待应答3、继续接收、继续接收数据并应答数据并应答5、关闭连接、关闭连接5、关闭连接、关闭连接工业以太网的体系结构安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程46工业以太网的体系结构TCP协议的特点uTCP协议提供面向连接的、全双工通信服务 全双工连接意味着包

46、括两个独立的、方向相反的数据流。uTCP协议提供报文的确认与超时重发，保证数据传输的可靠性。u提供数据流的通信，相当于一个管道，发送端从管道的一端放入什么，接收端就可照原样取出什么。uTCP协议支持点到点连接 每个连接只能有两个端点 TCP协议不支持组播或全广播安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程47工业以太网的体系结构u支持任意长度的用户数据的传输，在传输过程中保持数据段的顺序。u允许接收方对发送方进行流量控制uTCP对网络拥塞具有较好的控制能力；安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程48工业以太网的体系结构6 Socket套接字编程接口 在因特网中，为了方便网络上进程之间

47、使用TCP/IP协议进行通信，专门设计了一套编程接口套接字（Socket）编程接口，所谓套接字（Socket），就是用于标识通信进程的（主机地址、端口号、使用协议）的一个组合ID，套接字编程接口包括以下主要API： 创建socket：socket( ) 指定本地地址：bind( ) 建立socket连接：connect( ) 接收连接请求：listen( ) 、accept( ) 发送数据：send( ) & sendto( ) 接收数据：recv( ) & recvfrom( )不同的不同的OS关于关于socket的实现不的实现不完全相同完全相同安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程

48、493 以太网实时性分析第9章 工业以太网安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程50以太网实时性分析u目前,工业以太网研究的关键技术包括通信实时性、 网络互操作性、 总线供电、 安全性与可靠性等方面u传统共享式以太网采用总线式的拓扑结构和多路存取载波侦听/碰撞检验 CSMA/ CD 通信方式, 集线器被动接收输入端口信息并以广播方式发送到所有输出端口。冲突的存在使得共享式以太网具有不确定性,会导致某些节点数据帧的丢失。共享式以太网通信延时定义如下:安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程51以太网实时性分析u其中, TETE表示网络上端到端节点的通信延时; TC 表示数据帧在源节

49、点的等待延迟,定义如下:其中, N c 为最大碰撞次数, TCDT 为碰撞检测时间, T JA M 为碰撞发生后发送阻塞信号所需的时间。TBOK 为 BEB 算法退避时间, 定义如下,其中 TS 是缝隙时间。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程52以太网实时性分析u以 10BASET 以太网为例对共享式以太网的最大通信延时进行了计算。1bit 数据传输时间 Tb = 1/ 10 106bps = 0. 1us, 传输速度 TV = 0. 65 2. 0 18m/ s。电缆长度为 100m, 传输一个 177Bytes 数据帧, 共享式以太网最大通信延时 TE = 418. 8ms,

50、这不能满足工业通信实时性的要求u为解决共享式以太网在通信实时性方面存在的问题, 近年来的研究主要集中在交换式以太网技术及全双工通信技术等领域。交换式以太网的特点是使用交换机代替集线器, 交换机主动识别接收信息的目的端口并将数据帧通过目的端口传递, 从而有效避免了碰撞, 另外采用全双工方式提高了传输效率。交换式以太网通信延时定义如下安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程53以太网实时性分析其中, TQ 为端口排队延时, 在没有端口排队的情况下, 该延时与传统以太网中无碰撞时延时相同, 均为 TETE。假设端口缓冲区有 Nq 个帧排队, TQ 定义如下:其中, TIF是两帧传输之间的等待时

51、间, TTk 为第 k 个数据帧加上前导码的最大比特数。以上述例子为例, 交换式以太网可计算得出最大通信延时 TE = 741. 57us。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程54以太网实时性分析u由此可见,交换式以太网采用交换机代替集线器, 使交换设备各端口之间可以同时形成多个数据通道以降低网络流量, 端口之间的报文不受 CSMA/ CD 影响。同时采用全双工通信技术, 使端口之间的线路同时接收和发送报文帧。交换式以太网的最大传输延时比共享式以太网要小很多, 能较好地保证工业控制网络的实时性能, 是目前工业以太网实时性能研究的方向。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程55

52、第9章 工业以太网4 以太网控制器及节点设计u安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程56以太网控制器及节点设计1 以太网控制器 RTL8019AS 由台湾Realtek公司生产的RTL8019AS以太网控制器，由于其优良的性能、低兼的价格，使其在市场上10Mbps网卡中占有相当的比例。（1）主要性能 符号Ethernet II与IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）标准； 全双工，收发可同时达到10Mbps的速率； 内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程57以太网控制器及节点设计 支持

53、8/16位数据总线，8个中断申请线以及16个I/O基地址选择； 支持UTP、AUI、BNC自动检测，还支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正； 允许4个诊断LED引脚可编程输出； 100脚的PQFP封装，缩小了PCB尺寸。（2）外部引脚 RTL8019AS的外部引脚如下图所示：安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程58以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程59电源引脚以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程60ISA 总线接口引脚以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程61存储器接口管脚（包括BR

54、OM,EEPROM）以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程62以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程63以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程64媒体接口管脚以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程65LED 输出端口以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程66以太网控制器及节点设计（3）内部结构 RTL8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介质访问控制）逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。内部结构如下图所示。 安徽工程大学安徽

55、工程大学 研究生课程研究生课程67以太网控制器及节点设计 远程DMA接口是指MPU对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线，即ISA总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程DMA操作。本地DMA接口是把RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。 安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程68以太网控制器及节点设计 MAC（介质访问控制）逻辑完成以下功能：当MPU向网上发送数据时，先将一帧数据通过远 程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令；当RTL8019AS完成了上帧的发送后，再开始此帧的发送。RTL819接收到 的数据通过MAC比较、

56、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。FIFO逻辑对收发数据作16字节 的缓冲，以减少对本地DMA请求的频率。 安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程69以太网控制器及节点设计（4）内部RAM地址空间分配 RTL8019AS内部有两块RAM区。一块16K字节，地址为 0 x40000 x7fff；一块32字节，地址为0 x00000 x001f。RAM按页存储，每256字节为一页。一般将RAM的前12页（即 0 x40000 x4bff）存储区作为发送缓冲区；后52页（即0 x4c000 x7fff）存储区作为接收缓冲区。第0页叫Pr

57、om页，只有32字 节，地址为0 x00000 x001f，用于存储以太网物理地址。 安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程70以太网控制器及节点设计 要接收和发送数据包就必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16KB RAM。它实际上是双端口的RAM，是指有两套总线连接到该RAM，一套总线RTL8019AS读或写该RAM，即本地DMA；另一套总线是单片机读或写该RAM，即远程DMA。 安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程71以太网控制器及节点设计（5） I/O地址分配 RTL8019AS具有32位输入输出地址，地址偏移量为00H1FH。其中 00H0FH共16个地址，为

58、寄存器地址。寄存器分为4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR （Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位来决定要访问的页。但与NE2000兼容的寄存器只有前3页，PAGE3是RTL8019AS自己定义 的，对于其他兼容NE2000的芯片如DM9008无效。远程DMA地址包括10H17H，都可以用来做远程DMA端口，只要用其中的一个就可以了。复 位端口包括18H1FH共8个地址，功能一样，用于RTL8019AS复位。安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程72以太网控制器及节点设计（6）寄存器描述 RTL8019AS 中的寄

59、存器根据地址和功能能够概略的分为两组:一组对NE2000,另外一组对即插即用.u第一组:NE2000 寄存器 这组寄存器包括寄存器的4 个页面,它们在CR 寄存器中通过PS0 和PS1 被选择.每一页面包括16 个寄存器.这些寄存器除了和NE2000 兼容外,RTL8019AS 为软件结构和为了增强特性还定义了其它一些寄存器.见下表安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程73以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程74以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程75以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程76

60、以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程77以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程78以太网控制器及节点设计u寄存器功能CR:命令寄存器（00H；Type=R/W） 这个寄存器用来选择寄存器页面，使能够或者使不能够远程DMA 操作和命令操作。各位的功能定义为：安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程79以太网控制器及节点设计安徽工程大学安徽工程大学 研究生课程研究生课程80以太网控制器及节点设计ISR:中断状态寄存器（07H， type=r/w in page0） 这个寄存器反映NIC 状态。主机读它来决定中断的原因。通过对相应的