第8章 工业以太网

1、河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术第第8 8章章 工业以太网工业以太网河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 以太网简介以太网简介 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 由由DECDEC、IntelIntel和和XeroxXerox等三家公司公布以太网规范；等三家公司公布以太网规范； IEEE802IEEE802标准委员会制定的标准委员会制定的IEEE802IEEE802局域网和城域网标准。局域网和城域网标准。 IEEE802 IEEE802标准标准 IE

2、EE802.1IEEE802.1定义了标准的概述、体系结构、桥接、网络管理等；定义了标准的概述、体系结构、桥接、网络管理等； IEEE802.2IEEE802.2定义了数据链路层的逻辑链路控制子层；定义了数据链路层的逻辑链路控制子层； IEEE802.3IEEE802.3定义了以太网的物理层以及数据链路层的媒体访问定义了以太网的物理层以及数据链路层的媒体访问控制（控制（MACMAC）子层。）子层。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 以太网的物理层以太网的物理层 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 基带：采用曼彻斯特编码。

3、基带：采用曼彻斯特编码。 宽带：采用宽带：采用PSKPSK相移键控编码。相移键控编码。 以太网类型名称以太网类型名称 名称最前名称最前是数字，表示的是通信波特率。是数字，表示的是通信波特率。名称中间名称中间是是BASEBASE或或BROADBROAD，表示网络是宽带还是基带。，表示网络是宽带还是基带。名称最后名称最后如果是数字表示的是网段的最大长度，如果是字母如果是数字表示的是网段的最大长度，如果是字母T T表示传输介质表示传输介质是双绞线，如果是字母是双绞线，如果是字母F F表示传输介质是光纤。表示传输介质是光纤。 如如10BASE510BASE5、10BASE-T10BASE-T。河南机电

4、高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 以太网物理层以太网物理层-10BASE-T-10BASE-T 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 10BASE-T 10BASE-T 是以太网发展的里程碑。是以太网发展的里程碑。 在在3 3、4 4、5 5类非屏蔽双绞线作为传输介质上实现了类非屏蔽双绞线作为传输介质上实现了10M bps10M bps的数的数据传输。据传输。 采用采用RJ-45RJ-45连接器连接器 采用星型拓扑结构采用星型拓扑结构 每个站点有一条专用电缆连接到集线器每个站点有一条专用电缆连接到集线器 节点与集线器间连线最长节

5、点与集线器间连线最长100m100m。 最多可使用最多可使用4 4个集线器。个集线器。 两个站点之间的距离不会超过两个站点之间的距离不会超过500m500m。 提供对全双工通信的支持。提供对全双工通信的支持。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 RJ-45RJ-45连接连接 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 RJ45RJ45连接器有连接器有4 4对双绞线：对双绞线：1 1与与2 2，3 3与与6 6，4 4与与5 5，7 7与与8 8。 10BASET10BASET上只连接两对双绞线。上只连接两对双绞线。 在网卡上在网卡

6、上1 1、2 2为发送，为发送，3 3、6 6为接收。为接收。 在集线器上则相反在集线器上则相反1 1、2 2为接收，为接收，3 3、6 6为发送。为发送。网卡1236集线器1236网卡与集线器间的连接网卡与集线器间的连接集线器1236集线器1236 集线器与集线器的连接集线器与集线器的连接河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 以太网物理层以太网物理层-10BASE-FL-10BASE-FL 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 以光纤为传输介质的组网方式。以光纤为传输介质的组网方式。 传输距离可达传输距离可达2km2km。

7、 采用星型拓扑和集线器组网。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。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。传输距离远，抗电磁干扰能力强。 快速以太网技术快速以太网技术 基于基于10BASE-T10BASE-T和和10BASE-FL10BASE-FL快速发展。快速发展。 百兆以太网分为百兆以太网分为100BASET4100BASET4、100BASET2100BASET2、100BASETX100BASETX、100BASEFX100BASEFX。 千兆以太网分为千兆以太网分为1000BASEX1000BASEX、1000BASET1000BAS

8、ET。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 以太网的数据链路层以太网的数据链路层 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 媒体访问控制子层（媒体访问控制子层（MACMAC） 逻辑链路控制子层（逻辑链路控制子层（LLCLLC） MAC MAC子层子层 CSMA/CDCSMA/CD 缺点：缺点： 1 1、半双工通信模式。、半双工通信模式。 2 2、不提供优先级机制，网络上的节点地位是平等的。、不提供优先级机制，网络上的节点地位是平等的。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工

9、业网络技术第第8 8章章 工业以太网工业以太网 MAC MAC帧结构帧结构 前导码SFD目的地址 源地址长度数据区填充段CRC校验 前导码共前导码共7B7B，每个字节均为，每个字节均为10101010B10101010B。 开始定界符开始定界符1B1B，指示帧的开始。，指示帧的开始。 目的地址和源地址。以太网采用目的地址和源地址。以太网采用6B6B的地址。的地址。 数据区的长度是数据区的长度是01500B01500B。 为了碰撞检测的需要，如果数据区的长度小于为了碰撞检测的需要，如果数据区的长度小于4646字节，需要在字节，需要在后面加一段填充段。后面加一段填充段。 CRCCRC校验结果。校验

10、结果。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 TCP/IP TCP/IP概况概况 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 TCP/IPTCP/IP由由ARPANETARPANET项目发展起来。项目发展起来。 TCP/IPTCP/IP由因特网架构委员会由因特网架构委员会IABIAB负责。负责。 TCP/IP TCP/IP参考模型参考模型 应用层(Telnet、FTP、HTTP、DNS、SNMP和SMTP等)传输层(TCP和UDP)网络层(IP、ICMP和IGMP)TCP/IPTCP/IP参考模型不涉及数据链路层和物理层。参考模型不

11、涉及数据链路层和物理层。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 TCP/IP TCP/IP数据封装数据封装/ /解封过程解封过程 第第8 8章章 工业以太网工业以太网客户数据FTP头TCP头IP头IP数据报客户数据FTP头TCP头TCP段客户数据FTP头应用层数据包客户数据主机A客户数据FTP头TCP头IP头以太网头以太网数据帧 路由器接收以太网数据帧并根据目标IP地址转发到令牌环网接口客户数据FTP头TCP头IP头IP数据报客户数据FTP头TCP头TCP段客户数据FTP头应用层数据包客户数据主机1客户数据FTP头TCP头IP

12、头令牌网头令牌环网数据帧发送端数据封装过程接收端数据解封过程河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 TCP/IP TCP/IP网络层网络层 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 包含网际互联协议包含网际互联协议IPIP、地址解析协议、地址解析协议ARPARP、反向地址解析协议、反向地址解析协议RARPRARP、网际控制报文协议、网际控制报文协议ICMPICMP和网际组管理协议和网际组管理协议IGMPIGMP。 将数据包从源节点送到目的节点。将数据包从源节点送到目的节点。 IP IP协议协议 主要功能是提供无连接的数据报传送和数

13、据报的路由选择。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。 IPIP协议以包的形式传输数据，称为协议以包的形式传输数据，称为IPIP数据报。数据报。 IPIP是一种不可靠，但是会尽力传送的协议。是一种不可靠，但是会尽力传送的协议。 不可靠体现在不可靠体现在IPIP不追踪传输路径，也没有任何机制来对报文重不追踪传输路径，也没有任何机制来对报文重新排序。新排序。 尽力传送体现在尽力传送体现在IPIP不轻易放弃任何一个数据报，只有在资源耗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。尽或网络出现故障的情况下才会放弃。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电

14、高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术第第8 8章章 工业以太网工业以太网 TCP/IP TCP/IP传输层传输层 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（传输层协议有两种：用户数据报协议（UDPUDP）和传输控制协议）和传输控制协议（TCPTCP）。）。 用户数据报协议用户数据报协议（UDPUDP） UDPUDP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。加端口地址、校验和以及长度信息。 UDPUD

15、P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。收到的数据报顺序正确。 UDPUDP不可靠，但传输效率较高。不可靠，但传输效率较高。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 传输控制协议传输控制协议TCPTCP 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 TCPTCP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。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，并通过通过建

16、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。差错检测和重传坏帧来保证传输的可靠性。 TCPTCP传输可靠、安全，但是速度慢、效率低。传输可靠、安全，但是速度慢、效率低。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 工业以太网工业以太网 第第8 8章章 工业以太网工业以太网在以太网技术和以太网技术和TCP/IPTCP/IP技术技术的基础上开发出来的一种工业网络。一般是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计、材质选用、产品强度、适用性一般是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计、材质选用、产品

17、强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。需要。 为什么在工业中应用以太网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。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。拟的。更方便的实现企业信息集成。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符合自动化系统的网络

18、结构扁平化发展的趋势。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 要解决的难题要解决的难题 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 通信实时性、确定性的问题通信实时性、确定性的问题 对环境的适应性与可靠性问题对环境的适应性与可靠性问题 总线供电问题总线供电问题 本质安全问题本质安全问题 解决非确定性问题的措施解决非确定性问题的措施 提高通信速率，减少碰撞机会。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。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。采用以太网的全双工交换技术。 提供适应工业环

19、境的器件。提供适应工业环境的器件。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 工业以太网工业以太网-EtherNet/IP-EtherNet/IP 第第8 8章章 工业以太网工业以太网 标准和开放标准和开放 EtherNet/IP is Standard& openEtherNet/IP is Standard& open 功能全面功能全面 EtherNet/IP, one network for allEtherNet/IP, one network for all 智慧设计，使用简单智慧设计，使用简单 Ethe

20、rNet/IP, smart& simplyEtherNet/IP, smart& simply 广泛认可及成功应用广泛认可及成功应用 EtherNet/IP is well establishedEtherNet/IP is well established河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 EtherNet/IP EtherNet/IP工业以太网工业以太网第第8 8章章 工业以太网工业以太网IPTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSMTPIEEE 802.3 EthernetIPTCPCIPUp

21、per Layers(Session, Presentation, Application, Device Profiles)Data Link & Physical LayersNetwork LayerTransport LayerExplicitMessagingReal-timeI/O ControlEtherNet/IP =标准标准TCP/IP以太网以太网+ CIP河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 EtherNet/IP = EtherNet/IP = 标准标准TCP/IPTCP/IP以太网以太网+CI

22、P+CIP第第8 8章章 工业以太网工业以太网 为什么使用标准为什么使用标准TCP/IPTCP/IP以太网？以太网？ 技术完全开放，技术完全开放，“全球范围最大化参与全球范围最大化参与”。其生命力和推动。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。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/IPEtherNet/IP工业用户能直接受益于标准工业用户能直接受益于标准TCP/IPTCP/IP以太网的持以太网的持续创新、功能增强和成本降低等带来的好处。续创新、功能增强和成本降低等带来的好处。 EtherNet/IPEtherNet/IP产品生产商

23、可以自由、自主地选择任何符合工产品生产商可以自由、自主地选择任何符合工业要求的业要求的TCP/IPTCP/IP以太网芯片进行开发和生产。以太网芯片进行开发和生产。在在EtherNet/IPEtherNet/IP产品开发和制造中，中国厂商和全球范围内产品开发和制造中，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。其他厂商完全站在同一条起跑线上。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 Common Industrial Protocol (CIP) Common Industrial Protocol (CIP)第第8 8章

24、章 工业以太网工业以太网 CIPCIP包含了各种工业实时控制需要的服务和行规包含了各种工业实时控制需要的服务和行规 ； CIPCIP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。同的优先等级区别对待。CIP Message Routing, Connection ManagementCIP Data Management ServicesExplicit Messages, I/O MessagesCIP Application Layer Application Object LibrarySemi-conduc

25、torValvesDrivesRobotsOther通用工业协议通用工业协议CIPCIP （C Common I Industrial P Protocol）设备应设备应用描述用描述App ProfilesLay 7应用层应用层河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 EtherNet/IP EtherNet/IP工业以太网工业以太网第第8 8章章 工业以太网工业以太网ContinuousProcessor BatchOne Industrial Network?过程自动化工厂自动化DiscreteControlDevicesR

26、oboticsCNC继电保护及电力SCADASOE I/O Protection DeviceMeasurement Motion ControlSafety inc. ESD, FAS Machine Safety信息交换，包括诊断及数据采集信息交换，包括诊断及数据采集远程组态及维护远程组态及维护常规常规I/O实时控制实时控制同步及伺服同步及伺服本安及防爆本安及防爆河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术 EtherNet/IP EtherNet/IP常规常规I/O实时控制实时控制第第8 8章章 工业以太网工业以太网 介质访问

27、机制是带有冲突检测的载波侦听多路访问。由于冲突的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存在不适合传输实时I/OI/O数据。数据。 在同轴电缆或在同轴电缆或HUBHUB构成的网络中，当网络负荷达到网络带宽的构成的网络中，当网络负荷达到网络带宽的1010, ,有部分数据包由于冲突的存在而延时发送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而当网络的负荷达到网络带宽的3030时，网络中多数数据包不能时，网络中多数数据包不能够发送出去；够发送出去； 当网络负荷达到网络带宽的当网络负荷达到网络带宽的4040时，节点间已经没有数据包可以时，节

28、点间已经没有数据包可以成功发送和接收。成功发送和接收。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工业网络技术工业网络技术第第8 8章章 工业以太网工业以太网 EtherNet/IP EtherNet/IP常规常规I/O实时控制实时控制 全双工线速交换机解决了冲突全双工线速交换机解决了冲突 QoS(IEEE 802.1P) QoS(IEEE 802.1P)和链路聚合解决了拥塞和链路聚合解决了拥塞, ,运动控制和运动控制和IOIO数据优数据优先转发先转发 VLAN(IEEE 802.1Q) VLAN(IEEE 802.1Q)控制了广播风暴控制了广播风暴 IGMP Snooping IGMP Snooping 控制了多播控制了多播以太网以太网交换机交换机 河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室 工