以太网原理及技术基础

1、简介早在1980年，包括Xerox、Inter和Digital Equipment等多家大型企业在内的机构就宣布了以太网1.0版的诞生。1983年出现了2.0版，这是IEEE802.3标准。但是，LAN最初并不普及，主要用于大学和大型企业内部。1981年IBM推出的XT系列PC已经上市。但是当时软件行业并不强大，可用的网络系统也很少。随着处理器容量的不断增加，应用软件产业也全面发展。用户数急剧增加。随着用户孔刘资源的扩大，集成数据管理和软件产品的增加，局域网需求突飞猛进。局域网增长因素图：随着工业领域对网络技术需求的增加，新的网络设计出现在自动化行业。1985年，以太网技术获准以西门子SINE

2、C H1进军工业通信领域。1996年推出的SIMAIC NET现在在工业通信中占有重要地位，SINEC H1是其前身。今天，工业以太网已成为工业网络的标准。例如，在自动化行业或工业车间部门中，通信协议的可用性和稳定性是最重要的因素。随着网络用户数量的增加和软件使用的带宽需求的增加，传统的10Mbps以太网无法满足行业要求。因此，人们开始设计100Mbps以太网(fast Ethernet)、FDDI、100 Base VG。快速以太网始于1993年6月，当时50多家制造商共同成立了快速以太网联合体，共同开发100Mbps以太网。该组织还设计所有相关网络组件，如适配器、中继器/集线器、交换机、路

3、由器和管理工具。所有产品都必须符合标准，以便徐璐其他制造商应用这些产品。这也是快速以太网得到广泛使用和一致称赞的原因。到1995年6月，快速以太网最终确定为IEEE 802.3标准。快速以太网提供了100Mbps技术的可能性。用户无需改变整个网络结构即可获得高速传输速度。这就是为什么今天的快速以太网成为100Mbps网络中利用率最高的通信协议的原因。以太网已经被工业高度接受，得到了一致的认可。但是，1999年，制造商开始了一项新的探索，希望构建10千兆位标准千兆位以太网(1000Mbps)。自动化技术的网络级别为了清楚地了解以太网在自动化中的位置，可以将自动化系统分为以下几个级别：为了让大企业

4、随时充分理解企业的复杂信息，整个自动化系统徐璐形成了不同的网络水平。在这些不同级别的网络中，信息可以徐璐在垂直和水平方向传递。每个级别的网络可以连接到上下相邻的网络，以确定相互通信的必要性。顶层网络中有很多复杂的计算机系统，可以随时响应各种复杂的数据，众多的通信参与者和响应者在网络中实现了徐璐的协调。最低层仍有较大的信息吞吐量，但数据相对比上层结构少。在自动化系统网络中，可以分为以下五层结构：计划级别(Planning Level)、生产级别的信息评估、组织编制和生产部门的决策支持在此层次中，信息量、波特率和距离最大。控制层(Control Level)-调整每个生产层。控制层获得上一层的生产

5、编制信息，编制底层。该层中的每台计算机都可以执行诊断、操作和文档记录任务。单元级(Cell Level)-徐璐连接不同的生产层，并由每个单位计算机或PLC控制。现场层有很多可编程的控制设备用于控制，可以调整、检测组件(如PLC和工业计算机)，还可以评估执行器/传感器层。此层可以连接到可视化系统以响应和发送数据。启动器/传感器层(Actuator/Sensor Level)-域层的一部分，与域层中的控制器相关联。该层的特点是输入和输出数据的传输速度非常快。输入和输出数据的更新时间远远低于控制器的循环扫描周期。以太网以太网在世界范围内广泛使用，是与每个制造商兼容的局域网(LAN)网络。波特率可达1

6、0，100或1000Mbps。局域网由IEEE802标准定义，不同于其他网络。总线长度或网络范围大(10-1000m)传输介质技术多种多样(同轴电缆、双绞线和光纤)网络拓扑各不相同(总线、环、星形和树)以太网的一部分定义为IEEE802.3，快速以太网定义为IEEE802.3u。网络工作原理以太网网络没有主工作站和从属工作站之间的区别。所有参加者都有权干预公共汽车。采用带有合并检测的csma/CD(carrier sense multiple access with collision detection，载波侦听多访问)协议来协调每个参与者，也称为“听力协议”。此协议描述了将数据放置在网络上

7、的时间以及如何处理数据冲突。连接到局域网的参与者必须等到网络“空闲”后才能发送数据。也就是说，网络不传输数据(carrier sense)。确认网络上没有要传输的数据后，参与者开始传输自己的数据。在这个过程中，很多参与者可能在等待“空闲”的时刻，当那个时刻到来时，他们可以开始传输各自的数据(多访问、多访问)。发生这种情况时，被称为“冲突”。以太网通信可以检测到这种冲突。如果CSMA/CD协议确定冲突，数据发送方将中断，数据将被删除。随机周期过后，网络恢复了新的数据传输。这个随机周期是通过国际标准的固化公式计算的，网络不是随机分配的。为了成功实施CSMA/CD访问技术，以太网网络的范围有限，必须

8、控制数据包的最大传输时间。CSMA/CD协议支持的最佳网络距离为冲突域。在10Mbps以太网上，碰撞区的范围为4520m。以太网数据包格式MAC地址以太网上的每个网络接口(例如PC上的网卡或PC内部的以太网CP模块)都有一个以太网地址。此地址通常称为介质访问控制(MAC)地址，它是以太网网络中的特定唯一地址。MAC地址分为6个字节两部分。第一部分(默认MAC地址)标识制造商。第二部分可以确定工业以太网的其他节点。数据包格式：以太网数据包的格式是以太网标准的特征之一。所有数据都在以太网网络上交换，并作为数据包发送。此功能类似于数据报。除了安全传输这些数据所需的数据信息外，还添加了一些其他信息。其

9、名称和功能将在下面详细介绍。Preamble和Framestart:Preamble长度为7字节，必须与其他通信参与者保持同步时钟脉冲。与Framestart一起用作以太网数据包中的开始数据标志。Destination Address:此地址是网络MAC地址的一部分，表示数据接收设备的地址。Source Address:也是MAC地址的一部分，表示数据传输设备的地址。数据字段宽度：数据长度表示以太网数据包中数据的确切长度。长度范围为0到1500字节。Data and Pad:CSMA/CD协议规则规定，以太网数据包必须至少提供64字节的内容，以便在发生数据冲突的情况下正确监视，如果实际数据低于

10、此长度，则必须在此段内添加更多数据以确保最低数据容量。Check-Sum:以太网数据包还包含奇偶校验位。如果该段检测到传输错误，则必须停止传输并阻止对下一协议层的数据访问。以太网传输介质：以太网提供多种类型的传输介质，通常使用以下类型：同轴电缆双绞线光纤早期主要使用同轴电缆，但现在使用了更多的双绞线。这条电缆包含两对铜线，每对绞成两对。而且每条双线双线都有金属屏蔽层和绝缘皮层。光纤主要用于远距离或高波特率的情况。这取决于电缆类型，包括徐璐其他类型的插头。例如，RJ45插头适用于双绞线。通常，双绞线连接发送设备(TD)和接收设备(RD)的两端接口相同。这些电缆连接网络参与者，例如PC或以太网CP

11、卡。两个网络参与者需要用电缆直接连接PC，例如将PC直接连接到以太网CP卡，但有时由于各种原因无法直接连接，需要使用交叉线。请看下图。中继器/集线器中继器用于连接每个网段以扩展网络范围和扩展网络拓扑。集线器的工作方式类似于中继器，但有更多的接口，因此成为多个中继器。中继器或集线器扩展网段，将数据传输到更多设备。因此，中继器可以连接多种类型的电缆，例如同轴电缆和双绞线。集线器通常也用于连接其他网络参与者。交换机/桥接器：网桥不仅可以将数据发送到比中继器更多的设备，而且如果发生冲突，还可以徐璐将网络分隔到其他两个冲突区域。交换机的工作方式类似于网桥，但可以将网络分成更多区域。因此，交换机上的每个接

12、口都可以分离两个碰撞区域。网桥和交换机可以徐璐在不同波特率的以太网之间连接。例如，一端为10Mbps，另一端为10Mbps。路由器/网关：路由器是另一个具有扩展功能的组件。路由器不仅可以识别各种以太网数据包，还可以读取具体内容，例如数据包的地址信息、路由器分析，以及根据地址信息将数据包转发给相应的接收设备。通常，路由器徐璐连接到其他单独的网络。下图是以太网到isdn路由器连接的示例。路由器连接到internet和LAN。快速以太网以太网与快速以太网的比较快速以太网与以太网非常相似，快速以太网标准建立在现有以太网标准(10 Base T)的基础上，但传输速率从10Mbps增加到100Mbps。快

13、速以太网的优点是可以应用更多现有以太网技术。初次使用快速以太网的用户无需花费时间学习新知识。新的快速以太网技术可以直接使用，也可以快速掌握。以太网和快速以太网的共同特征：数据格式：最小长度：64字节最大长度：1518字节地址区域长度：48字节存取协定：CSMA/CD传输介质：除同轴电缆外，相同可以通过中继器扩展网络。差异：两种网络的区别在于快速以太网的传输速度更高。快速以太网的可扩展性远低于10Mbps经典以太网网络。为了确保CSMS/CD的有效性，从一个节点到另一个节点的数据包传输时间受到严格限制。传输时间取决于传输速率和扩展的网段。10Mbps以太网的最大长度为4520m，快速以太网为41

14、2m。使用双绞线作为传输介质时，快速以太网的最大扩展距离为205m。使用光纤可以达到320米，但取决于使用的拓扑结构。10Base T经典以太网可扩展到500m。快速以太网不支持同轴电缆。快速以太网支持以下传输介质：100Base T4支持3、4和5类4对双绞线100Base TX2支持2对5类双绞线100Base FX支持62.5/125m 2芯光纤经典以太网可以使用双绞线、光纤和同轴电缆。快速以太网的网络设计与传统以太网不同。经典以太网在一定程度上使用中继器，在两个节点点使用4个或更少的中继器。快速以太网网络最多只能使用两个中继器。中继器有两种类型。第一类中继器：这些中继器支持100Bas

15、eFX、100BaseT4和100BaseTX(支持光线和各种类型的双绞线)。一个网络(碰撞区)只能有一个第一类中继器。第二类中继器：这些中继器仅支持100BaseTX和100BaseFX(支持光纤和5类双绞线)。可以在一个网络(碰撞区)上使用第二种类型的中继器。两个中继器之间的连接线可达5米。信号传输标准：经典以太网也支持3、4和5类双绞线传输信号，但是快速以太网的100BaseT4和100BaseTX使用的信号传输标准与10BaseT不同。也就是说，10BaseT与100BaseT4和100BaseTX不兼容。如果选择了双绞线通信，则必须确保终端设备接口相同。选择光纤时，经典以太网和快速以太网的信号传输标准也不同。快速以太网具有自动检测功能，可以与现有以太网