工网_第5章_以太网

第5章工业以太网•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•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–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–粗缆以太网10BASE5•粗同轴电缆：直径为1cm，特征阻抗为50Ω•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–细缆以太网10BASE2•细同轴电缆：直径为5mm，特征阻抗为50Ω•每个网段的最大长度为200m•网卡上内置收发器•价格低廉、便于安装、可靠性差，已不使用工业计算机网络与通信•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2kmz星型拓朴z逐步发展工业计算机网络与通信工业计算机网络与通信•以太网物理层–RJ-45连接器的针脚定义：EIA/TIA标准针脚1发送+针脚2发送−针脚3接收+针脚4不使用针脚5不使用针脚6接收−针脚7不使用针脚8不使用①②③④⑤⑥⑦⑧（a ）插孔①②③④⑤⑥⑦⑧（b ）插头–5类双绞线EIA/TIA-568A标准–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) (46～1500) (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) (46～1500) (4)－较少使用工业计算机网络与通信–前导码（56位）：每个字节均为10101010B–帧前定界码：0xAB–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–数据域（46～1500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•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0x0600；数据域的长度固定–数据域/LLC帧（46～1500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38～1492字节工业计算机网络与通信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•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•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：D6～D3全为0•D6～D3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：D2～D0全为0–总长度(16位)：报文头＋数据区，单位为字节•以太网的最大值为1500工业计算机网络与通信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0，0xAF和0x15E；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–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–源IP地址(32位)–目标IP地址(32位)–选项(0～40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Internet：申请全球唯一的IP地址工业计算机网络与通信–点分十进制记法：如166.111.170.10–格式：类型＋网络标识＋主机标识•A类：0＋7位网络标识＋24位主机标识•B类：10＋14位网络标识＋16位主机标识•C类：110＋21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•分类的IP地址：特殊的IP地址工业计算机网络与通信•分类的IP地址：IP地址的范围工业计算机网络与通信•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(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–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•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TCP协议•TCP报文的格式–滑动窗口大小(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–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•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•通信参考模型–物理层–数据链路层以太网技术–网络层–传输层–应用层：控制与信息协议CIP•历史–1999年，CI （ControlNet国际化组织)和ODVA （开放DeviceNet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工业计算机网络与通信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–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–物理层：100Mbps–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Web服务器构成的瓶颈工业计算机网络与通信•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•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RABBIT 2000等工业计算机网络与通信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基于以太网的远程温度采集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NC6029网关功能91个网口：10M/100M自适应92个串行口：RS422/4859电源：交流220V。