工业以太网基础
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海得工控
工业以太网络 技术基础
上海海得控制系统股份有限公司
© Hirschmann
内容
1. 什么是网络 2. 网络体系结构 3. 工业以太网 4. 网络拓扑结构
海得工控
© Hirschmann
什么是网络
什么是网络
海得工控
大量分散但又互连的计算机系统称为网络
© Hirschmann
什么是以太网
什么是网络
网络体系结构
数据链路层
➢建立可靠的连接 ➢将数据组织成帧 ➢处理数据帧传输差错 ➢流量控制 ➢控制对共享信道的访问
海得工控
© Hirschmann
连接服务
网络体系结构
无确认的无连接服务 有确认的无连接服务 有确认的有连接服务
海得工控
发送
源
数据帧 例如：语音
接收
目的
发送
源
发送
源
数据帧
确认
建立连接 确认连接 发送数据 数据确认 终止连接 终止连接
物理层
功能
处理机械的、电气的接口
网络体系结构
定义物理传输介质
海得工控
© Hirschmann
海得工控
物理接口
网络体系结构
➢电压 ➢传输类型（双向、单向） ➢传输一位保持多长时间 ➢连接如何建立和终止
➢接插件有多少针，各针的定义
© Hirschmann
传输介质
网络体系结构
基带同轴电缆
有
宽带同轴电缆
海得工控
网络体系结构
CSMA/CD
载波侦听/冲突检测
数据准备传送
线路侦听 线路空闲?
等待一段时间 （根据不同的算法）
➢接口类型：SC、ST
海得工控
© Hirschmann
网络体系结构
光纤传输原理
二氧化硅
海得工控
多模光纤传输 单模光纤传输
© Hirschmann
光纤传输
网络体系结构
光纤的种类 多模光纤（直径50或62.5微米） 单模光纤（直径8-10微米）
波段
850HZ 1300HZ 1550HZ
海得工控
© Hirschmann
10Base-5
© Hirschmann
网络体系结构
细同轴电缆（细缆）
海得工控
➢最大线缆长度：185米 ➢每段最大工作站数量：30个 ➢接口类型：BNC
10Base-2
© Hirschmann
双绞线
网络体系结构
海得工控
➢最大线缆长度：100米 ➢每段最大工作站数量：1024个 ➢接口类型：RJ45 ➢接线方式：EIA/TIA568A(568B)
பைடு நூலகம்
海得工控
光源
网络体系结构
项目 数据速率 模式 距离 使用寿命 温度敏感性 造价
发光二极管 低 多模 短 长 较小 低
半导体激光 高 多模/单模 长 短 较敏感 高
© Hirschmann
海得工控
网络体系结构
光纤的特点
▪高传输率 ▪衰减小 ▪抗干扰能力强 ▪重量轻，容易安装 ▪安全性高
© Hirschmann
线 双绞线
光纤
无线电 微波 无 线 红外线 光波
海得工控
© Hirschmann
网络体系结构
同轴电缆传输原理
R
海得工控
R=50Ω，基带电缆，用于数字信号传输 R=75Ω，宽带电缆，用于模拟信号传输
© Hirschmann
网络体系结构
粗同轴电缆（粗缆）
海得工控
➢最大线缆长度：500米 ➢每段最大工作站数量：100个 ➢接口类型：DIX
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers ） 电器和电子工程师协会
海得工控
© Hirschmann
OSI参考模型
网络体系结构
7 6 5 4 3 2 1
海得工控
应用层 表示层 会话层
传输层 网络层 数据链路层 物理层
© Hirschmann
用途
1. 用于企业的网络 2. 服务于公众的网络
海得工控
© Hirschmann
层 5
4 3 2 1 海得工控
网络体系结构
网络体系结构
层和协议的集合称为网络体系结构
消息
第5层协议
消息
报头4 消息
第4层协议
报头4 消息
报头3 报头4 消息
第3层协议
报头3 报头4 消息
第2层协议
报头2 报头3 报头4 消息
海得工控
© Hirschmann
海得工控
流量控制
网络体系结构
建立连接
可以发送n个帧
发送n个帧
源
确认
发送n个帧
….
发送结束，撤销连接
目的
© Hirschmann
网络体系结构
共享信道的访问
问题：多台设备共享一个通讯信道，当信道的使用 产生竞争时，如何分配信道的使用权？
海得工控
© Hirschmann
接收
目的
接收
目的
© Hirschmann
数据帧
网络体系结构
目的：将比特流组合成数据帧，计算校验和，用于差错控制
方法：
➢插入时间间隔 ➢字符计数法 ➢带字符填充的首尾界符法 ➢带位填充的首尾标志法 ➢物理层编码违例法
海得工控
© Hirschmann
差错控制
网络体系结构
确认帧回送
发送 确认
计时器
发送，启动计时器 规定时间内未收到确认帧，重发
网络体系结构
层的设计原则
1. 传输机制 2. 差错控制 3. 报文顺序 4. 报文组合 5. 路由选择
海得工控
© Hirschmann
OSI参考模型
网络体系结构
International Standards Organization
ISO（国际标准化组织）
OSI（开放系统互联参考模型）
Open System Interconnection
海得工控
© Hirschmann
网络传输技术
什么是网络
点到点
广播式
海得工控
© Hirschmann
网络的分类
什么是网络
地域
1. 局域网（Local Area Network) 2. 城域网（Metropolitan Area Network） 3. 广域网（Wide Area Network） 4. 万维网（World Wide Web）
报头2 报头3 报头4 消息
© Hirschmann
网络体系结构
层、协议和服务
分层的目的： 什么是协议？
减少网络设计的复杂性 相同的功能放在一层内
协议是对等层之间数据交换、 数据格式和含义的规则
什么是服务？
海得工控
服务是层向上一层提供的操作 上层只要需要知道操作的存在 不必了解操作的细节
© Hirschmann
10Base-T
© Hirschmann
网络体系结构
双绞线的连接
海得工控
直通线
（用于已种设备的互连）
Pin
Pin
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
橙 蓝 绿 褐
交叉线
（用于同种设备的互连）
Pin
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1
1
2
2
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3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
EIA/TIA 568B
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光纤
网络体系结构
➢线缆长度：与速率、光纤类型、波长有关， 最远达数百公里
工业以太网络 技术基础
上海海得控制系统股份有限公司
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内容
1. 什么是网络 2. 网络体系结构 3. 工业以太网 4. 网络拓扑结构
海得工控
© Hirschmann
什么是网络
什么是网络
海得工控
大量分散但又互连的计算机系统称为网络
© Hirschmann
什么是以太网
什么是网络
网络体系结构
数据链路层
➢建立可靠的连接 ➢将数据组织成帧 ➢处理数据帧传输差错 ➢流量控制 ➢控制对共享信道的访问
海得工控
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连接服务
网络体系结构
无确认的无连接服务 有确认的无连接服务 有确认的有连接服务
海得工控
发送
源
数据帧 例如：语音
接收
目的
发送
源
发送
源
数据帧
确认
建立连接 确认连接 发送数据 数据确认 终止连接 终止连接
物理层
功能
处理机械的、电气的接口
网络体系结构
定义物理传输介质
海得工控
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海得工控
物理接口
网络体系结构
➢电压 ➢传输类型（双向、单向） ➢传输一位保持多长时间 ➢连接如何建立和终止
➢接插件有多少针，各针的定义
© Hirschmann
传输介质
网络体系结构
基带同轴电缆
有
宽带同轴电缆
海得工控
网络体系结构
CSMA/CD
载波侦听/冲突检测
数据准备传送
线路侦听 线路空闲?
等待一段时间 （根据不同的算法）
➢接口类型：SC、ST
海得工控
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网络体系结构
光纤传输原理
二氧化硅
海得工控
多模光纤传输 单模光纤传输
© Hirschmann
光纤传输
网络体系结构
光纤的种类 多模光纤（直径50或62.5微米） 单模光纤（直径8-10微米）
波段
850HZ 1300HZ 1550HZ
海得工控
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10Base-5
© Hirschmann
网络体系结构
细同轴电缆（细缆）
海得工控
➢最大线缆长度：185米 ➢每段最大工作站数量：30个 ➢接口类型：BNC
10Base-2
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双绞线
网络体系结构
海得工控
➢最大线缆长度：100米 ➢每段最大工作站数量：1024个 ➢接口类型：RJ45 ➢接线方式：EIA/TIA568A(568B)
பைடு நூலகம்
海得工控
光源
网络体系结构
项目 数据速率 模式 距离 使用寿命 温度敏感性 造价
发光二极管 低 多模 短 长 较小 低
半导体激光 高 多模/单模 长 短 较敏感 高
© Hirschmann
海得工控
网络体系结构
光纤的特点
▪高传输率 ▪衰减小 ▪抗干扰能力强 ▪重量轻，容易安装 ▪安全性高
© Hirschmann
线 双绞线
光纤
无线电 微波 无 线 红外线 光波
海得工控
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网络体系结构
同轴电缆传输原理
R
海得工控
R=50Ω，基带电缆，用于数字信号传输 R=75Ω，宽带电缆，用于模拟信号传输
© Hirschmann
网络体系结构
粗同轴电缆（粗缆）
海得工控
➢最大线缆长度：500米 ➢每段最大工作站数量：100个 ➢接口类型：DIX
IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers ） 电器和电子工程师协会
海得工控
© Hirschmann
OSI参考模型
网络体系结构
7 6 5 4 3 2 1
海得工控
应用层 表示层 会话层
传输层 网络层 数据链路层 物理层
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用途
1. 用于企业的网络 2. 服务于公众的网络
海得工控
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层 5
4 3 2 1 海得工控
网络体系结构
网络体系结构
层和协议的集合称为网络体系结构
消息
第5层协议
消息
报头4 消息
第4层协议
报头4 消息
报头3 报头4 消息
第3层协议
报头3 报头4 消息
第2层协议
报头2 报头3 报头4 消息
海得工控
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海得工控
流量控制
网络体系结构
建立连接
可以发送n个帧
发送n个帧
源
确认
发送n个帧
….
发送结束，撤销连接
目的
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网络体系结构
共享信道的访问
问题：多台设备共享一个通讯信道，当信道的使用 产生竞争时，如何分配信道的使用权？
海得工控
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接收
目的
接收
目的
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数据帧
网络体系结构
目的：将比特流组合成数据帧，计算校验和，用于差错控制
方法：
➢插入时间间隔 ➢字符计数法 ➢带字符填充的首尾界符法 ➢带位填充的首尾标志法 ➢物理层编码违例法
海得工控
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差错控制
网络体系结构
确认帧回送
发送 确认
计时器
发送，启动计时器 规定时间内未收到确认帧，重发
网络体系结构
层的设计原则
1. 传输机制 2. 差错控制 3. 报文顺序 4. 报文组合 5. 路由选择
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OSI参考模型
网络体系结构
International Standards Organization
ISO（国际标准化组织）
OSI（开放系统互联参考模型）
Open System Interconnection
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网络传输技术
什么是网络
点到点
广播式
海得工控
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网络的分类
什么是网络
地域
1. 局域网（Local Area Network) 2. 城域网（Metropolitan Area Network） 3. 广域网（Wide Area Network） 4. 万维网（World Wide Web）
报头2 报头3 报头4 消息
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网络体系结构
层、协议和服务
分层的目的： 什么是协议？
减少网络设计的复杂性 相同的功能放在一层内
协议是对等层之间数据交换、 数据格式和含义的规则
什么是服务？
海得工控
服务是层向上一层提供的操作 上层只要需要知道操作的存在 不必了解操作的细节
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10Base-T
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网络体系结构
双绞线的连接
海得工控
直通线
（用于已种设备的互连）
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橙 蓝 绿 褐
交叉线
（用于同种设备的互连）
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EIA/TIA 568B
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光纤
网络体系结构
➢线缆长度：与速率、光纤类型、波长有关， 最远达数百公里