第8章 工业以太网缩略稿文档格式.docx

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由于以太网应用最为广泛，因而受到硬件制造商的高度重视与广泛支持，供用户选择的硬件产品种类很多，价格也相对低廉。

目前以太网网卡的价格只有FF、Profibus等现场总线接口卡的1/10，随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。

⑶传输速率高。

目前传输速率为10Mbps、100Mbps的快速以太网已广泛应用，1Gbps以太网技术也逐渐成熟，10Gbps以太网也正在研究中。

以太网的速率比目前的现场总线快得多，可以满足对带宽有更高要求的需要。

⑷可持续发展潜力大。

由于以太网的广泛应用，其发展一直受到极大重视，有着大量的技术投入。

另外，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展在很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟。

所有这些，保证了以太网技术不断地向前发展。

⑸易与Internet连接。

以太网能够实现办公自动化网与工业控制网的信息无缝集成。

从上面的分析可以看出，工业自动化网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无须单独的研究投入。

正因为如此，进入21世纪以后，以太网在工业自动化领域开始逐渐得到应用。

工程应用实践表明，通过采用适当的系统设计和流量控制技术，以太网可在较大程度上满足工业自动化领域的通信要求。

目前，PLC、DCS等控制设备或系统已经开始提供以太网接口，基于工业以太网的数据采集、记录仪、变送器、传感器等产品也纷纷面世。

如今，以太网已成为企业信息管理层、监控层网络的首选，并有逐渐向下延伸直接应用于工业现场设备间通信的趋势。

这也是控制网络设备的开发者与制造商将目光转向以太网技术的重要原因。

尽管如此，要把工业以太网放心地应用于工业环境中，仍然面临着一系列技术问题：

⑴通信的确定性。

以太网采用的CSMA/CD媒体访问控制方式，其本质上是非确定性的。

平等竞争的媒体访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。

正因为这样，以太网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。

需要有针对这一问题的解决方案。

⑵工业以太网的环境适应性和可靠性。

以太网是按办公环境设计的，将其应用于工业控制环境，它的环境适应性受到工业自动化方面专业人士的特别关注。

环境适应性包括耐振动、耐冲击等方面的机械环境适应性；

工作温度、湿度、耐腐蚀、防尘、防水等方面的气候环境适应性；

以及电磁环境适应性。

另外，在易燃易爆的危险工业场合，工业以太网产品还必须考虑本安要求。

工业控制现场环境恶劣，而且控制网络需要长时间稳定运行，不仅要求以太网产品有更高的可靠性，其安装也有不同的标准。

例如，象RJ45一类的以太网连接器，在工业现场容易损坏，应采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好的抗振动、抗疲劳能力；

控制网络设备安装需要采用DIN导轨等。

⑶总线供电。

在控制网络中，现场设备的位置分散性使得它们有通过总线提供工作电源的要求。

现有的工业以太网还没有对网络节点的供电做出专门规定。

一种可能的方案是利用现有的5类双绞线中另一对空闲线供电。

在工业应用中，一般采用10~36V低压直流供电。

为了促进以太网在工业上的应用，国际上成立了一些工业以太网组织，如工业以太网协会（IEA，IndustrialEthernetAssociation）、工业自动化开放网络联合会（IAONA，IndustrialAutomationOpenNetworkingAlliance）等，在世界范围内推进工业以太网技术的发展和应用。

在标准化方面，IEC目前正计划与IAONA合作，制定“工业网络化系统安装导则（InstallationGuidelineforIndustrialCablingSystem）”，其中就包含了工业以太网媒体行规。

在工业控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太网发展的一个方面，一些现场总线组织，如现场总线基金会、Profibus国际组织（PNO）、P-Net用户组织（InternationalP-NetUserOrganization）、Interbus俱乐部（InterbusClub）等，提出了用现有的现场总线控制网络与以太网结合，将以太网作为现场总线网络的高速网段，使控制网络与Internet融为一体的解决方案。

纷纷在其低速现场总线的基础上推出了基于以太网的高速现场总线。

例如FF-H1的高速网段FF-HSE、Proibus的高速网段ProfiNet等。

在控制网络中采用以太网技术无疑有助于控制网络与互联网的融合，如果实现了Ethernet的“E”网到底，则控制网络无须经过网关转换即可直接连接到互联网，测控节点也有条件成为互联网上的一员。

现阶段，人们提出的且正在实现的一个解决方案是：

在控制器、PLC、变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以太网通信接口、TCP/IP协议、WebServer，形成支持以太网、TCP/IP协议和Web服务器的Internet现场节点。

在现场总线应用层协议尚未统一的情况下，借助IE等通用的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控。

因此，人们密切关注工业以太网技术的发展动向。

为了更好掌握工业以太网技术，我们首先讲述它的一般概念，然后介绍一种典型的工业以太网现场总线标准FF-HSE，并给出其它工业以太网标准的主要特点。

8．2工业以太网体系结构

8．2．1工业以太网通信模型

工业以太网协议的种类有很多，如HSE、ProfiNet、EtherNet/IP、Modbus-RTPS等，它们在本质上仍基于以太网技术，即IEEE802.3标准。

对应于ISO/OSI通信参考模型，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了IEEE802.3标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网上的“事实上”的标准TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）协议族，网际协议（IP）用来确定信息传递路线，而传输控制协议（TCP）则是用来保证传输的可靠性，它们构成了工业以太网的低四层。

虽然TCP/IP并不是专为以太网而设计的，但实际上它们现在已经是不可分离了。

在高层协议上，工业以太网协议通常都省略了会话层、表示层，而定义了应用层，有的工业以太网协议还定义了用户层（如FF-HSE）。

工业以太网与OSI参考模型的分层对比见图8-1。

8．2．2Ethernet体系结构简介

按IEEE802.3标准规定，IEEE802.3以太网具有如图8-2所示的体系结构。

1.物理层

在IEEE802.3标准中，将物理层分为两个子层，分别是物理信令（PLS）子层和物理媒体连接件（PMA）子层。

PLS子层向MAC子层提供服务，并负责比特流的曼彻斯特编码与译码和载波监听功能。

PMA子层向PLS子层提供服务，它完成冲突检测、超长控制以及发送和接收串行比特流的功能。

媒体相关接口（MDI）与传输媒体的特定形式有关，它定义了连接器以及电缆两端的终端负载的特性，是设备与总线的接口部件。

2.媒体访问控制子层

数据链路层又细分为媒体访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）两个子层。

这种分解主要是为了使数据链路功能中与硬件有关的部分和与硬件无关的部分分开，降低不同类型数据通信设备的研制成本。

MAC子层是与硬件相关部分，与LLC子层之间通过MAC服务访问点相连接。

IEEE802.3以太网帧的格式如图8-3所示，图中字段下方括弧中的数据是指相应字段的长度，即字节个数。

从中可以看到，MAC的帧格式包括5个字段，前两个字段分别为目的地址字段和源地址字段，第三个字段为数据长度字段，它指出后面数据字段的字节长度，数据字段就是LLC层交下来的LLC帧和必要的填充字节（当数据字段长度小于最小长度限制时，需填充字节使达到最小长度），最后一个字段为帧检验序列，它对前4个字段进行CRC检验。

MAC帧传到物理层时，必须加上一个前同步码，它是7个字节的1、0交叉序列，即101010……，供接收方进行比特位同步之用。

紧跟前同步码的是MAC帧的起始定界符，它占一个字节，为10101011，接收方一旦接收到两个连续的1后，后面的数据即是MAC帧。

MAC子层的工作原理是影响以太网应用于工业控制的重要原因之一。

因此，以下我们将说明其工作方式，可以从中了解产生争议的问题所在。

⑴媒体访问控制协议CSMA/CD

在IEEE802.3以太网MAC层中，媒体的访问控制采用了载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议。

CSMA/CD的主要思想可用“先听后说，边说边听”来形象的表示，这里只做简单说明，详细描述可参考本书第4．4节CSMA/CD工作原理部分。

“先听后说”是指在发送数据之前先监听总线的状态。

在以太网上，每个设备可以在任何时候发送数据。

发送站在发送数据之前先要检测通信信道中的载波信号，如果没有检测到载波信号，说明没有其它站在发送数据，或者说信道上没有数据，该站可以发送。

否则，说明信道上有数据，等待一个随机的时间后再重复检测，直到能够发送数据为止。

当信号在传送时，每个站均检查数据帧中的目的地址字段，并依此判定是接收该帧还是忽略该帧。

由于数据在网上的传播有一定的时延，总线上可能会出现两个或两个以上的站点监听到总线上没有数据而发送数据帧，因此就会发生冲突。

“边说边听”就是指在发送数据的过程的同时检测总线上的冲突。

冲突检测最基本的思想是一边将信息输送到传输媒体上，一边从传输媒体上接收信息，然后将发送出去的信息和接收的信息进行按位比较。

如果两者一致，说明没有冲突；

如果两者不一致，则说明总线上发生了冲突。

一旦检出冲突以后，不必把数据帧全部发完，立即停止数据帧的发送，并向总线发送一串阻塞信号，让总线上其它各站均能感知冲突已经发生。

总线上各站点“听”到阻塞信号以后，均等待一段随机时间，然后再重发受冲突影响的数据帧。

这一段随机时间的长度通常由网卡中的某个算法来决定。

CSMA/CD的优势就在于站点无须依靠集中控制就能进行数据发送。

当网络通信量较小的时候，冲突很少发生，这种媒体访问控制方式是快速而有效的。

当网络负载较重的时候，就容易出现冲突，网络性能也相应降低。

⑵冲突退避算法

在IEEE802.3以太网中，当检测出冲突后，就要重发原来的数据帧。

冲突过的数据帧的重发又可能再次引起冲突。

为避免这种情况的发生，经常采用错开各站重发时间的办法来解决，重发时间的控制问题就是冲突退避算法问题。

最常用的计算重发时间间隔的算法就是二进制指数退避算法，它本质上是根据冲突的历史估计网上信息量而决定本次应等待时间。

按此算法，当发生冲突时，控制器延迟一个随机长度的间隔时间，如下式（8-1）所示。

（8－1）

式中，Tk为退避时间；

R为0~1的随机数；

S是时间片（可选总线上最大的端到端单程传播延迟时间的2倍）；

k是连续冲突的次数。

整个算法过程可以理解为

⑴每个帧在首次发生冲突时的退避时间为T1。

⑵当重复发生一次冲突，则最大退避时间加倍，然后组织重传数据帧。

⑶在发生10次碰撞后，退避时间的最大时间片数将被固定在1023上。

⑷发生16次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。

这个算法中等待时间的长短与冲突的历史有关，一个数据帧遭遇的冲突次数越多，则等待时间越长，说明网上传输的数据量越大。

3．逻辑链路控制子层

LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口或称为服务访问点。

LLC支持无应答的无连接服务和面向连接的服务，负责帧的接收和发送，并具有帧顺序控制、错误控制和流控制等功能。

在LLC帧格式中，指定了源访问点（SSAP）、目的访问点（DSAP）、一个控制字段和n个字节的数据字段（见图8-4）。

LLC层服务访问点（SSAP/DSAP）是由LLC层定义的逻辑端口，它与主处理器地址拼接而构成LLC地址。

LLC子层之间数据单元的交换就是根据LLC地址来识别的。

8．2．3TCP/IP协议族

将以太网引入控制网络意味着它已经进入工业控制过程。

IEEE802.3的数据链路层在保证网络之间数据的可靠传输方面存在问题，协议TCP/IP提供了该功能，没有它们，使用Ethernet是困难的。

鉴于Internet的巨大影响力以及它在控制网络中应用的潜力，大部分工业以太网也选用了TCP/IP协议族，因为它们能支持Internet功能。

下面将着重描述TCP/IP应用于工业以太网时所扮演的角色。

1．TCP/IP协议概述

实际上，TCP/IP是多年来根据一系列描述要求（RFCs，RequestforComments）所制定的一套协议。

TCP/IP协议中，IP用来确定信息传递路线，相当于OSI参考模型中的网络层；

TCP被置于IP的上面，用来保证传输的可靠性，对应于OSI参考模型中的传输层。

TCP的上一层是应用层，应用层中可以具备部分会话层和表示层的功能。

因此，使用TCP/IP协议的网络参考模型一般只有5层，Ethernet位于最低层的数据链路层和物理层（见图8-1）。

模型的扩展描述如图8-5所示。

通常情况下，没有必要使用网络参考模型中的每一层，可以开发一些应用，使之能够直接调用任意一层的服务。

大多数应用要求有可靠的端对端的协议，此时就要使用TCP。

不过有一些特殊用途的应用不需要这些服务，例如简单的网络管理协议（SNMP），它使用了另一种端对端的协议，称为用户数据报协议（UDP，UserDatagramProtocol），而其它一些应用则可能会直接利用IP。

已经开发出的那些不用调用IP的应用以及不需要TCP的应用会直接调用网络接入层。

2．数据包

处于数据链路层上面的IP数据被称为数据报，它被插入以太网帧的数据区，数据报有自己的数据头和数据区但没有结束区。

TCP位于传输层，该层的数据同样也被用于IP的数据报中。

TCP使用数据段，其中中包括TCP数据头和应用数据。

传输层的上面是应用层，应用层的数据及数据头必须插入传输层的数据部分。

应用层发送应用数据，TCP发送数据段，IP以数据包的形式在数据链路层发送数据报。

一个包可以是一个数据报也可以是数据报的一部分。

数据在发送方的每一层被分别封装（如图8-6所示），最后，这个数据根据以太网协议进行封装，并发送到网路上。

而在接收方相同的层，数据被解封。

3．IP协议

IP协议提供数据传送的基本单元，包括地址、路径、数据段。

在发送端，IP发送来自高层软件的数据块，附加一个头部，以指定接收端的全球互联网地址以及其它一些东西。

IP头部与上层数据结合起来称为网际协议数据单元（internetprotocolunit），或简称为数据报。

IP将这些数据块塞入数据链路层，并以一系列数据包的形式发送，就象把一封信送到邮局一样。

一般地，它将到达目的地，但是它并不象一封已经注册的邮件一样有更多的信息。

在接收端，IP接收来自以太网数据链路层的数据包，恢复为原始数据。

IP在源和目的地址之间使用的是无连接传输服务，数据包在网络中或网络之间传输时，可能发生丢失，由此可能导致数据报文被破坏。

IP为每个数据包提供独立寻址能力，但不能保证每个数据包都能正确的到达目的地，网络阻塞和传输错误都可能使数据包丢失，因此被称为是一种不可靠的传输服务。

保证可靠的端对端的信息传输是传输层TCP的任务，而不是网络层IP的任务。

IP只是简单地负责确定数据报文的地址及路径。

⑴路由器和主机

中继器、集线器等用在物理层，网桥用在数据链路层，而路由器则用在网络层。

路由器主要用于Internet中的网络互联。

Internet是用来表示一群网络的一个惯用的术语，需要严格的编址标准以确保在不同的系统中实现通信的互联网不会混淆。

我们可以使一个控制网络是独立的，即不与Internet相连。

若要使它们互联就必须使用路由器。

事实上，IP是一个路由器协议，路由器是执行该协议的元件。

Internet中的端点设备称为主机，当两台主机处在同一个局域网中，信息可以不经过路由器直接传输，如果它们处在不同的网络中，则必须经过路由器传递信息。

⑵IP地址

IP完成源和目的的编址，最常用的编址规范是IPv4，它使用32位编址，新规范IPv6使用128位编址。

新规范是考虑到迅猛发展的Internet会把32位地址用尽而发展出来的。

尽管IPv6是建立在IPv4基础上的，由于IPv6会对我们理解简单的32位IP地址编址方法造成较大混乱，不在这里讨论。

对此有兴趣的读者可以查阅文档RFC2460（IPv6的整体规范）和RFC2373（IPv6的寻址结构）。

IP地址不只定义了一个特定的主机，而且定义了一个特定的网络。

不要把IP地址和Ethernet中48位的MAC地址相混淆。

MAC地址是在数据链路层中为通信提供便利的，而IP地址是为网际间的通信提供便利的，而且必须被确认。

IP地址编址格式为<

netid，hostid>

，用4个8位二进制数表示，每一个是十进制数0~255。

因此IP地址通常用XXX.XXX.XXX.XXX来表示。

也可以用二进制或十六进制来表示，但十进制的形式更为普遍。

IP地址的编址范围为0.0.0.0~255.255.255.255。

例如234.9.240.15。

对照编址格式，可以看到，从一个地址上很难区分出哪一个是网络地址（netid），哪一个是主机地址（hostid）。

事实上，根据IP地址分类可以很容易把它们区分开来。

IP地址分为5类：

A、B、C、D和E，如图8-7所示。

IP地址的第一个字节决定地址的类型。

A类：

第一个字节的第1位为0。

第一个字节定义网络，而后三个字节定义主机。

因此A类的每个网络可以有16277214台主机。

B类：

第一个字节的前2位为“10”。

前两个字节定义网络，而后两个字节定义主机，即每个网络可以有65534台主机。

C类：

第一个字节的前3位为“110”。

前3个字节定义网络，而后一个字节定义主机，即每个网络可提供254台主机。

D类：

第一个字节的前4位为“1110”。

主要定义多点广播地址，即信息可以从一台主机发给多台主机。

E类：

第一个字节的前5位为“11110”。

保留。

此外，还有其它的保留地址，主机地址全“1”保留用做给网络中所有的主机广播信息，而全“0”主机地址则用做表示“该网络”。

127的网络地址用做反馈检测，这样就保留了16000000主机地址，网络地址0也被保留。

如果一个控制网络要连入Internet中成为里面的一员，则应遵守编址规则。

通常这些地址是由网络管理员或Internet服务供应商（ISP）统一分配的。

如果一个控制网络是一个私有的网络，那么它可以采用任何一种编址方式，但必须给出一个请求注解（RFC）向导。

私有网络只能使用non-routableIP地址，这些地址无法通过路由器。

这些地址包括：

10.0.0.0~10.255.255.255；

172.16.0.0~172.31.255.255；

192.168.0.0~192.168.255.255。

⑶IP数据报格式

描述IP实体之间的协议，最好的办法是参照IP数据的格式，如图8-8所示。

IP传送和接收的数据包由IP头及数据组成。

IP头最小为20个字节，前12个字节提供控制信息，而后8个提供IP地址信息，地址信息之后是一个选择区。

IP数据格式中的字段如下：

版本（4位）：

指示IP版本。

如4表示IPv4，6表示IPv6。

IP头长度（4位）：

指明以32-bit为单位的IP头长度，最小的值为5，最大值为15。

也就是说IP头的长度最小为20个字节，最大不能超过60个字节。

服务类型（8位）：

定义可靠性、优先级、时延以及吞吐量等参数，8位中只有6位可用。

这些位是交给路由器的一些信息，在协议的高层被设置。

对于一个控制网络来说，这些参数有利于提高网络服务水平，比如控制网络需要低延迟、高可靠性等。

但是，这些服务在路由器中很少被真正地执行。

这点在IPv6中做了进一步的改进。

数据总长度（16位）：

以字节为单位，表示数据报中数据字段的总长度。

需要注意的是，数据总长度不是数据包的长度。

如果数据报长度比可发送的最大数据包的长度大时，必须分成一系列的包来发送。

在这种情况下，数据总长度表示的是分片传送数据的长度，而不是原始数据报的数据字段长度。

数据报标识符（16位）：

一个序列号，它与源IP地址、目的IP地址以及用户协议结合起来使用，以便唯一地标识出一个数据报。

因此，当这个数据报还存在于互联网络中的时候，这个标识符在具有相同源IP地址、目的IP地址以及用户协议的数据报中是惟一的。

标志位（3位）：

3个标志位中，目前只定义了两位。

后续（More）位用于数据的分片和重装，1表示它是一个大的数据报的一片，0表示无分片（第一或惟一的一片数据报）或它是最后的一片；

不分片（Don’t-Fragment）位置位时禁止分片，如果已知目的地没有重装数据片的能力，那么这个位所起的作用就非常重要了。

但是，如果不分片位被置位，那么假如某个数据报超出了途经的某个网络的最大的传输单元，这个数据就会被丢弃。

接收主机在重组数据时需要用到这些