1、工业以太网络 技术基础,上海海得控制系统股份有限公司,2003年5月,内容,什么是网络 网络体系结构 工业以太网 网络拓扑结构,什么是网络,大量分散但又互连的计算机系统称为网络,什么是网络,什么是以太网,什么是网络,网络传输技术,广播式,点到点,什么是网络,网络的分类,局域网（Local Area Network) 城域网（Metropolitan Area Network） 广域网（Wide Area Network） 万维网（World Wide Web）,什么是网络,用于企业的网络 服务于公众的网络,地域,用途,网络体系结构,层和协议的集合称为网络体系结构,消息,消息,消息,报头4,消息
2、,报头4,消息,报头4,报头3,消息,报头4,报头3,消息,报头4,报头3,报头2,消息,报头4,报头3,报头2,第2层协议,第3层协议,第4层协议,第5层协议,层,5,4,3,2,1,网络体系结构,层、协议和服务,网络体系结构,分层的目的：,什么是协议？,什么是服务？,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,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,层的设计原则,传输机制 差错控制 报文顺序 报文组合 路由选择,网络体系结构,OSI参考模型,ISO（国际标准化组织）,OSI（开放系统互联参考模型）,网络体
3、系结构,International Standards Organization,Open System Interconnection,IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers ） 电器和电子工程师协会,OSI参考模型,1,2,3,4,5,6,7,网络体系结构,物理层,处理机械的、电气的接口,定义物理传输介质,功能,网络体系结构,物理接口,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,网络体系结构,传输介质,基带同轴电缆,宽带同轴电缆,光纤,双绞线,无线电,微波,红外线,
4、光波,网络体系结构,有线,无线,同轴电缆传输原理,网络体系结构,R=50，基带电缆，用于数字信号传输,R=75，宽带电缆，用于模拟信号传输,粗同轴电缆（粗缆）,最大线缆长度：500米 每段最大工作站数量：100个 接口类型：DIX,网络体系结构,10Base-5,细同轴电缆（细缆）,最大线缆长度：185米 每段最大工作站数量：30个 接口类型：BNC,网络体系结构,10Base-2,双绞线,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),网络体系结构,10Base-T,双绞线的连接,网络体系结构,Pin 1 2 3 4
5、5 6 7 8,Pin 1 2 3 4 5 6 7 8,Pin 1 2 3 4 5 6 7 8,Pin 1 2 3 4 5 6 7 8,橙,绿,蓝,褐,直通线 （用于已种设备的互连）,交叉线 （用于同种设备的互连）,EIA/TIA 568B,光纤,线缆长度：与速率、光纤类型、波长有关，最远达数百公里 接口类型：SC、ST,网络体系结构,光纤传输原理,二氧化硅,多模光纤传输,单模光纤传输,网络体系结构,光纤传输,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,网络体系结构,光源,网络体系结构,光纤的特点,高传输率 衰减小
6、 抗干扰能力强 重量轻，容易安装 安全性高,网络体系结构,数据链路层,建立可靠的连接,处理数据帧传输差错,流量控制,控制对共享信道的访问,将数据组织成帧,网络体系结构,连接服务,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,源,目的,发送,接收,数据帧,例如：语音,源,目的,发送,接收,数据帧,确认,源,目的,发送,接收,建立连接,确认连接,发送数据,数据确认,终止连接,终止连接,网络体系结构,数据帧,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,网络体系结构,差错控制,确认
7、帧回送,计时器,发送,确认,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,流量控制,建立连接,可以发送n个帧,发送n个帧,确认,发送n个帧,.,发送结束，撤销连接,源,目的,网络体系结构,共享信道访问,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？,网络体系结构,CSMA/CD,数据准备传送,线路空闲?,线路侦听,数据传送，侦听,停止传送,数据正确传送,等待一段时间 （根据不同的算法）,yes,无冲突,no,有冲突,载波侦听/冲突检测,网络体系结构,MAC子层,MAC介质访问控制,MAC地址-由48位二进制数字组成,网络体系结构,0000,00
8、00,0101,0000,0000,0000,0001,0001,1110,1110,1111,1111,书写格式,0,0,5,0,0,0,1,1,E,E,F,F,-,-,-,-,-,0,0,5,0,0,0,1,1,E,E,F,F,-,-,数据帧,IEEE802.3数据帧格式,字节,7,1,6,6,2,0-1500,0-46,4,先导字段,帧开始标志,目的地址,源地址,数据字段长度,数据,填充字段,校验和,网络体系结构,冲突域,冲突,网络体系结构,集线器,传统的以太网络,集线器（HUB）,网络体系结构,冲突域,冲突域,网桥,网桥,网络体系结构,冲突域,冲突域,交换机,交换机（Switch）,交
9、换模块,地址学习 帧的转发/过滤 避免形成环,网络体系结构,广播风暴,网络体系结构,广播帧目的地址为 FFFF-FFFF-FFFF,x,Spanning Tree,STP生成树协议,MAC=0000.8C00.1201,MAC=0000.8C00.1203,MAC=0000.8C00.1202,MAC=0000.8C00.1204,MAC=0000.8C00.1205,网络体系结构,Root bridge,Root port,Root port,Root port,Root port,Root port,Root port,Designated port,Nondesignated port,
10、x,数据传输方式,请求,应答,单工传输,源,目的,请求,应答,全双工传输,使用一根传输介质通讯 信号可以双向传输，但同一时刻不能双向传输,使用两根传输介质通讯 信号在同一时刻可以双向传输,网络体系结构,请求,应答,使用一根传输介质通讯 信号只能单向传输,网络层,数据包从源端经过各种途径到达目的端,面向连接的-虚电路（Virtual Circuit）,无连接的-数据报文（Datagram）,网络体系结构,IP地址,网络体系结构,255,255,255,255,最多,Network,Host,11111111,11111111,11111111,二进制,192,168,0,1,举例,二进制,1,8
11、,9,16,17,24,25,32,11111111,11000000,10101000,00000000,00000001,IP地址分类,网络体系结构,8 bits,8 bits,8 bits,8 bits,A类,B类,C类,D类,E类,多播地址,保留地址,IP地址划分,网络体系结构,1,A类,0NNNNNNN,主机号,主机号,主机号,8,9,16,17,24,25,32,范围 (1-127),10NNNNNN,网络号,主机号,主机号,范围 (128-191),110NNNNN,网络号,网络号,主机号,范围 (192-223),1110MMMM,多播组,多播组,多播组,范围 (224-239
12、),B类,C类,D类,特殊IP地址,0.0.0.0 启动后不再使用的主机,127.xx.yy.zz 回路测试用,10.xx.yy.zz 私网地址,192.168.yy.zz 私网地址,网络体系结构,子网划分,作用：把网络内部分成多个部分，对外部网络来说是一个整体,网络体系结构,路由,作用：不同网段之间的数据通讯联络,网络体系结构,传输层,从会话层接收数据，在必要时分成较小的单元，传递 给网络层，确保信息正确无误，并且高效率完成,建立传输连接 提供传输服务（面向连接的，无连接的） 流量控制,网络体系结构,TCP与UDP,TCP传输控制协议,UDP用户数据协议,面向连接的协议,无连接的协议,TCP
13、提供连接的建立、传输流量控制、传输拥塞控制等,网络体系结构,Send SYN (seq=100 ctl=SYN),SYN received,Send SYN, ACK (seq=300 ack=101 ctl=syn,ack),Established (seq=101 ack=301 ctl=ack),SYN received,TCP连接建立过程,会话层,允许不同机器上的用户建立会话关系,管理会话 令牌管理 同步,网络体系结构,表示层,完成某些特定的功能（信息的语法和语义）,数据的编码 数据压缩 数据加密/解密,网络体系结构,ASCII JPEG,应用层,网络安全性 域名系统（DNS） 简单网
14、络管理协议（SNMP） 电子邮件（Email）,网络体系结构,TCP/IP参考模型,网络体系结构,工业以太网的特点,工作环境恶劣,环境温度范围大 有强电磁场干扰 会有震动、冲击,可靠性要求高,流水线是不能停的 控制过程是连续的 稳定工作很多年,工业以太网,工业以太网的要求,可靠,冗余,故障恢复,能在恶劣工作环境下工作,线路出现故障？ 设备出现故障？,故障出现后的快速定位 多长时间能恢复工作,工业以太网,工业网络通信,工业环境,工厂自动化,办公环境,办公自动化,工作电压,24V DC,115V AC / 230V AC,安装方式,导轨安装,桌面,墙上, 19英寸标准机架,工作温度,0,C - 5
15、5,C/60,C,-20,C - 75,C,5,C - 40,C,抗震,/,冲击指标,2 g / 15 g,-,冷却方式,无风扇,风扇,保护等级,IP20 (with housing),IP67,IP20/IP30,可以防护,灰尘,符合标准,EN60950 (Security),EN50081-2 (EMC, Industry),EN50082-2 (EMC, Industry),EN60950 (Security),EN50081-1 (EMC, Office),EN50082-1 (EMC, Office),恢复时间, 1 sec, 30 sec acceptable (SPT),工作寿命, 6 Years, 3 Years,可更换时间,10 Years可换,4 Years可换,灰尘，油，溶剂,墙上, 19英寸标准机架,工业以太网,实时性要求,工业以太网,现代化生产对控制的要求达到了毫秒级， 控制信息的传送必须满足要求，不能延迟 过大，即使在故障发生后，网络的恢复时 间也应满足此要求。,安全性要求,工业以太网,网络必须要有很高的安全性,越界访问是不容许的,网络拓扑结构,总线型,网络拓扑结构,星型,网络拓扑结构,层次型,网络拓扑结构,双总线型,网络拓扑结构,双星型,网络拓扑结构,环型,网络拓扑结构,双环型,网络拓扑结构,谢谢大家,
