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限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)第七章工業(yè)以太網(wǎng)7.1、工業(yè)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介一、工業(yè)以太網(wǎng)與一般以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是一般以太網(wǎng)技術(shù)在限制網(wǎng)絡(luò)延長(zhǎng)的產(chǎn)物。前者源于后者又不同于后者。以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,特殊是它在internet中的廣泛應(yīng)用,使得技術(shù)更為成熟。無(wú)論從技術(shù)還是產(chǎn)品價(jià)格上,以太網(wǎng)較之其他類型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外,隨著技術(shù)的發(fā)展,限制網(wǎng)絡(luò)與一般計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、internet的聯(lián)系更為親密。限制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)須要考慮與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的一樣性,須要提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信性能的要求,這些都是限制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開(kāi)發(fā)者與制造商把目光轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)技術(shù)的重要緣由。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為促進(jìn)以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,國(guó)際上成立了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)會(huì)(industrialEthernetassociation,IEA),工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(industrialautomationnetworkalliance,IAONA)等組織,目標(biāo)是在世界范圍內(nèi)推動(dòng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、教化和標(biāo)準(zhǔn)化管理,在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的各個(gè)層次運(yùn)用以太網(wǎng)。美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)也正著手制定現(xiàn)場(chǎng)裝置與以太網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)。這些組織還致力于促進(jìn)以太網(wǎng)迸人工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)級(jí),推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和嵌人式系統(tǒng)的應(yīng)用。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以太網(wǎng)技術(shù)最早由Xerox開(kāi)發(fā),后經(jīng)數(shù)字設(shè)備公司(digitalequipmenntCorp·)、Intel公司聯(lián)合擴(kuò)展,1982年公布了以太網(wǎng)規(guī)范。IEEE802.3是以這個(gè)技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)制定的。按ISO開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的分層結(jié)構(gòu),以太網(wǎng)規(guī)范只包括通信模型中的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層。而人們稱的以太網(wǎng)技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),不僅包含了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范,而且包含TCP/IP協(xié)議組,包含網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議IP、傳輸層的傳輸限制協(xié)議TCP、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP等。有時(shí)還把應(yīng)用層的簡(jiǎn)潔郵件傳送協(xié)議SMTP、域名服務(wù)DNS、文件傳輸協(xié)議FTP、超文本鏈接HTTP、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布等互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用協(xié)議都與以太網(wǎng)這個(gè)名詞捆綁在一起。因此以太網(wǎng)技術(shù)事實(shí)上是上述一系列技術(shù)的統(tǒng)稱。工業(yè)以太網(wǎng)與ISO互聯(lián)參考模型的比照關(guān)系如圖1所示。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖1工業(yè)以太網(wǎng)與OSI互連參考模型的分層比照工業(yè)以太網(wǎng)的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層接受IEEE802·3規(guī)范,網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層接受TCP/IP協(xié)議組,應(yīng)用層的一部分可以沿用上面提到的那些互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議。工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中在ISO/OSI模型的應(yīng)用層,需在應(yīng)用層添加與自動(dòng)限制相關(guān)的應(yīng)用協(xié)議。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用層須考慮與現(xiàn)有的其他限制網(wǎng)絡(luò)的連接和映射關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)管理、應(yīng)用參數(shù)等問(wèn)題,要解決自控產(chǎn)品之間的互操作性問(wèn)題。因此應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)的制定比較麻煩,目前還沒(méi)有取得共識(shí)的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)須面對(duì)在工業(yè)環(huán)境下作為限制網(wǎng)絡(luò)要解決的一系列問(wèn)題:(1)通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題以太網(wǎng)接受的CSMA/CD的介質(zhì)訪問(wèn)限制方式,其本質(zhì)上是非實(shí)時(shí)的。同等競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)限制方式不能滿足工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)νㄐ诺膶?shí)時(shí)性要求。因此以太網(wǎng)始終被認(rèn)為不適合在底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用。須要有針對(duì)這一問(wèn)題的切實(shí)可行解決方案。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(2)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性與牢靠性問(wèn)題以太網(wǎng)是按辦公環(huán)境設(shè)計(jì)的,用于工業(yè)限制環(huán)境,其魯棒性、抗干擾實(shí)力等是應(yīng)當(dāng)解決的問(wèn)題。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要留意材質(zhì)、元器件的選擇,使產(chǎn)品在強(qiáng)度、溫度、濕度、振動(dòng)、干擾、輻射等環(huán)境參數(shù)方面滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求。還要考慮到在工業(yè)環(huán)境下的安裝要求,如接受DIN導(dǎo)軌式安裝等。像RJ45一類連接器,在工業(yè)上應(yīng)用太易損壞,應(yīng)當(dāng)接受帶鎖緊機(jī)構(gòu)的連接件,使設(shè)備具有更好的抗振動(dòng)、抗疲憊實(shí)力。(3)總線供電在限制網(wǎng)絡(luò)中,現(xiàn)場(chǎng)限制設(shè)備的位置分散性使得它們對(duì)總線有供應(yīng)工作電源的要求。現(xiàn)有的很多限制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都可利用網(wǎng)線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。工業(yè)以太網(wǎng)目前還沒(méi)有對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電做出規(guī)定。可能的方案是利用現(xiàn)有的5類雙絞線中另一對(duì)空閑線對(duì)供電。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(4)本質(zhì)平安工業(yè)以太網(wǎng)如用在一些易燃易爆的危急工業(yè)場(chǎng)所,就必需考慮本安防爆問(wèn)題。這是在總線供電解決之后要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。在工業(yè)數(shù)據(jù)通信與限制網(wǎng)絡(luò)中,干脆接受以太網(wǎng)作為限制網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)只是工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)方面,現(xiàn)有的很多現(xiàn)場(chǎng)總線限制網(wǎng)絡(luò)都提出了與以太網(wǎng)結(jié)合,用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的高速網(wǎng)段,使限制網(wǎng)絡(luò)與internet融為一體的解決方案。例如H1的高速網(wǎng)段HSE,EtherNet/IP,ProfiNet等,都是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的典型代表。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在限制網(wǎng)絡(luò)中接受以太網(wǎng)技術(shù)有助于限制網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合,使限制網(wǎng)絡(luò)無(wú)需經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換即可干脆連至互聯(lián)網(wǎng),使測(cè)控節(jié)點(diǎn)有條件成為互聯(lián)網(wǎng)上的一員。在限制器、PLC、測(cè)量變送器、執(zhí)行器、I/0卡等設(shè)備中嵌人以太網(wǎng)通信接口,嵌人TCP/IP協(xié)議,嵌人WebServer可形成支持以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議和Web服務(wù)器的internet現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)。在應(yīng)用層協(xié)議尚未統(tǒng)一的環(huán)境下,借助IE等通用的網(wǎng)絡(luò)測(cè)覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視與限制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,是人們提出且正在實(shí)現(xiàn)的一個(gè)有效的解決方案。人們對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展寄予厚望。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)二、工業(yè)以太網(wǎng)解決非確定性問(wèn)題的措施限制網(wǎng)絡(luò)不同于一般計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),其最大特點(diǎn)在、于它應(yīng)當(dāng)滿足限制作用對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。實(shí)時(shí)限制往往要求對(duì)某些變量的實(shí)時(shí)互鎖、對(duì)測(cè)量限制數(shù)據(jù)的精確定時(shí)刷新。由于以太網(wǎng)接受帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)的媒體訪問(wèn)限制方式,一條總線上掛接的多個(gè)節(jié)點(diǎn)接受同等競(jìng)爭(zhēng)的方式爭(zhēng)用總線,因而以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足限制系統(tǒng)要求精確定時(shí)通信的實(shí)時(shí)性要求,始終被稱之為非確定性(nondeterministic)網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入限制領(lǐng)域,其通信的非確定性是必需面對(duì)的問(wèn)題。目前工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)此實(shí)行了以下措施:限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(1)提高通信速率:在相同通信量條件下,提高通信速率可以削減通信占用傳輸介質(zhì)的時(shí)間,為削減信號(hào)的碰撞沖突,解決以太網(wǎng)通信的非確定性供應(yīng)了途徑。以太網(wǎng)的通信速率一再提高,從10-100Mbps,到千兆以太網(wǎng)技術(shù)的成功應(yīng)用,其速率還在進(jìn)一步提高。相對(duì)于限制網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)通信速率的幾十千位每秒、幾百千位每秒、1Mbps、5Mbps而言,通信速率的提高是明顯的,對(duì)削減碰撞沖突也是有效的。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(2)減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也可削減信號(hào)的碰撞沖突,提高網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。限制網(wǎng)絡(luò)的通信量不大,隨機(jī)性、突發(fā)性通信的機(jī)會(huì)也不多,網(wǎng)絡(luò)通信大都可以事先預(yù)料,并對(duì)其做出相應(yīng)的通信調(diào)度支配。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)正確選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),限制各網(wǎng)段的負(fù)荷量,合理公布各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)位置,可在很大程度上避開(kāi)沖突的產(chǎn)生。探討結(jié)果表明,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低于滿負(fù)荷的30%時(shí),以太網(wǎng)基本可以滿足對(duì)限制系統(tǒng)通信確定性的要求。
限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(3)接受以太網(wǎng)的全雙工交換技術(shù)。接受以太網(wǎng)交換機(jī),將網(wǎng)絡(luò)切分為多個(gè)網(wǎng)段,就為連接在其端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供應(yīng)了獨(dú)立的帶寬,相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備獨(dú)占一個(gè)網(wǎng)段,使同一個(gè)交換機(jī)上的不同設(shè)備之間不存在資源爭(zhēng)奪。在網(wǎng)段分協(xié)作理的狀況下,由于網(wǎng)段上的多數(shù)數(shù)據(jù)不須要經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)傳輸,因此交換機(jī)能夠過(guò)濾掉這些數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)只在本地網(wǎng)絡(luò)傳輸,而不占用其他網(wǎng)段的帶寬。交換機(jī)之間通過(guò)主干線進(jìn)行連接,從而有效地降低了各網(wǎng)段和主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷,使網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生沖突的可能性大大降低,提高了網(wǎng)絡(luò)通信的確定性。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(4)供應(yīng)適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的器件。現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一系列密封性好,堅(jiān)實(shí)、抗振動(dòng)的以太網(wǎng)設(shè)備與連接件,例如導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器、交換機(jī)、帶鎖緊機(jī)構(gòu)的接插件等。它們適合在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)用,為以太網(wǎng)迸人工業(yè)限制環(huán)境創(chuàng)建了條件。但是,限制網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)的非確定性問(wèn)題尚在解決之中,實(shí)行上述措施可以使其非確定性問(wèn)題得到相當(dāng)程度的緩解,但還不能說(shuō)從根本上得到了解決,問(wèn)題還在進(jìn)一步探討解決之中。包括我國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家都在主動(dòng)開(kāi)發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)三、以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)封裝圖2表示以太網(wǎng)的通信幀結(jié)構(gòu)與封裝過(guò)程。這里的封裝是指將工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)或協(xié)議數(shù)據(jù)嵌人到TCP或UDP通信幀中。圖中可看到,在應(yīng)用程序中產(chǎn)生的須要在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù),將分層逐一添加上各層的首部信息。即用戶數(shù)據(jù)在應(yīng)用層加上應(yīng)用首部成為應(yīng)用數(shù)據(jù)送往傳輸層;在傳輸層加上TCP或UDP首部成為T(mén)CP或UDP數(shù)據(jù)報(bào)送往網(wǎng)絡(luò)層;在網(wǎng)絡(luò)層加上IP首部成為IP數(shù)據(jù)報(bào);最終再加上以太網(wǎng)的幀頭幀尾,封裝成以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀。這樣,無(wú)需變更現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文的內(nèi)容,干脆將其作為“用戶數(shù)據(jù)”封裝在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中,再發(fā)送到網(wǎng)上,便可完成現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)通信。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖2以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的封裝限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)中,一般利用TCP/IP協(xié)議來(lái)發(fā)送非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);用UDP/IP來(lái)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是大小和發(fā)送頻率常常變更;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)包短,負(fù)荷低。TCP/IP和UDP/IP協(xié)議都用來(lái)包裝現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù),TCP/IP用來(lái)供應(yīng)組態(tài)和診斷信息傳輸,UDP/IP供應(yīng)實(shí)時(shí)I/O傳輸。限制網(wǎng)絡(luò)中將用戶數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)按TCP/UDP/IP的協(xié)議封裝,把I/O等工業(yè)數(shù)據(jù)放人TCP和UDP數(shù)據(jù)包中,形成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。先將一個(gè)工業(yè)數(shù)據(jù)包放置在TCP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)段;然后將這個(gè)TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送到以太網(wǎng)上傳到目的地以太網(wǎng)段上與限制網(wǎng)絡(luò)相連的鏈接設(shè)備(或稱為網(wǎng)關(guān))中。鏈接設(shè)備收到數(shù)據(jù)包后,打開(kāi)TCP/IP封裝,把數(shù)據(jù)重新放置到限制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)段上,由限制網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)設(shè)備來(lái)解讀原限制網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議信息。所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖3所示。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖3利用TCP/IP傳遞工業(yè)限制數(shù)據(jù)包在這種封裝下,異構(gòu)限制網(wǎng)段之間可通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行“通信”,僅限于數(shù)據(jù)包的交換。數(shù)據(jù)包里面包含的限制信息,要依靠上層協(xié)議來(lái)說(shuō)明。在應(yīng)用層協(xié)議沒(méi)有統(tǒng)一之前,工業(yè)以太網(wǎng)僅在利用TCP/IP傳遞數(shù)據(jù)包的水平上,還不是完整的限制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。將工業(yè)數(shù)據(jù)封裝在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中進(jìn)行傳輸?shù)淖龇ǎ嬖谥鴧f(xié)議效率低的缺陷。由于工業(yè)數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)一般較少,出現(xiàn)以太網(wǎng)和TCP/IP的首部協(xié)議信息大于用戶數(shù)據(jù)量的狀況。此封裝方案更適于對(duì)大容量數(shù)據(jù)包的傳輸中。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)7.2、以太網(wǎng)的物理層與MAC子層一、IEEE802.3與以太網(wǎng)以太網(wǎng)規(guī)范是由Xerox,DEC、Intel公司于1982年聯(lián)合公布的。IEEE802.3是以這個(gè)技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)制定的。IEEE802是局域網(wǎng)的重要標(biāo)準(zhǔn),包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層(分為:邏輯鏈路限制子層和介質(zhì)訪問(wèn)限制子層)、網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)部分。IEEE802.1是網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié);IEEE802.2是邏輯鏈路限制子層協(xié)議;IEEE802.3,IEEE802.4,IEEE802.5是描述介質(zhì)訪問(wèn)限制子層和物理層的CSMA/CD、令牌總線、令牌環(huán)的協(xié)議。IEEE802.3是在以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,但它與以太網(wǎng)協(xié)議有差異。一般談到協(xié)議時(shí),以太網(wǎng)、IEEE802.3、CSMA/CD這幾個(gè)詞往往混用。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)二、以太網(wǎng)物理層以太網(wǎng)物理層按IEEE802.3的規(guī)定分成兩個(gè)類別:基帶與寬帶。基帶接受曼徹斯特編碼;寬帶接受PSK相移鍵控編碼。工業(yè)以太網(wǎng)運(yùn)用基帶技術(shù)。在IEEE8O2.3中,又把基帶按傳輸速率10Mbps,100Mbps、10OOMbps分成不同的標(biāo)準(zhǔn)。10Mbps以太網(wǎng)又有10BASE5,10BASE2,10BASET,10BASEF4種,它們的MAC子層和物理層中的編碼或譯碼基本相同,不同的是物理層中的收發(fā)器及媒體連接方式。10SASE5是最早的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),物理層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是外置收發(fā)器,安裝需直徑為10mm,特征阻抗50歐的同軸電纜,稱"粗纜以太網(wǎng)"。介質(zhì)最長(zhǎng)可達(dá)500m。10BASE2是20世紀(jì)80年頭中期出現(xiàn),在網(wǎng)卡上內(nèi)置收發(fā)器,接受直徑5mm,特征阻抗為50歐的同軸電纜,稱為"細(xì)纜以太網(wǎng)"。介質(zhì)最長(zhǎng)可達(dá)2OOm。價(jià)格低廉,便于安裝。但牢靠性差。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)10BASET可稱之為以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的里程碑。它在網(wǎng)卡上內(nèi)置收發(fā)器,接受3,4,5類非屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì),接受RJ-45連接器,接受星型拓?fù)洌竺總€(gè)站點(diǎn)有一條專用電纜連接到集線器。其物理介質(zhì)最長(zhǎng)為100m。最多可運(yùn)用4個(gè)集線器,因而兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離不會(huì)超過(guò)500m。它價(jià)格低廉,便于安裝,具有確定的抗電磁干擾的實(shí)力,目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時(shí)被廣泛接受。RJ-45連接器上可以連接4對(duì)雙絞線:1-2、3-6,4-5、7-8等分別各連接一對(duì)雙絞線。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)10BASET上連接兩對(duì)雙絞線。在網(wǎng)卡上一般1、2為發(fā)送,3、6為接收;在集線器上則相反1、2為接收,3、6為發(fā)送。圖4為運(yùn)用RJ-45連接器在網(wǎng)卡與集線器、集線器與集線器之間的連線示意圖。圖中集線器與集線器之間的交叉連線方式可以在RJ-45接頭與雙絞線壓接時(shí)完成,也可以接受開(kāi)關(guān)切換的方式完成。圖4運(yùn)用RJ-45的雙絞線連接示意圖限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)10BASEFL:以光纖為傳輸介質(zhì)的組網(wǎng)方式。接受62.5/125的多模光纖,傳輸距離可達(dá)2km,接受星型拓?fù)浜图€器組網(wǎng)。具有傳輸距離遠(yuǎn),抗電磁干擾實(shí)力強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著光纖價(jià)格的下降,光纖的應(yīng)用正逐步得到發(fā)展。快速以太網(wǎng)技術(shù)是在10BASET和10BASEFL的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。分為100BASET4,100BASET2,100BASETX,100BASEFX及1000BASEX,1000BASET等。100BASET4接受4對(duì)3類雙絞線;100BASET2接受2對(duì)3類雙絞線;100BASETX接受2對(duì)5類雙絞線;100BASEFX接受光纖。5類雙絞線和光纖的運(yùn)用最為廣泛。千兆以太網(wǎng)物理層支持的介質(zhì)種類也很多,屏蔽銅纜、單模光纖、多模光纖和雙絞線都可用于千兆以太網(wǎng)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)三、以太網(wǎng)和IEEE802的幀格式由于IEEE802.2和IEEE802.3規(guī)定的幀格式與以太網(wǎng)有所不同,在互聯(lián)網(wǎng)中,以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)的封裝是在RFC894中定義的。而IEEE802.2、IEEE802.3封裝格式是在RFC1042中定義的。RFC(requestforcomment)是有關(guān)internet的正式標(biāo)準(zhǔn)文檔。圖5表示了以太網(wǎng)和IEEE802的幀格式。以太網(wǎng)的MAC幀由7個(gè)域組成:前導(dǎo)碼、幀前定界碼、目的地址、源地址、類型、數(shù)據(jù)域以及循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC。而IEEE802的幀結(jié)構(gòu)與以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)略有區(qū)分。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖5RFC894與RFCl042的幀結(jié)構(gòu)限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)前導(dǎo)碼:為這兩種幀的第一個(gè)域,用來(lái)表示數(shù)據(jù)流的起先,包含7字節(jié)(56位)。在這個(gè)域中全是二進(jìn)制"1"和"0"的交替代碼,用于通知接收端即將有數(shù)據(jù)幀到來(lái),使接收端能夠利用曼徹斯特編碼的信號(hào)跳變來(lái)同步時(shí)鐘。幀前定界碼:一字節(jié),"10101011"表示這一幀的實(shí)際內(nèi)容的起先。通知接收方后面的內(nèi)容是數(shù)據(jù)。兩種幀都接受48位的目標(biāo)地址和源地址。目標(biāo)地址DA域的6字節(jié)標(biāo)記了目的站點(diǎn)的地址。最高位為0,表示目的站點(diǎn)為單一地址:最高位為1,表示目的站點(diǎn)為多地址,目標(biāo)地址DA域?yàn)槿?,表示該幀為廣播幀,同時(shí)為全部站點(diǎn)接收。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)源地址SA域:6字節(jié),說(shuō)明發(fā)送該幀的源站點(diǎn)地址。這個(gè)源站點(diǎn)可以是發(fā)送數(shù)據(jù)包的站點(diǎn),也可以是最近接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的路由器地址。接下來(lái)的2字節(jié)在兩種幀中不同。在RFC1042中為長(zhǎng)度域,在RFC894中是類型域。如在RFC894中的值是0800,表明后面的數(shù)據(jù)是IP數(shù)據(jù)報(bào);如是0806,表明后面的數(shù)據(jù)是ARP地址解析的懇求應(yīng)答報(bào)文;如值是0835,表明后面的數(shù)據(jù)是逆向地址解析RARP的懇求應(yīng)答報(bào)文。RFC1042的類型域位于它的數(shù)據(jù)域前面,其定義與RFC894的類型域相同。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)RFC1042的長(zhǎng)度城為2字節(jié)。它指出了數(shù)據(jù)域的PDU字節(jié)數(shù)。假如PDU的長(zhǎng)度是固定的,那么這個(gè)Y域可以用來(lái)表示類型,說(shuō)明高層所運(yùn)用的協(xié)議,如IP協(xié)議,還是IPX協(xié)議。在RFC894幀格式中,接著類型域的是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度可以從46-1500字節(jié)不等。46字節(jié)是數(shù)據(jù)城的最小長(zhǎng)度,這樣做是為了讓局城網(wǎng)上的全部站點(diǎn)都能檢測(cè)到該幀。假如數(shù)據(jù)段小于46字節(jié),則由高層有關(guān)軟件把數(shù)據(jù)域填充到46字節(jié)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)RFC1042中真正的數(shù)據(jù)為38-1492字節(jié)。在它的數(shù)據(jù)域之前,有2字節(jié)類型和802.2中規(guī)定的目的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)和源服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)各一字節(jié),其值均設(shè)為AA。Ctrl字段的值設(shè)為03,Orgcode字段的3字節(jié)都設(shè)為00。數(shù)據(jù)域后的循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC是MAC幀中的最終一個(gè)域。共4字節(jié)。循環(huán)冗余檢驗(yàn)的范圍從目的地址域起先始終到數(shù)據(jù)域結(jié)束。發(fā)送站點(diǎn)在發(fā)送時(shí)就邊發(fā)送邊進(jìn)行CRC校驗(yàn),形成這個(gè)32位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。接收站點(diǎn)也從目的地址域起先,邊接收邊進(jìn)行CRC校驗(yàn),得到的結(jié)果假如與收到的CRC城的數(shù)據(jù)相同,則說(shuō)明該幀傳輸無(wú)誤,否則表明出錯(cuò)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)7.3、TCP/IP協(xié)議組一、TCP/IP協(xié)議組的構(gòu)成TCP/IP(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol)組包括IP,TCP在內(nèi)的一組協(xié)議。圖6表示了TCP/IP協(xié)議組的分層。在TCP/lP協(xié)議組中,網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議有:網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議IP、地址解析協(xié)議ARP(ddressresolutionprotocol)反向地址解析協(xié)議RARP、網(wǎng)際限制報(bào)文協(xié)議ICMP(internetcontrolmessageprotocol)與網(wǎng)際組管理協(xié)議IGME(internetgroupmanagementprotocol)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖6TCP/IP協(xié)議族中不同層次的協(xié)議限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)ARP的功能是將32位IP地址轉(zhuǎn)換成48位的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的物理地址;RARP則相反,將網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的物理地址轉(zhuǎn)換為IP地址;網(wǎng)際限制報(bào)文協(xié)議ICMP負(fù)責(zé)因路由問(wèn)題引起的差錯(cuò)報(bào)告和限制;IGMP是多目的傳送設(shè)備之間的信息交換協(xié)議。傳輸層包括傳輸限制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP(userdatagramprotocol)。應(yīng)用層的協(xié)議內(nèi)容,包括域名服務(wù)DNS,文件傳輸協(xié)議FTP,簡(jiǎn)潔網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP(simplenetworkmanagementprotocol),簡(jiǎn)潔郵件傳輸協(xié)議SMTP,簡(jiǎn)潔網(wǎng)絡(luò)定時(shí)協(xié)議SNTP,超文本傳輸協(xié)議HTTP等。它們稱為T(mén)CP/IP協(xié)議組的高層協(xié)議。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)二、IP協(xié)義IP協(xié)議以包的形式傳輸數(shù)據(jù),這種包被稱為IP數(shù)據(jù)報(bào)(將在下面描述)。每個(gè)包都將獨(dú)立傳輸。數(shù)據(jù)報(bào)可能通過(guò)不同的路徑傳輸,因此有可能在到達(dá)目的地的時(shí)候次序發(fā)生顛倒,或者出現(xiàn)重復(fù)。IP并不追蹤傳輸路徑,也沒(méi)有任何機(jī)制來(lái)對(duì)報(bào)文重新排序。由于IP是一個(gè)無(wú)連接的服務(wù),因此它并不創(chuàng)建虛電路,也并不存在一個(gè)呼叫建立過(guò)程來(lái)通知接收者將有包要到來(lái)。IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議,主要功能是供應(yīng)無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送和數(shù)據(jù)報(bào)的路由選擇。這種無(wú)連接的服務(wù)不供應(yīng)確認(rèn)響應(yīng)信息,不知道傳送結(jié)果正確與否,因而它通常都與TCP協(xié)議一起運(yùn)用。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)1、IP數(shù)據(jù)報(bào)格式IP層中的包被稱為IP數(shù)據(jù)報(bào)。圖7表示了IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式。數(shù)據(jù)報(bào)是一個(gè)可變長(zhǎng)度的包(可以長(zhǎng)達(dá)65536字節(jié)),包含兩個(gè)部分:報(bào)文頭和數(shù)據(jù)。報(bào)文頭可以從20一60字節(jié),包括對(duì)路由和傳輸相當(dāng)重要的信息。每個(gè)域的作用簡(jiǎn)述如下:(1)版本:定義IP的版本號(hào)。目前的版本是IPv4,二進(jìn)制表示為0100。(2)報(bào)文長(zhǎng)度:定義報(bào)文頭的長(zhǎng)度,4位可以表示0-15的數(shù)字。它以4字節(jié)為一個(gè)單位。將報(bào)文長(zhǎng)度域的數(shù)乘以4得到報(bào)文頭的長(zhǎng)度值。報(bào)文頭長(zhǎng)度最大為60字節(jié)。(3)服務(wù)類型:定義數(shù)據(jù)報(bào)應(yīng)如何處理。它包括數(shù)據(jù)報(bào)的優(yōu)先級(jí),和發(fā)送者所希望的服務(wù)類型:包括最小拖延、最大吞吐量、最高牢靠性、最小費(fèi)用等。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖7IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式(4)總長(zhǎng)度:定義了IP數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度。這是兩字節(jié)的域(16位),能定義的長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)65536字節(jié)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(5)標(biāo)識(shí):用于識(shí)別分段。一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在通過(guò)不同網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候,可能須要分段,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)幀的大小。這時(shí),將在標(biāo)識(shí)域中運(yùn)用一個(gè)序列號(hào)來(lái)識(shí)別每個(gè)段。(6)標(biāo)記:在處理分段中用于表示數(shù)據(jù)是否可以被分段,是屬于第一個(gè)段、中間段還是最終一個(gè)段等。(7)段偏移:段偏移是一個(gè)指針,表示被分段的數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)報(bào)中的偏移量。(8)生存周期(timetolive):數(shù)據(jù)報(bào)可以經(jīng)過(guò)的路由器的數(shù)目。數(shù)據(jù)報(bào)的生存時(shí)間由原主機(jī)設(shè)置為32或64,經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器減1,該宇段為0時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)被丟棄并通知原主機(jī)。(9)協(xié)議:用于識(shí)別是哪個(gè)協(xié)議向IP傳送數(shù)據(jù),如是TCP,UDP還是ICMP,IGMP。(10)報(bào)文頭校驗(yàn)和:對(duì)首部中每個(gè)16位進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和,將結(jié)果存于該字段。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)2、IP地址IP地址是用于在互聯(lián)網(wǎng)上表示源地址和目標(biāo)地址的一種邏輯編號(hào)。由于源和目的計(jì)算機(jī)位于不同的網(wǎng)絡(luò),因此源和目標(biāo)地址要由網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)組成。如局域網(wǎng)不與internet相連,可自定義IP地址;局城網(wǎng)要連接到internet,必需向有關(guān)部門(mén)申請(qǐng),網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)和路由器必需接受全球唯一的IP地址。IP地址為一個(gè)二進(jìn)位的散進(jìn)制數(shù)串,以每8位為一字節(jié),每字節(jié)分別用十進(jìn)制表示,取值范圍為0一255用點(diǎn)分隔。如有以下32位二進(jìn)制的IP地址,用帶點(diǎn)的十進(jìn)制標(biāo)記法可記為:0。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)IP地址的32位數(shù)串被分成3個(gè)域:類型、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)。internet指導(dǎo)委員會(huì)將IP地址劃分為5類,適用不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。IP地址格式如圖8所示。圖8IP地址的格式限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖中可見(jiàn),每個(gè)IP地址都由網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)和主機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)組成。不同類型的IP地址網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)和主機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)的長(zhǎng)度各不相同,它們可能容納的網(wǎng)絡(luò)數(shù)目及每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能容納的主機(jī)數(shù)不同。A類地址首位為0,網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)占7位,主機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)占24位,即最多允許27個(gè)網(wǎng)絡(luò),每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可接人多達(dá)224個(gè)主機(jī),A類地址范圍為~55;B類-E類地址的確定與A類類似。事實(shí)上,每類地址并非精確地?fù)碛兴诜秶鷥?nèi)的全部IE地址,有些地址要留作特殊用途。如:網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)首字節(jié)規(guī)定不能是127,255或0,主機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)的各位不能同時(shí)為0或1。這樣,A類地址事實(shí)上最多只有126個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào),每個(gè)A類網(wǎng)絡(luò)最多可接人224-2個(gè)主機(jī)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)3、子網(wǎng)與子網(wǎng)掩碼運(yùn)用A類地址或B類地址的單位可以把它們的網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個(gè)部分,稱為子網(wǎng)。每個(gè)予網(wǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)部門(mén)或一個(gè)地理范圍。這樣會(huì)給管理和維護(hù)帶來(lái)很多便利。子網(wǎng)劃分方法很多,常見(jiàn)方法是用主機(jī)號(hào)的高位來(lái)標(biāo)識(shí)子網(wǎng)號(hào),其余位表示主機(jī)號(hào)。如,它是一個(gè)B類網(wǎng)絡(luò)。如選取第三字節(jié)的最高兩位用于標(biāo)識(shí)子網(wǎng)號(hào),可在下產(chǎn)生;;;166.166·192·04個(gè)子網(wǎng)。如把第三字節(jié)全部用于標(biāo)識(shí)子網(wǎng)號(hào),就會(huì)在下產(chǎn)生256個(gè)子網(wǎng)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干個(gè)子網(wǎng)之后,就存在一個(gè)識(shí)別子網(wǎng)的問(wèn)題。一種方法是由原來(lái)的IP地址=網(wǎng)絡(luò)號(hào)+主機(jī)號(hào)改為IP地址=網(wǎng)絡(luò)號(hào)+子網(wǎng)號(hào)+主機(jī)號(hào)。由于子網(wǎng)劃定是各單位的內(nèi)部做法,無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定,如何來(lái)判別描述一個(gè)IP地址屬于哪個(gè)子網(wǎng)?子網(wǎng)掩碼就是為解決這一問(wèn)題而實(shí)行的措施。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)子網(wǎng)掩碼也是一個(gè)32位的數(shù)字。把IP地址中的網(wǎng)絡(luò)地址域和子網(wǎng)域都寫(xiě)成1,把IP地址中的主機(jī)地址域都寫(xiě)成0,便形成該子網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼。將子網(wǎng)掩碼和IP地址進(jìn)行相"與"運(yùn)算,得到的結(jié)果表明該IP地址所屬的子網(wǎng)號(hào),若結(jié)果與該子網(wǎng)號(hào)不一樣,則可推斷出是遠(yuǎn)程IP地址。以166·166這個(gè)網(wǎng)絡(luò)為例,若選用第三字節(jié)的最高兩位標(biāo)識(shí)子網(wǎng)號(hào),這樣該網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼即是由18個(gè)1和14個(gè)0組成,即:255·255·192·0。設(shè)有一個(gè)IP地址為166·166·89·4,它與上述掩碼相"與"之后的結(jié)果為166·166·64·0,即166·166·89·4屬于166·166·64·0這一子網(wǎng)。當(dāng)然子網(wǎng)地址占據(jù)了IP地址中主機(jī)地址的位置,會(huì)削減主機(jī)地址的數(shù)量。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)假如一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不設(shè)置子網(wǎng),將網(wǎng)絡(luò)號(hào)各位全寫(xiě)為1,主機(jī)號(hào)的各位全寫(xiě)為0,則得到的掩碼稱為缺省子網(wǎng)掩碼。A類網(wǎng)絡(luò)的缺省子網(wǎng)掩碼為255·0。0·0褪類網(wǎng)絡(luò)的缺省子網(wǎng)掩碼為255·255·0·0;C類網(wǎng)絡(luò)的缺省子網(wǎng)掩碼為25巳255·255·0。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)4、路由選擇IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,它所面對(duì)的是由多個(gè)路由器和物理網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)路由器可能連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò),一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)可能連接若干臺(tái)主機(jī),IP協(xié)議的任務(wù)是供應(yīng)一個(gè)虛構(gòu)網(wǎng)絡(luò),找到下一個(gè)路由器和物理網(wǎng)絡(luò),但I(xiàn)P數(shù)據(jù)報(bào)是從源主機(jī)無(wú)連接地、逐步地轉(zhuǎn)送到目標(biāo)主機(jī),這就是IP協(xié)議的路由選擇。在進(jìn)行路由選擇時(shí)要用到路由表,它有兩個(gè)宇段:標(biāo)網(wǎng)絡(luò)號(hào)和路由器IP地址,指明到達(dá)目的主機(jī)的路由信息。每個(gè)路由器都有一個(gè)路由表,路由器通過(guò)查找路由表為數(shù)據(jù)報(bào)選擇一條到達(dá)目的主機(jī)的路由。這個(gè)路由并非確定是一個(gè)完整的端到端的鏈路,通常只要知道下一步傳給哪個(gè)路由器(站點(diǎn))接收就可以了。網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑是動(dòng)態(tài)變更的,它與網(wǎng)絡(luò)配置的變更和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)流量等狀況有關(guān)。路由表的內(nèi)容可手工變更,也可由動(dòng)態(tài)路由協(xié)議自動(dòng)變更。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)5、IPv6IPv6是一種新版本的IP協(xié)議,是在IPv4基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。隨著網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用的不斷擴(kuò)展,接受32位地址的IPv4己顯現(xiàn)出不適應(yīng)發(fā)展需求的跡象。IPv6將地址空間擴(kuò)展到128位,供應(yīng)了更大的IP地址空間。對(duì)原有IPv4的32位地址,可在前面加上96位前綴變?yōu)?28位的IPv6地址。IPv6還將IP數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭做了簡(jiǎn)化,由原來(lái)的13個(gè)字段減為7個(gè)字段,這一變更使得路由器處理分組的速度更快,吞吐率更高。報(bào)頭變更后,很多原IPv4報(bào)頭的一些字段被作為選項(xiàng)處理。同時(shí)IPv6也考慮了平安性和服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題,以適應(yīng)如多媒體數(shù)據(jù)流等新業(yè)務(wù)的須要。IPv6與IPv4有很大的不同,由IPv4無(wú)縫地切換到IPv6不是一件簡(jiǎn)潔的事情,有很多的技術(shù)問(wèn)題須要處理解決。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)三、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP是一個(gè)無(wú)連接的端到端傳輸層協(xié)議,僅為來(lái)自上層的數(shù)據(jù)增加端口地址、校驗(yàn)和以及長(zhǎng)度信息。UDP所產(chǎn)生的包稱為用戶數(shù)據(jù)報(bào)。各個(gè)域的用途簡(jiǎn)要描述如下:源端口地址:為創(chuàng)建報(bào)文應(yīng)用程序的地址。目的端口地址:為接收?qǐng)?bào)文應(yīng)用程序的地址。總長(zhǎng)度:定義用戶數(shù)據(jù)報(bào)總長(zhǎng)度,以字節(jié)為單位。校驗(yàn)和:用于差錯(cuò)限制的16位域。UDP僅供應(yīng)端到端傳輸必需的基本功能,不供應(yīng)任何依次或重新排序的功能。當(dāng)它報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤時(shí),它不能指出損壞的包。它必需和ICMP協(xié)作運(yùn)用。UDP發(fā)覺(jué)有錯(cuò)誤發(fā)生,ICMP可通知發(fā)送者有一個(gè)用戶數(shù)據(jù)報(bào)被損壞或丟棄。它們都不能指出是哪個(gè)包丟失了。UDP僅包含校驗(yàn)和,不包含ID或依次編號(hào)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)四、傳輸限制協(xié)議TCPTCP是一個(gè)面對(duì)連接的端到端協(xié)議。通信兩端在傳輸數(shù)據(jù)之前先建立連接。TCP通過(guò)創(chuàng)建連接,在發(fā)送者和接收者之間建立一條虛電路,虛電路在整個(gè)傳輸過(guò)程中都是有效的。TCP通過(guò)通知接收者即將有數(shù)據(jù)到達(dá)來(lái)起先一次傳輸,通過(guò)連接斷開(kāi)結(jié)束傳輸。IP和UDP把屬于一次傳輸?shù)亩鄠€(gè)數(shù)據(jù)報(bào)看作是完全獨(dú)立的單元,相互之間沒(méi)聯(lián)系。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的到來(lái)是一個(gè)獨(dú)立的事務(wù),是接收者無(wú)法預(yù)期的。TCP不同,它負(fù)責(zé)牢靠地傳輸比特流,這些比特流包含在應(yīng)用程序生成的數(shù)據(jù)單元中。牢靠性是通過(guò)供應(yīng)差錯(cuò)檢測(cè)和重傳被破壞的幀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳輸被確認(rèn)后,虛電路才能放棄。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在每個(gè)傳輸?shù)陌l(fā)送端,TCP將長(zhǎng)傳輸劃分為更小的數(shù)據(jù)單元,同時(shí)將每個(gè)數(shù)據(jù)單元封裝在稱為段的幀中。每個(gè)段都包括一個(gè)用來(lái)在接收數(shù)據(jù)后重新排序的依次號(hào)、確認(rèn)ID編號(hào),用于滑動(dòng)窗口的窗口大小域。段將包含在IP數(shù)據(jù)報(bào)中,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸。在接收端,TCP收集每個(gè)到來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào),然后基于依次編號(hào)對(duì)傳輸重新排序。TCP的段:TCP所供應(yīng)的服務(wù)范圍要求TCP的段包含很多內(nèi)容,TCP的報(bào)文格式見(jiàn)圖9。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖9TCP的報(bào)文格式與UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)相比,TCP建立連接、確認(rèn)的過(guò)程都須要花費(fèi)時(shí)間,它通過(guò)犧牲時(shí)間來(lái)?yè)Q取通信的牢靠性;UDP用于無(wú)連接過(guò)程,幀短,比TCP更快,但UDP的牢靠性差。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)TCP報(bào)文中每個(gè)域簡(jiǎn)要描述如下:源端口地址:定義源計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序地址。目標(biāo)端口地址:定義目標(biāo)計(jì)算機(jī)上應(yīng)用程序地址。依次編號(hào):顯示數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)流中的位置。確認(rèn)編號(hào):32位,確認(rèn)接收到的其他通信設(shè)備的數(shù)據(jù)。只有在限制域中的ACK位設(shè)置之后才有效。指出下一個(gè)期望到來(lái)的段的依次編號(hào)。報(bào)文頭長(zhǎng)度:4位,指出TCP報(bào)文頭的長(zhǎng)度,以32位(4字節(jié))為一個(gè)單位。4位可以定義的值最多為15,這個(gè)數(shù)字乘以4后就得到報(bào)文頭中總共的字節(jié)數(shù)目。報(bào)文頭最多可以是60字節(jié)。由于報(bào)文頭最少須要20字節(jié)來(lái)表達(dá),那么還有40字節(jié)可以保留給選項(xiàng)域運(yùn)用。保留:6位,保留給將來(lái)運(yùn)用。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)限制標(biāo)記:6位,每個(gè)位都有獨(dú)立的功能。圖10為限制標(biāo)記域的具體內(nèi)容。這些位標(biāo)記或者定義為某個(gè)段的用途,或者作為其他域的有效標(biāo)記。圖106位的限制標(biāo)記域URG:位被置位時(shí),它確認(rèn)緊急指針域有效。這個(gè)位和指針一起指明段中的數(shù)據(jù)是緊急的。ACK:位被設(shè)置的,它確認(rèn)依次編號(hào)域有效。兩者結(jié)合在一起,依據(jù)段類型的不同將具有不同的功能。PSH:位用來(lái)通知發(fā)送者須要一個(gè)更高的發(fā)送速率。假如可能,數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)用更高的發(fā)送速率發(fā)送到通道中。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)重置位RST:用在依次編號(hào)發(fā)生混淆的時(shí)候,進(jìn)行連接重置。SYN位:在以下3種類型的段中用來(lái)進(jìn)行依次編號(hào)同步:連接懇求、連接確認(rèn)(ACK位被置位)和確認(rèn)響應(yīng)(ACK位被置位)。FIN位:用于3種類型段的連接終止:終止懇求,終止確認(rèn)(ACK位被置位)以及對(duì)終止確認(rèn)的響應(yīng)(ACK位被置位)。窗口大小:16位,規(guī)定滑動(dòng)窗口的大小。校驗(yàn)和:用于差錯(cuò)檢測(cè),是一個(gè)16位的域。緊急指針:它的值只有在限制標(biāo)記域的URG位被設(shè)置后才有效。在這種狀況下,發(fā)送者通知接收者段中的數(shù)據(jù)是緊急數(shù)據(jù)。指針指出了緊急數(shù)據(jù)的結(jié)束和一般數(shù)據(jù)的起先。選項(xiàng)和填充;T白p報(bào)文頭中的剩余部分定義了可選域。可以利用它們?yōu)榻邮照邆魉皖~外的信息,或者用于定位。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)五、簡(jiǎn)潔網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP簡(jiǎn)潔網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMP(simplenetworkmanagementprotocol)屬于應(yīng)用層協(xié)議。SNMP起先只是作為短期的過(guò)渡性解決方案出現(xiàn)的,但是它的簡(jiǎn)潔和低資源消耗優(yōu)點(diǎn)使它保存下來(lái),現(xiàn)在仍是為局城網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)狀態(tài)信息的主要通信協(xié)議。SNMP為設(shè)備之間定義了一個(gè)清晰的客戶-服務(wù)器關(guān)系。管理者(manager)通過(guò)與作為主代理MA(masteragent)、子代理SA的設(shè)備進(jìn)行通信來(lái)獲得數(shù)據(jù),或者向被管理的設(shè)備寫(xiě)入新數(shù)據(jù)。Agent的全部數(shù)據(jù)信息都存放在管理信息庫(kù)MIB(managementinfmationbase)中。SNME是建立在UDP基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)潔懇求響應(yīng)協(xié)議。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)7.4、EtherNet/IPEtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)是接受商業(yè)以太網(wǎng)通信芯片和物理介質(zhì),接受星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),用以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。能支持10M和100M以太網(wǎng)的產(chǎn)品。一個(gè)數(shù)據(jù)包最多可達(dá)1500字節(jié),數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mbps或100Mbps,接受EtherNet/IP便于實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。一、EtherNet/IP的通信參考模型圖11表示EtherNet/IP與OSI模型的比較。它由IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)、TCP/IP協(xié)議組、限制與信息協(xié)議CIP(controlinformationprotoco1)3個(gè)部分。前兩部分為上面介紹的以太網(wǎng)、TCP/IP技術(shù)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
圖11EtherNet/IP的分層模型特色部分是被稱為限制和信息協(xié)議的CIP。1999年發(fā)布,目的是為提高設(shè)備間的互操作性。CIP能供應(yīng)實(shí)時(shí)I/0通信和信息的對(duì)等傳輸。其限制部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O通信;信息部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)的信息交換。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)CIP是EtherNet/IP的應(yīng)用層協(xié)議、圖12表示CIP在互聯(lián)參考模型分層中的位置與細(xì)微環(huán)節(jié)。圖12限制網(wǎng)絡(luò)中的CIP限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)二、CIP的對(duì)象與標(biāo)識(shí)CIP接受面對(duì)對(duì)象的設(shè)計(jì)方法,為操作限制設(shè)備和訪問(wèn)限制設(shè)備中的數(shù)據(jù)供應(yīng)服務(wù)集。它運(yùn)用對(duì)象來(lái)描述限制設(shè)備中的通信信息、服務(wù)、節(jié)點(diǎn)的外部特征和行為等。可把對(duì)象看作對(duì)設(shè)備中一個(gè)特定組件的抽象描述。每個(gè)對(duì)象都有自己的屬性(attribute),并供應(yīng)一系列的服務(wù)(service)來(lái)完成各種任務(wù),在響應(yīng)外部事務(wù)時(shí)具備確定的行為(bchavior)特征。作為限制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自控設(shè)備可以被描述成各種對(duì)象的集合。CIP把一系列標(biāo)準(zhǔn)的、自定義的對(duì)象集合在一起,形成對(duì)象庫(kù)。具有相同屬性集(屬性值不確定相同)、服務(wù)和行為的對(duì)象被歸納成一類對(duì)象;類(class)事實(shí)上指對(duì)象的集合;而類中的某一個(gè)對(duì)象稱為該類的一個(gè)實(shí)例(instance)。對(duì)象模型是設(shè)備通信功能的完整定義集。CIP的對(duì)象模型參見(jiàn)圖13。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖13CIP的對(duì)象模型限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖13中的對(duì)象分成兩種:預(yù)定義對(duì)象和自定義對(duì)象。預(yù)定義對(duì)象由規(guī)范規(guī)定,主要描述節(jié)點(diǎn)必需具備的共同特性和服務(wù),如:鏈接對(duì)象、報(bào)文路由對(duì)象等;自定義對(duì)象指應(yīng)用對(duì)象。描述每個(gè)設(shè)備特定功能,由生產(chǎn)廠規(guī)定其中的細(xì)微環(huán)節(jié)。CIP應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)接受對(duì)象的屬性、服務(wù)和行為來(lái)描述。構(gòu)成一個(gè)設(shè)備須要不同的功能子集,也須要不同類型的對(duì)象。每個(gè)對(duì)象類都有惟一的一個(gè)對(duì)象類標(biāo)識(shí)ClassID,它的取值范圍是0~65535;每個(gè)對(duì)象類中的對(duì)象實(shí)例被賜予唯一的實(shí)例標(biāo)識(shí)InstanceID,范圍是0~65535;屬性標(biāo)識(shí)AttributeID用于唯一標(biāo)識(shí)每個(gè)類或?qū)ο笾械木唧w屬性,取值范圍從0~255;服務(wù)代碼ServiceCode用于唯一標(biāo)識(shí)每個(gè)類或?qū)ο笏?yīng)的具體服務(wù),取值范圍為0~255。通過(guò)這些標(biāo)識(shí)代碼來(lái)識(shí)別對(duì)象、理解通信數(shù)據(jù)包的意義。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)三、EtherNet/IP的報(bào)文種類在EtherNet/IP限制網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)備之間在TCP/UDP/IP基礎(chǔ)上通過(guò)CIF協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。CIF接受限制協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/0報(bào)文傳輸或者內(nèi)部報(bào)文傳輸;接受信息協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信息報(bào)文交換或者外部報(bào)文傳輸。CIF把報(bào)文分為I/O數(shù)據(jù)報(bào)文、信息報(bào)文與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)報(bào)文3種。1、I/O數(shù)據(jù)報(bào)文I/O數(shù)據(jù)報(bào)文指實(shí)時(shí)性要求較高的測(cè)量限制數(shù)據(jù)。I/O數(shù)據(jù)交換通常屬于一個(gè)數(shù)據(jù)源和多個(gè)目標(biāo)設(shè)備之間的長(zhǎng)期的內(nèi)部連接。I/O數(shù)據(jù)包利用UDP的高速吞吐實(shí)力,接受UDP/IP協(xié)議傳輸。I/O數(shù)據(jù)報(bào)文又稱為隱性報(bào)文,隱性報(bào)文中包含應(yīng)用對(duì)象的1/0數(shù)據(jù),沒(méi)有協(xié)議信息。數(shù)據(jù)接收者知道數(shù)據(jù)的含義。這種隱性報(bào)文僅能以面對(duì)連接的方式傳送。面對(duì)連接意味著數(shù)據(jù)傳送前須要建立和維護(hù)通信連接。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)2、信息報(bào)文信息報(bào)文通常指實(shí)時(shí)性要求較低的組態(tài)、診斷、趨勢(shì)數(shù)據(jù)等,一般為比1/0數(shù)據(jù)"報(bào)文大得多的數(shù)據(jù)包。信息報(bào)文交換是一個(gè)數(shù)據(jù)源和一個(gè)目標(biāo)設(shè)備之間短時(shí)間內(nèi)的鏈接。信息報(bào)文包接受TCP/IP協(xié)議,并利用TCP的數(shù)據(jù)處理特性。信息報(bào)文屬于顯性報(bào)文,須要依據(jù)協(xié)議及代碼的相關(guān)規(guī)定來(lái)理解報(bào)文的意義,或者說(shuō),顯性報(bào)文傳遞的是協(xié)議信息。可以接受面對(duì)連接的通信方式、也可以接受非連接的通信方式來(lái)傳送顯性報(bào)文。非連接的通信方式不須要建立或維護(hù)鏈路連接。3、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)報(bào)文網(wǎng)絡(luò)維護(hù)報(bào)文指在一個(gè)生產(chǎn)者與隨意多個(gè)消費(fèi)者之間起網(wǎng)絡(luò)維護(hù)作用的報(bào)文。在系統(tǒng)特地指定的維護(hù)時(shí)間內(nèi),由地址最低的節(jié)點(diǎn)在此時(shí)間段內(nèi)發(fā)送時(shí)鐘同步和一些重要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),以使網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)同步時(shí)鐘,調(diào)整與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行相關(guān)的參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)報(bào)文一般接受廣播方式發(fā)送。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)四、EtherNet/IP的技術(shù)特點(diǎn)由于EtherNet/IP建立在以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上,因而繼承了它們的優(yōu)點(diǎn),具有高速率傳輸大量數(shù)據(jù)的實(shí)力。每個(gè)數(shù)據(jù)包最多可容納1500字節(jié),傳輸速率為10Mbps或100Mbps。EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上典型的設(shè)備有主機(jī)、PLC限制器、機(jī)器人、HMI、I/0設(shè)備等。典型的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),多組設(shè)備連接到一個(gè)交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的好處是同時(shí)支持10Mbps和100Mbps產(chǎn)品并可混合運(yùn)用,因?yàn)槎鄶?shù)以太網(wǎng)交換機(jī)都具有10Mbps或100Mbps的自適應(yīng)實(shí)力。星形拓?fù)湟子谶B線、檢錯(cuò)和維護(hù)。EtherNet/IP現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的另一突出特點(diǎn)在于它具有內(nèi)置的WebServer功能,不僅能供應(yīng)WWW服務(wù),能供應(yīng)諸如電子郵件等眾多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),其模塊、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)洲覽器獲得。EtherNet/IP現(xiàn)有產(chǎn)品已經(jīng)能夠通過(guò)HTTP供應(yīng)諸如讀寫(xiě)數(shù)據(jù),讀診斷,發(fā)送電子郵件,編輯組態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)力。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)7.5、高速以太網(wǎng)HSE一、HSE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)HSE(highspeedethernet)是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)對(duì)H1的高速網(wǎng)段的解決方案。HSE規(guī)范2000年3月29日發(fā)布,同年12月14日發(fā)布了alpha版本的HSE測(cè)試工具包(HTK)。表明HSE技術(shù)進(jìn)人好用階段。HSE是現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)掘棄高速總線H2后的新作。在H1公布時(shí)對(duì)H2的構(gòu)想是傳輸速率為1Mbps和2.5Mbps,傳輸距離為5OOm和750m。由于技術(shù)的快速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在限制網(wǎng)絡(luò)的滲透,H2未正式出臺(tái)就顯得不適應(yīng)應(yīng)用需求而遭淘汰。現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)將HSE定位于將限制網(wǎng)絡(luò)集成到internet的技術(shù)。HSE接受鏈接設(shè)備將遠(yuǎn)程H1網(wǎng)段信息傳送到以太網(wǎng)上。這些信息可以通過(guò)以太網(wǎng)送到主限制室,并進(jìn)一步送到企業(yè)的ERP和管理系統(tǒng)。操作員在主控室可干脆運(yùn)用閱讀器等工具查看現(xiàn)場(chǎng)的操作狀況,也可通過(guò)同樣網(wǎng)絡(luò)途徑將操作限制信息送到現(xiàn)場(chǎng)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖14表示了HSE通信模型的分層。圖15表示了各層的模塊結(jié)構(gòu)。像EtherNet/IP那樣,它的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層接受以太網(wǎng)規(guī)范,不過(guò)這里指的是100Mbps以太網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)層接受IP協(xié)議;傳輸層接受TCP,UDP協(xié)議;而應(yīng)用層是具有HSE特色的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪問(wèn)FDA(fielddeviceaccess)。它也像H1那樣在標(biāo)準(zhǔn)的7層模型之上增加了用戶層。并按H1的慣例,HSE把從數(shù)據(jù)鏈路層到應(yīng)用層的相關(guān)軟件功能集成為通信棧,稱為HSEStack。用戶層包括功能塊、設(shè)備描述、網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理等功能。可把HSE看作是工業(yè)以太網(wǎng)與H1技術(shù)的結(jié)合體。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
圖14HSE通信模型的分層結(jié)構(gòu)限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖15HSE通信系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)二、HSE與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通信·在HSE中,封裝工作是由鏈接設(shè)備(linkingdevice)完成。一方面,它負(fù)責(zé)從所掛接的H1網(wǎng)段收集現(xiàn)場(chǎng)總線信息,然后把H1地址轉(zhuǎn)換成IPv4或者IPv6的地址,這樣H1網(wǎng)段的數(shù)據(jù)就可以在TCP/UDP/IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳送。另一方面,接收到TCP/UDP/IP信息的鏈接設(shè)備可以將IPv4/IPv6地址轉(zhuǎn)換為Hl地址,將發(fā)往H1網(wǎng)段的信息放到現(xiàn)場(chǎng)的目的網(wǎng)段中進(jìn)行傳送。這樣,通過(guò)鏈接設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)跨H1網(wǎng)段的組態(tài),甚至可以把Hl與PLC等其他限制系統(tǒng)集成起來(lái)。跨網(wǎng)段組態(tài)在H1技術(shù)下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,HSE還能使遠(yuǎn)距離被控對(duì)象的閉環(huán)實(shí)時(shí)限制成為可能。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖16表示HSE的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與設(shè)備類型。鏈接設(shè)備的一端是用交換機(jī)連接的高速以太網(wǎng);另一端是H1限制網(wǎng)絡(luò)。具有以太網(wǎng)通信接口功能的限制設(shè)備、PLC等可干脆掛接在HSE網(wǎng)段的交換機(jī)上。企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)同樣可以掛接在這個(gè)以太網(wǎng)上,可以與現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信。同時(shí),最新的以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)信息,internet上任何一個(gè)擁有訪問(wèn)權(quán)限的用戶都可以遠(yuǎn)程查看設(shè)備的當(dāng)前信息,可以遠(yuǎn)程修改設(shè)備的工作狀態(tài),而不再須要通過(guò)監(jiān)控工作站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信息的中轉(zhuǎn),加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)限制層與企業(yè)管理層和internet之間的信息集成。這種遠(yuǎn)程監(jiān)視和限制的方法特別敏捷,不須要用戶自己編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn),擴(kuò)展了設(shè)備的功能,使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備干脆成為internet上的一個(gè)節(jié)點(diǎn),能夠被本地和遠(yuǎn)程用戶通過(guò)多種手段進(jìn)行訪問(wèn),為限制網(wǎng)絡(luò)信息與internet的溝通,為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的跨網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用供應(yīng)了良好的條件。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)圖16HSE的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與設(shè)備類型限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)三、HSE的柔性功能塊FF技術(shù)的最大特點(diǎn)就是功能塊。將傳統(tǒng)上運(yùn)行于限制器中的功能塊下放到設(shè)備當(dāng)中,使設(shè)備真正成為智能儀表而不是簡(jiǎn)潔的傳感器和執(zhí)行器,一旦組態(tài)信息下裝后就可以脫離工作站獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)然,網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)當(dāng)有鏈路主設(shè)備存在。同樣,HSE也運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的FF功能塊,例如AI,AO和PID,這樣就保證了限制網(wǎng)絡(luò)全部層次上數(shù)據(jù)表達(dá)的統(tǒng)一。在這個(gè)基礎(chǔ)上,HSE又增加了柔性功能塊,并允許H1設(shè)備與HSE設(shè)備之間的混合組態(tài)運(yùn)行。柔性功能塊(FFB)是HSE技術(shù)的另外一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)。柔性功能塊包括為高級(jí)過(guò)程限制,離散限制,間歇過(guò)程限制,連續(xù)、離散、間歇的混合系統(tǒng)限制等而開(kāi)發(fā)的功能模塊。柔性功能塊能把遠(yuǎn)程I/0和子系統(tǒng)集成起來(lái)。盡管它是作為HSE的一個(gè)部分開(kāi)發(fā)的,但它也能夠在Hl系統(tǒng)中運(yùn)用。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)柔性功能塊包括多輸入輸出(M10)的柔性功能塊,還包括為實(shí)現(xiàn)特定限制策略而包裝定制的柔性功能塊。柔性功能塊的開(kāi)發(fā)提高了現(xiàn)場(chǎng)限制功能,在增加過(guò)程限制功能的同時(shí),又彌補(bǔ)了Hl系統(tǒng)用于離散或間歇限制應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)的不足。將限制功能放置在HSE鏈接設(shè)備中,利用HSE鏈接設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以組成由限制網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)信息的限制系統(tǒng),用于現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程限制、批量限制和邏輯限制。鏈接設(shè)備可以被置于距離生產(chǎn)現(xiàn)暢很近的通信交匯點(diǎn),可距閥門(mén)或者其他測(cè)量執(zhí)行單元很近,以構(gòu)成徹底公散在現(xiàn)暢的限制系統(tǒng)。這樣,當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)暢限制作用的影響可減到最小。HSE支持對(duì)交換機(jī)、鏈接設(shè)備的冗余配置與接線,也能支持危急環(huán)境下的本質(zhì)平安(IS)。HSE志向的傳輸介質(zhì)是光纖。可以用一根光纖將距離危急區(qū)很近的HSE鏈接設(shè)備鏈接到以太網(wǎng)上。由于鏈接設(shè)備可以處理現(xiàn)場(chǎng)的單元和批量限制,用戶可以削減安裝在架上的VO設(shè)備和限制器的數(shù)量,進(jìn)一步簡(jiǎn)化現(xiàn)暢設(shè)備和布線。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)四、HSE的鏈接設(shè)備HSE技術(shù)的核心部分就是鏈接設(shè)備。鏈接設(shè)備是HSE體系結(jié)構(gòu)中將H1(31.25Kbps)設(shè)備連接到100Mbps的HSE主干網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。基于以太網(wǎng)的主機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)︽溄釉O(shè)備上面掛接的子系統(tǒng)和基于HSE的設(shè)備進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)視。HSE鏈接設(shè)備同時(shí)具有網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的功能,它的網(wǎng)橋功能能夠用來(lái)連接多個(gè)Hl總線網(wǎng)段,并且能夠使不同Hl網(wǎng)段上面的Hl設(shè)備之間進(jìn)行對(duì)等通信而無(wú)需主機(jī)系統(tǒng)的干預(yù)。同時(shí)HSE主機(jī)可以與全部的鏈接設(shè)備和鏈接設(shè)備上掛接的設(shè)備進(jìn)行通信,把現(xiàn)湯數(shù)據(jù)傳到遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)表功能。網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間發(fā)布和鏈路活動(dòng)調(diào)度器LAS都可以由鏈接設(shè)備擔(dān)當(dāng),一旦組態(tài)信息下裝到設(shè)備當(dāng)中,即使主機(jī)斷開(kāi),鏈接設(shè)備也可以讓整個(gè)HSE系統(tǒng)正常工作。鏈接設(shè)備的網(wǎng)關(guān)功能允許將HSE網(wǎng)絡(luò)連接到其他的工廠限制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)中。HSE鏈接設(shè)備不須要為Hl子系統(tǒng)做報(bào)文說(shuō)明的工作。其是將來(lái)自Hl網(wǎng)段的報(bào)文集合起來(lái),并且將Hl地址轉(zhuǎn)化成為IPv4或者IPv6地址。把其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、監(jiān)視和限制參數(shù)干脆映射到標(biāo)準(zhǔn)的基金會(huì)功能塊或者"柔性功能塊"中。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)7.6、基于Web技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和以太網(wǎng)迸人限制領(lǐng)域,基于服務(wù)器-測(cè)覽器工作模式的Web技術(shù)已成為工業(yè)數(shù)據(jù)通信與限制網(wǎng)絡(luò)中的新寵。在一些新近開(kāi)發(fā)出的PLC、變頻器等限制設(shè)備中,除增加以太網(wǎng)通信接口之外,還嵌大了Web服務(wù)器,便服務(wù)器-洲覽器成為工業(yè)數(shù)據(jù)交換的方式之一。基于Web技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。一、Web技術(shù)簡(jiǎn)介Web是互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一,是一個(gè)全球性的信息交互系統(tǒng)。它通過(guò)internet使計(jì)算機(jī)能夠相互傳送超文本的數(shù)據(jù)信息。存放超文本文檔的計(jì)算機(jī)是限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Web服務(wù)器;Web測(cè)覽器是用于訪問(wèn)Web的專用軟作,運(yùn)行在客戶機(jī)上。今日,全世界的Web服務(wù)器已逾百萬(wàn),而運(yùn)行WebBrowse了,以訪問(wèn)Web的計(jì)算機(jī)更是無(wú)處不在。Web已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)據(jù)助理PDA等應(yīng)用的通用擴(kuò)展平臺(tái)。用Web閱讀的方式可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量限制數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,它比傳統(tǒng)的接受應(yīng)用程序的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控有明顯的優(yōu)勢(shì)。Web服務(wù)已成為當(dāng)前internet上最熱門(mén)的一種服務(wù),得到了廣泛的應(yīng)用。隨著WWW方式的飛速發(fā)展,Web己經(jīng)從靜態(tài)頁(yè)面過(guò)渡到動(dòng)態(tài)頁(yè)面,從僅供應(yīng)靜態(tài)HTML頁(yè)面的站點(diǎn)漸漸磚變成信息交互。商業(yè)合作和消遣等的全球性虛擬空間,以致使人類的生產(chǎn)生活方式發(fā)生了很大的變更。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)1、基于靜態(tài)文檔的Web技術(shù)靜態(tài)文檔Web技術(shù)只用于供應(yīng)靜態(tài)文檔查詢。受HTML和測(cè)覽器的制約,Web頁(yè)面最初只能包含單純的文本內(nèi)容,閱讀器也只能顯示文字信息,因此文本閱讀方式遠(yuǎn)不能滿足用戶的要求。隨著HTML語(yǔ)言的不斷發(fā)展,HTMIL標(biāo)記的不斷擴(kuò)充,漸漸出現(xiàn)了表格、框架等標(biāo)識(shí)符,同時(shí)internetExplorer與Navigator等閱讀器也不斷得到改進(jìn),Web頁(yè)面漸漸可以支持表格以及各種媒體文件。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)靜態(tài)Web服務(wù)器基本上是一個(gè)HTTP服務(wù)器,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖17所示。客戶端與服務(wù)器的交互過(guò)程如下:客戶端閱讀器向Web服務(wù)器發(fā)出訪問(wèn)懇求后,Web服務(wù)器接受懇求,建立連接,處理用戶懇求,依據(jù)懇求查找所需的靜態(tài)Web頁(yè)面,并將它返回到客戶端進(jìn)行顯示。圖17靜態(tài)Web系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)2、基于動(dòng)態(tài)交互頁(yè)面的Web技術(shù)動(dòng)態(tài)交互頁(yè)面的出現(xiàn)變更了以往Web服務(wù)器只能被動(dòng)地供應(yīng)靜態(tài)頁(yè)面的狀況。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖18所示。
圖18動(dòng)態(tài)Web系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)初期的動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器只能與用戶進(jìn)行簡(jiǎn)潔信息交互,頁(yè)面限制實(shí)力也比較有限。隨著動(dòng)態(tài)信息的增加和數(shù)據(jù)庫(kù)信息資源的發(fā)布須要,漸漸實(shí)現(xiàn)了Web與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接運(yùn)用,客戶端可懇求數(shù)據(jù)庫(kù)的信息。Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)是它的核心技術(shù)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),能便利地實(shí)現(xiàn)對(duì)大量困難數(shù)據(jù)約有效管理和快速檢索,并依據(jù)客戶端的訪問(wèn)懇求將相關(guān)的數(shù)據(jù)以帶查詢結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)頁(yè)面形式傳給客戶閱讀器。這種應(yīng)用模式充分利用了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)大量數(shù)據(jù)的管理功能,Web的信息發(fā)布已成為當(dāng)今Web服務(wù)的主要方式。Web服務(wù)器通過(guò)公共網(wǎng)關(guān)接口(commongatewayinterface)、應(yīng)用編程接口(applicationprograminterface,API)等來(lái)支持交互功能。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)三、基于Web對(duì)象的Web技術(shù)Web對(duì)象技術(shù)是新出現(xiàn)的技術(shù),關(guān)鍵技術(shù)仍在探討中。Web對(duì)象技術(shù)與傳統(tǒng)的Web服務(wù)不同,它不必運(yùn)用Web服務(wù)器作為中介來(lái)協(xié)調(diào)通信,而是通過(guò)分布式對(duì)象技術(shù)允許客戶機(jī)干脆與相關(guān)服務(wù)器聯(lián)系,避開(kāi)了Web服務(wù)器形成的瓶頸。基于Web對(duì)象的Web技術(shù)主要包括Java/CORBA與ActiveX/DCOM。公共對(duì)象懇求代理結(jié)構(gòu)(commonobjectrequestbrokerarchitecture,CORBA)是一種具有開(kāi)放性的軟件分布式結(jié)構(gòu)。不同廠商,運(yùn)行在不同操作系統(tǒng)上的對(duì)象都能通過(guò)(internetinterobjectprotocol,IIOP)協(xié)議進(jìn)行互操作。
限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Java是編寫(xiě)CORBA對(duì)象的最佳語(yǔ)言,它的平臺(tái)無(wú)關(guān)性、多線程機(jī)制、自動(dòng)空間回收和出錯(cuò)管理系統(tǒng),可簡(jiǎn)化大型CORBA系統(tǒng)的代碼分布處理,可使CORBA對(duì)象運(yùn)行在絕大部分平臺(tái)上。分布式部件對(duì)象模型(distributedcomponentobjectmodel,DCOM)是微軟公司利用自己的分布式對(duì)象技術(shù)制定的Web對(duì)象結(jié)構(gòu),是在COM中的ActiveX技術(shù)基礎(chǔ)上演化而來(lái)。DCOM在原來(lái)COM技術(shù)的基礎(chǔ)上,增加了遠(yuǎn)程調(diào)用COM部件的功能,使ActiveX部件成為可被DCOM遠(yuǎn)程調(diào)用的部件。但它只能在Windows平臺(tái)上運(yùn)用。
限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量限制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;能通過(guò)internet遠(yuǎn)程監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行信息,包括設(shè)備信息、歷史曲線等;并能遠(yuǎn)程操作生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,如修改運(yùn)行參數(shù),變更開(kāi)關(guān)位置等;同時(shí)還要保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行平安。基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中,客戶端運(yùn)用通用Web閱讀器,通過(guò)internet完成對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù),使多樣的客戶軟件得到了統(tǒng)一,用戶不須要為不同的限制系統(tǒng)安裝不同的應(yīng)用軟件,也不再需針對(duì)不同的客戶軟件進(jìn)行培訓(xùn),任何授權(quán)系統(tǒng)及個(gè)人都可運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)閱讀器來(lái)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)企業(yè)的限制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的信息也得以集成。利用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),依據(jù)系統(tǒng)中Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方式和所處位置的不同,可以分為Web嵌入式和Web服務(wù)器獨(dú)立式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。限制網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)三、Web嵌入式工控節(jié)點(diǎn)及其遠(yuǎn)程監(jiān)控Web嵌人式工
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