工控自動化技術(shù)文摘：工業(yè)以太網(wǎng)專業(yè)術(shù)語

老朋友12 2011-03-14

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工業(yè)以太網(wǎng)專業(yè)術(shù)語深圳祈飛科技有限公司

一、拓撲結(jié)構(gòu) 　　拓撲是網(wǎng)絡中電纜的布置。眾所周知，EIA-485或 CAN 采用總線型拓撲。但在工業(yè)以太網(wǎng)中，由于普遍使用集線器或交換機，拓撲結(jié)構(gòu)為星型或分散星型。二、接線　　工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)使用的電纜有屏蔽雙絞線（STP）、非屏蔽雙絞線（UTP）、多?；騿文９饫\|。10Mbps 的速率對雙絞線沒有過高的要求，而在 100Mbps 速率下，推薦使用五類或超五類線。光纖鏈接時需要一對，常用的多模光纖波長為 62.5/125μm 或 50/125μm。與多模光纖的內(nèi)芯相比，單模光纖的內(nèi)芯很細，只有 10μm 左右。通常，10Mbps 使用多模光纖，100Mbps下，單模、多模光纖都適用。三、接頭和連接　　雙絞線接頭中 RJ-45 較常見，共兩對線，一對用于發(fā)送，另一對用于接收。在媒介相關接口（MDI）的定義中，這四個信號分別標識為 RD+，RD-，TD+，TD-。　　一條通信鏈路由 DTE（數(shù)據(jù)終端設備，如工作站）和 DCE（數(shù)據(jù)通訊設備，如中繼器或交換機）組成。集線器端口標識為 MDI-X 端口表明 DTE 和 DCE 可以使用直通電纜相連。假如是兩個 DTE或兩個 DCE相連？可以采用電纜交叉的方法或直接利用集線器提供的上連端口（電纜不要交叉）。　　光纖接頭有兩種，ST 接頭用于 10Mbps 或 100Mbps；SC接頭專用于 100Mbps。單模纖通常使用 SC接頭。DTE 與 DCE 之間的連接只需依照端口的 TX、RX 標識即可。四、工業(yè)以太網(wǎng)與普通商用以太網(wǎng)產(chǎn)品　　什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術(shù)上，它與 IEEE802.3 兼容，但設計和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應用的要求。工業(yè)現(xiàn)場的設計者希望采用市場上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮工業(yè)現(xiàn) 場的特殊要求。首先考慮的是高溫、潮濕、震動。第二看是否能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制柜內(nèi)。第三是電源要求。許多控制柜內(nèi)提供的電源都是低壓交流或直流。墻裝式電源裝置有時不能適應。電磁兼容性（EMC）的要求隨工業(yè)環(huán)境對 EMI（工業(yè)抗干擾）和 ESD（工業(yè) 抗震）要求的不同而變化?，F(xiàn)場的安全標準與辦公室的完全不同。有時需要的是惡劣環(huán)境的額定值。工廠里采用的可能是工業(yè)控制柜標準而樓宇系統(tǒng)采用的往往是煙霧標準。顯然低價的商用以太網(wǎng)集線器和交換機無法達到這些要求。五、速度和距離　　討論共享型以太網(wǎng)的距離，不能忽略碰撞域（ Collision Domain）的概念。　　共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問是由載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）確定的。在半雙工的通訊方式下，發(fā)送和接收不能同時進行，否則數(shù)據(jù)會發(fā)生碰撞。站點發(fā) 送前，首先要看是否有空閑的信道。發(fā)送時，站點還會在一段時間內(nèi)收聽，確保在這一時間內(nèi)沒有其它站點在進行同步傳送，最終本站發(fā)送成功。反之，發(fā)生碰撞，源站點發(fā)送阻塞信號加強碰撞。競爭站點延遲后（延遲時間由算法確定，是隨機的）重試。在這種機制下，所有站點和所有集線器都必須在同一碰撞域內(nèi)。　　對工業(yè)以太網(wǎng)來說，10Mbps 和 100Mbps 是最常用的。在 10Mbps，全部采用雙絞線的以太網(wǎng)網(wǎng)絡中，與距離有關的概念有兩個，即網(wǎng)段（Segment）和網(wǎng)絡范圍(Network Diameter)。前者指連接兩個設備（集線器、交換機或主機）的距離，后者指網(wǎng)絡中兩個最遠端設備之間的距離。不管是 10Mbps 或 100Mbps 的網(wǎng)絡，網(wǎng)段的最遠距離不能超過 100 米?？紤]網(wǎng)絡延伸，最有用的規(guī)則就是 5-4-3 規(guī)則（僅僅針對 10Mbps 中繼器）。規(guī)則的內(nèi)容如下：一個網(wǎng)絡最多有五個網(wǎng)段，四個中繼器，不多于三個的混合網(wǎng)段。混合網(wǎng)段指的是同軸總線網(wǎng)段（已淘汰）。由于雙絞線網(wǎng)段的最遠距離是 100 米，最大網(wǎng)絡（網(wǎng)絡范圍）就是 500 米。光纖網(wǎng)段的最遠距離可達 2 公里，但 IEEE802.3 標準規(guī)定，使用光纖，級聯(lián)數(shù)最多不能超過 3 個，且網(wǎng)絡末端需使用雙絞線，中間的兩個為光纖網(wǎng)段并保證每個網(wǎng)段不超過 1 公里。這樣，整個光纖網(wǎng)段長度限制在 2 公里。5-4-3 規(guī)則對 100Mbps 是不適用的。建議使用 100Mbps 交換機。六、集線器和交換機　　中繼型集線器（集線器）集線器是構(gòu)成以太網(wǎng)拓撲的基本設備，為多端口設備，有四、八、十二口等，可級聯(lián)構(gòu)成分散星型拓撲。集線器均符合 IEEE802.3 中繼單元要求。這些要求包括前導碼生成、對稱和幅度補償。中繼器必須對信號再定時，這樣收發(fā)器和電纜引起的信號抖動不會在多網(wǎng)段傳播時累積。這些設備能偵測出不完整的數(shù)據(jù)包和沖突，并產(chǎn)生一個阻塞信號相作用。它們還會自動隔離有問題的端口以維持網(wǎng)絡正常工作。　　接口轉(zhuǎn)接器另一系列產(chǎn)品是接口轉(zhuǎn)接器，有時稱為收發(fā)器。它們將一種媒介轉(zhuǎn)為另一種媒介。最重要的轉(zhuǎn)換是雙絞線至光纖的轉(zhuǎn)換。由于很多集線器沒有光纖端口，接口轉(zhuǎn)接器就是用來支持網(wǎng)絡中光纖的應用的。這些設備在網(wǎng)絡中是透明。端口不存儲幀也不檢測碰撞，只是將一種媒介轉(zhuǎn)為另一端兼容的信號。　　交換型集線器（交換機）交換型集線器可以取代中繼型集線器并改善網(wǎng)絡的性能。與物理層設備－中繼型集線器不同，交換型集線器實際上是連接兩個數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)橋，也就是說碰撞域在每個交換機端口進行了終結(jié)。所以，增加了交換機就擴展了網(wǎng)絡地理上的范圍，級聯(lián)交換機可以大規(guī)模地實現(xiàn)網(wǎng)絡擴展交換機比中繼型集線器復雜。雙絞線端口自動與附屬端口進行速率協(xié)商（10Mbps 還是100Mbps）。流量控制功能也通過協(xié)商進行。全雙工網(wǎng)段采用 PAUSE 方案，半雙工網(wǎng)段通常采用 backpressure 方案。交換機讀取一個完整的幀并察看其源地址后就能查出所連以太網(wǎng)設備的端口位置。交換機隨即產(chǎn)生一張端口地址表格并維護表的內(nèi)容。從這時起，網(wǎng)絡通信僅限于與本次傳送有關的端口。由于同步的傳送無需任何操作即可在這些端口上實現(xiàn)，網(wǎng)絡的吞吐量提高了。表的內(nèi)容會根據(jù)連接信息的變化自動刷新。　　如果某個端口收到的信息需廣播發(fā)送、群組發(fā)送或發(fā)送地址不詳，交換機會自動把信息發(fā)至所有端口。與中繼型集線器不同，這兒有多個碰撞域存在，每個碰撞域必須遵守上述的規(guī)則。　　中繼集線器可以與交換機端口相連。如果網(wǎng)絡中都是交換機，則雙絞線網(wǎng)段保持 100 米，但級聯(lián)沒有限制。在使用光纖前必須先注明是半、全雙工。中繼型集線器與交換型集線器的對比顯然，交換機的性能比集線器提高一些，但集線器的優(yōu)點是，容易理解，在任何一個端口都可以通過網(wǎng)絡分析儀觀測數(shù)據(jù)通訊。交換機則必須在某個端口實現(xiàn)廣播發(fā)送方能測量。作為網(wǎng)橋，交換機存儲、轉(zhuǎn)發(fā)整個數(shù)據(jù)幀并引起了數(shù)據(jù)的延遲。集線器接收網(wǎng)絡信號沒有數(shù) 據(jù)延遲。交換機級聯(lián)還增加延時，因此，集線器和交換機在工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應用場合。七、半雙工、全雙工　　半雙工意味著同一媒體的發(fā)送和接收是異步進行的。全雙工則相反，有單獨的發(fā)送和接收通路。全雙工鏈路是擴展快速以太網(wǎng)（100Mbps）的關鍵。全雙工的鏈接網(wǎng)段不能超過兩個設備，可以是網(wǎng)卡或交換機端口。注意：不是中繼型集線器端口，集線器沒有全雙工模式。這是因為集線器是碰撞域的一部分，它會加強其它端口接收的碰撞。只有兩塊網(wǎng)卡時可以實施全雙工通訊，多于兩塊網(wǎng)卡時的全雙工方式，必須考慮交換機。　　10BASE-T、10BASE-FL 有單獨的發(fā)送和接收通路，根據(jù)網(wǎng)卡或交換機端口的復雜性，可以執(zhí)行全雙工。如果這些接口配置在半雙工方式下，接收、發(fā)送的同步偵測會觸發(fā)碰撞的偵測。同樣的接口設置成全雙工，由于全雙工并不遵從共享型 CSMA/CD 規(guī)則，碰撞檢測會被禁止。　　全雙工鏈接的配置要正確。當站點配置在全雙工方式下，站點或交換型集線器的端口以忽略 CSMA/CD 協(xié)議的方式發(fā)送幀。如果另一端設置在半雙工方式下，它會偵測出碰撞并引發(fā)其它問題出現(xiàn)，如 CRC出錯，網(wǎng)絡的速度下降，快速以太網(wǎng)的優(yōu)勢消失。　　如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps 下的網(wǎng)絡范圍有所縮小。對于雙絞線網(wǎng)段和交換端口來說，網(wǎng)段的最長距離是 100 米（在碰撞域范圍內(nèi)）。問題是在光纖端口上，對于多模光纖來說，網(wǎng)段的長度是 2公里；對于單模光纖來說，是 15公里。半雙工方式下，受碰撞域限制，網(wǎng)段距離為 412米。因此，只有在全雙工模式下（CSMA/CA被忽略），光纖網(wǎng)段的延伸才能達到極限?？焖僖蕴W(wǎng)方式下，推薦使用交換機技術(shù)?？焖僖蕴W(wǎng)下的光纖端口，建議使用全雙工。八、自動協(xié)商　　隨著快速以太網(wǎng)使用廣泛、與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相似的接線規(guī)則，IEEE802.3u建議自動配置快速以太網(wǎng),使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)端口能與其它快速以太網(wǎng)端口工作。該配置協(xié)議基于 National Semiconductor’s NWay 標準。雙絞線鏈路自動進行速度匹配，以利于數(shù)據(jù)通訊的進行。該方案適用于雙絞線鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網(wǎng)的發(fā)展歷史中有非常重要的地位。但兩個光纖設備的速度無法進行自動協(xié)商，這是因為 10BASE-FL 設備工作在 850nm，100BASE-FX 工作在 1300nm。兩者無法互操作。但是，對于自動協(xié)商協(xié)議而言，兩個光纖設備間的自協(xié)商是可行的（如果通訊沒有問題的話）。意識到這一點，新推出的 100BASE-SX 標準可以使 850nm光纖在 10Mbps 或 100Mbps 下工作。100Mbps 下網(wǎng)段的距離為 300米。因此，安裝時請注意。光纖的速率通常是固定的，不實行協(xié)商。自動協(xié)商協(xié)議在雙絞線鏈路是成功的。自動協(xié)商的優(yōu)點在于它使用戶無需進行手工設置，完全由設備自身決定各自的技術(shù)水準。級別由高到低如下：　　1000BASE-T 全雙工最高　　1000BASE-T 　　100BASE-T2 全雙工　　100BASE-TX 全雙工　　100BASE-T2 　　100BASE-T4 　　100BASE-TX 　　10BASE-T 全雙工　　10BASE-T 最低　　其中最低的級別是 10BASE-T（半雙工、共享以太網(wǎng)），最高為 1000BASE-T 全雙工。這是一個完整的優(yōu)先級別方案，但不表示某塊網(wǎng)卡可以處理所有這些技術(shù)。實際上，有一些技術(shù)在商業(yè)上并沒有實施，但它們都與 IEEE802.3 標準一致。每個端口檢查各自的技術(shù)性能并確定最終的速率（較低的速率）。例如：如果網(wǎng)卡支持 10BASE-T 而交換機端口能力在10BASE-T或 10BASE-TX，那么最終選擇的是 10BASE-T。如果一塊網(wǎng)卡是 10BASE-T，而另一塊 100BASE-TX，兩者因為不兼容而無法通訊。九、傳輸協(xié)議　　最初設計并沒有涉及一個可靠的端到端的信息傳送。網(wǎng)絡互聯(lián)（兩個網(wǎng)絡互相通訊）的義務在第三層－網(wǎng)絡層。傳輸和互聯(lián)成為協(xié)議棧的一部分，TCP/IP 和 SPX/IPX 是常用的兩個協(xié)議。這兩個協(xié)議并不能互相操作，所以以太網(wǎng)節(jié)點須使用兼容的協(xié)議。由于 TCP/IP 在互聯(lián) 網(wǎng)的應用，它成為主要協(xié)議，在工業(yè)網(wǎng)絡也如此。實際上，TCP/IP 是一組 RFC 定義的協(xié)議（request for comments），有很多年了。除了以太網(wǎng)，TCP/IP 還和別的數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)工作，它位于物理層/數(shù)據(jù)鏈路層之上。傳輸層上，有兩個重要的協(xié)議：TCP 和 UDP。前者對接收的信息進行確認。兩者都很有用。在協(xié)議棧的上層，有多個有用的應用層協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)使用。對于用戶來說，編址是個重要的話題。IP 協(xié)議負責可能位于不同網(wǎng)絡中站點間數(shù)據(jù)包的路由。每個站點有唯一的 32 位地址（分別表示網(wǎng)絡地址、主機地址）。地址以點分十進制四字節(jié)表示。128.8.120.5 是個有效的地址但無法確定何為主機、何為網(wǎng)絡。地址分為五類，地址分為A~E 類。通過觀察第一字節(jié)即可進行分類。　　IP 的分配并不簡單，通常由網(wǎng)管分配。一旦分配好，就必須應用在網(wǎng)絡中的各個站上。IP 地址分靜態(tài)和動態(tài)分配兩種。動態(tài)分配由服務器進行。靜態(tài)分配由配置進行。下列地址為私人地址，在路由器上不能分配。因此，它們在互聯(lián)網(wǎng)上沒有應用。　　10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 　　172.16.0.0~172.31.255.255 　　192.168.0.0~192.168.255.255 　　IP 地址和以太網(wǎng) MAC地址是不同的，不能混淆。MAC地址由設備生產(chǎn)商分配，所以是全球唯一的。IP 地址是安裝時分配并根據(jù)需要進行重分配。十、應用層協(xié)議　　確定所用的接頭、電纜，采用集線器還是交換機，分配了 IP，就可以在站點間通訊了。現(xiàn)在需要考慮 OSI 高層的兼容性。這兒推薦的工業(yè)自動化協(xié)議有Ethernet/IP、iDA、PROFInet和 Modbus/TCP。這還不包括傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應用－FTP、SNMP、SMTP和 TELNET。用戶手中的設備可能并不支持這些協(xié)議，所以需要理解自身系統(tǒng)的兼容性。