工业以太网讲解.ppt

工 业 以 太 网,内容介绍：,为什么工业领域需要以太网 以太网技术的基本原理 工业以太网与商业以太网的区别 几种主流的工业以太网标准 嵌入式工业以太网协议栈的设计 总结,为什么工业领域需要以太网,原因一：现场总线标准难以统一，带来系统复杂性 1999 年现场总线技术标准IEC 61158 终于尘埃落定,有8种总线成为国际电工委员会(IEC) 现行的现场总线技术标准它们分别是: ①基金会现场总线FF(fundation fieldbus); ②ControlNet; ③Profibus; ④P-Net; ⑤FF(fieldbus fundation)高速以太网HSE; ⑥SwiftNet; ⑦WorldFIP; ⑧Inter-bus. 从用户应用的角度来看,多种现场总线标准并立导致在一个具体应用中可能会涉及多种不同标准的现场总线仪表,需要解决不同标准系统之间的互连接和互操作的问题,这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性原因二：信息集成有新的要求 带宽问题：一般地来说,现场总线标准的特点是通信协议比较简单,通信速率比较低如基金会总线FF的H1和PROFIBUS-PA 的传输速率只有31.25Kbps。

但随着仪器仪表智能化的提高,传输的数据也必将趋于复杂,未来传输的数据可能已不满足于几个字节,甚至是WEB网页,所以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要 与商业网集成问题：在制造加工工业中，能够走出办公室,在任何地方对企业生产进行实时监控,无疑是各个企业提高生产效率、增强竞争力的有效方法如此一来，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接,将底层信息集成到车间、公司级的数据库中, 通过WEB方式浏览和交互控制现有现场总线标准大都无法直接与互联网连接，需要额外的网络设备才能完成通信原因三：工业以太网的技术优势 (1) 解决协议的开放性和兼容性问题 工业以太网因为采用由IEEE802.3所定义的数据传输协议，它是一个开放的标准，从而为PLC厂家和DCS厂家广泛接受与现场总线相比，以太网还具有向下兼容性快速以太网是在双绞线连接(10BaseT)的传统以太网标准的基础上发展起来的，但它的传输速度从10Mbps提升到了100Mbps在大多数场合，它还可以使用已有的布线此外，以太网还允许逐渐采用新技术也就是说，没必要一下子改变整个网络，可以一步步将整个网络升级 (2) 解决带宽需求问题 以太网最初的数据传输速度只有10Mbit/s，随着1996年快速以太网标准的发布。

以太网的速度提高到了100Mbit/s1998年，千兆以太网标准的发布将其速度提高到最初速度的100倍最初的以太网需要1.2毫秒才能传送一个1518字节大小数据；现在，快速以太网已经将这一时间减少到120秒；如果采用千兆以太网，这一时间只需12微秒3) 解决与商用以太网集成问题 以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外,使现场总线技术与计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面 (4) 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是其成功的重要因素什么是以太网?,1980 年DEC( digital equipment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet Ⅱ与DIX同步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范尽管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它就是以太网。

以太网标准包括： physical layer: media, configuration data link layer: MAC protocol, CSMA/CD,以太网帧结构,Every device has unique address Multicasting, broadcasting supported,PA,SFD,DA,SA,Length,802.3 Header and Data Packet,FCS,7,1,6,6,2,46-1500 bytes,4,An 802.3 frame,SOF,1,CSMA/CD,Carrier Sense (CS)—“侦听” 在发送信息帧之前是否有网络传输一旦侦听到信道空闲，等待一个IFG (46bit时间)后便立刻发送信息帧 Multiple Access (MA)—“多点接入” 如果多个节点同时发送信息，此时就会发生冲突 Collision Detect (CD)—“冲突检测” CSMA/CD协议中采用重传机制重新执行信息帧的发送操作，直到该信息帧成功发送或重传次数n达到上限(attempLimit)而 终止发送,Intel Demo 2,CSMA/CD,Exponential Back-off Algorithm – “二进制指数回避算法，BEB” 每次检测到冲突，CSMA/CD采用BEB算法随机地计算出下一次重传需要等待的时间，即帧重传时延。

帧重传时延的大小为时隙时间(slot Time,512bit的传输时间)的整数倍r r为随机整数，其取值为:0r2r，k=min(n,10), 其中，n为重传次数，最大值为16.对于 10M bit/s网络，一个时隙时间为51.2us因此冲突所导致的等待时间最长可以达到51ms重传时延的不确定性，不能满足工业系统的实时性,工业以太网与商业以太网的区别,1、工业以太网的基本体系结构 2、改进的实时工业以太网体系结构 3、工业以太网的实时通信技术 4、工业以太网的设备环境适应性和可靠性要求,1、工业以太网基本体系结构,工业以太网在商用以太网基础上发展而来，它的体系结构基本上采用了以太网的标准结构对应于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802.3标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网“事实上标准”的TCP/IP协议簇，在高层协议上，工业以太网通常省略了会话层、表示层，而定义了应用层，有的工业以太网还定义了用户层根据实时以太网实时扩展的不同技术方案，可将实时以太网通信协议模型分为5类，①是经过常规最大努力提高实时性，一般工业以太网的通信协议模型;②采用在TCP/IP之上进行实时数据交换方案;③采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型;④采用集中调度提高实时性的解决方案;⑤采用类似Interbus现场总线“集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能。

2、改进的实时工业以太网体系结构,3、工业以太网的实时通信技术,采用以太网与TCP/IP相结合的方法 直接修改传统以太网MAC协议(CSMA/CD)方式 数据链路层增加实时调度层的方式 网络节点间的时间同步机制也是实现确定性实时调度的必要手段之一,采用以太网与TCP/IP相结合的方法,标准：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP 说明：它们是建立在以太网和TCP/IP协议基础上的数据传递提高实时性的主要手段包括提高通信速率,控制网络负荷以及采用全双工交换技术 然而,交换式以太网并不是实时通信最终的解决方案, 当多个数据流同时到达交换机时,需要将其缓存后从目的端口顺序输出,此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换机的具体实现方式和网络的负载情况,其值仍是一个不确定的数值在许多工业应用环境中,需要一个设备同时向多个设备发送数据(如广播或发布/预定关系)交换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多播报文同时传递到一个端口时会造成数据传递的时延采用以太网与TCP/IP相结合的方法,标准：HSE、EtherNET/IP和Modbus/TCP 说明：它们是建立在以太网和TCP/IP协议基础上的数据传递。

提高实时性的主要手段包括提高通信速率,控制网络负荷以及采用全双工交换技术 然而,交换式以太网并不是实时通信最终的解决方案, 当多个数据流同时到达交换机时,需要将其缓存后从目的端口顺序输出,此时多路转换和缓存的时间取决于不同交换机的具体实现方式和网络的负载情况,其值仍是一个不确定的数值在许多工业应用环境中,需要一个设备同时向多个设备发送数据(如广播或发布/预定关系)交换式以太网更适合于点对点的数据交换，当广播或多播报文同时传递到一个端口时会造成数据传递的时延采用以太网与TCP/IP相结合的方法,另外，HSE，Ethernet/IP和Modbus TCP都没有在实质上解决以太网的通信不确定性问题，而是采取了一种比较折衷的方案，即传输层、数据链路层和物理层沿用以太网的原有机制，在用户层或应用层对数据的传输进行控制而对于应用层以下的报文是不能控制的，如ARP (Address Resolution Protocol)、ICMP (Internet Control Messages Protocol)等协议所产生的报文这种折衷的方案不能满足实时性要求很高的场合直接修改CSMA/CD方式,由于导致不确定性通信的CSMA/CD机制位于以太网MAC层,所以最直接的方法是修改以太网的MAC层协议。

采用这种方式中,加州大学开发的CSMA /DCR协议影响较为广泛，它保持了与标准CSMA/CD 的兼容，该协议在未发生冲突的情况下，采用CSMA/CD协议，当发生冲突时，采用一种确定性的冲突解决算法(二叉树遍历算法)来保证一个确定性数据的最坏信道访问时间 但由于以太网的MAC协议是固化在硬件芯片中的,要修改MAC层协议,就必须对相关硬件进行改动;其次,该类只能保证确定时间内解决冲突,往往最坏冲突解决时间通常远大于平均冲突解决时间,而实时系统中最关注的正是系统在最坏条件下的表现因此此类方案多见于学术文章，没有相应的工业标准采用数据链路层增加实时调度层的方式,在MAC层之上增加一个实施确定性调度的软件层. 现有的几种方案的共同思想是,网段内的实时报文和非实时报文将分时发送,协议栈中实时通信报文经过数据链路层传递后,不经过网络层和传输层而直接传递给应用层,同时非实时报文仍然要通过TCP/IP协议来传递.典型的有下列几种： (1) 基于带宽预留方式的调度 (2) 基于时间片的分时调度方式 (3) EtherCAT方式,(1) 基于带宽预留方式的调度,标准：RETHER，Ethereal 说明：RETHER是一个在传统总线共享式以太网上实现确定性调度的协议，该协议在MAC层之上的调度层中采用了一种增强型的分布式令牌传递机制来控制各个节点的数据发送，以冲突避免的方式来保证数据发送的确定性。

Ethereal协议也是一个采用带宽预留方式来保证数据传送实时性的协议该协议的特点是为保证实时性所增加的实时控制逻辑位于交换机的软件中，而对于网络中各节点的网络硬件甚至运行于其上的操作系统几乎不做任何特殊要求，即网络节点所处的软硬件环境是透明的在交换机上运行的调度软件以带宽预留的方式保证实时数据的确定性,同时以最大努力方式进行非实时数据的传送 带宽预留式调度方式的缺点是，当现场环境中一个网段包含大量的网络节点，节点间随机性通信频繁时，调度算法的效率不高2) 基于时间片的分时调度方式,标准：Powerlink，Profinet,EPA 说明：Powerlink是由奥地利B&R公司开发的以太网控制协议，该方案在MAC层之上实现了一个基于主从式轮询机制的调度策略，使用时间槽来分配发送许可该机制在网络上定义一个网络站点来担当管理者，配置其它站点的时间槽，其它节点以从站方式运行，只有在收到主站的发送许可时才能发送数据站点之间的数据交换是在一个固定的时间间隔内循环执行的，这个时间周期由管理者进行配置管理者在为各站点分配时间槽时，也为普通的非实时数据预留了时间槽。