数据通信与控制网络.ppt

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1、1,数据通信与控制网络,2,第3章 局域网技术及其以太网,主要内容 3.1 局域网概述 3.2 局域网协议 3.3 网络互联技术 3.4 以太网及其组网方式 3.5 高速以太网技术简介 3.6 工业以太网,3,3.1 局域网概述,局域网经历了三代： 第一代是以CSMA/CD和标记环为代表，提供终端到主机的联接，支持客户机/服务器结构，运行在中等数据率； 第二代以FDDI为代表，满足对LAN骨干网的要求，支持高性能工作站； 第三代以千兆位以太网与ATM局域网为代表，提供多媒体应用所需的吞吐量和实时传输的质量保证。,4,3.1 局域网概述,局域网的研究始于70年代，以1975年美国施乐Xerox公

2、司推出的实验性以太网（Ethernet）和1974年英国剑桥大学研制的剑桥环网为典型代表。 目前，Novell公司的 Netware、IBM公司的令牌环网、3COM公司的3COM Ether系列网、Microsoft公司的Windows NT、Datapoint公司的ARCNET网等是局域网市场流行最广的网络。,5,3.1 局域网概述,3.1.1 局域网的组成与特点 局域网：在较小的地理范围内，利用通信线路将众多微机等设备连接起来，实现相互间的数据传输和资源共享的系统称为计算机局域网络。 局域网基本组成包括如下部分： （1）服务器（Server） （2）客户机（Client）。 （3）网络硬件

3、设备。 （4）通信介质。 （5）网络操作系统和局域网络协议等软件。,6,3.1 局域网概述,局域网特点： （1）以微机为主要建网对象。大部分局域网中没有中央主机系统，只有多种微机及外设，可以说局域网是专为微机而设计的网络系统。 （2）地理覆盖范围有限。通常网络分布在一座办公大楼或集中的建筑群内，为一个部门所有，涉辖范围一般只有几公里。一般来说，局域网的覆盖范围在10km之内。至多不超过25km。 （3）通信传输速率高且误码率低。局域网一般为基带传输，传输速率一般为10100Mbps，甚至更高。因为传输距离短误码率很低，一般在10-910-12范围内，能支持计算机间高速通信。,7,3.1 局域网

4、概述,（4）可采用多种通信介质。如低廉的非屏蔽双绞线、同轴电缆或价格昂贵的光纤等。 （5）一般采用灵活方便的分布式控制和广播式通信传输控制方式，可靠性较高。结点的增删比较容易。 （6）建网周期短且便于管理和扩充。局域网由于范围小，又为部门所有，因此建网周期短、成本低，因此维护管理和扩充都十分方便。,8,3.1 局域网概述,3.1.2 局域网分类 局域网通常划分成三类：一般局域网（LAN）、高速局域网（HSLN）和计算机化分组交换机（CBX）。三类局域网的主要特性见表。,9,3.1 局域网概述,1、一般局域网（LAN） LAN可以支持小型机、大型机、终端和其他外围设备的互连。 最常见的LAN的类

5、型是采用同轴电缆的总线/树型网。也可选择采用双绞线、同轴电缆、甚至光纤的环型网。 LAN的传输速率为1Mbps20Mbps。 美国电气和电子工程师协会（IEEE）成立的IEEE802委员会制定了LAN的标准，其标准称为IEEE802标准。,10,3.1 局域网概述,2高速局域网（HSLN） HSLN是为大型机和大容量存贮设备之间高吞吐量而设计。 HSLN的主要集中于采用CATV同轴电缆的总线结构，HSLN可达到很高的数据速率（标准的是50Mbps），但距离和所联设备数非常有限。 HSLN主要用于计算机房的装置。一般不用于小型机、微型机和一些不太贵的外设。 HSLN的标准由美国国家标准局（ANS

6、I）所属的一个委员会，即ANSX3T9.5委员会制定。,11,3.1 局域网概述,3计算机化分组交换机（CBX） CBX是一种数字专用分组交换机，用于处理声音和数据的转接。 通常采用星型或层星型拓扑结构，用双绞线将端结点连到转接点。 LAN和HSLN采用报文分组转接，而CBX则采用电路转接。 CBX中，对单个端结点的数据速率一般较低，但保证一定的频带宽度。当连接建立之后，网络中基本无延迟。 CBX主要适用于语音传输、终端-终端和终端-主机的数据传输。,12,3.1 局域网概述,HSLN可以提供相当高的数据传输速率，但由于价格昂贵，所联设备和传输距离的限制，所以，应用面非常狭窄。 而LAN和CB

7、X的应用范围都非常广。 从技术上而言，LAN发展得较快，现在已试图将LAN的技术应用于CBX。 从开放系统互连的角度看，LAN的通用性更大。国际上有关LAN下三层的标准已趋于成熟。 以下所有局域网均指LAN。,13,3.1 局域网概述,3.1.3 局域网的层次结构 局域网对应了ISO/OSI参考模型的最低两层： 其中物理层用来建立物理连接； 数据链路层将数据组成帧进行传输，并对数据帧进行顺序控制、差错控制和流量控制，使不可靠的链路变为可靠的链路。参考模型见图。,14,3.1 局域网概述,1.物理层 物理层完成信号的编码/译码、前导码的生成/除去、比特的发送/接收等功能。 有关信号与编码常采用曼

8、彻斯特编码； 介质为双绞线、同轴电缆和光缆等； 拓扑结构多为总线、树和环型； 传输速率为1Mbps，4Mbps，10Mbps，50Mbps，100Mbps等。,15,3.1 局域网概述,数据链路层分为：数据链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）两个功能子层。 目的：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。 2. MAC子层 LAN对于不同的拓扑结构和媒体，其访问控制不同。 如总线形，各站点采用竞争方式；环形结构采用令牌传递方式等，所以说局域网的差别主要体现在物理层和MAC子层。 MAC子层有管理多个源链路和多个目的链路的功能。 IEEE802标准制定了几种介质访问控制方法（

9、如CSMA/CD，Token-Ring，Token-Bus等）。,16,3.1 局域网概述,17,3.1 局域网概述,3. LLC子层 LLC子层屏蔽了媒体访问控制方法，为连到局域网上的端系统提供端到端的差错控制和流量控制。 向高层提供一个或多个服务访问点SAP的逻辑接口，具有帧的接收、发送功能。 发送时把要发送的数据加上地址和循环冗余校验CRC字段等构成LLC帧； 接收时把帧拆封，执行地址识别和CRC校验功能，并且有帧顺序、差错控制和流量控制等功能。 包括一些网络层的功能，如数据报，虚电路和多路复用等。,18,3.1 局域网概述,3.1.4 局域网的基本技术 1.拓扑结构：星（Star）、环

10、（Ring）、总线或树（Bus/Tree） 2. 传输形式 局域网的传输形式有两种：基带传输与宽带传输。 典型的传输介质：双绞线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光导纤维，电磁波等。 3. 介质访问控制方法 主要有五类：固定分配、需求分配、适应分配、探询和随机访问。 其中环型网采用的令牌访问方法，总线型网采用的CSMA/CD访问方法等是局域网典型的访问方法。,19,3.2 局域网协议,IEEE 802局域网络标准委员会对计算机局域网络协议制定了若干标准，统称为IEEE 802系列标准。,20,3.2 局域网协议,IEEE 802委员会下设若干个子委员会，研究局域网的不同发展领域，其研究目标包括：

11、（1）IEEE 802.l标准，包括局域网体系结构、系统构成、网络互联，以及网络管理与性能测量； （2）IEEE 802.2标准，定义了逻辑链路控制层（LLC）功能与服务； （3）IEEE 802.3标准，定义了载波侦听多路访问/冲突检测CSMA/CD总线介质访问控制方法与物理层规范； （4）IEEE 802.4标准，定义了令牌总线介质访问控制方法与物理层规范； （5）IEEE 802.5标准，定义了令牌环介质访控制方法与物理层规范； （6）IEEE 802.6标准，定义了城域网MAN介质访问控制方法与物理层规范；,21,3.2 局域网协议,（7）IEEE 802.7标准，定义了宽带技术； （

12、8）IEEE 802.8标准，定义了光纤技术； （9）IEEE 802.9标准，定义了语音与数据综合局域网技术； （l0）IEEE 802.10标准，定义了可互操作的局域网安全性规范； （11）IEEE 802.11标准，定义了无线局域网技术； （12）IEEE 802.12标准，定义了优先级高速局域网（100Mb/s)； （l3）IEEE 802.13标准，定义了快速以太网5B/6B编码技术。 IEEE 802.lIEEE 802.6已经成为ISO的国际标准ISO8802-lISO8802-6。,22,3.3 网络互联技术,3.3.1 网络互联的基本概念 网络互联是指将分布在不同地理位置的网

13、络、设备相连接，以构成更大规模的因特网络系统，实现因特网络资源的共享。 互联的网络和设备可以是同种类型的网络、异构网络，以及运行不同网络协议的设备和系统。使原来不能通信的网络间实现相互通信。 在互连网中，每个子网为互连网的一个部分，每个子网的网络资源都应该成为互连网中的共享资源。同时，又应该屏蔽各子网在网络协议、服务类型、网络管理等方面的差异。 网络互连技术能实现更大规模、更大范围的网络连接，使网络、网络设备、网络操作系统与网络资源、网络服务成为一个整体。,23,3.3 网络互联技术,要实现网络互联必须做到： （l）在互联的网络之间提供链路，至少有物理线路和数据线路； （2）在不同网络结点的进

14、程之间提供适当的路由来交换数据； （3）提供网络记账服务，记录网络资源使用情况； （4）提供各种互联服务，应尽可能不改变因特网的结构。 网络互联类型主要有：局域网-局域网互联、局域网-远程网互联、局域网通过远程网与局域网的互联，以及远程网与远程网的互联。,24,3.3 网络互联技术,3.3.2 网络互联设备分类 网间互联设备有： 中继器（Repeater）、网桥（Bridge）、路由器（Router）和网关（Gateway）。 网络互连从通信协议的角度可分为四个层次： 在物理层，使用中继器在不同网段之间复制位信号； 在数据链路层，使用网桥在局域网之间存储或转发数据帧； 在网络层，使用路由器在不

15、同网络间存储转发分组信号； 在传送层及传送层以上，使用网关进行协议转换，提供更高层次的接口。,25,3.3 网络互联技术,1中继器 中继器起简单的信号放大作用，只能接收和转发数据流，它对所通过的数据不作处理。 主要用于延长电缆和光缆的传输距离。 中继器工作在物理层，实现两个相同的局域网段间的电气连接，在两个物理网段上做比特流的复制，用以扩展局域网的地理范围。 一个中继器只包含有一个输入端口和一个输出端口。 中继器只适用于总线拓扑结构的网络。 使用中继器的好处是扩展网络的成本较低廉。 主要有电信号中继器和光信号中继器。,26,3.3 网络互联技术,中继器图：,27,3.3 网络互联技术,2网桥

16、网桥是存储转发设备，是在数据链路层上实现不同网的互联。网桥的基本特征是： （1）网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络； （2）网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现两个因特网络之间的通信； （3）网桥需要两个因特网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议； （4）网桥可以分隔两个网络之间的通信量，有利于改善因特网络的性能与安全性。 网桥在局域网中经常被用来将一个大型局域网分成既独立工作又能相互通信的多个子网互联结构，从而改善各个子网的性能与安全性。,28,3.3 网络互联技术,网桥能够解析它所接受的帧，并能指导如何把数据传送到目的地。 它能够读取目标地址信

17、息（ MAC），并决定是否向网络的其他段转发（重发）数据包，而且，如果数据包的目标地址与源地址位于同一段，就可以把它过滤掉。 当节点通过网桥传输数据时，网桥就会根据已知的MAC地址和它们在网络中的位置建立过滤数据库（也就是人们熟知的转发表）。 网桥利用过滤数据库来决定是转发数据包还是把它过滤掉,29,3.3 网络互联技术,3路由器 路由器在网络层上实现多个网络之间的互联。路由器的基本特征是： （1）路由器为两个或两个以上网络之间的数据传输解决最佳路由选择； （2）路由器与网桥的主要区别是： 网桥把几个物理的子网连接起来，向用户提供一个大的逻辑网络。 路由器则是从路由选择角度为不同的逻辑上独立的

18、子网用户之间的数据传输提供传输的路线； （3）路由器要求结点网络层以上的各层使用相同或兼容的协议。,30,3.3 网络互联技术,可路由的协议包括TCP/IP、IPX/SPX和Apple Talk。 不可路由的协议包括Net BEUI和SNA。 为了找出最优路径，各个路由器间要通过路由协议来相互通信。 路由协议可用收敛时间和带宽开销来表征： 收敛时间：路由器在网络发生变化或断线时寻找出最优传输路径所耗费的时间。 带宽开销：运行中的网络为支持路由协议所需要的带宽，,31,3.3 网络互联技术,路由协议：RIP、OSPF、EIGRP和BGP 为IP和IPX设计的RIP（路由信息协议）。 为IP设计的

19、OSPF（开放的最短路径优先）。 为IP、IPX和Apple Talk而设计的EIGRP (增强内部网关路由协议)。 为IP、IPX和Apple Talk而设计的BGP（边界网关协议）。,32,3.3 网络互联技术,桥式路由器和路由交换机 网桥路由器或桥式路由器：表示路由器具备了网桥的某些特征。 结合路由器和网桥的好处就是可以转发不可路由的协议，如NetBEUI。还可以通过一台设备连接多种网络。 路由交换机：是路由器和交换机结合而成的。 能解析OSI模型的第二层和第三层的数据。,33,3.3 网络互联技术,4网关或网间协议变换器 网关（Gateway）也叫网间协议变换器或信关。 网关是比网桥和

20、路由器更复杂的网络互联设备，能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。 可以实现不同协议的网络之间的互朕，包括不同操作系统的网络之间互联，也可以实现局域网与主机、局域网与远程网之间的互联。 网关应实现不同网络协议之间的转换。,34,3.3 网络互联技术,3.3.3 局域网操作系统 局域网操作系统是实现计算机与网络连接的重要软件。 局域网操作系统通过网卡驱动程序与网卡通信，实现介质访问控制和物理层协议。 对不同传输介质、不同拓扑结构、不同介质访问控制协议的异型网，要求计算机操作系统能很好解决异型网络互连的问题。 Netware，Windows NT Server，LAN Manager都是局域网操

21、作系统的范例。,35,3.3 网络互联技术,LAN Manager局域网操作系统 微软公司推出的基于Client/Server结构的服务器开放式局域网操作系统，具有优越的局域网操作系统性能。 采用网络驱动接口规范NDIS，支持Ethernet，Token Ring，ARC Net等不同协议的网卡、多种拓扑、传输介质。 提供丰富的实现进程间通信的工具，支持客户机的图形用户接口。 采用以域为管理实体的管理方式，对服务器、用户机、应用程序、网络资源与安全，实行集中式网络管理。通过加密口令控制用户访问，进行身份鉴定，保障网络的安全性。,36,3.3 网络互联技术,Netware 由Novell公司和A

22、pple公司联合提出，用于支持多种局域网协议的互连技术。 Netware互连技术的核心是开放数据链路接口ODI（Open Data link Interface）。 Netware可以支持Ethernet，Token Bus，Token Ring局域网。 可在服务器或工作站上插入多个不同协议的网卡，构成网桥，实现多种局域网络的互连。,37,3.3 网络互联技术,Windows NT Server 采用网络驱动接口规范NDIS与传输驱动接口标准，内置多种标准网络协议，如TCP/IP，NetBIOS，NetBEUI，允许用户同时使用不同的网络协议进行通信。 用于高性能工作站、服务器、大型企业网络、

23、政府机关等异种机互连的应用环境。 由Windows NT Server和Windows NT Workstation两部分共同构成完整的系统。,38,3.4 以太网及其组网方式,3.4.1 以太网概述 以太网是20世纪70年代末由美国数字设备公司Dec、Intel和Xerox三家公司共同研制出来的计算机局域网，简称DIX网，后来发展成了以太网。 1984年推出细电缆以太网产品，后来推出粗电缆、双绞线、CATV宽带同轴电缆、光缆以及多种媒体的混合以太网产品。 以太网优点： 传输速率高、网络软件丰富、系统功能强、安装连接简单和使用维护方便。,39,3.4 以太网及其组网方式,3.4.1.1 以太网

24、的发展阶段及其特点 以太网采用CSMA/CD的访问控制机制，是一种共享介质的局域网。 发展变化可分为以下几个阶段： （1）同轴粗电缆阶段。最初的以太网传输速率为每秒10兆位，10Base-5类同轴电缆（粗缆），10Mbps以太网为大学和企业的主干网。 （2）同轴细电缆阶段。基于细缆的10Base-2类，10Mbps以太网由于安装简单，价格便宜，得到了推广应用。 （3）双绞线电缆阶段。用电话系统双绞线为传输介质的以太网比同轴电缆组网更便宜、更灵活，更适合于局域网环境。 （4）光缆阶段。 10Base-FL等。 （5）近年来，发展了100Base-T、1000Base-T的以太网，采用了5类双绞线

25、作为这类网络的传输介质。,40,3.4 以太网及其组网方式,以太网发展的特点： 1）简易性：结构简单、易于实现、便于修改； 2）低成本：超大规模集成电路的发展和应用使联接设备及网络接口的成本不断下降； 3）兼容性：建成的各个以太网之间均在数据链路层交换数据，可以消除各种以太网之间的不相容因素； 4）编址灵活性：编址机构能够指出信息帧是送往一个节点、一组节点还是所有的节点； 5）均等性：从时间平均值看，所有节点对网络访问的机会是均等的； 6）扩展性：按照协议工作的任一节点都不会妨碍其它节点的扩展；,41,3.4 以太网及其组网方式,7）低延时：网络设计使帧在网络上的传输延时尽可能小。以太网的平均

26、响应时间为30ms； 8）稳定性：在满负载条件下，网络是稳定的； 9）可维护性：便于网络的维护、操作与规范化； 10）层次化体系结构：层次化体系结构便于分析数据链路协议的逻辑概念和通信媒体的物理细节； 11）广泛的使用范围：适用于办公自动化、分布数据处理和终端访问网络等领域； 12）高可靠性：单个工作站的故障不会影响整个网络，并可通过总线对各工作站进行检测、诊断，便于维护和故障恢复。,42,3.4 以太网及其组网方式,3.4.1.2 以太网的主要技术指标 1) 传输速率：一般为10Mbps，最新的速率可达100010Mbps； 2）拓扑结构：总线形结构为主； 3）通信媒体：同轴电缆、双绞线、光

27、纤； 4）所遵循的网络标准：IEEE 802.3； 5）介质访问控制方式：CSMA/CD； 6）网络层次：OSI中的物理层和数据链路层； 7）传输类型：报文分组交换； 8）分组长度：641518字节； 9）最大站数：1024个； 10）站间最大距离：2.5km（使用中继器）；,43,3.4 以太网及其组网方式,3.4.2 以太网的工作原理 3.4.2.1 IEEE802 3以太网标准 lIEEE 802.3体系结构 IEEE802.3分为两大部分：媒体访问控制子层（MAC）和物理层，对应于OSI的最低两层。 物理层中定义了两个兼容接口：媒体相关接口MDI和访问单元接口AUI。 媒体相关接口MD

28、I 是一个干线电缆接口，所有站都必须严格遵守IEEE802.3定义的物理媒体信号的确切技术规范，严格遵守站点正确动作的规程； 访问单元接口AUI 是干线联接电缆与站点的联接接口。,44,2MAC的帧结构包含的字段如下： l）前导码（P）：由7个字节的码组合，用作建立接收器的比特同步。 2）帧首定界符（SFD）：“10101011”序列，用作接收器对帧的首位进行定位，指示一帧的实际开始。 3）目的地址（DA）：2或6个字节的二进制数，用以指示该帧发往的目的站的地址，可以是唯一的地址、组地址或全地址。,45,3.4 以太网及其组网方式,4）源地址（SA）：指示发送该帧的站，其长度必须与DA的长度相

29、同。 5）长度（LEN）：2个字节二进制数，指示LLC数据的字节数。 6）LLC PDU：46至1500个字节，是由LLC提供的协议数据单元。 7）填充（PAD）：保证帧的长度而附加的8位位组序列。 8）帧校验序列（FCS）：32bit循环冗余校验码。,46,3.4 以太网及其组网方式,3MAC子层功能 MAC子层由数据封装和媒体访问管理两个功能模块组成。 当节点发送信息时，由LLC子层送出的发送信息经过发送数据封装模块形成帧结构，然后由发送媒体访问管理模块控制帧的发送，再通过物理层发送到媒体上。 当接收信息时，节点通过物理层接收到帧后，由接收媒体访问管理模块控制，把帧交给接收解封模块。帧解封

30、后，成为LLC子层所需要的信息，然后进入LLC子层。 MAC子层，具有冲突检测的载波帧听多路访问协议。,47,3.4 以太网及其组网方式,（1）发送数据封装模块的功能 接收LLC子层所提供的数据。 在该数据的前面加上前导码P、帧起始定界符SFD、目的地址DA、源地址SA、数据长度LEN。 在它后面附加上填充PAD和CRC校验序列，组成一个完整的MAC帧。然后把它交给发送媒体访问管理模块发送。,48,3.4 以太网及其组网方式,（2）发送媒体访问管理模块的功能 媒体空闲时，经过一个延迟，将发送信息送给物理层收发信号PLS接口，启动帧的发送。 物理层收发信号PLS接口将发送信息转换为媒体所要求的电

31、信号并发送到媒体上，并同时对碰撞信号进行检测。 若没有碰撞产生，则发送完成。,49,3.4 以太网及其组网方式,若产生了碰撞，物理层收发信号接口向MAC发出碰撞检测信号，通知媒体访问管理模块进行碰撞处理。 该模块收到信号后首先发送一个阻塞（Jam）位序列来强制碰撞继续，使得其它站有足够时间进行碰撞检测，然后停止发送，经一个随机的时间延时后，进行重发尝试。直至发送成功。,50,3.4 以太网及其组网方式,（3）接收媒体访问管理模块的功能 对物理层接收到的帧进行过滤和校验。 当物理层收发信号PLS检测到一帧的前导码时，该模块即开始检测到达的帧是否错误，帧长是否超过最大长度，是否为8位的整数倍，是否

32、有碰撞产生等，然后过滤掉出错的帧，将接收正确的帧交给接收数据封装模块处理。,51,3.4 以太网及其组网方式,（4）接收数据封装模块的功能 该模块的功能是对接收到的帧进行CRC校验，同时检验帧的目的地址字段，决定本站是否接收该帧。 如地址符合，则将帧的LLC PDU协议数据单元字段送给LLC子层处理。,52,3.4.2.2 以太网的工作原理 （1）以太网的控制流程 以太网是按CSMA/CD协议工作的，其控制流程如图5-5所示。,53,3.4 以太网及其组网方式,当任何站有信息包要发送时，先得听信道是否忙，若忙则应推迟发送，等待信道空闲后立即开始发送，并且边发送边检测碰撞。 若没有碰撞，就连续不

33、断发完为止。 若检测到碰撞，立即停止发送余下部分，转而发送阻塞信号，以增强冲突，供其它站点检测。 遇到碰撞的帧要重发，若重发多次不成功，可认为发送失败。 在以太网中，阻塞信号的长度为32bit，最大退后次数为10次，最大发送延迟量为1023个时间槽，最大的重发次数为16次。,54,3.4 以太网及其组网方式,（2）以太网媒体的工作状态 以太网的传输媒体具有三种工作状态：竞争状态、发送状态和空闲状态。如图5-6所示。,图5-6 以太网媒体的三种工作状态,55,3.4 以太网及其组网方式,媒体的连续的工作时间被划分为一系列的长度相等的时间槽，每一个时间槽的长度为信息最大传播延迟时间的两倍。 在t0

34、时刻，某站刚完成了一个信息帧的发送，这时，任何有帧要发送的站都可发。 若同时发送的站多于一个，就会有碰撞发生，这时碰撞的站将等待一随机延迟周期后再试发，最后在某一时刻t1有一个站竞争成功，这就结束了竞争周期而开始一个发送周期。,56,3.4 以太网及其组网方式,（3）应答式以太网的控制流程 应答式以太网对原以太网的竞争规则作了修改，赋予ACK帧较高的竞争优先权，每当一个信息帧传输结束时，信道就保留一个时间间隔。让接收站能立即向源站发回一个ACK帧。 其它要发送信息帧的站在检测到信道空闲时，必须再等待基本等待时间BWT后，如信道仍然空闲才能发送。其控制流程如图所示。 这种改变加速信息帧的接收应答

35、过程，从而提高了信道吞吐量，改善了网络性能。,57,58,3.4 以太网及其组网方式,3.4.3 局域网组网方法 3.4.3.1 IEEE 802.3物理层标准类型 IEEE 802.3标准为了能支持多种传输介质，在物理层为每种传输介质制定了相应的标准。 主要有：10Base-5、10Base-2、10Base-T、10Base-FP、10Base-FB与l0Base-FL。 IEEE802.3物理层标准与802.3介质访问控制子层及802.2逻辑链路控制子层的关系如图5-8所示。,59,3.4 以太网及其组网方式,60,3.4 以太网及其组网方式,以太网在逻辑链路控制LLC子层采用802.2

36、标准，在介质访问控制MAC子层采用CSMA/CD方法，物理层可以任意选取6种标准中的一种或多种的组合。 例如：10Base-T，是1990年补充的一个物理层标准。 10Base-T采用以集线器Hub为中心的星形拓扑结构。 由标准的RJ-45接插件、非屏蔽双绞线、网卡、集线器Hub组成。 网卡与集线器之间的非屏蔽双绞线长度最大为100m，其结构如图5-9所示。,61,3.4 以太网及其组网方式,62,3.4 以太网及其组网方式,3.4.3.2 以太网络接口适配器网卡 以太网接口适配器可以分为3类： 标准的以太网卡、便携式适配器与PCMCIA卡。 标准的以太网卡是为台式计算机连网设计的。 可从支持

37、的物理层标准及与主机接口方式的不同等方面进行分类。,63,3.4 以太网及其组网方式,1网卡所支持的传输介质 以太网卡可支持的传输介质有粗缆、细缆、双绞线与光纤。 针对不同的传输介质，网卡提供了相应的接口。 适用粗缆的网卡应提供连接单元接口AUI ，适用细缆的网卡应提供NC接口，适用于非屏蔽双绞线的网卡应提供RJ-45接口，适用于光纤的网卡应提供光纤的F/O接口。 多数以太网卡都是将几种接口形式集成在一块网卡上，如AUI/BNC、AUI/RJ-45、BNC/RJ-45的二合一网卡，以及AUI/BNC/RJ-45的三合一网卡。 多种接口的网卡一方面可以适应不同类型传输介质的连接要求；另一方面也为

38、冗余连接提供条件，以提高网络连接的可靠性。,64,3.4 以太网及其组网方式,2网卡支持的主机总线类型 网卡必须和它所连接的计算机总线类型相适应。 典型的微型机总线有8位PC总线、16位的ISA总线与32位的EISA总线等，而PS/2采用微通道MCA总线结构。网卡也设计为适应不同总线类型。 不同厂家生产的以太网卡在集成度、网卡CPU、数据缓冲区、配置方法上都有较大的区别。 目前广泛使用的以太网卡主要有3Com公司生产的Etherlink 3C501、Etherlink3C503、Etherlink Plus 3C505、Etherlink/Mc 3C523，以及Novell公司生产的NE200

39、0、NE3200 NE/S及多种兼容网卡。,65,3.4 以太网及其组网方式,3.4.3.3 同轴电缆以太网的组网 以太网所使用的同轴电缆有两种；粗同轴电缆和细同轴电缆。 相应有3种方式：粗缆以太网、细缆以太网及粗/细缆混用的以太网。 1粗缆以太网 图5-10是一个粗线以太网的结构示意图。,66,3.4 以太网及其组网方式,所需设备如下： 网卡：连网的每个结点需要提供AUI接口的以太网卡。 收发器：结点通过安装在总线同轴电缆的外部收发器连入网内。 收发器电缆：又称连接单元接口AUI缆，用于结点中网卡与收发器的连接。 电缆系统：主要包括： RG-11A/U 500特性阻抗的粗同轴电缆； N-系列

40、电缆连接头，安装在粗同轴电缆的两端； N-系列桶形连接器，在单根电缆长度不够时，通过它连接两条粗电缆段； N-系列终端匹配器，安装在粗缆的两端，防止信号反射；两个终端匹配器其中有一端必须接地。,67,3.4 以太网及其组网方式,粗缆以太网主要技术参数如下： 不使用中继器时，最大粗缆长度不能超过500m。 使用中继器：一个以太网中只允许最多使用4个中继器。 线段最大长度不能超过2500m。 每个以太网网中连入的结点数最多为100个。 两个相邻的收发器之间的距离最小为2.5m、收发器电线最大长度为50m。,68,3.4 以太网及其组网方式,2细缆以太网 （1）如图5-11所示。基本硬件配置： 网卡

41、； BNC T型连接器； 电缆系统。 电缆系统主要包括：RG-58A/U 50的细同轴电缆； BNC连接头，安装在细缆段的两端；BNC桶形连接器，用于连接两个细缆缆段；BNC终端匹配器，安装在细缆的两端；,图5-11 典型的BNC电缆连接结构,69,3.4 以太网及其组网方式,（2）细缆以太网的主要技术参数 不使用中继器时，最大的细缆长度为185m。 使用4个中继器，最大的细缆长度可以达到925m。 连入结点数最多为30个。两个相邻BNC T型连接器的距离应是0.5m的整数倍，最小距离为0.5m。 与粗缆连接方式比较，细缆系统造价低、安装容易。 由于缆段中连入多个BNC T型连接器，存在多个B

42、NC连接头与BNC T型连接器的连接点，因而同轴电缆连接的故障率较高，系统可靠性受到影响。 细缆以太网多用于小规模网络或实验室环境中。,70,3.4 以太网及其组网方式,3. 粗/细缆混合以太网 在组建粗/细缆混合以太网时还必须使用粗缆和细缆之间的连接器件。 粗/细缆混合结构的电缆段最大长度为500m。,71,3.4 以太网及其组网方式,3.4.3.4 双绞线以太网的的组网 1.组建符合10Base-T标准的双绞线以太网需要以下硬件设备： 网卡。 集线器Hub：集线器将接收到的数据转发到每一个端口。 集线器不提供帧过滤和存储转发功能。 结点通过非屏蔽双绞线传送到集线器的数据信号将转发给所有结点

43、。 非屏蔽双绞线：10Base-T标准要求使用3类4芯的非屏蔽双绞线，一对线用于信号发送，一对线用于信号接收。 每条双绞线的两端必须装有RJ-45插头，用于网卡与集线器，以及集线器与集线器的连接。,72,3.4 以太网及其组网方式,2双绞线以太网的结构 双绞线以太网结构可分为：单一集线器结构、多集线器级联结构、可叠加集线器结构等。 单一集线器结构： 所有结点通过双绞线与集线器连接，构成物理星形拓扑。结点到集线器的双绞线最大长度为100m。 单一集线器结构适宜于小型工作组规模的局域网，一般支持824个RJ-45端口和一个BNC、AUI或光纤连接端口。 典型的单一集线器结构如图所示。,图5-12

44、单一集线器结构,73,3.4 以太网及其组网方式, 多集线器级联以太网结构： 对于规模较大，或结点数超过单一集线器的端口数时，通常采用多集线器级联结构。 多集线器级联两种方法： 使用双绞线，通过集线器的RJ-45端口级联； 使用同轴电缆、光纤，通过集线器提供的向上连接的端口实现级联。,74,3.4 以太网及其组网方式, 可堆叠集线器以太网结构： 适用于中、小型企业连网环境。 可堆叠集线器是由一个基础集线器与多个扩展集线器组成。 基础集线器是一种具有网络管理功能的独立集线器。 通过在基础集线器上堆叠多个扩展集线器，一方面可以增加以太网的结点数，另一方面可以实现对网中结点的网络管理功能。,75,3

45、.5 高速以太网技术简介,3.5.1 百兆比特快速以太网 基于10Base-T和10Base-F技术发展起来的传输率达到100Mbps的局域网。应用最广泛的是100 Base-TX和100 Base-FX。 拓扑结构和媒体布局与10 Base-T和10 Base-FL一样。 帧结构和媒体访问控制方式使用了IEEE 802.3的基本标准。 既有共享型集线器组成的共享型快速以太网系统，又有快速以太网交换器构成的交换型以太网系统。 百兆比特快速以太网（Fast Ethernet）从IEEE.802标准来看，具有MAC子层和物理层（包括物理媒体）的功能。 1995年，作为IEEE 802.3标准的补充

46、，制定IEEE 802.3u百兆比特快速以太网标准。,76,3.5 高速以太网技术简介,在统一的MAC子层下面，有四种百兆比特以太网的物理层，每种物理层连接不同的媒体来满足不同的布线环境，如图3-14所示。,77,3.5 高速以太网技术简介,100Base-TX继承了10Base-T 5类非屏蔽双绞线的环境，在布线不变的情况下，从10Base-T设备更换成100Base-TX的设备即可形成一个100Mbps的以太网系统； 100Base-FX继承了10Base-FL的多模光纤的布线环境，可直接升级成100Mbps的光纤以太网系统； 100Base-TX和100Base-FX的应用最为普及，在2

47、0世纪90年代以来建设的网络布线系统中一般都选用了5类双绞线或光纤，这便为100Base-TX和100Base-FX的建设奠定了物质基础。,78,3.5 高速以太网技术简介,1快速以太网系统的组成 构建100Mbps快速以太网系统，需要网卡（外置或内置收发器）、收发器（外置）与收发器电缆、集线器或交换器。 2传输媒体 主要使用双绞线与光缆两种媒体。 对于100Base-TX，可选用阻抗为100的5类非屏蔽双绞线，也可选用阻抗为150的屏蔽双绞线。 屏蔽和非屏蔽双绞线的最长媒体段为100m。 在100Base-FX环境中： 选用多模光纤，100Mbps传输速率，全双工，最长可达2km； 选用单模

48、光纤，全双工情况下，可达到40km，但价格贵。,79,3.5 高速以太网技术简介,3集线器 集线器是百兆比特快速以太网星形结构的核心。 按结构可分为共享型和交换型； 按所用媒体可分为使用双绞线的集线器（即100Base-TX）和使用光纤的集线器（即100Base-FX）； 按硬件设备可分为单台非扩展型，堆叠型和厢体型。,80,3.5 高速以太网技术简介,100Mbps快速以太网集线器，一般配置了824个端口，厢体型集线器可达到近百个端口。 对于共享型集线器，整个系统的带宽只能是100Mbps，设端口数为n，在所有端口均连接站点后，则每个站点得到的带宽是100Mbps/n，端口数越多，每个站点获

49、得的带宽越少，因此一个共享型集线器上的端口数一般不超过24个。 交换型集线器能使整个系统的带宽拓展，一台具有12个端口的100Mbps快速以太网交换型集线器其带宽可达1Gbps。,81,3.5 高速以太网技术简介,厢体型集线器一般均为交换型的结构，其背板带宽可达5Gbps以上，在网络建设中作为系统的主干设备使用。 堆叠型集线器过去主要用于共享型以太网系统，它把端口数有限的单个共享型集线器堆叠成一个端口数成倍增加的堆叠式集线器。 使用双绞线的集线器价格较低，安装方便，但使用双绞线的媒体段最长只能达到100m。 与双绞线相比，光纤具有诸多的优势，以光纤作为媒体用在交换型集线器上，对于系统扩展带宽带

50、来极好的前景。,82,3.5 高速以太网技术简介,3.5.2 千兆比特快速以太网吉比特以太网技术 在应用以太网的过程中，对网络技术和结构的升级主要集中在以下三点上： （1）增加系统的带宽。随着网络业务的增长，网络设备和传输媒体上的数据流量随之增长，因此要求系统不断增加带宽。 （2）保护已有的投资。当用户升级和迁移时，原来的网络设备不能舍弃，原来操作人员经过培训后的技能也希望在新的网络系统环境中能够平滑继承。 （3）在技术上，系统的升级和迁移要平滑过渡，尽可能降低费用开销。,83,3.5 高速以太网技术简介,吉比特以太网优势在于： （1）使系统主干或者客户站点访问服务器的速度大大提高； （2）这

51、是一种平滑过渡的技术，用户在培训和维护方面的投资能够得到有效的保护； （3）系统升级的投资降到最低限度，具有很高的性价比； （4）用户不需要再花精力去学习新的协议和技术，用户并没有感到系统升级带来的困难和风险。,84,3.5 高速以太网技术简介,1吉比特以太网的三层结构设计 最下层是由10Mbps的以太网构成；第二层是由100Mbps的以太网构成；最上层是由吉比特以太网构成。 这种设计中，价低的交换机用来处理标准的10Mbps工作站连接，价高、容量大的交换机用在通信汇集的高层。 工作组交换机可采用部分阻塞结构，即设计成只有部分节点在同一时间高速传送信息，如果这些节点被阻塞，也只有少数节点和有限

52、的地区受影响。 高层交换机一般设计成无阻塞的，从而确保在高层不会丢失数据分组。 三层设计也提供多层的流量控制和缓冲。流量控制可以使来自高速端口的信息在低速端口装置上不发生丢包。,85,3.5 高速以太网技术简介,2吉比特以太网的应用 吉比特以太网具有10Mbps以太网的所有特征：即相同的帧格式、相同的介质访问控制方法（CSMA/CD）、相同的组网方法。 一种以太网组建企业网的解决方案为： 桌面系统采用速率为10Mbps的以太网，部门级系统采用速率为100Mbps的快速以太网，企业系统采用速率为1000Mbps的吉比特以太网。 如果：现有的10Mbps以太网互联到622Mbps ATM局域网上，

53、一方面由于以太网与ATM工作机理存在着较大的差异，降低网络效率；另一方面网络技术人员需要重新培训，带来技术成本的增加。 如果全部采用以太网则不存在这个问题。,86,3.6 工业以太网,3.6.1 概述 以太网已经渗透到了控制层和设备层，PLC和远程I/O供应商能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。 以太网改变自动化市场有三个原因： 1低成本的刺激和速度的提高。 100Mb/s的网卡售价仅为20美元左右。 千兆位以太网使速度提高到最初速度的100倍。 2现代企业对实时生产信息有越来越多的要求。 企业的信息层大多数采用了以太网的解决方案，当控制层和设备层都采用以太网时，可实现各层之间信息的无缝

54、连接，而且整个网络系统将是透明的。,87,3.6 工业以太网,3以太网的开放性和兼容性。 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和DCS厂家广泛接受。 以太网还具有向下兼容性。快速以太网是在双绞线连接的传统以太网标准(10Base-T)的基础上发展起来的。在大多数场合，它还可以使用现有的布线。 以太网还允许逐步采用新技术。不必改变整个网络，可以一步步将整个网络升级。,88,3.6 工业以太网,3.6.2 工业以太网的特点 工业以太网设备要求工作温度范围较宽、封装牢固(抗振和防冲击)、导轨安装、电源冗余、24V DC供电等。 工业以太网设备与

55、普通商用以太网设备之间的区别，如表5-2所示。,89,表3-2 工业以太网设备与普通商用以太网设备之间的区别,90,3.6 工业以太网,工业自动化要求工业以太网解决方案必须满足鲁棒性和可靠性方面的专门需要。 德国赫斯曼公司（Hirschmann）从80年代末就开始研究冗余以太网，拥有“环形以太网冗余”的专利。采用抗干扰的光纤和集成的冗余机制增强了数据网络的可靠性，从而保证了生产过程的正常进行。 过去，冗余网络都是采用双总线方式实现的。 现在，在总线的两端之间增加一条链路即可实现高效率、高性价比的冗余。,91,3.6 工业以太网,3.6.3 工控技术的“IT”化将重建企业网络模型 工业以太网和I

56、nternet技术的发展将改变企业的网络结构。 由于企业的三层网络传输的数据类型和对实时性的要求不同，在不同层次之间还需设置路由器或网桥，如图5-15所示。 以太网是低两层标准。 传输层和网络层的协议多采用TCP/IP。 应用层协议存在分歧，3个主要协议是： Modbus/TCP(基于TCP/IP的Modbus协议)、EtherNet/IP(基于TCP/IP的Control-Net/DeviceNet)和基于以太网的Profinet协议。 Modbus协议为众多的供应商所支持。 由于以太网本身的开放性，它允许在同一个网络上运行不同的应用层协议。,92,图5-15 基于工业以太网的企业网络模型,

57、93,3.6 工业以太网,控制器的位置可以位于现场，也可以位于中央控制室。 有些控制器和远程I/O模块中集成了Web服务器，允许信息层的用户可直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。 可实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产成为直接面向市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济全球化的要求。 工业以太网有着非常广泛的前景。随着在工业领域的进一步应用，以太网不仅会对企业内部的通信系统产生巨大的改进，还将对企业的管理和运营方式产生深远的影响。 采用以太网结构和开放的软件系统的制造企业被称为“透明工厂”。,94,3.6 工业以太网,3.6

58、.4 工业以太网技术的发展与应用 1以太网技术的改进 以太网的通信速率一再提高。 交换技术的快速发展已经消除了以太网应用于控制领域的障碍。 交换式以太网技术产生于1992年。这项技术使得多个网上设备之间同时进行通信时不会有冲突发生。其做法是把网络用交换器分割成互不相连的几个网段，每个设备独占一个网段，从而大大降低冲突的可能性。 所以，以太网已向现场总线控制领域延伸。,95,3.6 工业以太网,2嵌入式以太网的发展 利用嵌入式软、硬件，设计者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌入式以太网的出现为现场总线控制系统的设计者提供了现场设备通信的新途径。 在硬件方面，国外大公司已经利用嵌入

59、式技术将以太网用于它们最新推出的现场总线控制系统。如GE公司将以太网接口做在保护装置中，ABB推出了带以太网接口的间隔控制器R580。,96,3.6 工业以太网,在软件方面，美国集成系统公司(Integrated Systems Inc)推出pSOSystem,简称pSOS嵌入式操作系统。 pSOS采用了先进的模块化体系结构，包括一个实时多任务核心和一系列的公司软件部件和连接库。 系统中的每个部分都是封闭式的，相互之间既独立又密切协作，这在很大程度上提高了pSOS的可扩展性。 开发人员可以根据不同的应用需求来制定操作系统的功能和所需要内存的大小。 Windows CE也是较好的嵌入式操作系统。

60、一些公司已生产出采用WinCE的控制装置，如WinPLC，GE公司的CNC，Xycom自动化公司的ASIC300等。,97,3.6 工业以太网,3高速以太网HSE（High Speed Ethernet）简介 HSE在1998年3月被现场总线基金会认可。2000年3月，现场总线基金会颁布了HSE最终技术说明书。 HSE支持基金会现场总线(FF)协议的各个方面，而且能充分利用已经成熟的以太网技术。 HSE使用以太网现成的交换器、路由器、网线及光纤，连接成各种拓扑和规模的网络。 HSE结构应用标准以太网协议，如TCP/IP,SNTP,SNMP等，为H1现场总线信息在主干网上高速高效的传输而设计。

61、应用FF标准功能块如AI，AO和PID等，保证控制网络上各层数据表达的一致性。,98,3.6 工业以太网,HSE连接器融合网桥和网关功能。 连接器用于连接H1现场总线各个网段，并提供对HSE主干网的接口，其速度为100Mbit/s或1Gbit/s。 连接器网桥功能使H1设备通过连接器传输接口相互连接，而不用上层系统的干预。 连接器的网关功能可以使HSE网络与其它底层控制或信息网络相连。,99,3.6 工业以太网,HSE连接器和现场设备组成在现场层的简单系统，在许多应用中，可以不需要上层控制器，降低设备成本和空间消耗。 将控制功能集成在HSE连接器中可使控制结构从控制室延伸到现场。可以减少集中控

62、制中的错误和遗漏。 HSE支持本征安全。可在危险的作业区域中工作。 现场总线基金会明确表示HSE就是一种具有控制功能的Internet。 HSE连接器将远端H1网段的信息传递到以太网主干线上。这些信息通过Internet传到主控室，操作员可以通过网络浏览器就能监控生产过程。控制信息也可同样被管理系统获取。 HSE是控制与管理联系起来的现场总线网络。,100,3.6 工业以太网,4以太网在工业领域的应用 以太网能否适应恶劣的工业环境。举两个实际例子： 第一个例子是在北海石油钻井平台上，它的灌浆系统应用了以太网。这个系统中的以太网控制器和I/O端口经过了IEC的14项工业标准测试，这些测试包括冲击

63、，震动以及各种环境条件(如潮湿，低温等)。这套系统通过了测试并且工作良好，这表明以太网能够适应恶劣的工业环境。 第二个例子是澳大利亚的一个金矿，它的控制系统采用以太网作为主干网。控制系统拥有50台计算机，148台可编程逻辑控制器和420000个I/O端口，能监视63000个监测点。它的主机系统软件采用Windows NT，是世界上最大的基于Windows操作系统的控制系统。,101,3.6 工业以太网,以太网能胜任实时控制。工业以太网的特点是： 首先，Ethernet贯穿于整个网络的各个层次，它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体。 实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，良好的互连性和可扩展性成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构。 其次，采用以太网作为现场总线，可以保证现场总线技术的不断发展。 另外，基于以太网的现场总线系统具备低成本的优越性。 相对于现场总线网卡的价格，以太网网卡的价格只有其十分之一。可以显著降低系统的开发和培训费用。,102,3.6 工业以太网,将以太网应用到工业控制领域，可以形成真正意义上的开放式系统，真正实现不同厂家的以太网产品的互连。 以太网应用于工业现场设备层是网络发展的趋势，也是信息技术发展的必然结果。,