Posted on 2010-12-16 10:53
幻海蓝梦 阅读(261)
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通信产品--相关知识
工业通讯的设定
下列内容将介绍快速以太网标准的背景和如何工作，未来的工业网络将离不开快速以太网和交换技术：
快速以太网之所以得到成功的原因在上面的内容已经介绍，它跟10Mbps的以太网相比有很多相似之处，也正是在以太网一步一步拓展的基础上诞生的，而没有更多新生的，完全不一样的技术。成本和费用在100Mbps技术中也得到了理想的控制。
网络分段
网络之所以可以工作的重要因素在于构建网络段。一个网络可以被分为不同的网络段，各个网络段与交换机连接。如果需要的话，每个终端设备也可以直接与交换机相连。SIMATIC NET交换机（比如ESM—电气交换模块）可以将10Mbps的网络段与100Mbps的网络段连接为一体。
使用ESM对网络进行分段：
交换机可以连接不同速率的网络段，也可以同时处理多路数据包。
独立网络
ESM可以将每个节点单独连接起来，每个节点单独工作。
ESM的功能类似一个多路复用器：
100Mbps总线型拓扑链路
100Mbps技术的使用起初是为了在网络中建立快速链路。当然，现存的10Mbps终端设备和网络元件依然可以建立快速链路，它们没有什么大的区别。但如果需要的话，可以将这些设备直接接入到100Mbps的网络中。
SIMATIC NET提供了OSM（光电交换模块）和ESM（电气交换模块）。这意味着用户可以通过光纤或双绞线来配置高性能的100Mbps网络的链路。
OSM是一种网络元件，带有2个100Mbps光纤接口和6个10/100Mbps接口。工业双绞线（D型口）和双绞线（RJ45）也可与OSM一起使用。100Mbps链路通过光纤口配置而成。终端设备或现存的网络段（比如来自OLM的工业以太网）能够连接到10/100Mbps的接口上。数据传输速率可以根据所连接的各装置的容量而自动调节。
总线型拓扑结构中用100Mbps光纤构建的链路：
ESM是一种全电气化的网络元件，带有8个10/100Mbps接口。工业双绞线（D型口）和双绞线（RJ45）也可与ESM一起使用。10Mbps链路通过2个双绞线接口配置而成。终端设备或现存的网络段（比如来自OLM的工业以太网）能够连接到10/100Mbps的接口上。
总线型拓扑结构中用100Mbps双绞线构建的链路：
新式网络拓扑的设计
传统的网络结构比如总线型或星型，它们通讯的基本需求在工业环境下不能完全满足。拓扑结构必须保证网络的可靠性和安全性，不能让任何干扰影响到生产系统或控制系统。生产的中断直接带来巨大的成本支出。因此，我们需要有一种可以监测故障，保证通讯可靠性的冗余网络。SIMATIC NET网络元件中的光电交换模块（OSM）和电气交换模块（ESM）满足上述要求，并且提供了各种可能性来配置一个冗余网络拓扑结构。
带有交换机的环型冗余结构
SIMATIC NET的OSM和ESM在1999年2月投入市场，它们第一次使配置100Mbps带
有冗余环的以太网成为可能。冗余环包含了多路复用技术的优点。环状结构可以用很低的成本，尽可能大的扩大网络的范围，只需要多加一根电缆，就可以扩展网
络。此外，环型结构—与总线结构相比—在一定情况下可以管理两个同时发生的故障。用光纤构建的环型网络还具备光纤所特有的EMC特性。这种网络拓扑结构由于OSM和ESM的产生而变得非常容易实现。因此，ORM凭借能够快速配置冗余而具有很大需求，该功能在新的工业以太网交换机中几乎全部被采用。环型冗余管理器通过DIP开关可以在模块中激活。
由光纤构建的环型冗余结构的交换网络：
带有OSM和ESM的快速冗余
在工业网络中，生成树协议并不十分适合，因为生成树原则需要很长响应时间。因此一个SIMATIC NET交换机创造了一种新的配置过程，该过程可以产生非常快的冗余。 在OSM或ESM中的冗余通过RM或环被控制。它保证在由50个OSMs或ESMs组成的环结构中，由于故障而需要重新配置网络的时间小于0.3秒。
这种技术可以不用更换现有的各种应用软件。这是非常重要的一点，特别是在工业通讯中！在工业中，自动化任务的工作很少采用无线方式通讯，在不同的自动化系统中通常都是有线方式进行逻辑连接，这就要时刻对这些设备进行维护。
快速冗余技术保证这些逻辑连接不会被中断，通讯也不会瘫痪。
大型网络扩展
在两个OSM之间，如果使用多模光纤，最长距离可以达到3000m。在包含50个OSM的环型冗余结构中，可以延长到150km。
当使用新型OSM-LDs（LD代表long distance）和单模光纤时，两个模块间的距离甚至可以达到40km。这就意味着包含50个OSM-LD的环型冗余结构，延展距离为2000km。
环型结构的等级
在实际应用中，有时不需要整个网络的全部装置都参与工作，可能只需一部分元件执行命令。网络的结构可以按照需要而分成一个个子网。使用OSM，ESM和OLM这些工业以太网元件，就可以将网络分隔成不同结构的子网。
环型冗余或网段可以用OSM和ESM进行分隔。同样，在一个环型中的两个OSM或ESM通过后备接口可以进行冗余连接。在环型冗余连接中，一方为主动方，剩下的连接为后备方。两个模块为了交换状态信息也相互连接。如果在主动方出现故障，系统会在0.3秒内自动将网络连接切换至后备方连接。
环型结构的等级：
这种拓扑结构在主环型网络中，产生了子环型网。
互联协议TCP/IP
TCP/IP表示两种不同的协议。IP协议（Internet Protocol）是一种基于Internet的协议。IP协议实现的是数据包在Internet中不同网络间的传输。TCP协议（Transmission Control Protocol）基于IP协议，起协调数据传输的作用。Internet连接着各种网络，这些网络并非一定是以太网络。为了能够从各网络中提取出数据，IP协议成为通讯中的基础。因此，要具有下列特性：
·能够获得所有网络的地址
·能够在整个网络范围内传送数据包
寻址
为了清楚的分辨出Internet中的所有参与者，IP协议定义了一种寻址方式，这种方式的优先级高于以太网的MAC寻址方式，被称为IP地址。它包含了32个位，这些位由点号被分配成4个相互独立的字节（比如 139.6.138.20）。大部分的IP地址都是开放的。这些地址从中央机构发布至互联网的参与者或大型企业中。除了开放的地址，还有一部分地址是私人的，并不公开发放。
私人IP地址 10.0.0.1 - 10.255.255.254
172.16.0.1 - 172.31.255.254
192.168.0.1 - 192.168.255.254
这些私人IP地址用于为网络参与者建立局域网。由于这些地址在全球被反复使用，所以他们不能在Internet中被分配，并且路由器也不法读取这些地址。当以太网卡的MAC地址随机被分配时，IP地址也根据网络的逻辑拓扑方式被分配。因此，IP地址可以分为两部分：
IP地址包括网络地址和节点地址，分别是两高位字节和两低位字节，一个以太网内部的所有装置都有相同的网络地址，他们都是同一网络的参与者。
子网掩码可以确定网络上的主机是否在同一网络段内。和IP地址一样，子网掩码也包含32个位，4个字节。在同一网段内，不同IP地址的子网掩码的相应的位全部为1。子网掩码原理参见下图：
根据Internet的另一种协议，根据MAC地址而产生的不同的IP地址分为不同的类，该协议为ARP协议（Address Resolution Protocal）。比如，如果网络参与者想发送一个数据包给同一网络内的另一个参与者，但它并不知道接受方的MAC地址，为了找到这个地址，一个特殊的数据包会发送给局域网内的每一个参与者。当真正的接受方感知到这个数据包后，发送方根据对方的IP地址确定可以将数据发送。
IP通讯
虽然网络中每个参与者都具有一个特定的IP地址，但是互联网的拓扑结构极其复杂，当两个参与者传送数据时，它不可能每个参与者哪条路径才是最佳选择。因此，就要有一种特殊的路径选择技术。所以，每个参与者必须知道自己的临近参与者的地址，以确定发送数据时如何选择最佳路径。
比如，如果参与者A2想法送数据给B1（见下图），A2起初并不知道如何将数据送至B1。但是，通过比较B1的和自己的IP地址，A2可以确定对方并不是和自己同处于网络段A内。
A2所在网段内的路由器（在Windows操作系统中也被称为网关）具有一个IP地址和子网掩码。该路由器的地址就是图中的Router A。
由于A2已经认识到数据接受方在其它网络段中，所以必须通过路由器A来传输数据。
路由器A可能并不知道B1的地址，但是它知道B1网段内路由器的地址。最终，数据包将传送给路由器B。而路由器B知道B1的地址，并将数据包传送到B1。
TCP协议
现在，发送方希望发送的数据包已经通过IP协议送给了接受方，即使两者在不同的网段内。然而，如果数据包不得不被分成多个更小的数据包（比如一个大文件分成有顺序的多个小文件），这时IP协议就不能保证所有的数据都可以按顺序传送给接受方。但是，优先级高于IP协议的TCP协议可以按照特定的传送方式将数据安全地发送给对方。
TCP协议在发送第一个数据包前，首先向接受方发送一个特定的命令，在发送方和接受方之间建立一个通讯连接。然后，陆续传送真实数据。当所有的数据传送完毕后，连接根据命令而自动解除。这就保证数据包可以按照特定顺序陆续传送。
TCP协议的另一功能是可以在两个网络参与者间同时建立多个连接。因此，要定义特定的“端口”，端口可以对不同的数据包进行分类。这些端口包含16位的值，介于0和65535之间。
下图为一些常用端口地址和它们的功能：
完整的清单有IANA提供（www.iana.org）。
Client-Server（用户-服务器）结构
到此，本讲义中的所有通讯参与者无论在网络段还是互联网中，都被假设为处于平等地位。实际上，这些参与者通常被分为数据提供（发送）系统和数据请求（接收）系统。这也是为什么这些系统被称为服务器和用户机。
防火墙
在上一章中，已经解释过数据如果通过服务器传送给用户。但是，现实中的通讯不会像理想中这样简单，可能会有某些外界的数据闯进网络中，为了保护网络的安全，不受外界信息干扰，我们要介绍下一个名词，防火墙。防火墙就是一个路由器，该路由器装有网络过滤器，也被称为数据包-过滤防火墙。这些特殊的路由器不仅能传送数据包，还能依靠过滤器来检测数据是否被破坏和侵袭。跟据检测结果，路由器再决定是否对数据进行传输，拒绝或丢弃。
下图说明了防火墙如何在局域网和互联网之间，对通讯参与者的活动进行控制。
除了要知道目标IP地址，防火墙还要了解更多的信息，比如源IP地址或端口号。
自动化领域的IT
TCP/IP通讯协议已经成为开放的，广域的通讯标准。自动化要求具有更高层的网络标准，且不需要再使用网关。标准路由器起到连接作用。执行性更好的通讯结构使用了最新的网络技术，在自动化领域，这些信息技术（IT）已经广泛使用。
IT在自动化中的应用：
通讯处理器CP 443-1 IT 用于SIMATIC S7-400，CP 343-1 IT用于SIMATIC S7-300，同时它们具有网络服务器和电子邮件功能。使用标准网络浏览器（比如Netscape或Internet Explore），用户可以很容易地获得自动化系统中的各项信息。在电子邮件功能的帮助下，PLC能够发送任何一个信息给其他的站点，比如本地PC或移动电话.新型OSM和ESM网络元件，也具有网络服务器和电子邮件的功能。
IT在自动化领域基于新的网络技术，比以前的技术有很大提高。比如，视频装置提供影像信息，而且可以直接与交换机接口相连，这些信息通过这些装置访问控制层，从而保证产品质量。
自动化领域中的信息技术和多媒体技术：
通讯领域中的快速以太网
正在广泛使用的以太网和快速以太网已经被现场基金会列为H2总线名单范围。但是，现存的H1现场总线，虽然传输率只有31.25kbps，但它们依然可以与快速以太网连接。而且，现场设备可以直接连接到快速以太网中。为了将每一个现场装置连接在一起，现存的H1现场总线也将融入到以太网中。PROFIBUS同样将实现与以太网的连接。PROFIBUS和以太网的特点就是高速通讯，所以它们非常适合与IT结合，实现现场数据通讯任务。
将现有的PROFIBUS网段与更高层的以太网连接，首先要创建它们之间的访问协议，再通过专用的路由器将两种网络联系起来。
PROFIBUS和以太网的连接：
快速以太网的未来
SIMATIC NET工业以太网是一种标准网络，满足最有化网络通讯的要求。工业以太网在未来的15年内都被认为是工业数据通讯的潮流。
交换技术和100Mbps技术已经投入到市场。在未来，工业以太网将促进工业通讯技术和IT在自动化领域的发展。
我们可以做出以下预见：
·以太网技术在现场部门的使用
·千兆级以太网与IT通讯
工业以太网无论在现在还是在未来，都能够满足用户实现工业环境下的网络通讯的要求。未来，以太网技术将会更加优越，且更具经济性。