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以太网原理和基础技术 3 

Posted on 2010-12-16 10:53 幻海蓝梦 阅读(262) 评论(0)  编辑  收藏 所属分类: 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2100Mbps光纤接口和610/100Mbps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810/100Mbps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 NETOSMESM19992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OSMESM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OSMESM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。 OSMESM中的冗余通过RM或环被控制。它保证在由50OSMsESMs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50OSM的环型冗余结构中,可以延长到150km

 

当使用新型OSM-LDsLD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50OSM-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OSMESMOLM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OSMESM进行分隔。同样,在一个环型中的两个OSMESM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065535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 S7-400CP 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NetscapeInternet 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OSMESM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。

 


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