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1、第七章控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 以太网技术最早由以太网技术最早由XeroxXerox开发，后经数字设备公司开发，后经数字设备公司(digital equipmennt Corp)(digital equipmennt Corp)、IntelIntel公司联合扩展，公司联合扩展，19821982年公布了以太网规范。年公布了以太网规范。IEEE802.3IEEE802.3是以这个技术是以这个技术规范为基础制定的。按规范为基础制定的。按ISOISO开放系统互联参考模型的开放系统互联参考模型的分层结构，以太网规范只包括通信模型中的物理层与分层结构，以太网规范只
2、包括通信模型中的物理层与数据链路层。而人们称的以太网技术以及工业以太网数据链路层。而人们称的以太网技术以及工业以太网技术，不仅包含了物理层与数据链路层的规范，而且技术，不仅包含了物理层与数据链路层的规范，而且包含包含TCP/IPTCP/IP协议组，包含网络层的网际互联协议协议组，包含网络层的网际互联协议IPIP、传输层的传输控制协议传输层的传输控制协议TCPTCP、用户数据报协议、用户数据报协议UDPUDP等。等。有时还把应用层的简单邮件传送协议有时还把应用层的简单邮件传送协议SMTPSMTP、域名服、域名服务务DNSDNS、文件传输协议、文件传输协议FTPFTP、超文本链接、超文本链接HTT
3、PHTTP、动态、动态网页发布等互联网上的应用协议都与以太网这个名词网页发布等互联网上的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。因此以太网技术实际上是上述一系列技捆绑在一起。因此以太网技术实际上是上述一系列技术的统称。工业以太网与术的统称。工业以太网与ISOISO互联参考模型的对照关互联参考模型的对照关系如图系如图1 1所示。所示。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 图图1 1工业以太网与工业以太网与OSIOSI互连参考模型的分层对照互连参考模型的分层对照 工业以太网的物理层与数据链路层采用工业以太网的物理层与数据链路层采用IEEE8023IEEE8023规范，网络层与传输层采用规范，
4、网络层与传输层采用TCP/IPTCP/IP协议组，应用层的协议组，应用层的一部分可以沿用上面提到的那些互联网应用协议。工一部分可以沿用上面提到的那些互联网应用协议。工业以太网标准化工作主要集中在业以太网标准化工作主要集中在ISO/OSIISO/OSI模型的应用模型的应用层，需在应用层添加与自动控制相关的应用协议。层，需在应用层添加与自动控制相关的应用协议。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 应用层须考虑与现有的其他控制网络的连接和映射应用层须考虑与现有的其他控制网络的连接和映射关系、网络管理、应用参数等问题，要解决自控产品关系、网络管理、应用参数等问题，要解决自控产品之间的互操作性问
5、题。因此应用层标准的制定比较棘之间的互操作性问题。因此应用层标准的制定比较棘手，目前还没有取得共识的解决方案。手，目前还没有取得共识的解决方案。工业以太网技术须面对在工业环境下作为控制网络工业以太网技术须面对在工业环境下作为控制网络要解决的一系列问题：要解决的一系列问题：(1)(1)通信实时性问题通信实时性问题 以太网采用的以太网采用的CSMA/CDCSMA/CD的介质访问控制方式，其本的介质访问控制方式，其本质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能质上是非实时的。平等竞争的介质访问控制方式不能满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太满足工业自动化领域对通信的实时性要求。因此以太网
6、一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有网一直被认为不适合在底层工业网络中使用。需要有针对这一问题的切实可行解决方案。针对这一问题的切实可行解决方案。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 (2)(2)对环境的适应性与可靠性问题对环境的适应性与可靠性问题 以太网是按办公环境设计的，用于工业控制环境，以太网是按办公环境设计的，用于工业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等是应该解决的问题。在产品其鲁棒性、抗干扰能力等是应该解决的问题。在产品设计时要注重材质、元器件的选择，使产品在强度、设计时要注重材质、元器件的选择，使产品在强度、温度、湿度、振动、干扰、辐射等环境参数方面满足温度、湿度、振动
7、、干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要工业现场的要求。还要考虑到在工业环境下的安装要求，如采用求，如采用DINDIN导轨式安装等。像导轨式安装等。像RJ45RJ45一类连接器，一类连接器，在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接在工业上应用太易损坏，应该采用带锁紧机构的连接件，使设备具有更好的抗振动、抗疲劳能力。件，使设备具有更好的抗振动、抗疲劳能力。(3)(3)总线供电总线供电 在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它在控制网络中，现场控制设备的位置分散性使得它们对总线有提供工作电源的要求。现有的许多控制网们对总线有提供工作电源的要求。现有的许
8、多控制网络技术都可利用网线对现场设备供电。工业以太网目络技术都可利用网线对现场设备供电。工业以太网目前还没有对网络节点供电做出规定。可能的方案是利前还没有对网络节点供电做出规定。可能的方案是利用现有的用现有的5 5类双绞线中另一对空闲线对供电。类双绞线中另一对空闲线对供电。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 (4)本质安全 工业以太网如用在一些易燃易爆的危险工业场所，就必须考虑本安防爆问题。这是在总线供电解决之后要进一步解决的问题。在工业数据通信与控制网络中，直接采用以太网作为控制网络的通信技术只是工业以太网发展的一个方面，现有的许多现场总线控制网络都提出了与以太网结合，用以太网作为
9、现场总线网络的高速网段，使控制网络与internet融为一体的解决方案。例如H1的高速网段HSE，EtherNet/IP，ProfiNet等，都是工业以太网技术的典型代表。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 在控制网络中采用以太网技术有助于控制网络与互联网的融合，使控制网络无需经过网关转换即可直接连至互联网，使测控节点有条件成为互联网上的一员。在控制器、PLC、测量变送器、执行器、I/0卡等设备中嵌人以太网通信接口，嵌人TCP/IP协议，嵌人Web Server可形成支持以太网、TCP/IP协议和Web服务器的internet现场节点。在应用层协议尚未统一的环境下，借助IE等通用的网
10、络测览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控，是人们提出且正在实现的一个有效的解决方案。人们对工业以太网技术的发展寄予厚望。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 二、工业以太网解决非确定性问题的措施二、工业以太网解决非确定性问题的措施 控制网络不同于普通计算机网络，其最大特点在、控制网络不同于普通计算机网络，其最大特点在、于它应该满足控制作用对实时性的要求。实时控制往于它应该满足控制作用对实时性的要求。实时控制往往要求对某些变量的实时互锁、对测量控制数据的准往要求对某些变量的实时互锁、对测量控制数据的准确定时刷新。由于以太网采用带冲突检测的载波监听确定时刷新。由于以太网采用带冲
11、突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式，一条总线上挂接的多多路访问的媒体访问控制方式，一条总线上挂接的多个节点采用平等竞争的方式争用总线，因而以太网技个节点采用平等竞争的方式争用总线，因而以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求，一直被称之为非确定性一直被称之为非确定性(nondeterministic)(nondeterministic)网络。网络。以太网技术进入控制领域，其通信的非确定性是必以太网技术进入控制领域，其通信的非确定性是必须面对的问题。目前工业以太网技术对此采取了以下须面对的问题。目前工业以太网技术对此采取了以下
12、措施措施:控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 (1)提高通信速率：在相同通信量条件下，提高通信速率可以减少通信占用传输介质的时间，为减少信号的碰撞冲突，解决以太网通信的非确定性提供了途径。以太网的通信速率一再提高，从10100Mbps，到千兆以太网技术的成功应用，其速率还在进一步提高。相对于控制网络传统通信速率的几十千位每秒、几百千位每秒、1Mbps、5Mbps而言，通信速率的提高是明显的，对减少碰撞冲突也是有效的。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 (2)减轻网络负荷也可减少信号的碰撞冲突，提高网络通信的确定性。控制网络的通信量不大，随机性、突发性通信的机会也不多，网络通
13、信大都可以事先预计，并对其做出相应的通信调度安排。在网络设计时正确选择网络的拓扑结构，控制各网段的负荷量，合理公布各现场设备的节点位置，可在很大程度上避免冲突的产生。研究结果表明，在网络负荷低于满负荷的30%时，以太网基本可以满足对控制系统通信确定性的要求。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 (3)采用以太网的全双工交换技术。采用以太网交换机，将网络切分为多个网段，就为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，相当于每个设备独占一个网段，使同一个交换机上的不同设备之间不存在资源争夺。在网段分配合理的情况下，由于网段上的多数数据不需要经过主干网传输，因此交换机能够过滤掉这些数据，使
14、数据只在本地网络传输，而不占用其他网段的带宽。交换机之间通过主干线进行连接，从而有效地降低了各网段和主干网络的负荷，使网络中产生冲突的可能性大大降低，提高了网络通信的确定性。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 (4)提供适应工业环境的器件。现已开发出一系列密封性好，坚固、抗震动的以太网设备与连接件，例如导轨式收发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接插件等。它们适合在工业环境中使用，为以太网迸人工业控制环境创造了条件。但是，控制网络中以太网的非确定性问题尚在解决之中，采取上述措施可以使其非确定性问题得到相当程度的缓解，但还不能说从根本上得到了解决，问题还在进一步研究解决之中。包括我国在内
15、的许多国家都在积极开发工业以太网技术。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 三、以太网的通信帧结构与数据封装三、以太网的通信帧结构与数据封装 图图2 2表示以太网的通信帧结构与封装过程。这里的表示以太网的通信帧结构与封装过程。这里的封装是指将工业应用数据或协议数据嵌人到封装是指将工业应用数据或协议数据嵌人到TCPTCP或或UDPUDP通信帧中。图中可看到，在应用程序中产生的需通信帧中。图中可看到，在应用程序中产生的需要在网络中传输的用户数据，将分层逐一添加上各层要在网络中传输的用户数据，将分层逐一添加上各层的首部信息。即用户数据在应用层加上应用首部成为的首部信息。即用户数据在应用层加上
16、应用首部成为应用数据送往传输层；在传输层加上应用数据送往传输层；在传输层加上TCPTCP或或UDPUDP首部首部成为成为TCPTCP或或UDPUDP数据报送往网络层；在网络层加上数据报送往网络层；在网络层加上IPIP首部成为首部成为IPIP数据报；最后再加上以太网的帧头帧尾，数据报；最后再加上以太网的帧头帧尾，封装成以太网的数据帧。这样，无需改变现场总线报封装成以太网的数据帧。这样，无需改变现场总线报文的内容，直接将其作为文的内容，直接将其作为“用户数据用户数据”封装在以太网封装在以太网数据帧中，再发送到网上，便可完成现场总线的数据数据帧中，再发送到网上，便可完成现场总线的数据通信。通信。控制
17、网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 图图 2 2 以太网数据帧的封装以太网数据帧的封装 控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 工业以太网中，一般利用工业以太网中，一般利用TCP/IPTCP/IP协议来发送非实时协议来发送非实时数据；用数据；用UDP/IPUDP/IP来发送实时数据。非实时数据的特点来发送实时数据。非实时数据的特点是大小和发送频率经常变化；实时数据的特点是数据是大小和发送频率经常变化；实时数据的特点是数据包短，负荷低。包短，负荷低。TCP/IPTCP/IP和和UDP/IPUDP/IP协议都用来包装现场协议都用来包装现场总线数据，总线数据，TCP/IPTCP/IP用来
18、提供组态和诊断信息传输，用来提供组态和诊断信息传输，UDP/IPUDP/IP提供实时提供实时I/OI/O传输。传输。控制网络中将用户数据、应用数据按控制网络中将用户数据、应用数据按TCP/UDP/IPTCP/UDP/IP的的协议封装，把协议封装，把I/OI/O等工业数据放人等工业数据放人TCPTCP和和UDPUDP数据包中，数据包中，形成以太网数据帧。先将一个工业数据包放置在形成以太网数据帧。先将一个工业数据包放置在TCPTCP数据包的数据段；然后将这个数据包的数据段；然后将这个TCPTCP数据包发送到以太数据包发送到以太网上传到目的地以太网段上与控制网络相连的链接设网上传到目的地以太网段上与
19、控制网络相连的链接设备备(或称为网关或称为网关)中。链接设备收到数据包后，打开中。链接设备收到数据包后，打开TCP/IPTCP/IP封装，把数据重新放置到控制网络的网段上，封装，把数据重新放置到控制网络的网段上，由控制网络中的相关设备来解读原控制网络的协议信由控制网络中的相关设备来解读原控制网络的协议信息。所传输的数据包的结构如图息。所传输的数据包的结构如图3 3所示。所示。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 图图 3 3 利用利用TCP/IPTCP/IP传递工业控制数据包传递工业控制数据包 在这种封装下，异构控制网段之间可通过以太网进在这种封装下，异构控制网段之间可通过以太网进行行
20、“通信通信”，仅限于数据包的交换。数据包里面包含，仅限于数据包的交换。数据包里面包含的控制信息，要依靠上层协议来解释。在应用层协议的控制信息，要依靠上层协议来解释。在应用层协议没有统一之前，工业以太网仅在利用没有统一之前，工业以太网仅在利用TCP/IPTCP/IP传递数据传递数据包的水平上，还不是完整的控制网络技术。将工业数包的水平上，还不是完整的控制网络技术。将工业数据封装在以太网数据帧中进行传输的做法，存在着协据封装在以太网数据帧中进行传输的做法，存在着协议效率低的缺陷。由于工业数据包的字节数一般较少，议效率低的缺陷。由于工业数据包的字节数一般较少，出现以太网和出现以太网和TCP/IPTC
21、P/IP的首部协议信息大于用户数据量的首部协议信息大于用户数据量的情况。此封装方案更适于对大容量数据包的传输中。的情况。此封装方案更适于对大容量数据包的传输中。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术7.27.2、以太网的物理层与、以太网的物理层与MACMAC子层子层 一、一、IEEE802.3IEEE802.3与以太网与以太网 以太网规范是由以太网规范是由XeroxXerox，DECDEC、IntelIntel公司于公司于19821982年年联合公布的。联合公布的。IEEE802.3IEEE802.3是以这个技术规范为基础制是以这个技术规范为基础制定的。定的。IEEE802IEEE802
22、是局域网的重要标准，包括物理层、是局域网的重要标准，包括物理层、数据链路层（分为：逻辑链路控制子层和介质访问控数据链路层（分为：逻辑链路控制子层和介质访问控制子层）制子层）、网络层的相关部分。、网络层的相关部分。IEEE802.1IEEE802.1是网络层是网络层的网际互联协；的网际互联协；IEEE802.2IEEE802.2是逻辑链路控制子层协议；是逻辑链路控制子层协议；IEEE802.3IEEE802.3，IEEE802.4IEEE802.4，IEEE802.5IEEE802.5是描述介质访问是描述介质访问控制子层和物理层的控制子层和物理层的CSMA/CDCSMA/CD、令牌总线、令牌环的
23、、令牌总线、令牌环的协议。协议。IEEE802.3IEEE802.3是在以太网技术基础上发展起来的，是在以太网技术基础上发展起来的，但它与以太网协议有差异。一般谈到协议时，以太网、但它与以太网协议有差异。一般谈到协议时，以太网、IEEE802.3IEEE802.3、CSMA/CDCSMA/CD这几个词往往混用。这几个词往往混用。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术二、以太网物理层二、以太网物理层 以太网物理层按以太网物理层按IEEE802.3IEEE802.3的规定分成两个类别：的规定分成两个类别：基带与宽带。基带采用曼彻斯特编码；宽带采用基带与宽带。基带采用曼彻斯特编码；宽带采用PS
24、KPSK相移键控编码。工业以太网运用基带技术。在相移键控编码。工业以太网运用基带技术。在IEEE IEEE 8O2.38O2.3中，又把基带按传输速率中，又把基带按传输速率10Mbps10Mbps，100Mbps100Mbps、10OOMbps10OOMbps分成不同的标准。分成不同的标准。10Mbps10Mbps以太网又有以太网又有10BASE510BASE5，10BASE210BASE2，10BASET10BASET，10BASEF 410BASEF 4种，它种，它们的们的MACMAC子层和物理层中的编码或译码基本相同，不子层和物理层中的编码或译码基本相同，不同的是物理层中的收发器及媒体连
25、接方式。同的是物理层中的收发器及媒体连接方式。10SASE5 10SASE5是最早的以太网标准，物理层结构特点是是最早的以太网标准，物理层结构特点是外置收发器，安装需直径为外置收发器，安装需直径为10mm10mm，特征阻抗，特征阻抗5050欧的欧的同轴电缆，称同轴电缆，称 粗缆以太网粗缆以太网。介质最长可达。介质最长可达500m500m。10BASE2 10BASE2是是2020世纪世纪8080年代中期出现，在网卡上内年代中期出现，在网卡上内置收发器，采用直径置收发器，采用直径5mm5mm，特征阻抗为，特征阻抗为5050欧的同轴欧的同轴电缆，称为电缆，称为 细缆以太网细缆以太网。介质最长可达。
26、介质最长可达2OOm2OOm。价。价格低廉，便于安装。但可靠性差。格低廉，便于安装。但可靠性差。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 10BASET可称之为以太网技术发展的里程碑。它在网卡上内置收发器，采用3，4，5类非屏蔽双绞线作为传输介质，采用RJ-45连接器，采用星型拓扑，要求每个站点有一条专用电缆连接到集线器。其物理介质最长为100 m。最多可使用4个集线器，因而两个站点之间的距离不会超过500m。它价格低廉，便于安装，具有一定的抗电磁干扰的能力，目前计算机网络组网时被广泛采用。RJ-45连接器上可以连接4对双绞线：12、36，45、78等分别各连接一对双绞线。控制网络与现场总
27、线技术控制网络与现场总线技术 10BASET 10BASET上连接两对双绞线。在网卡上一般上连接两对双绞线。在网卡上一般1 1、2 2为发送，为发送，3 3、6 6为接收；在集线器上则相反为接收；在集线器上则相反1 1、2 2为接为接收，收，3 3、6 6为发送。图为发送。图4 4为运用为运用RJ-45RJ-45连接器在网卡与连接器在网卡与集线器、集线器与集线器之间的连线示意图。图中集线器、集线器与集线器之间的连线示意图。图中集线器与集线器之间的交叉连线方式可以在集线器与集线器之间的交叉连线方式可以在RJ-45RJ-45接头与双绞线压接时完成，也可以采用开关切换的接头与双绞线压接时完成，也可以
28、采用开关切换的方式完成。方式完成。图图 4 4 运用运用RJ-45RJ-45的双绞线连接示意图的双绞线连接示意图控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 10BASEFL 10BASEFL：以光纤为传输介质的组网方式。采用：以光纤为传输介质的组网方式。采用62.5/12562.5/125的多模光纤，传输距离可达的多模光纤，传输距离可达2km2km，采用星型，采用星型拓扑和集线器组网。具有传输距离远，抗电磁干扰能拓扑和集线器组网。具有传输距离远，抗电磁干扰能力强的特点。随着光纤价格的下降，光纤的应用正逐力强的特点。随着光纤价格的下降，光纤的应用正逐步得到发展。步得到发展。快速以太网技术是在快
29、速以太网技术是在10BASET10BASET和和10BASEFL10BASEFL的基础的基础上发展起来的。分为上发展起来的。分为100BASET4100BASET4，100BASET2100BASET2，100 100 BASETXBASETX，100BASEFX100BASEFX及及1000BASEX1000BASEX，1000BASET1000BASET等。等。100BASET4100BASET4采用采用4 4对对3 3类双绞线；类双绞线；100BASET2100BASET2采用采用2 2对对3 3类双绞线；类双绞线；100BASETX100BASETX采用采用2 2对对5 5类双绞线；类
30、双绞线；100BASEFX100BASEFX采用光纤。采用光纤。5 5类双绞线和光纤的使用最为类双绞线和光纤的使用最为广泛。千兆以太网物理层支持的介质种类也很多，屏广泛。千兆以太网物理层支持的介质种类也很多，屏蔽铜缆、单模光纤、多模光纤和双绞线都可用于千兆蔽铜缆、单模光纤、多模光纤和双绞线都可用于千兆以太网。以太网。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 三、以太网和IEEE802的帧格式 由于IEEE802.2和IEEE802.3规定的帧格式与以太网有所不同，在互联网中，以太网数据报的封装是在RFC894中定义的。而IEEE802.2、IEEE802.3封装格式是在RFC1042中定义
31、的。RFC（request for comment）是有关internet的正式标准文档。图5表示了以太网和IEEE802的帧格式。以太网的MAC帧由7个域组成：前导码、帧前定界码、目的地址、源地址、类型、数据域以及循环冗余校验CRC。而IEEE802的帧结构与以太网的帧结构略有区别。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 图图5 RFC8945 RFC894与与RFCl042RFCl042的帧结构的帧结构控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 前导码：为这两种帧的第一个域，用来表示数据流前导码：为这两种帧的第一个域，用来表示数据流的开始，包含的开始，包含7 7字节字节(56(56
32、位位)。在这个域中全是二进制。在这个域中全是二进制11和和00的交替代码，用于通知接收端即将有数据帧的交替代码，用于通知接收端即将有数据帧到来，使接收端能够利用曼彻斯特编码的信号跳变来到来，使接收端能够利用曼彻斯特编码的信号跳变来同步时钟。同步时钟。帧前定界码：一字节，帧前定界码：一字节，1010101110101011表示这一帧的实表示这一帧的实际内容的开始。通知接收方后面的内容是数据。际内容的开始。通知接收方后面的内容是数据。两种帧都采用两种帧都采用4848位的目标地址和源地址。目标地址位的目标地址和源地址。目标地址DADA域的域的6 6字节标记了目的站点的地址。最高位为字节标记了目的站点
33、的地址。最高位为0 0，表示目的站点为单一地址：最高位为表示目的站点为单一地址：最高位为1 1，表示目的站，表示目的站点为多地址，目标地址点为多地址，目标地址DADA域为全域为全1 1，表示该帧为广播，表示该帧为广播帧，同时为所有站点接收。帧，同时为所有站点接收。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 源地址SA域：6字节，说明发送该帧的源站点地址。这个源站点可以是发送数据包的站点，也可以是最近接收和转发数据包的路由器地址。接下来的2字节在两种帧中不同。在RFC 1042中为长度域，在RFC894中是类型域。如在RFC894中的值是0800，表明后面的数据是IP数据报；如是0806，表明
34、后面的数据是ARP地址解析的请求应答报文；如值是0835，表明后面的数据是逆向地址解析RARP的请求应答报文。RFC1042的类型域位于它的数据域前面，其定义与RFC894的类型域相同。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 RFC1042的长度城为2字节。它指出了数据域的PDU字节数。如果PDU的长度是固定的，那么这个Y域可以用来表示类型，说明高层所使用的协议，如IP协议，还是IPX协议。在RFC894帧格式中，接着类型域的是数据。数据域的长度可以从461500字节不等。46字节是数据城的最小长度，这样做是为了让局城网上的所有站点都能检测到该帧。如果数据段小于46字节，则由高层有关软件
35、把数据域填充到46字节。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 RFC1042 RFC1042中真正的数据为中真正的数据为383814921492字节。在它的数字节。在它的数据域之前，有据域之前，有2 2字节类型和字节类型和802.2802.2中规定的目的服务访中规定的目的服务访问点和源服务访问点各一字节，其值均设为问点和源服务访问点各一字节，其值均设为AAAA。CtrlCtrl字段的值设为字段的值设为0303，Org codeOrg code字段的字段的3 3字节都设为字节都设为0000。数据域后的循环冗余校验数据域后的循环冗余校验CRCCRC是是MACMAC帧中的最后一帧中的最后一个
36、域。共个域。共4 4字节。循环冗余检验的范围从目的地址域字节。循环冗余检验的范围从目的地址域开始一直到数据域结束。发送站点在发送时就边发送开始一直到数据域结束。发送站点在发送时就边发送边进行边进行CRCCRC校验，形成这个校验，形成这个3232位的循环冗余校验码。位的循环冗余校验码。接收站点也从目的地址域开始，边接收边进行接收站点也从目的地址域开始，边接收边进行CRCCRC校校验，得到的结果如果与收到的验，得到的结果如果与收到的CRCCRC城的数据相同，则城的数据相同，则说明该帧传输无误，否则表明出错。说明该帧传输无误，否则表明出错。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 7.3、TCP
37、/IP协议组 一、TCP/IP协议组的构成 TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol）组包括IP，TCP在内的一组协议。图6表示了TCP/IP协议组的分层。在TCP/lP协议组中，网络层的协议有：网际互联协议IP、地址解析协议ARP（ddress resolution protocol）反向地址解析协议RARP、网际控制报文协议ICMP（internet control message protocol）与网际组管理协议IGME（internet group management protocol）。控制网络与现场总线技术控制
38、网络与现场总线技术图图6 TCP/IP6 TCP/IP协议族中不同层次的协议协议族中不同层次的协议控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 ARP ARP的功能是将的功能是将3232位位IPIP地址转换成地址转换成4848位的网络连接位的网络连接设备的物理地址；设备的物理地址；RARPRARP则相反，将网络连接设备的则相反，将网络连接设备的物理地址转换为物理地址转换为IPIP地址；网际控制报文协议地址；网际控制报文协议ICMPICMP负责负责因路由问题引起的差错报告和控制；因路由问题引起的差错报告和控制；IGMPIGMP是多目的是多目的传送设备之间的信息交换协议。传送设备之间的信息交换协议
39、。传输层包括传输控制协议传输层包括传输控制协议TCPTCP和用户数据报协议和用户数据报协议UDP(user datagram protocol)UDP(user datagram protocol)。应用层的协议内容，包括域名服务应用层的协议内容，包括域名服务DNSDNS，文件传输，文件传输协议协议FTPFTP，简单网络管理协议，简单网络管理协议SNMPSNMP（simple network simple network management protocolmanagement protocol），简单邮件传输协议），简单邮件传输协议SMTPSMTP，简单网络定时协议简单网络定时协议SNTP
40、SNTP，超文本传输协议，超文本传输协议HTTPHTTP等。等。它们称为它们称为TCP/IPTCP/IP协议组的高层协议。协议组的高层协议。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 二、二、IPIP协义协义 IP IP协议以包的形式传输数据，这种包被称为协议以包的形式传输数据，这种包被称为IPIP数据数据报报(将在下面描述将在下面描述)。每个包都将独立传输。数据报可。每个包都将独立传输。数据报可能通过不同的路径传输，因此有可能在到达目的地的能通过不同的路径传输，因此有可能在到达目的地的时候次序发生颠倒，或者出现重复。时候次序发生颠倒，或者出现重复。IPIP并不追踪传输并不追踪传输路径，也没
41、有任何机制来对报文重新排序。由于路径，也没有任何机制来对报文重新排序。由于IPIP是是一个无连接的服务，因此它并不创建虚电路，也并不一个无连接的服务，因此它并不创建虚电路，也并不存在一个呼叫建立过程来通知接收者将有包要到来。存在一个呼叫建立过程来通知接收者将有包要到来。IP IP协议是网络层的主要协议，主要功能是提供无连协议是网络层的主要协议，主要功能是提供无连接的数据报传送和数据报的路由选择。这种无连接的接的数据报传送和数据报的路由选择。这种无连接的服务不提供确认响应信息，不知道传送结果正确与否，服务不提供确认响应信息，不知道传送结果正确与否，因而它通常都与因而它通常都与TCPTCP协议一起
42、使用。协议一起使用。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 1 1、IPIP数据报格式数据报格式 IP IP层中的包被称为层中的包被称为IPIP数据报。图数据报。图7 7表示了表示了IPIP数据报数据报的格式。数据报是一个可变长度的包的格式。数据报是一个可变长度的包(可以长达可以长达6553665536字节字节)，包含两个部分：报文头和数据。报文头可以，包含两个部分：报文头和数据。报文头可以从从2020一一6060字节，包括对路由和传输相当重要的信息。字节，包括对路由和传输相当重要的信息。每个域的作用简述如下：每个域的作用简述如下：(1)(1)版本：定义版本：定义IPIP的版本号。目前的
43、版本是的版本号。目前的版本是IPv4IPv4，二，二进制表示为进制表示为01000100。(2)(2)报文长度：定义报文头的长度，报文长度：定义报文头的长度，4 4位可以表示位可以表示0 01515的数字。它以的数字。它以4 4字节为一个单位。将报文长度域字节为一个单位。将报文长度域的数乘以的数乘以4 4得到报文头的长度值。报文头长度最大为得到报文头的长度值。报文头长度最大为6060字节。字节。(3)(3)服务类型：定义数据报应如何处理。它包括数据服务类型：定义数据报应如何处理。它包括数据报的优先级，和发送者所希望的服务类型：包括最小报的优先级，和发送者所希望的服务类型：包括最小迟延、最大吞吐
44、量、最高可靠性、最小费用等。迟延、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用等。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 图图7 IP 7 IP 数据报的格式数据报的格式 (4)(4)总长度：定义了总长度：定义了IPIP数据报的总长度。这是两字节的数据报的总长度。这是两字节的域（域（1616位），能定义的长度最长可达位），能定义的长度最长可达6553665536字节。字节。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 (5)(5)标识：用于识别分段。一个数据报在通过不同网标识：用于识别分段。一个数据报在通过不同网络的时候，可能需要分段，以适应网络帧的大小。这络的时候，可能需要分段，以适应网络帧的大小
45、。这时，将在标识域中使用一个序列号来识别每个段。时，将在标识域中使用一个序列号来识别每个段。(6)(6)标记：在处理分段中用于表示数据是否可以被分标记：在处理分段中用于表示数据是否可以被分段，是属于第一个段、中间段还是最后一个段等。段，是属于第一个段、中间段还是最后一个段等。(7)(7)段偏移：段偏移是一个指针，表示被分段的数据段偏移：段偏移是一个指针，表示被分段的数据在原始数据报中的偏移量。在原始数据报中的偏移量。(8)(8)生存周期生存周期(time to live)(time to live)：数据报可以经过的路由：数据报可以经过的路由器的数目。数据报的生存时间由原主机设置为器的数目。数
46、据报的生存时间由原主机设置为3232或或6464，经过一个路由器减，经过一个路由器减1 1，该宇段为，该宇段为0 0时数据报被丢弃并时数据报被丢弃并通知原主机。通知原主机。(9)(9)协议：用于识别是哪个协议向协议：用于识别是哪个协议向IPIP传送数据，如是传送数据，如是TCPTCP，UDPUDP还是还是ICMPICMP，IGMPIGMP。(10)(10)报文头校验和：对首部中每个报文头校验和：对首部中每个1616位进行二进制反位进行二进制反码求和，将结果存于该字段。码求和，将结果存于该字段。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 2 2、IPIP地址地址 IP IP地址是用于在互联网上
47、表示源地址和目标地址的地址是用于在互联网上表示源地址和目标地址的一种逻辑编号。由于源和目的计算机位于不同的网络，一种逻辑编号。由于源和目的计算机位于不同的网络，因此源和目标地址要由网络号和主机号组成。如局域因此源和目标地址要由网络号和主机号组成。如局域网不与网不与internetinternet相连，可自定义相连，可自定义IPIP地址；局城网要连地址；局城网要连接到接到internetinternet，必须向有关部门申请，网络中的主机，必须向有关部门申请，网络中的主机和路由器必须采用全球唯一的和路由器必须采用全球唯一的IPIP地址。地址。IP IP地址为一个二进位的散进制数串，以每地址为一个二
48、进位的散进制数串，以每8 8位为一位为一字节，每字节分别用十进制表示，取值范围为字节，每字节分别用十进制表示，取值范围为0 0一一255255用点分隔。如有以下用点分隔。如有以下3232位二进制的位二进制的IPIP地址，用带点的地址，用带点的十进制标记法可记为：十进制标记法可记为：166.111.170.10166.111.170.10。控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 IP IP地址的地址的3232位数串被分成位数串被分成3 3个域：类型、网络标识个域：类型、网络标识和主机标识。和主机标识。internetinternet指导委员会将指导委员会将IPIP地址划分为地址划分为5 5
49、类，类，适用不同规模的网络。适用不同规模的网络。IPIP地址格式如图地址格式如图8 8所示。所示。图 8 IP地址的格式控制网络与现场总线技术控制网络与现场总线技术 图中可见，每个图中可见，每个IPIP地址都由网络标识号和主机标识地址都由网络标识号和主机标识号组成。不同类型的号组成。不同类型的IPIP地址网络标识号和主机标识号地址网络标识号和主机标识号的长度各不相同，它们可能容纳的网络数目及每个网的长度各不相同，它们可能容纳的网络数目及每个网络可能容纳的主机数不同。络可能容纳的主机数不同。A A类地址首位为类地址首位为0 0，网络标，网络标识号占识号占7 7位，主机标识号占位，主机标识号占24
50、24位，即最多允许位，即最多允许2 27 7个网个网络，每个网络中可接人多达络，每个网络中可接人多达2 2 2424个主机，个主机，A A类地址范围类地址范围为为0.0.0.0127.255.255.2550.0.0.0127.255.255.255；B B类类E E类地址的确定类地址的确定与与A A类类似。类类似。实际上，每类地址并非准确地拥有它所在范围内的实际上，每类地址并非准确地拥有它所在范围内的所有所有IEIE地址，有些地址要留作特殊用途。如：网络标地址，有些地址要留作特殊用途。如：网络标识号首字节规定不能是识号首字节规定不能是127127，255255或或0 0，主机标识号的，主机标