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以太网基础知识

以太网是工业工厂和设施中使用最广泛的网络,本文介绍了它的基本概念。

作者:Bill Dehner, AutomationDirect

以太网最早是在20世纪70年代在研究环境中构想和部署的,并在80年代早期在IEEE 802.3下很快标准化。这很快导致了办公环境中的商业应用,通常是网络商务pc。自发展以来,以太网经历了许多升级和改进,使其成为世界领先的有线网络技术,不仅在办公室,而且在工业工厂和设施。以太网在这些工业环境中的使用将是本文的重点,尽管其中的许多信息也适用于商业以太网安装。

以太网无处不在

以太网基础图

在工业环境中,以太网用于网络pc、控制器和其他智能工业自动化组件。低级网络通常用于连接控制器到现场仪器和传感器。

如今,工业现场通常使用以太网连接pc、可编程逻辑控制器(plc)、远程I/O、人机接口(HMI)、智能仪器、电机驱动器和其他智能自动化组件(见图1)。pc通常用于托管HMI、资产管理、企业资源规划、生产计划和其他应用。万博官网手机登陆

多年来,还开发了其他一些特定于任务、有时是专有的工业网络。然而,这些通常在自动化系统层次结构中较以太网低的层次上实现,并提供专门的功能,如电力传输、扩展物理范围和噪声免疫。本文将不讨论这些专门的网络。

指数级的速度改进一直是以太网发展的主要组成部分。如图2所示,目前有三个版本的以太网:10BaseT、100BaseTX(也称为快速以太网)和1000BaseT(也称为千兆以太网,因为它以每秒1千兆的速率传输以太网帧)。虽然这些版本之间的一些细节有所不同,但最重要的区别是速度和成本,成本随速度而增加。虽然消费硬件和个人电脑通常以千兆速度运行,但大多数现代工业以太网安装和组件使用快速以太网。

以太网基础版本

目前有三种快速以太网的常见版本:10BaseT、100BaseTX和1000BaseT。

有哪些不同类型的以太网布线?

部署以太网时要考虑的第一点是布线的类型。Cat5e电缆支持千兆速度,通常是推荐的最低规格。另外还有Cat6,它以更高的成本提供更好的性能,并在以太网未来几年向10千兆速度发展时提供一定程度的防未来性。虽然商业安装使用非屏蔽电缆,但屏蔽电缆应用于工业环境,以防止电机、电机驱动、焊接和其他电气设备产生的电气噪声。

在过去的几年里,定义电缆是应该使用直通补丁连接还是交叉连接是很重要的(图3)。当组件直接连接到彼此时,通常需要交叉布线,而当组件连接到以太网it设备(如交换机和路由器)时,使用补丁布线。

然而,今天的大多数设备支持Auto MDI/MDIX,它可以接受任意一种配置,所以大多数安装在整个过程中都使用补丁布线。如图3所示,大多数以太网连接都使用RJ-45连接器。

在以太网中将组件和设备相互连接时,必须考虑基本的布线标准。

另一点要考虑的性能和兼容性是通信速度,半双工或全双工能力。虽然可以通过使用托管交换机或路由器来克服双工兼容性——稍后将详细讨论——但性能仅限于最慢的设备。

正如前面提到的,快速以太网用于大多数工业自动化应用程序,因为它的原始速度已经足够了,但这可能会受到选择半双工或全双工的影响。万博官网手机登陆使用半双工,设备只能发送或接收,但不能同时做两者。这降低了性能,在最坏的情况下,由于数据冲突,半双工设备在高负载下丢失数据包。

因此,在快速和千兆以太网安装中使用的大多数组件和设备使用全双工,这意味着节点可以同时发送和接收。

什么是MAC地址和IP地址?

媒体访问控制(MAC)地址是一个部件或设备的硬物理地址。该地址是在生产过程中设置的,不应更改。虽然也有例外,但硬编码MAC地址是设计的初衷。没有此地址,以太网数据包不能输入组件或设备。然而,很少有通信设置或配置需要输入这个地址,因为另一种称为地址解析协议(ARP)的协议通常会自动检索该地址,并将其与Internet协议(IP)地址关联起来。

IP地址是组件或设备的逻辑地址,用于标识组件或设备的地址和网络。一个IP地址,例如192.168.070.001,包含两个标识符:网络地址和主机地址。网络地址帮助交换机和路由器决定将消息发送到何处。主机地址标识该网络上的特定组件或设备。子网掩码决定了IP地址的哪一部分是网络地址,哪一部分是主机地址。

默认网关地址和路由器使连接到其他网络。根据IP地址和子网掩码的不同,一个组件或设备只能向网络中的其他组件或设备发送和接收以太网消息。当一个组件或设备需要与另一个网络中的组件或设备通信时,就需要路由器。为了将消息发送到另一个网络,组件或设备将其消息发送到默认网关地址,即路由器的IP地址。

局域网(LAN)和广域网(WAN)的定义差异很大,但一般来说局域网是包含交换机和集线器的网络。一旦一个网络使用一个路由器被分成组,这些网络就被认为包含在一个广域网内。

什么是以太网集线器、交换机和路由器?

以太网有多种拓扑结构,包括总线、环形和星形。总线和环类似于菊花链连接,只有一条电缆在每个设备之间跳跃。总线拓扑有点过时,而新的环形拓扑增加了容错性。然而,大多数工业以太网安装使用星型拓扑结构,采用一些环形连接来减少电缆运行距离或提高弹性。

使用星型拓扑,许多设备连接到中心接入点,即交换机。以太网交换机有非管理配置和管理配置两种。有些应用程序和情况对万博官网手机登陆于非托管交换机是有意义的,而在其他一些应用程序和情况中,托管交换机是更好的选择。

以太网集线器简单地将以太网设备连接在一起,而不考虑MAC地址,因此所有消息都被发送到所有设备(图4)。然后将针对这些组件和设备的消息路由出适当的端口,从而防止经常发生的与以太网集线器的冲突。

以太网集线器是一种较老的技术,它将所有消息发送到所有连接的设备或组件。交换机能够有选择地将消息路由到适当的端口,防止冲突并提高网络吞吐量。

托管交换机向非托管交换机提供的功能添加了一些功能,其中最重要的是对速度和双工模式的选择。当一个部件或设备连接到一个交换机时,它必须自动协商到一个商定的速度和双工模式。

汽车谈判在商业环境中很常见,但在工业环境中可能会失败。在这些应用程序中,万博官网手机登陆通常最好是关闭自动协商,并使用托管开关将速度和双工模式设置为双方已知的工作设置。这在连接来自不同制造商的组件和设备时特别有用。

对于一个在相对较小的区域内包含5个或更少组件或设备的简单网络,非托管交换机通常可以工作,而且它总是比同等的托管交换机便宜。

对于具有多个不同制造商万博官网手机登陆的更多组件和/或设备的大型应用程序,应该强烈考虑托管交换机。在大多数复杂的应用程序中,托管交换机的配置和其他特性的好处将很容易超过非托管交换机的成本溢价。万博官网手机登陆

路由器是一个更强大的托管交换机版本,能够在以太网中创建不同组的组件和设备。创建组可以将网络的一部分与另一部分分开,这是管理网络流量的一个有用特性。当通过Internet连接网络时,应使用虚拟专用网络(VPN)路由器,以提供所需的网络安全程度。

什么是以太网协议?

到目前为止的讨论涉及了工业以太网的一些物理或硬件方面,但这只是故事的一半,另一半是工业以太网安装中使用的许多不同的软件协议。

大多数工业以太网协议可以在标准以太网硬件上运行,但有些需要经过修改的专有版本的硬件才能运行。这样做通常是为了在高度专一的应用程序中提高性能,本文不讨论这些协议。万博官网手机登陆

运行在标准以太网硬件上的不同工业以太网协议都可以使用相同的网络,但不能相互通信。两个领先的工业以太网协议是Ethernet /IP和Modbus TCP。一个标准的以太网在理论上可以同时运行这两个协议,但是在实践中最好将每个网络限制为一个协议。

为了简化,协议允许网络上的每个设备使用一种通用语言进行通信。为了更深入地理解这个主题,有必要看看以太网通信的开放系统互连(OSI) 7层模型。

什么是OSI 7层模型?

图5显示了划分为上层和下层的模型。大多数工业以太网协议不会使用所有7层。图6显示了Modbus TCP如何使用第1-4层和第7层来适应这个模型。遵循此模型的协议的目标是使任何网络连接的设备能够向任何其他设备发送数据包或消息。

大多数工业以太网协议并不使用OSI 7层模型的全部7层。

如前所述,每个以太网设备都有一个唯一的MAC地址,并且必须分配一个与它所连接的本地以太网网口兼容的IP地址。

信息在连接到物理层1的设备上发起,物理层1已经在其电子信号和电缆方面进行了讨论。数据链路第2层是上一层,作为以太网交换机和其他第2层设备的交通警察。这些设备使用每个组件或设备的MAC地址来计算哪些数据包去了哪些端口,并在这个过程中去掉MAC地址。同样,网络三层使用IP地址路由数据包。最后,传输层4传递数据有效载荷,即Modbus TPC的实际Modbus消息,直到第七层。

第7层是应用层,在这里通用语言万博官网手机登陆非常重要。尽管其他工业以太网协议在1-4层的使用上可能与Modbus TCP相同,因此可以使用同一个网络,但它们不能相互通信,因为它们的应用程序层7是不同的。万博官网手机登陆

这张图显示了流行的工业以太网协议Modbus TCP如何适应这个模型,使用了1-4层和7层,但没有使用第5层和第6层。

什么是单播、广播和多播?

单播消息从一个特定的设备或组件发送到另一个设备或组件。广播消息从一个设备发送到一个组中的所有组件或设备。多播消息被同时发送到许多不同的接收者,通常是以太网网络上的所有组件或设备。与以太网相关的组是由路由器创建的。

路由器需要确保广播消息只发送给组内的成员,但托管交换机可以智能地将多播消息路由到网络上所有组件或设备的正确端口。通过使用IGMP Join特性,托管交换机将了解哪些端口应该接收多播消息,并只向这些端口发送消息,从而显著提高性能。

如果有人不小心将交换机连接成一个环,托管交换机还可以防止网络关闭。如果不受管理的交换机错误地连接在一个环中,那么消息将继续传播,产生广播风暴,将淹没和关闭网络。托管交换机通过关闭环的一条路径来防止这种情况。如果工作路径发生变化,交换机将切换到另一条路径,这也提供了一定程度的冗余。

关于以太网基础的讨论中还没有涉及更多的细节。关于工业以太网的更多细节,请参阅参考列表。

参考文献
1.设计世界2017年3月,以太网从头开始
2.以太网的注意事项
3.控制工程2016年6月,以太网作为领先的机器自动化协议
4.《设计世界》2016年5月,应用工业以太网
5.工业以太网书2015年10月,实时协议