以太网原理和基础技术1

介绍
早在1980年，一个包括xerox，inter和digital equipment等几大公司在内的机构，宣布了以太网 1.0版本的诞生。1983年，2.0版本随之而出，这一个版本即ieee802.3标准。但是，在最初的时候，局域网并不普及，它们主要用于大学和大型的企业内部。虽然在1981年ibm公司推出的xt系列个人电脑已经投入市场。但是当时的软件业并不强大，可用的网络系统也是很少的。

随着处理器容量的不断提升，应用软件产业也有了十足的发展。用户数量出现了急剧上涨。由于用户共享资源的扩大，统一的数据管理和软件产品的增加，使得局域网的需求出现突飞猛进的发展。

局域网增长因素示意图：

伴随着工业领域对网络技术的需求增长，新的网络设计出现在自动化行业中。1985年时，以太网技术凭借siemens sinec h1而获准进入工业通讯领域。在1996年推出的simaic net，现在已经在工业通讯中占据重要地位，而sinec h1即为它的前身。

当今，工业以太网在工业网络中已经成为一种标准，比如在自动化工业或者在工业车间部门中，通讯协议的可用性和稳定性是其中最重要的因素。

网络用户数量不断增长以及软件所使用的带宽需求增加，传统的10mbps以太网无法满足工业要求。因此，人们开始准备设计一种100mbps的以太网（即快速以太网（fast ethernet），　fddi，100 base vg）。
快速以太网起源于1993年6月，当时超过50家制造商共同建立了快速以太网联盟，目的是共同研制一种100mbps的以太网。该组织同时还要设计所有的相关的网络元件，比如适配器，中继器/集线器，交换机，路由器和管理工具。所有的产品都要符合标准，以保证不同的制造商都可以应用这些产品。这也是快速以太网为什么会被广泛应用，并受到一致赞扬的原因。到了1995年6月，快速以太网被最终确定为ieee 802.3标准。

快速以太网提供了100mbps技术的可能性。用户不需改变整个网络结构就可以获得高速的传输率。这就是当今为何快速以太网作为100mbps网络，成为使用率最高的通讯协议。

以太网在工业中早已被高度接受并获得了一致的认同。但在1999年，制造商们开始了新的探索，大家希望建立千兆以太网（1000mbps），也就是10gigabit标准。
自动化技术的网络等级
为了清楚地认识以太网在自动化中的地位，我们可以将自动化系统分为以下级别：

为了在一个大型企业中可以随时，充分的了解企业中各种复杂的信息，在整个自动化系统中形成了不同的网络等级。在这些不同等级的网络中，信息可以在垂直和水平两个方向上相互传递。

每个等级的网络都与上下相邻的网络连接，可以判定相互间通讯的需求。在最上层网络，存在众多复杂的计算机系统，能够不定期的对各种复杂数据进行响应，大量的通讯参与者和响应者在网络中相互协调。在最底层，依然有很大的信息吞吐量，只是数据相对要少于上层结构。

在自动化系统网络中可以分为以下5层结构：
·计划编制层（planning level），对来自生产层的信息进行评价，组织编排并协助生产部门进行决策。在这一层中，不论是信息量还是传输速率和距离都是最大的。
·控制层（control level），对每个生产层进行协调。控制层得到来自上一层的生产编排信息，对低层进行编制。该层中的各计算机可以进行诊断，操作和记录工作。
·单元层（cell level），连接各个不同的生产层，被各单元计算机或plc控制。
·现场层（field level），存在大量用于控制的可编程控制装置，调节和检测元件比如plc或工业计算机等，并可以对执行器/传感器层进行评价。该层可以连接至可视化系统，对数据进行响应和传输。
·执行器/传感器层(actuator/sensor level)，属于现场层得一部分并于现场层的控制器连接。该层的特点是输入和输出数据的传输速率极快。输入和输出数据的更新时间甚至低于控制器的循环扫描周期。
以太网
以太网是全球范围内广泛应用，各制造商兼容的lan（局域网，local area network）网络。传输速率可以达到10，100或1000mbps。lan被定义为ieee802标准，且不同于其他网络：
·总线长度或网络范围大（10—1000m）
·传输介质技术多样（同轴电缆，双绞线和光纤）
·网络拓扑结构多样（总线型，环型，星型和树型）

以太网一部分被定义为ieee802.3，快速以太网定义为ieee802.3u。
网络工作方式
在以太网网络中，没有主站和从站的区分。任何参与者都有权介入到总线中。为了协调各参与者，采用csma/cd（carrier sense multiple access with collision detection）协议，也可以称作“听说协议”（listen while talk）。该协议描述的内容是，何时将数据放入到网络中，以及如何对数据冲突进行处理。如果一个连接至lan中的参与者希望发送数据，首先要等待，直到网络“空闲”下来，也就是说网络中没有数据在传送（carrier sense）。

确定网络中没有数据进行传输后，该参与者开始发送自己的数据。在这个过程中，可能有很多参与者都在等待这个“空闲”时刻，并且当该时刻来临时都开始发送各自的数据（多路访问，ｍultiple access）。

如果发生这种情况，就被称为“冲突”。以太网通讯可以检测出这种冲突。

如果csma/cd协议判断出冲突，数据的发送方将被中断，数据也会被删除。经过一个随机周期后，网络重新进行新一轮的数据传输。而这个随机周期通过一种国际标准的固化公式计算出来的，并不是网络随意分配的。

为了保证csma/cd访问技术能够成功实现，以太网网络的范围就要受到限制，从而控制数据包的最长传输时间。csma/cd协议所支持的最佳网络距离就成为冲突区域（collision domain）。在10mbps以太网中，冲突区域的范围是4520m。
以太网数据包格式
mac地址
在以太网中的每个网络接口，比如pc的网络插卡或pc内部的以太网cp模块，都具有一个以太网地址。通常这个地址被称为mac（介质访问控制，media access control）地址，该地址在以太网网络中都是特定的，独一的地址。mac地址有６个字节，被分为两部分。第一部分（基本mac地址）识别制造商。第二部分可以判定一个工业以太网中的不同节点。

数据包格式：
以太网数据包的格式是以太网标准的特征之一。所有的数据都在以太网网络中进行交换，并以数据包的形式进行传输。此功能与数据报相似。为了安全的传输这些数据，除了必要的数据信息，还要加上一些附加信息。下面将详细介绍它们的名称和作用：

preamble 和framestart：
preamble长度为７个字节，要与其他通讯参与者保持同步时钟脉冲。它与framestart在以太网数据包中共同担任数据起始标志的作用。

destination address：
该地址作为网络中mac地址的一部分，代表数据接收设备的地址。

source address：
同样属于mac地址的一部分，代表数据发送设备的地址。

data field width：
数据长度代表以太网数据包中数据的准确长度。长度范围从0到1500字节。

data and pad：
根据csma/cd的协议规则，为了保证在数据发生冲突时能够准确被监测，以太网数据包必需提供至少64字节的内容，如果实际数据低于这个长度，在该段内要增加更多的数据以保证达到最小数据容量。

check-sum：
以太网的数据包还包括一个校验位。如果该段检测到传输错误，则必须中止传输并阻止数据访问下一协议层。
以太网传输介质：
以太网提供了不同类型的传输介质，通常使用以下几种：
·同轴电缆
·双绞线
·光纤

早期，主要使用同轴电缆，但是现在更多的还是使用双绞线。这种电缆包括两对铜线，每一对都两两相绞。而且每一对双绞线都有金属屏蔽层和绝缘皮层。

光纤主要应用于长距离或高传送率的场合中。对于不同类型的电缆，都有不同种类的插头与之对应。比如rj45插头适用于双绞线：

通常，双绞线连接发送设备（td）和接收设备（rd），两端接口相同。这些电缆连接网络参与者，比如pc或以太网cp插卡等装置。两个网络参与者本该用电缆直接连接，比如pc直接连接至以太网cp卡上，但有时由于种种原因，无法直接连接，而需要跨线。请看下图：

中继器/集线器
中继器用于连接各网络段，从而延展了网络范围，扩大网络拓扑结构。集线器的功能与中继器相近，但是它带有更多的接口，因此也成为多路中继器。

中继器或集线器将网络段扩大，使数据传送到更多的设备中。因此，中继器可以连接不同类型的电缆（比如同轴电缆和双绞线）。集线器通常也用于连接不同的网络参与者。

交换机/网桥：
与中继器相比，网桥不仅能使数据传送到更多的设备中，而且当冲突发生时，网桥可以将网络分隔成两个相互独立的冲突区域。交换机的功能与网桥相似，但是它可以将网络分隔成更多的区域。因此，交换机的每个接口都可以分隔出两个冲突区域。

网桥和交换机可以连接在不同传输速率的以太网网络间，比如一端是10mbps，另一端是10mbps。

路由器/网关：
路由器是另一种具有扩展功能的元件。路由器不仅能识别出各种以太网数据包，还能读出它们的具体内容，包括数据包的地址信息，经过路由器的分析，按照地址信息将该数据包传送至相应的接收设备中。通常路由器连接于不同的独立的网络间。

下图是一个ethernet-isdn router的连接示例。路由器连接在internet和lan之间。

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