第6章工業(yè)以太網(wǎng)通信原理

第六章

工業(yè)以太網(wǎng)通信原理6.1概述6.2局域網(wǎng)6.3以太網(wǎng)本章的主要內(nèi)容6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.4TCP/IP協(xié)議

2/6/202326.3以太網(wǎng)備用

以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的一種技術(shù)規(guī)范；它屬于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層范疇；它定義了數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式，以及物理層硬件的傳輸介質(zhì)、連接方式、傳輸速率

單獨的以太網(wǎng)（無TCP/IP協(xié)議）采用的是MAC地址進行尋址；以太網(wǎng)+TCP/IP協(xié)議組合就是今天的互聯(lián)網(wǎng)，采用的是IP地址尋址

2/6/202336.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡原理。

2/6/20234長期以來，以PROFIBUS為代表的現(xiàn)場總線在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。通過現(xiàn)場總線，可以實現(xiàn)控制器與現(xiàn)場檢測單元、執(zhí)行機構(gòu)等設備的數(shù)據(jù)交換；人們無需親臨現(xiàn)場而通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡以及友好的人機界面就可以遠程監(jiān)控現(xiàn)場控制對象的各個參數(shù)，在提高了生產(chǎn)效率的同時也降低了人的勞動強度。6.1概述

2/6/20235然而，現(xiàn)代工業(yè)對網(wǎng)絡化、自動化程度要求越來越高，現(xiàn)場總線這類專用實時通信網(wǎng)絡具有成本高、速度低和支持應用有限等缺陷，再加上總線通信協(xié)議的多樣性，使得不同總線產(chǎn)品不能互連、互用和互操作等。另外，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點數(shù)、通信距離以及數(shù)據(jù)量都受到嚴格的控制，導致現(xiàn)場總線只能在小范圍內(nèi)進行組網(wǎng)，因而現(xiàn)場總線工業(yè)網(wǎng)絡的進一步發(fā)展受到了極大的限制。6.1概述

2/6/20236隨著計算機、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以往僅僅應用在辦公環(huán)境下的以太網(wǎng)技術(shù)逐漸被應用到環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)中，并逐步發(fā)展成工業(yè)以太網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)采用統(tǒng)一的電氣與物理接口以及標準的通信協(xié)議，將企業(yè)的管理層、車間層以及現(xiàn)場層（包括控制層和執(zhí)行、檢測層）連接到同一個網(wǎng)絡中，使企業(yè)的管理水平、網(wǎng)絡化程度都發(fā)生了質(zhì)的飛躍。6.1概述

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Siemens公司1998年發(fā)布工業(yè)以太網(wǎng)白皮書，并于2001年發(fā)布其工業(yè)以太網(wǎng)的規(guī)范，稱為PROFINET。它是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的解決方案。PROFINET其實就是工業(yè)以太網(wǎng)

，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域創(chuàng)新的、開放式的以太網(wǎng)標準（IEC61158）。使用PROFINET，設備可從現(xiàn)場級一直連接到管理級。它既可以實現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的通信，又支持工廠范圍內(nèi)的工程與組態(tài)，直到現(xiàn)場級均支持IT標準。6.1概述

2/6/202386.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡原理。

2/6/20239在有限的距離內(nèi)，將計算機、終端和各種外部設備用高速傳輸線路（有線或無線）連接而成的通信網(wǎng)絡稱為局域網(wǎng)。局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍比較有限，但傳輸速率及可靠性較高，傳輸?shù)慕橘|(zhì)標準化，且各站點之間形成平等關(guān)系而不是主從關(guān)系。局域網(wǎng)常采用的傳輸介質(zhì)有雙絞線、光纖和無線通信信道，主干網(wǎng)通常采用的是光纖，連接到網(wǎng)絡節(jié)點的通常采用雙絞線和無線通信信道。6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

2/6/202310局域網(wǎng)通常采用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有星形、總線型、環(huán)形等。目前人們習慣將拓撲結(jié)構(gòu)分為物理和邏輯兩類。局域網(wǎng)在通信時必須為其網(wǎng)絡內(nèi)的各個節(jié)點分配站地址。分配站地址的時候可以采用靜態(tài)和動態(tài)分配兩種方法。靜態(tài)分配的地址采用的是48位二進制位形式，稱為MAC（MediumAccessControl，介質(zhì)訪問控制）地址。MAC地址具有全球惟一性。而動態(tài)分配則是由系統(tǒng)管理員在安裝網(wǎng)絡時動態(tài)分配給上網(wǎng)的設備（一般為16位）。6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)

2/6/202311美國電氣電子工程師學會（IEEE）于1980年2月成立了局域網(wǎng)標準委員會（簡稱IEEE802委員會），專門從事局域網(wǎng)標準化工作，并制定了IEEE802標準，其中使用最廣泛的有以太網(wǎng)、令牌環(huán)、無線局域網(wǎng)等。6.2.1IEEE802模型

2/6/2023126.2.1IEEE802模型圖6-1IEEE802模型層次圖

2/6/202313局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是通過一系列協(xié)議標準來描述的，這些標準統(tǒng)稱為IEEE802標準。IEEE802標準包括：1）IEEE802.1關(guān)于高層局域網(wǎng)協(xié)議，包括局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡互連、管理等2）IEEE802.2關(guān)于邏輯鏈路控制的功能和服務的內(nèi)容；3）IEEE802.3關(guān)于CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDirect，載波多路訪問和沖突檢測）介質(zhì)訪問控制子層與物理層規(guī)范，主要是以太網(wǎng)采用；4）IEEE802.4關(guān)于令牌總線介質(zhì)訪問控制子層與物理層規(guī)范的內(nèi)容；6.2.2IEEE802標準

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6）IEEE802.6關(guān)于都會區(qū)網(wǎng)（也叫城域網(wǎng)）（MetropolitanAreaNetwork，MAN）介質(zhì)訪問控制子層與物理層規(guī)范的內(nèi)容；7）IEEE802.7關(guān)于寬帶TAG技術(shù)；8）IEEE802.8關(guān)于光纖FDDI技術(shù)；9）IEEE802.9關(guān)于同步局域網(wǎng)；10）IEEE802.10關(guān)于局域網(wǎng)網(wǎng)絡安全性規(guī)范SILS；11）IEEE802.11關(guān)于無線局域網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容；6.2.2IEEE802標準

2/6/20231512）IEEE802.12關(guān)于需求優(yōu)先級；13）IEEE802.13未使用；14）IEEE802.14關(guān)于電纜調(diào)制解調(diào)器等方面的內(nèi)容；15）IEEE802.15關(guān)于無線個人網(wǎng)；16）IEEE802.16關(guān)于寬帶無線接入；17）IEEE802.17關(guān)于可靠個人接入技術(shù)。

IEEE802.3標準是在以太網(wǎng)（Ethernet）規(guī)范的基礎上制定的。該標準詳細闡述了以太網(wǎng)技術(shù)的核心內(nèi)容——CSMA/CD通信方式。6.2.2IEEE802標準

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IEEE802.3標準定義的載波多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD）通信方式是以太網(wǎng)核心技術(shù)。載波偵聽是指發(fā)送節(jié)點在發(fā)送信息幀之前，必須偵聽當前的通信媒體是否空閑；多路訪問，既表示多個節(jié)點可以同時訪問網(wǎng)絡媒體，也表示一個節(jié)點發(fā)送的信息可以被多個節(jié)點所接收。沖突檢測，是指發(fā)送節(jié)點在發(fā)出信息幀的同時，還必須監(jiān)聽媒體，判斷是否發(fā)生了沖突。如果發(fā)生沖突（即其他節(jié)點也在發(fā)送信息），此時信息在媒體上的重疊將使接收點無法接收正確的信息。6.2.3載波多路訪問和沖突檢測

2/6/2023171.CSMA/CD的發(fā)送與接收

CSMA/CD采用的總是線爭用技術(shù)，其發(fā)送過程如下：1）偵聽信道上是否有信號在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)偵聽，直到信道空閑為止；2）若沒有監(jiān)聽到任何信號，就傳輸數(shù)據(jù)；3）傳輸?shù)臅r候繼續(xù)偵聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機等待一段時間后，重新執(zhí)行步驟1）（當沖突發(fā)生時，涉及沖突的計算機會返回到偵聽信道狀態(tài)。注意：每臺計算機一次只允許發(fā)送一個包，一個擁塞序列，以警告所有的節(jié)點）；6.2.3載波多路訪問和沖突檢測

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4）若未發(fā)現(xiàn)沖突，則發(fā)送成功，所有計算機在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須在最近一次發(fā)送后等待9.6s（以10Mbit/s運行）。

CSMA/CD在接收的時候，每個節(jié)點都在監(jiān)聽媒體，如果有信號傳輸，則收集信息，得到MAC幀，實體分析和判斷幀中的接收地址；如果接收地址為本節(jié)點地址，就保存該信息幀，否則丟棄該幀。6.2.3載波多路訪問和沖突檢測

2/6/2023192.CSMA/CD的特點1）各節(jié)點采用競爭的方法搶占對共享媒體的訪問權(quán)利；2）網(wǎng)絡維護方便，增刪節(jié)點容易；3）如果網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點較少（負載輕），節(jié)點能夠及時地訪問媒體，實時性相對較高；4）如果負載比較重，節(jié)點的沖突的機會就會大大增加，通信的實時性就會變得很差。

CSMA/CD通常被應用在網(wǎng)絡變更比較頻繁，節(jié)點數(shù)較少且實時性要求不高的辦公場合。但是，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，CSMA/CD實時性不高的缺點也逐漸被克服，使得以太網(wǎng)技術(shù)在局域網(wǎng)乃至互聯(lián)網(wǎng)都得到了非常廣泛的應用。6.2.3載波多路訪問和沖突檢測

2/6/2023206.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡原理。

2/6/202321以太網(wǎng)是以CSMA/CD方式工作的局域網(wǎng)技術(shù)。最初的以太網(wǎng)采用無源傳輸媒體——同軸電纜作為總線傳輸信息，并以歷史上用于表示傳播電磁波的物質(zhì)——以太（ETHER）來命名。但是后來，愛因斯坦證明“以太”根本就不存在，但是該名稱被一直沿用下來了。

20世紀70年代美國Xerox（施樂）公司、Intel公司和DEC公司共同研制開發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡媒體，介質(zhì)訪問控制（MAC）方法采用載波多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD）機制，數(shù)據(jù)傳輸速率達到10Mbit/s。6.3以太網(wǎng)

2/6/202322以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡，而是一種局域網(wǎng)技術(shù)規(guī)范。它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標準，如令牌總線網(wǎng)（TokenBUS）、令牌環(huán)網(wǎng)（TokenRing）、光纖分布式數(shù)字接口（FDDI）和ARCnet等。以太網(wǎng)的標準拓撲結(jié)構(gòu)為總線型拓撲，但目前的快速以太網(wǎng)為了最大程度地減少沖突，最大程度地提高網(wǎng)絡速度和使用效率，使用交換機（Switch）來進行網(wǎng)絡連接和組織，這樣，以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)就成了星形。

IEEE802.3定義了以太網(wǎng)（采用CSMA/CD方式）的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)標準。6.3以太網(wǎng)

2/6/202323采用CSMA/CD方式工作的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)包括8個字段，如圖6-2所示。6.3.1以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)PSFDDASALDATAPADPCS圖6-2以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)

P（Preamble）：占用7個字節(jié)，由交替的1和0（10101010）組成的用于同步的前綴；

SFD（StartFrameDelimiter）：幀起始分界符，占一個字節(jié)，由10101011構(gòu)成，用于指明數(shù)據(jù)幀開始。DA（DestinationMACAddesses）：目的MAC地址，用于指明幀被傳送的一個或多個目的地址

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SA（SourceMACAddesses）：源MAC地址，用于指明發(fā)送幀的源站點。L（Length/Type）：數(shù)據(jù)字段長度，占2個字節(jié)，表明DATA的數(shù)據(jù)長度。

DATA：數(shù)據(jù)字段，這個字段包括從源站到目的站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，最多包含1500字節(jié)。如果這個字段小于46字節(jié)，那就必須使用下面的“PAD”字段，以使幀的總長度大于64字節(jié)。

PAD：填充字段，如果需要，額外的數(shù)據(jù)字節(jié)將被附加到這個字段中，以使幀的長度大于64字節(jié)（從DA字段到FCS字段）。

FCS（FrameCheckSequence）：幀校驗序列，這個字段包括4個字節(jié)的循環(huán)冗余校檢碼（CRC），用于檢查錯誤6.3.1以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)

2/6/202325最初的以太網(wǎng)標準定義的最小幀為64字節(jié)，最大幀為1518字節(jié)。這個數(shù)字包含從目的MAC地址字段到校檢字段的所有字節(jié)，幀前綴和幀起始分界字段不包含在內(nèi)。6.3.1以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)

2/6/202326局域網(wǎng)中，相互連接的計算機和網(wǎng)線布局被稱為網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。從物理拓撲結(jié)構(gòu)來說，以太網(wǎng)分為兩種：總線型和星形以太網(wǎng)。通過中繼器（集線器）或網(wǎng)橋（交換機），把各種介質(zhì)的網(wǎng)段連成一個大的以太網(wǎng)，可以認為是一種樹形結(jié)構(gòu)。從邏輯拓撲結(jié)構(gòu)來看，以太網(wǎng)只有一種，就是總線型的。邏輯拓撲結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是一種信號的拓撲。不管哪種以太網(wǎng)，實際上網(wǎng)絡上的站點都是一起享受相同的一條邏輯信道的。就以雙絞線的星形介質(zhì)網(wǎng)來說，某個站點通過雙絞線發(fā)送信號到集線器的某個端口上，集線器會把這個信號送到所有的端口上，就能使其他的站點也能偵測到這個信號。6.3.2以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

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1.標準以太網(wǎng)2.快速以太網(wǎng)3.千兆以太網(wǎng)4.萬兆以太網(wǎng)6.3.3以太網(wǎng)的發(fā)展

2/6/202328初期的以太網(wǎng)是一種共享式以太網(wǎng)，它的典型代表是使用10Base2/10Base5（10Mbit/s，基帶傳輸，200/500m）的總線型網(wǎng)絡和以集線器（HUB）為核心的星形網(wǎng)絡。共享式以太網(wǎng)不易隔離故障點，而且容易造成網(wǎng)絡擁塞，降低了網(wǎng)絡通信的效率。為了解決共享型以太網(wǎng)的問題，于是產(chǎn)生了交換型以太網(wǎng)。交換型以太網(wǎng)的特點是使用交換機代替集線器（HUB），交換機可以使多個用戶同時使用此網(wǎng)絡。這樣一來，如果您使用的是10Mbit/s交換型以太網(wǎng)，則每個用戶就可以獨自享用10Mbit/s的傳輸速率而不用去考慮其他用戶的使用情況，因此網(wǎng)絡的實際帶寬得到大幅度提高，可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。6.3.4交換型以太網(wǎng)

2/6/202329類似傳統(tǒng)的橋接器，交換機提供了許多網(wǎng)絡互連功能。交換機能經(jīng)濟地將網(wǎng)絡分成小的沖突網(wǎng)域，為每個工作站提供更高的帶寬。協(xié)議的透明性使得交換機在軟件配置簡單的情況下直接安裝在多協(xié)議網(wǎng)絡中。交換機使用現(xiàn)有的電纜、中繼器、集線器和工作站的網(wǎng)卡，不必作高層的硬件升級。交換機對工作站是透明的，這樣管理開銷低廉，簡化了網(wǎng)絡節(jié)點的增加、移動和網(wǎng)絡變化的操作。6.3.4交換型以太網(wǎng)

2/6/2023306.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡原理。

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TCP/IP模型并不完全符合OSI的7層參考模型，而是采用了結(jié)構(gòu)更加簡潔的4層網(wǎng)絡：網(wǎng)絡接口層、互連網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。

TCP/IP模型廣泛應用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，甚至與我們生活非常緊密的因特網(wǎng)（Internet），TCP/IP更是成為了公認的標準。如今電腦上因特網(wǎng)都要作TCP/IP協(xié)議設置，顯然該協(xié)議成了當今“人與人”之間的“牽手協(xié)議”。TCP/IP模型其實只是一種抽象的模型，它是由一組協(xié)議簇構(gòu)成的，其中TCP協(xié)議和IP協(xié)議是該協(xié)議簇中最核心的兩個協(xié)議，因此就以這兩個協(xié)議命名該模型。6.4TCP/IP模型

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TCP/IP模型并不完全符合OSI的7層參考模型，而是采用了結(jié)構(gòu)更加簡潔的4層網(wǎng)絡：網(wǎng)絡接口層、互連網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。

TCP/IP模型廣泛應用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，甚至與我們生活非常緊密的因特網(wǎng)（Internet），TCP/IP更是成為了公認的標準。如今電腦上因特網(wǎng)都要作TCP/IP協(xié)議設置，顯然該協(xié)議成了當今“人與人”之間的“牽手協(xié)議”。TCP/IP模型其實只是一種抽象的模型，它是由一組協(xié)議簇構(gòu)成的，其中TCP協(xié)議和IP協(xié)議是該協(xié)議簇中最核心的兩個協(xié)議，因此就以這兩個協(xié)議命名該模型。6.4.1TCP/IP與OSI/RM參考模型

2/6/2023336.4.1TCP/IP與OSI/RM參考模型圖6-3TCP/IP分層模型及其協(xié)議

2/6/202334從上到下，TCP/IP模型中的每一層所承擔的任務以及所采用的協(xié)議分別為：1）應用層；2）傳輸層：3）互連網(wǎng)絡層；4）網(wǎng)絡接口層：

TCP協(xié)議和IP協(xié)議構(gòu)成了TCP/IP模型的主體。TCP協(xié)議應用在傳輸層，負責信息如何傳輸，而IP協(xié)議應用在互連網(wǎng)絡層，負責將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地。在網(wǎng)絡接口層，可以采用以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌環(huán)（TokenRing）、幀中繼（FrameRelay）或者異步傳輸（ATM）等技術(shù)來組建。6.4.1TCP/IP與OSI/RM參考模型

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1.IP協(xié)議概述

IP協(xié)議定義在TCP/IP模型的第2層——網(wǎng)絡層，是Internet最重要的協(xié)議。在IP協(xié)議中規(guī)定了在Internet上進行通信時應遵守的規(guī)則，例如IP數(shù)據(jù)包的組成、路由器如何將IP數(shù)據(jù)包送到目的主機等。6.4.2IP協(xié)議

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IP協(xié)議的作用就是向傳輸層（TCP層）提供統(tǒng)一的IP包，即將各種不同類型的MAC幀轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的IP包，并將MAC幀的物理地址變換為全網(wǎng)統(tǒng)一的邏輯地址（IP地址）。這樣，這些不同物理網(wǎng)絡MAC幀的差異對上層而言就不復存在了。正因為這一轉(zhuǎn)換，才實現(xiàn)了不同類型物理網(wǎng)絡的互連。

IP協(xié)議面向無連接，IP網(wǎng)中的節(jié)點路由器根據(jù)每個IP包的包頭IP地址進行尋址，這樣同一個主機發(fā)出的屬于同一報文的IP包可能會經(jīng)過不同的路徑到達目的主機。6.4.2IP協(xié)議

2/6/2023372.IP協(xié)議的功能（1）尋址首先先來了解一下TCP/IP網(wǎng)絡中用來標識網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡節(jié)點的常用的地址。（a）MAC地址介質(zhì)訪問控制（Media

Access

Control，MAC）地址，。（b）網(wǎng)絡地址一個網(wǎng)絡地址可以根據(jù)邏輯分配給任意一個網(wǎng)絡設備，所以又叫邏輯地址。6.4.2IP協(xié)議

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IP協(xié)議尋址的功能體現(xiàn)在：一方面IP協(xié)議要為網(wǎng)絡中的每個節(jié)點分配一個能惟一標識網(wǎng)絡號和設備號的邏輯地址，即IP地址；另一方面IP協(xié)議在打包數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包里總會包含通信源地址和目的地址，并利用ARP（地址解析協(xié)議）實現(xiàn)IP地址和MAC地址的轉(zhuǎn)換，以便尋址到目的地址。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202339（2）路由

IP數(shù)據(jù)報在傳輸過程中，每個中間節(jié)點（IP網(wǎng)關(guān)等）還需要為其選擇從源主機到目的主機的合適的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，即路由。路由選擇是以單個IP數(shù)據(jù)包為基礎的，概括而言是確定某個IP數(shù)據(jù)包到達目的主機需經(jīng)過哪些路由器。路由選擇可以由源主機決定，也可以由IP數(shù)據(jù)包所途經(jīng)的路由器決定。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202340（3）分段與組裝

IP數(shù)據(jù)包在實際傳送過程中所經(jīng)過的物理網(wǎng)絡幀的最大長度可能不同，當長IP數(shù)據(jù)包需通過短幀子網(wǎng)時，需對IP數(shù)據(jù)包進行分段與組裝。

IP協(xié)議實現(xiàn)分段與組裝的方法是給每個IP數(shù)據(jù)包分配一個惟一的標志符，且報頭部分還有與分段與組裝相關(guān)的分段標記和位移。IP數(shù)據(jù)包在分段時，每一段需包含原有的標志符。為了提高效率、減輕路由器的負擔，重新組裝工作由目的主機來完成。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202341

3.IP地址及其分類在Internet上連接的所有計算機，從大型機到微型計算機都是以獨立的身份出現(xiàn)的，我們稱它為主機。為了實現(xiàn)各主機間的通信，每臺主機都必須有一個惟一的網(wǎng)絡地址。就好像每一個住宅都有惟一的門牌一樣，才不至于在傳輸資料時出現(xiàn)混亂。大家都知道，互聯(lián)網(wǎng)是由許多小型網(wǎng)絡構(gòu)成，每個網(wǎng)絡上是由成千上萬臺計算機互相連接而成的。而我們要確認網(wǎng)絡上的每一臺計算機，靠的就是能惟一標識該計算機的網(wǎng)絡地址，這個地址就是IP（InternetProtocol）地址。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202342目前，IP地址采用的是32位二進制數(shù)來表示。為了便于記憶，人們將它們分為4組，分別用4個字節(jié)來表示，每字節(jié)8位，并由小數(shù)點分開。用點分開的每個字節(jié)的數(shù)值范圍是0~255，如11，這種書寫方法叫做點數(shù)表示法。

IP地址在設計時考慮到地址分配的層次特點，將每個IP地址都分割成網(wǎng)絡號和主機號兩部分。為了有效地利用IP資源以及清楚地區(qū)分主機及其所在的網(wǎng)絡，通常采用一組被稱作子網(wǎng)掩碼的32位二進制數(shù)和IP地址配合使用。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202343根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模的大小，一般將IP地址分為A、B、C、D、E五類，并通過三種默認的子網(wǎng)掩碼來區(qū)分各個子網(wǎng)的網(wǎng)絡號和子網(wǎng)內(nèi)的主機號。（1）A類地址A類地址的表示范圍為~126.355.255.255，子網(wǎng)掩碼為。A類地址分配給規(guī)模特別大的網(wǎng)絡使用。（2）B類地址B類地址的表示范圍為~55，子網(wǎng)掩碼為。B類地址分配給一般的中型網(wǎng)絡。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202344（3）C類地址：C類地址的表示范圍為~55，子網(wǎng)掩碼為。C類地址分配給小型網(wǎng)絡，如一般的局域網(wǎng)，它可連接的主機數(shù)量是最少的，采用把所屬的用戶分為若干的網(wǎng)段進行管理。C類網(wǎng)絡用前三組數(shù)字表示網(wǎng)絡的地址，最后一組數(shù)字作為網(wǎng)絡上的主機地址。（4）D類地址：D類地址以“1110”開始，第一個字節(jié)的數(shù)字范圍為224～239，是多點播送地址（5）E類地址：以“11110”開始，即第一段數(shù)字范圍為240～254。E類地址保留，僅作實驗和開發(fā)用。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202345在上述地址分類中留出了3塊IP地址空間（1個A類地址段，16個B類地址段，256個C類地址段）作為私有的內(nèi)部使用的地址。在這個范圍內(nèi)的IP地址不能被路由到。這3塊地址空間可以參見表6-1。使用私有地址將網(wǎng)絡連至Internet，需要將私有地址轉(zhuǎn)換為公有地址。這個轉(zhuǎn)換過程稱為網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（NetworkAddressTranslation，NAT），通常使用路由器來執(zhí)行NAT。6.4.2IP協(xié)議

2/6/2023466.4.2IP協(xié)議表6-1私有IP地址空間IP地址類別地址范圍協(xié)議A類～55B類～55C類～55

2/6/202347在Internet中，一臺計算機可以有一個或多個IP地址，就像一個人可以有多個通信地址一樣，但兩臺或多臺計算機卻不能共享一個IP地址。如果有兩臺計算機的IP地址相同，則會引起異?，F(xiàn)象，無論哪臺計算機都將無法正常工作。6.4.2IP協(xié)議

2/6/202348

1.TCP概述

TCP協(xié)議位于傳輸層，是一個端對端、面向可靠連接的協(xié)議。該協(xié)議彌補了IP協(xié)議的某些不足，其中比較突出的有兩個方面：一是TCP協(xié)議能夠保證在IP數(shù)據(jù)包丟失時進行重發(fā)，能夠刪去重復收到的IP數(shù)據(jù)包，還能保證準確地按原發(fā)送端的發(fā)送順序重新組裝數(shù)據(jù)；二是TCP協(xié)議能區(qū)別屬于同一應用報文的一組IP數(shù)據(jù)包，并能鑒別應用報文的性質(zhì)。這一功能使得某些具有四層協(xié)議功能的高端路由器可以對IP數(shù)據(jù)包進行流量、優(yōu)先級、安全管理、負荷分配和復用等智能控制。6.4.3TCP協(xié)議

2/6/202349

1）保證傳輸?shù)目煽啃?/p>

TCP協(xié)議是面向連接的。所謂連接，是指在進行通信之前，通信雙方必須建立連接才能進行通信，而在通信結(jié)束后終止其連接。相對于面向無連接的IP協(xié)議而言，TCP協(xié)議具有高度的可靠性。總之，IP協(xié)議不提供差錯報告和差錯糾正機制，而TCP協(xié)議向應用層提供了面向連接的服務，以確保網(wǎng)絡上所傳送的數(shù)據(jù)包被完整、正確、可靠地接收。一旦數(shù)據(jù)有損傷或丟失，則由TCP協(xié)議負責重傳，應用層不參與解決。6.4.3TCP協(xié)議

2/6/202350

2）提供部分應用層信息的功能在TCP協(xié)議之上是應用層協(xié)議（如FTP、SMTP、Telnet等），最終需依靠它們實現(xiàn)主機間的通信。TCP協(xié)議攜帶了部分應用層信息，可用來區(qū)別同一報文數(shù)據(jù)流的一組IP包及其性質(zhì)。

TCP協(xié)議對這些應用層協(xié)議規(guī)定了整數(shù)標志符，稱為端口序號。被規(guī)定的端口序號稱為保留端口，其值在0～1023范圍內(nèi)（如端口序號23，用于遠程終端服務）。此外還有自由端口序號，供個人程序使用，或者用來區(qū)分兩臺主機間相同應用層協(xié)議的多個通信，即兩臺主機間復用多個用戶會話連接。6.4.3TCP協(xié)議

2/6/2023516.4.4以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議定義在網(wǎng)絡層、傳輸層以及應用層。在應用層，用戶通過FTP、SMTP等協(xié)議實現(xiàn)文件傳輸、郵件發(fā)送以及遠程登錄等應用。通過TCP協(xié)議來保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，而IP協(xié)議負責將TCP組織的數(shù)據(jù)通過IP地址路由的方式傳送到目的地。以太網(wǎng)在成功地應用到數(shù)據(jù)鏈路和物理層之后，就與TCP/IP緊密地捆綁在一起了。并且，由于后來國際互聯(lián)網(wǎng)也是以以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議為核心，人們甚至把如超文本連接（HTTP）等TCP/IP協(xié)議簇放在一起，稱為以太網(wǎng)技術(shù)。

2/6/2023526.4.4以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議

TCP/IP的簡單實用已為廣大用戶所接受，不僅在辦公自動化領(lǐng)域內(nèi)，而且在各個企業(yè)的管理網(wǎng)絡、監(jiān)控層網(wǎng)絡也都廣泛使用以太網(wǎng)技術(shù)，并開始向現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡延伸。如今，TCP/IP協(xié)議成為最流行的網(wǎng)際互連協(xié)議，并由單純的TCP/IP協(xié)議發(fā)展成為一系列以IP為基礎的TCP/IP協(xié)議簇。

TCP/IP協(xié)議中一般通過三種地址實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信：域名地址、IP地址、物理網(wǎng)絡地址。

2/6/2023536.4.4以太網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議從上面的分析可以看出，TCP/IP結(jié)構(gòu)簡單，分工明確，它在用戶和物理網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)）之間承擔了橋梁的作用。通過TCP/IP協(xié)議，用戶的訪問被制作成帶有目的地址的數(shù)據(jù)包，利用路由器等網(wǎng)絡設備在以太網(wǎng)上傳輸。目的主機收到數(shù)據(jù)包后再通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成用戶能夠識別的文檔，從而實現(xiàn)用戶之間的通信。如果數(shù)據(jù)通信僅僅發(fā)生在某個局域網(wǎng)內(nèi)，我們還可以通過以太網(wǎng)的MAC地址直接進行尋址通信，省去了路由的時間，這樣做可以大大提高數(shù)據(jù)通信實時性。

2/6/2023546.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡原理。

2/6/2023556.5工業(yè)以太網(wǎng)原理工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容。產(chǎn)品設計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

2/6/2023566.5.1以太網(wǎng)應用于工業(yè)環(huán)境的缺陷1.通信的確定性與實時性工業(yè)控制網(wǎng)絡不同于普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的最大特點在于它必須滿足控制作用對確定性和實時性的要求，即信號傳輸要足夠快并且滿足信號的確定。工業(yè)上對數(shù)據(jù)傳遞的實時性要求十分嚴格，往往數(shù)據(jù)的更新是在數(shù)十毫秒內(nèi)完成的。然而，由于以太網(wǎng)采用CSMA/CD方式，網(wǎng)絡負荷較大時，很容易發(fā)生沖突，這時候就得重發(fā)數(shù)據(jù)，最多可以嘗試16次之多。網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)準確定時通信的實時性要求，一直被認為是“非確定性”的網(wǎng)絡。

2/6/2023576.5.1以太網(wǎng)應用于工業(yè)環(huán)境的缺陷2.網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與可靠性傳統(tǒng)的以太網(wǎng)并不是為工業(yè)應用而設計的，沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適應性需要。由于工業(yè)現(xiàn)場的機械、氣候、塵埃等條件非常惡劣，因此對設備的工業(yè)可靠性提出了更高的要求。在工廠環(huán)境中，工業(yè)網(wǎng)絡必須具備較好的可靠性、可恢復性及可維護性。即保證一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中任何組件發(fā)生故障時，不會導致應用程序、操作系統(tǒng)，甚至網(wǎng)絡系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。

2/6/2023586.5.1以太網(wǎng)應用于工業(yè)環(huán)境的缺陷3.網(wǎng)絡的安全性工業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全是工業(yè)以太網(wǎng)應用必須考慮的另一個安全性問題。工業(yè)以太網(wǎng)可以將企業(yè)傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡系統(tǒng)，即信息管理層、過程監(jiān)控層、現(xiàn)場設備層，合成一體，使數(shù)據(jù)的傳輸速率更快、實時性更高，并可與Internet無縫集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高工廠的運作效率。但同時也引入了一系列的網(wǎng)絡安全問題，工業(yè)網(wǎng)絡可能會受到包括病毒感染、黑客的非法入侵與非法操作等在內(nèi)的網(wǎng)絡安全威脅。

2/6/2023596.5.1以太網(wǎng)應用于工業(yè)環(huán)境的缺陷4.網(wǎng)絡總線供電問題總線供電（或稱總線饋電）是指連接到現(xiàn)場設備的線纜不僅傳輸數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設備提供工作電源。

2/6/2023606.5.1以太網(wǎng)應用于工業(yè)環(huán)境的缺陷工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標準）兼容。產(chǎn)品設計時，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。

2/6/2023616.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點1.通信速率高目前，10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s的快速以太網(wǎng)已廣泛應用，10Gbit/s以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）最高速率只有12Mbit/s。顯然，以太網(wǎng)的速率要比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線要快得多，完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡不斷增長的帶寬要求。

2/6/2023626.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點2.成本低廉以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格較之現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要便宜得多（約為1/10）。另外，以太網(wǎng)已經(jīng)應用多年，人們對以太網(wǎng)的設計、應用等方面有很多經(jīng)驗，具有相當成熟的技術(shù)。大量的軟件資源和設計經(jīng)驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓費用，降低系統(tǒng)的整體成本，并大大加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度。

2/6/2023636.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點

3.資源共享能力強隨著Internet/Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，網(wǎng)絡上的用戶已解除了資源地理位置上的束縛，在連入互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上就能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“控管一體化”，這是其他任何一種現(xiàn)場總線都無法比擬的。

2/6/2023646.5.2工業(yè)以太網(wǎng)的特點4.可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笠蕴W(wǎng)的引入將為控制系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供可能性，用戶在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入。同時，機器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。

2/6/2023656.5.3工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢

1.與現(xiàn)場總線相結(jié)合近一段時間內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將與現(xiàn)場總線相結(jié)合，具體表現(xiàn)在：

1）物理介質(zhì)采用標準以太網(wǎng)連線，如雙絞線、光纖等；

2）在工業(yè)現(xiàn)場使用工業(yè)級以太網(wǎng)交換機；

3）采用IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準、TCP/IP協(xié)議簇；

4）應用層（甚至是用戶層）采用現(xiàn)場總線的應用層、用戶層協(xié)議；

5）兼容現(xiàn)有成熟的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，如DCS、PLC等。

2/6/2023666.5.3工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢

2.將直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間的通信隨著以太網(wǎng)通信速率的提高，全雙工通信、交換技術(shù)的發(fā)展，為以太網(wǎng)的通信確定性的解決提供了技術(shù)基礎，從而消除了以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信的主要障礙，為以太網(wǎng)直接應用于工業(yè)現(xiàn)場設備間通信提供了技術(shù)可能。

2/6/2023676.5.3工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢3.應用于現(xiàn)場設備間通信的關(guān)鍵技術(shù)獲得重大突破針對工業(yè)現(xiàn)場設備間通信具有實時性強、數(shù)據(jù)信息短、周期性較強等特點和要求，經(jīng)過認真細致的調(diào)研和分析，采用以下技術(shù)基本解決了以太網(wǎng)應用于現(xiàn)場設備間通信的關(guān)鍵技術(shù)。（1）實時通信技術(shù)（2）總線供電技術(shù)（3）遠距離傳輸技術(shù)（4）網(wǎng)絡安全技術(shù)（5）可靠性技術(shù)

2/6/2023686.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)西門子工業(yè)以太網(wǎng)SIMATICNET符合IEEE802.3以及IEEE802.11標準，并采用10Mbit/s以及100Mbit/s、1Gbit/s快速以太網(wǎng)技術(shù)。

SIMATICNET提供了開放的、適用于工業(yè)環(huán)境下各種控制級別的不同的通信系統(tǒng)，這些通信系統(tǒng)均基于國家和國際標準，符合ISO/OSI或者TCP/IP網(wǎng)絡參考模型。經(jīng)過多年的實踐，SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)的應用已多于40萬個節(jié)點，遍布世界各地，用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，包括有高強度電磁干擾的地區(qū)。

2/6/2023696.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)1.SIMATICNET網(wǎng)絡硬件（1）傳輸介質(zhì)SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)通常使用的物理傳輸介質(zhì)是屏蔽雙絞線（TwistedPair，TP）、工業(yè)屏蔽雙絞線（IndustrialTwistedPair，ITP）以及光纖。TP連接常用于端對端的連接。數(shù)據(jù)終端設備與連接元件之間通過TP或ITP電纜連接。

2/6/2023706.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)（2）工業(yè)以太網(wǎng)交換機

SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展歷程中，SCALANCE交換機的應用具有里程碑式的意義，因為它是構(gòu)建統(tǒng)一網(wǎng)絡的最新一代有源網(wǎng)絡組件，也是實現(xiàn)西門子全集成自動化技術(shù)在全球范圍內(nèi)成功實施的重要推動力。這些有源網(wǎng)絡組件是完全匹配的，是針對惡劣的工業(yè)環(huán)境而設計，是統(tǒng)一、靈活、安全和高性能網(wǎng)絡的關(guān)鍵。

2/6/2023716.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)

SCALANCE交換機包括三大系列：SCALANCE－S，利用安全機制，如驗證、數(shù)據(jù)編碼或權(quán)限控制，SCALANCE－S可保護公司內(nèi)部的網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)免受侵擾、操作和非法訪問；SCALANCE－W，基于工業(yè)無線局域網(wǎng)，并通過提供專用的數(shù)據(jù)傳輸速率或監(jiān)控無線電連接，SCALANCE－W可以實現(xiàn)端到端的連接，延伸到過去很難或不可能到達的區(qū)域；SCALANCE－X，提供了一系列工業(yè)以太網(wǎng)交換機，這些交換機具有各類功能，如通過PROFINET、SNMP或Web進行診斷等，可適用于最廣泛的應用領(lǐng)域（如網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸速率、端口數(shù)等）。

2/6/2023726.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)

SCALANCE從名字上來說就是指SCALableperformANCE，也就是具有可伸縮性的性能，即交換機不會隨著網(wǎng)絡負荷的增大而降低性能。傳統(tǒng)的OSM/ESM能使用固定的端口，沒有SCALANCE組態(tài)環(huán)網(wǎng)靈活，因為SCALANCE的環(huán)網(wǎng)的環(huán)形端口可以根據(jù)需要來定義端口。OSM/ESM類型的交換機處于即將淘汰的邊緣。

2/6/2023736.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)（3）通信處理器

SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)中常用的通信處理器（CommunicationProcessor，CP）包括用在S7PLC站上的處理器CP243-1系列、CP343-1系列、CP443-1系列等。

S7-300系列PLC的以太網(wǎng)通信處理器是CP343-1系列，按照所支持協(xié)議的不同，可以分為CP343-1、CP343-1ISO、CP343-1TCP、CP343-1IT和CP343-1PN等。

2/6/2023746.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)2.SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)同其他工業(yè)以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)類似，SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)可以根據(jù)網(wǎng)絡的具體要求而組建成星形、總線型、環(huán)形3.SIMATICNET工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議（1）S5兼容協(xié)議S5兼容協(xié)議包括TCP/IP、UDP、ISO-ON-TCP、ISO等。

2/6/2023756.5.4西門子工業(yè)以太網(wǎng)（2）S7通信協(xié)議

S7通信屬于OSI參考模型第7層應用層的協(xié)議，它獨立于各個網(wǎng)絡，可以應用于多種網(wǎng)絡（MPI、PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)）。S7通信通過不斷地重復接收數(shù)據(jù)來保證網(wǎng)絡報文的正確。在SIMATICS7中，通過組態(tài)建立S7連接來實現(xiàn)S7通信，在PC上，S7通信需要通過SAPI-S7接口函數(shù)或OPC（過程控制用對象鏈接與嵌入）來實現(xiàn)。在STEP7中，S7通信需要調(diào)用功能塊SFB（S7-400）或FB（S7-300），最大的通信數(shù)據(jù)可以達64KB。對于S7-400，可以使用系統(tǒng)功能塊SFB來實現(xiàn)S7通信，對于S7-300，可以調(diào)用相應的FB功能塊進行S7通信。

2/6/2023766.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡原理。

2/6/2023776.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET

PROFINET是由PROFIBUS

International（PI）組織于2000年8月提出的基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新一代自動化總線標準，同時它也符合TCP/IP以及IT標準。全球自動化技術(shù)發(fā)展的趨勢之一就是工業(yè)以太網(wǎng)向現(xiàn)場級滲透。西門子公司的PROFINET在兼容TCP/IP的基礎上增加了實時數(shù)據(jù)傳輸通道（SRT/IRT）滿足工業(yè)現(xiàn)場實時可靠的控制要求，實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場級的完美應用。尤其是在運動控制領(lǐng)域，250s，抖動小于1s的性能是PROFIBUS現(xiàn)場總線無法比擬的。

2/6/2023786.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFINET就是工業(yè)以太網(wǎng)，支持TCP/IP、UDP、ARP、DHCP以及其他的IT標準協(xié)議，但為了能夠更好地應用于分布式IO設備以及類似于運動控制的場合，PROFINET又加入了實時（Real-Time，RT）協(xié)議通道，使得數(shù)據(jù)通信的時鐘周期從100ms降到了1ms。表6-2列出了PROFINET協(xié)議的3個版本。

2/6/2023796.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)表6-2PROFINET協(xié)議的版本分類序號版本名稱功能描述1PROFINETV1.0基于組件的系統(tǒng)主要用于控制器與控制器通信，一般的工業(yè)以太網(wǎng)通信2PROFINET-SRT加入軟實時通道，用于控制器與I/O設備通信3PROFINET-IRT通過ERTEC芯片加入硬實時通道，用于運動控制等

2/6/2023806.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)在這些版本中，PROFINET提出了對IEEE802.1D和IEEE1588進行實時擴展的技術(shù)方案，并對不同實時要求的信息采用不同的實時通道技術(shù)。

PROFINET通信協(xié)議模型如圖6-4所示。從圖中可以看出，PROFINET符合TCP/IP以及IT標準，同時它也是一種實時工業(yè)以太網(wǎng)。PROFINET提供一個標準通信通道和兩類實時通信通道。

2/6/2023816.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)圖6-4PROFINET通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

2/6/2023826.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)標準通道是使用TCP/IP協(xié)議的非實時通信通道，主要用于設備參數(shù)化、組態(tài)和讀取診斷數(shù)據(jù)。軟實時通道（SoftwareRT，SRT），主要用于過程數(shù)據(jù)的高性能循環(huán)傳輸、事件控制的信號與報警信號等，提供精確通信能力。為優(yōu)化通信功能，PROFINET在實時通道沒有使用TCP/IP協(xié)議，而是采用類似現(xiàn)場總線的機制，用設備名稱來代替總線地址，極大地降低了數(shù)據(jù)的響應時間。同時根據(jù)IEEE802.1定義了報文的優(yōu)先級，最多可用7級。

2/6/2023836.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)等時同步實時通道（IsochronousRealTime）采用了ASIC-ERTEC（增強的實時以太網(wǎng)控制器）芯片實現(xiàn)了等時同步實時的解決方案，以進一步縮短通信棧軟件的處理時間，特別適用于高性能傳輸、過程數(shù)據(jù)的等時同步傳輸，以及快速的時鐘同步運動控制。

2/6/2023846.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)

PROFINET實時工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)符合IEEE802.3定義的標準以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)；但是，由于增加了實時數(shù)據(jù)通道，為了區(qū)別TCP/IP數(shù)據(jù)，PROFINET在幀中用2個字節(jié)來標識以太網(wǎng)的類型。SRT的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖6-5和圖6-6所示。圖6-5PROFINETRT幀結(jié)構(gòu)

2/6/2023856.6.1PROFINET協(xié)議結(jié)構(gòu)如果該幀為TCP/IP數(shù)據(jù)，“以太網(wǎng)類型”2個字節(jié)的值為“0x0800”；若該幀為PROFINET實時幀，則“以太網(wǎng)類型”的值為“0x8892”。通過“應用標識符”所接收的數(shù)據(jù)來分配“循環(huán)傳輸”或“非循環(huán)傳輸”（報警和事件）。設備和數(shù)據(jù)的狀況（例如運行、停止、出錯）通過4個字節(jié)的“狀態(tài)信息”來表示。圖6-6PROFINETIRT幀結(jié)構(gòu)

2/6/2023866.6.2PROFINET的功能范圍作為一項戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡解決方案。從其協(xié)議結(jié)構(gòu)中我們可以看出，PROFINET的功能涉及到8個方面，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡安裝、IT標準和信息安全、故障安全和過程自動化。這些功能幾乎涵蓋了過程控制、智能控制、運動控制、信息技術(shù)、檢測技術(shù)、診斷技術(shù)等各個方面。

2/6/2023876.6.2PROFINET的功能范圍

1.實時通信實時表示系統(tǒng)在一個確定的時間內(nèi)處理外部事件，通俗地說就是系統(tǒng)對輸入的變化來得及反應。實時性用來衡量系統(tǒng)的反應能力。確定性意味著系統(tǒng)有一個可預知的響應。

PROFINET根據(jù)通信的響應時間制定了3個版本，分別對應3種通信方式：TCP/IP標準通信、軟實時（SRT）通信以及等時同步實時（IRT）通信。（1）TCP/IP標準通信基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的PROFINET符合TCP/IP和IT標準。其響應時間大概在100ms的數(shù)量級，完全可以滿足工廠控制級的應用。

2/6/2023886.6.2PROFINET的功能范圍

1.實時通信（2）軟實時（SRT）通信對于傳感器和執(zhí)行器設備之間以及控制器之間（如PLC）的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應時間的要求更為嚴格，因此，PROFINET提供了一個優(yōu)化的、基于數(shù)據(jù)鏈路層的實時通信通道；通過該實時通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時間，PROFINET實時通信（RT）的典型響應時間是5～10ms。

2/6/2023896.6.2PROFINET的功能范圍

1.實時通信（3）等時同步實時（IRT）通信在現(xiàn)場級通信中，運動控制對以太網(wǎng)通信的要求最高，通信時間必須嚴格同步而且時間必須確定。采用PROFINET的等時同步實時（IsochronousReal-Time,IRT）技術(shù)可以滿足運動控制的高速通信需求。IRT的通信系統(tǒng)調(diào)度如圖6-7所示。

2/6/2023906.6.2PROFINET的功能范圍圖6-7IRT的通信系統(tǒng)調(diào)度

2/6/2023916.6.2PROFINET的功能范圍表6-3IRT與SRT的區(qū)別項目SRTIRT傳輸方式通過以太網(wǎng)的優(yōu)先級來確定SRT消息幀的優(yōu)先級通過預留的等時實時通道（預留的帶寬）確定性通過與其他協(xié)議（如TCP/IP）共用傳輸帶寬所帶來的傳輸時間的差異通過預留帶寬來確保當前循環(huán)中傳遞的是IRT幀是否需要特殊的硬件支持不需要需要

2/6/2023926.6.2PROFINET的功能范圍2.分散的現(xiàn)場設備通過集成的PROFINET接口，分散的現(xiàn)場設備可以直接連接到PROFINET上，這些現(xiàn)場設備被稱為PROFINETIO設備。PROFINETIO使用同PROFIBUS-DP一樣的組態(tài)技術(shù)，所以用戶使用起來非常方便。3.運動控制

PROFINET的協(xié)議中增加了等時同步實時（IRT）功能，可以輕松實現(xiàn)對運動控制系統(tǒng)的控制。在PROFINET同步實時通信中，每個通信周期被分成兩個不同的部分，一個是循環(huán)的、確定的部分，稱之為實時通道；另外一個是標準通道，標準的TCP/IP數(shù)據(jù)通過這個通道傳輸。

2/6/2023936.6.2PROFINET的功能范圍

4.分布式自動化隨著現(xiàn)場設備智能程度的不斷提高，自動化控制系統(tǒng)的分散程度也越來越高。工業(yè)控制系統(tǒng)正由分散式自動化向分布式自動化演進，因此，基于組件的自動化（ComponentBasedAutomation，CBA）成為新興的趨勢。

2/6/2023946.6.2PROFINET的功能范圍圖6-8

分布式自動化方案示意圖

2/6/2023956.6.2PROFINET的功能范圍圖6-9

分散式自動化方案示意圖

2/6/2023966.6.2PROFINET的功能范圍

5.過程自動化

PROFINET不僅可以用于工廠自動化場合，也同時面對過程自動化的應用。工業(yè)界針對工業(yè)以太網(wǎng)總線供電，及以太網(wǎng)應用在本質(zhì)安全區(qū)域的問題的討論正在形成標準或解決方案。通過代理服務器技術(shù)，PROFINET可以無縫的集成現(xiàn)場總線PROFIBUS和其他總線標準。PROFIBUS是世界范圍內(nèi)惟一可覆蓋從工廠自動化場合到過程自動化應用的現(xiàn)場總線標準。集成PROFIBUS現(xiàn)場總線解決方案的PROFINET是過程自動化領(lǐng)域應用的完美體驗。

2/6/2023976.6.2PROFINET的功能范圍

6.網(wǎng)絡安裝

PROFINET支持除星形、總線型和環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)。為了減少布線費用，并保證高度的可用性和靈活性，PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便地實現(xiàn)PROFINET的安裝。特別設計的工業(yè)電纜和耐用連接器滿足EMC和溫度要求，并且在PROFINET框架內(nèi)形成標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。

2/6/2023986.6.2PROFINET的功能范圍

7.PROFINETIT標準與網(wǎng)絡安全

PROFINET的一個重要特征就是可以同時傳遞實時數(shù)據(jù)和標準的TCP/IP數(shù)據(jù)。在其傳遞TCP/IP數(shù)據(jù)的公共通道中，各種業(yè)已驗證的IT技術(shù)都可以使用（如HTTP、HTML、SNMP、DHCP和XML等）。在使用PROFINET時，我們可以使用這些IT標準服務加強對整個網(wǎng)絡的管理和維護，這意味著調(diào)試和維護中的成本的節(jié)省。

2/6/2023996.6.2PROFINET的功能范圍

8.PROFINET故障安全在過程自動化領(lǐng)域中，故障安全是相當重要的一個概念。所謂故障安全，即指當系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)致命錯誤時，系統(tǒng)能夠恢復到安全狀態(tài)（即“零”態(tài)），在這里，安全有兩個方面的含義，一方面是指操作人員的安全，另一方面指整個系統(tǒng)的安全，因為在過程自動化領(lǐng)域中，系統(tǒng)出現(xiàn)故障或致命錯誤時很可能會導致整個系統(tǒng)的爆炸或毀壞。故障安全機制就是用來保證系統(tǒng)在故障后可以自動恢復到安全狀態(tài)，不會對操作人員和過程控制系統(tǒng)造成損害。

PROFINET集成了PROFISafe行規(guī)，實現(xiàn)了IEC61508中規(guī)定的SIL3等級的故障安全，很好地保證了整個系統(tǒng)的安全。

2/6/20231006.1概述6.2局域網(wǎng)及其體系結(jié)構(gòu)6.3以太網(wǎng)6.4TCP/IP模型6.5工業(yè)以太網(wǎng)原理6.6實時工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要內(nèi)容

本章主要介紹工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的網(wǎng)絡原理。

2/6/20231016.7.1PROFINETIO概述

PROFINETIO是PROFINET網(wǎng)絡中一個非常重要的自動化解決方案，主要用于分布式外部設備。PROFINETIO支持實時通信，適合傳輸對時間要求較嚴格的工廠自動化和過程自動化的場合。

PROFINETIO是一個基于快速以太網(wǎng)第2層協(xié)議的可擴展實時通信系統(tǒng)。對于時間性很強的過程數(shù)據(jù)，它具有實時（RT）傳輸程序；對于極其精確以及同步的過程（如運動控制），它具有等時同步實時（IRT）傳輸程序，因此它可以提供兩種性能級別的實時支持。

2/6/20231026.7.1PROFINETIO概述

PROFINETIO網(wǎng)絡包括PROFINETIO控制器（如PLC）和IO設備（如ET200S），以及IO監(jiān)視器（如WinCC）。這些設備之間的關(guān)系如圖6-10所示。從圖6-10中可以看出，IO控制器與IO設備通過實時通道實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、報警等數(shù)據(jù)的實時交換。而上位機可以利用PROFINET的TCP/IP標準通信實現(xiàn)網(wǎng)絡的診斷、參數(shù)化等操作。實時數(shù)據(jù)幀與標準數(shù)據(jù)通過PROFINETIO一個網(wǎng)絡實現(xiàn)了并行傳輸。

2/6/20231036.7.1PROFINETIO概述圖6-10PROFINETIO網(wǎng)絡部件間關(guān)系

2/6/20231046.7.2PROFINETIO與PROFIBUS-DP

PROFINETIO與PROFIBUS-DP的功能類似，而且PROFIBUS-DP的組態(tài)方法也可以移植到PROFINETIO上。PROFINETIO是PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)的持續(xù)深入發(fā)展。PROFINETIO基于PROFIBUS-DP的成功應用經(jīng)驗，并將通常的用戶操作與以太網(wǎng)技術(shù)的新概念相結(jié)合。PROFINETIO以交換式以太網(wǎng)全雙工操作和100Mbit/s的帶寬為基礎。從表6-4中可看出PROFINETIO與PROFIBUS-DP的區(qū)別。

2/6/20231056.7.2PROFINETIO與PROFIBUS-DP表6-4PROFINETIO與PROFIBUS-DP的區(qū)別特性PROFINETIOPROFIBUS-DP物理層以太網(wǎng)PROFIBUS的網(wǎng)絡設備（如PROFIBUS電纜、接口等）地址分配在PROFINETIO配置工具分配地址在PROFINETIO配置設備名稱在PROFBUS配置中分配地址主站設備名稱IO控制器DP主站從站設備名稱IO設備DP從站網(wǎng)絡地址IP地址PROFIBUS地址

2/6/20231066.7.3PROFINETIO設備類型

PROFINETIO支持四種不同的設備類型，分別為IO控制器、IO監(jiān)視器、IO設備、IO參數(shù)服務器。表6-5是對這些設備的描述。表6-5PROFINETIO的設備類型名

稱PROFINETIOIO控制器如PLC等能夠執(zhí)行一定的控制程序，類似于DP主站IO設備類似于DP從站，如ET200SIO監(jiān)視器如PC、HMI等設備，主要完成調(diào)試、診斷、實時監(jiān)控IO參數(shù)服務器參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)歸檔等

2/6/20231076.7.4PROFINETIO協(xié)議

PROFINETIO提供了標準通信和實時通信兩種通信通道，以滿足不同的工廠應用場合。使用一根網(wǎng)線，就可以實現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)和實時過程數(shù)據(jù)、運動控制數(shù)據(jù)同時傳輸。實時通道中的數(shù)據(jù)是通過實時協(xié)議來傳輸?shù)?。通過圖6-4可以看出，PROFINETIO在進行實時通信時將數(shù)據(jù)分成了兩類：用于診斷、參數(shù)化的數(shù)據(jù)依然使用的是TCP/IP協(xié)議，實時協(xié)議則通過優(yōu)先級旁路了第3層和第4層，減少了協(xié)議棧的讀寫時間；等時同步實時協(xié)議更是在硬件的支持下為實時數(shù)據(jù)開辟專用通道。表6-6列出了PROFINETIO用到的各種協(xié)議。

2/6/20231086.7.4PROFINETIO協(xié)議表6-6PROFINETIO的協(xié)議功能名

稱協(xié)議名稱功

能TCP/IP數(shù)據(jù)SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol，簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議）管理網(wǎng)絡上的各種軟硬件的平臺，包括各種節(jié)點、狀態(tài)、統(tǒng)計信息等DNS（DomainNameSystem，域名解析）完成網(wǎng)絡域名和IP地址的轉(zhuǎn)換IP（InternetProtocol，網(wǎng)際協(xié)議）決定數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上如何傳輸DCP（DiscoveryandbasicConfigurationProtocol，發(fā)現(xiàn)和基本配置協(xié)議）分配PROFINET設備的地址和