《工業(yè)網(wǎng)絡技術與應用（微課版）》 課件 第1、2章 工業(yè)網(wǎng)絡概述、工業(yè)網(wǎng)絡設備基礎

工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡第1章工業(yè)網(wǎng)絡概述工業(yè)網(wǎng)絡是一種用于連接工業(yè)設備、傳感器、控制器和計算機的通信基礎設施。它在工業(yè)自動化領域中起到關鍵作用，允許設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、控制和監(jiān)控，從而支持工業(yè)過程的高效運行和管理。工業(yè)網(wǎng)絡的主要目標是實現(xiàn)設備之間的實時通信、數(shù)據(jù)交換和控制這些網(wǎng)絡可以覆蓋各種工業(yè)應用，包括制造、能源、物流、交通等領域。工業(yè)網(wǎng)絡的特點包括高實時性、可靠性、安全性和適應多種通信需求。工業(yè)網(wǎng)絡可以采用不同的通信協(xié)議和技術，包括傳統(tǒng)的工業(yè)總線協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議以及專門為工業(yè)自動化設計的通信協(xié)議。這些網(wǎng)絡可以用于從簡單的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測到復雜的控制和協(xié)調(diào)操作。1.1現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線是迅速發(fā)展起來一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領域中生產(chǎn)現(xiàn)場所使用的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，主要解決智能現(xiàn)場設備和自動化測量系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、分支結構的連接與通信問題。工業(yè)以太網(wǎng)是指技術上與“商用以太網(wǎng)”兼容，同時能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場對網(wǎng)絡實用性、適用性、可靠性、實時性、環(huán)境適應性等方面需要的工業(yè)網(wǎng)絡。工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術在工業(yè)自動化領域中的應用，是繼現(xiàn)場總線之后發(fā)展起來的，最具有發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡。1.1現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)總線到工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展歷史可以追溯到上個世紀80年代，這段歷程涵蓋了從傳統(tǒng)的串行通信和并行總線發(fā)展到現(xiàn)代高速以太網(wǎng)通信的轉變。以下是這一發(fā)展歷程的主要階段：1.傳統(tǒng)串行通信和并行總線（1980s）：在工業(yè)自動化起步階段，采用了傳統(tǒng)的串行通信和并行總線協(xié)議，如Modbus、ProfibusDP等。這些協(xié)議用于設備之間的基本通信，但受限于傳輸速率和距離，無法滿足日益復雜的工業(yè)自動化需求。2.工業(yè)總線的出現(xiàn)（1990s）：隨著工業(yè)自動化系統(tǒng)的擴展，出現(xiàn)了一系列用于實現(xiàn)分布式控制和通信的工業(yè)總線協(xié)議，如ProfibusPA、DeviceNet、CANopen等。這些總線協(xié)議具有更高的實時性和可靠性，但仍然受限于帶寬和速率1.1現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)3.以太網(wǎng)的引入（1990s-2000s）：為了滿足工業(yè)自動化中對更高帶寬、更快速率和更廣覆蓋范圍的需求，工業(yè)界開始將以太網(wǎng)引入工業(yè)通信領域。最初，工業(yè)以太網(wǎng)的應用主要集中在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控領域，如監(jiān)測設備和傳感器。不同的制造商推出了自己的工業(yè)以太網(wǎng)標準，如Ethernet/IP、Profinet、EtherCAT等。4.工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展（2000s-至今）：隨著技術的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領域中得到了廣泛應用。這些協(xié)議不僅提供了更高的速率和帶寬，還具備實時性、可靠性和安全性。工業(yè)以太網(wǎng)不斷演進，引入了各種實時通信和控制協(xié)議，以滿足不同應用場景的需求。5.統(tǒng)一標準的推動（近年）：為了解決不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間的互操作性問題，一些倡導者開始提倡將不同協(xié)議整合為更統(tǒng)一的標準。例如，工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)盟（IndustrialEthernetConsortium）提出了一些通用的工業(yè)以太網(wǎng)標準，以促進不同設備的互聯(lián)和通信。1.2現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線(Fieldbus)是20世紀80年代末期隨著計算機、通信、控制和模塊化集成等技術發(fā)展而出現(xiàn)的一門新興技術。國際電工委員會（EC）對現(xiàn)場總線的定義為：現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設備之間、現(xiàn)場設備與控制裝置之間實行雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的技術?，F(xiàn)場總線作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的基礎，打通了生產(chǎn)過程中現(xiàn)場級控制設備之間、控制設備與更高控制管理層之間的聯(lián)系。目前流行的現(xiàn)場總線已達40多種，在不同的領域各自發(fā)揮重要的作用。1.2現(xiàn)場總線PROFIBUS總線CAN總線DeviceNetControlNetCC-Link1.3工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)是按照工業(yè)控制的要求，發(fā)展適當?shù)膽脤雍陀脩魧訁f(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術真正能應用到控制層，延伸至現(xiàn)場層，而在信息層又盡可能采用IT行業(yè)一切有效而又最新的成果。因此，工業(yè)以太網(wǎng)與以太網(wǎng)在工業(yè)中的應用全然不是同一個概念當前工業(yè)自動化系統(tǒng)按照應用領域分為離散制造控制和連續(xù)過程控制，工業(yè)網(wǎng)絡分層為設備層、I/O層、控制層和監(jiān)控層。各種工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)總線的關系如圖所示。1.3工業(yè)以太網(wǎng)1.3工業(yè)以太網(wǎng)每種工業(yè)以太網(wǎng)都有設備層現(xiàn)場總線與之互補，如表所示。工業(yè)以太網(wǎng)互補的設備層現(xiàn)場總線EtherNet/IPDeviceNet,ControlNetPROFINETPROFIBUSDP,PROFIBUSPAFoundationFieldbusHSEFoundationFieldbusHIIDAIDA,ModbusTCP/IP1.3工業(yè)以太網(wǎng)分布式自動化接口IDA（theInterfaceforDistributedAutomation）是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范，它將基于Web的實時分布式自動化環(huán)境與集中的安全體系結構相結合，目標是創(chuàng)立一個基于TCP/IP的分散自動化的解決方案，涵蓋了自動化結構中的所有層次，包括設備層。1.3工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP技術采用標準的以太網(wǎng)芯片，并采用有源星形拓撲結構，將一組工業(yè)設備點對點地連接到交換機，應用層則采用工業(yè)界廣泛應用的開放協(xié)議——控制和信息協(xié)議（CIP)。Ethernet/IP通信協(xié)議模型。1.3工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET是由PROFIBUS國際組織提出的基于實時以太網(wǎng)技術的自動化總線標準，它將企業(yè)信息管理層IT技術和工廠自動化相結合，同時又完全保留了PROFINET現(xiàn)有的開放性。PROFINET支持星形、總線型和環(huán)等拓撲結構。PROFINET提供了大量的工具幫助用戶方便地安裝工業(yè)電纜和耐用連接器以滿足電磁兼容（EMC）和溫度的要求。PROFINET框架內(nèi)標準化，保證了不同制造商設備之間的兼容性。PROFINET的通信協(xié)議模型1.3工業(yè)以太網(wǎng)1998年現(xiàn)場總線基金會開始起草HSE，2003年3月完成了HSE的第一版標準。HSE主要利用現(xiàn)有商用的以太網(wǎng)技術和TCP/IP協(xié)議族，通過錯時調(diào)度以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，達到工現(xiàn)場監(jiān)控任務的要求。1.4以太網(wǎng)基礎1.OSI開放系統(tǒng)互連模型為了構建一個標準化的數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡世界，1979年國際標準化組織ISO開發(fā)了一個開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）。OSI模型的目標是可以使兩個系統(tǒng)（如兩臺計算機）之間進行相互通信。1.4以太網(wǎng)基礎物理層（第1層）：定義了網(wǎng)絡中兩點之間發(fā)送信息的介質(zhì)的連接，提供了實現(xiàn)、維護和斷開物理連接所需的機械、電氣或光學實體。在這一層中最重要的兩個內(nèi)容是“介質(zhì)”和“信號”。數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）：定義了在單個物理鏈路上數(shù)據(jù)幀如何傳輸，提供幀同步、差錯檢測、糾正機制、流量控制、鏈路管理功能，能夠及時處理傳輸中的錯誤，確保接收方正確接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡層（第3層）：定義了數(shù)據(jù)從發(fā)送方經(jīng)過若干個中間節(jié)點傳送到接收方的方法。這一層數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)包，通過路徑選擇、分段組合、流量控制、擁塞控制等功能，向傳輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務。1.4以太網(wǎng)基礎傳輸層（第4層）：負責可靠的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸層建立接收方和發(fā)送方之間的邏輯點對點連接，實現(xiàn)無故障的數(shù)據(jù)傳輸，確保接收方按正確的順序接收數(shù)據(jù)。會話層（第5層）：定義了網(wǎng)絡上兩個應用程序之間對話（會話）的控制方式，以及此類會話的建立和終止。表示層（第6層）：協(xié)議規(guī)定如何表示數(shù)據(jù)，因為不同的計算機系統(tǒng)表示數(shù)字和字符的方式不同，這一層確保了字符代碼的轉換，例如從ASCII轉換為EBCDIC。應用層（第7層）：該層為網(wǎng)絡系統(tǒng)用戶提供服務。。1.4以太網(wǎng)基礎在OSI模型中，每一層都向發(fā)送方的用戶數(shù)據(jù)添加一些控制信息，稱之為報頭，接收方的相應層再刪除報頭信息。數(shù)據(jù)鏈路層不僅在傳輸數(shù)據(jù)的前面附加信息，也在它的后面附加含檢測傳輸錯誤的檢查代碼。只有物理層不添加任何內(nèi)容。1.4以太網(wǎng)基礎2.局域網(wǎng)局域網(wǎng)（LAN）是指計算機、工作站和外圍設備之間在非常有限的地理位置區(qū)域內(nèi)進行的通信。對于公共網(wǎng)絡，LAN采用稍微不同的方法實現(xiàn)OSI模型的底層要求。1.4以太網(wǎng)基礎3.以太網(wǎng)以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的基礎，目前局域網(wǎng)協(xié)議還未達成標準化。IEEE組織的IEEE802.3標準制定了以太網(wǎng)的技術標準，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是應用最普遍的局域網(wǎng)技術，取代了其他局域網(wǎng)技術如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。1.4以太網(wǎng)基礎以太網(wǎng)只是OSI模型中第1層和第2層的一種特殊形式。它不是一個完整的網(wǎng)絡協(xié)議，而是一個子網(wǎng)，其他協(xié)議（如TCP/IP套件）可以在該子網(wǎng)上工作。以太網(wǎng)最重要的功能是：填寫物理層：通過介質(zhì)發(fā)送和接收串行位流；檢測碰撞。填寫數(shù)據(jù)鏈路層：MAC介質(zhì)訪問控制子層：提供網(wǎng)絡訪問機制CSMA/CD；建立數(shù)據(jù)幀。LLC邏輯鏈路控制子層：確保數(shù)據(jù)可靠性；為更高級別的應用程序提供數(shù)據(jù)通道。1.4.1物理層多年以來物理層最重要的實現(xiàn)有：粗纜以太網(wǎng)（10Base5）、細纜以太網(wǎng)（10Base2）、寬帶以太網(wǎng)（10Broad36）、雙絞線以太網(wǎng)（10Base-T）、光纖以太網(wǎng)（10Base-F）、快速以太網(wǎng)（100Base-T/100Base-F）、千兆以太網(wǎng)（1000Base-T）、無線以太網(wǎng)1.4.1物理層1.基于同軸電纜的以太網(wǎng)最初的以太網(wǎng)是圍繞總線拓撲的概念設計的。以太網(wǎng)的第一個實現(xiàn)是粗纜以太網(wǎng)，基于一根黃色粗同軸電纜，也稱為10Base5。10Base5以太網(wǎng)的特點：傳輸速率最高10Mbps基帶傳輸最大5x100=500米每段最多連接100個收發(fā)器1.4.1物理層2.基于雙絞線的以太網(wǎng)同軸電纜的主要問題是只能采用半雙工通信，總線結構也不理想，為了突破總線拓撲結構，以太網(wǎng)產(chǎn)生了星型拓撲。在這種拓撲結構中，所有站點都與一個或多個中央集線器相連，可以使用雙絞線。通過這種方式可以方便地擴展和檢查網(wǎng)絡，并有助于錯誤檢測?；陔p絞線的以太網(wǎng)，站點與中央集線器之間最大長度為100米。每個站點都必須直接與集線器或交換機連接。雙絞線已經(jīng)從10Base-T（10Mbps）發(fā)展到100Base-T（100Mbps）和1000Base-T（1000Mbps）。1.4.1物理層1）快速以太網(wǎng)快速以太網(wǎng)采用非屏蔽雙絞線電纜，支持高達100Mbps的速度。電纜由8根電線組成，4對線組成。在10/100Base-T中僅使用4對中的2對：白橙色/橙色、白綠色/綠色。快速以太網(wǎng)的特點是：以100Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)全雙工通信支持無線以太網(wǎng)1.4.1物理層2）千兆以太網(wǎng)千兆位以太網(wǎng)的目標數(shù)據(jù)速率為1000Mbps。千兆以太網(wǎng)仍然使用125MHz的100Base-T/Cat5時鐘速率，為每個時鐘信號（00、01、10和11）編碼兩位，用四個電壓等級，達到1000Mbps的數(shù)據(jù)速率。此外，1000BASE-T也使用以太網(wǎng)電纜的四個數(shù)據(jù)對實現(xiàn)雙向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。這種調(diào)制技術被稱為4D-PAM5，目前使用五種不同的電壓水平。第五個電壓電平用于誤差機制。1.4.1物理層3.基于光纖的以太網(wǎng)為了使傳輸距離變得更長，光纖電纜是一個很好的選擇。第一種光纖的名稱為10BASE-F和100BASE-F。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，始終使用單獨的玻璃纖維。采用光纖的千兆以太網(wǎng)為全雙工模式，數(shù)據(jù)速率為1000Mbps。千兆以太網(wǎng)有兩種不同的類型。1000BASE-SX和1000BASE-LX。1000Base-SX在多模光纖上使用短波長光脈沖。1000Base-LX在多?；騿文９饫w上使用波長較長的光脈沖。1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層將IP數(shù)據(jù)報送到數(shù)據(jù)鏈路層?！皵?shù)據(jù)幀”是數(shù)據(jù)鏈路層的傳送單位。數(shù)據(jù)鏈路層將IP數(shù)據(jù)報作為“數(shù)據(jù)幀”的數(shù)據(jù)部分并且為數(shù)據(jù)幀添加幀首部和尾部的標記。首部和尾部的一個重要作用是確定幀的界限。一個數(shù)據(jù)幀的長度等于幀的數(shù)據(jù)部分加上幀的首部和尾部的長度。每一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都規(guī)定了所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分的上限即最大傳輸單元MTU。1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層1.以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀至少由46個實際數(shù)據(jù)字節(jié)和26個協(xié)議字節(jié)（開銷）組成。這個最小的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是定義時隙時間所必需的。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式如圖1-6所示，數(shù)據(jù)幀各字段含義如下:1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層preamble同步碼：由7個字節(jié)56位1和0交替的二進制數(shù)序列組成。這些位用于同步，并給每個在線參與者在實際數(shù)據(jù)到達之前觀察總線上活動的時間。SFD幀開始分隔符：有固定序列10101011組成是preamble的最后一個字節(jié)，向接收方指示實際數(shù)據(jù)正在傳輸。DA目的MAC地址：標識必須接收消息的站點的MAC地址。該字段占用6個字節(jié)的空間。目的地址可以是單個地址、多播地址或廣播地址。MAC廣播地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF。1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層SA源MAC地址：標識消息來源的站點的MAC地址。該字段的長度為6字節(jié)。TYPE類型：EthernetII（DIX標準）和IEEE802.3之間有區(qū)別。對于EthernetII，類型字段是指使用以太網(wǎng)幀發(fā)送數(shù)據(jù)的高級協(xié)議。Xerox為每個為以太網(wǎng)開發(fā)的協(xié)議分配一個2字節(jié)的代碼。例如0600H代表XNS協(xié)議、0800H代表IP（Internet協(xié)議）、0806H代表ARP協(xié)議、0835H代表反向ARP協(xié)議、8100H代表IEEE802.1Q標簽幀（VLAN）。IEEE802.3將類型字段定義為長度字段，以便能夠確定實際發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。Xerox不使用低于1500的類型號，由于數(shù)據(jù)幀的最大長度為1500，因此不可能重疊，并且可以同時使用這兩種定義。1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層DATA數(shù)據(jù)字段：包含要發(fā)送的數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)字段是透明的，這意味著這個字段的內(nèi)容對于以太網(wǎng)是完全開放的。只有長度必須至少為46字節(jié)，且不超過1500字節(jié)。PAD填充位：當數(shù)據(jù)沒有達到最小46字節(jié)長度時如果，需要將隨機數(shù)據(jù)位添加到數(shù)據(jù)中，以滿足最小數(shù)據(jù)長度要求。FCS校驗和：是發(fā)送方創(chuàng)建的4字節(jié)CRC校驗值。接收方可以使用此代碼檢查數(shù)據(jù)的完整性。1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層2.CSMA/CD以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)鏈路層MAC子層使用IEEE802.3載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD協(xié)議。該協(xié)議包括3部分內(nèi)容載波監(jiān)聽：多個站點在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前，首先監(jiān)聽信道是否空閑，如果空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀；否則等待，繼續(xù)監(jiān)聽直到信道空閑。多路訪問：允許多個站點以多點接入方式連接在一根信道上，都有訪問信道的權利。沖突檢測：一個站點在信道上發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀同時監(jiān)聽信道，如果另一個站點在同一時間同一信道也發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀，則會檢測出碰撞，發(fā)送者立即停止發(fā)送，并發(fā)送32位干擾序列信，道上所有站點都會監(jiān)聽到?jīng)_突。1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)段上的沖突1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層CAMA/CD流程1.5TCP/IP協(xié)議傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡控制協(xié)議（TCP/IP）是一組工業(yè)標準協(xié)議，設計用于在由不同網(wǎng)段組成的大型網(wǎng)絡上進行通信，這些網(wǎng)段由路由器連接。TCP/IP協(xié)議族可以完美地定位在OSI模型中。一個四層簡化模型主要用于表示TCP/IP協(xié)議族稱為TCP/IP模型，如圖1-9所示。這個模型的核心是網(wǎng)絡層和傳輸層，應用層描述所有使用TCP/IP協(xié)議的應用協(xié)議。例如，HTTP協(xié)議屬于此協(xié)議。1.5TCP/IP協(xié)議傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡控制協(xié)議（TCP/IP）是一組工業(yè)標準協(xié)議，設計用于在由不同網(wǎng)段組成的大型網(wǎng)絡上進行通信，這些網(wǎng)段由路由器連接。TCP/IP協(xié)議族可以完美地定位在OSI模型中。一個四層簡化模型主要用于表示TCP/IP協(xié)議族稱為TCP/IP模型，如圖1-9所示。這個模型的核心是網(wǎng)絡層和傳輸層，應用層描述所有使用TCP/IP協(xié)議的應用協(xié)議。例如，HTTP協(xié)議屬于此協(xié)議。1.5TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議族1.5TCP/IP協(xié)議1.網(wǎng)絡控制協(xié)議網(wǎng)絡控制協(xié)議（TheInternetProtocol，簡稱IP協(xié)議），用于OSI模型的第3層網(wǎng)絡層，這一層負責在不同的網(wǎng)絡上表述和傳輸信息。IP協(xié)議最重要的功能是：在互聯(lián)網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)包路徑選擇，每個主機有32位IP地址標識。它是一種無連接協(xié)議。當發(fā)送不同的IP數(shù)據(jù)包時，每個包可以通過不同的路徑到相同的目標主機，沒有固定物理連接。封裝成格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包，由一個報頭和一個數(shù)據(jù)字段組成。報頭由發(fā)送方地址和接收方地址等組成。數(shù)據(jù)包獨立于硬件，并在傳輸之前在本地網(wǎng)絡設備上再次封裝。

1.5TCP/IP協(xié)議IP協(xié)議不檢查數(shù)據(jù)是否正確發(fā)送，也不提供確認或糾正機制。IP報頭的長度至少為20字節(jié)。當使用可選項字段時，報頭最大可為60字節(jié)。要發(fā)送的數(shù)據(jù)由傳輸層傳送到網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層將數(shù)據(jù)打包到數(shù)據(jù)字段中，然后添加一個IP報頭后生成IP數(shù)據(jù)包，等待數(shù)據(jù)鏈路層行進一步處理。1.5TCP/IP協(xié)議當路由器接收到數(shù)據(jù)包太大時，IPv4將路由器上的這個數(shù)據(jù)包分較小的數(shù)據(jù)包以滿足數(shù)據(jù)幀格式。當這些數(shù)據(jù)包到達目的地時，IPv4將把這些數(shù)據(jù)包按原始順序重新組合。當一個數(shù)據(jù)包必須被分開時，IPv4完成下面工作：每個數(shù)據(jù)包都有自己的IP報頭屬于同一原始消息的所有分割消息都具有原始標識字段。片段偏移字段指定了該片段在原始消息中的位置。1.5TCP/IP協(xié)議2.TCP協(xié)議IP是一種無連接的數(shù)據(jù)包傳送服務。由于使用IP不可靠的分組服務，TCP必須為不同的應用程序提供可靠的數(shù)據(jù)傳送服務。對于許多應用來說，傳輸可靠性是至關重要的：系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)不會丟失、不能復制和按正確的順序到達。TCP協(xié)議負責在一個或多個網(wǎng)絡上正確發(fā)送信息，工作在傳輸層。TCP的交換形式稱為面向連接：建立邏輯連接，使用，然后再次停止。因此，TCP是一種端到端協(xié)議。要發(fā)送的數(shù)據(jù)由應用層發(fā)送到傳輸層。傳輸層將信息打包到數(shù)據(jù)字段中，然后添加一個TCP報頭，1.5TCP/IP協(xié)議3.UDP協(xié)議因特網(wǎng)的協(xié)議套件也有一個無連接的傳輸協(xié)議，即UDP（用戶數(shù)據(jù)協(xié)議）。使用UDP，應用程序可以在不建立連接的情況下發(fā)送IP數(shù)據(jù)包。許多客戶應用程序只是一次請求一次回答，就使用UDP，而不必設置連接。

1.6本章實訓以太網(wǎng)電纜是從一個網(wǎng)絡設備連接到另外一個網(wǎng)絡設備傳遞信息的介質(zhì)，是以太網(wǎng)網(wǎng)絡的基本構件。本小節(jié)以西門子四芯“快速連接”工業(yè)以太網(wǎng)線纜為例，制作網(wǎng)線接口。1.實訓目的：（1）掌握以太網(wǎng)基本原理；（2）掌握西門子四芯“快速連接”工業(yè)以太網(wǎng)線纜制作方法；（3）掌握工業(yè)以太網(wǎng)線測試方法；2.實訓準備（1）復習本章內(nèi)容；（2）熟悉西門子四芯“快速連接”工業(yè)以太網(wǎng)線纜；（3）熟悉網(wǎng)絡測線儀的使用；1.6本章實訓3.實訓設備本章實訓所需要的設備一共有：西門子四芯“快速連接”工業(yè)以太網(wǎng)線纜1根，以太網(wǎng)接口1對，工業(yè)網(wǎng)絡做線工具1套，網(wǎng)絡測線儀。具體實驗步驟如下：步驟1截取一根100mm長的工業(yè)以太網(wǎng)線步驟2線的兩端剝?nèi)?5mm長外皮，金屬屏蔽網(wǎng)保留5mm長1.5TCP/IP協(xié)議步驟3打開金屬接頭，按照頭內(nèi)線顏色標識把對應線插入到底步驟4合攏金屬接頭，用螺絲刀插入金屬圓環(huán)的孔內(nèi)，順時針時針旋轉90度完成固定。步驟5將制作完成的ProfiNet線接到線測試儀上進行測試，1、2、3、6燈亮為正常拓撲圖制作(MakingTopologyMap)工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡第2章工業(yè)網(wǎng)絡設備基礎2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.1.1可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicalController）簡稱PLC，是一種以微處理器為基礎，綜合了現(xiàn)代計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置SIMATICS7-1200控制器和SIMATICHMI基本型面板均可使用SIMATICTIAPortal工程軟件進行編程。實現(xiàn)了使用同一個工程軟件對兩種設備進行編程，開發(fā)成本得以顯著降低2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備1.SIMATICS7-1200PLC簡介S7-1200緊湊型控制器是一款節(jié)省空間的模塊化控制器，該控制器使用靈活、功能強大，可用于控制各種各樣的設備以滿足自動化需求。①電源接口

②存儲卡插槽（上部保護蓋下面）

③可拆卸用戶接線連接器（保護蓋下面）

④板載I/O的狀態(tài)LED⑤PROFINET連接器（CPU的底部）

2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.SIMATICHMI面板簡介SIMATICHMI面板是用于實現(xiàn)高效設備級交互的HMI裝置，通過全面的功能強大且具有創(chuàng)新功能的操作員控制和監(jiān)視設備，可在十分廣泛的應用和領域中實現(xiàn)高效的設備級HMI解決方案?？梢酝ㄟ^TIAPortal中的SIMATICWinCC進行集成化組態(tài)，用戶可通過這種組態(tài)在時間、成本和工作量上實現(xiàn)可觀的節(jié)約。①

電源接口

②USB接口

③PROFINET接口

④裝配夾的開口⑤顯示屏/觸摸屏⑥嵌入式密封件

⑦功能鍵

2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備SIMATICHMI面板具有如下獨特優(yōu)勢：（1）高效工程：可視化的創(chuàng)建可比以前更快更輕松。（2）創(chuàng)新的設計和操作：可視化成為機器的顯著特點。（3）明亮的HMI操作面板：適合每種應用的適宜操作面板。（4）安全備份：保護投資和專有技術，安全操作。（5）快速調(diào)試：大幅節(jié)省測試和維修時間。（6）基于PC的開放性：適用于靈活、獨立的應用。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備可用的基本型HMI面板包含如下類型：

KTP400Basic：4"觸摸屏，帶4個可組態(tài)按鍵，分辨率為480x272，800個變量

KTP700Basic：7"觸摸屏，帶8個可組態(tài)按鍵，分辨率為800x480，800個變量

KTP900Basic：9"觸摸屏，帶

8個可組態(tài)按鍵，分辨率為

800x480，800個變量

KTP1200Basic：12"觸摸屏，帶10個可組態(tài)按鍵，分辨率為800x480，800個變量

KTP700BasicDP：7"觸摸屏，帶8個可組態(tài)按鍵，分辨率為800x480，800個變量

KTP1200BasicDP：12"觸摸屏，帶10個可組態(tài)按鍵，分辨率為

800x400，800個變量2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.1.2工業(yè)交換機工業(yè)交換機也稱為工業(yè)以太網(wǎng)交換機，即應用于工業(yè)控制領域的以太網(wǎng)交換機設備，由于采用了透明而統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，具有開放性好、應用廣泛以及價格低廉等優(yōu)勢。工業(yè)交換機具有電信級性能特征，可耐受嚴苛的工作環(huán)境。產(chǎn)品采用寬溫設計，防護等級不低于IP30，支持標準和私有的環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備1.第2層工業(yè)交換機第2層工業(yè)以太網(wǎng)交換機具有構建第2層網(wǎng)絡所需要的所有功能。第2層交換機分兩種，即非網(wǎng)管型第2層交換機和網(wǎng)管型第2層交換機。非網(wǎng)管型第2層交換機，無需額外組態(tài)，即可集成到第2層網(wǎng)絡中。網(wǎng)管型第2層交換機，可對其進行配置：它們有IP地址，可以利用該地址針對具體應用對其進行配置。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備西門子SCALANCEX-200網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機①具有端口LED的電氣端口

②具有接地連接器的電源

③串口

④“RESET”按鈕（后側）

⑤故障LEDSCALANCEXB-208第2層工業(yè)交換機包含8個10/100MbpsRJ-45端口2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備SCALANCEX-200工業(yè)以太網(wǎng)交換機包括類型：結構緊湊、應用靈活的SCALANCEXB-200交換機。結構緊湊、堅固耐用的SCALANCEXC-200交換機（以太網(wǎng)供電，傳輸速率最高可達10Gbps）。堅固耐用且經(jīng)過專門認證的SCALANCEXC-200EEC交換機。SCALANCEXP-200交換機，無機柜安裝（防護等級IP65），傳輸速率高達1Gbps。采用SIMATICET200SP結構設計的扁平SCALANCEXF-200交換機，可模塊化配備總線適配器

（BA）。SCALANCEX-200RNA（冗余網(wǎng)絡訪問），用于PRP網(wǎng)絡結構中的冗余HSR。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備第2層工業(yè)交換機通常包含如下基本屬性：（1）以太網(wǎng)接口支持10Mbps、100Mbps、1000Mbps全雙工。（2）生成樹冗余：可采用STP、MSTP、RSTP等多種冗余協(xié)議。（3）環(huán)網(wǎng)冗余：可采用HRP、MRP等多種冗余協(xié)議。（4）虛擬網(wǎng)絡(Virtualnetworks,VLAN)：要想構建節(jié)點數(shù)快速增加的工業(yè)以太網(wǎng)，可以將一個物理網(wǎng)絡分成若干個虛擬子網(wǎng)。支持基于端口、協(xié)議和子網(wǎng)的VLAN。（5）端口鏡像：允許將一個端口的數(shù)據(jù)流鏡像到另一個端口（監(jiān)視端口）。然后可在該監(jiān)視端口對數(shù)據(jù)流進行分析，而不影響數(shù)據(jù)通信。（6）鏈路匯聚：使用鏈路匯聚（IEEE802.1AX）捆綁數(shù)據(jù)流。（7）時鐘同步：診斷消息（日志表條目、電子郵件）具有時間戳。通過與SNTP/NTP服務器進行同步，本地時間在整個網(wǎng)絡中保持一致，這使得識別多個設備的診斷消息更為輕松。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.第3層工業(yè)交換機第3層工業(yè)交換機具有構建第3層網(wǎng)絡所需要的所有功能，通常用于靈活的連接和構建高性能工廠網(wǎng)絡。

由于具有模塊化設計，這些交換機可滿足相應任務的要求。它們支持IT標準（如VLAN、IGMP、RSTP），可將自動化網(wǎng)絡無縫集成到現(xiàn)有辦公網(wǎng)絡中。第3層工業(yè)交換機在實現(xiàn)第2層交換機功能的基礎上還具有第3層路由功能，可實現(xiàn)不同IP子網(wǎng)之間的通信，支持靜態(tài)路由、支持RIP、OSPF、VRRP等協(xié)議實現(xiàn)路由功能和路由冗余。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備SCALANCEXM408-8C交換機具有8個RJ-45端口，8個可插拔收發(fā)器插槽，最多支持2個端口擴展器和

1個功能擴展器。①電氣端口

②帶保護蓋的擴展接口

③SFP收發(fā)器的插槽

④用于固定到S7標準導軌的位置（在設備的底部）

⑤接地（在設備背面）

⑥LED指示燈

⑦C-PLUG/KEY-PLUG的插槽

2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備3.并行冗余交換機環(huán)形網(wǎng)絡冗余可以增加網(wǎng)絡可靠性，當某一線路出現(xiàn)故障，可以自動重構恢復通訊。通常使用HSP冗余協(xié)議的收斂時間是300ms，使用MRP冗余協(xié)議收斂時間是200ms，但在一些特殊場合，需要使用無重構時間的網(wǎng)絡。目前，要實現(xiàn)無縫冗余涉及兩個技術，即并行冗余協(xié)議（PRP）和高可靠性無縫冗余（HSR），西門子SCALANCEX-204RNA交換機就是支持PRP和HSR協(xié)議實現(xiàn)無縫冗余功能的并行冗余交換機。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備1）并行冗余協(xié)議（PRP）PRP使用由標準網(wǎng)絡組件組成的并行獨立結構。通過無縫冗余模塊（例如SCALANCEX-204RNA），可將不具有PRP功能的節(jié)點或整個網(wǎng)段連接到PRP網(wǎng)絡中。當一個節(jié)點要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過SCALANCEX-204RNA后，會被復制為兩份，分別通過兩個互相獨立的局域網(wǎng)傳輸，到達對方的SCALANCEX-204RNA交換機時，它會將最先到達的數(shù)據(jù)幀轉發(fā)給目的設備而丟棄后到達的數(shù)據(jù)幀。2）高可靠性無縫冗余（HSR）HSR通信的冗余則是通過環(huán)網(wǎng)式結構實現(xiàn)的。通過SCALANCEX-204RNA，不具有HSR功能的節(jié)點或整個網(wǎng)段也可以連接到HSR網(wǎng)絡。當一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)幀經(jīng)過SCALANCEX-204RNA后，會被復制為兩份，在環(huán)網(wǎng)中往兩個方向傳輸，到達對方的SCALANCEX-204RNA交換機時，它會將最先到達的數(shù)據(jù)幀轉發(fā)給目的設備而丟棄后到達的數(shù)據(jù)幀。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備3）SCALANCEX-204RNA交換機圖2-5（a）SCALANCEX-204RNA（HSR）

圖2-5（b）SCALANCEX-204RNA（PRP）SCALANCEX204RNA（HSR）

有兩個RJ-45插孔（P1/A和P2/B）用于連接不具備HSR能的終端設備或網(wǎng)段，另外兩個RJ-45插孔（HSR1和HSR2）用于連接HSR環(huán)網(wǎng)。作為網(wǎng)絡接入點用于將最多兩個非HSR終端設備或網(wǎng)段連接至一個環(huán)形HSR網(wǎng)絡結構。另外，還可以實現(xiàn)從PRP至HSR網(wǎng)絡的單一或冗余網(wǎng)關。SCALANCEX204RNA（PRP）有兩個RJ-45插孔（P1和P2）用于連接不具備PRP功能的終端設備或網(wǎng)段，另外兩個RJ-45插孔（PRPA和PRPB）用于連接PRP網(wǎng)絡LANA和LANB。

2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.1.3工業(yè)路由器1.工業(yè)路由器概述工業(yè)路由器是一種用于連接兩個或兩個以上網(wǎng)絡的耐用器件，可將信號僅傳送到所需端口。工業(yè)路由器作為企業(yè)組建網(wǎng)絡的核心設備，能提供較高的穩(wěn)定性和安全性，與普通路由器相比具有更多優(yōu)勢。1）更高的轉發(fā)性能、更高的帶機量2）更豐富的路由協(xié)議3）工業(yè)級的產(chǎn)品設計更適合長時間使用2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.西門子SCALANCEM系列工業(yè)路由器SCALANCEM工業(yè)路由器按照連接方式分為有線連接和無線連接兩大類。1）有線連接到遠程網(wǎng)絡2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2）無線連接到遠程網(wǎng)絡3種常用的無線工業(yè)路由器：SCALANCEM874-3支持3G（UMTS）數(shù)據(jù)服務HSPA+（高速分組接入），因此可在下行鏈路中實現(xiàn)14.4Mbps的傳輸速率，在上行鏈路中實現(xiàn)5.76Mbps的傳輸速率。SCALANCEM876-4支持4G（LTE–長期演進），因此可在下行鏈路中實現(xiàn)100Mbps的傳輸速率，在上行鏈路中實現(xiàn)50Mbps的傳輸速率。SCALANCEMUM856-1支持5G（RoW），因此可在下行鏈路中實現(xiàn)高達1000Mbps的傳輸速率，在上行鏈路中實現(xiàn)高達500Mbps的傳輸速率2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.1.4工業(yè)防火墻工業(yè)防火墻，顧名思義就是用于工業(yè)控制網(wǎng)絡的防火墻，是工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全必須配備的設備，用來實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡與外部其他網(wǎng)絡以及工業(yè)控制網(wǎng)絡內(nèi)部不同業(yè)務之間的邊界隔離和訪問控制。工業(yè)防火墻除了具備傳統(tǒng)IT防火墻的安全功能之外，還具有如下特點：（1）工業(yè)防火墻只要求合適的吞吐率，但對實時性的要求卻非常嚴格。（2）工業(yè)防火墻要求解析和過濾各種工業(yè)控制協(xié)議和自定義協(xié)議，具備深度包檢測功能，實現(xiàn)對協(xié)議通信內(nèi)容的深度解析、過濾、阻斷、報警、審計等各類功能。（3）與傳統(tǒng)IT防火墻一般部署在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的位置或其他邊界區(qū)域不同，工業(yè)防火墻一般部署在工控網(wǎng)絡的分層區(qū)域之間。（4）工業(yè)防火墻一般使用黑白名單相結合的防御技術，既實現(xiàn)基于工業(yè)漏洞庫的黑名單被動防御功能，又實現(xiàn)基于智能機器學習引擎的白名單主動防御功能。（5）工業(yè)防火墻一般放置在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，工作環(huán)境惡劣，因此工業(yè)防火墻具有嚴苛的工業(yè)級硬件技術要求，可實現(xiàn)高可靠性和穩(wěn)定性。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備2.西門子SCALANCES系列工業(yè)防火墻簡介西門子SCALANCES系列是西門子工業(yè)級別防火墻，可以為工廠自動化提供安全防護，防止非法訪問工業(yè)網(wǎng)絡和自動化系統(tǒng)。（1）防火墻功能：SCALANCES內(nèi)部網(wǎng)段中的所有網(wǎng)絡節(jié)點都受到其防火墻保護。（2）路由器模式（3）IPsec隧道確保通信安全（4）使用RADIUS服務器進行用戶驗證（5）HTTPS：用于Web頁面的加密傳送，例如在過程控制中。（6）NTP（安全）：用于安全的時鐘同步和傳輸。（7）SNMPv3：用于安全傳送網(wǎng)絡分析信息，使其免受竊聽。（8）設備和網(wǎng)段的保護：防火墻保護功能可應用于單個設備、多個設備或整個網(wǎng)段的運行。2.1工業(yè)網(wǎng)絡設備3.西門子SCALANCES-615工業(yè)防火墻2.2網(wǎng)絡地址基礎2.2網(wǎng)絡地址基礎工業(yè)網(wǎng)絡中的每一臺設備都需要通過地址來進行唯一標識，在數(shù)據(jù)鏈路層使用的是MAC地址，而在網(wǎng)絡層使用的是IP地址。2.2.1MAC地址MAC（MediaAccessControl，介質(zhì)訪問控制）地址，也叫物理地址、硬件地址，是IEEE802標準為局域網(wǎng)規(guī)定的一種48位的全球地址，通常用十六進制數(shù)表示。形象地說，MAC地址就如同我們身份證上的身份證號碼，具有全球唯一性。2.2網(wǎng)絡地址基礎1.MAC地址的組成MAC地址是識別網(wǎng)絡節(jié)點的硬件地址，由六個以十六進制表示的字節(jié)組成，中間用連字符“-”或冒號：分隔2.2網(wǎng)絡地址基礎2.工業(yè)網(wǎng)絡設備MAC地址在工業(yè)網(wǎng)絡中，制造商會為每個設備的網(wǎng)絡接口都分配一個MAC地址以進行標識。2.2網(wǎng)絡地址基礎3.交換機MAC地址表MAC地址對應于OSI參考模型的第二層數(shù)據(jù)鏈路層，工作在數(shù)據(jù)鏈路層的交換機維護著計算機MAC地址和自身端口的數(shù)據(jù)庫，通常也稱為交換表、MAC地址表。交換機根據(jù)接收數(shù)據(jù)幀中的“源MAC地址”來建立和維護MAC地址表；根據(jù)“目的MAC地址”來決定如何轉發(fā)數(shù)據(jù)幀。圖2-11交換機建立MAC地址表和轉發(fā)幀的流程2.2網(wǎng)絡地址基礎1）交換機建立和維護MAC地址表開始時交換機的地址表是空的，交換機每收到一個數(shù)據(jù)幀就會取出其源MAC地址，然后在地址表中查找是否已有該地址，若無則將該地址加入到地址表中，添加一條記錄（MAC地址接口號有效時間）；若有則更新地址表中與該地址對應的端口號和有效時間等信息。考慮到可能有時要在交換機的接口更換主機，或者主機要更換其網(wǎng)絡適配器，這就需要更改地址表中的記錄。為此，在交換機地址表中的每條記錄都設有一定的有效時間。過期的記錄就自動被刪除。這種自學習方法使得交換機能夠即插即用，不必人工進行配置。2.2網(wǎng)絡地址基礎2）交換機根據(jù)MAC地址表轉發(fā)數(shù)據(jù)幀交換機從接收的數(shù)據(jù)幀中取出其目的MAC地址，然后在地址表中查找是否已有該地址，若無則會以泛洪方式將數(shù)據(jù)幀轉發(fā)給除入接口之外的所有接口；若有則進一步查看其對應的接口是否和入接口相同，若不同則將數(shù)據(jù)幀向指定接口轉發(fā)；若相同則無需轉發(fā)而丟棄掉數(shù)據(jù)幀。2.2網(wǎng)絡地址基礎2.2.2IP地址IP是網(wǎng)絡之間互連的協(xié)議。IP地址是指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，也稱為網(wǎng)際協(xié)議地址。1.IP地址的表示方法IP地址由32位二進制數(shù)組成，用于唯一標識網(wǎng)絡中的IP節(jié)點。為便于記憶、書寫與表達，通常會使用十進制進行表示。如圖2-12所示，每8位為一組，將4組二進制數(shù)轉換為4個十進制數(shù)，各數(shù)字間用點分隔，俗稱為點分十進制表示法。2.2網(wǎng)絡地址基礎2.IP地址的結構與分類IP地址采用兩級結構，由網(wǎng)絡位和主機位兩部分組成，如圖2-13所示。網(wǎng)絡地址表示其屬于互聯(lián)網(wǎng)的哪一個網(wǎng)絡，主機地址表示其屬于該網(wǎng)絡中的哪一臺主機。主機部分使用的位數(shù)決定了網(wǎng)絡中可以容納的主機數(shù)量。2.2網(wǎng)絡地址基礎IP地址根據(jù)網(wǎng)絡號的不同分為5種類型，A類地址、B類地址、C類地址、D類地址和E類地址。其中較常用的是A類、B類和C類地址，如圖2-14所示2.2網(wǎng)絡地址基礎A類地址的網(wǎng)絡號占8位，只有7位可供使用（最高位固定為0），A類地址可指派的網(wǎng)絡號是1-126。A類地址的主機位占24位，因此每一個A類網(wǎng)絡中的最大主機數(shù)為224-2，即16777214。B類地址的網(wǎng)絡號占16位，只有14位可供使用（最高2位固定為10），B類地址第一個8位的網(wǎng)絡號是128-191。B類地址的主機位占16位，因此每一個B類網(wǎng)絡中的最大主機數(shù)為216-2，即65534。C類地址的網(wǎng)絡號占24位，只有21位可供使用（最高3位固定為110），A類地址第一個8位的網(wǎng)絡號是192-223。C類地址的主機位占8位，因此每一個C類網(wǎng)絡中的最大主機數(shù)為28-2，即254。D類地址是多播地址，E類地址是保留地址。2.2網(wǎng)絡地址基礎2.2.3子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)掩碼（subnetmask）又稱為地址掩碼，其主要功能就是能夠清晰標識出一個IP地址中哪些位代表網(wǎng)絡位、哪些位代表主機位，從而能夠從IP地址迅速計算出網(wǎng)絡地址。1.子網(wǎng)掩碼的表示方法子網(wǎng)掩碼也是一個32位的二進制數(shù)，由一連串1和接著的一連串0組成，而1的個數(shù)就是網(wǎng)絡位的長度，0的個數(shù)就是主機位的長度。通常也采用點分十進制表示法。常用A類、B類、C類地址默認的子網(wǎng)掩碼如圖2-14所示。