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技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网 - 知乎
技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网 - 知乎首发于智能制造之家切换模式写文章登录/注册技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网智能制造之家化学制品制造业 从业人员写在面前大家好,我是小智,智能制造之家号主~前面我们汇总了各种各样的接口、总线与工业以太网等:最全整理工业通讯上的领域各种总线+协议+规范+接口—数据采集与控制也整理了工业以太网的基础知识:必备的工业以太网的基础知识今天我们来聊一聊各种主流的工业以太网~PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE.....今天算是总体汇总介绍,填上次在文章:工业通讯网络层级全解读,解析工业网络的自动化金字塔当中提到的会技术分析PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT等各大工业以太网的坑,后续继续逐步推出细化的推出相关文章~今天的内容:01 通讯中的自动化金字塔02 技术分析主流工业以太网03 网络化与软件化的自动化04 未来的工业通信01 通讯中的自动化金字塔说到自动化金字塔,我想每一个智造领域的技术人员应该都很清楚,从传感器/执行器通讯,到现场总线,再到实时以太网,以及办公网络,不同的层级与环境可以采用不同的通讯方式,今天的主要内容就是图中红色部分,实时以太网~自动化部件之间的高效通讯一直是生产系统必不可少的的前提之一,典型的自动化部件有以下几类:PLC控制器,HMI面板、驱动、远程IO、传感器与执行器等,正是由于通讯系统连接了各种各样的自动化部件,使他们构成一个有机的整体~在通讯的自动化金字塔中,不论是从事PLM、还是MES/MOM、SCADA、PLC、驱动等,通讯都会伴随着你,在IT、OT融合的时代,CT(通讯技术)起到了至关重要的作用,被炒得火热的万物互联,通讯始终是基石~02 技术分析主流工业以太网下面我们还是回到今天的主要话题:工业以太网我想下面的各个组织与工业以太网大家应该都很熟悉,我就不再赘述我们所说的工业以太网是基于以太网,那到底二者之间有什么样的关系呢?如果看到了这里,你不知道7层协议,不知道以太网在哪些层,不知道TCP、UDP等等,那建议你可以先补一补基础知识:网络的OSI七层模型和TCP/IP五层模型 | 网络基础(三)或者不用接着往下看了~比如我现在问你, PROFINET的TCP/IP标准通信、PROFINET RT和PROFINET IRT有什么区别?你或许可以从今天的文章中获得答案。今天整体来看一下PROFINET、ETHERNET/IP、ETHERCAT等他们在7层协议中的一些不同。这也是为啥了解工业以太网,必须有一定的网络知识~1.将网络七层分为软件层和硬件层,则Ethernet/IP等是下面这样的;特点:完全基于TCP\UDP\IP,Process Data通过TCP/IP传输,硬件层未更改,采用传统以太网控制器2.而PROFINET RT、POWERLINK则是下面这样的:特点:部分基于TCP\UDP\IP,硬件层未更改,具有Process Data协议,直接由以太网帧进行传输,TCP/UDP依然存在,不过由Timing Layer控制3.而PROFINET IRT、ETHERCAT等则是下面这样的:特点:硬件层更改,使用实时以太网控制器从以上三张图,就可以很好的为你解密PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE等七大工业以太网从硬件到软件的不同,解密PROFINET的RT和IRT模式,工业以太网和一般IT网络的差异~今天是本系列的第一讲,算是个开胃菜,后续会进行更详细的分析与解读各大工业以太网,比如所谓的实时工业以太网是如何解决传统以太网数据链路层CSMA/CD技术的非实时、非确定性的,感兴趣的可以持续关注~03 网络化与软件化的自动化前不久HMS关于工业网络的报告:2020工业网络市场份额报告:主流工业以太网、现场总线、工业无线份额对比中,我们已经看到工业以太网的市场份额已经高达64%顺势而为,跨界融合一直是本号所提倡的,正如前面的爆款文章:西门子、施耐德、罗克韦尔等巨头告诉你,为何你大爷始终是你大爷当中说的:所有面向未来的自动化供应商,都在加速拥抱软件的步伐而前面我们也提到,如今的自动化,已经变得越来越网络化,越来越软件化了,这是趋势,我们没有必要固步自封,守着自己的一某三分地,就像前面在文章:自动化早已不是原来的自动化,为何你却还是原来的你当中说的,技术始终是广度和深度,几乎所有技术都来自于此前已经存在的技术,就好比今天要说的PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII、MODBUS TCP、CC-LINK IE等等工业以太网,都和以太网脱不了关系,举个例子,如果一个网络小白和一个CCNP甚至更高的水平的人,同时来看工业以太网,小白可能看到那么新名词,可能马上入门到放弃,而CCNP的朋友可能会觉得如鱼得水~那普通人如何扩展自己色深度和广度呢?我的看法是,让兴趣来引导自己,把本职工作做到公司无人替代的位置,而不止步于此,并在此基础上广度发展。下面具体来说说要如何权衡自己的广度和深度:1.广度为辅,深度为主。人生、时间有限,我们不可能精通所有的技术,但我们可以努力地精通工作相关的、有前景的、感兴趣的技术。2.基础扎实,深入底层。只是解决工作上的问题是远远不够的,应该在工作之余去学习更底层的技术,所谓知其然还得知其所以然。多多思考:为什么要这样用?怎么实现的?还有更好的办法去实现吗?3.触类旁通,适度学习。学任何的知识都要形成一个体系,才能学得深,记得牢。04 未来的工业通信前面转载过一篇文章:为什么一定要了解OPC UA TSN——未来的工业通信标准其实目前,各大工业以太网都已逐渐支持TSN技术:OPCUA、PROFINET、Ethercat等都支持的TSN是什么?—工业通信未来已来OPC UA TSNPROFINET TSN或许短时间内依然很难看到TSN的大量应用,但是未来可期~当然,除了目前工业网络中普遍存在的现场总线、工业以太网之外,工业5G等也逐步到来~参考:http://www.ethercat.org.cn/cn.htmhttps://www.ethernet-powerlink.org以上仅代表个人观点,不喜勿喷,欢迎开放交流,也欢迎大神降维打击~往期推荐当树莓派+S7-1500与阿里云跨界相遇-自动化工程师的数字化之路最全解读西门子MES/MOM平台Opcenter,100多亿美金的数字化之路斗地主、扫雷、贪吃蛇、潜水艇...盘点那些PLC“不务正业”骚操作[附代码]哈工大被禁Matlab,美国用工业软件卡死中国制造?这只是开始...[智能制造]未来,我们需要什么样的自动化工程师?TIA Portal配合PS虚拟调试-OPC UA数据通讯西家、罗家、施家等巨头PLC与WinMOD、PDPS联合虚拟调试是什么样子?施耐德Wonderware HMI/SCADA、MES/MOM入门以太网、Profinet、Profibus三种网络架构搭建及拓扑分析工业网络、工业无线、工业识别RFID的实例汇总与分析编辑于 2021-01-13 12:39以太网(Ethernet)Ethernet通信协议赞同 626 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录智能制造之家微信公众号:智能制造之家,10W+朋友共话智
以太网(Ethernet) - 知乎
以太网(Ethernet) - 知乎首页知乎知学堂发现等你来答切换模式登录/注册以太网(Ethernet)以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑,但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T标准)为了减少冲突,将能提高的网络速度和使用效率最大化,使用交换机(Switch hub)来进行网络连…查看全部内容关注话题管理分享百科讨论精华视频等待回答详细内容以太网(英语:Ethernet)是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准,它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术,取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑,但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T标准)为了减少冲突,将能提高的网络速度和使用效率最大化,使用交换机(Switch hub)来进行网络连接和组织。如此一来,以太网的拓扑结构就成了星型;但在逻辑上,以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection,即载波多重访问/碰撞侦测)的总线技术。概述:1990年代的以太网网卡或叫NIC(Network Interface Card,以太网适配器)。这张卡可以支持基于同轴电缆的10BASE2 (BNC连接器,左)和基于双绞线的10BASE-T(RJ-45,右)。以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法,每个节点必须获取电缆或者信道才能传送信息,有时也叫作以太(Ether)。这个名字来源于19世纪的物理学家假设的电磁辐射媒体——光以太。 每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址,以保证以太网上所有节点能互相鉴别。由于以太网十分普遍,许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。以太网通讯具有自相关性的特点,这对于电信通讯工程十分重要。CSMA/CD共享介质以太网:带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)技术规定了多台电脑共享一个通道的方法。这项技术最早出现在1960年代由夏威夷大学开发的ALOHAnet,它使用无线电波为载体。这个方法要比令牌环网或者主控制网简单。当某台电脑要发送信息时,在以下行动与状态之间进行转换:开始 - 如果线路空闲,则启动传输,否则跳转到第4步。发送 - 如果检测到冲突,继续发送数据直到达到最小回报时间(min echo receive interval)以确保所有其他转发器和终端检测到冲突,而后跳转到第4步。成功传输 - 向更高层的网络协议报告发送成功,退出传输模式。线路繁忙 - 持续等待直到线路空闲。线路空闲 - 在尚未达到最大尝试次数之前,每隔一段随机时间转到第1步重新尝试。超过最大尝试传输次数 - 向更高层的网络协议报告发送失败,退出传输模式。就像在没有主持人的座谈会中,所有的参加者都通过一个共同的介质(空气)来相互交谈。每个参加者在讲话前,都礼貌地等待别人把话讲完。如果两个客人同时开始讲话,那么他们都停下来,分别随机等待一段时间再开始讲话。这时,如果两个参加者等待的时间不同,冲突就不会出现。如果传输失败超过一次,将延迟指数增长时间后再次尝试。延迟的时间通过截断二进制指数后移(英语:Exponential_backoff)(truncated binary exponential backoff)算法来实现。最初的以太网是采用同轴电缆来连接各个设备的。电脑通过一个叫做附加单元接口(Attachment Unit Interface,AUI)的收发器连接到电缆上。一条简单网路线对于一个小型网络来说很可靠,而对于大型网络来说,某处线路的故障或某个连接器的故障,都会造成以太网某个或多个网段的不稳定。因为所有的通信信号都在共享线路上传输,即使信息只是想发给其中的一个终端(destination),却会使用广播的形式,发送给线路上的所有电脑。在正常情况下,网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息,接收到目标地址是自己的信息时才会向CPU发出中断请求,除非网卡处于混杂模式(Promiscuous mode)。这种“一个说,大家听”的特质是共享介质以太网在安全上的弱点,因为以太网上的一个节点可以选择是否监听线路上传输的所有信息。共享电缆也意味着共享带宽,所以在某些情况下以太网的速度可能会非常慢,比如电源故障之后,当所有的网络终端都重新启动时。以太网中继器和集线器:在以太网技术的发展中,以太网集线器(Ethernet Hub)的出现使得网络更加可靠,接线更加方便。因为信号的衰减和延时,根据不同的介质以太网段有距离限制。例如,10BASE5同轴电缆最长距离500米 (1,640英尺)。最大距离可以通过以太网中继器实现,中继器可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。中继器最多连接5个网段,但是只能有4个设备(即一个网段最多可以接4个中继器)。这可以减轻因为电缆断裂造成的问题:当一段同轴电缆断开,所有这个段上的设备就无法通讯,中继器可以保证其他网段正常工作。类似于其他的高速总线,以太网网段必须在两头以电阻器作为终端。对于同轴电缆,电缆两头的终端必须接上被称作“终端器”的50欧姆的电阻和散热器,如果不这么做,就会发生类似电缆断掉的情况:总线上的AC信号当到达终端时将被反射,而不能消散。被反射的信号将被认为是冲突,从而使通信无法继续。中继器可以将连在其上的两个网段进行电气隔离,增强和同步信号。大多数中继器都有被称作“自动隔离”的功能,可以把有太多冲突或是冲突持续时间太长的网段隔离开来,这样其他的网段不会受到损坏部分的影响。中继器在检测到冲突消失后可以恢复网段的连接。随着应用的拓展,人们逐渐发现星型的网络拓扑结构最为有效,于是设备厂商们开始研制有多个端口的中继器。多端口中继器就是众所周知的集线器(Hub)。集线器可以连接到其他的集线器或者同轴网络。第一个集线器被认为是“多端口收发器”或者叫做“fanouts”。最著名的例子是DEC的DELNI,它可以使许多台具有AUI连接器的主机共享一个收发器。集线器也导致了不使用同轴电缆的小型独立以太网网段的出现。像DEC和SynOptics这样的网络设备制造商曾经出售过用于连接许多10BASE-2细同轴线网段的集线器。非屏蔽双绞线(unshielded twisted-pair cables , UTP)最先应用在星型局域网中,之后也在10BASE-T中应用,最后取代了同轴电缆成为以太网的标准。这项改进之后,RJ45电话接口代替了AUI成为电脑和集线器的标准线路,非屏蔽3类双绞线/5类双绞线成为标准载体。集线器的应用使某条电缆或某个设备的故障不会影响到整个网络,提高了以太网的可靠性。双绞线以太网把每一个网段点对点地连起来,这样终端就可以做成一个标准的硬件,解决了以太网的终端问题。采用集线器组网的以太网尽管在物理上是星型结构,但在逻辑上仍然是总线型的,半双工的通信方式采用CSMA/CD的冲突检测方法,集线器对于减少数据包冲突的作用很小。每一个数据包都被发送到集线器的每一个端口,所以带宽和安全问题仍没有解决。集线器的总传输量受到单个连接速度的限制(10或100 Mbit/s),这还是考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况。当网络负载过重时,冲突也常常会降低传输量。最坏的情况是,当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时,可能因冲突过多导致网络的负载在仅50%左右程度就满载。为了在冲突严重降低传输量之前尽量提高网络的负载,通常会先做一些设定以避免类似情况发生。桥接和交换:尽管中继器在某些方面分隔了以太网网段,使得电缆断线的故障不会影响到整个网络,但它向所有的以太网设备转发所有的数据。这严重限制了同一个以太网网络上可以相互通信的机器数量。为了减轻这个问题,桥接方法被采用,在工作在物理层的中继器之基础上,桥接工作在数据链路层。通过网桥时,只有格式完整的数据包才能从一个网段进入另一个网段;冲突和数据包错误则都被隔离。通过记录分析网络上设备的MAC地址,网桥可以判断它们都在什么位置,这样它就不会向非目标设备所在的网段传递数据包。像生成树协议这样的控制机制可以协调多个交换机共同工作。早期的网桥要检测每一个数据包,因此当同时处理多个端口的时候,数据转发比Hub(中继器)来得慢。1989年网络公司Kalpana发明了EtherSwitch,第一台以太网交换机。以太网交换机把桥接功能用硬件实现,这样就能保证转发数据速率达到线速。大多数现代以太网用以太网交换机代替Hub。尽管布线方式和Hub以太网相同,但交换式以太网比共享介质以太网有很多明显的优势,例如更大的带宽和更好的异常结果隔离设备。交换网络典型的使用星型拓扑,虽然设备在半双工模式下运作时仍是共享介质的多节点网,但10BASE-T和以后的标准皆为全双工以太网,不再是共享介质系统。交换机启动后,一开始也和Hub一样,转发所有数据到所有端口。接下来,当它记录了每个端口的地址以后,他就只把非广播数据发送给特定的目的端口。因此线速以太网交换可以在任何端口对之间实现,所有端口对之间的通讯互不干扰。因为数据包一般只是发送到他的目的端口,所以交换式以太网上的流量要略微小于共享介质式以太网。然而,交换式以太网仍然是不安全的网络技术,因为它很容易因为ARP欺骗或者MAC满溢而瘫痪,同时网络管理员也可以利用监控功能抓取网络数据包。当只有简单设备(除Hub之外的设备)连接交换机端口时,整个网络可能处于全双工模式。如果一个网段只有2个设备,那么冲突探测也不需要了,两个设备可以随时收发数据。这时总带宽是链路的2倍,虽然双方的带宽相同,但没有发生冲突就意味着几乎能利用到100%的带宽。交换机端口和所连接的设备必须使用相同的双工设置。多数100BASE-TX和1000BASE-T设备支持自动协商特性,即这些设备通过信号来协调要使用的速率和双工设置。然而,如果自动协商功能被关闭或者设备不支持,则双工设置必须通过自动检测进行设置或在交换机端口和设备上都进行手工设置以避免双工错配——这是以太网问题的一种常见原因(设备被设置为半双工会报告迟发冲突,而设备被设为全双工则会报告runt)。许多较低层级的交换机没有手工进行速率和双工设置的能力,因此端口总是会尝试进行自动协商。当启用了自动协商但不成功时(例如其他设备不支持),自动协商会将端口设置为半双工。速率是可以自动感测的,因此将一个10BASE-T设备连接到一个启用了自动协商的10/100交换端口上时将可以成功地创建一个半双工的10BASE-T连接。但是将一个配置为全双工100Mb工作的设备连接到一个配置为自动协商的交换端口时(反之亦然)则会导致双工错配。即使电缆两端都设置成自动速率和双工模式协商,错误猜测还是经常发生而退到10Mbps模式。因此,如果性能差于预期,应该查看一下是否有计算机设置成10Mbps模式了,如果已知另一端配置为100Mbit,则可以手动强制设置成正确模式。.当两个节点试图用超过电缆最高支持数据速率(例如在3类线上使用100Mbps或者3类/5类线使用1000Mbps)通信时就会发生问题。不像ADSL或者传统的拨号Modem通过详细的方法检测链路的最高支持数据速率,以太网节点只是简单的选择两端支持的最高速率而不管中间线路,因此如果速率过高就会导致链路失效。解决方案为强制通讯端降低到电缆支持的速率。以太网类型:除了以上提到的不同帧类型以外,各类以太网的差别仅在速率和配线。因此,同样的网络协议栈软件可以在大多数以太网上执行。以下的章节简要综述了不同的正式以太网类型。除了这些正式的标准以外,许多厂商因为一些特殊的原因,例如为了支持更长距离的光纤传输,而制定了一些专用的标准。很多以太网卡和交换设备都支持多速率,设备之间通过自动协商设置最佳的连接速度和双工方式。如果协商失败,多速率设备就会探测另一方使用的速率但是默认为半双工方式。10/100以太网端口支持10BASE-T和100BASE-TX。10/100/1000支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。部分以太网类型局域网(英语:Local Area Network,简称LAN)是连接住宅、学校、实验室、大学校园或办公大楼等有限区域内计算机的计算机网络 。相比之下,广域网(WAN)不仅覆盖较大的地理距离,而且还通常涉及固接专线和对于互联网的链接。 相比来说互联网则更为广阔,是连接全球商业和个人电脑的系统。在历经使用了链式局域网(英语:ARCNET)、令牌环与AppleTalk技术后,以太网和Wi-Fi(无线网络连接)是现今局域网最常用的两项技术。机理:局域网(Local Area Network, LAN),又称内网。指覆盖局部区域(如办公室或楼层)的计算机网络。按照网络覆盖的区域(距离)不同,其他的网络类型还包括个人网、城域网、广域网等。早期的局域网网络技术都是各不同厂家所专有,互不兼容。后来,电机电子工程师学会推动了局域网技术的标准化,由此产生了IEEE 802系列标准。这使得在建设局域网时可以选用不同厂家的设备,并能保证其兼容性。这一系列标准覆盖了双绞线、同轴电缆、光纤和无线等多种传输介质和组网方式,并包括网络测试和管理的内容。随着新技术的不断出现,这一系列标准仍在不断的更新变化之中。以太网(IEEE 802.3标准)是最常用的局域网组网方式。以太网使用双绞线作为传输介质。在没有中继的情况下,最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s,更新的标准则支持1000Mb/s和10Gb/s的速率。其他主要的局域网类型有令牌环和FDDI(光纤分布数字接口,IEEE 802.8)。令牌环网络采用同轴电缆作为传输介质,具有更好的抗干扰性;但是网络结构不能很容易的改变。FDDI采用光纤传输,网络带宽大,适于用作连接多个局域网的骨干网。近两年来,随着802.11标准的制定,无线局域网的应用大为普及。这一标准采用2.4GHz 和5.8GHz 的频段,数据传输速度最高可以达到300Mbps和866Mbps。局域网标准定义了传输介质、编码和介质访问等底层(一二层)功能。要使数据通过复杂的网络结构传输到达目的地,还需要具有寻址、路由和流量控制等功能的网络协议的支持。TCP/IP(传输控制协议/互联网络协议)是最普遍使用的局域网网络协议。它也是互联网所使用的网络协议。其他常用的局域网协议包括,IPX、AppleTalk等。在无线 LAN 中,用户可以在覆盖区域内不受限制地移动。无线网络因其易于安装而在住宅和小型企业中流行起来。大多数无线局域网都使用 Wi-Fi,因为它内置于智能手机、平板电脑和笔记本电脑中。客人通常可以通过热点服务上网。网络拨接互联网(英语:Internet)是指20世纪末期兴起电脑网络与电脑网络之间所串连成的庞大网络系统。这些网络以一些标准的网络协议相连。它是由从地方到全球范围内几百万个私人、学术界、企业和政府的网络所构成,通过电子、无线和光纤网络技术等等一系列广泛的技术联系在一起。互联网承载范围广泛的信息资源和服务,比方说相互关系的超文本文件,还有万维网(WWW)的应用、电子邮件、通话,以及文件共享服务。互联网的起源可以追溯到1960年代美国联邦政府委托进行的一项研究,目的是创建容错与电脑网络的通信。互联网的前身ARPANET最初在1980年代作为区域学术和军事网络连接的骨干。1980年代,NSFNET(英语:NSFNET)成为新的骨干而得到资助,以及其他商业化扩展得到了私人资助,这导致了全世界网络技术的快速发展,以及许多不同网络的合并结成更大的网络。到1990年代初,商业网络和企业之间的连接标志着向现代互联网的过渡。尽管互联网在1980年代只被学术界广泛使用,但商业化的服务和技术,令其极快的融入了现代每个人的生活。互联网并不等同万维网,互联网是指凡是能彼此通信的设备组成的网络就叫互联网,指利用TCP/IP通讯协定所创建的各种网络,是国际上最大的互联网,也称“国际互联网”。万维网是一个由许多互相链接的超文本组成的系统,通过互联网访问。在此定义下,万维网是互联网的一项服务。不过多数民众并不区分两者,常常混用。连接技术:任何需要使用互联网的计算机必须通过某种方式与互联网进行连接。互联网接入技术的发展非常迅速,带宽由最初的14.4Kbps发展到目前的100Mbps甚至1Gbps带宽,接入方式也由过去单一的电话拨号方式,发展成现在多样的有线和无线接入方式,接入终端也开始朝向移动设备发展。并且更新更快的接入方式仍在继续地被研究和开发。架构:最顶层的是一些应用层协议,这些协议定义了一些用于通用应用的数据报结构,包括FTP及HTTP等。中间层是UDP协议和TCP协议,它们用于控制数据流的传输。UDP是一种不可靠的数据流传输协议,仅为网络层和应用层之间提供简单的接口。而TCP协议则具有高的可靠性,通过为数据报加入额外信息,并提供重发机制,它能够保证数据不丢包、没有冗余包以及保证数据包的顺序。对于一些需要高可靠性的应用,可以选择TCP协议;而相反,对于性能优先考虑的应用如流媒体等,则可以选择UDP协议。最底层的是互联网协议,是用于报文交换网络的一种面向数据的协议,这一协议定义了数据包在网际传送时的格式。目前使用最多的是IPv4版本,这一版本中用32位定义IP地址,尽管地址总数达到43亿,但是仍然不能满足现今全球网络飞速发展的需求,因此IPv6版本应运而生。在IPv6版本中,IP地址共有128位,“几乎可以为地球上每一粒沙子分配一个IPv6地址”。IPv6目前并没有普及,许多互联网服务提供商并不支持IPv6协议的连接。但是,可以预见,将来在IPv6的帮助下,任何家用电器都有可能连入互联网。互联网承载着众多应用程序和服务,包括万维网、社交媒体、电子邮件、移动应用程序、多人电子游戏、互联网通话、文件分享和流媒体服务等。提供这些服务的大多数服务器托管于数据中心,并且通过高性能的内容分发网络访问。万维网(英语:World Wide Web)亦作WWW、Web、全球广域网,是一个透过互联网访问的,由许多互相链接的超文本组成的信息系统。英国科学家蒂姆·伯纳斯-李于1989年发明了万维网。1990年他在瑞士CERN的工作期间编写了第一个网页浏览器。网页浏览器于1991年1月向其他研究机构发行,并于同年8月向公众开放。罗伯特·卡里奥设计的Web图标万维网是信息时代发展的核心,也是数十亿人在互联网上进行交互的主要工具。网页主要是文本文件格式化和超文本置标语言(HTML)。除了格式化文字之外,网页还可能包含图片、视频、声音和软件组件,这些组件会在用户的网页浏览器中呈现为多媒体内容的连贯页面。万维网并不等同互联网,万维网只是互联网所能提供的服务其中之一,是靠着互联网运行的一项服务。参考文献: Wendell Odom. CCENT/CCNA ICND1 100-105 Official Cert Guide. Cisco Press. 2016: 43页. ISBN 978-1-58720-580-4.Internet协议观念与实现ISBN 9577177069Internet协议观念与实现ISBN 9577177069IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-2 p.109IEEE 802.3-2008 Section 3 Table 38-6 p.111网络化生存,乔岗,中国城市出版社,1997年,ISBN 978-7-5074-0930-7Richard J. Smith, Mark Gibbs, Paul McFedries 著,毛伟、张文涛 译,Internet漫游指南,人民邮电出版社,1998年. ISBN 978-7-115-06663-3世界是平的,汤马斯·佛里曼 著,2005年出版. ISBN 978-986-80180-9-9内容采用CC BY-SA 3.0授权。浏览量2691 万讨论量9731 帮助中心知乎隐私保护指引申请开通机构号联系我们 举报中心涉未成年举报网络谣言举报涉企侵权举报更多 关于知乎下载知乎知乎招聘知乎指南知乎协议更多京 ICP 证 110745 号 · 京 ICP 备 13052560 号 - 1 · 京公网安备 11010802020088 号 · 京网文[2022]2674-081 号 · 药品医疗器械网络信息服务备案(京)网药械信息备字(2022)第00334号 · 广播电视节目制作经营许可证:(京)字第06591号 · 服务热线:400-919-0001 · Investor Relations · © 2024 知乎 北京智者天下科技有限公司版权所有 · 违法和不良信息举报:010-82716601 · 举报邮箱:jubao@zhihu.
主流工业以太网介绍和比较(EtherCAT、EtherNet/IP、ProfiNet、Modbus-TCP、Powerlink)_ethercat和ethernet的区别-CSDN博客
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主流工业以太网介绍和比较(EtherCAT、EtherNet/IP、ProfiNet、Modbus-TCP、Powerlink)
最新推荐文章于 2024-01-09 10:12:38 发布
叶不问
最新推荐文章于 2024-01-09 10:12:38 发布
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原文链接:https://blog.csdn.net/xqmoo8/article/details/39743961
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1)EtherCAT是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,EterCAT名称中的CAT为Control Automation Technology(控制自动化技术)首字母的缩写。最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff AutomationGmbH)研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。
EtherCAT主要特点有: (1)完全符合以太网标准。普通以太网相关的技术都可以应用于EtherCAT网络中。EtherCAT设备可以与其他的以太网设备共存于同一网络中。普通的以太网卡、交换机、路 由器等标准组件都可以在EtherCAT中使用。 (2)支持多种拓扑结构:线型、星型、树型。可以使用普通以太网使用的电缆或光缆。当使用1OOBase-TX电缆时允许两个设备之间的通信距离达100m。当使用100BASE-FX模式,使用两对光纤在全双工模式下,单模光纤能够达到40千米的传输距离,多模光纤能够达到2千米的传输距离。EtherCAT还能够使用Beckhoff公司自己设计的低压差分信号LUDS ( Low Voltage Differential Signaling,低压差分信号)线来低延时地通信,通信距离能够达到10米。 (3)广泛的适用性,任何带有普通以太网控制器的设备都有条件作为EtherCAT主站,比如嵌入式系统、普通的PC机、控制板卡等。
(4)高效率、刷新周期短。EtherCAT从站对数据帧的读取、解析、过程数据的提取与插入完全由硬件来实现,这使得数据帧的处理不受CPU的性能、软件的实现方式等影响,时间延迟极小、实时性很高。同时EtherCAT可以达到小于100us的数据刷新周期。
(5)EtherCAT以太网帧中能够压缩大量的设备数据,这使得EtherCAT网络有效数据率可达到90%以上。据官方测试1000个I/O更新时间仅仅30us,其中还包括I/O周期时间。而容纳1486个字节(相当于12000个I/O)的单个以太网帧的刷新时间紧紧300us。 (6)同步性能很好。EtherCAT使用高分辨率的分布式时钟使各从站节点间的同步精度能够远小于lus。 (7)无须从属子网。很复杂的节点或只有一两位的数字I/O都能被用作EtherCAT从站。 (8)拥有多种应用层协议接口来支持多种工业设备行规:CoE ( CANopen over EtherCAT)用来支持CANopen协议,SOE (SERCOE over EtherCAT)用来支持SERCOE 协议,EOE ( Ethernetover EtherCAT)用来支持普通的以太网协议,FOE ( File over EtherCAT)用于上传和下载固件程序或文件;AOE (ADS over EtherCAT)用于主从站之间非周期的数据访问服务。对多种行规的支持使得用户和设备制造商很容易从现场总线向EtherCAT转换。
2)Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上,利用固定的以太网硬件和软件,为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。
Ethernet/IP是2000年3月由Control Net International和ODVA( Open DevicenetVendors Association共同开发的工业以太网标准。Ethernet/IP实现实时性的方法是在TCP/IP层之上增加了用于实时数据交换和运行实时应用的CIP协议(Common Industrial Protocol )。 Ethernet/IP在物理层和数据链路层采用标准的以太网技术,在网络层和传输层使用IP协议和TCP、UDP协议来传输数据。UDP是一种非面向连接的协议,它能够工作在单播和多播的方式,只提供设备间发送数据报的能力。对于实时性很高的I/O数据、运动控制数据和功能行安全数据,使用UDP/IP协议来发送。而TCP是一种可靠的、面向连接的协议。对于实时性要求不是很高的数据(如参数设置、组态和诊断等)采用TCP/IP协议来发送。 Ethernet/IP采用生产者/消费者数据交换模式。生产者向网络中发送有唯一标识符的数据包。消费者根据需要通过标识符从网络中接收需要的数据。这样数据源只需一次性地把数据传到网上,其它节点有选择地接收数据,这样提高了通信的效率。 Ethernet/IP是在CIP这个协议的控制下实现非实时数据和实时数据的传输。CIP是一个提供工业设备端到端的面向对象的协议,且独立于物理层及数据链路层,这使得不同供应商提供的设备能够很好的交互。另外,为了获得更好的时钟同步性能,2003年ODVA将IEEE 15888引入Ethernet/IP,并制定了CIPsync标准以提高Ethernet/IP的时钟同步精度。
3)PROFINET由PROFIBUS国际组织(PROFIBUS International,PI)推出,是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新,PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案,囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题,并且,作为跨供应商的技术,可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线(如PROFIBUS)技术,保护现有投资。
PROFINET是适用于不同需求的完整解决方案,其功能包括8个主要的模块,依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。
现在PROFINET有三个版本,能够实现3种类型的通信:TCP/IP标准通信和两类实时通信。在这些版本中,PROFINET提出了对IEEE802.1 D和IEEE1588进行实时性扩展的技术方案,同时,根据不同的实时性要求采用不同的实时通道技术。 PROFINET提供的标准通道使用TCP/IP协议来进行非实时通信,用于设备参数化、组态和诊断数据的传输。两个实时通道:实时通道RT和实时通道IRT。实时通道RT是一种软实时(software real time方案,一般响应时间为l0ms,主要用于工厂自动化领域中的过程数据高xìng能循环传输、事件控制的信号与报警信号灯。实时通道IRT(IsochronousReal-time)使用了专用的ASIC芯片来对数据帧进行了解析,这样缩短了处理时间。该方案特别适用于高性能传输、过程数据的等时同步传输及需要快 速时钟同步的运动控制领域。另外根据应用对象的不同,PROFINET有两种组网方式:PROFINETIO和PROFINET CBA。
4)MODBUS/TCP是简单的、中立厂商的用于管理和控制自动化设备的MODBUS系列通讯协议的派生产品。显而易见,它覆盖了使用TCP/IP协议的 “Intranet”和“Internet”环境中MODBUS 报文的用途。协议的最通用用途是为诸如PLC’s,I/O模块,以及连接其它简单域总线或I/O模块的网关服务的。 MODBUS/TCP协议是作为一种(实际的)自动化标准发行的。既然MODBUS已经广为人知,该规范只将别处没有收录的少量信息列入其中。然而,本规范力图阐明MODBUS中哪种功能对于普通自动化设备的互用性有价值,哪些部分是MODBUS作为可编程的协议交替用于PLC’s的“多余部分”。 它通过将配套报文类型“一致性等级”,区别那些普遍适用的和可选的,特别是那些适用于特殊设备如PLC’s的报文。
5)POWERLINK=CANopen+Ethernet
鉴于以太网的蓬勃发展和CANopen在自动化领域里的广阔应用基础,EthernetPOWERLINK 融合了这两项技术的优点和缺点,即拥有了Ethernet的高速、开放性接口,以及CANopen在工业领域良好的SDO和PDO数据定义,在某种意义上说POWERLINK就是Ethernet 上的CANopen,物理层、数据链路层使用了Ethernet介质,而应用层则保留了原有的SDO和PDO对象字典的结构。
Ethernet Powerlink(简称EPL)是由奥地利B&R(贝加莱)公司于2001年开发出来的实时以太网解决方案。2003年,由全球自动化和驱动行业的领军公司成立了EPSGC EthernetPowerlink标准化组织)来标准化和强化Powerlink技术,EPL标准是在CANopen基础上发展来的。它实现实时性的方法是对TCP/IP协议栈进行了实时扩展,引入了SCNM ( slot communication network management,时间槽通信网络管理)机制来消除CSMA/CD的不确定性。SCNM原理是网络按照一个固定的周期进行通信。每个周期分为三个时间槽:同步时间槽、异步时间槽、空闲时间槽。实时性要求严格的数据在同步时间槽中传输。时间不苛刻的数据在异步时间槽中传输。在三种时间槽中又根据网络中通信节点的数目划分为不同的子时间槽。这样保证了实时数据的实时性传输,又杜绝了网络冲突的发生。
6) EPA是在“863”计划的支持下,由浙江大学、清华大学、浙江中控技术公司、大连理工大学、中科院自动化所等单位联合制定,是用于工业测量和控制系统的实时以太网标准。EPA实现实时性的方法是在ISO/IEC8802.3协议所规定的数据链路层之上增加了一个EPA-CSME ( communication schedulingmanagement entity,通信管理实体)。增加EPA-CSME,EPA-C SME用于对数据报文的调度管理,它支持两种通信调度方式:非实时的通信使用CSMA/CD通信机制,非实时数据直接在DLE层和DLS-Use:之间传输,不进行任何缓冲和处理;实时性使用确定性调度方式,EPA将DLS-User数据根据控制时序和优先级大小传送给DLE,然后经过PHY发送出去,这样避免了网络中报文的碰撞。另外,EPA网络为了避免冲突的发生将控制网络分成了若干个由网桥相互隔离的控制区域一一微网段。各微网段内通信互不干扰。不同微网段的设备的通信需要通过网桥转发来实现。这使得网络中的任何报文都被严格的监控,从而避免了广播风暴的产生。目前,一些公司,比如浙大中控,己经开发了多种产品EPA产品,包括基于EPA的控制系统、基于EPA的变送器、执行器、远程分散控制站、数据采集器、现场控制器、无纸记录仪。基于EPA的分布式网络控制系统己在工厂得到成功应用。 3 Ethernet Powerlink -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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虽然这些工业以太网都是国际标准,但是指的是IEC 61784里的标准,但是这些工业以太网不都是标准的以太网。即这些工业以太网并不都是符合IEEE802.3U的标准,这当中只有Modbus-TCP和EtherNet/IP是符合IEEE802.3U的,只有符合IEEE802.3U标准的,才能与IT和以太网将来的发展相兼容。而不符合IEEE802.3U标准的,基本上可以讲不是以太网,它们都对以太网进行了修改,或者是硬件或者是软件,已经不是以太网了。
各种工业以太网的区别其实主要就是协议的区别,其中最主要的还是应用层协议的区别,我们知道,按照ISO的参考模型,网络被划分为7层。
a. Modbus TCP和EtherNet/IP的区别主要是应用层不相同,ModbusTCP的应用层采用Modbus协议,而EtherNet/IP采用CIP协议,这两种工业以太网的数据链路层采用的是CSMA/CD,因此是标准的以太网,另外,这两种工业以太网的网络层和传输层采用TCP/IP协议族。还有一个区别是,Modbus协议中迄今没有协议来完成功能安全、高精度同步和运功控制等,而EtherNet/IP有CIPSafety、CIP Sync和CIP Motion来完成上述功能,所以才有Schneider加入ODVA,成为ODVA的核心成员来推广EtherNet/IP。由于这两种网络都是标准的TCP/IP以太网,所以所有标准以太网节点都可以接入这两种网络。
b. 至于EthernetPowerLink(EPL), Ethernet PowerLink就是个怪胎,PowerLink虽然在物理层和数据链路层还是采用标准的以太网,但是它又添加了另一个数据链路层,此EPL数据链路层在结构上为于以太网数据链路层之上。我们知道数据链路层的一个子层的MAC(介质访问)层的作用是[color=#FF0000]决定哪一个节点可以占有总线,也即决定哪个节点一个发送数据[/color]。所以本来由以太网的数据链路层来决定哪一个节点占用总线,现在它被位于它之上的EPL数据链路层给架空了,由这个EPL数据链路层通过软件的方式来决定哪个节点发送数据。所有在这样的一个EPL工业以太网系统中,不能使用交换机,只能使用HUB,所以对100M的网络,EPL总的带宽是小于100m,一盘情况下只有40-50M,而如果采用交换机的工业以太网,它的带宽可以达到大几百M,另外在EPL网络上,所有的节点都要实现EPL数据链路。没有实现EPL数据链路层的节点不能接入此网络。
c. PROFINET分为原来划分为v1,v2,v3,现在一般称为ProfiNetCBA、ProfiNet IO和ProfiNet IRT。也就是通过以太网来实现对等通讯、实时控制和运动控制。v1采用TCP/IP协议,采用标准的以太网,而V2和V3不采用tcp/ip协议,这两种都绕过tcp/ip协议,采用另外的网络层和传输层协议,采用ProfiNet的开发人员人员认为tcp/ip协议增加了数据在网络中的传输延迟,其实这是一种误解,据美国密歇根大学的教授研究后认为数据在TCP/IP中的传输延迟很小,他们研究得出数据在经过TCP,IP栈时延迟只有不到100微秒,如果采用UDP/IP时就更小,同时他们研究也得出数据在不同应用层延时比较大,不同的协议延迟不一样,但是相差不是很大,从200us-800us不等,他们经过实验后认为以太网的基础设施(指交换机、网卡等)和TCP/IP协议并不是影响工业以太网实时性的主要原因,而认为应用层协议才是主要原因。所以密歇根大学的教授认为绕开TCP/IP协议没有丝毫的意义,反而由于缺少了TCP/IP协议,使得设备也就缺少了IT功能,与其它现场总线没有区别。 ProfiNet V3就更特别了,它不完全采用标准以太网的数据链路层,有一不时间采用以太网的数据链路层(CSMA/CD),而另外一部分时间采用自己的数据链路层,通过一个高精度的时间来完成。所以ProfiNet V3也就不是标准的以太网了,也就给Profinet v3带来如下的问题:不能采用标准的交换机、不能采用标准的以太网芯片、与企业网相连可能会出现问题,与标准以太网相连还要特殊的网关、添加和删除一个节点都需要重新组态网络和重新启动网络、至今没有千兆网络,还有最重要的是,当标准以太网以后发展了后,它不能与标准以太网相兼容,不具有将来以太网所应具有的功能。
d. EtherCat这种工业以太网也很奇怪,它们不使用标准的芯片,一般不使用交换机,软件也不是标准的,对以太网的数据帧进行了一些修改,我们知道一个数据帧只有一个源节点,但是对于EtherCat一个数据可能有多个源节点,即一个数据是由多个节点发送的数据组合而成的。所以对于这样的网络,标准的以太网设备也不能接入这样的网络。
我认为Ethernet/IP和ProfiNet这两种工业以太网都适合各个行业。首先这两种工业以太网都用于传输非实时数据,还可传输实时数据,即可以用于离散控制,也可用于过程控制(当然现在还不能用于本安应用)。其次,这两种工业以太网都可用于网络功能安全传输,Ethernet/IP有CIP Safety协议,而ProfiNet有Profisafe协议,还有在运动控制方面ProfiNet有 ProfiNet IRT,而EtherNet/IP则有CIP Safety,二者都可以用于中高端的运动控制。最后两者都有基于IEEE1588的高精度时钟同步。而Modbus TCP,EtherCat和PowerLink,都只能完成部分控制任务,如Modbus TCP一般只作常规IO实时和非实时数据。而EtherCat和PowerLink则更象是为运动控制而开发的,这二者好像没有功能安全、在PLC和DCS控制方面也没有得到大自动化公司的支持,况且这两者又对以太网进行修改,一个在软件,另一个在软件和硬件方面都进行了修改,都不能兼容标准的以太网设备,个人认为这样做得不偿失,为满足运动控制而不能兼容已有的标准的以太网设备而开发的工业以太网并不是以太网,与其说是工业以太网还不如说是另一种现场总线。 Ethernet/IP和ProfiNet间进行,而其它工业以太网都是这两者的陪衬,将会逐渐退出市场。 EtherNet/IP以后将由罗克韦尔自动化、Omron、施耐德和思科公司来推动,而ProfiNet将由业界老大西门子公司带领一些小公司去奋斗,由国内PLC厂商中的老二、老三和老五对老大,不知谁将引导未来。
其实,工业以太网里还有几个怪胎,举两个例: 1)SynqNet: 丹纳赫主导的,几乎只用在运动控制,而且据说只用在了半导体机械行业(奇怪的是,不才也搞半导体机械很久了,却从来没看到过SynqNet,孤陋寡闻啊)。只用了以太网的硬件,完全和我们平常说的以太网没有任何关系,连MAC层都没有。当然如此运用,速度性能当然好,但未来难说。 2)Sercos III: 光纤SercosII的新一代以太网版本,背后推手是博世力士乐,只用在运动控制。也基本上是只用了以太网底层硬件,系统里竟然连switch都不允许用。速度当然快,但只比SercosII快了一倍。估计用了SercosII的用户,谁会去更新到一个没快了多少的新系统啊,还没问世,就已经不被业界看好了。
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一、以太网二、网络模型三、以太网数据包格式以太网帧格式
三、TCP/IP协议簇1、IP协议2、UDP协议
因为没有做过以太网的项目,也没有进行过以太网通信测试,本片博客仅仅是对以太网协议极小一部分的学习了解。如有不当之处,还请指正。
一、以太网
以太网是一种产生较早,使用相当广泛的局域网技术,局域网就是一个区域的网络互联,可以使办公室也可以是学校等等,大小规模不一。 最初是由Xerox(施乐)公司创建(大概是1973年诞生)并由Xerox、 Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,后来被电气与电子工程师协会( IEEE)所采纳作为802.3的标准。
目前以太网根据速度等级分类大概分为:标准以太网(10Mbit/s),快速以太网(100Mbit/s),千兆以太网(1000Mbit/s),以及更快的万兆以太网(10Gbit/s)。但在平常使用中,快速以太网和千兆以太网已经足够了。
因为以太网通信不是像蓝牙那样无限通信,而是通过连接线进行通信,所以以太网接发双方都会有接口。以太网接口类型有RJ45接口,RJ11接口(电话线接口),SC光纤接口。其中RJ45接口使我们最常用的以太网接口(电脑接口)。
RJ45接口也称为水晶头,由插头和插座组成 可以看到,RJ45接口和HDMI等接口一样,也是采用差分数据传输,这种传输有抗干扰能力强的特性(这在高速数据传输中很重要)。
以太网常用于大型数据传输(如:视频数据),以太网也叫以太网协议,就是一种传输规则,发收双方必须遵守这种规则才能正确地进行数据传输和接收。 以太网通信是以数据包的形式传输, 其单包数据量达到几十, 甚至成百上千个字节。
二、网络模型
也有将TCP/IP分为四层的模型
而我们在使用FPGA设计以太网传输时,基本只需要考虑数据发送,即只需要考虑设计物理层,也就是生成比特流。 如果是进行网络系统设计,就需要考虑各种接口(应用层),方便用户等调用。
三、以太网数据包格式
可以看到,我们一帧能发送的真正的数据内容为:18-1472 Byte;然后将用户数据添加UDP首部,形成UDP层;再加上IP首部,形成IP层;最后加上前导码、SFD(帧起始界定符)、以太网帧头、以及FCS(帧检验序列),构成了MAC层(物理层,包括源MAC地址和目的MAC地址),也就是最终需要在通信线路上传输的数据。
在设计物理层时,只需要计算得到各个首部、前导码、起始界定符、以及校验,就可以得到物理层,然后进行传输。
以太网帧格式
摘自《开拓者FPGA开发指南》
前导码( Preamble) : MAC物理层使用7个字节同步码( 0和1交替( 55-55-55-55-55-55-55))实现数据的同步。
帧起始界定符( SFD, Start Frame Delimiter):使用1个字节的SFD(固定值为0xd5)来表示一帧的开始,后面紧跟着传输的就是以太网的帧头。
目的MAC地址: 即接收端物理MAC地址,占用6个字节。 MAC地址从应用上可分为单播地址、组播地址和广播地址。单播地址:第一个字节的最低位为0,比如00-00-00-11-11-11,一般用于标志唯一的设备;组播地址:第一个字节的最低位为1,比如01-00-00-11-11-11,一般用于标志同属一组的多个设备;广播地址:所有48bit全为1,即FF-FF-FF-FF-FF-FF,它用于标志同一网段中的所有设备。 源MAC地址:即发送端物理MAC地址,占用6个字节。
长度/类型: 上图中的长度/类型具有两个意义,当这两个字节的值小于1536(十六进制 为0x0600)时,代表该以太网中数据段的长度;如果这两个字节的值大于1536,则表示该以太网中的数据属于哪个上层协议,例如0x0800代表IP协议( 网际协议) 、 0x0806代表ARP协议(地址解析协议)等。
数据:以太网中的数据段长度最小46个字节, 最大1500个字节。最大值1500称为以太网的最大传输单元( MTU, Maximum Transmission Unit),之所以限制最大传输单元是因为在多个计算机的数据帧排队等待传输时,如果某个数据帧太大的话,那么其它数据帧等待的时间就会加长,导致体验变差,这就像一个十字路口的红绿灯,你可以让绿灯持续亮一小时,但是等红灯的人一定不愿意的。另外还要考虑网络I/O控制器缓存区资源以及网络最大的承载能力等因素, 因此最大传输单元是由各种综合因素决定的。为了避免增加额外的配置, 通常以太网的有效数据字段小于1500个字节。
帧检验序列( FCS, Frame Check Sequence) : 为了确保数据的正确传输, 在数据的尾部 加入了4个字节的循环冗余校验码( CRC校验) 来检测数据是否传输错误。 CRC数据校验从以太 网帧头开始即不包含前导码和帧起始界定符。 通用的CRC标准有CRC-8、 CRC-16、 CRC-32、 CRCCCIT,其中在网络通信系统中应用最广泛的是CRC-32标准。
帧间隙( IFG,Interpacket Gap) :就是以太网相邻两帧之间的时间间隔,帧间隙的时间就是网络设备和组件在接收一帧之后,需要短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备的时间, IFG的最小值是96 bit time,即在媒介中发送96位原始数据所需要的时间,在不同媒介中IFG的最小值是不一样的。
三、TCP/IP协议簇
TCP( 传输控制协议) /IP(网际协议)协议簇,虽然看上去TCP/IP协议簇只有两个协议,其实TCP/IP协议簇包含了上百种协议,最常用的有TCP、IP、UDP等。其中TCP协议和UDP协议应用最广泛。
1、IP协议
IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议,所有的TCP、 UDP及ICMP数据都以IP数据报格式传输。
从以太网数据包格式中可以看出,IP数据报 包括IP首部和数据段。 IP数据报内容 版本:4位版本号,IPv4(0100),IPv6(0110),目前在以太网使用IPv4多,但是在计算机系统中,IPv6也已经流行起来,因为IPv4仅用32个bit来表示地址,IPv4 地址的总数为 4294967296,到现在,已经快用光了;而IPv6使用128bit来表示地址,理论来说根本用不完。
首部长度:4位,表示IP首部一共有多少个32位(4Byte),假设无可选字段(一般来说没有),IP首部有20个Byte,则首部长度为5;最大为15,即60个Byte。
服务类型:8位,普通服务的话,设置为0。可以参考:IP首部中的服务类型(TOS)
总长度:16位,包括IP首部和IP数据部分,以字节为单位。我们利用IP首部长度和IP数据报总长度,就可以计算出IP数据报中数据内容的起始位置和长度。
标识:16位,通常每发一份报文,就加1。
标志:3位,用来表示分片还是不分片,第一位(最高位)保留,第二位(1-不分片,0-允许分片),第三位为1即表示后面“还有分片”的数据报。为0表示这已是若干数据报片中的最后一个。
叶偏移:13位,在接收方进行数据报重组时用来标识分片的顺序。
生存时间:8位,防止丢失的数据包在无休止的传播,一般被设置为64或者128。IPv6 地址有两个生存期:首选生存期和有效生存期,而首选的生存期总是小于等于有效的生存期。具体可以参考官方文档。
协议:8位,表示此数据报所携带上层数据使用的协议类型,TCP为6, UDP为17。可以参考:IP协议号 IP首部中有8位协议号,用于指明IP的上层协议
首部校验和:这部分需要自己计算,用来校验IP数据报头部是否被破坏、篡改和丢失等,不校验数据。
源MAC地址,目的MAC地址:就是发送和接收IP地址。
可选字段:是数据报中的一个可变长度的可选信息,选项字段以32bit为界,不足时插入值为0的填充字节,保证IP首部始终是32bit的整数倍。
首部校验和计算 1、将16位校验和字段置为0,将IP首部分为多个16位的单元; 2、对各个单元采用反码加法运算 3、假如得到的结果有溢出,则将结果再次分为两个16位相加,直到不出现进位 如下例:
2、UDP协议
在以太网数据包中,我们可以看到,TCP协议(IP层)比UDP层复杂,更为可靠,但是UDP运用场景也非常多。 那为什么不所有传输都用更可靠的TCP协议呢,这就像卖手机,不可能都上最好的配置,毕竟有人不需要这么好的配置,我只需要打电话,一个骁龙835就够了,如果你叫我多花2000块,买一个865,那我没必要。所以这就是需求不同,所以UDP也常用。
TCP与UDP的区别:TCP为可靠传输协议,而UDP为不可靠传输协议;TCP协议可以保证数据的完整和有序,而UDP不能保证;UDP由于不需要连接,故传输速度比TCP快,且占用资源比TCP少;
应用场景:TCP适用于对数据完整性要求很高的场合,比如文件传输;而UDP适用于对数据完整性要求不高的场合,比如说视频直播,毕竟直播的时候少传输几个像素点,影响也不大,而且视频直播要求数据传输很快。而文件数据要是少一个byte或者更多,可能会造成很大的问题。
UDP格式数据 其中的UDP校验和和TCP协议的校验和计算方式一样,但是需要计算三个部分:UDP伪首部、UDP首部、UDP数据部分。
伪首部的数据是从IP数据报头和UDP数据报头获取的,包括源IP地址,目的IP地址,协议类型和UDP长度,其目的是让UDP两次检查数据是否已经正确到达目的地,只是单纯为了做校验用的。在大多数使用场景中接收端并不检测UDP校验和。
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接口协议(四):以太网(Ethernet)学习(一):协议
目录一、以太网二、网络模型三、以太网数据包格式以太网帧格式三、TCP/IP协议簇1、IP协议2、UDP协议因为没有做过以太网的项目,也没有进行过以太网通信测试,本片博客仅仅是对以太网协议极小一部分的学习了解。如有不当之处,还请指正。一、以太网以太网是一种产生较早,使用相当广泛的局域网技术,局域网就是一个区域的网络互联,可以使办公室也可以是学校等等,大小规模不一。最初是由Xerox(施乐)公司创建(大概是1973年诞生)并由Xerox、 Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范,后来被电气与电子
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嵌入式系统以太网接口的实现
01-19
随着微电子技术和计算机技术的发展,嵌入式技术得到广阔的发展,已成为现代工业控制、通信类和消费类产品发展的方向。以太网在实时操作、可靠传输、标准统一等方面的卓越性能及其便于安装、维护简单、不受通信距离限制等优点,已经被国内外很多监控、控制领域的研究人员广泛关注,并在实际应用中展露出显着的优势。
以太网(Ethernet)是当今局域网采用的通用的通信协议标准。在以太网中,所有计算机被连接在一条电缆上,采用带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)方法,采用竞争机制和总线拓扑结构。基本上,以太网由共享传输媒体,如双绞线电缆或同轴电缆、多端口集线器、网桥或交换机构成。按照OSI(OpenSys
以太网(Ethenet)协议
qq_39173537的博客
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以太网协议
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以太网(Ethernet)协议学习
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GigabitEthernet和Ethernet接口的区别
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..
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