基于以太网的嵌入式监控系统的设计与实现.doc

分类号 密 级 U D C 学 位 论 文基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现A Thesis for the Degree of Master in Computer ArchitectureDesign and Implementation of Embedded Monitoring System Based on Industrial Ethernetby Chen JunSupervisor : Associate Professor Deng QingxuNortheastern UniversityJanuary 2008独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名 ： 签 字 日 期 ： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意)学位论文作者签名 ： 导 师 签 名 ： 签 字 日 期 ： 签 字 日 期 ：V东北大学硕士学位论文摘 要基于工业以太网的嵌入式监控系统的设计与实现摘 要随着信息技术的发展，工业控制网络正逐步朝着数字化、开放化、分散化的方向发展。工业以太网作为一种新型控制技术，具有开放性好、结构简单、速度快、兼容性强、易扩展和成本低等优点，受到了工业控制领域的青睐，并获得广泛应用。它实现了自动控制技术和信息网络技术的融合，为企业办公自动化与生产自动化的无缝结合提供了契机。同时，随着嵌入式系统在工业领域的广泛应用，嵌入式技术和工业以太网技术相结合已成为一大发展趋势。因此研究基于工业以太网的嵌入式监控系统是具有重要的现实意义。本文主要研究了嵌入式工业以太网控制器和简单网络管理协议的相关技术，设计和实现了一个基于工业以太网的对设备节点具有信息检索、修改和故障诊断功能的嵌入式远程监控系统。论文首先简要介绍了网络控制系统的组成和发展，阐述了研究的意义所在。接着描述了工业以太网的发展，分析了工业以太网的优势和存在的问题以及工业以太网的通信原理和协议体系结构，研究了网络底层接口的工作原理，实现了由微处理器S3C44B0X和网络芯片RTL8019AS构成的嵌入式工业以太网络控制器，并设计了基于实时操作系统和嵌入式TCP/IP协议栈的软件平台方案。在此基础上，探讨了用于监控工业设备的嵌入式SNMP代理的实现技术，设计并实现了该代理的各个组成部分，即网络通信模块、编码解码模块、消息处理模块、Trap模块和MIB访问模块，给出了SNMP代理扩展的步骤和方法。最后对系统进行了相关测试，并对结果进行了分析，同时提出下一步需要完善的工作。关键词：工业以太网；嵌入式系统；工业以太网控制器；简单网络管理协议；嵌入式SNMP代理东北大学硕士学位论文AbstractDesign and Implementation of Embedded Monitoring System Based on Industrial EthernetAbstractWith the development of information technology, industrial control network is becoming digital, open and decentralized. Industrial Ethernet, as a new control technology, has a lot of merits, such as good openness, simple structure, quick speed, good compatibility, easy expansibility, low costs and so on. It has been widely used in industrial control field. The automatic control technology and information network technology are integrated via industrial Ethernet, which provides a chance for integration between enterprise office automation and factory automation. Meanwhile, the embedded system is being widely used in industry field. The production combining with embedded technology and industrial Ethernet is very popular and has a bright future. So, it is important to investigate and develop an intellectualized embedded monitoring system based on the industrial Ethernet.The main techniques in industrial Ethernet and simple network management protocol are introduced in this thesis, and an embedded monitoring system based on the industrial Ethernet is designed and implemented, which has the functions of information retrieval, modification and fault diagnosis. First, the history and the structure of the networked control system are presented in this thesis. Meanwhile, the significance of research is expressed. Then the development direction of industrial Ethernet are described, the advantage and disadvantage of industrial Ethernet, the communication theory and the protocol architecture of industrial Ethernet are analyzed. The working principle of network bottom interface is studied, and an embedded industrial Ethernet controller composed of the micro-processor S3C44B0X and the network chip RTL8019AS is designed. At the same time, the software solution based on real-time operating system and embedded TCP/IP protocol is provided. The implementation technique of monitoring and management system based on the embedded SNMP is researched. The design and implementation of all parts including network service module, encode and decode module, message handling module, Trap module and MBI access module is discussed detailedly. The process and method of extending SNMP agent is introduced. Tests are carried out and the performance of this system is analyzed based on these tests. Conclusion and future work are given in the last part of this thesis.Keywords：Industrial Ethernet; Embedded System; Industrial Ethernet Controller; Simple Network Management Protocol; Embedded SNMP Agent东北大学硕士学位论文目 录目 录独创性声明I摘 要IIABSTRACTIII第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 研究意义21.3 网络控制系统结构概述21.4 论文内容及安排4第二章 相关技术介绍52.1 以太网技术概述52.2 工业以太网相关技术52.2.1 工业以太网介绍52.2.2 工业以太网通信原理72.2.3 工业以太网协议体系72.3 嵌入式系统122.3.1 嵌入式系统综述122.3.2 嵌入式系统的组成132.4 本章小结15第三章 工业以太网控制器的设计173.1 工业以太网控制器硬件设计173.1.1 硬件选型173.1.2 硬件平台总体设计203.2 工业以太网控制器软件设计213.2.1 实时操作系统的移植223.2.2 网卡驱动程序的设计263.2.3 嵌入式TCP/IP协议栈的移植273.3 本章小结30第四章 嵌入式监控系统的设计与实现314.1 SNMP概述314.1.1 SNMP的发展314.1.2 SNMP的管理模型314.2 E-SNMP代理的开发324.2.1 E-SNMP代理的设计324.2.2 E-SNMP代理的实现334.2.3 SNMP Agent的功能扩展474.3 本章小结50第五章 系统测试515.1 测试环境515.2 集成测试515.2.1 以太网控制器的测试515.2.2 E-SNMP代理的测试52第六章 总结和展望57参考文献59致 谢61攻读硕士期间参加的项目63东北大学硕士学位论文第一章 绪 论64东北大学硕士学位论文第一章 绪 论东北大学硕士学位论文第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 研究背景计算机技术和信息技术的迅猛发展，对企业自动化和信息化领域的发展产生了巨大的影响，使控制系统结构从原来基于模拟信号传输的控制系统，发展到了基于数字化、网络化、分布化、智能化的现场总线控制技术。现场总线使用公开、规范的通信协议，通过双绞线把位于生产控制现场的多个微机化测控设备、现场仪表与用作监控、管理的远程计算机连接起来，实现数据传输与信息共享，使控制系统成为真正意义上“信息集中、控制分散”的分布式控制系统。虽然总线技术具有系统开放性好、互可操作性与互用性、现场设备智能化、现场环境的适应性强等优点。但是，随着工业过程系统规模的扩大和技术的发展，基于现场总线技术的集散控制系统也暴露出了一些问题：(1) 各个厂家的控制系统协议不统一，相互不兼容。早在1984年，国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就着手开始制定现场总线的标准1，至今统一的标准仍未完成，目前世界上仍然存在着40余种现场总线，如ProfiBus、LONWorks、CAN、MODBus、FieldBusFoundation、DeviceNet等。通信协议的多样性使得不同总线产品间不能直接互连、互用和互可操作，使控制网络的系统集成与信息集成面临困难。(2) 数据传输速率低。由于当初在开发自控设备间数据通信技术时，把注意力集中在满足控制实时要求、工业环境下的抗干扰、总线供电等方面，同时传统控制网络中要传输的数据量不大，因此那时开发的现场总线的传输速率大都较低。随着自控设备智能化程度的提高2，传输的数据量也将越来越大，所以网络传输的高速性在工业控制中越来越重要。(3) 信息集成困难。由于现场总线位于整个工业控制系统的底层，缺少统一标准的构架，不易与Internet互联，因此无法实现远程信息共享和与企业信息网的集成。随着计算机、网络技术的发展，企业迫切希望将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理集成系统中。而工业以太网技术的发展，恰好弥补了现场总线技术的缺陷，带来了新的契机。工业以太网作为一种新兴、统一、快速发展的标准，满足了工业网络在开放性、互联性、带宽方面提出的高要求。工业以太网技术的广泛应用，使企业的现场设备层、过程监控层和信息管理层能实现全面的无缝信息集成，真正达到“管控一体化”，为早日实现企业的“一网到底”做好准备。1.2 研究意义当前，企业网已渗透到企业的各个领域，推动着企业的发展，在促进产业经济信息化中也起到了关键性的作用。作为底层网络的现场总线控制网络则是企业网的最重要的组成部分，它直接关系到一个企业的产品质量、生产效率和经济效益。将嵌入式技术与工业以太网技术相结合，通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通互联，从计算机、通讯设备到仪器仪表、现场设备等，已成为当前工厂企业构建信息化技术平台的发展趋势，其在自动化控制领域的应用前景被普遍看好。因此，研究基于工业以太网的嵌入式监控系统平台具有重要的现实意义。1.3 网络控制系统结构概述网络控制系统NCS(Networked Control System)是指将不同地域的传感、控制、执行等分布对象通过网络互联起来形成闭环的反馈控制系统，是集散控制系统(DCS)和现场总线系统(FCS)的进一步扩充，正朝着网络化、集成化、节点智能化、分布化的趋势发展。随着企业综合自动化系统的发展，企业要把市场信息、经营决策、管理、生产调度、故障诊断等紧密结合在一起，形成一个整体，进行综合信息处理，实现原料供应、产品开发与加工、产品储运、市场信息、企业管理、决策等过程的一体化解决方案，就需要将自动控制、办公自动化、经营管理等各层次计算机互连成网络，实现信息的沟通汇集与数据共享。企业网络控制系统通常由三个部分组成，即：信息管理层、过程监控层和现场设备层。如图1.1所示。图 1.1 企业网络系统的层次结构图3Fig.1.1 The Structure of Enterprise Network System(1) 信息管理层信息管理层也被称为企业资源规划层ERP(Enterprise Resource Planning)，位于企业网络系统的最上层，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。这一层使用开放的TCP/IP协议进行相互通信，数据报文通常都比较长，吞吐量也较大，因此要求网络具有较大的带宽，主要由快速以太网和千兆以太网组成。(2) 过程监控层过程监控层又被称为制造执行层MES(Manufacturing Execution System)，位于企业网络系统的中间层，主要用于现场设备的监控、管理、调度、趋势分析、设备故障报警等功能，另外还包括控制组态的设计和安装。这一层的网络节点多为各种计算机和及其外设，通过扩展槽中网络接口板与现场总线相连，或者通过专门的现场总线接口实现现场总线网段与以太网段的连接。该层网络的特点是信息的传输具有一定的周期性和实时性，信息传输量大，对网络的带宽要求也比较高。同时，该层还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境，例如实时数据库、工艺流程监控、先进控制以及设备管理等。(3) 现场设备层现场设备层又称过程控制层PCS(Process Control System)，位于企业网络系统的最底层，用于完成生产现场测量控制功能。该层所传输的信息内容包括生产装置运行参数的测量值、控制值、开关状态的监控、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数设置等，这些值都具有信息长度小、实时要求高、可靠性好等特点，因此使用现场总线或其他专用网络构建。现场总线是将应用与生产现场的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，遵循ISO的OSI开放式系统互连参考模型的全部或部分通信协议。根据现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等各种功能，并应用智能转换器对传统检测仪表电流电压进行数字转换和补偿4。此外，总线上应有PLC的接口，便于连接原有的系统设备。现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上。为保证节点之间实时、可靠的数据传输，现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。常见的现场总线网络拓扑结构有环形网、总线网、树型网和令牌总线网。现场设备层通信介质不受限制，可用双绞线、同轴电缆、光纤、电力线、无线、红外线等各种形式。在整个网络控制系统中，现场设备层是整个网络系统的基础，也是整个网络系统的核心，只有确保总线设备节点之间可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息以及实现监控功能。当前对现场总线的讨论大多停留在底层的现场智能设备网段，但为了实现一体化解决方案，应更多地考虑现场设备层与中间的过程监控层、Internet 应用层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧密集成。1.4 论文内容及安排本论文所研究的基于工业以太网的嵌入式监控系统充分利用以太网技术和嵌入式系统的特点，搭建的设备监控系统平台，融合了现场采集控制技术与网络上层通信管理技术，使得在高速局域网里随时都可以对控制对象进行实时数据监控，可以方便地应用于工业控制现场等多种领域。本文对工业以太网控制器进行了研究，研究了如何为现场控制器设计并实现由位微处理器和嵌入式实时操作系统构成的嵌入式工业以太网络控制器。在此基础上，本文还对嵌入式网络监控和管理技术进行了研究，设计并实现了嵌入式网络管理代理(E-SNMP Agent)。为工业以太网将来更广阔的应用作了一些探索。全文共分6章，各部分内容安排如下：第一章 介绍了项目背景，并指出来了研究的意义所在。同时介绍了网络控制系统的组成结构。第二章 分析了相关的技术内容，包括以太网的发展历程，工业以太网在现场应用的优点和不足，工业以太网的通信原理和协议体系结构，嵌入式系统的介绍以及在工业控制领域的应用前景。第三章 设计和实现了嵌入式工业以太网络控制器，包括硬件电路的设计和系统软件平台的实现。第四章 详细描述了基于工业以太网络控制器的简单网络管理代理的原理和实现过程，利用该平台实现对现场设备的远程监控。第五章 系统测试。第六章 总结与展望。总结了本文所做的工作，并指出了其它有待深入研究的问题和今后工作的重点。东北大学硕士学位论文第二章 相关技术介绍第二章 相关技术介绍本章介绍了以太网的发展过程，分析了工业以太网的优势和缺点以及工业以太网的通信原理和协议体系结构，同时介绍了嵌入式系统方面的内容，为后续章节做理论基础的铺垫。2.1 以太网技术概述以太网最初由美国施乐公司(Xerox)PARC(Palo Alto Research Center)研究中心的Bob Metcalfe与David Boggs于1976年研制成功的一种试验网络，该网络采用无源电缆作为总线来传输数据帧，故以传播电磁波的“以太”命名5。在1981年，数字装备公司(DEC)、英特尔公司(Intel)以及施乐公司(Xerox)联合推出了实现10Mbps基带传输的以太网规约，并于次年公布了第二版以太网规约DIX Ethernet V2.0。通常所说的以太网就是指DIX Ethernet V2.0所描述的技术。1983年，美国电气与电子工程师协会IEEE在DIX规范基础上进行了修改而制定了标准IEEE802.3，并于1990年2月被国际标准化组织ISO采纳，正式成为ISO/IEC802.3国际标准，成为国际上最流行的局域网标准之一。此后，随着技术的发展，以太网的速度有了很大的提高，从最初的10Mpbs以太网发展到了100Mpbs，在1999年和2002年IEEE又相继发布了千兆以太网和万兆以太网标准，进入了快速以太网时代6。随着互联网技术的发展与普及，以太网技术和应用的也得到了快速的发展，以太网传输速率的提高和交换技术的发展，给解决以太网通信的不确定性问题带来希望，使其从办公自动化领域走向了工业控制领域成为可能。2.2 工业以太网相关技术2.2.1 工业以太网介绍工业以太网即应用于工业自动化控制领域的以太网技术。目前一般定义为在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和安全等方面能满足工业现场需求的以太网7。在工业控制领域采用快速以太网技术，以物美价廉的以太网设备替代控制网络中相对昂贵的专用总线设备是今后的发展趋势。因为与其他现场总线和工业通信网络相比，工业以太网具有以下5大优点8,9,10：(1) 应用广泛以太网技术是目前应用最广泛的局域网技术，受到广泛的技术支持。基于国际标准规范IEEE802.3和TCP/IP协议族的以太网是一种标准的开放式网络，使不同厂商的设备很容易互联，非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题。(2) 与信息网络无缝集成容易由于采用相同的通信协议，工业以太网能轻松实现办公自动化网络和工业控制网络的信息集成，组建一个统一的企业网络。无论用户处于什么地方，也无论设备资源的物理位置在何处，都能通过网络对企业地设备状态和生产过程进行监控，能便捷地访问远程系统、共享数据库等，极大地解除了地理位置上的束缚。(3) 数据传输率高目前快速以太网支持的数据传输速率以达到了百兆、千兆甚至万兆，比目前任何一种现场总线都快。在相同通信量的条件下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着确定性的提高。并且，随着以太网交换技术的快速发展，使任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题。(4) 成本和费用低廉由于以太网的应用最为广泛，受到了许多硬件厂商的高度重视和广泛的支持，具有丰富地软硬件资源，存在多种以太网硬件产品供用户选择。以太网产品的价格与现场总线相比也低廉的多，并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。同时，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发、培训和维护费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。(5) 可持续发展潜力大以太网是目前最为广泛应用的计算机网络，它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术支持。工业控制网络采用以太网技术，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外。并且工业控制网络与信息网络技术相互结合、相互促进，共同发展，可以保证技术上的可持续发展，避免将来在技术升级时的再次投入。虽然工业以太网有着许多的优点，但是我们也不能否认目前将以太网技术直接应用到控制领域仍然有着或多或少的不足和缺陷。首先，最大的障碍是通信的非确定性，存在控制实时性差的问题。其次，缺少统一的应用层协议，导致不同厂家设备之间不能互相操作性。再次，目前的以太网设备不能适应工业现场环境，无法保证可靠性。最后，以太网的安全性较差，会受黑客、病毒等攻击，造成信息的泄漏。但随着工业以太网技术的不断发展和完善，相信这些问题都将逐步得到解决。2.2.2 工业以太网通信原理工业以太网在技术上兼容商业以太网，因此也采用了相同的载波监听多路访问/冲突检测的介质访问方法和物理层规范。(1) 介质访问控制协议CSMA/CDCSMA/CD协议是一种分布式介质访问控制协议，网络中的各个站(节点)都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听网络。如果网络忙，它等待直到网络空闲，否则它就立刻传输。如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧。在传输的同时，节点一定也要监听和监测消息冲突。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送并等待随机长的时间后重新尝试传输。CSMA/CD的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。当网络通信量较小的时候，冲突很少发生，这种介质访问控制方式是快速而有效的。当网络负载较重的时候，就容易出现冲突，网络性能也相应降低。(2) 冲突退避算法在802.3以太网中，当检测到出现冲突，就要重发原来的数据帧。冲突过的数据帧的重发又可能再次引起冲突。为避免这种情况的发生，经常采用错开各站的重发时间的办法来解决，重发时间的控制问题就是冲突退避算法问题。最常用的计算重发时间间隔的算法就是二进制指数退避算法，它是根据冲突的历史次数决定本次应等待的时间。按此算法，当发生冲突时，控制器延迟一个随机的间隔时间，随机时间长度的公式为： (2.1)公式2.1中，A是时间片，时隙长度等于最差情况下数据在介质上来回传输的时间，按IEEE802.3的规定为51.2us，N是连续冲突的次数。整个算法过程可以理解为：每个帧在第一次发生冲突时的最大退避时间为。当重复发生一次冲突，则最大退避时间加倍，然后组织重传数据帧。在10次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片(即1023)上。16次碰撞后，控制器将停止发送并向高层报告发送失败信息。这个算法中等待时间的长短与冲突的次数有关，一个数据帧遭遇的冲突次数越多，则等待时间越长，这说明当前网络传输的数据量比较大，网络的负荷比较重。2.2.3 工业以太网协议体系目前，工业以太网协议有多种，其中最主要有EPA、EtherCAT、Ethernet Powerlink、PROFINET、Modbus-IDA 和Ethernet/IP等6种。根据实时工业以太网扩展的不同技术方案，可以将实时工业以太网通信协议模型分为4类：(1) 基于TCP/ IP 的实时数据交换模型Modbus和Ethernet/IP工业以太网协议是采用在TCP/IP之上进行实时数据交换的模型11。其通信模型如图2.1所示。图 2.1 基于TCP/IP的实时数据交换模型Fig.2.1 Real-Time Data Exchange Module Based on TCP/IP(2) 旁路通信模型PROFINET v2，IDA工业以太网协议采用经优化处理和提供旁路实时通道的通信协议模型11。其通信模型如图2.2所示。图 2.2 旁路通信模型Fig.2.2 Bypass Communication Module(3) 集中调度通信模型EPA，Powerlink，PROFINETv3三种工业以太网协议采用集中调度提高实时性的解决方案11。其通信模型如图2.3所示。图 2.3 集中调度通信模型Fig.2.3 Centralized Dispatching Communication Module(4) “集总帧”通信模型EtherCAT采用类似Interbus现场总线“集总帧”通信方式和在物理层使用总线拓扑结构提升以太网实时性能12。其通信模型如图2.4所示。图 2.4 集总帧通信模型Fig.2.4 Centralized Frame Module但是，它们在本质上仍是基于以太网技术的。对应于国际标准化组织ISO/OSI的通信参考模型，工业以太网协议在物理层和数据链路层均采用了IEEE802.3标准，在网络层和传输层则采用被称为以太网上的“事实上”标准的TCP/IP协议簇(包括 IP、ARP、ICMP、IGMP、TCP、UDP等协议)，它们构成工业以太网的低四层，在高层协议中，工业以太网协议通常忽略掉会话层和表示层，而只定义应用层。其通信协议模型如图2.5所示。图 2.5 工业以太网协议层次结构图13Fig.2.5 The Architecture of Industrial Ethernet Protocol(1) 物理层物理层位于OSI参考模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的物理媒体，为上一层(数据链路层)提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层的传输单位为比特(bit)，即一个二进制位(“0”或“1”)。物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。网络节点的物理层控制网络节点与物理通信通道之间的物理连接。由于物理连接方式和传输媒体的多样性，物理层协议也相当的复杂。物理层协议规定与建立、维持及断开物理信道有关特性，包括机械的、电气的、功能性的和规程性的四个方面。这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节之间正确地收、发比特流信息。以太网在物理介质中采用的是基带传输技术，按照传输速率分成10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10Gbps等标准。在10Mbps网络中按照物理介质的不同又分为10Base5、10Base2、10Base-T、10Base-F，使用了曼彻斯特编码方式。曼彻斯特编码将每个比特时间分成两个相等的时间段。在一个周期的前半段时间电压为高，后半段电压为低，表示“1”。在一个周期的前半段时间电压为低，后半段时间电压为高表示“0”。在100Mbps以太网的国际标准中又被分为100Base-T4、100Base-TX、100Base-FX、100Base-T2四种。100M以太网的物理层编码方式与10M以太网不同。在100Base-TX规范中使用了4B5B编码，即每5个时钟周期作为一组，每组发送4比特。而100Base-T4则使用了比曼彻斯特编码更高级的6B/6T编码方式。(2) 数据链路层数据链路可以理解为数据通道，其本质是将不可靠的传输媒体变成可靠的传输通路，为上一层(网络层)提供透明的、可靠的、无差错的数据传输。由于物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错，因此数据链路层就要完成数据链路的建立、拆除、分离，对数据的差错检查、纠错等基本任务。链路层的数据传输单元是帧(frame)。在IEEE802.3标准中，数据链路层分成了两个子层，一个是逻辑链路控制LLC，另一个是媒体访问控制MAC。IEEE802.3以太网MAC的帧格式如图2.6所示，每帧都以7字节的先导字段开始，每个字节的内容都是10101010。随后是内容为10101011的一个字节长的前同步码，表示帧本身的开始。MAC帧内容由五个字段组成，前两个字段分别为目的地址字段和源地址字段，第三个字段为长度字段，它指出后面的数据字段的字节长度，其值为0-1500，数据字段就是逻辑链路层交下来的逻辑链路帧，最后一个字段为帧校验序列，它对前四个字段进行CRC校验。 图 2.6 IEEE802.3 MAC帧格式13Fig.2.6 IEEE02.3 MAC Frame以太网帧与IEEE802.3的帧格式略有不同。以太网帧的头部共14个字节，其中前12个字节与802.3相同。后面2个字节为类型字段，以太网的帧格式的类型字段定义了后续数据的类型。其中0x0800表示IP数据包，0x0806表示ARP数据帧。(3) 网络层网络层负责相邻计算机之间的通信，主要包括路由选择、中继激活、差错检测与恢复、流量控制、服务选择、网络管理等功能。在TCP/IP协议簇中，网络层协议包括IP协议、ARP协议、RARP协议、ICMP协议以及IGMP协议。IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议，所有数据报的传输都要经过IP协议，以IP数据报格式传输，是通信网络与高层协议的边界。IP协议是一种无连接、不可靠的数据报传输协议。无连接表示IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息，每个数据报的处理是相互独立的。不可靠是指它不能保证IP数据报能正确地到达目的主机，任何要求的可靠性必须由上层来提供。IP协议主要完成数据包的发送和接收。为将数据包传送到目的机器，IP协议需要为每个IP数据包添加目的IP地址并选择路由。ARP(地址解析协议)是一种将IP地址转化为物理地址的协议。ARP并不使用IP的结构，它有自己的结构，直接与数据链路层进行通信。当主机需要把一个IP数据包发送给对方主机时，是根据物理地址来确定目的地址的。这就需要将TCP/IP协议栈使用32位的IP地址，转化成以太网使用48位的物理地址。ARP协议为IP地址到物理地址之间提供动态映射。ARP协议工作时，首先发送一份称作ARP请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机，即在以太网上进行广播。ARP请求中包含目的主机的IP地址，意思是如果你是IP地址的拥有者，请回答你的硬件地址。目的主机的ARP层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在询问它的IP地址，于是发送一个ARP应答。这个应答包含自己IP地址及对应的硬件地址。收到ARP应答后，发送ARP请求的主机就可以发送IP数据报到目的主机了。ICMP意为Internet控制报文协议，用来传递差错与控制报文。ICMP报文封装在IP数据报中通过链路层在网络中进行传输的，与其他高层协议(如UPD、TCP等)相似。ICMP最常用的功能是回显请求PING命令，通过使用回送请求和应答报文来测试网络的可达性。(4) 传输层传输层负责数据在互联网中的传输，为两台主机上的应用进程提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，该层包含了两个互不相同的协议TCP和UDP。TCP即传输控制协议，提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用程序在彼此交换数据前必须先通过3次握手方式建立一个TCP连接，当不在需要交换数据时需要断开连接。TCP协议是一个比较复杂的协议，使用了数据报校验和、数据报确认和超时重传来保证数据的可靠性，接收方需要对每个接收到TCP数据报发送确认，如果发送方在指定的时间内没有接收到接收方的确认，它将重发这个数据段，超过指定的重传次数后，TCP发送方将向应用程序报告发送失败。TCP提供的是字节流服务，它为每一个发送的数