第6章工业以太网通信原理.ppt

电气与自动化工程学院三江学院第六章第六章 工业以太网通信原理工业以太网通信原理现场总线原理及应用6.1概述概述6.2局域网局域网6.3以太网以太网本章的主要内容本章的主要内容6.5工业以太网原理工业以太网原理6.4TCP/IP协议协议 5/21/20242现场总线原理及应用6.3以太网以太网备用备用 以太网是局域网的一种技术规范；以太网是局域网的一种技术规范；它属于数据链路层和物理层范畴；它属于数据链路层和物理层范畴；它定义了数据链路层的数据帧格式，它定义了数据链路层的数据帧格式，以及物理层硬件的传输介质、连接方式、传输速率以及物理层硬件的传输介质、连接方式、传输速率 单独的以太网（无单独的以太网（无TCP/IPTCP/IP协议）采用的是协议）采用的是MACMAC地址进地址进行寻址；行寻址；以太网以太网+TCP/IP协议组合就是今天的互联网，协议组合就是今天的互联网，采用的是采用的是IP地址寻址地址寻址 5/21/20243现场总线原理及应用6.1概述概述6.2局域网及其体系结构局域网及其体系结构6.3以太网以太网6.4TCP/IP模型模型6.5工业以太网原理工业以太网原理6.6实时工业以太网实时工业以太网PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业以太网本章主要介绍工业以太网PROFINET的网络的网络原理。原理。5/21/20244现场总线原理及应用长期以来，以长期以来，以PROFIBUS为代表的现场总线在为代表的现场总线在工业生产中发挥了重要作用。通过现场总线，可工业生产中发挥了重要作用。通过现场总线，可以实现控制器与现场检测单元、执行机构等设备以实现控制器与现场检测单元、执行机构等设备的数据交换；人们无需亲临现场而通过现场总线的数据交换；人们无需亲临现场而通过现场总线网络以及友好的人机界面就可以远程监控现场控网络以及友好的人机界面就可以远程监控现场控制对象的各个参数，在提高了生产效率的同时也制对象的各个参数，在提高了生产效率的同时也降低了人的劳动强度。降低了人的劳动强度。6.1 概述 5/21/20245现场总线原理及应用然而，现代工业对网络化、自动化程度要求越然而，现代工业对网络化、自动化程度要求越来越高，现场总线这类专用实时通信网络具有成来越高，现场总线这类专用实时通信网络具有成本高、速度低和支持应用有限等缺陷，再加上总本高、速度低和支持应用有限等缺陷，再加上总线通信协议的多样性，使得不同总线产品不能互线通信协议的多样性，使得不同总线产品不能互连、互用和互操作等。另外，现场总线网络内的连、互用和互操作等。另外，现场总线网络内的节点数、通信距离以及数据量都受到严格的控制，节点数、通信距离以及数据量都受到严格的控制，导致现场总线只能在小范围内进行组网，因而现导致现场总线只能在小范围内进行组网，因而现场总线工业网络的进一步发展受到了极大的限制。场总线工业网络的进一步发展受到了极大的限制。6.1 概述 5/21/20246现场总线原理及应用随着计算机、通信技术的飞速发展，以往仅仅随着计算机、通信技术的飞速发展，以往仅仅应用在办公环境下的以太网技术逐渐被应用到环应用在办公环境下的以太网技术逐渐被应用到环境恶劣的工业生产中，并逐步发展成工业以太网。境恶劣的工业生产中，并逐步发展成工业以太网。工业以太网采用统一的电气与物理接口以及标准工业以太网采用统一的电气与物理接口以及标准的通信协议，将企业的管理层、车间层以及现场的通信协议，将企业的管理层、车间层以及现场层（包括控制层和执行、检测层）连接到同一个层（包括控制层和执行、检测层）连接到同一个网络中，使企业的管理水平、网络化程度都发生网络中，使企业的管理水平、网络化程度都发生了质的飞跃。了质的飞跃。6.1 概述 5/21/20247现场总线原理及应用Siemens公司公司1998年发布工业以太网白皮书，年发布工业以太网白皮书，并于并于2001年发布其工业以太网的规范，称为年发布其工业以太网的规范，称为PROFINET。它是一种基于工业以太网通信的解。它是一种基于工业以太网通信的解决方案。决方案。PROFINET其实就是工业以太网其实就是工业以太网，用，用于工业自动化领域创新的、开放式的以太网标准于工业自动化领域创新的、开放式的以太网标准（IEC61158）。使用）。使用PROFINET，设备可从现场，设备可从现场级一直连接到管理级。它既可以实现系统范围内级一直连接到管理级。它既可以实现系统范围内的通信，又支持工厂范围内的工程与组态，直到的通信，又支持工厂范围内的工程与组态，直到现场级均支持现场级均支持IT标准。标准。6.1 概述 5/21/20248现场总线原理及应用6.1概述概述6.2局域网及其体系结构局域网及其体系结构6.3以太网以太网6.4TCP/IP模型模型6.5工业以太网原理工业以太网原理6.6实时工业以太网实时工业以太网PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业以太网本章主要介绍工业以太网PROFINET的网的网络原理。络原理。5/21/20249现场总线原理及应用在有限的距离内，将计算机、终端和各种外在有限的距离内，将计算机、终端和各种外部设备用高速传输线路（有线或无线）连接而成部设备用高速传输线路（有线或无线）连接而成的通信网络称为局域网。局域网覆盖的地理范围的通信网络称为局域网。局域网覆盖的地理范围比较有限，但传输速率及可靠性较高，传输的介比较有限，但传输速率及可靠性较高，传输的介质标准化，且各站点之间形成平等关系而不是主质标准化，且各站点之间形成平等关系而不是主从关系。从关系。局域网常采用的传输介质有双绞线、光纤和局域网常采用的传输介质有双绞线、光纤和无线通信信道，主干网通常采用的是光纤，连接无线通信信道，主干网通常采用的是光纤，连接到网络节点的通常采用双绞线和无线通信信道。到网络节点的通常采用双绞线和无线通信信道。6.2 局域网及其体系结构 5/21/202410现场总线原理及应用局域网通常采用的网络拓扑结构有星形、总局域网通常采用的网络拓扑结构有星形、总线型、环形等。目前人们习惯将拓扑结构分为物线型、环形等。目前人们习惯将拓扑结构分为物理和逻辑两类。理和逻辑两类。局域网在通信时必须为其网络内的各个节点局域网在通信时必须为其网络内的各个节点分配站地址。分配站地址的时候可以采用静态和分配站地址。分配站地址的时候可以采用静态和动态分配两种方法。静态分配的地址采用的是动态分配两种方法。静态分配的地址采用的是48位二进制位形式，称为位二进制位形式，称为MAC（MediumAccessControl，介质访问控制）地址。，介质访问控制）地址。MAC地址具有地址具有全球惟一性。而动态分配则是由系统管理员在安全球惟一性。而动态分配则是由系统管理员在安装网络时动态分配给上网的设备（一般为装网络时动态分配给上网的设备（一般为16位）。位）。6.2 局域网及其体系结构 5/21/202411现场总线原理及应用美国电气电子工程师学会（美国电气电子工程师学会（IEEE）于）于1980年年2月成立了局域网标准委员会（简称月成立了局域网标准委员会（简称IEEE802委员委员会），专门从事局域网标准化工作，并制定了会），专门从事局域网标准化工作，并制定了IEEE802标准，其中使用最广泛的有以太网、令标准，其中使用最广泛的有以太网、令牌环、无线局域网等。牌环、无线局域网等。6.2.1 IEEE802模型 5/21/202412现场总线原理及应用6.2.1 IEEE802模型图6-1 IEEE802模型层次图 5/21/202413现场总线原理及应用局域网体系结构是通过一系列协议标准来局域网体系结构是通过一系列协议标准来描述的，这些标准统称为描述的，这些标准统称为IEEE802标准。标准。IEEE802标准包括：标准包括：1）IEEE802.1关于高层局域网协议，包括局域关于高层局域网协议，包括局域网的体系结构、网络互连、管理等网的体系结构、网络互连、管理等2）IEEE802.2关于逻辑链路控制的功能和服务关于逻辑链路控制的功能和服务的内容；的内容；3）IEEE802.3关于关于CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDirect，载波多路，载波多路访问和冲突检测）介质访问控制子层与物理层规访问和冲突检测）介质访问控制子层与物理层规范，主要是以太网采用；范，主要是以太网采用；4）IEEE802.4关于令牌总线介质访问控制子层关于令牌总线介质访问控制子层与物理层规范的内容；与物理层规范的内容；6.2.2 IEEE802标准 5/21/202414现场总线原理及应用6）IEEE802.6关于都会区网（也叫城域网）关于都会区网（也叫城域网）（MetropolitanAreaNetwork，MAN）介质）介质访问控制子层与物理层规范的内容；访问控制子层与物理层规范的内容；7）IEEE802.7关于宽带关于宽带TAG技术；技术；8）IEEE802.8关于光纤关于光纤FDDI技术；技术；9）IEEE802.9关于同步局域网；关于同步局域网；10）IEEE802.10关于局域网网络安全性规范关于局域网网络安全性规范SILS；11）IEEE802.11关于无线局域网技术的内容；关于无线局域网技术的内容；6.2.2 IEEE802标准 5/21/202415现场总线原理及应用12）IEEE802.12关于需求优先级；关于需求优先级；13）IEEE802.13未使用；未使用；14）IEEE802.14关于电缆调制解调器等方面的关于电缆调制解调器等方面的内容；内容；15）IEEE802.15关于无线个人网；关于无线个人网；16）IEEE802.16关于宽带无线接入；关于宽带无线接入；17）IEEE802.17关于可靠个人接入技术。关于可靠个人接入技术。IEEE802.3标准是在以太网（标准是在以太网（Ethernet）规）规范的基础上制定的。该标准详细阐述了以太网技范的基础上制定的。该标准详细阐述了以太网技术的核心内容术的核心内容CSMA/CD通信方式。通信方式。6.2.2 IEEE802标准 5/21/202416现场总线原理及应用IEEE802.3标准定义的载波多路访问和冲突标准定义的载波多路访问和冲突检测（检测（CSMA/CD）通信方式是以太网核心技术。）通信方式是以太网核心技术。载波侦听是指发送节点在发送信息帧之前，载波侦听是指发送节点在发送信息帧之前，必须侦听当前的通信媒体是否空闲；必须侦听当前的通信媒体是否空闲；多路访问，既表示多个节点可以同时访问网多路访问，既表示多个节点可以同时访问网络媒体，也表示一个节点发送的信息可以被多个络媒体，也表示一个节点发送的信息可以被多个节点所接收。节点所接收。冲突检测，是指发送节点在发出信息帧的同冲突检测，是指发送节点在发出信息帧的同时，还必须监听媒体，判断是否发生了冲突。如时，还必须监听媒体，判断是否发生了冲突。如果发生冲突（即其他节点也在发送信息），此时果发生冲突（即其他节点也在发送信息），此时信息在媒体上的重叠将使接收点无法接收正确的信息在媒体上的重叠将使接收点无法接收正确的信息。信息。6.2.3 载波多路访问和冲突检测 5/21/202417现场总线原理及应用1.CSMA/CD的发送与接收的发送与接收CSMA/CD采用的总是线争用技术，其发送采用的总是线争用技术，其发送过程如下：过程如下：1）侦听信道上是否有信号在传输。如果有的话，）侦听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就继续侦听，直到信道空表明信道处于忙状态，就继续侦听，直到信道空闲为止；闲为止；2）若没有监听到任何信号，就传输数据；）若没有监听到任何信号，就传输数据；3）传输的时候继续侦听，如发现冲突则执行退）传输的时候继续侦听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤避算法，随机等待一段时间后，重新执行步骤1）（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会返回）（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会返回到侦听信道状态。注意：每台计算机一次只允许到侦听信道状态。注意：每台计算机一次只允许发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点）发送一个包，一个拥塞序列，以警告所有的节点）；6.2.3 载波多路访问和冲突检测 5/21/202418现场总线原理及应用4）若未发现冲突，则发送）若未发现冲突，则发送成功成功，所有计算，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次机在试图再一次发送数据之前，必须在最近一次发送后等待发送后等待9.6 s（以（以10Mbit/s运行）。运行）。CSMA/CD在接收的时候，每个节点都在监在接收的时候，每个节点都在监听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到MAC帧，实体分析和判断帧中的接收地址；如帧，实体分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址为本节点地址，就保存该信息帧，否果接收地址为本节点地址，就保存该信息帧，否则丢弃该帧。则丢弃该帧。6.2.3 载波多路访问和冲突检测 5/21/202419现场总线原理及应用2.CSMA/CD的特点的特点1）各节点采用竞争的方法抢占对共享媒体的访）各节点采用竞争的方法抢占对共享媒体的访问权利；问权利；2）网络维护方便，增删节点容易；）网络维护方便，增删节点容易；3）如果网络内节点较少（负载轻），节点能够）如果网络内节点较少（负载轻），节点能够及时地访问媒体，实时性相对较高；及时地访问媒体，实时性相对较高；4）如果负载比较重，节点的冲突的机会就会大）如果负载比较重，节点的冲突的机会就会大大增加，通信的实时性就会变得很差。大增加，通信的实时性就会变得很差。CSMA/CD通常被应用在网络变更比较频繁，通常被应用在网络变更比较频繁，节点数较少且实时性要求不高的办公场合。但是，节点数较少且实时性要求不高的办公场合。但是，随着以太网技术的飞速发展，随着以太网技术的飞速发展，CSMA/CD实时性实时性不高的缺点也逐渐被克服，使得以太网技术在局不高的缺点也逐渐被克服，使得以太网技术在局域网乃至互联网都得到了非常广泛的应用。域网乃至互联网都得到了非常广泛的应用。6.2.3 载波多路访问和冲突检测 5/21/202420现场总线原理及应用6.1概述概述6.2局域网及其体系结构局域网及其体系结构6.3以太网以太网6.4TCP/IP模型模型6.5工业以太网原理工业以太网原理6.6实时工业以太网实时工业以太网PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业以太网本章主要介绍工业以太网PROFINET的网的网络原理。络原理。5/21/202421现场总线原理及应用以太网是以以太网是以CSMA/CD方式工作的局域网技方式工作的局域网技术。最初的以太网采用无源传输媒体术。最初的以太网采用无源传输媒体同轴电同轴电缆作为总线传输信息，并以历史上用于表示传播缆作为总线传输信息，并以历史上用于表示传播电磁波的物质电磁波的物质以太（以太（ETHER）来命名。但是）来命名。但是后来，爱因斯坦证明后来，爱因斯坦证明“以太以太”根本就不存在，根本就不存在，但是该名称被一直沿用下来了。但是该名称被一直沿用下来了。20世纪世纪70年代美国年代美国Xerox（施乐）公司、（施乐）公司、Intel公司和公司和DEC公司共同研制开发的一种基带公司共同研制开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，介质局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，介质访问控制（访问控制（MAC）方法采用载波多路访问和冲突）方法采用载波多路访问和冲突检测（检测（CSMA/CD）机制，数据传输速率达到）机制，数据传输速率达到10Mbit/s。6.3 以太网 5/21/202422现场总线原理及应用以太网不是一种具体的网络，而是一种局以太网不是一种具体的网络，而是一种局域网技术规范。它很大程度上取代了其他局域网域网技术规范。它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌总线网（标准，如令牌总线网（TokenBUS）、令牌环网）、令牌环网（TokenRing）、光纤分布式数字接口）、光纤分布式数字接口（FDDI）和）和ARCnet等。以太网的标准拓扑结构等。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为了最大程为总线型拓扑，但目前的快速以太网为了最大程度地减少冲突，最大程度地提高网络速度和使用度地减少冲突，最大程度地提高网络速度和使用效率，使用交换机（效率，使用交换机（Switch）来进行网络连接和）来进行网络连接和组织，这样，以太网的拓扑结构就成了星形。组织，这样，以太网的拓扑结构就成了星形。IEEE802.3定义了以太网（采用定义了以太网（采用CSMA/CD方式）的数据帧结构标准。方式）的数据帧结构标准。6.3 以太网 5/21/202423现场总线原理及应用采用采用CSMA/CD方式工作的以太网帧结构包方式工作的以太网帧结构包括括8个字段，如图个字段，如图6-2所示。所示。6.3.1 以太网的帧结构PSFD DASALDATAPAD PCS图6-2 以太网的帧结构P（Preamble）：占用）：占用7个字节，由交替的个字节，由交替的1和和0（10101010）组成的用于同步的前缀；）组成的用于同步的前缀；SFD（StartFrameDelimiter）：帧起始分）：帧起始分界符，占一个字节，由界符，占一个字节，由10101011构成，用于指构成，用于指明数据帧开始。明数据帧开始。DA（DestinationMACAddesses）：目的）：目的MAC地址，用于指明帧被传送的一个或多个目地址，用于指明帧被传送的一个或多个目的地址的地址 5/21/202424现场总线原理及应用SA（SourceMACAddesses）：源）：源MAC地址，用于指明发送帧的源站点。地址，用于指明发送帧的源站点。L（Length/Type）：数据字段长度，占）：数据字段长度，占2个字节，表明个字节，表明DATA的数据长度。的数据长度。DATA：数据字段，这个字段包括从源站到：数据字段，这个字段包括从源站到目的站传输的数据，最多包含目的站传输的数据，最多包含1500字节。如果字节。如果这个字段小于这个字段小于46字节，那就必须使用下面的字节，那就必须使用下面的“PAD”字段，以使帧的总长度大于字段，以使帧的总长度大于64字节。字节。PAD：填充字段，如果需要，额外的数据字：填充字段，如果需要，额外的数据字节将被附加到这个字段中，以使帧的长度大于节将被附加到这个字段中，以使帧的长度大于64字节（从字节（从DA字段到字段到FCS字段）。字段）。FCS（FrameCheckSequence）：帧校）：帧校验序列，这个字段包括验序列，这个字段包括4个字节的循环冗余校检个字节的循环冗余校检码（码（CRC），用于检查错误），用于检查错误6.3.1 以太网的帧结构 5/21/202425现场总线原理及应用最初的以太网标准定义的最小帧为最初的以太网标准定义的最小帧为64字节，字节，最大帧为最大帧为1518字节。这个数字包含从目的字节。这个数字包含从目的MAC地址字段到校检字段的所有字节，帧前缀和帧起地址字段到校检字段的所有字节，帧前缀和帧起始分界字段不包含在内。始分界字段不包含在内。6.3.1 以太网的帧结构 5/21/202426现场总线原理及应用局域网中，相互连接的计算机和网线布局被局域网中，相互连接的计算机和网线布局被称为网络的拓扑结构。称为网络的拓扑结构。从物理拓扑结构来说，以太网分为两种：总从物理拓扑结构来说，以太网分为两种：总线型和星形以太网。通过中继器（集线器）或网线型和星形以太网。通过中继器（集线器）或网桥（交换机），把各种介质的网段连成一个大的桥（交换机），把各种介质的网段连成一个大的以太网，可以认为是一种树形结构。以太网，可以认为是一种树形结构。从逻辑拓扑结构来看，以太网只有一种，就从逻辑拓扑结构来看，以太网只有一种，就是总线型的。逻辑拓扑结构实质上是一种信号的是总线型的。逻辑拓扑结构实质上是一种信号的拓扑。不管哪种以太网，实际上网络上的站点都拓扑。不管哪种以太网，实际上网络上的站点都是一起享受相同的一条逻辑信道的。就以双绞线是一起享受相同的一条逻辑信道的。就以双绞线的星形介质网来说，某个站点通过双绞线发送信的星形介质网来说，某个站点通过双绞线发送信号到集线器的某个端口上，集线器会把这个信号号到集线器的某个端口上，集线器会把这个信号送到所有的端口上，就能使其他的站点也能侦测送到所有的端口上，就能使其他的站点也能侦测到这个信号。到这个信号。6.3.2 以太网的拓扑结构 5/21/202427现场总线原理及应用1.标准以太网标准以太网2.快速以太网快速以太网3.千兆以太网千兆以太网4.万兆以太网万兆以太网6.3.3 以太网的发展 5/21/202428现场总线原理及应用初期的以太网是一种共享式以太网，它的典初期的以太网是一种共享式以太网，它的典型代表是使用型代表是使用10Base2/10Base5（10Mbit/s，基带传输，基带传输，200/500m）的总线型网络和以集线）的总线型网络和以集线器（器（HUB）为核心的星形网络。共享式以太网不）为核心的星形网络。共享式以太网不易隔离故障点，而且容易造成网络拥塞，降低了易隔离故障点，而且容易造成网络拥塞，降低了网络通信的效率。网络通信的效率。为了解决共享型以太网的问题，于是产生了交为了解决共享型以太网的问题，于是产生了交换型以太网。交换型以太网的特点是使用交换机换型以太网。交换型以太网的特点是使用交换机代替集线器（代替集线器（HUB），交换机可以使多个用户同），交换机可以使多个用户同时使用此网络。这样一来，如果您使用的是时使用此网络。这样一来，如果您使用的是10Mbit/s交换型以太网，则每个用户就可以独自交换型以太网，则每个用户就可以独自享用享用10Mbit/s的传输速率而不用去考虑其他用户的传输速率而不用去考虑其他用户的使用情况，因此网络的实际带宽得到大幅度提的使用情况，因此网络的实际带宽得到大幅度提高，可以实现高速的数据传输。高，可以实现高速的数据传输。6.3.4 交换型以太网 5/21/202429现场总线原理及应用类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互类似传统的桥接器，交换机提供了许多网络互连功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网连功能。交换机能经济地将网络分成小的冲突网域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明域，为每个工作站提供更高的带宽。协议的透明性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装性使得交换机在软件配置简单的情况下直接安装在多协议网络中。交换机使用现有的电缆、中继在多协议网络中。交换机使用现有的电缆、中继器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件器、集线器和工作站的网卡，不必作高层的硬件升级。交换机对工作站是透明的，这样管理开销升级。交换机对工作站是透明的，这样管理开销低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化低廉，简化了网络节点的增加、移动和网络变化的操作。的操作。6.3.4 交换型以太网 5/21/202430现场总线原理及应用6.1概述概述6.2局域网及其体系结构局域网及其体系结构6.3以太网以太网6.4TCP/IP模型模型6.5工业以太网原理工业以太网原理6.6实时工业以太网实时工业以太网PROFINET6.7PROFINETIO6.8PROFINETCBA本章的主要内容本章的主要内容 本章主要介绍工业以太网本章主要介绍工业以太网PROFINET的网的网络原理。络原理。5/21/202431现场总线原理及应用TCP/IP模型并不完全符合模型并不完全符合OSI的的7层参考模层参考模型，而是采用了结构更加简洁的型，而是采用了结构更加简洁的4层网络：网络层网络：网络接口层、互连网络层、传输层和应用层。接口层、互连网络层、传输层和应用层。TCP/IP模型广泛应用于局域网和广域网，模型广泛应用于局域网和广域网，甚至与我们生活非常紧密的因特网（甚至与我们生活非常紧密的因特网（Internet），），TCP/IP更是成为了公认的标准。如今电脑上因更是成为了公认的标准。如今电脑上因特网都要作特网都要作TCP/IP协议设置，显然该协议成了协议设置，显然该协议成了当今当今“人与人人与人”之间的之间的“牵手协议牵手协议”。TCP/IP模型其实只是一种抽象的模型，它是由模型其实只是一种抽象的模型，它是由一组协议簇构成的，其中一组协议簇构成的，其中TCP协议和协议和IP协议是该协议是该协议簇中最核心的两个协议，因此就以这两个协协议簇中最核心的两个协议，因此就以这两个协议命名该模型。议命名该模型。6.4 TCP/IP模型 5/21/202432现场总线原理及应用TCP/IP模型并不完全符合模型并不完全符合OSI的的7层参考模层参考模型，而是采用了结构更加简洁的型，而是采用了结构更加简洁的4层网络：网络层网络：网络接口层、互连网络层、传输层和应用层。接口层、互连网络层、传输层和应用层。TCP/IP模型广泛应用于局域网和广域网，模型广泛应用于局域网和广域网，甚至与我们生活非常紧密的因特网（甚至与我们生活非常紧密的因特网（Internet），），TCP/IP更是成为了公认的标准。如今电脑上因更是成为了公认的标准。如今电脑上因特网都要作特网都要作TCP/IP协议设置，显然该协议成了协议设置，显然该协议成了当今当今“人与人人与人”之间的之间的“牵手协议牵手协议”。TCP/IP模型其实只是一种抽象的模型，它是由模型其实只是一种抽象的模型，它是由一组协议簇构成的，其中一组协议簇构成的，其中TCP协议和协议和IP协议是该协议是该协议簇中最核心的两个协议，因此就以这两个协协议簇中最核心的两个协议，因此就以这两个协议命名该模型。议命名该模型。6.4.1 TCP/IP与OSI/RM参考模型 5/21/202433现场总线原理及应用6.4.1 TCP/IP与OSI/RM参考模型图6-3 TCP/IP分层模型及其协议 5/21/202434现场总线原理及应用从上到下，从上到下，TCP/IP模型中的每一层所承担的模型中的每一层所承担的任务以及所采用的协议分别为：任务以及所采用的协议分别为：1）应用层；）应用层；2）传输层：）传输层：3）互连网络层；）互连网络层；4）网络接口层：）网络接口层：TCP协议和协议和IP协议构成了协议构成了TCP/IP模型的主体。模型的主体。TCP协议应用在传输层，负责信息如何传输，而协议应用在传输层，负责信息如何传输，而IP协议应用在互连网络层，负责将数据发送到目协议应用在互连网络层，负责将数据发送到目的地。在网络接口层，可以采用以太网的地。在网络接口层，可以采用以太网（Ethernet）、令牌环（）、令牌环（TokenRing）、帧中）、帧中继（继（FrameRelay）或者异步传输（）或者异步传输（ATM）等技）等技术来组建。术来组建。6.4.1 TCP/IP与OSI/RM参考模型 5/21/202435现场总线原理及应用1.IP协议概述协议概述IP协议定义在协议定义在TCP/IP模型的第模型的第2层层网络网络层，是层，是Internet最重要的协议。在最重要的协议。在IP协议中规定协议中规定了在了在Internet上进行通信时应遵守的规则，例如上进行通信时应遵守的规则，例如IP数据包的组成、路由器如何将数据包的组成、路由器如何将IP数据包送到目数据包送到目的主机等。的主机等。6.4.2 IP协议 5/21/202436现场总线原理及应用IP协议的作用就是向传输层（协议的作用就是向传输层（TCP层）提供层）提供统一的统一的IP包，即将各种不同类型的包，即将各种不同类型的MAC帧转换帧转换为统一的为统一的IP包，并将包，并将MAC帧的物理地址变换为帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址（全网统一的逻辑地址（IP地址）。这样，这些不地址）。这样，这些不同物理网络同物理网络MAC帧的差异对上层而言就不复存帧的差异对上层而言就不复存在了。正因为这一转换，才实现了不同类型物理在了。正因为这一转换，才实现了不同类型物理网络的互连。网络的互连。IP协议面向无连接，协议面向无连接，IP网中的节点路由器根网中的节点路由器根据每个据每个IP包的包头包的包头IP地址进行寻址，这样同一个地址进行寻址，这样同一个主机发出的属于同一报文的主机发出的属于同一报文的IP包可能会经过不同包可能会经过不同的路径到达目的主机。的路径到达目的主机。6.4.2 IP协议 5/21/202437现场总线原理及应用2.IP协议的功能协议的功能（1）寻址）寻址首先先来了解一下首先先来了解一下TCP/IP网络中用来标识网络网络中用来标识网络以及网络节点的常用的地址。以及网络节点的常用的地址。（a）MAC地址地址介质访问控制（介质访问控制（MediaAccessControl，MAC）地址，。）地址，。（b）网络地址）网络地址一个网络地址可以根据逻辑分配给任意一个网一个网络地址可以根据逻辑分配给任意一个网络设备，所以又叫逻辑地址。络设备，所以又叫逻辑地址。6.4.2 IP协议 5/21/202438现场总线原理及应用IP协议寻址的功能体现在：一方面协议寻址的功能体现在：一方面IP协议要为协议要为网络中的每个节点分配一个能惟一标识网络号和网络中的每个节点分配一个能惟一标识网络号和设备号的逻辑地址，即设备号的逻辑地址，即IP地址；另一方面地址；另一方面IP协议协议在打包数据时，数据包里总会包含通信源地址和在打包数据时，数据包里总会包含通信源地址和目的地址，并利用目的地址，并利用ARP（地址解析协议）实现（地址解析协议）实现IP地址和地址和MAC地址的转换，以便寻址到目的地址。地址的转换，以便寻址到目的地址。6.4.2 IP协议 5/21/202439现场总线原理及应用（2）路由）路由IP数据报在传输过程中，每个中间节点（数据报在传输过程中，每个中间节点（IP网关等）还需要为其选择从源主机到目的主机的网关等）还需要为其选择从源主机到目的主机的合适的转发路径，即路由。合适的转发路径，即路由。路由选择是以单个路由选择是以单个IP数据包为基础的，概括数据包为基础的，概括而言是确定某个而言是确定某个IP数据包到达目的主机需经过哪数据包到达目的主机需经过哪些路由器。路由选择可以由源主机决定，也可以些路由器。路由选择可以由源主机决定，也可以由由IP数据包所途经的路由器决定。数据包所途经的路由器决定。6.4.2 IP协议 5/21/202440现场总线原理及应用（3）分段与组装）分段与组装IP数据包在实际传送过程中所经过的物理数据包在实际传送过程中所经过的物理网络帧的最大长度可能不同，当长网络帧的最大长度可能不同，当长IP数据包需通数据包需通过短帧子网时，需对过短帧子网时，需对IP数据包进行分段与组装。数据包进行分段与组装。IP协议实现分段与组装的方法是给每个协议实现分段与组装的方法是给每个IP数数据包分配一个惟一的标志符，且报头部分还有与据包分配一个惟一的标志符，且报头部分还有与分段与组装相关的分段标记和位移。分段与组装相关的分段标记和位移。IP数据包在数据包在分段时，每一段需包含原有的标志符。为了提高分段时，每一段需包含原有的标志符。为了提高效率、减轻路由器的负担，重新组装工作由目的效率、减轻路由器的负担，重新组装工作由目的主机来完成。主机来完成。6.4.2 IP协议 5/21/202441现场总线原理及应用3.IP地址及其分类地址及其分类在在Internet上连接的所有计算机，从大型机上连接的所有计算机，从大型机到微型计算机都是以独立的身份出现的，我们称到微型计算机都是以独立的身份出现的，我们称它为主机。为了实现各主机间的通信，每台主机它为主机。为了实现各主机间的通信，每台主机都必须有一个惟一的网络地址。就好像每一个住都必须有一个惟一的网络地址。就好像每一个住宅都有惟一的门牌一样，才不至于在传输资料时宅都有惟一的门牌一样，才不至于在传输资料时出现混乱。出现混乱。大家都知道，互联网是由许多小型网络构成，大家都知道，互联网是由许多小型网络构成，每个网络上是由成千上万台计算机互相连接而成每个网络上是由成千上万台计算机互相连接而成的。而我们要确认网络上的每一台计算机，靠的的。而我们要确认网络上的每一台计算机，靠的就是能惟一标识该计算机的网络地址，这个地址就是能惟一标识该计算机的网络地址，这个地址就是就是IP（InternetProtocol）地址。）地址。6.4.2 IP协议 5/21/202442现场总线原理及应用目前，目前，IP地址采用的是地址采用的是32位二进制数来表位二进制数来表示。为了便于记忆，人们将它们分为示。为了便于记忆，人们将它们分为4组，分别组，分别用用4个字节来表示，每字节个字节来表示，每字节8位，并由小数点分开。位，并由小数点分开。用点分开的每个字节的数值范围是用点分开的每个字节的数值范围是0255，如，如192.168.0.111，这种书写方法叫做点数表示法。，这种书写方法叫做点数表示法。IP地址在设计时考虑到地址分配的层次特点，地址在设计时考虑到地址分配的层次特点，将每个将每个IP地址都分割成网络号和主机号两部分。地址都分割成网络号和主机号两部分。为了有效地利用为了有效地利用IP资源以及清楚地区分主机及其资源以及清楚地区分主机及其所在的网络，通常采用一组被称作子网掩码的所在的网络，通常采用一组被称作子网掩码的32位二进制数和位二进制数和IP地址配合使用。地址配合使用。6.4.2 IP协议 5/21/202443现场总线原理及应用根据网络规模的大小，一般将根据网络规模的大小，一般将IP地址分为地址分为A、B、C、D、E五类，并通过三种默认的子网掩码五类，并通过三种默认的子网掩码来区分各个子网的网络号和子网内的主机号。来区分各个子网的网络号和子网内的主机号。（1）A类地址类地址A类地址的表示范围为类地址的表示范围为10.0.0.0126.355.255.255，子网掩码为，子网掩码为255.0.0.0。A类地址分配给规模特别大的网络使类地址分配给规模特别大的网络使用。用。（2）B类地址类地址B类地址的表示范围为类地址的表示范围为128.0.0.0191.255.255.255，子网掩码为，子网掩码为255.255.0.0。B类地址分配给一般的中型网络。类地址分配给一般的中型网络。6.4.2 IP协议 5/21/202444现场总线原理及应用（3）C类地址：类地址：C类地址的表示范围为类地址的表示范围为192.0.0.0223.255.255.255，子网掩码为，子网掩码为255.255.255.0。C类地址分配给小型网络，如一类地址分配给小型网络，如一般的局域网，它可连接的主机数量是最少的，采般的局域网，它可连接的主机数量是最少的，采用把所属的用户分为若干的网段进行管理。用把所属的用户分为若干的网段进行管理。C类类网络用前三组数字表示网络的地址，最后一组数网络用前三组数字表示网络的地址，最后一组数字作为网络上的主机地址。字作为网络上的主机地址。（4）D类地址：类地址：D类地址以类地址以“1110”开始，第一开始，第一个字节的数字范围为个字节的数字范围为224239，是多点播送地，是多点播送地址址（5）E类地址类地址：以：以“11110”开始，即第一段数开始，即第一段数字范围为字范围为240254。E类地址保留，仅作实验和类地址保留，仅作实验和开发用。开发用。6.4.2 IP协议 5/21/202445现场总线原理及应用在上述地址分类中留出了在上述地址分类中留出了3块块IP地址空间（地址空间（1个个A类地址段，类地址段，16个个B类地址段，类地址段，256个个C类地址类地址段）作为私有的内部使用的地址。在这个范围内段）作为私有的内部使用的地址。在这个范围内的的IP地址不能被路由到。这地址不能被路由到。这3块地