《工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用（微課版）》 課件 第1、2章 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)概述、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)

工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)第1章工業(yè)網(wǎng)絡(luò)概述工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是一種用于連接工業(yè)設(shè)備、傳感器、控制器和計(jì)算機(jī)的通信基礎(chǔ)設(shè)施。它在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中起到關(guān)鍵作用，允許設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、控制和監(jiān)控，從而支持工業(yè)過(guò)程的高效運(yùn)行和管理。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)交換和控制這些網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋各種工業(yè)應(yīng)用，包括制造、能源、物流、交通等領(lǐng)域。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)包括高實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性和適應(yīng)多種通信需求。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以采用不同的通信協(xié)議和技術(shù)，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(zhuān)門(mén)為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的通信協(xié)議。這些網(wǎng)絡(luò)可以用于從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測(cè)到復(fù)雜的控制和協(xié)調(diào)操作。1.1現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線是迅速發(fā)展起來(lái)一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，主要解決智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、分支結(jié)構(gòu)的連接與通信問(wèn)題。工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與“商用以太網(wǎng)”兼容，同時(shí)能夠滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用性、適用性、可靠性、實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性等方面需要的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用，是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后發(fā)展起來(lái)的，最具有發(fā)展前景的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。1.1現(xiàn)場(chǎng)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(gè)世紀(jì)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(zhuǎn)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(dòng)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(shè)備之間的基本通信，但受限于傳輸速率和距離，無(wú)法滿(mǎn)足日益復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化需求。2.工業(yè)總線的出現(xiàn)（1990s）：隨著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的擴(kuò)展，出現(xiàn)了一系列用于實(shí)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(shí)時(shí)性和可靠性，但仍然受限于帶寬和速率1.1現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)3.以太網(wǎng)的引入（1990s-2000s）：為了滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化中對(duì)更高帶寬、更快速率和更廣覆蓋范圍的需求，工業(yè)界開(kāi)始將以太網(wǎng)引入工業(yè)通信領(lǐng)域。最初，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用主要集中在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控領(lǐng)域，如監(jiān)測(cè)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，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(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。這些協(xié)議不僅提供了更高的速率和帶寬，還具備實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性。工業(yè)以太網(wǎng)不斷演進(jìn)，引入了各種實(shí)時(shí)通信和控制協(xié)議，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。5.統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)（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(wèn)題，一些倡導(dǎo)者開(kāi)始提倡將不同協(xié)議整合為更統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)不同設(shè)備的互聯(lián)和通信。1.2現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是20世紀(jì)80年代末期隨著計(jì)算機(jī)、通信、控制和模塊化集成等技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一門(mén)新興技術(shù)。國(guó)際電工委員會(huì)（EC）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義為：現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制裝置之間實(shí)行雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，打通了生產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備之間、控制設(shè)備與更高控制管理層之間的聯(lián)系。目前流行的現(xiàn)場(chǎng)總線已達(dá)40多種，在不同的領(lǐng)域各自發(fā)揮重要的作用。1.2現(xiàn)場(chǎng)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(dāng)?shù)膽?yīng)用層和用戶(hù)層協(xié)議，使以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)真正能應(yīng)用到控制層，延伸至現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)用全然不是同一個(gè)概念當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)按照應(yīng)用領(lǐng)域分為離散制造控制和連續(xù)過(guò)程控制，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分層為設(shè)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(guān)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(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線與之互補(bǔ)，如表所示。工業(yè)以太網(wǎng)互補(bǔ)的設(shè)備層現(xiàn)場(chǎng)總線EtherNet/IPDeviceNet,ControlNetPROFINETPROFIBUSDP,PROFIBUSPAFoundationFieldbusHSEFoundationFieldbusHIIDAIDA,ModbusTCP/IP1.3工業(yè)以太網(wǎng)分布式自動(dòng)化接口IDA（theInterfaceforDistributedAutomation）是一種完全建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范，它將基于Web的實(shí)時(shí)分布式自動(dòng)化環(huán)境與集中的安全體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合，目標(biāo)是創(chuàng)立一個(gè)基于TCP/IP的分散自動(dòng)化的解決方案，涵蓋了自動(dòng)化結(jié)構(gòu)中的所有層次，包括設(shè)備層。1.3工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片，并采用有源星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將一組工業(yè)設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地連接到交換機(jī)，應(yīng)用層則采用工業(yè)界廣泛應(yīng)用的開(kāi)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(guó)際組織提出的基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，它將企業(yè)信息管理層IT技術(shù)和工廠自動(dòng)化相結(jié)合，同時(shí)又完全保留了PROFINET現(xiàn)有的開(kāi)放性。PROFINET支持星形、總線型和環(huán)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。PROFINET提供了大量的工具幫助用戶(hù)方便地安裝工業(yè)電纜和耐用連接器以滿(mǎn)足電磁兼容（EMC）和溫度的要求。PROFINET框架內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化，保證了不同制造商設(shè)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(chǎng)總線基金會(huì)開(kāi)始起草HSE，2003年3月完成了HSE的第一版標(biāo)準(zhǔn)。HSE主要利用現(xiàn)有商用的以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議族，通過(guò)錯(cuò)時(shí)調(diào)度以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，達(dá)到工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控任務(wù)的要求。1.4以太網(wǎng)基礎(chǔ)1.OSI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為了構(gòu)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)世界，1979年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO開(kāi)發(fā)了一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）。OSI模型的目標(biāo)是可以使兩個(gè)系統(tǒng)（如兩臺(tái)計(jì)算機(jī)）之間進(jìn)行相互通信。1.4以太網(wǎng)基礎(chǔ)物理層（第1層）：定義了網(wǎng)絡(luò)中兩點(diǎn)之間發(fā)送信息的介質(zhì)的連接，提供了實(shí)現(xiàn)、維護(hù)和斷開(kāi)物理連接所需的機(jī)械、電氣或光學(xué)實(shí)體。在這一層中最重要的兩個(gè)內(nèi)容是“介質(zhì)”和“信號(hào)”。數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）：定義了在單個(gè)物理鏈路上數(shù)據(jù)幀如何傳輸，提供幀同步、差錯(cuò)檢測(cè)、糾正機(jī)制、流量控制、鏈路管理功能，能夠及時(shí)處理傳輸中的錯(cuò)誤，確保接收方正確接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層（第3層）：定義了數(shù)據(jù)從發(fā)送方經(jīng)過(guò)若干個(gè)中間節(jié)點(diǎn)傳送到接收方的方法。這一層數(shù)據(jù)稱(chēng)為數(shù)據(jù)包，通過(guò)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(wù)。1.4以太網(wǎng)基礎(chǔ)傳輸層（第4層）：負(fù)責(zé)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(huì)話(huà)層（第5層）：定義了網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)應(yīng)用程序之間對(duì)話(huà)（會(huì)話(huà)）的控制方式，以及此類(lèi)會(huì)話(huà)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?yàn)椴煌挠?jì)算機(jī)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(zhuǎn)換，例如從ASCII轉(zhuǎn)換為EBCDIC。應(yīng)用層（第7層）：該層為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用戶(hù)提供服務(wù)。。1.4以太網(wǎng)基礎(chǔ)在OSI模型中，每一層都向發(fā)送方的用戶(hù)數(shù)據(jù)添加一些控制信息，稱(chēng)之為報(bào)頭，接收方的相應(yīng)層再刪除報(bào)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(cè)傳輸錯(cuò)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(chǔ)2.局域網(wǎng)局域網(wǎng)（LAN）是指計(jì)算機(jī)、工作站和外圍設(shè)備之間在非常有限的地理位置區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的通信。對(duì)于公共網(wǎng)絡(luò)，LAN采用稍微不同的方法實(shí)現(xiàn)OSI模型的底層要求。1.4以太網(wǎng)基礎(chǔ)3.以太網(wǎng)以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的基礎(chǔ)，目前局域網(wǎng)協(xié)議還未達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)化。IEEE組織的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，取代了其他局域網(wǎng)技術(shù)如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。1.4以太網(wǎng)基礎(chǔ)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(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而是一個(gè)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(xiě)物理層：通過(guò)介質(zhì)發(fā)送和接收串行位流；檢測(cè)碰撞。填寫(xiě)數(shù)據(jù)鏈路層：MAC介質(zhì)訪問(wèn)控制子層：提供網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)機(jī)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(jí)別的應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)通道。1.4.1物理層多年以來(lái)物理層最重要的實(shí)現(xiàn)有：粗纜以太網(wǎng)（10Base5）、細(xì)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(wú)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?fù)涞母拍钤O(shè)計(jì)的。以太網(wǎng)的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)是粗纜以太網(wǎng)，基于一根黃色粗同軸電纜，也稱(chēng)為10Base5。10Base5以太網(wǎng)的特點(diǎn)：傳輸速率最高10Mbps基帶傳輸最大5x100=500米每段最多連接100個(gè)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(wèn)題是只能采用半雙工通信，總線結(jié)構(gòu)也不理想，為了突破總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)產(chǎn)生了星型拓?fù)?。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有站點(diǎn)都與一個(gè)或多個(gè)中央集線器相連，可以使用雙絞線。通過(guò)這種方式可以方便地?cái)U(kuò)展和檢查網(wǎng)絡(luò)，并有助于錯(cuò)誤檢測(cè)。基于雙絞線的以太網(wǎng)，站點(diǎn)與中央集線器之間最大長(zhǎng)度為100米。每個(gè)站點(diǎn)都必須直接與集線器或交換機(jī)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(dá)100Mbps的速度。電纜由8根電線組成，4對(duì)線組成。在10/100Base-T中僅使用4對(duì)中的2對(duì)：白橙色/橙色、白綠色/綠色?？焖僖蕴W(wǎng)的特點(diǎn)是：以100Mbps的速度傳輸數(shù)據(jù)全雙工通信支持無(wú)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(biāo)數(shù)據(jù)速率為1000Mbps。千兆以太網(wǎng)仍然使用125MHz的100Base-T/Cat5時(shí)鐘速率，為每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（00、01、10和11）編碼兩位，用四個(gè)電壓等級(jí)，達(dá)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(gè)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。這種調(diào)制技術(shù)被稱(chēng)為4D-PAM5，目前使用五種不同的電壓水平。第五個(gè)電壓電平用于誤差機(jī)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(zhǎng)，光纖電纜是一個(gè)很好的選擇。第一種光纖的名稱(chēng)為10BASE-F和100BASE-F。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，始終使用單獨(dú)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(lèi)型。1000BASE-SX和1000BASE-LX。1000Base-SX在多模光纖上使用短波長(zhǎng)光脈沖。1000Base-LX在多?；騿文９饫w上使用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光脈沖。1.4.2數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層將IP數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)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(biāo)記。首部和尾部的一個(gè)重要作用是確定幀的界限。一個(gè)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度等于幀的數(shù)據(jù)部分加上幀的首部和尾部的長(zhǎng)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(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀至少由46個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)字節(jié)和26個(gè)協(xié)議字節(jié)（開(kāi)銷(xiāo)）組成。這個(gè)最小的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)是定義時(shí)隙時(shí)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(gè)字節(jié)56位1和0交替的二進(jìn)制數(shù)序列組成。這些位用于同步，并給每個(gè)在線參與者在實(shí)際數(shù)據(jù)到達(dá)之前觀察總線上活動(dòng)的時(shí)間。SFD幀開(kāi)始分隔符：有固定序列10101011組成是preamble的最后一個(gè)字節(jié)，向接收方指示實(shí)際數(shù)據(jù)正在傳輸。DA目的MAC地址：標(biāo)識(shí)必須接收消息的站點(diǎn)的MAC地址。該字段占用6個(gè)字節(jié)的空間。目的地址可以是單個(gè)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(biāo)識(shí)消息來(lái)源的站點(diǎn)的MAC地址。該字段的長(zhǎng)度為6字節(jié)。TYPE類(lèi)型：EthernetII（DIX標(biāo)準(zhǔn)）和IEEE802.3之間有區(qū)別。對(duì)于EthernetII，類(lèi)型字段是指使用以太網(wǎng)幀發(fā)送數(shù)據(jù)的高級(jí)協(xié)議。Xerox為每個(gè)為以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的協(xié)議分配一個(gè)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(biāo)簽幀（VLAN）。IEEE802.3將類(lèi)型字段定義為長(zhǎng)度字段，以便能夠確定實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。Xerox不使用低于1500的類(lèi)型號(hào)，由于數(shù)據(jù)幀的最大長(zhǎng)度為1500，因此不可能重疊，并且可以同時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)字段是透明的，這意味著這個(gè)字段的內(nèi)容對(duì)于以太網(wǎng)是完全開(kāi)放的。只有長(zhǎng)度必須至少為46字節(jié)，且不超過(guò)1500字節(jié)。PAD填充位：當(dāng)數(shù)據(jù)沒(méi)有達(dá)到最小46字節(jié)長(zhǎng)度時(shí)如果，需要將隨機(jī)數(shù)據(jù)位添加到數(shù)據(jù)中，以滿(mǎn)足最小數(shù)據(jù)長(zhǎng)度要求。FCS校驗(yàn)和：是發(fā)送方創(chuàng)建的4字節(jié)CRC校驗(yàn)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(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)CSMA/CD協(xié)議。該協(xié)議包括3部分內(nèi)容載波監(jiān)聽(tīng)：多個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前，首先監(jiān)聽(tīng)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(tīng)直到信道空閑。多路訪問(wèn)：允許多個(gè)站點(diǎn)以多點(diǎn)接入方式連接在一根信道上，都有訪問(wèn)信道的權(quán)利。沖突檢測(cè)：一個(gè)站點(diǎn)在信道上發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)幀同時(shí)監(jiān)聽(tīng)信道，如果另一個(gè)站點(diǎn)在同一時(shí)間同一信道也發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)幀，則會(huì)檢測(cè)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(diǎn)都會(huì)監(jiān)聽(tīng)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(luò)控制協(xié)議（TCP/IP）是一組工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，設(shè)計(jì)用于在由不同網(wǎng)段組成的大型網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)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(gè)四層簡(jiǎn)化模型主要用于表示TCP/IP協(xié)議族稱(chēng)為T(mén)CP/IP模型，如圖1-9所示。這個(gè)模型的核心是網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，應(yīng)用層描述所有使用TCP/IP協(xié)議的應(yīng)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(luò)控制協(xié)議（TCP/IP）是一組工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，設(shè)計(jì)用于在由不同網(wǎng)段組成的大型網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)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(gè)四層簡(jiǎn)化模型主要用于表示TCP/IP協(xié)議族稱(chēng)為T(mén)CP/IP模型，如圖1-9所示。這個(gè)模型的核心是網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，應(yīng)用層描述所有使用TCP/IP協(xié)議的應(yīng)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(luò)控制協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（TheInternetProtocol，簡(jiǎn)稱(chēng)IP協(xié)議），用于OSI模型的第3層網(wǎng)絡(luò)層，這一層負(fù)責(zé)在不同的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行數(shù)據(jù)包路徑選擇，每個(gè)主機(jī)有32位IP地址標(biāo)識(shí)。它是一種無(wú)連接協(xié)議。當(dāng)發(fā)送不同的IP數(shù)據(jù)包時(shí)，每個(gè)包可以通過(guò)不同的路徑到相同的目標(biāo)主機(jī)，沒(méi)有固定物理連接。封裝成格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包，由一個(gè)報(bào)頭和一個(gè)數(shù)據(jù)字段組成。報(bào)頭由發(fā)送方地址和接收方地址等組成。數(shù)據(jù)包獨(dú)立于硬件，并在傳輸之前在本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(rèn)或糾正機(jī)制。IP報(bào)頭的長(zhǎng)度至少為20字節(jié)。當(dāng)使用可選項(xiàng)字段時(shí)，報(bào)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(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)打包到數(shù)據(jù)字段中，然后添加一個(gè)IP報(bào)頭后生成IP數(shù)據(jù)包，等待數(shù)據(jù)鏈路層行進(jìn)一步處理。1.5TCP/IP協(xié)議當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包太大時(shí)，IPv4將路由器上的這個(gè)數(shù)據(jù)包分較小的數(shù)據(jù)包以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)幀格式。當(dāng)這些數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地時(shí)，IPv4將把這些數(shù)據(jù)包按原始順序重新組合。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包必須被分開(kāi)時(shí)，IPv4完成下面工作：每個(gè)數(shù)據(jù)包都有自己的IP報(bào)頭屬于同一原始消息的所有分割消息都具有原始標(biāo)識(shí)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(wú)連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)。由于使用IP不可靠的分組服務(wù)，TCP必須為不同的應(yīng)用程序提供可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，傳輸可靠性是至關(guān)重要的：系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失、不能復(fù)制和按正確的順序到達(dá)。TCP協(xié)議負(fù)責(zé)在一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)上正確發(fā)送信息，工作在傳輸層。TCP的交換形式稱(chēng)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(yīng)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(gè)TCP報(bào)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(gè)無(wú)連接的傳輸協(xié)議，即UDP（用戶(hù)數(shù)據(jù)協(xié)議）。使用UDP，應(yīng)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(hù)應(yīng)用程序只是一次請(qǐng)求一次回答，就使用UDP，而不必設(shè)置連接。

1.6本章實(shí)訓(xùn)以太網(wǎng)電纜是從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳遞信息的介質(zhì)，是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)件。本小節(jié)以西門(mén)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(shí)訓(xùn)目的：（1）掌握以太網(wǎng)基本原理；（2）掌握西門(mén)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(cè)試方法；2.實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備（1）復(fù)習(xí)本章內(nèi)容；（2）熟悉西門(mén)子四芯“快速連接”工業(yè)以太網(wǎng)線纜；（3）熟悉網(wǎng)絡(luò)測(cè)線儀的使用；1.6本章實(shí)訓(xùn)3.實(shí)訓(xùn)設(shè)備本章實(shí)訓(xùn)所需要的設(shè)備一共有：西門(mén)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(duì)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)做線工具1套，網(wǎng)絡(luò)測(cè)線儀。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：步驟1截取一根100mm長(zhǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)線步驟2線的兩端剝?nèi)?5mm長(zhǎng)外皮，金屬屏蔽網(wǎng)保留5mm長(zhǎng)1.5TCP/IP協(xié)議步驟3打開(kāi)金屬接頭，按照頭內(nèi)線顏色標(biāo)識(shí)把對(duì)應(yīng)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(shí)針時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度完成固定。步驟5將制作完成的ProfiNet線接到線測(cè)試儀上進(jìn)行測(cè)試，1、2、3、6燈亮為正常拓?fù)鋱D制作(MakingTopologyMap)工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)第2章工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2.1.1可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicalController）簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)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(jìn)行編程。實(shí)現(xiàn)了使用同一個(gè)工程軟件對(duì)兩種設(shè)備進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)成本得以顯著降低2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1.SIMATICS7-1200PLC簡(jiǎn)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(qiáng)大，可用于控制各種各樣的設(shè)備以滿(mǎn)足自動(dòng)化需求。①電源接口

②存儲(chǔ)卡插槽（上部保護(hù)蓋下面）

③可拆卸用戶(hù)接線連接器（保護(hù)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(luò)設(shè)備2.SIMATICHMI面板簡(jiǎn)介SIMATICHMI面板是用于實(shí)現(xiàn)高效設(shè)備級(jí)交互的HMI裝置，通過(guò)全面的功能強(qiáng)大且具有創(chuàng)新功能的操作員控制和監(jiān)視設(shè)備，可在十分廣泛的應(yīng)用和領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)備級(jí)HMI解決方案?？梢酝ㄟ^(guò)TIAPortal中的SIMATICWinCC進(jìn)行集成化組態(tài)，用戶(hù)可通過(guò)這種組態(tài)在時(shí)間、成本和工作量上實(shí)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(kāi)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(luò)設(shè)備SIMATICHMI面板具有如下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：（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(shè)計(jì)和操作：可視化成為機(jī)器的顯著特點(diǎn)。（3）明亮的HMI操作面板：適合每種應(yīng)用的適宜操作面板。（4）安全備份：保護(hù)投資和專(zhuān)有技術(shù)，安全操作。（5）快速調(diào)試：大幅節(jié)省測(cè)試和維修時(shí)間。（6）基于PC的開(kāi)放性：適用于靈活、獨(dú)立的應(yīng)用。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可用的基本型HMI面板包含如下類(lèi)型：

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

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

KTP900Basic：9"觸摸屏，帶

8個(gè)可組態(tài)按鍵，分辨率為

800x480，800個(gè)變量

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

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

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

800x400，800個(gè)變量2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2.1.2工業(yè)交換機(jī)工業(yè)交換機(jī)也稱(chēng)為工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，即應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備，由于采用了透明而統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，具有開(kāi)放性好、應(yīng)用廣泛以及價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。工業(yè)交換機(jī)具有電信級(jí)性能特征，可耐受?chē)?yán)苛的工作環(huán)境。產(chǎn)品采用寬溫設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)不低于IP30，支持標(biāo)準(zhǔn)和私有的環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1.第2層工業(yè)交換機(jī)第2層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)具有構(gòu)建第2層網(wǎng)絡(luò)所需要的所有功能。第2層交換機(jī)分兩種，即非網(wǎng)管型第2層交換機(jī)和網(wǎng)管型第2層交換機(jī)。非網(wǎng)管型第2層交換機(jī)，無(wú)需額外組態(tài)，即可集成到第2層網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)管型第2層交換機(jī)，可對(duì)其進(jìn)行配置：它們有IP地址，可以利用該地址針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行配置。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備西門(mén)子SCALANCEX-200網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(cè)）

⑤故障LEDSCALANCEXB-208第2層工業(yè)交換機(jī)包含8個(gè)10/100MbpsRJ-45端口2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備SCALANCEX-200工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)包括類(lèi)型：結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用靈活的SCALANCEXB-200交換機(jī)。結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用的SCALANCEXC-200交換機(jī)（以太網(wǎng)供電，傳輸速率最高可達(dá)10Gbps）。堅(jiān)固耐用且經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)認(rèn)證的SCALANCEXC-200EEC交換機(jī)。SCALANCEXP-200交換機(jī)，無(wú)機(jī)柜安裝（防護(hù)等級(jí)IP65），傳輸速率高達(dá)1Gbps。采用SIMATICET200SP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的扁平SCALANCEXF-200交換機(jī)，可模塊化配備總線適配器

（BA）。SCALANCEX-200RNA（冗余網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)），用于PRP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的冗余HSR。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備第2層工業(yè)交換機(jī)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(shù)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(luò)(Virtualnetworks,VLAN)：要想構(gòu)建節(jié)點(diǎn)數(shù)快速增加的工業(yè)以太網(wǎng)，可以將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)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(gè)端口的數(shù)據(jù)流鏡像到另一個(gè)端口（監(jiān)視端口）。然后可在該監(jiān)視端口對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)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(shí)鐘同步：診斷消息（日志表?xiàng)l目、電子郵件）具有時(shí)間戳。通過(guò)與SNTP/NTP服務(wù)器進(jìn)行同步，本地時(shí)間在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中保持一致，這使得識(shí)別多個(gè)設(shè)備的診斷消息更為輕松。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2.第3層工業(yè)交換機(jī)第3層工業(yè)交換機(jī)具有構(gòu)建第3層網(wǎng)絡(luò)所需要的所有功能，通常用于靈活的連接和構(gòu)建高性能工廠網(wǎng)絡(luò)。

由于具有模塊化設(shè)計(jì)，這些交換機(jī)可滿(mǎn)足相應(yīng)任務(wù)的要求。它們支持IT標(biāo)準(zhǔn)（如VLAN、IGMP、RSTP），可將自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫集成到現(xiàn)有辦公網(wǎng)絡(luò)中。第3層工業(yè)交換機(jī)在實(shí)現(xiàn)第2層交換機(jī)功能的基礎(chǔ)上還具有第3層路由功能，可實(shí)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(shí)現(xiàn)路由功能和路由冗余。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備SCALANCEXM408-8C交換機(jī)具有8個(gè)RJ-45端口，8個(gè)可插拔收發(fā)器插槽，最多支持2個(gè)端口擴(kuò)展器和

1個(gè)功能擴(kuò)展器。①電氣端口

②帶保護(hù)蓋的擴(kuò)展接口

③SFP收發(fā)器的插槽

④用于固定到S7標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌的位置（在設(shè)備的底部）

⑤接地（在設(shè)備背面）

⑥LED指示燈

⑦C-PLUG/KEY-PLUG的插槽

2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3.并行冗余交換機(jī)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)冗余可以增加網(wǎng)絡(luò)可靠性，當(dāng)某一線路出現(xiàn)故障，可以自動(dòng)重構(gòu)恢復(fù)通訊。通常使用HSP冗余協(xié)議的收斂時(shí)間是300ms，使用MRP冗余協(xié)議收斂時(shí)間是200ms，但在一些特殊場(chǎng)合，需要使用無(wú)重構(gòu)時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)。目前，要實(shí)現(xiàn)無(wú)縫冗余涉及兩個(gè)技術(shù)，即并行冗余協(xié)議（PRP）和高可靠性無(wú)縫冗余（HSR），西門(mén)子SCALANCEX-204RNA交換機(jī)就是支持PRP和HSR協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)縫冗余功能的并行冗余交換機(jī)。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1）并行冗余協(xié)議（PRP）PRP使用由標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)組件組成的并行獨(dú)立結(jié)構(gòu)。通過(guò)無(wú)縫冗余模塊（例如SCALANCEX-204RNA），可將不具有PRP功能的節(jié)點(diǎn)或整個(gè)網(wǎng)段連接到PRP網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)SCALANCEX-204RNA后，會(huì)被復(fù)制為兩份，分別通過(guò)兩個(gè)互相獨(dú)立的局域網(wǎng)傳輸，到達(dá)對(duì)方的SCALANCEX-204RNA交換機(jī)時(shí)，它會(huì)將最先到達(dá)的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給目的設(shè)備而丟棄后到達(dá)的數(shù)據(jù)幀。2）高可靠性無(wú)縫冗余（HSR）HSR通信的冗余則是通過(guò)環(huán)網(wǎng)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)SCALANCEX-204RNA，不具有HSR功能的節(jié)點(diǎn)或整個(gè)網(wǎng)段也可以連接到HSR網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)SCALANCEX-204RNA后，會(huì)被復(fù)制為兩份，在環(huán)網(wǎng)中往兩個(gè)方向傳輸，到達(dá)對(duì)方的SCALANCEX-204RNA交換機(jī)時(shí)，它會(huì)將最先到達(dá)的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給目的設(shè)備而丟棄后到達(dá)的數(shù)據(jù)幀。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3）SCALANCEX-204RNA交換機(jī)圖2-5（a）SCALANCEX-204RNA（HSR）

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

有兩個(gè)RJ-45插孔（P1/A和P2/B）用于連接不具備HSR能的終端設(shè)備或網(wǎng)段，另外兩個(gè)RJ-45插孔（HSR1和HSR2）用于連接HSR環(huán)網(wǎng)。作為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)用于將最多兩個(gè)非HSR終端設(shè)備或網(wǎng)段連接至一個(gè)環(huán)形HSR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外，還可以實(shí)現(xiàn)從PRP至HSR網(wǎng)絡(luò)的單一或冗余網(wǎng)關(guān)。SCALANCEX204RNA（PRP）有兩個(gè)RJ-45插孔（P1和P2）用于連接不具備PRP功能的終端設(shè)備或網(wǎng)段，另外兩個(gè)RJ-45插孔（PRPA和PRPB）用于連接PRP網(wǎng)絡(luò)LANA和LANB。

2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(gè)或兩個(gè)以上網(wǎng)絡(luò)的耐用器件，可將信號(hào)僅傳送到所需端口。工業(yè)路由器作為企業(yè)組建網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)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(shì)。1）更高的轉(zhuǎn)發(fā)性能、更高的帶機(jī)量2）更豐富的路由協(xié)議3）工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)更適合長(zhǎng)時(shí)間使用2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2.西門(mén)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(wú)線連接兩大類(lèi)。1）有線連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2）無(wú)線連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)3種常用的無(wú)線工業(yè)路由器：SCALANCEM874-3支持3G（UMTS）數(shù)據(jù)服務(wù)HSPA+（高速分組接入），因此可在下行鏈路中實(shí)現(xiàn)14.4Mbps的傳輸速率，在上行鏈路中實(shí)現(xiàn)5.76Mbps的傳輸速率。SCALANCEM876-4支持4G（LTE–長(zhǎng)期演進(jìn)），因此可在下行鏈路中實(shí)現(xiàn)100Mbps的傳輸速率，在上行鏈路中實(shí)現(xiàn)50Mbps的傳輸速率。SCALANCEMUM856-1支持5G（RoW），因此可在下行鏈路中實(shí)現(xiàn)高達(dá)1000Mbps的傳輸速率，在上行鏈路中實(shí)現(xiàn)高達(dá)500Mbps的傳輸速率2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)的防火墻，是工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全必須配備的設(shè)備，用來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與外部其他網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同業(yè)務(wù)之間的邊界隔離和訪問(wèn)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(diǎn)：（1）工業(yè)防火墻只要求合適的吞吐率，但對(duì)實(shí)時(shí)性的要求卻非常嚴(yán)格。（2）工業(yè)防火墻要求解析和過(guò)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(cè)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)議通信內(nèi)容的深度解析、過(guò)濾、阻斷、報(bào)警、審計(jì)等各類(lèi)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(luò)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(jié)合的防御技術(shù)，既實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)漏洞庫(kù)的黑名單被動(dòng)防御功能，又實(shí)現(xiàn)基于智能機(jī)器學(xué)習(xí)引擎的白名單主動(dòng)防御功能。（5）工業(yè)防火墻一般放置在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，工作環(huán)境惡劣，因此工業(yè)防火墻具有嚴(yán)苛的工業(yè)級(jí)硬件技術(shù)要求，可實(shí)現(xiàn)高可靠性和穩(wěn)定性。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備2.西門(mén)子SCALANCES系列工業(yè)防火墻簡(jiǎn)介西門(mén)子SCALANCES系列是西門(mén)子工業(yè)級(jí)別防火墻，可以為工廠自動(dòng)化提供安全防護(hù)，防止非法訪問(wèn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化系統(tǒng)。（1）防火墻功能：SCALANCES內(nèi)部網(wǎng)段中的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都受到其防火墻保護(hù)。（2）路由器模式（3）IPsec隧道確保通信安全（4）使用RADIUS服務(wù)器進(jìn)行用戶(hù)驗(yàn)證（5）HTTPS：用于Web頁(yè)面的加密傳送，例如在過(guò)程控制中。（6）NTP（安全）：用于安全的時(shí)鐘同步和傳輸。（7）SNMPv3：用于安全傳送網(wǎng)絡(luò)分析信息，使其免受竊聽(tīng)。（8）設(shè)備和網(wǎng)段的保護(hù)：防火墻保護(hù)功能可應(yīng)用于單個(gè)設(shè)備、多個(gè)設(shè)備或整個(gè)網(wǎng)段的運(yùn)行。2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3.西門(mén)子SCALANCES-615工業(yè)防火墻2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的每一臺(tái)設(shè)備都需要通過(guò)地址來(lái)進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，在數(shù)據(jù)鏈路層使用的是MAC地址，而在網(wǎng)絡(luò)層使用的是IP地址。2.2.1MAC地址MAC（MediaAccessControl，介質(zhì)訪問(wèn)控制）地址，也叫物理地址、硬件地址，是IEEE802標(biāo)準(zhǔn)為局域網(wǎng)規(guī)定的一種48位的全球地址，通常用十六進(jìn)制數(shù)表示。形象地說(shuō)，MAC地址就如同我們身份證上的身份證號(hào)碼，具有全球唯一性。2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)1.MAC地址的組成MAC地址是識(shí)別網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件地址，由六個(gè)以十六進(jìn)制表示的字節(jié)組成，中間用連字符“-”或冒號(hào)：分隔2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備MAC地址在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，制造商會(huì)為每個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口都分配一個(gè)MAC地址以進(jìn)行標(biāo)識(shí)。2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)3.交換機(jī)MAC地址表MAC地址對(duì)應(yīng)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(jī)維護(hù)著計(jì)算機(jī)MAC地址和自身端口的數(shù)據(jù)庫(kù)，通常也稱(chēng)為交換表、MAC地址表。交換機(jī)根據(jù)接收數(shù)據(jù)幀中的“源MAC地址”來(lái)建立和維護(hù)MAC地址表；根據(jù)“目的MAC地址”來(lái)決定如何轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。圖2-11交換機(jī)建立MAC地址表和轉(zhuǎn)發(fā)幀的流程2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)1）交換機(jī)建立和維護(hù)MAC地址表開(kāi)始時(shí)交換機(jī)的地址表是空的，交換機(jī)每收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀就會(huì)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(wú)則將該地址加入到地址表中，添加一條記錄（MAC地址接口號(hào)有效時(shí)間）；若有則更新地址表中與該地址對(duì)應(yīng)的端口號(hào)和有效時(shí)間等信息?？紤]到可能有時(shí)要在交換機(jī)的接口更換主機(jī)，或者主機(jī)要更換其網(wǎng)絡(luò)適配器，這就需要更改地址表中的記錄。為此，在交換機(jī)地址表中的每條記錄都設(shè)有一定的有效時(shí)間。過(guò)期的記錄就自動(dòng)被刪除。這種自學(xué)習(xí)方法使得交換機(jī)能夠即插即用，不必人工進(jìn)行配置。2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)2）交換機(jī)根據(jù)MAC地址表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀交換機(jī)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(wú)則會(huì)以泛洪方式將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給除入接口之外的所有接口；若有則進(jìn)一步查看其對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)發(fā)；若相同則無(wú)需轉(zhuǎn)發(fā)而丟棄掉數(shù)據(jù)幀。2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)2.2.2IP地址IP是網(wǎng)絡(luò)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(chēng)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(jìn)制數(shù)組成，用于唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的IP節(jié)點(diǎn)。為便于記憶、書(shū)寫(xiě)與表達(dá)，通常會(huì)使用十進(jìn)制進(jìn)行表示。如圖2-12所示，每8位為一組，將4組二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為4個(gè)十進(jìn)制數(shù)，各數(shù)字間用點(diǎn)分隔，俗稱(chēng)為點(diǎn)分十進(jìn)制表示法。2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)2.IP地址的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)IP地址采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)位和主機(jī)位兩部分組成，如圖2-13所示。網(wǎng)絡(luò)地址表示其屬于互聯(lián)網(wǎng)的哪一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)地址表示其屬于該網(wǎng)絡(luò)中的哪一臺(tái)主機(jī)。主機(jī)部分使用的位數(shù)決定了網(wǎng)絡(luò)中可以容納的主機(jī)數(shù)量。2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)IP地址根據(jù)網(wǎng)絡(luò)號(hào)的不同分為5種類(lèi)型，A類(lèi)地址、B類(lèi)地址、C類(lèi)地址、D類(lèi)地址和E類(lèi)地址。其中較常用的是A類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)地址，如圖2-14所示2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)A類(lèi)地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)占8位，只有7位可供使用（最高位固定為0），A類(lèi)地址可指派的網(wǎng)絡(luò)號(hào)是1-126。A類(lèi)地址的主機(jī)位占24位，因此每一個(gè)A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中的最大主機(jī)數(shù)為224-2，即16777214。B類(lèi)地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)占16位，只有14位可供使用（最高2位固定為10），B類(lèi)地址第一個(gè)8位的網(wǎng)絡(luò)號(hào)是128-191。B類(lèi)地址的主機(jī)位占16位，因此每一個(gè)B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中的最大主機(jī)數(shù)為216-2，即65534。C類(lèi)地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)占24位，只有21位可供使用（最高3位固定為110），A類(lèi)地址第一個(gè)8位的網(wǎng)絡(luò)號(hào)是192-223。C類(lèi)地址的主機(jī)位占8位，因此每一個(gè)C類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中的最大主機(jī)數(shù)為28-2，即254。D類(lèi)地址是多播地址，E類(lèi)地址是保留地址。2.2網(wǎng)絡(luò)地址基礎(chǔ)2.2.3子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)掩碼（subnetmask）又稱(chēng)為地址掩碼，其主要功能就是能夠清晰標(biāo)識(shí)出一個(gè)IP地址中哪些位代表網(wǎng)絡(luò)位、哪些位代表主機(jī)位，從而能夠從IP地址迅速計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)地址。1.子網(wǎng)掩碼的表示方法子網(wǎng)掩碼也是一個(gè)32位的二進(jìn)制數(shù)，由一連串1和接著的一連串0組成，而1的個(gè)數(shù)就是網(wǎng)絡(luò)位的長(zhǎng)度，0的個(gè)數(shù)就是主機(jī)位的長(zhǎng)度。通常也采用點(diǎn)分十進(jìn)制表示法。常用A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)地址默認(rèn)的子網(wǎng)掩碼如圖2-14所示。