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1.3以太网技术
在局域网家族中，以太网是遵守IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。以太网也是当前主要应用的一种局域网（LAN——Local Area Network，局域网）类型。目前的以太网按照传输速率大致分为以下四种：
? 10Base-T以太网——传输介质是同轴电缆，传输速率为10Mbit/s：
? 快速以太网——传输速率为100 Mbit/s，采用光缆或双绞线作为介质，兼容
10Base-T以太网；
? Gigabit 以太网——扩展的以太网协议，传输速率为1G bit/s，采用光缆或双绞线
作为传输介质，基于当前的以太网标准，兼容10 Mbit/s以太网和100 Mbit/s以太网的交换机和路由器设备；
? 10Gigabit以太网——2002年6月发布，是一种速度更快的以太网技术。支持智
能以太网服务，是未来广域网（WAN——Wide Area Network）和城域网（MAN——Metropolitan Area Network）的解决方案。 1.OSI参考模型
通信网络的核心是OSI（OSI——Open System Interconnection,开放系统互连）参考模型。为了理解互联网络的操作方法，为创建和实现网络标准，设备和互联网络规划提供的一个框架。1984年，国际标准化组织（ISO——International Organization for Standardizaion）提供了开放系统互连的七层模型，即OSI模型。给模型自下而上分为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，如图1-1所示。
7 应用层 6 表示层 5 会话层 4 传输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 图1-1 OSI参考模型
OSI参考模型的上三层通常称为应用层，用来处理用户接口、数据格式和应用的访问：下四层负责定义数据的物理传输介质和网络设备。OSI参考模型提供了大多数协议共有的基本框架，如图1-2所示。
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图1-2 数据传输过程
物理层——定义了传输介质、连接器和信号发生器的类型，规定了物理连接的电气、机械功能如电压、传输速率、传输距离等特性。
数据链路层——确定传输站点物理地址以及将消息传送协议栈，提供顺序控制和数据流控制。该层可以继续分为两个子层：介质访问控制层（MAC——Medium Access Control,介质访问控制层）和逻辑链路层（LLC——Logical Link Control（layer）逻辑链路控制（层）），即层2a和2b。其中IEEE802.3（Ethernet，CSMA/CD）就是MACA层常用的通信标准。
网络层——定义设备间通过逻辑地址（IP——Internal Protocol，因特网协议地址）传输数据，连接位于不同广播域的设备，常用组织路由。
传输层——建立互会话连接。分配服务访问点（SAP——Service Access Point，服务访问点），允许数据进行可靠（TCP——Transmission Control Protocol，传输控制协议）或不可靠（UDP——User Datagram Protocol，用户数据报协议）的传输。可以提供通信质量检测服务（QoS——Quality of Service，服务质量）。
会话层——负责建立、管理和终止表示层的实体间通信会话，处理不同设备应用程序间的服务请求和响应。
表示层——提供多种编码用于应用的数据转化服务。
应用层——定义用户及应用程序接口以协议对网络访问的切入点目前各种应用版本较多，很难建立一种统一的标准。在工控领域常用的标准是MMS（多媒体信息服务）（制造业消息规范），用来描述制造业应用的服务和协议。
数据经过封装后通过戒指传输到网络上，接受设备除去附加信息后，将数据上传到上层堆栈层。
2.CSMA/CD技术
在传统共享网络中，由于以太网段中的所有站点采用相同的物理介质相连，这就意味着两台设备间同时发送信号时，就会出现信号间的相互冲突。为了解决这个问题，以太网
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规定，在一个站点访问介质前，他首先必须监听网络上有没有其他的站点在同时是使用该介质。如果介质被使用，则该站点在发送前必须等待。这就是CSMA/CD技术。为了减少冲突发生的几率，出现了一些算法，常用的有：持续CSMA、非持续CSMA、p-持续CSMA。
3.以太网的交换技术
以太网交换机（Switch），也称为交换器、交换式集线器，是为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题而出现的。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术，各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSM/CD机制带来的冲突问题和错误传输，使每个端口独享整个介质带宽，是局域网可以高度扩展。
在一个完整的交换网络中，整个网络只有交换机和通信节点，没有集线器，交换机首先接收节点发来的数据，再将数据转发到另一个冲突。且在交换网络中，通信节点只同交换机做数据交换而相互之间不直接进行数据通信。
交换网络采用全双工的通信方式，股可以认为是无冲突的网络。交换机是利用MAC地址工作在OSI参考模型第二层（数据链路层）的设备，与集线器或其他工作在第一层（物理层）的网络设备相比，交换机有许多优点：
? 连接冲突域/子网
中继器和集线器属于物理层的设备，因而受到冲突域的限制，而交换机可以通过内部交换技术，将各冲突域进行划分和连接，从而将局域网的范围扩展到150km，同时保证每个网络节点享有全部带宽。
? 数据交换
由于采用MAC地址访问技术，本地的数据交换仅被限制在本冲突域内。中继器和集线器是所有的端口共享带宽，而交换机是独享带宽。交换机根据目前的MAC地址表示选择，将数据转发到相关的数据接口，减轻网络负载。
? 错误帧限制
第二层设备可以进行基本的数据包检测，因而错误帧以及错误报告将不再被传送。在一个网段内发生的冲突不会被转发到其他网段，避免“泛洪”和“风暴”。
? 并行通信
交换机可以处理不同网段之间的多个数据包。根据端口数据数量的不同，交换机可以在通信设备之间建立多个临时或者动态的连接，并行进行数据交换。
4.以太网扩展
随着信息量的急剧增长，网络流量也可以超乎想象的速度激增，这就要求网络不断的进行扩展和提高性能，目前千/万兆以太网已经广泛使用，特别是在工作环境趋向与互相协作、通常共享大量数据以及具有集中应用和多任务的场合更是如此。
（1）无线以太网式以太网的逻辑扩展 无线局域网的主要指标是IEEE802.11，该标准又继续延伸出802.22b，802.11a和802.11g标准。目前已被绝大多数无线设备厂商采用，数据速率可达11Mbit/s。IEEE802.11g标准定义速率可达54 Mbit/s，将为新一代无线
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局域网提供更快的数据速率、更远的覆盖距离以及更高的安全性。
多种新型无线设备能够接入企业网和局域网，这扩展了无线以太网解决方案的应用范围。其中包括配置无线网卡的便携式计算机和台式机、带有内建无线网设备的PDA（个人数据子助理）和掌上电脑、互联网接入应用和VOIP电话。
（2）存储区域网络（SAN）和网络连接存储（NAS）两种替代方案的兴起和流行 快速增长的电子邮件和电子商务导致IP网络数据量的剧增。数据流量的增加促使数据存储脱离传统直接连接存储模式（DAS），演变为网络的一种基础设施。SAN和NAS的功能互补为补充。而因特网工程（任务）部（IETF）提出的基于TCP的SCSI（小型计算机系统接口）方案、IETF与（ANSI——美国国家标准协会）共同提出的基于IP的光缆方案、ANSI提出的光纤骨干网方案，以及基于纯IP的存储方案等等各种新兴技术将为网站、服务提供商、企业和其他组织提供一系列高速、低成本、远程存储解决方案。
（3）城域网中的以太网
千兆位以太网向桌面的移植助长了服务器和企业干线对10kM位以太网的需求。10kM位以太网的出现能够满足高速网络的多种关键需求，包括比当前替代技术更低的拥有成本、灵活性、以及与现有以太网络的互操作性。综合所有这些因素，使得10kM位以太网成为城域网（MAN）的最佳选择。在城域网中实现以太网，将把以太网的速度和成本优势与光网络的传输距离和可靠性完美地结合起来。
作为悠久历史的网络技术之一，以太网利用其出色的性价比、灵活性、互操作性提供新的被验证的优势，以及不断涌现的新产品和构建模块，将提供更卓越的性价比特性和优势，必将得到飞速的发展。
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第2章 工业以太网
2.1与传统以太网络的比较
工业网络与传统办公网络相比，有一些不同之处，如表2-1所示。
表2-1 工业网络与传统办公网络的比较
应用场合 办公室网络 普通办公场合 支持线形、环形、星形等结构 一般的实用性需求、允工业网络 工业场合、工况恶劣，抗干扰性要求较高 支持线形、环形、星形等结构，并便于各种结构的组合和转换，简单的安装，最大的灵活性和模块性，高扩展能力 极高的使用性需求，允许网络故障时间<300ms以避免法生产停顿 网络监控成为工厂监控的一部分，网络模块可以被HMI软件如WinCC监控，故障模块容易更换 拓扑结构 可用性 许网络故障时间一秒分钟计 网络监控必须由专业人员使用专业工具完成 网络监控和维护
工业以太网产品的设计制造必须充分考虑并满足工业网络的需求。工业现场对工业以太网产品的要求包括：
? 工业生产现场环境的高温、潮湿、空气污浊以及腐蚀性气体的存在，要求工业级
的产品具有气候环境适应性，并要求耐腐蚀、防尘和防水。
? 工业生产现场的粉尘、易燃易爆和有毒性气体的存在，需要采取防保措施保证安
全生产。
? 工业生产现场的振动、电磁干扰大，工业控制网络必须具有机械性（如耐振动、
耐冲击）、电磁环境适应性或电磁兼容性（EMC）等。
? 工业网络器件的供电，通常是采用柜内低压直流电源标准，大多的工业环境中控
制柜内所需电源为低压24V直流。
? 采用标准导轨安装，安装方便，是用于工业环境安装的要求。工业网络器件要能
方便的安装在工业现场控制柜内，并容易更换。
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