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一、拓撲結(jié)構(gòu)
拓撲是網(wǎng)絡中電纜的布置。眾所周知，EIA-485或 CAN采用總線型拓撲。但在工業(yè)以太
網(wǎng)中，由于普遍使用集線器或交換機，拓撲結(jié)構(gòu)為星型或分散星型。
二 、 接 線
工業(yè)以太網(wǎng)使用的電纜有屏蔽雙絞線（STP）、非屏蔽雙絞線（UTP）、多模或單模光纜。
10Mbps 的速率對雙絞線沒有過高的要求，而在 100Mbps 速率下，推薦使用五類或超五
類線。
光纖鏈接時需要一對，常用的多模光纖波長為 62.5/125μm或 50/125μm。與多模光纖的
內(nèi)芯相比，單模光纖的內(nèi)芯很細，只有 10μm左右。通常，10Mbps 使用多模光纖，100Mbps
下，單模、多模光纖都適用。
三 、 接頭和連接
雙絞線接頭中 RJ-45 較常見，共兩對線，一對用于發(fā)送，另一對用于接收。在媒介相關
接口（MDI）的定義中，這四個信號分別標識為 RD+，RD-，TD+，TD-。
圖－RJ45 接頭及端腳分配
一條通信鏈路由 DTE（數(shù)據(jù)終端設備，如工作站）和 DCE（數(shù)據(jù)通訊設備，如中繼器或
交換機）組成。集線器端口標識為 MDI-X 端口表明 DTE 和DCE 可以使用直通電纜相連。假
如是兩個 DTE 或兩個 DCE 相連？可以采用電纜交叉的方法或直接利用集線器提供的上連端
口（電纜不要交叉）。
光纖接頭有兩種，ST 接頭用于 10Mbps 或 100Mbps；SC 接頭專用于 100Mbps。單模纖通
常使用 SC 接頭。DTE 與 DCE 之間的連接只需依照端口的 TX、RX標識即可。
四 、 工業(yè)以太網(wǎng)與普通商用以太網(wǎng)產(chǎn)品
什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術上，它與 IEEE802.3 兼容，但設計和包裝兼顧工業(yè)和商業(yè)應用
的要求。工業(yè)現(xiàn)場的設計者希望采用市場上可以找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮工業(yè)現(xiàn)
場的特殊要求。首先考慮的是高溫、潮濕、震動。第二看是否能方便地安裝在工業(yè)現(xiàn)場控制
柜內(nèi)。第三是電源要求。許多控制柜內(nèi)提供的電源都是低壓交流或直流。墻裝式電源裝置有
時不能適應。電磁 兼容性（EMC）的要求隨工業(yè)環(huán)境對 EMI（工業(yè)抗干擾）和 ESD（工業(yè)
抗震）要求的不同而變化�，F(xiàn)場的安全標準與辦公室的完全不同。有時需要的是惡劣環(huán)境的
額定值。工廠里采用的可能是工業(yè)控制柜標準而樓宇系統(tǒng)采用的往往是煙霧標準。顯然低價
的商用以太網(wǎng)集線器和交換機無法達到這些要求。
五 、 速度和距離
討論共享型以太網(wǎng)的距離，不能忽略碰撞域（ Collision Domain）的概念。
圖－共享型以太網(wǎng)中的所有設備和聯(lián)線必須在一個碰撞域中
共享型以太網(wǎng)或半雙工以太網(wǎng)的媒體訪問是由載波偵聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）
確定的。在半雙工的通訊方式下，發(fā)送和接收不能同時進行，否則數(shù)據(jù)會發(fā)生碰撞。站點發(fā)
送前，首先要看是否有空閑的信道。發(fā)送時，站點還會在一段時間內(nèi)收聽，確保在這一時間
內(nèi)沒有其它站點在進行同步傳送，最終本站發(fā)送成功。反之，發(fā)生碰撞，源站點發(fā)送阻塞信
號加強碰撞。競爭站點延遲后（延遲時間由算法確定，是隨機的）重試。在這種機制下，所
有站點和所有集線器都必須在同一碰撞域內(nèi)。
對工業(yè)以太網(wǎng)來說，10Mbps 和 100Mbps 是最常用的。在 10Mbps，全部采用雙絞線的以
太網(wǎng)網(wǎng)絡中，與距離有關的概念有兩個，即網(wǎng)段（Segment）和網(wǎng)絡范圍(Network Diameter)。
前者指連接兩個設備（集線器、交換機或主機）的距離，后者指網(wǎng)絡中兩個最遠端設備之間
的距離。不管是 10Mbps 或 100Mbps 的網(wǎng)絡，網(wǎng)段的最遠距離不能超過 100 米。考慮網(wǎng)絡延
伸，最有用的規(guī)則就是 5-4-3 規(guī)則（僅僅針對 10Mbps 中繼器）。規(guī)則的內(nèi)容如下：一個網(wǎng)絡
最多有五個網(wǎng)段，四個中繼器，不多于三個的混合網(wǎng)段。混合網(wǎng)段指的是同軸總線網(wǎng)段（已
淘汰）。由于雙絞線網(wǎng)段的最遠距離是 100 米，最大網(wǎng)絡（網(wǎng)絡范圍）就是 500 米。
光纖網(wǎng)段的最遠距離可達 2 公里，但 IEEE802.3 標準規(guī)定，使用光纖，級聯(lián)數(shù)最多不能
超過 3個，且網(wǎng)絡末端需使用雙絞線，中間的兩個為光纖網(wǎng)段并保證每個網(wǎng)段不超過 1 公里。
這樣，整個光纖網(wǎng)段長度限制在 2 公里。
5-4-3 規(guī)則對 100Mbps 是不適用的。建議使用 100Mbps 交換機。
六 、 集線器和交換機
中繼型集線器（集線器）
集線器是構(gòu)成以太網(wǎng)拓撲的基本設備，為多端口設備，有四、八、十二口等，可級聯(lián)構(gòu)
成分散星型拓撲。
集線器均符合 IEEE802.3 中繼單元要求。這些要求包括前導碼生成、對稱和幅度補償。
中繼器必須對信號再定時，這樣收發(fā)器和電纜引起的信號抖動不會在多網(wǎng)段傳播時累積。這
些設備能偵測出不完整的數(shù)據(jù)包和沖突，并產(chǎn)生一個阻塞信號相作用。它們還會自動隔離有
問題的端口以維持網(wǎng)絡正常工作。
接口轉(zhuǎn)接器
另一系列產(chǎn)品是接口轉(zhuǎn)接器，有時稱為收發(fā)器。它們將一種媒介轉(zhuǎn)為另一種媒介。最重
要的轉(zhuǎn)換是雙絞線至光纖的轉(zhuǎn)換。由于很多集線器沒有光纖端口，接口轉(zhuǎn)接器就是用來支持
網(wǎng)絡中光纖的應用的。這些設備在網(wǎng)絡中是透明。端口不存儲幀也不檢測碰撞，只是將一種
媒介轉(zhuǎn)為另一端兼容的信號。
交換型集線器（交換機）
交換型集線器可以取代中繼型集線器并改善網(wǎng)絡的性能。與物理層設備－中繼型集線器
不同，交換型集線器實際上是連接兩個數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)橋，也就是說碰撞域在每個交換機端口
進行了終結(jié)。所以，增加了交換機就擴展了網(wǎng)絡地理上的范圍，級聯(lián)交換機可以大規(guī)模地實
現(xiàn)網(wǎng)絡擴展
交換機比中繼型集線器復雜。雙絞線端口自動與附屬端口進行速率協(xié)商（10Mbps 還是
100Mbps）。流量控制功能也通過協(xié)商進行。全雙工網(wǎng)段采用 PAUSE 方案，半雙工網(wǎng)段通常
采用 backpressure 方案。交換機讀取一個完整的幀并察看其源地址后就能查出所連以太網(wǎng)設備
的端口位置。交換機隨即產(chǎn)生一張端口地址表格并維護表的內(nèi)容。從這時起，網(wǎng)絡通信僅限
于與本次傳送有關的端口。由于同步的傳送無需任何操作即可在這些端口上實現(xiàn)，網(wǎng)絡的吞
吐量提高了。表的內(nèi)容會根據(jù)連接信息的變化自動刷新。
如果某個端口收到的信息需廣播發(fā)送、群組發(fā)送或發(fā)送地址不詳，交換機會自動把信息
發(fā)至所有端口。
與中繼型集線器不同，這兒有多個碰撞域存在，每個碰撞域必須遵守上述的規(guī)則。
圖－交換機允許多個碰撞域的存在
中繼集線器可以與交換機端口相連。如果網(wǎng)絡中都是交換機，則雙絞線網(wǎng)段保持 100 米，
但級聯(lián)沒有限制。在使用光纖前必須先注明是半、全雙工。
中繼型集線器與交換型集線器的對比
顯然，交換機的性能比集線器提高一些，但集線器的優(yōu)點是，容易理解，在任何一個端
口都可以通過網(wǎng)絡分析儀觀測數(shù)據(jù)通訊。交換機則必須在某個端口實現(xiàn)廣播發(fā)送方能測量。
作為網(wǎng)橋，交換機存儲、轉(zhuǎn)發(fā)整個數(shù)據(jù)幀并引起了數(shù)據(jù)的延遲。集線器接收網(wǎng)絡信號沒有數(shù)
據(jù)延遲。交換機級聯(lián)還增加延時，因此，集線器和交換機在工業(yè)以太網(wǎng)中各有各的應用場合。
七 、 半雙工、全雙工
半雙工意味著同一媒體的發(fā)送和接收是異步進行的。全雙工則相反，有單獨的發(fā)送和接
收通路。全雙工鏈路是擴展快速以太網(wǎng)（100Mbps）的關鍵。全雙工的鏈接網(wǎng)段不能超過兩個
設備，可以是網(wǎng)卡或交換機端口。注意：不是中繼型集線器端口，集線器沒有全雙工模式。
這是因為集線器是碰撞域的一部分，它會加強其它端口接收的碰撞。只有兩塊網(wǎng)卡時可以實
施全雙工通訊，多于兩塊網(wǎng)卡時的全雙工方式，必須考慮交換機。
10BASE-T、10BASE-FL 有單獨的發(fā)送和接收通路，根據(jù)網(wǎng)卡或交換機端口的復雜性，
可以執(zhí)行全雙工。如果這些接口配置在半雙工方式下，接收、發(fā)送的同步偵測會觸發(fā)碰撞的
偵測。同樣的接口設置成全雙工，由于全雙工并不遵從共享型 CSMA/CD 規(guī)則，碰撞檢測會
被禁止。
全雙工鏈接的配置要正確。當站點配置在全雙工方式下，站點或交換型集線器的端口以
忽略 CSMA/CD 協(xié)議的方式發(fā)送幀。如果另一端設置在半雙工方式下，它會偵測出碰撞并引
發(fā)其它問題出現(xiàn)，如 CRC 出錯，網(wǎng)絡的速度下降，快速以太網(wǎng)的優(yōu)勢消失。
如前所述，由于碰撞的原因，100Mbps 下的網(wǎng)絡范圍有所縮小。對于雙絞線網(wǎng)段和交換
端口來說，網(wǎng)段的最長距離是 100米（在碰撞域范圍內(nèi)）。問題是在光纖端口上，對于多模光
美國科動控制公司上海代表處Tel:021-62551335,62552778 ,Fax:021-62552925
纖來說，網(wǎng)段的長度是 2 公里；對于單模光纖來說，是 15 公里。半雙工方式下，受碰撞域限
制，網(wǎng)段距離為 412 米。因此，只有在全雙工模式下（CSMA/CA 被忽略），光纖網(wǎng)段的延伸
才能達到極限。
快速以太網(wǎng)方式下，推薦使用交換機技術�？焖僖蕴W(wǎng)下的光纖端口，建議使用全雙工。
八 、 自動協(xié)商
隨著快速以太網(wǎng)使用廣泛、與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相似的接線規(guī)則，IEEE802.3u 建議自動配置快
速以太網(wǎng),使得傳統(tǒng)以太網(wǎng)端口能與其它快速以太網(wǎng)端口工作。該配置協(xié)議基于 National
Semiconductor’s NWay 標準。雙絞線鏈路自動進行速度匹配，以利于數(shù)據(jù)通訊的進行。該方
案適用于雙絞線鏈接。光纖的情況有所不同。盡管光纖在以太網(wǎng)的發(fā)展歷史中有非常重要的
地位。但兩個光纖設備的速度無法進行自動協(xié)商，這是因為 10BASE-FL 設備工作在 850nm，
100BASE-FX 工作在 1300nm。兩者無法互操作。但是，對于自動協(xié)商協(xié)議而言，兩個光纖設
備間的自協(xié)商是可行的（如果通訊沒有問題的話）。意識到這一點，新推出的 100BASE-SX標
準可以使 850nm光纖在 10Mbps 或 100Mbps 下工作。100Mbps 下網(wǎng)段的距離為 300 米。因此，
安裝時請注意。光纖的速率通常是固定的，不實行協(xié)商。自動協(xié)商協(xié)議在雙絞線鏈路是成功
的。自動協(xié)商的優(yōu)點在于它使用戶無需進行手工設置，完全由設備自身決定各自的技術水準。
級別高低如下：
其中最低的級別是 10BASE-T（半雙工、共享以太網(wǎng)），最高為 1000BASE-T 全雙工。這
是一個完整的優(yōu)先級別方案，但不表示某塊網(wǎng)卡可以處理所有這些技術。實際上，有一些技
術在商業(yè)上并沒有實施，但它們都與 IEEE802.3 標準一致。每個端口檢查各自的技術性能并
確定最終的速率（較低的速率）。例如：如果網(wǎng)卡支持 10BASE-T 而交換機端口能力在
10BASE-T或 10BASE-TX，那么最終選擇的是 10BASE-T。如果一塊網(wǎng)卡是 10BASE-T，而另
一塊 100BASE-TX，兩者因為不兼容而無法通訊。
九 、 傳輸協(xié)議
圖－以太網(wǎng)定義在 OSI 模型的下兩層
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最初設計并沒有涉及一個可靠的端到端的信息傳送。網(wǎng)絡互聯(lián)（兩個網(wǎng)絡互相通訊）的
義務在第三層－網(wǎng)絡層。傳輸和互聯(lián)成為協(xié)議棧的一部分，TCP/IP 和 SPX/IPX 是常用的兩個
協(xié)議。這兩個協(xié)議并不能互相操作，所以以太網(wǎng)節(jié)點須使用兼容的協(xié)議。由于 TCP/IP 在互聯(lián)
網(wǎng)的應用，它成為主要協(xié)議，在工業(yè)網(wǎng)絡也如此。實際上，TCP/IP 是一組 RFC 定義的協(xié)議
（request for comments），有很多年了。除了以太網(wǎng)，TCP/IP 還和別的數(shù)據(jù)鏈路技術工作，它
位于物理層/數(shù)據(jù)鏈路層之上。傳輸層上，有兩個重要的協(xié)議：TCP和UDP。前者對接收的信
息進行確認。兩者都很有用。在協(xié)議棧的上層，有多個有用的應用層協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)使用。
對于用戶來說，編址是個重要的話題。IP協(xié)議負責可能位于不同網(wǎng)絡中站點間數(shù)據(jù)包的路由。
每個站點有唯一的 32 位地址（分別表示網(wǎng)絡地址、主機地址）。地址以點分十進制四字節(jié)表
示。128.8.120.5 是個有效的地址但無法確定何為主機、何為網(wǎng)絡。地址分為五類，地址分為
A~E 類。通過觀察第一字節(jié)即可進行分類。
IP 的分配并不簡單，通常由網(wǎng)管分配。一旦分配好，就必須應用在網(wǎng)絡中的各個站上。
IP 地址分靜態(tài)和動態(tài)分配兩種。動態(tài)分配由服務器進行。靜態(tài)分配由配置進行。下列地址為
私人地址，在路由器上不能分配。因此，它們在互聯(lián)網(wǎng)上沒有應用。
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0~172.31.255.255
192.168.0.0~192.168.255.255
IP地址和以太網(wǎng) MAC 地址是不同的，不能混淆。MAC 地址由設備生產(chǎn)商分配，所以是
全球唯一的。IP地址是安裝時分配并根據(jù)需要進行重分配。
十 、 應用層協(xié)議
確定所用的接頭、電纜，采用集線器還是交換機，分配了 IP，就可以在站點間通訊了。
現(xiàn)在需要考慮 OSI 高層的兼容性。這兒推薦的工業(yè)自動化協(xié)議有 Ethernet/IP、iDA、PROFInet
和 Modbus/TCP。這還不包括傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)應用－FTP、SNMP、SMTP 和 TELNET。用戶手中
的設備可能并不支持這些協(xié)議，所以需要理解自身系統(tǒng)的兼容性。
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