Posted on 2010-12-16 10:49
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通信产品--相关知识
快速以太网
以太网与快速以太网的比较
快速以太网与以太网非常相似，快速以太网标准基于经典以太网标准（10 Base T）而建立，但传输速率由10Mbps提高到100Mbps。
快速以太网的优点在于： 现存的以太网技术可以被进一步的应用。对于初次使用快速以太网的用户来说，不需要花费时间去学习新的知识。新的快速以太网技术可以直接使用且很快的掌握。
以太网与快速以太网的共同特点：
数据格式：
最短长度：64字节
最大长度：1518字节
地址区长度：48字节
访问协议：CSMA/CD
传输介质：除同轴电缆外其他相同
通过中继器可以扩展网络。
不同点：
两种网络的差别在于快速以太网具有更高的传输速率。
快速以太网的扩展能力明显小于10Mbps的经典以太网网络。为了保证CSMS/CD的有效性，从一个节点到另一节点的数据包传输时间被严格限制。传输时间取决于传输速率，以及被扩展的网络段。10Mbps以太网的最大长度为4520m，快速以太网为412m。当使用双绞线作为传输介质时，快速以太网的最大扩展距离为205m。如果使用光纤的话，可以达到320m，不过这也取决于采用什么样的拓扑方式。而10Base T经典以太网的拓展扩展距离可以达到500m。
快速以太网不支持同轴电缆。
快速以太网支持以下传输介质：
·100Base T4 支持第3，4，5类4对双绞线
·100Base TX2 支持第5类2对双绞线
·100Base FX 支持62.5/125µm两芯光纤
而经典以太网可以使用双绞线，光纤以及同轴电缆。
快速以太网的网络设计不同于经典以太网：
在经典以太网中，或多或少要用到中继器，在两个节点点不超过4个中继器。快速以太网网络中最多只能使用2个中继器。而中继器包括两种类型。
第一类中继器：
这类中继器支持100BaseFX，100BaseT4和100BaseTX（支持光线和不同类型的双绞线）。在一个网络中（一个冲突区域）只能有一个第一类的中继器。
第二类中继器：
这类中继器只支持100BaseTX和100BaseFX（支持光纤和第5类双绞线）。在一个网络中（一个冲突区域）可以使用两个第二类中继器。两个中继器之间的连接线路可以达到5m。
信号传输标准：
尽管经典以太网也支持第3，4，5类双绞线传输信号，但是快速以太网的100BaseT4和100BaseTX所采用的信号传输标准不相同，也不同于10BaseT。也就是说10BaseT与100BaseT4和100BaseTX相互不兼容。如果选用双绞线通讯，要保证终端设备接口相同。若选用光纤，经典以太网和快速以太网的信号传输标准也是不同的。快速以太网具有自动检测功能可以与经典以太网设备进行通讯。
SIMAITIC NET具有下列特性：
·100 Base TX 工业双绞线链接
·100 Base FX 光纤链接
经典以太网 快速以太网
IEEE标准 802.3 802.3u
数据速率 10Mbps 100Mbps
传输1位的时间 100ns 10ns
协议 CSMA/CD CSMA/CD
最大数据包 1518字节 1518字节
最小数据包 64字节 64字节
地址长度 48字节 48字节
拓扑结构 总线，星，树 总线，树
传输介质 双绞线，光线，同轴电缆 双绞线，光纤
最大网络扩展长度 4520m 412m
最大TP长度 100m 100m
最大FO长度HDX 2000m 412m（点对点）
最大FO长度FDX 2000m 2000m
最大网络扩展长度取决于信号传输时间。根据所使用的网络主动设备数量，扩展长度会相应减少。
传输介质
100Base TX描述的是第5类2对双绞线以100Mbps速率传输数据。第五类电缆适用于最大频率为100MHZ的场合。而相应的接口也要符合第五类电缆的需求，可以使用10BaseT支持的RJ45连接器以及D9连接器。SIMATIC NET工业双绞线和接口也可使用超5类电缆。
100Base T4描述的是第3，4，5类4对双绞线以100Mbp速率传输数据。其中3对双绞线用于传输数据，另一对负责传送冲突消息。
第3类双绞线在10BaseT网络中也可传输高达10Mbps的数据。与第5类相比，第3类电缆更加便宜，但由于自身特性原因，在欧洲并没有广泛应用。第4类电缆用于令牌网络，最高可用于20MHZ的场合中。目前100BaseTX是快速以太网的最高标准，100Base T4则无法用于全双工场合。
100Base FX描述的是2芯62.5/125µm光纤可达到100Mbps传输速率。在半双工模式下，光纤最大长度达到412m。如果连接交换机或路由器，全双工模式下长度甚至达到了2000m。
设计规则
快速以太网的设计规则主要为以下四个方面：
1． 双绞线连接
双绞线连接最长距离可达100m（包括终端设备/中继器或中继器/交换机）。
2． 中继器：
在两个节点间，只能使用1个第一类中继器，而第二类中继器最多可以使用2个。在两个中继器间的连接线最长不能超过5m。
3． 全双工连接
全双工连接（比如交换机/交换机连接）线路最长可达2000m。
4． 光纤连接
最长距离由中继器和所用的拓扑结构决定。中继器配置如下：
上图中的Node代表任意的终端设备，网桥/交换机或者路由器。
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A
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B
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中继器
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A端最大长度
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B端最大长度
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第5类双绞线
|
第5类双绞线
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第1/2类
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100
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100
|
|
第5类双绞线
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光纤
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第1类
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100
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160
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|
光纤
|
光纤
|
第1类
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136
|
136
|
|
第5类双绞线
|
光纤
|
第2类
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100
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208
|
|
光纤
|
光纤
|
第2类
|
160
|
160
|
第2 类中继器配置：
上图中的Node代表任意的终端设备，网桥/交换机或者路由器。
C代表双绞线，最大长度5m。
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A
|
B
|
中继器
|
A端最大长度
|
B端最大长度
|
|
第5类双绞线
|
第5类双绞线
|
第2类
|
100
|
100
|
|
第5类双绞线
|
光纤
|
第2类
|
100
|
116
|
|
光纤
|
光纤
|
第2类
|
114
|
114
|
全双工/半双工
全双工（FDX）与半双工（HDX）相比，可以让通讯参与的双方同时传送和接收数据。当使用FDX时，通讯活动的参与者无法自动的检测到冲突是否发生。
全
双工和半双工这两个名字来源于串口数据通讯技术。它们描述的是点对点连接的类型和方式。全双工并不是一种网络拓扑结构，它在以太网，快速以太网以及点对点
通信中应用，但不一定在整个网络中全都使用全双工模式，只需在某些节点间使用，比如全双工模式连接中继器和交换机或是连接两个交换机。
全双工模式中，传输介质将信道分割，使用两个不同的路径来发送或接收数据。这就要求节点不仅能支持全双工模式，还要将信道分割成发送和接收两条路径。而光纤和双绞线恰恰能满足这些要求。
在使用光纤时，可以用两条光纤分别作为发送和接收通道。使用双绞线时，同样是靠两对双绞线分别作为发送和接收通道。
对于半双工模式来说，发送方和接收方使用相同的物理传输介质。在任何时刻，只有一方可以发送数据，另一方只能接受数据。通讯双方交替利用介质传输数据。
经典的同轴电缆是典型的半双工模式的传输介质。但是，双绞线和光纤一样可以支持半双工模式。
快速以太网明确规定要使用全双工模式。但是全双工模式不能支持100Base T4。同轴电缆不能支持全双工模式。
全双工和并行通讯
全双工模式具有两个决定性的优点：
由于在全双工模式中不存在冲突，数据传输速率与网络的额定速率来说要提高一倍，经典以太网可以达到20Mbps，快速以太网可以达到200Mbps。
全双工也可以使网络扩展能力得到增强。如果使用光线作为传输介质的话，在100Base FX标准下，62.5/125mm的光线最大长度可以达到200mm。
如果在工业环境下，尤其是较大型的环境中，这个距离可能会显得有些短，但是为了保证数据发送和接收装置具有很高的执行能力，可以选用OSM（光学交换机模块），可以使通讯双方的距离达到3000m。
以太网交换机
以太网交换机根据数据包中的地址信息，将数据包直接从输入端口直接转送到输出端口。交换机是在网桥基础上设计而成，但与网桥相比，交换机可以同时传送多个数据包。交换机具有下列功能：
连接冲突区域和子网：
由于中继器和集线器在物理层中工作，他们的扩展性受到冲突区域的限制。交换机用于连接多个冲突区域，因此它们不受中继器网络的数量限制。交换机可以被允许建立大型网络，最大范围可达到150KM，甚至更大。但是由于网络范围增加，必须考虑到数据包传输时会有延时。
网络分隔：
使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。
冲突诊断：
交换机通过检查数据包的校验位，可以检测出数据是否准确，如果有误，交换机可以保证数据包不会被传输。这样，发生在一个区域中的冲突不会影响到其它区域。
并行通讯：交换机能够在不同网络段或节点间，同时处理多路数据。根据交换机接口数量的不同，它可以在不同网络段或终端设备间建立临时和动态的多路通讯路径。但是数据吞吐量会增加很多，因此要考虑到网络的处理能力。
大型网络中，主要有以下三种技术：
·100Mbps
·交换机
·全双工模式
自动协商
自动协商是快速以太网的一种配置协议。指两个节点在传送第一个数据包之前，可以相互谈判来确定谁先发出数据。谈判结束后，由优先级更高的一个节点首先传输数据。整个系统的优先级为：
·100Base TX 或 100Base FX 全双工模式
·100Base T4 半双工
·100Base TX 半双工
·100Base T 全双工
·100Base T 半双工
为了保证得到准确的配置，也可以取消自动协商的功能。但自动协商的最大优点在于可以保证整个以太网中所有装置无故障。经典以太网没有自动协商功能，该功能只在快速以太网中存在。
自动检测
自动检测指各网络节点能够自动地检测到数据传输速率（10Mbps或100Mbps），并且还具有自动协商的功能。
生成树协议
在IEEE 802.1（d）标准中，生成树表示以太网结构由网桥和交换机连接而成。这样可以使数据包在网络中循环流通，从而使整个网络成为一个有机体。网桥/交换机通过使用生成树协议而相互连接起来，但是该协议非常复杂。在该协议下生成的网络结构也依赖于所使用的交换机数量，以及拓扑结构。通常情况下，系统根据协议建立起来的底层结构大概要花费30秒左右的时间，这在办公环境下或许可以接受，但对可视化或过程控制中无法满足实际要求。
在工业通讯中，系统响应时间要比办公环境下小很多，为了满足这种快速响应的要求，通常使用SIMATIC NET来对整个过程进行控制冗余的处理。因此要保证重新建立一个有效的网络基础结构，所需时间一定要小于0.3秒。
SIMATIC NET高速冗余：
工业中的通讯要求与办公环境有着天壤之别。要考虑到通讯中的每一方面，比如网络中的主动和被动元件，终端设备，网络设计和拓扑结构，甚至环境要求等因素。而且在制造和控制自动化行业中还要使用TCP/IP协议。从而能够优化工业通讯。工业以太网的基本思想就是通过开发现存的网络标准，使各装置和整个系统适应现场环境的需求。
所谓主动元件，主要指如OLM，ELM，OSM，ESM等元件，它们连接不同的终端设备，不仅传送数据，还具有更多的智能功能。而被动元件是同轴电缆，双绞线和光纤这样的传输介质，它们只能对数据进行传送，不具有判定，分析的功能。
标准
工业以太网机遇相应的国际标准，比如IEEE802.3 ，ISO/IEC 11801，EN 50173，
并结合了各标准中的优点。通常情况下，在工业以太网和经典以太网间各元件不存在相互影响的状况。但在犹如生产和过程控制环境下，不得不考虑设备兼容的问
题，因为工业以太网与经典以太网还是有不同之处，比如工业双绞线的连接，冗余要求等。除了标准有所不同外，工业以太网还在一些功能上有自己的特点，也是经
典以太网不能提供的功能。
环境要求
环境要求在工业场合与办公环境有很大差异。工业中必须符合EMC标准。工业与办公环境的要求主要是以下方面：
·EMC（电磁干扰的敏感性；干扰信号的传输）
·温度
·振动
·湿度
·环境污染
工业以太网就要求有很高的传输效率和很强的抗干扰能力，甚至要满足恶劣条件下的各种要求。
机架
工业以太网一定要使用全金属机架。作为一条法则，要使用符合DIN标准的导轨，控制箱等设备，而且还要满足空间尺寸的要求，以及设备所能承受的振动防护要求。
温度范围
传送的网络设备的温度范围在0到40摄氏度。但在工业环境下，要保证设备能够承受低温和高温，通常工作环境的温度会超过50摄氏度，所以工业以太网的设备温度范围在0到60摄氏度之间。
D型/RJ45连接方式
D型连接方式在工业中已经成功地应用了很多年，包括现场总线PROFIBUS，而在工业以太网中也使用这种连接器。D型连接器与经常在办公环境中使用的RJ45相比，更适合在工业中使用，因为D型连接器工作更加稳定，适应性强，可支持的传输距离也更长。
双绞线（TP）和工业双绞线（ITP）
EN50173（ISO/IEC11801）是第一个关于双绞线的标准。该标准定义了从主动网络设备（星型设配器，交换机）如何与终端设备（PC）进行连接，也说明了双绞线的允许长度。
由上图可以看出，标准规定了各段电缆的长度。RJ45连接器的接头很窄，只能连接截面通径很小的导线，才能插入到接口中。这种接法屏蔽方式太简单，会产生很高的信号噪声。Installation Line必须有较好的屏蔽层，大通径导线的信号噪声要小得多，但是无法安装在RJ45接口中。因此一种名为Patch Panel的设备被设计出来。它专门用于连接大通径导线，从而确保传送线上很低的噪声。标准规定在两个终端设备间的接线最长为100m。Installation cable与其它电缆相比，具有更好的屏蔽特性，长度可以达到90m。
工业双绞线的有以下两个特点：
工业双绞线具有特殊的屏蔽设计：每对电缆都有铝箔屏蔽层；且两对电缆分别以辩状双绞。
D型口连接
双绞线用于节点连接：
工业双绞线与全金属D型口一起使用，可以达到最好的屏蔽效果。下图说明了与其它接线系统相比，选用工业双绞线与D型口的好处，它们可以对现场环境的电压做出自适应，将干扰电压抑制在最小范围内。
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干扰电压
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标准S/STP双绞线
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工业双绞线
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-2KV
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119
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0
|
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+2KV
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2
|
0
|
|
-4KV
|
617
|
12
|
|
+4KV
|
247
|
0
|
随着数据包错误数量的增加，会降低网络的有效性。在CSMA/CD协议中，即使出现数据包错误，网络的通讯不会停止。但是，通讯的质量大大下降。比如，不能保证每一次对警报信号的响应都有效！
为了保证网络的有效性，请注意下列要求：
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|
ITP（D型口）
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TP（RJ45）
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电缆
|
·标准ITP电缆，带屏蔽
·最长100m点对点距离
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·TP电缆
·最长10m点对点距离
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应用场合
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可以用以楼宇或EMC要求很高的场合
·生产控制
·过程控制
·控制室
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洁净的室内或EMC要求低的场合
·控制室
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用法
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控制柜内或外部
·终端设备连接
·连接网络设备
|
控制柜内
·终端设备连接
·连接网络设备
|
双绞线/工业双绞线示意图：
距离
上述内容已经详细介绍了双绞线技术。工业双绞线允许两个节点的传输距离达到100m，并且带有屏蔽保护层，而传统的双绞线只能达到10m的距离，而且屏蔽技术很落后。
使用光电元件时，要考虑到光纤的类型和所使用的接口，参看下图：
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元件
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光纤
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距离
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OLM DIN 星型连接
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多模62.5/125µm
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3100m
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OSM DIN 交换机
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多模62.5/125µm
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3000m
|
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OSM-LD DIN 交换机
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单模9/125µm
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40km
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可用性
在任何一个自动化系统中，通讯都是非常重要的一个环节。在制造自动化和过程控制中，必须要保证通讯的无故障化。网络或通讯中的故障可能导致整个系统的瘫痪。系统中断必然会引起很高的成本开销。因此，要尽量避免通讯和网络故障。
SIMATIC NET工业以太网具有下列特点，可以满足上述要求：
·满足EN50082-2标准中所要求的对干扰的免疫性
·可以对网络中的元件提供24VDC冗余
·可以检测信号错误
·可为低水平工业进行扩展
·满足EMC条件
·冗余网络结构
冗余网络结构可保证网络底层的工作稳定性，即使网络发生了错误。在自动化，尤其是过程控制中，更要求系统有较高的适应性，通过使用高端的终端设备可以达到此要求。
环形冗余
仅仅通过使用附加的电缆，就可以将网络构建成环型，从而获得效率高且经济的冗余网络。如果网络主动元件实效或电缆断路时，网络只需花费几毫秒的时间进行自主配置。因此，可以避免在昂贵的生产线中发生网络故障。SIMATIC NET环型冗余网络可以用光纤和双绞线构建，传输速率可达工业以太网标准。
信号传输原理
信号传输原理实现了一种简单且非常经济的手段对网络进行监视。尤其是对冗余网络非常有效。由于介质冗余，通讯连续性和传输路径这些错误很难被发现，会导致在后续的通讯中出现网络完全瘫痪。如果使用DIN星型连接器OLM，所有的主动工业以太网网络元件共同形成了为信号接触器。通过网络元件的共同配合，提供了24VDC可以对各元件或网络做出不同状态的信号指示。这些指示也可以连接至HMI系统（比如WinCC）。这样，在故障发生后，所有的错误都可以被及时的修复。除了信号接触器外，网络元件也可以安装LEDs，以显示不同的状态。
网络管理
在很多情况下，都是通过信号接触器来对网络进行监视。但并不是所有场合都适合用信号接触器来监控网络，尤其是大型，多分支网络以及无法读取数字信号的终端设备。
因此，SIMATIC NET带有网络管理功能，通过新型的OSM/ESM（光电转换模块/电气转换模块）可以对网络进行管理，监测和诊断。
基于SNMP的网络管理：
简单网络管理协议（SNMP）是一种基于TCP/IP的协议，专门用于数据网络管理。网络中的不同节点—网络元件或者终端设备—都可以称作是一个管理代理（agent），管理代理是一种特殊的软件或固件，包含了一个特定设备及该设备所处环境的信息。当一个管理代理被安装到一个设备上时，这个设备就被列为“被管理的”。管理代理可以获得所驻留设备的运转状态、设备特性和系统配置等相关信息。它就像是每个被管理设备的经纪人，完成管理器布置的信息采集任务。管理代理行使管理系统与管理代理所驻留设备的中介职能，通过管理信息数据库(MIB)中的内容来管理该设备。管理信息数据库中所包含的数据，随被安装设备的不同而不同。
安
装在网络管理工作站上的管理器，向管理代理收集设备信息时有轮询和中断两种方法。网络管理工作站可以通过轮询管理代理获得关于设备的信息，可以修改、增加
或者删除代理中的表项，可以为设备中特定的事件设置阈值。当设备中发生某个闽值超过设定范围的异常事件时，管理代理可以立即向网络管理工作站发送自陷信
息，通过基于中断的方法通知网络管理工作站进行处理。
目前，几乎所有的网络设备生产厂家都实现了对SNMP的支持。
基于网络的管理可以监测并诊断网络节点—网络元件或终端设备—使用标准的Internet浏览器，比如Netscape或Internet Explorer。使用这些浏览器，HTML网页中可以看到各节点中提供的开放的信息。
网络管理：
原文：http://blog.gkong.com/more.asp?name=chinasg23&id=59876