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本章的主要内容
本章主要介绍工业以太网PROFINET的网 络原理。 6.1 概述 6.2 局域网及其体系结构 6.3 以太网 6.4 TCP/IP模型 6.5 工业以太网原理
6.6 实时工业以太网PROFINET
6.7 PROFINET IO
6.8 PROFINET CBA
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6.2.1 IEEE802模型
图6-1 IEEE802模型层次图
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6.2.2 IEEE802标准 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IEEE802标准。 IEEE802标准包括： 1）IEEE 802.1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
4）若未发现冲突，则发送成功，所有计算 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9.6s（以10Mbit/s运行）。 CSMA/CD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 MAC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 则丢弃该帧。
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6.2 局域网及其体系结构
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 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 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 48位二进制位形式，称为MAC（Medium Access Control，介质访问控制）地址。MAC 地址具有全球惟一性。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16位）。
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6.3 以太网 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 标准，如令牌总线网（Token BUS）、令牌环 网（Token Ring）、光纤分布式数字接口 （FDDI）和ARCnet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 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（Switch）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。 IEEE802.3定义了以太网（采用CSMA/CD 方式）的数据帧结构标准。
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6.2 局域网及其体系结构 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 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 质标准化，且各站点之间形成平等关系而不是主 从关系。 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 到网络节点的通常采用双绞线和无线通信信道。
PAD：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 64字节（从DA字段到FCS字段）。 FCS（Frame Check Sequence）：帧校 25 2017/6/22
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6.2.3 载波多路访问和冲突检测 1. CSMA/CD的发送与接收 CSMA/CD采用的总是线争用技术，其发送 过程如下：
1）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 闲为止； 2）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 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）； 18 2017/6/22
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6.2.3 载波多路访问和冲突检测
2）IEEE 802.2关于逻辑链路控制的功能和服务 的内容；
3）IEEE 802.3关于CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Direct，载波多路 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；
14 2017/6/22 4）IEEE 802.4关于令牌总线介质访问控制子层
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6.3 以太网 以太网是以CSMA/CD方式工作的局域网技 术。最初的以太网采用无源传输媒体——同轴电 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——以太（ETHER）来命名。但 是后来，爱因斯坦证明“以太” 根本就不存在， 但是该名称被一直沿用下来了。 20世纪70年代美国Xerox（施乐）公司、 Intel公司和DEC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 访问控制（MAC）方法采用载波多路访问和冲 突检测（CSMA/CD）机制，数据传输速率达到 10Mbit/s。
15）IEEE 802.15关于无线个人网；
16）IEEE 802.16关于宽带无线接入；
17）IEEE 802.17关于可靠个人接入技术。
IEEE 802.3标准是在以太网（Ethernet）规 范的基础上制定的。该标准详细阐述了以太网技 16 2017/6/22
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6.2.3 载波多路访问和冲突检测
IEEE802.3标准定义的载波多路访问和冲突 检测（CSMA/CD）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， 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 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。 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 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
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6.3.1 以太网的帧结构 采用CSMA/CD方式工作的以太网帧结构包 括8个字段，如图6-2所示。 P SFD DA SA DAT PAD PCS A 以太网的帧结构 L
图6-2
P（Preamble）：占用7个字节，由交替的 1和0（10101010）组成的用于同步的前缀； SFD（Start Frame Delimiter）：帧起始分 界符，占一个字节，由10101011构成，用于指 明数据帧开始。 DA（Destination MAC Addesses）：目的 MAC地址，用于指明帧被传送的一个或多个目 24 2017/6/22
10）IEEE 802.10关于局域网网络安全性规范 SILS；
11）IEEE 802.11关于无线局域网技术的内容；
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6.2.2 IEEE802标准 12）IEEE 802.12关于需求优先级； 13）IEEE 802.13未使用； 14）IEEE 802.14关于电缆调制解调器等方面的 内容；
以太网+ TCP/IP协议组合就是今天的互联网，
采用的是IP地址寻址
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本章的主要内容
本章主要介绍工业以太网PROFINET的网络 原理。 6.1 概述
6.2 局域网及其体系结构
6.3 以太网
6.4 TCP/IP模型
6.5 工业以太网原理
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6.1 概述 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 一个网络中，使企业的管理水平、网络化程度都 发生了质的飞跃。
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6.1 概述 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，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。
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6.3.1 以太网的帧结构 SA（Source MAC Addesses）：源MAC 地址，用于指明发送帧的源站点。 L（Length/Type）：数据字段长度，占2 个字节，表明DATA的数据长度。
DATA：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1500字节。如果 这个字段小于46字节，那就必须使用下面的 “PAD”字段，以使帧的总长度大于64字节。
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6.2.2 IEEE802标准 6）IEEE 802.6关于都会区网（也叫城域网） （Metropolitan Area Network，MAN）介质访 问控制子层与物理层规范的内容； 7）IEEE 802.7关于宽带TAG技术；
8）IEEE 802.8关于光纤FDDI技术；
9）IEEE 802.9关于同步局域网；
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6.1 概述
Siemens公司1998年发布工业以太网白皮书， 并于2001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 决方案。PROFINET其实就是工业以太网 ，用 于工业自动化领域创新的、开放式的以太网标准 （IEC61158）。使用PROFINET，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IT标准。