局域网技术与以太网简介

    当今国际上有影响的现场总线标准很多，仅是2000年IEC组织制定的国际现场总线标准就有八九种，众多的现场总线标准给控制系统的集成带来不便，使得各厂商生产的现场总线产品难以集成在一起，实现互可操作。在现场总线标准难以统一的情况下，以太网在工业自动化和过程控制领域获得了迅速增长。    以太网于20世纪70年代诞生于实验室，到了20世纪80年代中期，已确立了在局域网(LAN)市场上的主导地位，成为当前应用最为广泛的计算机网络技术。    当前，不少厂商都为其生产的PLC及其远程I/O提供与以太网相连的接口和功能，提供把PLC和以太网相结合的产品，将基于TCP/IP协议开发的以太网与PLC控制器结合，就可以构筑全分散、全开放的工业控制系统。    本例在介绍以太网技术知识的基础上，分析了PLC与以太网的结合方式，并应用组态王软件，实现了三菱A系列PLC在以太网中与上位计算机的通信功能。    局域网是最常见的一种计算机网络，分布距离短，具有短小灵活和结构规整的特点，容易形成标准。因此，局域网技术是计算机网络技术中最为标准化的一部分。国际电子电气工程师协会IEEE在70年代就制定了3个局域网标准：IEEE802.3（CSMA/CD）、IEEE802.4（令牌总线）、IEEE802.5（令牌环）。以太网就是IEEE802.3的一个典型产品。    1．CSMA/CD简介    计算机局域网一般都是广播型网络，网上各个站点共享信息，一个站点发出数据，其他站点都可以收到。这样，计算机之间信息的传输必然要产生冲突现象。那么，如何有效地避免这种冲突，使网络达到最好的工作效率以及最高的可靠性呢？这就是网络传输访问的控制方式问题。    网络传输访问的控制方式与局域网的拓扑结构、工作过程有着密切的关系。目前，计算机局域网常用的访问控制方式有3种：CSMA/CD、令牌总线、令牌环，它们分别用于不同的网络拓扑结构。    CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection的缩写，含有两方面的内容：载波侦听( CSMA)和冲突检测(CD)。CSMA/CD访问控制方式主要用于总线型和树形网络拓扑结构，基带传输系统。信息传输是以“包”为单位，简称信包。    CSMA/CD的设计思想如下。    (1)侦听总线    查看信道上是否有信号是CSMA系统的首要问题，各个站点都有一个“侦听器”，用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息（也称为载波识别），如果信道已被占用，则此工作站等待一段时间然后再争取发送权；如果侦听总线是空闲的，没有其他工作站发送的信息就立即抢占总线进行信息发送。查看信号的有无称为载波侦听，而多点访问指多个工作站共同使用一条线路。    CSMA技术中要解决的另一个问题是侦听信道已被占用时，等待的一段时间如何确定。通常有两种方法。    ·当某工作站检测到信道被占用后，继续侦听下去，一直等到发现信道空闲后，立即发送，这种方法称为持续的载波侦听多点访问。由于一旦发现信道空闲，其发送数据的概率为1，因此称之为“1-坚持CSMA”。    ·当某工作站检测到信道被占用后，就延迟一个随机时间，然后再检测，不断重复上述过程，直到发现信道空闲后，开始发送信息，这称为非持续的载波侦听多点访问，即非坚持CSMA。    (2)冲突检测    当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的，同时都认为可以发送信息，从而一齐发送，这就产生了冲突（碰撞）；另一种情况是某站点侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包，但由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的原故，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突，因此消除冲突是一个重要问题。    由于冲突只有在发送信包以后的一段短时间内才可能发生，因为超过这段时间后，总线上各站点都可能听到是否有载波信号在占用信道，这一小段时间称为碰撞窗口或碰撞时间间隔。CSMA/CD的发送流程可简单地概括成4点：先听后发、边发边听、冲突停止和随机延迟后重发。    可见，采用CSMA/CD介质访问控制方法的总线型局域网中，每一个结点在利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙、闲状态。如总线上已经有数据信号传输，则为总线忙；如总线上没有数据信号传输，则为总线空闲。    由于Ethernet的数据信号是按差分曼彻斯特方法编码，因此如总线上存在电平跳变，则判断为总线忙；否则判断为总线空。如果一个结点准备好发送的数据帧，并且此时总线空闲，它就可以启动发送。同时也存在着这种可能，那就是在几乎相同的时刻，有两个或两个以上结点发送了数据帧，那么就会产生冲突。所以结点在发送数据的同时应该进行冲突检测。    2．CSMA/CD与以太网    由上面的介绍可知，CSMA/CD的核心是信道竞争算法，它有多种形式。IEEE802.3标准所对应的是“1-坚持CSMA/CD”，它定义了在1Mbit/s到10Mbit/s各种介质上运行的“1-坚持CSMA/CD”。    以太网最先是由XEROX、DEC和Intel等公司联合制定的10Mbit/s基带网标准。现在，一般把符合IEEE802.3的特定实现称做以太网。    在不同的介质上实现的以太网的成本和功能不同，除了标准的10Mbit/s粗缆基带网外，还有双绞线以太网、细缆以太网和宽带以太网等。    3．以太网的帧格式    以太网中的帧( frame)对应计算机接口中收发数据的缓冲区，是物理网络上每次实际传输的数据。帧的大小和格式对高层协议的设计有重要的影响。    以太网的帧是变长的，其长度从64字节～1518个字节不等。IEEE 802.3协议规定的介质访问控制帧格式如图10.37所示。
    图10.37    以太网的帧格式    对于图中各字段说明如下。    ·前导码：前导码由7个8位字节组成，用于接收端进行帧同步。前导码由交替的“0”和“1”组成，其56位比特序列是101010…10。    ·帧前定界符：由一个8位的字节组成，其比特序列为101010110前导码与帧前定界符构成62位101010…10比特序列和最后两位的11比特序列。设计时，规定前62位1和0交替是比特序列的目的是使收、发双方进入稳定的比特同步状态。接收端在收到后两比特1时，标志在它之后应是目的地址段。    ·目的地址：是发送帧的接收站地址。目的地址可以是由6个8位的字节（长度为48比特）组成，也可以表示组地址与广播地址。    ·源地址：是帧的发送结点地址，其长度必须与目的地址相同。    ·数据长度：长度字段为两个8位的字节组成，用来指示数据字段的长度。    ·数据段：用于传送数据。IEEE802.3协议规定数据长度在46~1500字节之间，如果长度少于46字节，需要加填充字节，补充到46字节。    ·帧校验字段：采用32位的CRC校验。校验的范围是：目的地址、源地址、长度和数据字段。    4．以太网的数据接收流程    在Ethernet结构中，结点的发送是需要通过竞争获得总线的使用权，而其他结点都应处于接收状态。当一个结点完成一组数据接收后，其接收数据的流程如下。    ·判断接收帧的长度。因为802.3协议对帧的最小长度做了规定，凡接收帧长度小于规定帧的最小长度必然是冲突后的废弃帧。因此，如果帧太短，则表明冲突发生，接收结点丢弃已接收数据，并重新进入待接收状态。    ·检查帧目的地址。如果说目的地址为单一结点的物理地址，并且是本结点地址，则接收该帧。如目的地址是组地址，而接收结点属于该组，则接收该帧。如目的地址是广播地址，也应接收该帧。否则丢弃该接收帧。    ·地址匹配后，确认应接受该帧，则进行CRC校验；如果CRC校验正确，进一步检查数据长度是否正确。    ·如数据长度正确，则接收数据，并进“成功接收”的结束状态。如果数据长度不对，则进入“帧长度错”的结束状态。    ·如果帧校验中发现错误，首先应判断接收帧是不是8bit的整数倍。如果帧是8bit的整数倍，表示传输过程中没有发现比特丢失或对位错，此时应进入“帧校验错”结束状态；如果帧长度不是8bit的整数倍，则进入“帧比特错”结束状态。