工业网络技术第3课

2006年01月14日现场总线技术与应用东北大学秦皇岛分校第三章局域网技术2006年01月14日现场总线技术与应用本章主要内容•局域网基础知识•局域网网络协议•介质访问控制方式•交换式局域网•局域网互连技术2006年01月14日现场总线技术与应用什么是局域网？•由特定类型的传输媒体(如电缆、光缆和无线媒体)、网络适配器(亦称为网卡)互连在一起的计算机，并受网络操作系统监控的网络系统。2006年01月14日现场总线技术与应用本章主要内容•局域网基础知识•局域网网络协议•介质访问控制方式•交换式局域网•局域网互连技术2006年01月14日现场总线技术与应用局域体系结构-IEEE802标准802.1网际互连802.2逻辑链路控制物理层物理层物理层物理层802.3CSMA/CD802.6城域网802.5TokenRing802.4TokenBus802.1寻址管理802.1体系结构网际互连逻辑链路控制LLC媒体访问控制MAC物理层2006年01月14日现场总线技术与应用局域网与OSI/RM对应关系介质访问2006年01月14日现场总线技术与应用以太网•以太网是在20世纪70年代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，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10MBPS。•1983年IEEE802委员会公布的802.3局域网络协议（CSMA/CD），基本上和Ethernet技术规范一致，于是，Ethernet技术规范成为世界上第一个局域网的工业标准。2006年01月14日现场总线技术与应用局域网传输介质•传输介质–用于传输信号的各种物理介质–物理上将计算机相互连接起来的介质•传输介质的种类–同轴电缆–非屏蔽双绞线UTP–屏蔽双绞线STP–光缆2006年01月14日现场总线技术与应用本章主要内容•局域网基础知识•局域网网络协议•局域网拓扑结构•介质访问控制方式•交换式局域网•局域网互连技术2006年01月14日现场总线技术与应用拓扑结构总线型星型环型树型混合型2006年01月14日现场总线技术与应用总线型网络拓朴结构终接器终接器工作站工作站工作站工作站2006年01月14日现场总线技术与应用总线型的优越性•一个节点失效不影响其他节点的工作•节点的增删不影响全网的运行•结构简单•接入灵活•扩展容易•可靠性高2006年01月14日现场总线技术与应用星型网络拓朴结构工作站工作站工作站工作站工作站工作站交换机2006年01月14日现场总线技术与应用环型网络拓朴结构工作站工作站工作站工作站工作站工作站2006年01月14日现场总线技术与应用环型的主要问题•环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪2006年01月14日现场总线技术与应用树型网络拓朴结构工作站工作站工作站2006年01月14日现场总线技术与应用混合型网络拓朴结构工作站工作站工作站工作站工作站工作站2006年01月14日现场总线技术与应用局域网的拓扑结构•总线型拓扑结构•环型拓扑结构•星型拓扑结构2006年01月14日现场总线技术与应用本章主要内容•局域网基础知识•局域网网络协议•介质访问控制方式•交换式局域网•局域网互连技术2006年01月14日现场总线技术与应用介质访问控制技术（MAC）•MediumAccessControl•解决同一时间多台设备争用共享信道的问题。•决定了传输介质的利用率。2006年01月14日现场总线技术与应用以太网的MAC地址•以太网的MAC地址长度为48b•以太网的MAC地址表示方式：16进制表示–例如：52-54-ab-31-ac-c6•唯一性保证–以太网的MAC地址由专门的组织负责分配2006年01月14日现场总线技术与应用介质访问控制技术ext•带有冲突检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）•控制令牌（TokenBus）2006年01月14日现场总线技术与应用CSMA/CD•载波侦听（CarrierSense）•坚持和非坚持CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，载波侦听多路访问）•冲突和冲突检测（CollisionDetection）2006年01月14日现场总线技术与应用载波侦听（CarrierSense）•为尽量避免由于竞争总线引起的冲突，每个工作站在发送数据前，都要侦听传输线上是否有数据正在发送。•“讲前先听”2006年01月14日现场总线技术与应用CSMA/CD•载波侦听（CarrierSense）•坚持和非坚持CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，载波侦听多路访问）•冲突和冲突检测2006年01月14日现场总线技术与应用坚持和非坚持CSMA•不坚持CSMA•1坚持CSMA•P坚持CSMA2006年01月14日现场总线技术与应用不坚持CSMA2006年01月14日现场总线技术与应用坚持和非坚持CSMA•不坚持CSMA•1坚持CSMA•P坚持CSMA2006年01月14日现场总线技术与应用1坚持CSMA2006年01月14日现场总线技术与应用坚持和非坚持CSMA•不坚持CSMA•1坚持CSMA•P坚持CSMA2006年01月14日现场总线技术与应用P坚持CSMA2006年01月14日现场总线技术与应用CSMA/CD•载波侦听（CarrierSense）•坚持和非坚持CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，载波侦听多路访问）•冲突检测2006年01月14日现场总线技术与应用1kmABt碰撞t=/2发生碰撞t=2A检测到发生碰撞t=B发送数据B检测到发生碰撞t=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=2A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为2006年01月14日现场总线技术与应用冲突和冲突检测•CSMA并不能完全解决冲突问题•由于传输延迟，多个站同时监听到线上空闲，并开始发送，从而导致冲突。•边讲边听2006年01月14日现场总线技术与应用重要特性•半双工通信•存在冲突•整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。2006年01月14日现场总线技术与应用介质访问控制技术ext•带有冲突检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）•令牌方式（Token）2006年01月14日现场总线技术与应用令牌方式•CSMA/CD各节点发起通信是随机的。•节点必须持有“令牌”（Token），才有资格发送数据。•令牌是一个特殊结构的控制帧，在网络上的各个节点中按特定的顺序进行传递。2006年01月14日现场总线技术与应用令牌方式•令牌环形•令牌总线2006年01月14日现场总线技术与应用令牌环形•令牌环网络拓扑结构是环形。•令牌沿着网络环路单向传递，拥有令牌的站点才有权向环路上发送报文，其他站点接收报文。2006年01月14日现场总线技术与应用令牌环工作原理•网上所有站点都处于空闲时，令牌沿环绕行•发送站点–必须等待，直到捕获到令牌–发送数据帧–释放令牌–回收数据帧（绕环一周后）•中间站点（数据帧的目的地址与自己不同）–转发环上的数据帧•接收站点（数据帧的目的地址与自己相同）–拷贝环上的数据帧–转发环上的数据帧2006年01月14日现场总线技术与应用数据传输实例（1）2006年01月14日现场总线技术与应用数据传输实例（2）2006年01月14日现场总线技术与应用数据传输实例（3）•站点A、B分别向站点C、D发送数据2006年01月14日现场总线技术与应用数据传输实例（4）•站点A、B分别向站点C、D发送数据2006年01月14日现场总线技术与应用FDDI的双环结构•目的：解决FDDI(光纤分布数据接口)的可靠性问题•双环是逆向旋转的•正常时，仅使用一个环传送数据•第一个环失效时，第二个环开始工作2006年01月14日现场总线技术与应用正常工作2006年01月14日现场总线技术与应用出现故障2006年01月14日现场总线技术与应用令牌方式•令牌环形•令牌总线形2006年01月14日现场总线技术与应用令牌总线形•网络拓扑形式是总线形。•令牌的传递逻辑是环形。•网络必须具有初始化功能，生成令牌传递次序。•DH-485、DH+、ControlNet网络2006年01月14日现场总线技术与应用令牌总线形ext2006年01月14日现场总线技术与应用IEEE制订的局域网标准•IEEE802.3带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）•IEEE802.4令牌总线（TokenBus）•IEEE802.5令牌环（TokenRing）2006年01月14日现场总线技术与应用本章主要内容•局域网基础知识•局域网网络协议•介质访问控制方式•交换式局域网•局域网互连技术2006年01月14日现场总线技术与应用共享式以太网存在的主要问题•覆盖的地理范围有限•网络总带宽容量固定–以太网的固定带宽被网络中的所有节点共同拥有–节点增加，冲突概率增大，带宽浪费也越严重•无法支持多种速率–以太网的传输介质是共享的2006年01月14日现场总线技术与应用冲突DataCollectionMission-Critical(Control)BackOfficeConfiguration(FileTransfer)•Classification•Policing•Congestionavoidance2006年01月14日现场总线技术与应用共享式以太网使用HUB23412006年01月14日现场总线技术与应用共享式以太网：冲突2341节点1检测到冲突节点3检测到冲突2006年01月14日现场总线技术与应用交换的提出•共享以太网存在的问题的解决方法：分段+交换•何谓分段+交换？–将大型以太网分割成两个或多个小型以太网–每个段使用CSMA/CD介质访问控制方法维持段内用户的通信–段与段之间通过“交换”设备沟通–交换设备在一个网段接收信息，经处理后转发给另一网段2006年01月14日现场总线技术与应用交换设备的类型•局域网交换机：工作于数据链路层，连接较为相似的网络•路由器：工作于互联层，实现异型网络互联2006年01月14日现场总线技术与应用以太网交换机组网•将一台计算机直接连到交换机端口–该计算机独享该端口提供的带宽•将一个网段连到交换机端口–该网段上的所有计算机共享该端口提供的带宽2006年01月14日现场总线技术与应用以太网交换机的工作过程2006年01月14日现场总线技术与应用网络节点间通讯•单播（Unicast）信息的接收和传递只在两个节点之间进行•多播（Multicast）一次传送所有特定目标节点的数据•广播（Broadcast）向同一子网内所有的IP地址传送数据2006年01月14日现场总线技术与应用引起广播风暴的原因•网卡损坏或者交换器端口损坏•网络中环路•蠕虫病毒•电磁干扰•网线短路2006年01月14日现场总线技术与应用虚拟局域网VLAN•什么是虚拟局域网？–将局域网上的用户或节点划分成若干“逻辑子网”–网络中节点不拘泥于所处的物理位置，而可以根据需要灵活地加入不同的逻辑子网中的一种网络技术。–利用以太网交换机就可以配置VLAN2006年01月14日现场总线技术与应用VLAN的优点•减少网络管理开销•控制广播活动•提供较好的网络安全性2006年01月14日现场总线技术与应用以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息。2006年01月14日现场总线技术与应用以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成B1发送数据时，工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的广播信息。2006年01月14日现场总线技术与应用以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C