开放的MODBUS TCP– 工业以太网的领跑者

以太网的由来： 最早的以太网应该归宿到施乐公司（Xerox）的PARC（Palo Alto Research Center）研究项目，当时为70年代初，速度2.94Mbps，到了1980年，由数字设备公司（DEC）、英特尔公司（Intel ）和施乐公司颁布了DIX V1.0标准，把以太网的速度提升到10Mbps，但仍采用同轴“粗缆”作为传输介质。在1982年，DIX V2.0标准发布，这就是我们目前最常用，也最熟悉的Ethernet II。 在DIX标准发布的同时，电气与电子工程协会（IEEE）也计划由802委员会制定开放网络标准。1985年，由IEEE颁布了“IEEE802.3载波监听多路访问及冲突检测（CSMS/CD）的访问方法和物理层规范”，由于DIX 2.0和802.3的桢格式略有差别，故在泛谈以太网时，要注意二者之间的细微差别，因为有用户因选错桢格式而造成网络连接不上的情况。 以太网的连接： 最著名的以太网连接图，莫过于Bob Metcalfe 绘制的最早版本的图了（如上图）。由图中看出，以太网的结构十分简单，干缆被称之为“以太”（Ether），两端有终端头（Terminator）结尾，每个节点由分支器（Tap）引出，然后是收发器（Transceiver）接分支电缆（Interface cable）到计算机或控制器的接口卡（Interface）。重画后的图如下： 图中的以太网使用粗缆，既同轴电缆，并需要收发器，通过AUI电缆与计算机或控制器相连。 随着以太网技术的发展，现在的以太网已由过去的总线式连接，变为星形连接。 以太网的标准： 以太网是一种局域网(LAN：Local area network), 早期的标准为IEEE802.3，数据链路层使用CSMA/CD，10Mbps速度。物理层有： 10Base 5 粗同轴电缆，RG-8 一段最长为500米。 10Base 2 细同轴电缆，RG-58，一段最长为185米。 10Base T 双绞线，UTP或STP，一段最长为100米。 快速以太网为100Mbps，标准为802.3u，介质为： 100 Base Tx 双绞线 100 Base Fx 光纤 目前10M/100M的以太网使用最为普遍，很多企事业的用户已经实现100M以太网到桌面，确实体验到高速“冲浪”的快感，另外从距离而言，非屏蔽双绞线（UTP）可达100米，多模光纤可达2 - 3公里，单模光纤可大于100公里。 千兆以太网，1000Mbps为802.3z / 802.3ab，万兆以太网10Gbps为802.3ae。将为新一轮以太网的发展带来机遇与冲击。 为什么要使用以太网？ 由以下几个因素促使了以太网的快速发展： 1、 实现网络的造价最经济： 从现有和实现的网络当中，无疑以太网是造价最经济的，无论计算机的网卡，很多主板（Mother board）已经集成了以太网口，单买PCI或ISA的以太网卡，售价低于100元人民币。而有些专用网卡的价格则高达万元人民币（如某些工业网络），超五类的双绞线也是各类网络线中最便宜的，甚至多模光缆的价格也跌破10元/米，这对工业行业的用户更是一个好的消息，而且市面上有琳琅满目的集线器（Hub），交换机（ Switch），路由器（Router）, 收发器（Transceiver）等连接设备可供选择，更不会受某个厂商的约束。 2、 以太网的性能最优： 早期的以太网速度为10Mbps，传送一幅标准以太网桢（1518字节），需要1.2ms，100Mbps需要120ns， 1Gbps需12ns，而今天10Gbps只要1.2ns，所以比起其他网络来说，根本不在一个数量级。 3、 操作系统的支持： 无论是使用Windows，还是使用Unix或者Linux，以太网都是操作系统当然支持的网络。 4、 以太网的市场分额最大 电子类产品的特点是：数量越大，价格也越便宜，所以说选择以太网并非是商家的选择，而是用户的选择，应用的选择，市场的选择。 5、 以太网的拓扑形式多样 除了是总线型和星型的传统结构外，还可以构成环型，双环型，双总线型，和混合型多种结构。 6、 以太网的速度可按需进行“分配”。 在主干网上，交换机口端口速度可达10G，背板总线可达几百个G，而到桌面或现场I/O可使用10M以太网，这也是以太网所独有的特点，可按照使用需要，选用不同速度的产品，这一特点也可以保护老用户的投资，老用户的产品仍可使用，而一般专用网络速度是一样的。 7、以太网扩展灵活 用户可以随时构建新的以太网，并把它加入到原来的网络之中，这种引入甚至在网络运行时即可进行。 8、以太网的伸展距离巨大 由于光缆的使用，使得局域网的范围大大增加了，原来百米的距离现在可扩至几公里到百公里。 9、以太网与其他网络非常方便 通过路由器，以太网很容易同X.25、ISDN、PSTN、ADSL、FR、ATM等网络联接，实现WAN, MAN，完成Extranet，Intranet和Internet 工业以太网与商用以太网的区别 什么是工业以太网？技术上它与IEEE802.3兼容，故从逻辑上可把商用和工业网看成是一个以太网，而用户可以根据现场情况，灵活装配自己的网络部件，但从工业环境的恶劣和抗干扰的要求，设计者希望采用市场上可以找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑工业现场的特殊要求，首先要考虑的是高温、潮湿、震动，二是对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求，比如满足EN50081-2，EN50082-2标准，而办公室级别的产品未经过这些工业标准测试。 下表列出一些常用工业标准 为了改善抗干扰性和降低辐射，工业以太网产品多使用多层线路板，或双面电路板，并且外壳采用金属，如：铸铝来屏蔽干扰，第三是电源要求，因为集线器，交换机，收发器多为有源部件，而现场电源的品质又较差，故通常都采双路的直流电或交流电为其供电。另外考虑方便安装，工业以太网产品多数使用DIN导轨，或面板安装，第四是通讯介质的选择，在办公室环境下，多数配线多使用UTP，而在工业环境下，推荐用户使用STP（带屏蔽双绞线）和光纤（Optical Fiber）。 如何提高工业以太网的可靠性？ 传统的以太网是总线型结构或星型结构，而且很少谈及冗余问题，由于工业以太网对其有可靠性的要求，故很多厂商对其进行了进一步的开发，目前已经可以满足用户的各种要求。 如果用户担心网卡或网络模块的问题，可选用双网卡或双网络模板，实现以太网接口的冗余，如果担心网线不可靠，可选用双总线，双分支线，单环，双环结构，而实现不同网段的双重冗余和四重冗余，如果担心网络接线设备出故障可选择集成器和交换机双重冗余或热备，实现网络设备的冗余。 由于采用上述各种安全技术，当网络发生一个或多个故障时，网络仍能正常工作，当网络出现非常严重的故障时，由于智能交换设备内置了高速的冗余算法，通常在300ms之内可以完成切换，使网络恢复正常，有的网络设备甚至可在网络工作时对网络进行重新配置，对网络进行维护和扩展。 如何保证工业以太网的实时性？ 如果在应用层使用Modbus这样小巧的协议，它的报文（帧）比标准的以太网的报文小许多（Modbus TCP的报文长度为256个字节，而以太网的报文长度为1518字节，两者相差5倍），所以减少了碰撞几率。 采用交换式以太网取代共享式以太网。我们知道，使用集成器的以太网，所有连在其上面的设备都共享这一以太网的带宽，所有设备都位于同一冲突域内，所以它们之间很容易发生冲突。如果采用交换机，那么每个端口之间是相互隔离的，也就是说，每个端口都独享带宽，直到与另一个口发生连接时（虚拟连按）才产生一个冲突域，且和其它端口无关，这样看来，交换机自动把原来的一个冲突域划分成多个冲突域，故减少了冲突的发生。 提高网络带宽也可降低冲突的发生，如把10M的以太网升级到100M，把半双工变为全双工，都可降低可能的冲突。 另外，IEEE802.1P工作组研究出一种机制，为那些对时间敏感的数据提供更高的传送优先级，这主要针对是多点传送帧的发送。 最重要的就是在设计以太网时，遵照设计规则把要传送的数据进行分类，比如可把它们采集速率，分为快速，一般，慢速，对网段进行合理的划分，并按工艺和功能对网络进行优化，确保网络负载小于某个百分比（如35%）。这样才能确保数据的实时性。 为什么要用TCP/IP？ TCP/IP之所以强大的最主要的一个原因在于它可以使用在多种物理网络技术上，包括局域网和广域网技术。 TCP/IP协议的成功在很大程度上取决于TCP/IP能适应几乎所有的底层通信技术。 80年代初，先在X.25上运行TCP/IP协议，而后，又在一个拨号语音网络（例如电话系统）上使用TCP/IP协议，又有TCP/IP在令牌环网上运行成功，最后，又实现了TCP/IP远程分组无线网点与其他INTERNET网点之间进行TCP/IP的通信。 所以说：TCP/IP协议是及其灵活的，因为几乎所有的底层技术都可以用于传输TCP/IP的通信。换句话说：TCP/IP具备连接不同网络的能力。 另外，使用TCP/IP也简化了OSI的模型，因为它省略了表示层和会话层。 如果现在把以太网物理层和数据链路层加到OSI的模型之中，就构成基于以太网的TCP/IP网。 其实用以太网实现TCP/IP也是最经济的一种方式。 协议的功能 组建网络时，必须选择一种网络通信协议，使得用户之间能够相互进行“交流”。协议（Protocol）是网络设备用来通信的一套规则，这套规则可以理解为一种彼此都能听得懂的公用语言。 如果在网络层使用IP协议，在传输层使TCP协议，就构成了目前最常用的TCP/IP（Transmission Control Protocol/ Internet Protocol，传送控制协议／网际协议），现在几乎所有的厂商和操作系统都支持它，同时，TCP/IP也是Internet的基础协议。 如果在应用层使用工业上