引言：
目前，在國(guó)際上有多個(gè)組織從事工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2001年9月，我國(guó)科技部發(fā)布了基于高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備，其研究目標(biāo)是：攻克應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的高速以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括解決以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質(zhì)安全等問(wèn)題，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)相關(guān)高速以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。
1.1 在應(yīng)用層中的進(jìn)展
(1) 封裝
眾所周知，以太網(wǎng)自身只提供一系列的物理介質(zhì)定義和一個(gè)共享的構(gòu)架。構(gòu)架包括物理介質(zhì)、幀格式和LAN設(shè)備數(shù)據(jù)的尋址格式，即它只提供物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。而Ethernet、TCP/IP則包含IP協(xié)議(層三)、TCP或UDP協(xié)議(層四)，當(dāng)以太網(wǎng)用于信息技術(shù)時(shí)，第七層含有HTTP(超級(jí)文本傳輸協(xié)議)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單電子郵件傳送協(xié)議)和Telnet(遠(yuǎn)程登錄)等。但當(dāng)它用于工業(yè)控制時(shí)，體現(xiàn)在第七層的是實(shí)時(shí)通信、用于系統(tǒng)組態(tài)的對(duì)象以及工程模型的應(yīng)用協(xié)議。對(duì)這些不同的概念進(jìn)行組裝稱(chēng)為“封裝(Encapsulation)。TCP/IP支持基于異種操作系統(tǒng)的異種網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，它是真正的開(kāi)放系統(tǒng)通信協(xié)議，已成為目前國(guó)際上進(jìn)行異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。
“封裝”是將報(bào)文幀嵌入到TCP或UDP的容器中。典型的例子有Rockwell Automation和ODVA開(kāi)發(fā)的Ethernet/IP、FF開(kāi)發(fā)的HSE(高速以太網(wǎng))、Schneider Electric開(kāi)發(fā)的Modbus TCP/IP。所有這些協(xié)議數(shù)據(jù)在發(fā)送到以太網(wǎng)以前，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)報(bào)文基本上沒(méi)有什么變化并作為“用戶(hù)數(shù)據(jù)”嵌入到TCP/IP幀內(nèi)，很容易向下兼容到基于以上總線(xiàn)的協(xié)議。Rockwell Automation和ODVA推出的Ethernet/IP，應(yīng)用了壓縮的ControlNet和DeviceNet協(xié)議的CIP(Control and Information Protocol，控制和信息協(xié)議),CIP通過(guò)“隱性”和“顯性”信息提供用于存取數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的寬范圍的服務(wù)。
在發(fā)送CIP數(shù)據(jù)包以前必須對(duì)其進(jìn)行封裝，CIP數(shù)據(jù)包給定一個(gè)報(bào)文首部(header)，該首部的內(nèi)容取決于所請(qǐng)求的服務(wù)屬性。通過(guò)以太網(wǎng)連接的CIP數(shù)據(jù)包包括一個(gè)專(zhuān)用的以太網(wǎng)首部、一個(gè)IP首部、一個(gè)TCP首部和一個(gè)封裝首部。封裝首部包含的字段有控制命令、格式、狀態(tài)信息和同步數(shù)據(jù)等，這允許CIP數(shù)據(jù)能通過(guò)TCP或UDP傳送并確保在接收方進(jìn)行解碼。Schneider Electric推出的“透明工廠”，其核心是Ethernet和TCP/IP，封裝有Modbus協(xié)議的Modbus TCP/IP的模塊應(yīng)用于Quantum PLC。Modbus TCP已成為半導(dǎo)體工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)EMIE54.9-2000。FF的HSE是高效地映像到UDP(用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議，一個(gè)被認(rèn)為優(yōu)于TCP的傳輸協(xié)議，其首部比TCP首部短而簡(jiǎn)單，只需8個(gè)字節(jié)，而TCP為長(zhǎng)度可變的40個(gè)字節(jié))的一個(gè)最佳例子，HSE采用Publisher/Subscriber協(xié)議，為IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi)型5。另一種解決方案是在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的上層運(yùn)行或封裝有TCP/IP。Interbus就是這種解決方案，它的以太網(wǎng)策略是將TCP/IP報(bào)文分割為若干個(gè)小型數(shù)據(jù)包并封裝在Interbus的參數(shù)通道進(jìn)行傳輸，其總和幀協(xié)議仍保持不變。這些被分割的數(shù)據(jù)包將在接收方重新裝配從而恢復(fù)為原來(lái)的TCP/IP報(bào)文。封裝方案的缺點(diǎn)是協(xié)議的效率低，以太網(wǎng)的首部比用戶(hù)數(shù)據(jù)大得多，從而大幅度地增加開(kāi)銷(xiāo)，因此封裝方案只適用于發(fā)送大容量的數(shù)據(jù)信息。
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