工业以太网简介
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工业以太网
–办公自动化 –企业的管理网络
10
工业以太网的国际组织 工业以太网协会 (industrial ethernet association，lEA) 工业自动化开放网络联盟(industrial automation network alliance,IAONA) 推进工业以太网技术的发展、教育和标准 化管理、工业应用领域运用 美国电气电子工程师协会 (IEEE)也正着 手制定现场装置与以太网通信的标准。
9
IP技术 IP技术 IP 技 术 是 Internet 的 基 础 ： IEEE1394， ATM(asynchronous transfer mode)， TCP,UDP(user datagram protocol)等等， 它还可以适用于其它的通信标准，如 FTP(file transfer protocol) 和 SMTP(Simple mail transfer protocol)等。 以太网已成为事实上的工业标准：
20
三、 工业以太网互连模型
物理层与数据链路层采用IEEE802.3 规范 网络层与传输层采用TCP/IP协议组 应用层的一部分可以沿用上面提到 的那些互联网应用协议。
21
22
四、 工业以太网技术应解决的 问题
1.通信实时性问题 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方 式，其本质上是非实时的。平等竞争的 介质访问控制方式不能满足工业自动化 领域对通信的实时性要求。 以太网一直被认为不适合在底层工业网 络中使用。需要有针对这一间题的切实 可行的解决方案。
23
2.对环境的适应性与可靠性问题 以太网是按办公环境设计的，将它用于工 业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等能 否自动化的要求。 在产品设计时要特别注重材质、元器件的 选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、 干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场 的要求。
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工业以太网的国际组织 工业以太网协会 (industrial ethernet association，lEA) 工业自动化开放网络联盟(industrial automation network alliance,IAONA) 推进工业以太网技术的发展、教育和标准 化管理、工业应用领域运用 美国电气电子工程师协会 (IEEE)也正着 手制定现场装置与以太网通信的标准。
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IP技术 IP技术 IP 技 术 是 Internet 的 基 础 ： IEEE1394， ATM(asynchronous transfer mode)， TCP,UDP(user datagram protocol)等等， 它还可以适用于其它的通信标准，如 FTP(file transfer protocol) 和 SMTP(Simple mail transfer protocol)等。 以太网已成为事实上的工业标准：
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三、 工业以太网互连模型
物理层与数据链路层采用IEEE802.3 规范 网络层与传输层采用TCP/IP协议组 应用层的一部分可以沿用上面提到 的那些互联网应用协议。
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四、 工业以太网技术应解决的 问题
1.通信实时性问题 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方 式，其本质上是非实时的。平等竞争的 介质访问控制方式不能满足工业自动化 领域对通信的实时性要求。 以太网一直被认为不适合在底层工业网 络中使用。需要有针对这一间题的切实 可行的解决方案。
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2.对环境的适应性与可靠性问题 以太网是按办公环境设计的，将它用于工 业控制环境，其鲁棒性、抗干扰能力等能 否自动化的要求。 在产品设计时要特别注重材质、元器件的 选择。使产品在强度、温度、湿度、振动、 干扰、辐射等环境参数方面满足工业现场 的要求。
《工业以太网介绍》课件
01
02
03
工业以太网在工业自动化领域中占据核心地位，为设备间通信提供了稳定、高效的数据传输方式。
工业以太网能够满足工业环境中的特殊要求，如高可靠性、实时性、安全性和可扩展性。
工业以太网已成为工业4.0和智能制造的重要组成部分，助力实现工厂自动化和数字化转型。
工业以太网技术将持续创新，提升传输速率、降低成本，并增强安全性、可靠性和实时性等方面的性能。
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工业以太网简介
工业以太网简介一、 PROFINET接口S7-1200 PLC CPU本体上集成了一个PROFINET接口，支持以太网和基于TCP/IP和UDP的通信标准。
PROFINET接口支持10～100Mbit/s的RJ45口，支持电缆交叉自适应，因此一个标准或交叉的以太网线都可以用于这个接口。
使用这个接口可以实现S7-1200 PLC CPU与编程设备的通信、与HMI触摸屏的通信以及与其他CPU之间的通信。
提示：根据现在的发展趋势PROFINET应该是以后的主流，它优势很明显，传输和响应速度快、数据不丢失、方便。
二、支持的协议和连接资源数S7-1200 PLC CPU的PROFINET通信口主要支持以下通信协议及服务：PROFINET IO（V2.0开始）、S7通信（V2.0开始支持客户端）、TCP通信、ISO on TCP通信、UDP通信（V2.0开始）、Modbus TCP 通信、HMI通信、Web通信（V2.0开始）。
在“设备视图”中选中CPU，在巡视窗口中选择“属性”→“常规”→“连接资源”，显示界面如图1所示。
图1 连接资源数从图1中可以看出，S7-1200 PLC一共有68个连接资源，包括预留62个资源和6个动态资源，6个动态资源由系统自动分配给HMI 通信、S7通信、开放式用户通信(Open User Communication, OUC)，不能分配给PG通信、Web通信。
注意：开放式用户通信包含TCP通信、ISO-on-TCP通信、UDP 通信、Modbus TCP通信。
PG通信：代表和PC进行通信所占用的资源，如在线监控、下载程序。
HMI通信：代表和HMI通信所占用的资源。
S7通信：代表和通信伙伴建立S7通信连接所占用的资源。
开放式用户通信：代表和通信伙伴建立开放式用户通信连接所占用的资源。
Web通信：代表和Web浏览器通信所占用的资源。
动态资源：由系统自动分配的连接资源。
依据上面的解释，构成表1，其中最大连接资源=预留连接资源+动态资源。
《工业以太网》课件
网络延迟和可靠性要求较高。
03
CATALOGUE
工业以太网的实际应用案例
智能制造领域的应用
自动化生产线监控
工业以太网用于实时监控生产线的运行状态，确保生产过程的稳 定性和效率。
设备远程控制
通过工业以太网，实现对生产设备的远程控制，提高生产管理的 灵活性和便捷性。
数据采集与分析
工业以太网连接各种传感器和数据采集设备，实时采集生产数据 并进行深度分析，优化生产流程。
工业以太网用于构建智能城市的基础设施，如智能照明、智能安 防等。
物流管理
工业以太网用于实时追踪物流信息，提高物流管理的效率和准确性 。
矿业安全监控
工业以太网用于实时监测矿山的生产设备和环境状况，保障矿业生 产的安全。
04
CATALOGUE
工业以太网的发展趋势与未来展望
工业以太网的发展趋势
随着物联网、云计算等技术的发展，工业以太 网将与这些技术深度融合，实现更高效、智能
以太网技术不断发展，从最初 的10Mbps到现在的100Gbps ，具有很高的数据传输速率。
以太网协议与标准
以太网协议规定了数据帧的格 式、寻址方式、数据封装和解 封装等方面的规范。
以太网标准包括IEEE 802.3系 列标准，其中最常用的标准是 802.3u（快速以太网）、 802.3z（千兆以太网）和 802.3ae（万兆以太网）。
工业以太网的应用范围广泛，可以应用于各种工业设备和 系统中，如智能制造、智能物流、智能仓储等，对于工业 转型升级和智能化发展具有重要意义。
工业以太网的发展前景与挑战
工业以太网的发展前景广阔，随着工业自动化 技术的不断发展和进步，工业以太网的应用场 景和市场需求将会不断增加。
03
CATALOGUE
工业以太网的实际应用案例
智能制造领域的应用
自动化生产线监控
工业以太网用于实时监控生产线的运行状态，确保生产过程的稳 定性和效率。
设备远程控制
通过工业以太网，实现对生产设备的远程控制，提高生产管理的 灵活性和便捷性。
数据采集与分析
工业以太网连接各种传感器和数据采集设备，实时采集生产数据 并进行深度分析，优化生产流程。
工业以太网用于构建智能城市的基础设施，如智能照明、智能安 防等。
物流管理
工业以太网用于实时追踪物流信息，提高物流管理的效率和准确性 。
矿业安全监控
工业以太网用于实时监测矿山的生产设备和环境状况，保障矿业生 产的安全。
04
CATALOGUE
工业以太网的发展趋势与未来展望
工业以太网的发展趋势
随着物联网、云计算等技术的发展，工业以太 网将与这些技术深度融合，实现更高效、智能
以太网技术不断发展，从最初 的10Mbps到现在的100Gbps ，具有很高的数据传输速率。
以太网协议与标准
以太网协议规定了数据帧的格 式、寻址方式、数据封装和解 封装等方面的规范。
以太网标准包括IEEE 802.3系 列标准，其中最常用的标准是 802.3u（快速以太网）、 802.3z（千兆以太网）和 802.3ae（万兆以太网）。
工业以太网的应用范围广泛，可以应用于各种工业设备和 系统中，如智能制造、智能物流、智能仓储等，对于工业 转型升级和智能化发展具有重要意义。
工业以太网的发展前景与挑战
工业以太网的发展前景广阔，随着工业自动化 技术的不断发展和进步，工业以太网的应用场 景和市场需求将会不断增加。
(完整版)工业以太网概述
工业以太网概述现场总线对于面向设备的自动化工业系统起到了极大的促进作用，但是由于现场总线工业网络存在一定的缺陷，导致其的发展受到极大的限制。
其缺陷包括有通信速率低，成本高，支持应用低，又由于现场总线通信协议多种多样，使得不同总线之间的互联互通比较繁琐，必须要通过一些通信协议转换器进行协议的转换，特别是有多个现场总线协议共存于一个系统中时，相互之间的协议转换更加繁琐。
以太网自从发明出来之后，由于以太网具有极强的兼容性、可扩展性、开放性，得到了飞速的发展，深入到了社会生活的各个层面，同样，以太网也进入了工业应用领域。
但是普通的以太网存在极大的缺陷导致其不能应用于工业领域：1.工业控制领域对于数据的实时性要求非常高，对于数据的延时一般都是必须要控制在几十个ms之内。
由于以太网采用的是载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制），当以太网上发生冲突的时候，就会重发数据，很明显，一旦冲突发生，就必须牺牲时间为代价来解决冲突的问题，实时性就不能得到保证。
但是在工业领域，实时性不能得到保证的话，就有可能导致设备的停止运作，甚至造成安全事故。
2.由于以太网采用的是载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD 机制），使得以太网存在冲突，特别是在以太网网络负荷比较重的情况下，冲突出现的几率更大。
而一旦大量的冲突发生，导致数据不断的重发，使得工业网络之间的通信的不确定性大大增加，从而降低了系统控制性能。
3.以太网在最初设计时，没有考虑到工业现场的复杂电磁环境，在恶劣的外部环境中，必然导致以太网的可靠性的降低。
但是在生产环境中，工业网络必须有良好的可靠性，可维护性及可恢复性。
针对以太网存在的以上缺陷，采用了多种解决机制改善以太网的性能以使的其可以适用于工业网络，以形成工业以太网。
1.工业以太网交换技术。
为改善以太网在网络负荷较重的时候出现的拥塞问题，采用工业以太网交换机减少由于载波侦听多路复用冲突检测（CSMA/CD机制）而产生的冲突问题和错误传输，从而提高系统的稳定性。
工业以太网简介
执行器 连续的被控对象 传感器
，其中 为整
以太网
离散的控制器
图 2.2 延时合并的网络控制系统结构
2.3.2 节点的驱动方式的选择 网络控制系统有一个很重要的概念：节点的驱动方式，其他控制系统中不 存在这个概念。一般节点的驱动方式分为两种：事件驱动和时间驱动。时间驱
动就是系统节点按照事先规定的时间间隔处理相应的任务，例如定时采样。而 事件驱动是指当系统节点收到数据时，开始处理相应的任务。不同的驱动方 式，系统的数学模型也不一致，即使采用相同的控制算法，控制效果也不同。 传感器一般都采用时间驱动方式 ，执行器和控制器的驱动方式有待讨 论。 当控制器和执行器有一个为时间驱动时，便存在与传感器时间同步的问 题。网络控制系统的节点有可能分布在一个较大的物理空间，各个节点很难保 持精确的时间同步。系统应当尽可能避免使用时间同步。 1、执行器采用时间驱动方式 传统的离散控制算法，都是基于 Z 变换的，也就是等周期控制，执行器节 点采用时间驱动，每个控制量的执行时间为定值（采样周期） ，与算法设计的一 致。当延时小于一个采样周期时，系统总的延时为常数，有利于控制算法的设 计与分析。但执行器节点采用时间驱动会增大反馈通道的时延，当前控制量无 法及时作用到被控对象，不可避免的降低闭环系统的性能。 2、执行器采用事件驱动方式 执行器节点采用事件驱动，可以减小反馈通道的时延，使得控制量能够尽 快的作用于被控对象，有利于改善系统的性能。在一个周期内执行器可能会收 到多个控制信号，或者几个周期内执行器才收到一个控制信号，每个控制量的 执行时间不是定值（采样周期） ，与算法设计不一致，可能使控制效果变差，同 时使得系统的数学模型相对要复杂一些，系统的分析也更加困难。 当网络总延时小于一个采样周期时，执行器一般都采用事件驱动方式。 3、控制器采用时间驱动方式 控制器采用时间驱动，就要考虑时间同步问题。 若控制器与传感器的时间同步，当传感器数据传输时延为 Tsc ，则传感器到 控制器的延时为 sc (int(Tsc T ) 1) T ， int() 是向零方向取整函数， T 为采样周 期。 若控制器与传感器的时间不同步，设控制器的时间比传感器的时间落后
，其中 为整
以太网
离散的控制器
图 2.2 延时合并的网络控制系统结构
2.3.2 节点的驱动方式的选择 网络控制系统有一个很重要的概念：节点的驱动方式，其他控制系统中不 存在这个概念。一般节点的驱动方式分为两种：事件驱动和时间驱动。时间驱
动就是系统节点按照事先规定的时间间隔处理相应的任务，例如定时采样。而 事件驱动是指当系统节点收到数据时，开始处理相应的任务。不同的驱动方 式，系统的数学模型也不一致，即使采用相同的控制算法，控制效果也不同。 传感器一般都采用时间驱动方式 ，执行器和控制器的驱动方式有待讨 论。 当控制器和执行器有一个为时间驱动时，便存在与传感器时间同步的问 题。网络控制系统的节点有可能分布在一个较大的物理空间，各个节点很难保 持精确的时间同步。系统应当尽可能避免使用时间同步。 1、执行器采用时间驱动方式 传统的离散控制算法，都是基于 Z 变换的，也就是等周期控制，执行器节 点采用时间驱动，每个控制量的执行时间为定值（采样周期） ，与算法设计的一 致。当延时小于一个采样周期时，系统总的延时为常数，有利于控制算法的设 计与分析。但执行器节点采用时间驱动会增大反馈通道的时延，当前控制量无 法及时作用到被控对象，不可避免的降低闭环系统的性能。 2、执行器采用事件驱动方式 执行器节点采用事件驱动，可以减小反馈通道的时延，使得控制量能够尽 快的作用于被控对象，有利于改善系统的性能。在一个周期内执行器可能会收 到多个控制信号，或者几个周期内执行器才收到一个控制信号，每个控制量的 执行时间不是定值（采样周期） ，与算法设计不一致，可能使控制效果变差，同 时使得系统的数学模型相对要复杂一些，系统的分析也更加困难。 当网络总延时小于一个采样周期时，执行器一般都采用事件驱动方式。 3、控制器采用时间驱动方式 控制器采用时间驱动，就要考虑时间同步问题。 若控制器与传感器的时间同步，当传感器数据传输时延为 Tsc ，则传感器到 控制器的延时为 sc (int(Tsc T ) 1) T ， int() 是向零方向取整函数， T 为采样周 期。 若控制器与传感器的时间不同步，设控制器的时间比传感器的时间落后
工业以太网简介
3. 过程控制级（L2）：二级，是围绕机组的工艺控制模型为主的部分，就是计 算机控制，有一定的控制模型和画面，但是这个计算机控制是单个工序的控 制，比如转炉、精炼、连铸的操作室里的计算机控制；核心是配套的生产过 程控制数学模型，既为过程控制级。 4. 生产控制级（L3）：三级，就整个厂的综合管理，主要完成整个厂各机组的 生产计划的管理，生产合同的跟踪，中间库和成品库管理等。 5. 企业管理级（L4）：四级，也叫生产管理级，如ERP等，主要完成整个公司 的合同管理、财务管理、生产计划管理，销售管理以及成品出厂发货等任务 6. 电子商务级（L5）：使用各种电子工具从事商务或活动。
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1 工业以太网概述
以太网的由来 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网 的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威 夷大学。 1980 年DEC( digital equipment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度 为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet Ⅱ。与DIX同 步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会。1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范。尽 管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它 就是以太网。
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1 工业以太网概述
(3) 解决与商用以太网集成问题。 以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,可以避免 现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外,使现场总线技术与 计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。 (4) 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是 其成功的重要因素。
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1 工业以太网概述
以太网的由来 以太网技术的思想渊源最早可以追溯到1968年。以太网 的核心思想是使用共享的公共传输信道，这个思想源于夏威 夷大学。 1980 年DEC( digital equipment corporation) 、Intel 和Xerox 三大公司发布了DIX版以太网1.0 规范,其传输速度 为10Mb/S ,所支持的唯一物理介质为粗同轴电缆。1982 年, 发布了DIX2.0 版, 这就是通常所说的Ethernet Ⅱ。与DIX同 步的是IEEE 成立的至今闻名的802.3 委员会。1985 年，IEEE 802.3 委员会发布了CSMA/ CD 访问方法和物理层规范。尽 管其帧的定义与DIX2.0不尽相同，但是现在更多的人认为它 就是以太网。
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1 工业以太网概述
(3) 解决与商用以太网集成问题。 以太网作为现场总线,尤其是高速现场总线结构的主体,可以避免 现场总线技术游离于计算机网络技术的发展之外,使现场总线技术与 计算机网络技术很好地融合而形成相互促进的局面。 (4) 以太网适配器的价格大幅度下跌以及各产品和标准对以太网的支持是 其成功的重要因素。
工业以太网
2. ProfiNet
ProfiNet主要包括三方面技术：
(1) 基于通用对象模型(COM)的分布式自动化系统 (2) 规定了Profibus和标准以太网之间的开放、透明通
信 (3)提供了一个包括设备层和系统层、独立于制造商的 系统模型
采用标准TCP/IP与以太网作为连接介质，采用标准TCP/IP协议加上应用 层的PCM/DCOM来完成节点之间的通信和网络寻址。可以同时挂接传统 Profibus系统和新型的智能现场设备。
HSE与OSI互联参考模型的比较图
FF HSE工业以太网系统结构
HSE在应用层和用户层直接采用FF H1的应用层服务和功能块应用 进程规范，并通过链接设备(Linking Device)将FF H1网络连接到 HSE网段上，HSE链接设备同时也具有网桥和网关的功能，它的网 桥功能能够用来连接多个H1总线网段，使不同H1网段上面的H1设 备之间能够进行对等通信而无需主机系统的干预。 HSE主机可以与所有的链接设备和链接设备上挂接的H1设备进行 通信，使操作数据能传送到远程的现场设备，并接收来自现场设备 的数据信息，实现监控和报表功能。监视和控制参数可直接映射到 标准功能块或者“柔性功能块”(FFB)中。
第四章 工业以太网
第四章 工业以太网
现场总线控制系统(FCS)的发展改变了工业控制系统的结构， 具有开放、分散、数字化、可互操作性等特点，有利于自动 化系统与信息系统的集成。
缺陷:
主要表现在迄今为止现场总线的通信标准尚未统一，这使得个厂商的仪 表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速度也不尽人意， 在有些场合无法满足实时控制的要求。由于上述原因，FCS在工业控制 中的推广应用受到了一定的限制。
现有的Profibus网段可以通过一个代理设备(Proxy)连接到ProfiNet网络当 中，使整套Profibus设备和协议能够原封不动地在ProfiNet中应用。
【精】工业以太网
版本号 IPV4 以太网采用基带传输，有10M 100M 1000M
4 RST＝1发送混乱，序号复位
生存周期
0100B 源IP地址 4字节
4 采用交换式以太网，减少仲裁环节
8位
协议 8位
3位
13位
报文头校验和 16位
长度 0－15 源IP地址 4字节 1997年修订 当两字节的值小于0x0600（1536D）时为字节长度，大于0x0600时表示传输的协议类型。
5类UTP：带宽为100MHz,又称为数据级电缆，能够运行100Mbps以太网和FDDI，5类UTP的阻抗为100欧姆。 4 GetReponse 获得响应
送时间不定。（有应答，可靠性高，数据包大实时
性差）
UDP/IP发送实时数据，数据包短，需要定时或周期 通信（实时性强，无应答 可靠性差）
仪器总线 与现场总线
TCP/IP协议组
SMTP 简单邮件传输协议 DNS 域名服务 SNMP 简单网络管理协议 SNTP 简单网络定时协议 FTP 文件传输协议
武洪涛
100m 最多4级集线器，最长500米 10BaseF光缆连接 62.5/125多模光纤，传输距离2000米
1 2 网卡
3 6
1 2 集线器
3 6
1 2 集线器
3 6
RJ-45连接示意图
1 2 集线器
3 6
仪器总线 与现场总线
以太网的网络层波形
武洪涛
以太网的数据传输采用全双工的线路结构。 采用曼彻斯特编码，或差分曼彻斯特编码。
仪器总线 与现场总线
网线分类
武洪涛
l类UTP：主要用于 连接，通常不用于数 据传输。
2类UTP： 2类线的最高带宽为1MHz,通常 用在程控交换机和告警系统。ISDN和 T1/E1数据传输也可以采用2类电缆。
第8章 工业以太网
●
工业以太网
8.1 工业以太网简介
一、工业以太网与以太网
OSI参考模型 7 应用层 表示层 以太网 应用协议
以太网的物理层与数据链路层 采用IEEE802.3的规范，网络层和 6 传输层采用TCP/IP协议组，应用 5 层采用简单邮件传送协议SMTP、 4 简单网络管理协议SNMP、域名服 3 务DNS、文件传输协议FTP、超文 本链接HTTP等应用协议。这些是 2 以太网已有的核心和生命力所在。 1
会话层
传输层 网络层 数据链路层 物理层 TCP/UDP IP
以太网MAC
以太网物层
工业以太网
8.1 工业以太网简介
二、工业以太网的特色技术
(1) 应对环境适应性的特色技术
● ●
工业以太网应对环境适应性的改造措施，很重要的一方面是打造工业级产品。 针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的产品称之为工业级的产品，防 护级工业产品是工业以太网特色技术之一，这也是工业级产品在设计之初要 注重材质、元器件工作温度范围的选择。
(2) 应对通信非确定性的缓解措施
普通以太网采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的媒体访问控制 方式，这种平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对通信实时性、确 定性的要求，被认为不适合用于底层工业控制，这是以太网进入控制网络领 域在技术上的最大障碍。
工业以太网
8.1 工业以太网简介
(5) 本质安全 本质安全是指将送往易燃易爆危险场合的能量，控制在引起火 花所需能量的限度之内，从根本上防止在危险场合产生火花而 使系统安全得到保障。 目前以太网收发器的功耗较高，设计低功耗以太网设备还存在 一些难点，真正符合本质安全要求的工业以太网还有待进一步 努力。对应用于危险场合的工业以太网交换机等，目前一般采 取隔爆型作为防爆措施。
工业以太网
8.1 工业以太网简介
一、工业以太网与以太网
OSI参考模型 7 应用层 表示层 以太网 应用协议
以太网的物理层与数据链路层 采用IEEE802.3的规范，网络层和 6 传输层采用TCP/IP协议组，应用 5 层采用简单邮件传送协议SMTP、 4 简单网络管理协议SNMP、域名服 3 务DNS、文件传输协议FTP、超文 本链接HTTP等应用协议。这些是 2 以太网已有的核心和生命力所在。 1
会话层
传输层 网络层 数据链路层 物理层 TCP/UDP IP
以太网MAC
以太网物层
工业以太网
8.1 工业以太网简介
二、工业以太网的特色技术
(1) 应对环境适应性的特色技术
● ●
工业以太网应对环境适应性的改造措施，很重要的一方面是打造工业级产品。 针对工业应用环境需要、具有相应防护等级的产品称之为工业级的产品，防 护级工业产品是工业以太网特色技术之一，这也是工业级产品在设计之初要 注重材质、元器件工作温度范围的选择。
(2) 应对通信非确定性的缓解措施
普通以太网采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的媒体访问控制 方式，这种平等竞争的非确定性网络，不能满足控制系统对通信实时性、确 定性的要求，被认为不适合用于底层工业控制，这是以太网进入控制网络领 域在技术上的最大障碍。
工业以太网
8.1 工业以太网简介
(5) 本质安全 本质安全是指将送往易燃易爆危险场合的能量，控制在引起火 花所需能量的限度之内，从根本上防止在危险场合产生火花而 使系统安全得到保障。 目前以太网收发器的功耗较高，设计低功耗以太网设备还存在 一些难点，真正符合本质安全要求的工业以太网还有待进一步 努力。对应用于危险场合的工业以太网交换机等，目前一般采 取隔爆型作为防爆措施。
工业以太网
9.4.3 工业以太网1．工业以太网的基本概念以太网是指遵循IEEE 802.3标准，是可以在光缆和双绞线上传输的网络。
它最早出现在1972年，由XeroxPARC所创建。
在办公和商业领域，以太网是当今最流行、应用最广泛的通信技术，具有价格低、通信速率和带宽高、兼容性好、软硬件资源丰富、广泛的技术支持基础和强大的持续发展潜力等诸多优点，如今已成为世界上广泛采用的网络技术，并以迅猛的速度向各个领域扩展。
由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境和标准的要求，因此以太网要进入工业控制领域还需解决一些问题。
以太网采用的载波侦听多路访问/碰撞（冲突）检测的传输规范，这无法满足工业控制中的实时性、确定性、可重复性等方面的要求；此外，现有的高层协议也无法满足工业控制的要求。
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。
这主要表现为普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、安全性等方面不能满足工业现场的需要。
故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。
将以太网高速传输技术引入到工业控制领域，使企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）和国际互联网（Internet）提供的技术和广泛应用已经进入生产和过程自动化。
这种应用推动了自动化技术与互联网技术的结合，是未来制造业电子商务的网络技术雏形，也是自动化技术的发展趋势。
2．工业以太网的优势（1）应用广泛以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C＋＋、Java、Visual Basic等都支持以太网的应用开发。
这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。
（2）通信速率高目前通信速率为10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。
什么是工业以太网？工业以太网有哪些类型？
什么是以太网？以太网是一种计算机局域网技术。
由IEEE组织的IEEE802.3标准制定了以太网技术标准，规定了物理层连接、电子信号和介质接入层协议的内容。
以太网现在是最流行的局域网技术，取代了令牌环、FDDI、ARCNET等其他局域网技术。
以太网是世界上使用最广泛的局域网技术。
有些人认为我们日常生活中的网络是以太网。
我们通常说的交换机，专业名称应该叫以太网交换机。
通常的光纤交换机也使用以太网技术，但传输介质由网线改为光纤。
什么是工业以太网？工业以太网是在以太网技术和TCP/IP技术的基础上发展起来的工业网络。
基于强大的区域集团和IEEE802.3(以太网)。
在线工业以太网SIMATICNET提供了新的多媒体世界的无缝集成。
工业以太网是西门子提出的第一种基于以太网通信的工业通信方式。
与其他西门子通信方式如MPI、DP总线等相比，工业以太网具有速度快、稳定性高、抗噪声能力强、互联互换性好等优点。
过去，以太网在商业环境中被广泛使用。
现在，在很多工业环境中，以太网也成为业界的热点。
相信在不久的将来，工业以太网将成为工业控制网络结构的主要形式和发展趋势。
以太网和工业以太网之间的关系：工业以太网是以太网技术与通用工业协议的完美结合，也是标准以太网在工业领域的应用拓展。
近年来，为了满足高实时性工业应用的需要，各大工业自动化公司和标准化组织都提出了各种工业以太网的实时技术标准，这些标准都是根据IEEE802.3标准制定的。
标准，提高实时性，并与标准以太网建立联系。
6种工业以太网类型。
(1)MODBUSTCP/IP。
(2)以太网/IP。
(3)以太网Powerlink。
(4)PROFINET。
(5)SERCOSIII。
(6)以太网。
工业以太网的优势：1.以太网产品价格相对便宜。
2.轻松接入互联网。
3.兼容性好，技术支持广泛。
4.以太网技术发展迅速，技术先进，可持续发展潜力巨大。
5.通信速度快。
6.强大的资源共享能力。
11 工业以太网
4.提供适应工业环境的元件 现已开发出一系列密封性好、坚固、抗震 动的以太网设备与连接件，例如导轨式收 发器、集线器、交换机、带锁紧机构的接 插件等。它们适合在工业环境中使用，为 以太网进入工业控制环境创造了条件。 采取上述措施可以使以太网的非确定性问 题得到相当程度的缓解，但还不能说从根 本上得到了解决。
IP技术 3. IP技术 IP 技 术 是 Internet 的 基 础 ： IEEE1394， ATM(asynchronous transfer mode)， TCP,UDP(user datagram protocol)等等， 它还可以适用于其它的通信标准，如 FTP(file transfer protocol) 和 SMTP(Simple mail transfer protocol)等。 以太网已成为事实上的工业标准：
11.3 工业以太网互连模型
物理层与数据链路层采用IEEE802.3 规范 网络层与传输层采用TCP/IP协议组 应用层的一部分可以沿用上面提到 的那些互联网应用协议。
11.4 工业以太网技术应解决的 问题
1.通信实时性问题 以太网采用的CSMA/CD的介质访问控制方 式，其本质上是非实时的。平等竞争的 介质访问控制方式不能满足工业自动化 领域对通信的实时性要求。 以太网一直被认为不适合在底层工业网 络中使用。需要有针对这一间题的切实 可行的解决方案。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从信息集成的观点来看，现场总线的 底层信息必然要和上层的通用局域网 连接，将底层信息集成到车间、公司 级的数据库中，甚至通过WEB方式测 览和交互控制。 因此，有专家预言，现场总线技术与 以太网技术相结合将是未来发展的方 向。
第二部分 第11章 复习题 章
1.什么是工业以太网？ 2.工业以太网的协议结构包含哪几 层？分别说明各自的作用？ 3.为什么过去以太网在工业自动化 领域应用比较有限？
工业以太网技术简介
同步过程如右图： 结论：
FF HSE（FOUNDATION™ Fieldbus High Speed Ethernet）
基金会现场总线（FF）是专为过程自动化而设计 的通讯协议。FF最初包括低速总线H1（速率为 31．25kbps）和高速总线H2（速率为1Mbps和2 ．5Mbps）两部分。但随着多媒体技术的发展和 工业自动化水平的提高，控制网络的实时信息传 输量越来越大，H2的设计能力已不能满足实时信 息传输的带宽要求。鉴于此，现场总线基金会放 弃了原有H2总线计划，取而代之的是将现场总线 技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型 高速现场总线－FF HSE（High Speed Ethernet ）。
Ethernet/IP（Industrial Protocol）概述
在工业控制上，现场总线已经发展的比 较成熟，形成了主要的几种协议作为不 同工业控制领域的规范 为了适应以太网的工业应用，各协议都 进行了针对性的改良，其中由DeviceNet 及ControlNet发展得到的就是Ethernet/IP 其核心是在应用层采用CIP（Control and Information Protocol）协议与以太网结 合
工业以太网EPA EPA由中国自主研发的一组工业以太网 标准，与Ethernet/IP等都是行业规范之 一 传输层及网络层沿用TCP/IP，即以太网 协议，而在应用层加入EPA应用层协议， 在数据链路层加入EPA通信调度管理实 体
工业以太网EPA ----同步时钟 同步时钟的实现： 1 PTP网络拓扑结构：（OC BC） M主时钟，S从时钟通过报文传递校准 同步报文 跟随报文 延时请求 延迟相应 PTP的“结构体”（引擎结构“数据 集”）
可靠性——冗余技术
可靠性——冗余技术
5第五章工业以太网
工业以太网
现场总线
5.1 工业以太网简介
三、通信非确定性的缓解措施
(4) 采用交换式以太网技术 在传统的以太网中，多个节点共享同一个传输介质，共享网络 的固定带宽。 交换机接收并存储通信帧，根据目的地址和端口地址表，把通 信帧转发到相应的输出端口，为连接在其端口上的每个网络节 点提供独立的带宽，使不同设备之间产生冲突的可能性大大降 低。
●
工业以太网
现场总线
5.1 工业以太网简介
一、工业以太网与以太网
●
以太网和互联网原有的核心技术是工业以太网的重要基础，而对 以太网实行环境适应性、通信实时性等相关改造、扩展的部分，成 为工业以太网的特色技术。 ● 目前工业以太网的代表技术有：FF中高速网段HSE， PROFIBUS的上层网段PROFINET， EtherNet/IP 和Modbus/TCP 。 ● 在控制器、PLC测量变送器、执行器、I/O卡等设备中嵌入以太 网通信接口，嵌入TCP/IP协议，嵌入Web Server便可形成支持以太 网、TCP/IP协议和Web服务器的Internet现场节点。借助IE等通用 的网络浏览器实现对生产现场的监视与控制，进而实现远程监控， 也是工业以太网的一个有效解决方案。
工业以太网
现场总线
5.2 以太网的物理连接与帧结构
一、以太网的物理连接
RJ-45插头和制作工具
工业以太网
现场总线
5.2 以太网的物理连接与帧结构
一、以太网的物理连接
IP防护等级 IP（INGRESS PROTECTION）防护等级系统是由IEC （INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION）所起 草。将灯具依其防尘防湿气之特性加以分级。这里所指的外物含 工具，人的手指等均不可接触到灯具内之带电部分，以免触电。IP 防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示灯具离尘、防止外 物侵入的等级，第2个数字表示灯具防湿气、防水侵入的密闭程度， 数字越大表示其防护等级越高，两个标示数字所表示的防护等级 如表一及表二所示：
工业以太网简介
工业以太网简介：工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet）的强大的区域和单元网络。
利用工业以太网，SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。
企业内部互联网（Intranet）,外部互联网（Extranet）,以及国际互联网(Internet）提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化.继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工和自适应的100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802。
3u 的标准）也已成功运行多年。
采用何种性能的以太网取决于用户的需要.通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术.为用户带来的利益：市场占有率高达80%，以太网毫无疑问是当今LAN（局域网）领域中首屈一指的网络。
以太网优越的性能，为您的应用带来巨大的利益：•通过简单的连接方式快速装配。
•通过不断的开发提供了持续的兼容性，因而保证了投资的安全。
•通过交换技术提供实际上没有限制的通讯性能。
•各种各样联网应用，例如办公室环境和生产应用环境的联网。
•通过接入WAN(广域网）可实现公司之间的通讯，例如，ISDN 或Internet 的接入。
SIMATIC NET基于经过现场应用验证的技术，SIMATIC NET已供应多于400，000个节点，遍布世界各地，用于严酷的工业环境，包括有高强度电磁干扰的区域。
工业以太网络的构成：一个典型的工业以太网络环境，有以下三类网络器件：◆ 网络部件连接部件：•FC 快速连接插座•ELS（工业以太网电气交换机)•ESM(工业以太网电气交换机)•SM（工业以太网光纤交换机)•MC TP11（工业以太网光纤电气转换模块)通信介质：普通双绞线，工业屏蔽双绞线和光纤◆ SIMATIC PLC控制器上的工业以太网通讯外理器。
用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。
◆ PG/PC 上的工业以太网通讯外理器。
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工业以太网简介:工业以太网就是基于IEEE 802、3 (Ethernet)得强大得区域与单元网络。
利用工业以太网,SIMATIC NET 提供了一个无缝集成到新得多媒体世界得途径。
企业内部互联网(Intranet),外部互联网(Extranet),以及国际互联网(Internet) 提供得广泛应用不但已经进入今天得办公室领域,而且还可以应用于生产与过程自动化。
继10M波特率以太网成功运行之后,具有交换功能,全双工与自适应得100M波特率快速以太网(Fast Ethernet,符合IEEE 802、3u 得标准)也已成功运行多年。
采用何种性能得以太网取决于用户得需要。
通用得兼容性允许用户无缝升级到新技术。
为用户带来得利益 :市场占有率高达80%,以太网毫无疑问就是当今LAN(局域网)领域中首屈一指得网络。
以太网优越得性能,为您得应用带来巨大得利益:通过简单得连接方式快速装配。
通过不断得开发提供了持续得兼容性,因而保证了投资得安全。
通过交换技术提供实际上没有限制得通讯性能。
各种各样联网应用,例如办公室环境与生产应用环境得联网。
通过接入WAN(广域网)可实现公司之间得通讯,例如,ISDN 或Internet 得接入。
SIMATIC NET基于经过现场应用验证得技术,SIMATIC NET已供应多于400,000个节点,遍布世界各地,用于严酷得工业环境,包括有高强度电磁干扰得区域。
工业以太网络得构成 :一个典型得工业以太网络环境,有以下三类网络器件:◆网络部件连接部件:•FC 快速连接插座•ELS(工业以太网电气交换机)•ESM(工业以太网电气交换机)•SM(工业以太网光纤交换机)•MC TP11(工业以太网光纤电气转换模块)通信介质:普通双绞线,工业屏蔽双绞线与光纤◆ SIMATIC PLC控制器上得工业以太网通讯外理器。
用于将SIMATIC PLC连接到工业以太网。
◆ PG/PC 上得工业以太网通讯外理器。
用于将PG/PC连接到工业以太网。
工业以太网重要性能:为了应用于严酷得工业环境,确保工业应用得安全可靠,SIMATIC NET 为以太网技术补充了不少重要得性能:✧工业以太网技术上与IEEE802、3/802、3u兼容,使用ISO与TCP/IP 通讯协议✧10/100M 自适应传输速率✧冗余24VDC 供电✧简单得机柜导轨安装✧方便得构成星型、线型与环型拓扑结构✧高速冗余得安全网络,最大网络重构时间为0、3 秒✧用于严酷环境得网络元件,通过EMC 测试✧通过带有RJ45 技术、工业级得Sub-D 连接技术与安装专用屏蔽电缆得FastConnect连接技术,确保现场电缆安装工作得快速进行✧简单高效得信号装置不断地监视网络元件✧符合SNMP(简单得网络管理协议)✧可使用基于web 得网络管理✧使用VB/VC 或组态软件即可监控管理网络。
工业以太网冗余原理1、引言在一个桥接得局域网里,为了增强可靠性,必然要建立一个冗余得路径,网段会用冗余得网桥连接。
但就是,在一个透明桥桥接得网络里,存在冗余得路径就能建立一个桥回路,桥回路对于一个局域网就是致命得。
它会带来如下问题:A、广播风暴B、同一帧得多份拷贝C、不稳定得MAC地址表因此,在交换网络中必须有一个机制来阻止回路。
2、生成树协议生成树协议就就是IT界中常用得机制、生成树协议就是一种桥嵌套协议,在IEEE 802、1d规范里定义,可以用来消除桥回路。
它得工作原理就是这样得:生成树协议定义了一个数据包,叫做桥协议数据单元BPDU(Bridge Protocol Data Unit)。
网桥用BPDU 来相互通信,并用BPDU得相关机能来动态选择根桥与备份桥。
但就是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在,所以桥回路被消除。
在一个生成树环境里,桥不会立即开始转发功能,它们必须首先选择一个桥为根桥,然后建立一个指定路径。
在一个网络里边拥有最低桥ID得将变成一个根桥,全部得生成树网络里面只有一个根桥。
根桥得主要职责就是定期发送配置信息,然后这种配置信息将会被所有得指定桥发送。
这在生成树网络里面就是一种机制,一旦网络结构发生变化,网络状态将会重新配置。
当选定根桥之后,在转发数据包之前,它们必须决定每一个网段得指定桥,运用生成树得这种算法,根桥每隔2秒钟从它所有得端口发送BPDU包,BPDU包被所有得桥从它们得根端口复制过来,根端口就是接根桥得那些桥端口。
BPDU包括得信息叫做端口得COST,网络管理员分配端口得COST到所有得桥端口,当根桥发送BPDU得时候,根桥设置它得端口值为零。
然后沿着这条路径,下一个桥增加它得配置端口COST为一个值,这个值就是它接收与转发数据包到下一个网段得值。
这样每一个桥都增加它得端口得COST值为它所接收得BPDU得包得COST值,所有得桥都检测它们得端口得COST值,拥有最低端口得COST值得桥就变为了指定得桥。
拥有比较高端口COST值得桥置它得端口进入阻塞状态,变为了备份桥。
在阻塞状态,一个桥停止了转发,但就是它会继续接收与处理BPDU数据包。
IEEE 802、1D规范包括了生成树算法(Spanning Tree Algorithm,STA),这就是一种确保转发循环永远不会发生得机制。
STA使用网桥协议数据单元(Bridge Protocol Data Units,BPDU),自动配置网桥上处于转发或阻塞状态得独立端口。
BPDU就是网桥发送到一个已保存得多播MAC地址(对于以太网,这个地址就是01-80-C2-00-00-00)得消息,所有透明网桥都会侦听该地址。
在阻塞状态下,端口不会获悉或转发已接收到得帧。
STA得最终结果就是一个无循环得桥接环境,不管局域网网段拓扑结构就是否改变,这个环境总就是一直存在。
生成树算法,决定了网络链路故障恢复时间,最少不低于15秒。
生成树得状态:运行生成树协议得交换机上得端口,总就是处于下面五个状态中得一个:阻塞:所有端口以阻塞状态启动以防止回路,由生成树确定哪个端口切换为转发状态,处于阻塞状态得端口不转发数据帧但可接受BPDU。
监听:不转发数据帧,但检测BPDU(临时状态)。
学习:不转发数据帧,但学习MAC地址表(临时状态)。
转发:可以传送与接受数据数据帧。
禁用:通常由于端口故障或交换机配置错误引起、3、Supreme-Ring协议Supreme-Ring协议就是在工业以太网使用得冗余机制。
Supreme-Ring协议与生成树协议有点相似,Supreme-Ring协议也定义了一种数据包,称为HELLO包,又称为WD包(Watch Dog Packets)。
交换机之间用HELLO包通信,在主交换机上动态选择主链路与备份链路。
但就是因为从中心桥到任何网段只有一个路径存在,所以桥回路被消除。
在工业冗余环网网络环境里,交换机不会立即开始转发功能,主交换机(Local)由手动指定,选择主链路与备份链路建立一个指定路径,由Supreme-Ring协议自动指定。
一个工业冗余环网网络里面只能有一个主交换机(Local)。
主交换机(Local)会定期发送配置信息,这种配置信息将会被所有得从交换机(Remote)发送。
一旦网络结构发生变化,网络状态将会重新配置。
当指定主交换机(Local)之后,在转发数据包之前,所有端口都以阻塞方式启动。
运用Supreme-Ring算法,主交换机(Local)选择最低COST值得端口作为主链路,另一条COST值高得端口作为备份链路。
备份链路不转发数据,只接收与处理HELLO包,处于热备(Hot Standby)状态。
从交换机(Remote)没有主链路与备份链路得区别。
Supreme-Ring 协议就是一种简洁高效得冗余协议,能够保证环网在链路故障时,在300ms之内恢复网络通信。
Supreme-Ring得状态:运行Supreme-Ring协议得交换机上得端口,总就是处于下面四个状态中得一个:阻塞:所有端口以阻塞状态启动以防止回路,处于阻塞状态得端口不转发数据帧但可接受HELLO包。
热备:不转发数据帧,但学习MAC地址表,在主链路故障时,在300ms之内,立刻进入转发状态。
转发:可以传送与接受数据数据帧。
禁用:通常由于端口故障或交换机配置错误引起。
4、结束语:工业网络环境需要快速反应冗余机制,生成树协议得15秒恢复时间,不能满足工业环境要求。
只有采用Supreme-Ring协议才就是工业网络环境得最佳冗余机制。
IEEE 802、1w与802、1s详解功能强大、可靠得网络需要有效地传输流量,提供冗余与故障快速恢复功能。
在第二层网络中,路由协议不可用,生成树协议通过从网格化物理拓扑结构而构建一个无环路逻辑转发拓扑结构,提供了冗余连接,消除了数据流量环路得威胁。
原始生成树协议IEEE 802、1D 通常在 50 秒内就可以恢复一个链接故障 [ 融合时?=( 2xForward_Delay ) +Max_Age] 。
当设计此协议时,这种停机还就是可接受得,但就是当前得关键任务应用(如语音与视频)却要求更快速得网络融合。
为加速网络融合并解决与生成树与虚拟 LAN ( VLAN )交互相关得地址可扩展性限制得问题, IEEE 委员会开发了两种新标准:在 IEEE 802、1w 中定义得快速生成树协议( RSTP )与在 IEEE 802、1s 中定义得多生成树协议( MST )。
本文介绍了 802、1w 与 802、1s 得主要特性、与传统生成树协议得互操作性,并提供了一些协议移植准则建议。
IEEE 802、1w 快速生成树协议IEEE 意识到原始 802、1D 生成树协议得融合特性与现代化得交换网络与应用相比就是有差距得,为此设计了一种全新得 802、1w 快速生成树协议( RSTP ),以解决 802、1D 得融合问题。
IEEE 802、1w RSTP 得特点就是将许多思科增值生成树扩展特性融入原始 802、1D 中,如 Portfast 、 Uplinkfast 与 Backbonefast 。
(浏览这些思科特性得具体信息 )通过利用一种主动得网桥到网桥握手机制取代 802、1D 根网桥中定义得计时器功能, IEEE 802、1w 协议提供了交换机(网桥)、交换机端口(网桥端口)或整个 LAN 得快速故障恢复功能。
通过将生成树“ hello ”作为本地链接保留得标志, RSTP 改变了拓扑结构得保留方式。
这种做法使原始 802、1D fwd-delay 与 max-age 计时器主要成为冗余设备,目前主要用于备份,以保持协议得正常运营。
除了下面章节中列举得新概念外, RSTP 引入了新得 BPDU 处理与新得拓扑结构变更机制。
每个网桥每次“ hello time ”都会生成 BPDU ,即使它不从根网桥接收时也就是如此。