GBZ 26157.3-2010 测量和控制数字数据通信 工业控制系统用现场总线 类型2:ControlNet和EtherNetIP规范 第3部分:数据链路层.docx
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1、ICS 25040a园N 10中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GBZ 2615732010测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNet和EtherNetIP规范第3部分:数据链路层Digital data communication for measurement and control Fieldbus for use in industrial control systems-Type 2:ControINet and EtherNetIP specification-Part 3:Data link layer(IEC 61158:2003 TYPE 2
2、,M()D)201 10114发布20110601实施中车国瞀国嬲家案标准瓣化譬管辫理瞥委员鐾会发仪布19GBZ 2615732010目次前 言 引 言 - 1 范 围 2 MAC 帧 21格式22前同步码23分隔符 -一24字节和排序25源MAC 1D- 26所有Lpackets总的大小27循环冗余校验28异常中止MAC帧 Lpacket+31格式-32大小-33控制 -34标签35链路数据- 4协调器Lpacket- 41格式5建模浯占(资料性的)6外部接口-61发送服务62队列维护服务6 3标签过滤管理-64接收服务-6.5 网络同步服务 6.6 同步参数变化 67事件报告-68无效CR
3、C指示69当前协凋器指示610上电 611启用协调器-612只听7访问控制机(ACM)8TxI。I。C9Rxl。l,C10发送机(TxM)11l22222223333455567788899mn地地地船曲弘6Bz 261573201011接收机(RxM)12并行串行转换器13串行并行转换器131字节构造13.2 CRC校验 133帧处理结束-14DI,I,管理图1 NuT结构 图2在调度时段的介质访问- 图3非调度期间的介质访问图4数据链路层内部结构 图5与ISOOSI模型的关系 图6 MAC帧格式-一图7在传输期间异常中止一个MAC帧图8 I。packet格式 图9固定标签Ipacket格式
4、- 图10通用标签Lpacket格式表1数据链路层组件表2固定标签服务定义表3 DI。I。事件的瞄儿n”nVV000000加2615732010GBZ刖舌IEC 61158:2003测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线包括了lo种现场总线类型:类型1:IEC技术报告;类型2:ControlNet和EthernetIP;类型3:PR()FIBUS;一一类型4:PNet; 类型5:FF HSE;类型6:SwiftNet;类型7:WorldFIP;类型8:Interbus;类型9:FF AI,;类型10:PROFINET。本标准化指导性技术文件修改采用IEC 611 58:2003(测量和控
5、制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNet和EtherNet1P规范第3部分:数据链路层。由于IEC 611 58系列标准将lo种现场总线技术混合在一起进行编写,不便于国内的工程技术及相关人员对各种总线技术的阅读和理解,因此全国工业过程测量和控制标准化技术委员会在采用国际标准时,只采用了其中在国内有广泛应用的类型2:ControlNet和EtherNetIP规范的相关技术内容,并根据技术开发人员的习惯将其分为lo个部分进行编写。在技术内容上与国际标准没有差异,为方便我 国用户使用,在文本结构编排上进行了适当调整,并按C-BT 11的要求进行编写。GBZ 261 57测量和
6、控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNet和Ether NetIP规范分为如下10个部分:GBZ 26157】一般描述;GBZ 261 572物理层和介质; GBZ 261573数据链路层; GBZ 261 574网络层及传输层; (;BZ 26l 575数据管理;GBZ 261 576对象模型;GBZ 261 577设备行规; GBZ 261578电子数据表; (;BZ 261579站管理; GBZ 261 5710对象库。本指导性技术文件为第3部分。本指导性技术文件由中国机械工业联合会提出。本指导性技术文件由全国c业过程测量和控制标准化技术委员会(SACTC 124
7、)归口。本指导性技术文件起草单位:机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、清华大学、西南大学、北京钢铁设计研究总院、中国仪器仪表协会、中国机电一体化技术应用协会、上海自动化仪表股份有限公司、上海 工业自动化仪表研究所、上海电器科学研究所(集团)有限公司、罗克韦尔自动化研究(上海)有限公司。本指导性技术文件主要起草人:郑旭、梅恪、陈开泰、王锦标、彭瑜、刘枫、包伟华、复德海、董景辰、阮于东、李百煌、王春喜、王玉敏。引言数据链路层(DDI。)的主要任务是与同一链路上的其他数据链路层协作,来决定允许在介质上进行发送的授权。在其与r层的接口,DDI为网络层、传输层和站管理提供服务数据单元(SDU)接收和交
8、付的服务。DDI,协议基于一个称为网络更新时间(NUT)的固定的、重复的时间周期。NuT在链路上所有的节点中保持严格的同步。如果一个节点的NUT与当前链路上使用的NUT不一致,则该节点不允许在介质r发送。不忙4的链路可能有不同的NUT。每一节点都含有与本地链路的NU 1、同步的定时器。介质的访问由本地NuT细分而成的访问槽来决定。对媒体的访问是基于节点的MAC、|II)的排序顺序进行的。为了允许一个临时的MAC ID为零的节点执行链路维护,在访问|办议中加入r特定的行为。一个链路上所有节点的MAC ID号都是唯一的。DLL一旦检测到重复的MAC ID,则直即停止发送。一种隐性的令牌传递机制用来
9、授权访问介质。每一节点监测接收的每一MAC帧的源MAC ID。在MAC帧的结束,每一D1工将一个“隐性令牌寄存器”设置为等于所接收的源MAC ID的MAC ID+ l。如果隐性令牌寄存器等于本地MAC ID则该节点就可以发送一个MAC帧。在其他情况下,该节点或者等待来自“隐性令牌寄存器”所指定的节点的一个新MAC帧,或者等待一个超时值,如果指定节点发送失败的活。无论哪种情况,“隐性令牌”都自动地增量到下一个MAC ID。所有节点的“隐性令牌寄存器”都含有相同的值,以避免介质上的冲突。超时周期(称为“时隙时间”)基于以下所需时间的总和:当前节点侦听到前一节点的发送的结束;当前节点开始发送;下一节
10、点侦听到当前节点发送的开始;时隙时间被调整以补偿介质的总长度因为介质的传播延迟会影响以上所列的第一项和最后一项。注:时隙时间的计算在(iBZ 261 5 7 9 2010站管理中规定。每个NUT分为三个主要部分:调度的。非调度的和维护段,如图1所示。这一序列在每一NUT中重复。隐性令牌传递机制用于在蒯度的和非蒯度的时间间隔内授权访问介质。数据链路层协议图1NUT结构在NUT调度的部分,从节点0开始到节点SMAX结束的每一节点,都有一个机会发送对时间有严格要求(调度)的数据。SMAX是在NUT调度的部分能访问介质的最高编号节点的MAC ID。在每一NUT中,0到SMAX之间的节点只有一次机会发送
11、调度的数据,且每个节点在调度的时段内对介质的访问机会是均等的。这允许在NUT调度的部分发送的数据以可预知和确定的方式进行传送。图2 显示了在凋度时段内如何授权允许发送。网络层和传输层调节在这调度的令牌传递期间每一节点可以发送的数据量。1lq厂一,-一一上呈3入 旦弋(隐性令牌)每丢失一个OlUSMAX问的3#节点等待一个槽时间根据调度的时间的利用,这一边界线在NUT间移动节点(MAC ID),其他节点就等待一个槽时间图2在调度时段的介质访问在NuT非调度的部分,从0到UMAX的每一节点都享有以循环的方式发送对时间无严格要求的数据的机会,直到所分配的NUT时间用尽。UMAX是在NUT的非调度部分
12、能访问介质的最高编号 节点的MAC ID。从0到UMAX的每一节点可能有零个、一个或多个传送非调度数据的机会,这取决于调度的时段完成后此NuT还剩多少。每一NUT中,在非调度时段内访问介质的机会对每一节点可能会不同。图3显示了在非调度时段内如何授权允许发送。对每一NuT来说,在NUT的非调度部分 的起始节点的MAC ID每次加l。非调度的令牌从前一协调帧的非调度起始奇存器(USR)所规定的MAC 1D开始。USR以UMAX+1为模每一NUT加1个模。如果USR在维护段之前达到rUMAX,则它返回到0,令牌传递继续。一,卜一!jjI就等待一个槽时间0最大非调度点可以发送多不发送圈3非调度期间的介
13、质访问当到达维护段时,所有节点停止发送。如果一次发送不能在维护段开始前完成,则该节点不被允许开始这一发送。在维护段期IHJ,具有最低MAC ID的节点(称为“协凋器”)发送一个维护信息(称为“协调帧”),它完成以下两件事情:保持所有节点的NUT定时器同步;发布关键的链路参数,使得本地DI。I。组的所有成员能够共享重要I)I。I。值的共同版本,如NUT、时隙时间、SMAX、UMAX等。协调器发送协调帧,重新同步所有节点并重新启动NuT。接收一个有效的协调帧后,每一节点将 其内部值与协调帧所发送的值相比较。使用与协调器不一致的链路参数的节点自己不能工作。如果在两个连续的NuT内没有收到协调帧,则最
14、低MAC ID的节点担当起协调器的角色,在第3个NUT的维护段开始发送协调帧。协调器节点一发现另外的节点在线并发送其MAC 11)比自己的还低的帧时,则立即取消自身的协调器角色。呵能引起I)I。I,访问协议中断的典型情况包括:链路上引入的噪声:质量低劣的电缆或终端器;网络正在运行时物理地将两个链路连接在一起。这一中断的通常结果是可能会造成节点间在哪个节点该发送问题上的不一致,这称为网络的“非合 作”。当节点不符合相同的链路配置参数时会出现另一个潜在的问题。一个与协调器发送的链路参数不一致的节点称为“游离节点”,并立即停止发送。DI上访问坍议将企图修复一个游离节点,并使其回 到在线。在数据链路层
15、中,访问控制机(ACM)主要负责检测和修复网络中断。ACM的主要任务是:确保本地节点检测及充分地利用协议中分配给它的槽;确保本地节点不会下扰其他节点的发送,特别是协调器节点;无论协调帧是否收到,按时启动下一NUT;如果本地节点是协调器,则严格地按时发送每一协调帧。数据链路层由表l的组件构成:表1数据链路层组件组件描述访问控制机(ACM)接收和发送控制帧及头部信息,决定发送的时间表和持续时间发送【C(TxII,C)缓冲来自站管理、嘲络层和传输层的SDU,决定下一个要发送的SDU接收I。I。(1(RxIIC)执行检验所接收到的链路信息包的任务,直到它们被一个好的CRC确认有效发送机(TxM)接收发
16、送MAC帧头部、尾部和来自ACM的Ipacket的请求,将其分解为要传送到并 行串行转换器的字节符号请求接收机(RxM)把从串行并行转换器接收的字节符号装配成接收的I。packet,并把他们提交给RxI。I,C并行串行转换器串行并行转换器接收字节符号,对其编码和串行化,把它们作为MAC符号传送给物理层。同时也负责生成CRC接收来自物理层的MAC符号,转换MAC符号为字节并传送他们到接收机。同时也负责校验CRCI) I。I。管理接口保持属于DI。1J的站管理变量帮助管理链路参数的同步改变这些组件的内部安排以及他们的接口见图4。箭头指明了控制和数据流的主要方向。网络层和传输层r站管理物理层和介质图
17、4数据链路层内部结构2615732010GBZ测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2:ControlNet和EtherNetIP规范第3部分:数据链路层1 范围本指导性技术文件规定了在具有确定性的控制网络上节点的数据链路层需求。本指导性技术文件适用于确定性控制网络的数据链路层对应于与GBT 9387一致的OSI七层模型中的第二层定义。图5给出J在OSI模型中数据链路层的位置。注:数据链路层中的大多数术语和模型都采用白IS()IEC 8802 4:1990或GBT 1 5629 3I 995中的术语。所用的数据类型在GBZ 26】57 5 2010:数据管理中的描述。)SI参考模犁的
18、分层ContmlNet嘲络的分层第10部分:对象库第9部分:站管理图5与ISOOSI模型的关系2 MAC帧21格式图6所示的MAC帧是对等进程的数据链路层协调发送许可的协议数据单元(PDU)。MAC帧的 各部分按以下顺序发送:前同步码、起始分隔符、源MAC ID、零或多个LpacketsCRC和结束分隔符。(16比特)(8比特)(8比特),O:N510字节、(16比特)(8比特)、22前同步码臣歪工至丑二工至卫图6MAC帧格式前同步码由1 6个连续的MACSymbols1)组成。注:GBZ 261 57 2 2010(物理层)定义了MAtSymbols。23分隔符起始分隔符由+,0,+1,0,
19、0,1,+,+,这些MAC 保留给起始和结束分隔符。 24字节和排序l,0,l这些MACSymbols组成,从左向右发送。结束分隔符由Symbols组成,从左向右发送。非数据的MACSymbols的使用将源MAC ID、Ipackets和CRC都由字节组成。一个字节应严格的由8个MACSymbols组成,其中每个MACSymbols或者是0或者是1)。字节应按低位比特在先的方式转送到物理层。多字节的 字段应按低位字节在先的方式发送(低字节优先模式)。注:Lpackets在第3章定义。25源MACID源MAC ID字节应在1254范围内。为了执行链路维护,一个节点可以临时设为零MAC ID。注:
20、GBZ 26I 579 2010站管理进一步将合法的源MAC 1D值限定在099的范围。26所有Lpackets总的大小零或多个1packets应连接在一起放到一个MAC帧中,并遵守一个MAC帧中构成所有1packets 的最大字节数应为510的限制。一个Lpacket字段为空的MAC帧称为宅帧,由一个表示它没有数据 要发送的节点传送。一个节点在它每个必须发送机会时,总是要传送一个MAC帧。27循环冗余校验CRC使用一个改进的CClTT 1 6位多项式:卫”+工”_卜工。+1。每个帧中应包括两个CRC字节。注:CRC的牛成在第12章中详述。28异常中止MAC帧注:本指导性技术文件的某些实现nr
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