GB/Z 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EtherNet/IP规范 第3部分：数据链路层

ICS25．040

N10

a园

中华人民共和国国家标准化指导性技术文件

26157．3—2010

GB／Z

测量和控制数字数据通信

工业控制系统用现场总线

第3部分：数据链路层

datacommunicationformeasurementandcontrol——

Digital

Fieldbusforinindustrialcontrol

usesystems--

2：ControINetand

EtherNet／IP

Typespecification--

Part3：Datalink

layer

(IECTYPE

61158：20032，M()D)

201

1—01—14发布

车瞀嬲案瓣譬辫瞥鐾发布中国国家标准化管理委员会仪19

26157．3—2010

GB／Z

目次

……’’’…‘

前言………

引言……·

1范围……ⅢⅣ1

2MAC帧………………1

2．1格式………………l

2．2前同步码…………．．2

--………一

2．3分隔符…2

2．4字节和排序………2

1D………··2

2．5源MAC

2．6所有Lpackets总的大小2

2．7循环冗余校验………·2

··2

2．8异常中止MAC帧

’Lpacket‘‘‘’‘+‘‘‘‘‘‘’’3

3．1格式………-………··3

3．2大小………………·-3

………--………

3．3控制3

3．4标签…4

3．5链路数据……--……··5

4协调器Lpacket………-·5

4．1格式…5

5建模浯占(资料性的)…··6

6外部接口…………··7

6．1发送服务……………··7

6．2队列维护服务………··8

63标签过滤管理………--8

6．4接收服务……--……··8

……··

6．5网络同步服务9

6．6同步参数变化……··9

6．7事件报告…--…………·

6．8无效CRC指示……·

6．9当前协凋器指示……

…

6．10上电……………

6．11启用协调器……-…．．

6．12只听…

7访问控制机(ACM)……

8TxI。I。C………………

9Rxl。l，C·················

10发送机(TxM)………

m¨n¨地地地船曲弘●

26157．3—2010

6B／z

11接收机(RxM)·

12并行串行转换器

13串行并行转换器

13．1字节构造…·

13．2CRC校验…·

13．3帧处理结束-

14DI，I，管理……·的瞄儿n””n

图1NuT结构…………

图2在调度时段的介质访问………··-ⅣV

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ISO／OSI模型的关系………·

图6MAC帧格式…·一VⅦ●0

图7在传输期间异常中止一个MAC帧0

图8I。packet格式…·0

图9固定标签I．packet格式………-·0

图10通用标签Lpacket格式………·0

表1数据链路层组件

表2固定标签服务定义

表3DI。I。事件………Ⅵ0加

26157．3—2010

GB／Z

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Ethernet／IP；

——类型3：PR()FIBUS；

一一类型4：P—Net；

类型5：FFHSE；

——类型6：SwiftNet；

——类型7：WorldFIP；

——类型8：Interbus；

——类型9：FFAI，；

——类型10：PROFINET。

611

本标准化指导性技术文件修改采用IEC58：2003((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EtherNet／1P规范第3部分：数据链路层》。

611

由于IEC58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

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-B／T1．1的要求进行编写。

261

GB／Z

Net／IP规范》分为如下10个部分：

GB／Z26157】一般描述；

261

GB／Z57．2物理层和介质；

GB／Z

26157．3数据链路层；

GB／Z261

57．4网络层及传输层；

26l

(；B／Z57．5数据管理；

261

GB／Z57．6对象模型；

GB／Z261

57．7设备行规；

GB／Z

26157．8电子数据表；

(；B／Z

26157．9站管理；

261

GB／Z57．10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。

124)归口。

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(SAC／TC

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。

Ⅲ

26157．3—2010

GB／Z

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

付的服务。

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。

1、同步的定时器。介质的访问由本地NuT细分而成的访问槽

每一节点都含有与本地链路的NU

ID为

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号都是唯

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

一的。DLL一旦检测到重复的MACID，则直即停止发送。

ID。

一种隐性的令牌传递机制用来授权访问介质。每一节点监测接收的每一MAC帧的源MAC

ID+

ID的MAC

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．则该节点就可以发送一个MAC帧。在其他情况下，该节

l。如果隐性令牌寄存器等于本地MAC

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

ID。所有节点的“隐性令牌

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

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。

579

注：时隙时间的计算在(iB／Z2612010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

ID。在每

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

一NUT中，0到SMAX之间的节点只有一次机会发送调度的数据，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

26157．3—2010

GB／Z

发送的数据量。

¨1l‘q

厂一

／

，

————

-一

』上＼

＼

呈3＼／』

一

入

●旦／＼弋＼

(隐性令牌)3#节点等待一个槽根据调度的时间的利用，这

每丢失一个OlUSMAX问的时间一边界线在NUT间移动

节点(MACID)，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

节点的MACID。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MACID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

UMAX，则它返回到0，令牌传递继续。

。。。。。。。一

0

}，

一!

jjI卜最大非调度

点可以发送多

不发送

就等待一个槽时间

圈3非调度期间的介质访问

GB／Z26157．3—2010

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I'HJ，具有最低MACID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，则最低MACID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Ⅱ发现另外的节点在线并发送其MAC11)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(TxI．I，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(RxI』I』C)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)

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

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

并行串行转换器

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

串行并行转换器

负责校验CRC

I)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。

26157．3—2010

GB／Z

网络层和传输层

r

站

管

理

物理层和介质

图4数据链路层内部结构

Ⅶ

26157．3—2010

GB／Z

测量和控制数字数据通信

工业控制系统用现场总线

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。

9387一致的OSI七层模

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GB／T

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。

8802156293I

注：数据链路层中的大多数术语和模型都采用白IS()／IEC4：1990或GB／T995中的术语。所用

26】575

的数据类型在GB／Z2010：数据管理中的描述。

)SI参考模犁的分层ContmlNet嘲络的分层

第10部分：对

象库

第9部分：站

管理

图5与ISO／OSI模型的关系

2MAC帧

2．1格式

各部分按以下顺序发送：前同步码、起始分隔符、源MAC

GB／Z26157．3—2010

(16比特)(8比特)(8比特)／，O：N510字节、、(16比特)(8比特)

／／＼＼

／／＼＼

／、

臣歪工至丑[二工至卫

图6MAC帧格式

2．2前同步码

前同步码由16个连续的MAC—Symbols{1)组成。

261572

注：GB／Z2010(物理层)定义了MAtSymbols。

2．3分隔符

起始分隔符由{+，0，，+

{1，0，0，1，+，，+，}这些MAC

保留给起始和结束分隔符。

2．4字节和排序

源MAC

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。

2．5源MACID

ID。

源MACID字节应在1～254范围内。为了执行链路维护，一个节点可以临时设为零MAC

26I

注：GB／Z57．92010站管理进一步将合法的源MAC1D值限定在0～99的范围。

2．6所有Lpackets总的大小

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。

2．7循环冗余校验

1

CRC使用一个改进的CClTT6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。

2．8异常中止MAC帧

注：本指导性技术文件的某些实现nr以在创建MAC帧的同时发送该MAC帧。如果』二层只提供了帧的一部分给

数据链路层，DLL就已经开始该帧的发送且认为余下部分会很快提供．那么如果不能足够快的提供该帧的余

下部分给DI，L来完成本次发送，则·个发送下溢发生。

为了异常中止一个部分已发送的MAC帧，数据链路层应发送下列序列：

——一个0xFF字节；

——起始分隔符；

——结束分隔符。

注1：尽管DI。I。装配整个MAC帧时包括分隔符在内，但是物理层还是要执行起始和结束分隔符的检测。当一个

MAC帧包含没有被结束分隔符分隔的两个起始分隔符时，物理层将认为是一个发送异常中止，如图7

所示。

注2：为了避免违反控制介质上连续物理符号关系的物理层约束条件，0xFF字节插八到一对起始分隔符7结束分

隔符之前。

2

26157．3—2010

GB／Z

没有被～个结束分隔符分隔的两个起始分隔符将认为是一个异常中止MAC包

图7在传输期间异常中止一个MAC帧

3．1格式

PDu。I。packet的各部分应按照下列顺序传输：大小、控制、标签和链路数据，如图8所示。

图8Lpacket格式

3．2大小

标签和链路数据字段，按以下列规则来计算：

——组合在一起，大小和控制应计算为一个双字节；

——从标签到链路数据字段的双字节数应分别计算，奇数字节的计算应向上舍人；

由于向上舍入而引起的额外字节。

但是，该Lpacket在MAC帧中占有2+3十g一14字节。

3．3控制

3．3．1比特0和比特4(Lpacket的类型)

I。packet是一个通用标签I。packet。

44

注：术语固定标签Lpackel和术语通用标签1．packet在oi和32中定义。

控制字段的比特4是比特0的取反。如果比特0清零，则比特4置位。如果比特0置位，则比特4

清零。

3．3．2比特1(奇数的标签大小)

控制字段的比特1用于指示标签字段是含有偶数个还是奇数个字节。当清零时(比特1—0)，该比

特表示标签含有偶数个字节。当置位时(比特】一1)，表示标签含有奇数个字节。

3．3．3比特2(奇数的链路数据大小)

控制字段的比特2用于指示链路数据字段是含有偶数个还是奇数个字节。当清零时(比特2=

0)，该比特表示链路数据含有偶数个字节。当置位时(比特2—1)，表示链路数据含有奇数个字节。

3．3．4比特3、5、6和7(保留比特)

控制字段的比特3、5、6和7是保留比特，其值为0。

26157．3—2010

GB／Z

3．4标签

3．4．1固定标签

每一固定标签由两个字节组成，如图9所示。第一个字节应指明表2中所规定的服务。第二个字

节应为目的地址。目的地址或者是一个MACID或者是表示广播地址的0xFF。

26157．92010)和建立连接(GB／Z2615742010)。

注：固定标签I．packet通常用于站管理(GB／Z

～、

三～～～蓝丑

图9固定标签Lpacket格式

表2固定标签服务定义

固定标签服务含义定义之处

oxOO协调器2615732010)

数据链路层(GB／Z

ox01——ox08厂商规定

ox09261579201

查验(Ping)请求站管理(GB／Z0)

0xOA0X14厂商规定

0x15tMinus9

站管理(GB／Z261572010)

0x160x28厂商规定

0x292615792010)

查验(ping)应答站管理(GB／Z

0x2A——0x3F厂商规定

0x400x6F保留

Ox700x7F厂商规定

0x80I’malive2615792010)

站管理(GB／Z

0x81链路参数2615792010)

站管理(GB／Z

0x82保留

0x83UCMM26157．4-2010)

网络层和传输层(GB／Z

0x84TUI26157lO20l

保持器对象(GB／Z0，第24】章)

0x85IP261574

英特网协议(GB／Z2010，第9章)

0x86WAMl2615792010)

站管理(GB／Z

0x87保留

0x8826157

KeeperUCMM网络层和传输层(GB／Z4～2010)

0x8印261574

蹦太刚以太网信息包，地址解析协议(GB／Z2010，第9章)

0x8A0x8B保留

Ox8F9

0x8C时间发布站管理(GB／Z261572010)

0x90261579

debug站管理(GB／Z2010)

0x910xAF保留

0xD0OXEF组地址26l57．32010)

数据链路层(GB／Z

0XF00XFF厂商规定

26157．3—2010

GB／Z

3．4．2通用标签

图10所示。0xD0到OxEF范围的固定标签应保留，以允许连接标识符的成组筛选。

Z61574

注：通用标签用于处于连接时传送数据。网络层和传输层(GB／Z2010)管理这些标签。

图10通用标签Lpaeket格式

3．5链路数据

链路数据字段包含一个传输SDU。

固定标签Lpacket的最小长度为7字节(最小链路数据为3字节)。

通用标签Lpacket的最小长度为5字节(最小链路数据为0字节)。

4协调器Lpacket

4．1格式

固定标签0x00的Lpacket称为协调器I．packet，其链路数据应为以下形式

class

moderatorLpacket：publicfixedLpacket

{

public：

UINToftheNUTin10increments

Nut—length；／／thelengthVs

USINTMACIDallowedtotransmitscheduled

smax；／／highest

USINTumax：MACIDallowedtotransmitunscheduled

／／highest

USINTslotTime：／／l”sincrementsallowedforlineturnaround

RX

USINT6”sincrementstodisableafterMACframe

blanking：／／1

USINTintervalsfromstartoftotone

gb—start；／／i0“sguardband

USINTintervalsfromstartofmoderatortotone

gb—center；／／i0ps

USINTstart

usr；／／unscheduled

register

USINTNUTto

interval—count；／／currentnumber(0modulus)

USINToftheintervalcounter

modulus；／／modulus

USINTtMinus；tolink

／／countdownsynchronisedparameterchange

USINTintervalsbefore

cut—off，10"stone

gb_prestart；／／transmit

USINT

reserved；／／

}；

协调器Lpacket应由最低MAC113节点每NUT发送一次。

(500000(100

ps)到10

5

26157．3—2010

GB／Z

length加载的计数器。

26157．9

注：站管理(GB／Z2010)进一步限定了NUIIlength的值。

都应停止发送。所有的节点都可以认为在gb

应在该递减计数器超时前30ps内被完整的发送。

261579

注：站管理(GB，7Z2010)计算gbpreslart，gb

cen—

Ter)7。

的非调度部分发送的最高MAC

单位。

NUT相对应。

261579

注：站管理(GB／Z2010)进一步限定了smax、Hn]HX、blanking和modulus的值。

该在8～254的范围内，其他值被保留。reserved字节应置为0。

5建模语言(资料性的)

数据链路层的一些组件使用一个状态机描述语言来定义。操作语句用【：++来表示。其他不需要

状态机描述的组件仅用(、++定义。

状态机使用下列语法来描述，*表示一个或多个前述组件的重复，{}表示一个可选组件：

state-machine：=

(header—statements)

state”

state：=

“state：”(state-name}

transition”

transition：=

“event：”<event—expression>

rcondition：”(condition-expression>)

“destination：”(state-name)

raction：”(action-statements>)

state

name是合法的c++标识符，eventexpression和condition

headerstatements和act