第2章工业网络与通信基础知识课件.ppt

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1、2022/12/11,1,现场总线技术,第二章 工业网络与通信基础知识,Delivered by Dr. GAO FengTel: +86 (451) 82518714Email: ,2022/12/11,2,本章内容,2.1 工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念 2. 数据编码 3. 数据传输 4. 差错控制2.2 工业网络物理结构 1. 网络的传输媒介 2.工业通信网络的拓扑形式 3.介质访问控制方式 2.3 开放系统互连参考模型 1. OSI参考模型 2. 网络互连 3. 现场总线通信协议模型,2022/12/11,3,2.1 工业网络通信基础,1.工业数据通讯的基本概念 通信

2、：彼此间的信息交换，完成信息从一个地方到另一个地方的传递。信息：一种带有普遍性的关系属性，是物质存在方式及其运动规律、特点的外在表现；是生物体或具有一定功能的机器通过感觉器官或相应设备同外界交换的内容的总称。信息就是人们要通过通信系统传递的内容。数据：是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。数据是传递信息的实体，信息是数据的内容和解释。信号：将信息转换为适合在通信信道上传输的电编码、电磁编码或光编码，这种在信道上传输的电/光编码叫做信号。分为模拟信号和数字信号。,工业数据通信的实质和任务就是把计算机技术和通信技术相结合，并应用于工业自动化领域，通过智能的现场设备把车间层和设备层

3、的工业数据安全准确的传送到上层网络中。,2022/12/11,4,2.1 工业网络通信基础,1.工业数据通讯的基本概念 码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。一个单比特码元用一位二进制数表示。数据传输速率比特率(Bit Rate)：数据传输速率 (bps，b/s)，每秒钟传递数据的位数。波特率（Baud Rate）：信号传输速率（baud）。每秒钟传递的信号脉冲（波形）数，也是每秒钟传送的码元数。二者关系: （M为信号的有效状态数，即码元数） 误码率(Bit error rate)：信道传输的可靠性指标P= 错误的位数 / 传输的总位数信道（Channel）：传送信息的线路（

4、通路）数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。信道带宽（Band Width）：数据通信系统的信道传输的是电磁波（包括无线电、微波、光波等），带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。信道容量（ Channel capacity）：某个信道传输数据的最大传输速率，即在单位时间内可能传送的最大比特数。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。,2022/12/11,5,2.1 工业网络通信基础,2.数据编码 为什么要进行数据编码？工业数据通信系统的任务：工业数据通信的系统中，数据通常是以离散的二进制数0，1序列的方式来表示

5、的，即用0，1序列的不同组合来表示不同的信息内容。 通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通信各方的认同，编码分为数字编码和模拟编码 。数字数据的数字编码定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、Manchester编码等。非归零码:曼彻斯特编码：以电压跳变作为数字信号的值，也可作为时钟，具有内在的时钟信息。,2022/12/11,6,2.1 工业网络通信基础,曼彻斯特编码,2022/12/11,7,2.1 工业网络通信基础,2.数据编码 数字数据的模拟编码（调制编码）定义：用模拟信号来表示数据的0、1

6、状态。对数据进行模拟编码后可以使其在现有的某些网络上进行传送。发送时，将数字信号转换成模拟信号，到接收端后再把它还原为数字信号。编码方式：选择某一频率的正弦波作为载波，利用数字信号的变化分别对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制，从而达到模拟编码的目的。调制：将数字数据“寄载”到载波上的过程称为“调制”。解调：从载波上取出它所携带的数字数据的过程称为“解调”,2022/12/11,8,2.1 工业网络通信基础,2.数据编码 数字数据的模拟编码（调制编码）模拟编码常用的技术有： 1）幅移键控（ASK, Amplitude Shift Keying）：用载波的两个不同振幅表示0和1，效率低，

7、易受干扰。 2）频移键控（FSK，Frequency Shift Keying ）：用载波的两个不同频率表示0和1，不易受干扰，现场总线的HART通信信号就采用这种编码方式。 3）相移键控（PSK，Phase Shift Keying ）：用载波的起始相位的变化表示0和1，具有较强的抗干扰能力，效率较高 。,2022/12/11,9,2.1 工业网络通信基础,3. 数据传输 数据通信方式（数据流动方向）单工：传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反方向的传送。 半双工：信息流可在来过那个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。 全双工：同时进行双向通信，与半双工相比效率高，但结构复杂，成本

8、较高。数据传输方式串行传输 数据传输时，数据流是以串行方式逐位地在一条信号上传输。具有成本低、容易实现、控制简单、长距离通信可靠性高等的特点，应用最为广泛 。并行传输 将数据以成组的形式在多条并行的通道上同时传输。传输速率高，但需要的数据线多，短距离可以忍受；长距离通信时，会有成本和可靠性差等问题。并行传输一般用于计算机和打印机间的通信 。,2022/12/11,10,2.1 工业网络通信基础,3. 数据传输 数据传输方式异步传输 该方法以字符为单位发送数据，一次传送一个字符，每个字符可以是5位或8位，在每个字符前要加上一个起始位，用来指明字符的开始；每个字符后面还要加上一个终止码，用来指明字

9、符的结束。异步传输使用的是字符同步方式。异步传输方式下的每一个字符的发送都是独立和随机的，它以不均匀的传输速率发送，字符间隔是任意的。同步传输 该方法是以数据块（帧）为单位进行传输的，数据块的组成可以是字符块，也可以是位块。在同步传输时，发送端和接收端必须同步。同步传输时，在每个数据块的前面加上一个起始标志，指明数据块的开始；在数据块的后面也要加一个标志，指明数据块结束，接收方根据起始标志和结束标志成块的接收数据。,2022/12/11,11,2.1 工业网络通信基础,4. 差错控制 数据在通信线路上传输时，由于各种各样的干扰和噪声的影响，往往会使接收端不能收到正确的数据，这就产生了差错，即误

10、码。 产生差错的原因：信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射；串扰；闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。如何提高通信质量？采用高质量的通信线路在外部采取抗干扰措施采用差错控制方法一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。检测码纠错码,2022/12/11,12,2.1 工业网络通信基础,几种常用的检错码和纠错码：奇偶校验（Parity Checking）编码规则：首先将要传递的信息分组，各组信息后面附加一位校验位，校验位的取值时的整个码字中“1”的个数为奇数或偶数。如果形成的码字中“1”

11、的个数为奇数，成为奇校验；是偶数，成为偶校验。这种方法一般用于简单的并且对通信错误要求不十分严格的场合。举例：原始数据=1100010，采用偶校验。 则增加校验位后的数据为11100010 若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。,2022/12/11,13,2.1 工业网络通信基础,几种常用的检错码和纠错码循环冗余校验（CRC , Cyclic Redundancy Check） 一种通过多项式除法检测错误的方法。检错思想：在发送端对传输序列进行一次除法操作，将余数附加在传输信息的后面，在接收端，也

12、进行同样的除法过程，如果接收端的除法结果不是零，则表明数据传输出现了错误。 编码规则：收发双方约定一个生成多项式G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1）发送方在帧的末尾加上一个检验和，使带检验和的多项式能被G(x)整除；接收方收到后，用接收结果除多项式G(x)，若有余数，则传输有错,2022/12/11,14,2.1 工业网络通信基础,循环冗余校验（CRC , Cyclic Redundancy Check）校验和计算方法若G(x)为r阶，原帧为m位，其多项式为M(x)，则在原帧后面添加r个0，帧成为m+r位，相应多项式xr M(x) 按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xr M(x)

13、的位串，得出余数按模2加法把xr M(x) 的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x) T(x) = xrM(x) + xrM(x) MOD2 G(x) 举例：例2-1：若数据序列M(x)为1101，0110，11，生成多项G(x)=x4+x+1，即10011，求T(x) 。例2-2：若数据序列M(x)为1010，001，生成多项式G(x)=x4+x2+x+1，即10111，求T(x)。,2022/12/11,15,2.1 工业网络通信基础,循环冗余校验（CRC, Cyclic Redundancy Check）,关于CRC中的生成多项式：不是随便选定的，它的结构和检错效果

14、是要经过严格的数学分析与实验后确定的。 目前已有多种生成多项式被列为了国际标准， CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 能检查出99.95%以上的错误。,2022/12/11,16,2.1 工业网络通信基础,几种常用的检错码和纠错码海明码和海明距离海明码是一种纠错码，其基本思想是：将待传信息码元分为许多长度为k的组，每一组后再附加r个校验位，从而构成n=k+r位的分组码；位号为 的为校验位，其余位为信息位，每个校验位和某几个特定的信息位构成偶（或奇）校验关系。海明距离：在一个有效的编码集中，任意两个码字对应位取值不同的个

15、数的最小值称为该编码集的海明距离。即对两个码字进行异或运算，其结果中“1”的个数就是海明距离。(p22) 例：有效编码集10110、11010的海明距离？ 有效编码集10101、01111的海明距离？,2022/12/11,17,2.2 工业网络物理结构,1、网络的传输介质 传输介质是网络中连接各个节点的物理通路，也是通信中传送信息的载体。 有线传输介质：双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。 工业通信中常用的是有线传输介质。双绞线（twisted pair)由绞和在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约为1mm。工业控制系统中常用的信号

16、电缆就是双绞线。 计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted Pair) 特点：抗干扰性好，性能高，成本高，工业通信系统使用较多。非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair) 分类和特点：1、2、3、4、5类线，性价比高，使用广泛。,2022/12/11,18,2.2 工业网络物理结构,1、网络的传输介质同轴电缆(coaxial cable) 由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的套管，内外导体之间有绝缘层。支持点到点连接，也支持多点连接。同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆优点：

17、抗干扰性强（特别是高频时）；缺点：可靠性不好，容易出现故障，连接不方便，很少使用。光缆(optical fiber)：即光导纤维。根据制作材料的不同，分为玻璃光纤、塑料光纤等，玻璃光纤价格要高于塑料光纤，但其性能也高于后者。特点：依靠光波承载信息；速率高，通信容量大，仅受光电转换器件的限制；传输损耗小，适合长距离传输；抗干扰性能极好，保密性好；轻便；价格高，连接不方便。无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使用的不多。,2022/12/11,19,2.2 工业网络物理结构,2. 工业网络的拓扑形式 工业网络中的拓扑形式

18、就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和树形等。总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工业通信网络中最常用的一种拓扑形式。特点：通信可以是点对点方式，也可以是广播方式；接入容易，扩展方便，节省电缆；网络中某个节点发生故障时，对整个系统的影响较小，可靠性较高。在一定长度的总线上，所连接的从站设备的数量、分支电路的多少和长度都要进行限制。,2022/12/11,20,2.2 工业网络物理结构,2. 工业通信网络的拓扑形式 星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变种。常用于分级的主从式

19、网络，采用集中控制，中央节点就是控制核心，在商业和民用网络中使用较多。特点维护、管理简单；每个结点的通信负担很小，所以冲突小；网络延迟时间短，误码率低；增加节点时成本低；可靠性差，当中央节点故障，整个网络瘫痪。,2022/12/11,21,2.2 工业网络物理结构,2. 工业通信网络的拓扑形式 环形：通过网络节点点对点的链路的连接，各节点通过网络接口卡和干线耦合器连接，构成一个环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。特点各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；扩充不便；一个设备故障会导致整个网络瘫痪，因此在一些重

20、要的场合需要采用双环。,2022/12/11,22,2.2 工业网络物理结构,3. 介质访问控制方式 介质访问控制方法（协议）： 在计算机网络中，不管采用什么样的拓扑形式连接，传输介质总是作为各站点的共享资源的。将传输介质的频带有效地分配给网络上各站点的用户的方法。介质访问控制方法对网络的响应时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度上取决于所选用的介质访问控制协议。最常用的三种介质访问控制方式：带冲突检测的载波监听多路访问方式CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）；令牌环（Token Ring）介质

21、访问方式；令牌总线（Token Bus）介质访问方式。,2022/12/11,23,2.2 工业网络物理结构,3. 介质访问控制方式-三种常用方式 1）带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD载波监听多路访问网络站点监听载波是否存在，即判断信道是否被占用，并采取相应的措施，它是一种争用协议。原则：发前监听，空闲即发，忙时等待。不足：发时不检测，即使冲突已经发生了，仍然要把已破坏的帧发完，总线利用率降低。 带冲突检测的载波监听多路访问该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为IEC802.3，就是以太网标准，已在局域网中广泛使用。原则：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避，停止

22、发送，并向总线上发一串阻塞信号，通知总线上各站点冲突已发生。,2022/12/11,24,2.2 工业网络物理结构,2）令牌环（Token Ring）介质访问方式令牌：一种特殊的“帧”。工作过程谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；如果地址不符合，则直接将帧送回环中。数据循环一周

23、后由发送站回收。从返回的帧状态位得知发送成功后，将该帧从环上移走，同时将忙令牌改为空令牌，并把它传至后面的站点，使之获得发送帧的权利。循环的方向必须固定，要么准时针，要么逆时针。轻负载时，等待令牌需要时间，效率低；重负载时，对各站点公平，效率高。,2022/12/11,25,2.2 工业网络物理结构,3）令牌总线（Token Bus）介质访问方式工作过程：在物理总线上建立一个逻辑环，在这个逻辑环中，令牌依次传递，站点只有取得令牌才能发送数据帧。 特点因为只有拥有令牌的站点才能发送数据帧到总线，所以就避免了冲突；令牌总线的帧可以设置得很短，和CSMA/CD相比，这样减少了开销，相当于增加了网络的

24、容量。令牌总线是现场总线中最常用的介质控制方式，比如PROFIBUS 。,2022/12/11,26,2.2 工业网络物理结构,3. 介质访问控制方式 多路复用技术 为了有效的利用通信电路，总是利用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术，在远距离传输时，多路复用技术可以大大节省电缆的安装和维护费用。 多路复用技术种类频分多路复用时分多路复用,2022/12/11,27,2.2 工业网络物理结构,3. 介质访问控制方式 频分多路复用（ Frequency Division Multiplexing） 在物理信道能提供比单路原始信号宽得

25、多的带宽的情况下，可以把该物理信道的总带宽分割成若干个与单路信号带宽相同（为了避免相互干扰也可以稍微宽一点）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用（FDM）。时分多路复用（ Time Division Multiplexing） 若传输介质能达到的位传输速率超过单一信号源所需要的数据传输率，就可以采用时分多路复用（TDM）技术。它是将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地给多个信号源使用 。同步时分：指时分方案中的时间片时分配好的，而且固定不变的轮流占用，不管信息源是否有信息发送 异步时分（统计时分) ：允许动态的分配时间片，可以减少浪费。 轮转:每个站轮流获得发送机会，适用于

26、交互式的终端对主机通信。 预约:时间被分割成时间片，要发送信息，先占用时间片，适用于数据流的通信。争用:所有站点争用使用权，适合于突发式的通信。,2022/12/11,28,2.2 工业网络物理结构,3. 介质访问控制方式,2022/12/11,29,2.3 开放系统互联模型,1. OSI参考模型1）OSI的产生发展历程20世纪70年代后，计算机应用迅猛发展，网络发展初现端倪；70年代中、后期，各计算机厂家先后都推出了自己的网络产品；操作平台、网络协议、硬件接口等互不兼容，限制了网络的开放、共享，以及商业利润的提高；1978年，国际标准化组织（ISO）开始起草开放系统互连参考模型；1983年，

27、正式推出“开放系统互连参考模型”的标准ISO7498。OSI参考模型的出现促进了数据通信和计算机网络的发展。,2022/12/11,30,2.3 开放系统互联模型,1. OSI参考模型1）OSI的产生几个概念协议：不同系统中同一层实体（即对等层实体）进行通信的规则的集合。在协议中规定了协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）的格式，通信双方所要完成的操作，以及给上层提供的服务。服务：在同一实体中，下层实体给上层实体提供的功能称为服务。下层为服务提供者，上层为用户。用户只看得见下层的服务而看不见下层的协议。在体系结构中，协议是水平方向的，服务是垂直方向的。服务访问点：在同一系

28、统中相邻两层之间交换信息的地点称为服务访问点（SAP，Service Access Point）。它实际上就是下层向上层提供服务的逻辑接口。服务原语：在同一系统中相邻两层要按服务原语的方式交换信息。这些服务原语的交换地点在SAP。服务原语有请求、指示、响应和证实等4种类型。原语中包括对方的地址、所传送的内容、所要求的服务质量等信息。,2022/12/11,31,2.3 开放系统互联模型,2）分层的原则 OSI的最大贡献就是它正式定义并系统化了网络体系结构中分层的概念，分层的好处是结构简单、关系简化、相对独立、构造灵活。根据不同抽象层次的需要进行分层，即当有大量的通信任务相近的性质时，就应当设立

29、一个相应的层次；每一层应当实现一个明确定义的功能；每一层功能的选择应当有助于制定网络协议的国际标准；层与层之间的边界应该选择在通过边界的信息量尽量少的地方；层数应足够多但也不能太多。,2022/12/11,32,2.3 开放系统互联模型,1. OSI参考模型3）结构划分OSI提供了概念性和功能性的结构划分，将开放系统划分为7个层次:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。七层中，下三层是网络支撑层，涉及数据从一个设备传送到另一个设备的物理实现；上三层为用户支持层，它们允许在不同的网络体系、不同的软件系统中进行互操作；而第四层（传输层）起到了“承上启下”的作用，用来保证下三层

30、传输的是上三层可以使用的格式。一般来说，上三层功能通常是通过软件来实现，而下三层则是软件和硬件结合，物理层基本为硬件。,2022/12/11,33,2.3 开放系统互联模型,1. OSI参考模型3）结构划分,2022/12/11,34,2.3 开放系统互联模型,物理层（Physical Layer）,概述: 实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、功能和规程特性。基本功能:，规定所使用的导线类型、连接器接口类型和型号等，实现在物理介质上传输原始的比特流数据，而不管数据的类型和结构如何。 机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列方式、固

31、定和锁定方式等。 电气特性：信号线的连接方式、发送器和接收器的电气参数（包括阻抗、信号电平、传输速率和距离限制等）以及互联电缆的有关技术规定。 功能特性：物理接口各信号线的用途，即说明某条线上出现的某一电平表示何种意义。 规程特性：使用信号线实现比特流传输过程中，在建立、维持和释放物理信道时通信双方在各电路上的动作序列，即信号时序的应答关系和操作过程。,2022/12/11,35,2.3 开放系统互联模型,数据链路层（Data Link Layer）,概述：在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无错的线路。有的系统（比如现场总线控制系统）中数据链路层又分为：媒体访问控制子层（M

32、AC）和逻辑链路控制子层（LLC）。 媒体访问控制子层：负责解决共享信道的媒体访问控制，实现对共享信道的“交通”管理，并检测传输线路的异常情况。 逻辑链路控制子层：完成通常意义下的数据链路层功能，在节点间对帧的发送、接收进行控制，同时检测传输错误。基本功能：由于外界噪声和干扰等原因，传输比特流时可能发生差错，数据链路层就是通过校验、确认和反馈重发等手段改正差错，该层将比特流组合成帧（frame），在一个帧中，包含有地址、控制域、数据域和校验码。总之，其功能包括：成帧、纠错和流量控制。,2022/12/11,36,2.3 开放系统互联模型,网络层（Network Layer）,概述：在源端与目的

33、端之间建立、维护、终止网络的连接。基本功能：解决多条链路组成通路的数据传输问题，为网络内的终端提供通路，完成路由和分组。按照一定的算法进行路由选择，包括路径选择、网络流量控制、网络连接等。在网络层，数据的传送单位是报文或报文分组。,传输层（Transport Layer）,概述：为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务；屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。基本功能：中间层，核心。传输层以上各层：面向应用；以下各层：面向传输。传输层位于资源子网和通信子网的交界处，起着承上启下的作用。为高层从源端机到目的机提供可靠的数据传输服务。完成端到端的差错纠正和流量控制，并实现两个

34、终端系统之间传送的分组数据无丢失、无重复、无差错、分组顺序正确。,2022/12/11,37,2.3 开放系统互联模型,会话层（Session Layer）,概述：会话就是为完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换。会话层用于建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。基本功能：会话层以下各层是面向通信的，以上各层是面向应用的，其基本任务包括会话连接管理和会话数据交换两大部分。在传输层基础上增加一些协调对话的功能。如它可以给大量传送的数据打上标记，网络故障时，仅需从最近的同步点重新传送不需从头开始。,表示层（Presentation Layer ）,概述：表示层以下五层关心的是可靠的数据传

35、输，而表示层关心的是所传输的数据信息的语法和语义。处理被传送数据的表示问题，即信息的语法。如有必要，使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。基本功能：为保证数据传输后意义不变，对源端机的数据进行编码，形成适合传输的比特流；到了目的机进行解码，转换成用户要求的格式。,2022/12/11,38,2.3 开放系统互联模型,应用层（Application Layer ）,概述：应用层为用户的应用程序提供网络通信服务，识别并证实目的通信方的可用性，使协同工作的应用程序之间进行同步，判断是否为通信过程申请了足够的资源。基本功能：用户与底层协议之间的接口，为用户提供应用服务，例如E-ma

36、il、WWW、FTP。应用层的功能和内容取决于用户的需要，可自行决定完成什么样的功能和使用什么协议。,2022/12/11,39,2.3 开放系统互联模型,4）OSI对等通信的实质 OSI参考模型禁止不同主机的对等层之间的直接通信。每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信。实质： 对等层实体之间虚拟通信；下层向上层提供服务，上层使用下层提供的服务；实际通信在最底层完成。 一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程称为封装。封装就是在数据前面加上特定的协议头部。OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装

37、，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制信息。这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封”。但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。,2022/12/11,40,2.3 开放系统互联模型,传输层网络层数据链路层物理层,OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)。传输层及以下各层的PDU另外还有各自

38、特定的名称： 传输层数据段（Segment） 网络层分组（数据包）（Packet） 数据链路层数据帧（Frame） 物理层比特（Bit）,2022/12/11,41,2.3 开放系统互联模型,2. 网络互联使用同一网络协议通过网络媒体互相共享资源的计算机及其他设备的集合称为计算机网络。若干个计算机网络互连起来形成的网络，称为互联网（internetwork） ，一般简写为internet。但是，当internet 变为Internet，意义就改变了， Internet表示支持同一网络协议，即传输控制协议/因特网协议（TCP/IP，Transport Control Protocal/ Inte

39、rnet Protocal ）的网络的集合。网络分三种类型：相同（identical）,相似（Similar）和相异（dissimilar）相同的网络可以在物理层（第一层）进行互联；相似的网络可以在数据链路层（第二层）进行互联；相异的网络可以在网络层（第三层）进行互联,2022/12/11,42,2.3 开放系统互联模型,2. 网络互联 实现子网之间的互连，常用的设备有中继器、网桥、路由器和网关。 网络互连使用的设备中继器（repeater） :又称“转发器”，用于连接两个相同的网络，负责在节点的物理层上传递信息，完成对信号的复制、调整和放大等功能。通俗理解中继器的功能就是在增加网络长度。网桥

40、（bridge） :用于完成数据链路层的网络连接，支持不同的物理层，并且能够互连不同体系的局域网，根据MAC地址转发帧。在PROFIBUS中，DP网段和PA网段之间使用的耦合器就属于网桥的一种。 路由器（router） :是网络层上实现多个网络互连的设备，它可以互连具有不同的物理层和数据链路层的网络，也支持不同的网络协议。路由器比网桥更复杂，管理功能更强，常用于多个局域网之间、局域网与广域网之间，以及异构网络之间的互连。网关（gateway） :OSI第四层以上的互连已不是由具体的硬件设备来完成，网关是用于OSI中第四层及更高层次的中继系统，它实际上是一个协议转换器，或者说网关是在不同协议间进

41、行转换的软件应用，通常网关就是安装在路由器内的软件。在IP圈内，网关有时候就是指路由器。PROFIBUS就使用网关来连接。,2022/12/11,43,2.3 开放系统互联模型,3. 现场总线的通信协议类型,1）现场总线通信协议的基本要求通信介质的多样性：支持多种通信介质，以满足不同场合与环境的要求。信息传递的实时性、确定性和完整性：信息交换准确、及时、快速，且对象明确。这是工业通信与民用通信最大的区别。可靠性：应具备各种抗干扰能力和完善的自诊断及纠错能力。互操作性：不同厂商制造的总线设备可在同一个总线系统中相互通信和操作。开放性：基本符合OSI参考模型，形成一个开放的系统。 2）制定原则 开

42、放性的标准：参考OSI模型,2022/12/11,44,2.3 开放系统互联模型,3. 现场总线的通信协议类型,3）各层的主要功能：第一层：物理层（Physical Layer）； 第二层：数据链路层（Data Link Layer）：分为媒体访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）；第三层：应用层（Application Layer）； 第四层：用户层（User Layer）。,2022/12/11,45,习 题,1. 请解释比特率、波特率的概念，以及它们之间的联系？2. 什么是NRZ编码和曼彻斯特编码？各有什么特点？3. 已知CRC生成多项式G(x)=x4+x+1，设要传送的码字为101101001，请求出校验码及最终传送的码字。4. 常用的网络互连设备有哪些？它们的主要作用是什么？5. OSI开放系统互连参考模型包括哪几层？,