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1、7.2 工业网络技术,邮电通讯网络的目的是信息的传输；局域网络的主要目的是实现资源共享和处理信息；工业网络技术最终的目的是导致了物质或能量的运动。它不仅要在工业环境中可靠运行，而且要控制现场的各类生产过程，使工业自动化系统发挥最佳性能。本节主要介绍工业网络技术、网络协议及标准、工业网络的选型等内容。,7.2.1 工业网络概述,1网络拓扑结构 网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理连接结构称为拓扑，采用拓扑学来研究结点和结点间连线(称链路)的几何排列。局部网络通常有四种拓扑结构：星形、环形、总线形和树形。,（1）星形结构,结构：中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继
2、交换和数据处理功能。工作过程：当某一结点想要传输数据时，它首先向中心结点发送一个请求，以便同另一个目的结点建立连接。一旦两个结点建立了连接，则在这两点间就象是一条专用线路连接起来一样，进行数据传输。特点：网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；网络延迟时间短，传输错误率较低；网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。,（2）环形结构,结构：各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。工作过程：一个结点按
3、事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一个结点，当传送信息的目的地址与环上的某结点的地址相等时，信息才被该结点的环接口接收，否则，继续向下传送。特点：信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单；环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。应用：环形网络结构较适合于信息处理和自动化系统中使用，是微机局部网络中常用的结构之一。特别是IBM公司推出令牌环网之后，环形网络结构就被越来越多的人所采用。,（3）总线形结构,结构：各结点
4、经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。总线形网络的接口内具有发送器和接收器。接收器接收总线上的串行信息，并将其转换为并行信息送到结点；发送器则将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上。当在总线上发送的信息目的地址与某一结点的接口地址相符时，传送的信息就被该结点接收。由于一条公共总线具有一定的负载能力，因此总线长度有限，其所能连接的结点数也有限。,特点：结构简单灵活，扩展方便；可靠性高，网络响应速度快；共享资源能力强，便于广播式工作；设备少，价格低，安装和使用方便；由
5、于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。应用：总线形结构是目前使用最广泛的结构，也是一种最传统的主流网络结构，该种结构最适于信息管理系统、办公室自动化系统、教学系统等领域的应用。,（4）树形结构,结构：分层结构，适用于分级管理和控制系统。特点：通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。,网络的传输介质：就是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线，同轴电缆，双绞线，光导纤维电缆，无线与卫星通信。对于传输介质
6、，包括以下特性：物理特性，传输特性，连通特性，地理范围，抗干扰性和相对价格。介质访问控制：各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题（既充分利用信道的空间和时间，又防止发生各信息间的互相冲突）。访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。微机局部网络常用的传输访问控制方式有三种，即 1)冲突检测的载波侦听多路访问(CSMACD)；2)令牌环(Token Ring)；3)令牌总线(Token Bus)。三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。介质访问控制技术(MAC)：解决信道(公共传输通道)的分配和使用。,2介质访问控制技术,（1）冲突检测的载波侦听多路访问(CS
7、MACD),又称为随机访问技术或争用技术适用于总线形和树形网络结构 工作原理：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。确定等待时间的方法：当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。冲突的解决方法：由于传输线上不可避免的有时间的延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。因此，当结点开始发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正
8、常进行；若不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等待一个随机时间，在重复上述过程。,结论：CSMACD方式原理较简单，且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。,由于CSMA的访问存在发报冲突问题，而产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决这种由于“随机”而产生的冲突问题，可采用有控制的发报方式。下面，介绍一种有控制的发报方式令牌发送技术！,令牌环：全称为令牌通行环(Token Passing Ring)，适用于环
9、形网络结构。令牌是控制标志，网中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。令牌的两个状态“空”状态：表示令牌没有被占用，当其传至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并置令牌为“忙”状态。“忙”状态：表示令牌被占用，即令牌正在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。工作过程：令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。当一个结点占令牌期间其它结点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则下一结点便得到这一令牌，并可发送信息。令牌环的特点：能提供可调整的访问控制方法；能提供优
10、先权服务；有较强的实时性；需对令牌进行维护，令牌丢失降低环路利用率；控制电路复杂。,（2）令牌环(Token Ring),（3）令牌总线(Token Bus),将令牌访问原理应用于总线网，构成令牌总线方式。原理：这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是在网上各工作站按一定的顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首战，即首尾相连。每站都有先行站和后继站的地址，总线上各站的物理地址和逻辑位置无关。工作过程：当各站都没有帧发送时，令牌的形式为01111111，成为空标记。当一个站要发送帧时，需要等待空标记通过，然后将它改为忙标志，即01111
11、110。紧跟着忙标记，该站把数据帧发送到环上。由于标记是忙状态，所以其他站不能发送帧，必须等待。接收帧的过程是这样的，当帧通过站时，该站将帧的目的地址和本站的地址相比较，如地址不符合，则不接收数据，同时将帧送入环上。如果符合，则将帧放入接收缓冲器，再输入到站内，同时将帧送回到环上。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站，将该帧从环上移去，同时将标记改为空闲标记。,不同于令牌环的是，在令牌总线中，信息可以双向传送，任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。为此，结点发送的信息中要有指出下一个要控制的结点的地址。由于只有获得令牌的结点才可发送信息(此时其它结点只收不发)，因此该方式不要检测冲突就可以避
12、免冲突。特点：1.网络必须要有初始化功能，即能够产生一个顺序访问的次序。这就是一个争用的过程，争用的结果是只有一个站能够获得标记，并产生次序。2.当网络中的标志丢失或者产生多个标记时，必须有故障恢复功能。3.必须有消除不活动结点或者添加新的结点的功能。4.吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；5.控制功能不随电缆长度的增加而减弱；6.不需冲突检测，具有一定的实时性。,3种介质访问控制技术的比较,3.信息交换技术,为了提高计算机通信网的通信设备和线路的利用率，有必要研究通信网络上信息交换技术。即如何控制信息传输，才能提高通信效率?在计算机网络中，通信的基本交换方式分为两类：线路交换和存储
13、转发交换。存储转发交换中，包括报文存储转发交换和报文分组存储转发交换。（1）线路交换：在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。（2）报文交换：把目的站名附加在报文上，然后交给下一结点，该结点接收整个报文，存储下来，根据目的选择下一转发结点，直到目的站。（3）分组交换：将报文分成若干分组，并在每个分组上附加控制信息，这些报文经不同的路径分别传送到目的站后，再组成一个完整报文。,差错控制 校验：奇偶校验、循环冗余-CRC校验。纠错方式：重发纠错、自动纠错、混合纠错。,4差错控制技术,在通信线路上传输信息时，往往由于各种干扰，使接收端收到信息出现错误。提高传输质量的方
14、法有两种：第一种方法是改善信道的电性能，使误码率降低；第二种方法是接收端检验出错误后，自动纠正错误，或让发送端重新发送，直至接收到正确的信息为止。通常把后一种方法称为差错控制技术。差错控制技术包括检验错误和纠正错误，下面两种检验方法(奇偶校验和循环冗余校验)和三种纠错方式(重发纠错、自动纠错和混合纠错)。,（1）奇偶校验,校验原理：一个字符校验一次，在每个字符的最高位附加一个奇偶校验位。适用范围：每帧只传送一个字节数据的异步通讯方式。,（2）循环冗余校验CRC校验,校验原理：发送端首先发送信息位，与此同时，CRC校验位生成器用信息位除以多项式G(x)，信息位发完后，CRC校验位就生成，并紧接其
15、后发送校验位。接收端在接收信息位同时，校验器用接收的信息位除以同一个生成多项式，当信息位接收完后，对接收的CRC校验位也进行计算，当两个字节的校验位接收完，如果除法的余数为0，则认为传输正确；否则，传输错误。适用范围：每帧由多个字节组成的同步方式。,（3）纠错方式,重发纠错方式：发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断有无错误，并把错误结果反馈给发送端。如果发送错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。自动纠错方式：发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅是检错的信息码。接收端收到该码后，通过译码不仅能自动发现错误，而且能自动地纠错。传输效率低，译码设备复杂。混合纠
16、错方式：上述两种混合。发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还有一定的纠错能力。接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动纠错，如果错误过多，则要求重发。,7.2.2 网络协议及其层次结构,在计算机网络中各终端用户之间，用户与资源之间或资源与资源之间的对话与合作必须按照预先规定的协议进行。分层设计方法对计算机和通信的未来同样重要。某一层的修改不会破坏整个设计或影响其他层的工作。网络协议及其层次结构 分层的好处：修改某层不会影响整个系统。ISO的7层开放系统互连参考模型OSI。,为了实现计算机系统之间的互连，1977年国际标准化组织(ISO)提出了开放系统互连参考模型OSI(Open
17、System InterconnectionReference Model)。这个网络层次结构模型规定了七个功能层，每层都使用它自己的协议。“开放”这个词是指一个系统若符合这些国际标准的话，它将对世界上遵守同样标准的所有系统开放。OSI层次结构如图所示。,1.物理层 物理层并不是物理媒体本身，它只是对通讯双方的机械、电气、连接规程进行规定。功能：在信道上传输未经处理的信息。连接两个物理设备，为链路层提供透明位流传输所必须遵循的规则，有时也被称为物理接口。物理层的协议主要提供在DTE(数据终端设备)和DCE(数据通信设备)之间的接口。协议：RS-232C、RS-422A、RS-423A、RS-4
18、85、Ethernet等均为物理层协议。,2.数据链路层功能：将可能有差错的物理链路改造成对于网络层来说是无差错的传输链路。具体内容：将数据组成数据帧，并在接收端检验传输的正确性。若正确则回送确认信息，若不正确则抛弃该帧，等待发送端超时重发。协议：同步数据链路控制(SDLC)、802.2、高级数据链路控制(HDLC)以及异步串行数据链协议都属于此范围。,3.网络层 网络层是OSI七层协议模型中的第三层，它是主机与通信网络的接口。网络层也称分组层，它的任务是使网络中传输分组。它以链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）提供两个主机之间的数据传输服务。网络层规定了分组(第三层的信息单位)在网
19、络中是如何传输的。具体内容：网络层控制网络上信息的切换和路由选择。因此，本层要为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。功能：控制信息交换、路由选择与中继、网络流量控制、网络的连接与管理等。协议：X.25协议、IP协议。,4.传送（传输）层 传送层是一真正的源目的或端端层。即在源计算机上的程序与目的机上的类似程序使报头和控制报文进行对话。功能：从会话层接收数据，把它们传到网络层并保证这些数据全部正确地到达另一端。具体内容：在源主机与目的主机进程之间提供可靠的端端通信，确保能够控制端到端的数据完整性。协议：TCP协议等,5.会话层 用户(即两个表示层进程)之间的连接称为会话。为了建立会话，用户必须
20、提供希望连接的远程地址(会话地址)，会话双方首先需要彼此确认，以证明它有权从事会话和接收数据，然后两端必须同意在该会话中的各种选择项(例如半双工或全双工)的确定，在这以后开始数据传输。功能：控制建立或结束一个通信会话的进程。具体内容：检查并决定一个正常的通信是否正在发生。如果没有发生，这一层在不丢失数据的情况下恢复会话，或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。协议：HTTP（超文本传送协议），SMTP(简单邮件文件传输）等。,6.表示层要解决的问题：如何描述数据结构并使之与机器无关。功能：通过一些编码规则定义在通信中传送这些信息所需要的传送语法，实现不同信息格式和编码之间的转换。表示层
21、提供两类服务：相互通信的应用进程间交换信息的表示方法与表示连接服务。具体内容：常用的转换有正文压缩、提供加密、解密；文件格式的转换；输入输出格式的转换。例如：HTML语言（超文本标记语言）,7.应用层 应用层是OSI模型的最高层，实现的功能分两大部份，即用户应用进程和系统应用管理进程。系统应用管理进程管理系统资源，如优化分配系统资源和控制资源的使用等。由管理进程向系统各层发出下列要求：请求诊断，提交运行报告，收集统计资料和修改控制等。功能：规定在不同应用情况下所允许的报文集合和对每个报文所采取的动作。具体内容：这一层负责与其它高级功能的通信，如分布式数据库和文件传输。这一层解决了数据传输完整性
22、的问题或与发送接收设备的速度不匹配的问题。例如：IE浏览器。,OSI模型和各协议的对照,7.2.3 IEEE 802标准,电气与电子工程师协会(IEEE)IEEE 802课题组成立于1980年2月(IEEE Standards Project 802)，于1981年底提出了IEEE 802局域网标准，重要的是对数据链路层又划分出两个子层。IEEE 802标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层LLC和介质访问(存取)控制子层MAC。LLC主要提供寻址、排序、差错控制等功能。MAC主要提供传输介质和访问控制方式。IEEE 802为局部网络制定的标准，包括以下内容：IEEE 802.1：系统结构和网络
23、互连；IEEE 802.2：逻辑链路控制；IEEE 802.3：CSMACD总线访问方法和物理层技术规范；IEEE 802.4：Token Passing Bus访问方法和物理层技术规范；IEEE 802.5：Token Passing Ring访问方法和物理层技术规范；IEEE 802.6：城市网络访问方法和物理层技术规范；IEEE 802.7：为宽带网络标准；IEEE 802.8：为光纤网络标准；IEEE 802.9：为集成声音数据网络。,IEEE 802标准规定各层的功能：物理信号层(PS)：完成数据的封装拆装、数据的发送接收管理等功能，并通过介质存取部件(也称收发器)收发数据信号。介质
24、存取控制层(MAC)：支持介质存取，并为逻辑链路控制层提供服务。它支持的介质存取法包括：载波检测多路存取冲突检测(CSMACD)、令牌总线(Token Bus)和令牌环(Token Ring)。逻辑链路控制层(LLC)：支持数据链路功能、数据流控制、命令解释及产生响应等，并规定局部网络逻辑链路控制协议(LNLLC)。(寻址、排序、差错控制等功能。)此外，网络层也有变化。在IEEE 802标准中，定义了三种主要的局域网络技术，它们的介质访问控制分别是：CSMACD(IEEE 8023)、令牌总线(IEEE 8024)、令牌环(IEEE 8025)。,7.2.4 工业网络的性能评价和选型,1工业网
25、络的性能评价 2工业网络的选型(1)大型系统的工业网络选型(2)中小型系统的工业网络选型,1工业网络的性能评价,性能评价指标：吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性。工业网络的主流拓扑结构：总线形和环形。令牌环与令牌总线的性能比较：传输速率：环形是点到点连接，传输效率高；总线形是多点连接，在总线上形成逻辑环，逻辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。吞吐能力：令牌环数据吞吐能力高于令牌总线，原因在于控制结构上的差异。令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介质；令牌环是顺序循环访问，一定条件下有并行工作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。稳定性：在负载变化的环境中，令牌环的稳定性较令牌
26、总线好。确定性：两种控制结构的通讯方式一样，确定性相同。灵活性：总线是无源连接，信息传输又不需转发，增减结点都无须断开原系统，可靠性和灵活性强于令牌环。,2工业网络的选型,（1）大型系统的工业网络选型分散型控制模式，分三级：分散过程控制级 集中操作监控级 综合信息管理级（2）中小型系统的工业网络选型,(1)大型系统的工业网络选型,大型系统常采用分散型DCS控制的模式，系统主要分为三级，并采用纵向层次结构，其网络选型可按以下考虑。分散过程控制级：主要完成自动调节和程序控制，可靠性、实时性要求较高。系统一般按调节回路或设备分布，呈典型递阶控制特性，横向联系少。该级数据量不大，数据包较短，地理分布区域也较小。采用令牌总线、主从总线或星形结构比较合适，从性能价格比考虑，主从总线结构最佳。集中操作监控级：该级数据处理量较大，数据包较长且规整，实时性、可靠性、灵活性也较高。系统一般按设备和功能混合分布，横向联系较多。因此，该级采用令牌总线较好。综合信息管理级：该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，地域范围广，灵活性要求较低，工作站容量大。因此，本级宜采用令牌环结构。,(2)中小型系统的工业网络选型,对只有集中操作监控级和分散过程控制级的中小型系统：两级同时使用令牌总线。对传输量大、结点少且分散的场合：监控级直接选用令牌环较好。老企业技术改造：星形结构。,
