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1、第二章 数据通信基础与网络互联,第2章 数据通信基础与网络互联,2.1 数据通信基础2.2 现场控制网络2.3 网络硬件2.4 网络互联2.5 网络互联设备2.6 通信参考模型,2.2 现场控制网络,现场总线又称现场控制网络，它属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。从现场控制网络节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面，现场控制网络都有别于由普通PC机或其他计算机构成的数据网络。,2.2.1 现场控制网络的节点现场控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。限位开关、感应开关等各类开关;条形码阅读器;光电传感器;温度、压力、流
2、量、物位等各种传感器、变送器;可编程逻辑控制器PLC;PID等数字控制器;各种数据采集装置;作为监视操作设备的监控计算机、工作站及其外设;各种调节阀;电动机控制设备;变频器;机器人;作为现场控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等。,把单个分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成网络系统，使它们之间可以相互沟通信息，由它们共同完成自控任务，这就是现场控制网络。,2.2.2 现场控制网络的任务现场控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室(把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室)；又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备中；现场级控制设备之间
3、数据联系与沟通的作用；现场控制网络还要在与操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享中发挥作用。参数的网络测览和远程监控,控制网络必须解决的问题：各类恶劣的工作环境、控制网络的互联与互操作。不同于普通计算机网络的特点：数据传输量相对较小，传输速率相对较低，多为短帧传送，但它要求通信传输的实时性强，可靠性高。现场控制网络的特定需求：满足控制的实时性要求、工业环境下的抗干扰、总线供电等。,2.2.3 现场控制网络的实时性现场控制网络不同于普通数据网络的最大特点:它必须满足对现场控制的实时性要求。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。这种对动作时间有实时要求的系统称为实时系统。实时系统的运行
4、不仅要求系统动作在逻辑上的正确性，同时要求满足时限性。实时系统又可分为硬实时和软实时两类。硬实时系统要求实时任务必须在规定的时限完成，否则会产生严重的后果;而软实时系统中的实时任务在超过了截止期后的一定时限内，系统仍可以执行处理。,2.3 网络硬件,2.3.1 网络传输技术1.广播式网络(broadcast network)广播式网络仅有一条通信信道，由网络上的所有机器共享，按某种语法组织的分组或包(packet)，可以被任何机器发送并被其他所有的机器接收。分组的地址字段指明此分组应被哪台机器接收。一旦收到分组，各机器将检查它的地址字段。如果是发送给它的，则处理该分组，否则将它丢弃。（一对一）
5、,一对多广播(broadcasting)：广播系统也允许在地址字段中使用一段特殊代码，以便将分组发送到所有目标。使用此代码的分组发出以后，网络上的每一台机器都会接收和处理它。某些广播系统还支持向机器的一个子集发送的功能，即多点播送(muIticasting)。,2.点到点网络(point-to-point network)由一对对机器之间的多条连接构成。为了能从源到达目的地，这种网络上的分组可能必须通过一台或多台中间机器。通常是多条路径，并且可能长度不一样，因此在点到点网络中路由算法十分重要。网络类型的选择：小的、地理上处于本地的网络采用广播方式，而大的网络则采用点到点方式。,另一个网络分类的
6、标准连接距离。数据流机器(data fIow machine)多计算机(muItiComputers)网络：局域网 城域网 广域网 互联网距离是重要的分类尺度，因为在不同的连接距离下所使用的技术是不一样的。,按连接距离分类的多处理器系统,2.3.2 局域网,局域网(Local Area Network)，简称LAN，是处于同一建筑、同一大学或方圆几公里远地域内的专用网络。局域网常被用于连接公司办公室或工厂里的个人计算机和工作站，以便共享资源(如打印机)和交换信息。LAN有和其他网络不同的三个特征:范围、传输技术和拓扑结构。,LAN的覆盖范围比较小，即使是在最坏情况下其传输时间也是有限的，简化了
7、网络的管理。LAN的传输技术：用一条电缆连接所有的机器。传统的LAN速度为10-1OOMbit/s，传输延迟低(几十个ms)，并且出错率低。新的LAN运行速度更高，可达到每秒数百兆位。广播式LAN可以有多种拓扑结构，例如总线形、环形。,2.3.3 城域网,城域网(Metropolitan Area Network)，简称MAN，基本上是一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术。它可能覆盖一组邻近的公司办公室和一个城市，既可能是私有的也可能是公用的。MAN可以支持数据和声音，并且可能涉及到当地的有线电视网。MAN仅使用一条或两条电缆，并且不包含交换单元，即把分组分流到几条可能的引出电缆的设备
8、。,2.3.4 广域网,广域网(Wide Area Network)，或者称WAN，是一种跨越大的地域的网络，通常包含一个国家或州。它包含想要运行用户(即应用)程序的机器的集合。,2.3.5 无线网,移动计算机，例如笔记本计算机和个人数字助理PDA(Personal Digital Assistant)，是计算机工业增长最快的一部分。许多拥有这种计算机的人在他们的办公室里都有连接到LAN上的桌面计算机，并且希望当他们不在办公室或在路途中时，仍然能连接到自己的大本营。显然在汽车或飞机中不可能使用有线连接，这时，无线网络可满足用户的需要。,无线网络有很多用处：移动式办公室，旅途中的人通常希望使用他
9、们的便携式电子设备来发送和接收电话、传真和电子邮件，阅读远程文件，登录到远程计算机上等，并且不论是在陆地、海上和天空中都可以工作。无线网络对于卡车、出租车、公共汽车和维修人员与基地保持联系极其有用。,2.3.6 互联网,世界上有许多网络，而且常常使用不同的硬件和软件。在一个网络上的用户经常需要和另一个网络上的用户通信。这就需要连接不同的、而且往往是不兼容的网络。使用网关(gateway)来完成连接，并提供硬件和软件的转换。互联的网络集合就称为互联网(internetwrork或internet)。常见的互联网是通过WAN连接起来的LAN集合。,2.4 网络互联,2.4.1 基本概念 网络互联是
10、将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构成更大规模的网络系统，以实现网络的数据资源共享。相互连接的网络可以是同种类型的网络，也可以是运行不同网络协议的异型系统。,网络互联要求：不改变原有子网内的网络协议、通信速率、硬件和软件配置等，通过网络互联技术使原先不能相互通信和共享资源的网络间有条件实现相互通信和信息共享。每个子网：整个网络的共享资源，屏蔽各子网在网络协议、服务类型、网络管理等方面的差异。,2.4.2 网络互联规范网络互联必须遵循一定的规范，局域网标准委员会(IEEE802委员会)，建立了802课题，制定了开放式系统互联(OSI)模型的物理层、数据链路层的局域网标准。,2.4.3
11、 网络互联和操作系统局域网操作系统是实现计算机与网络连接的重要软件。局域网操作系统通过网卡驱动程序与网卡通信实现介质访问控制和物理层协议。对不同传输介质、不同拓扑结构、不同介质访问控制协议的异型网，要求计算机操作系统能很好地解决异型网络互联的问题。Netware，Windows NT Server,LAN Manager都是局域网操作系统的范例。,2.4.4 现场控制网络互联现场控制网络通过网络互联实现不同网段之间的网络连接与数据交换，包括在不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间实现互联。现场控制网络的相关规范对一条总线段上容许挂接的自控设备节点数有严格的限制。同种总线的网段采用中继器
12、或网桥不同类型的现场总线网段之间采用网关采用中继器、网桥、网关、路由器等将不同网段、子网连接成企业应用系统。,2.5 网络互联设备不同层次采用不同的网络互联设备：物理层使用中继器(Repeater)，通过复制位信号延伸网段长度数据链路层使用网桥(bridge)，在局域网之间存储或转发数据帧网络层使用路由器(Router)在不同网络间存储转发分组信号传输层及传输层以上，使用网关(gateway)进行协议转换，提供更高层次的接口,2.5.1 中继器中继器(repeater)又称重发器。由于网络节点间存在一定的传输距离，网络中携带信息的信号在通过一个固定长度的距离后，会因衰减或噪声干扰而影响数据的完
13、整性，影响接收节点正确的接收和辨认，因而经常需要运用中继器。中继器接受一个线路中的报文信号，将其进行整形放大、重新复制，并将新生成的复制信号转发至下一网段或转发到其他介质段。,中继器不同于放大器：放大器从输人端读入旧信号，然后输出一个形状相同、放大的新信号；而中继器则不同，它并不是放大信号，而是重新生成它；中继器是一个再生器，而不是一个放大器。中继器放置在传输线路上的位置是很重要的，中继器必须放置在任一位信号的含义受到噪声影响之前。,2.5.2 网桥 网桥是存储转发设备，用来连接同一类型的局域网。网桥将数据帧送到数据链路层进行差错校验，再送到物理层，通过物理传输介质送到另一个子网或网段。它具有
14、寻址与路径选择的功能，在接收到帧之后，要决定正确的路径将帧送到相应的目的站点。网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络。它要求两个互联网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。网桥同时作用在物理层和数据链路层。,网桥比中继器多了一点智能。中继器不处理报文，它没有理解报文中任何东西的智能，它们只是简单地复制报文。而网桥有一些小小的智能，它可以知道两个相邻网段的地址。网桥与中继器的区别在于:网桥具有使不同网段之间的通信相互隔离的逻辑，或者说网桥是一种聪明的中继器。它只对包含预期接收者网段的信号包进行中继。这样，网桥起到了过滤信号包的作用，利用它可以控制网络拥塞，同时
15、隔离出现了问题的链路。,2.5.3 路由器路由器工作在物理层、数据链路层和网络层，在路由器所包含的地址之间，可能存在若干路径，路由器可以为某次特定的传输选择一条最好的路径。路由器如同网络中的一个节点那样工作，同时连接到两个或更多的网络中，并同时拥有它们所有的地址。路由器从所连接的节点上接收包，同时将它们传送到第二个连接的网络中。,2.5.4 网关网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联。由于它在技术上与它所连接的两个网络的具体协议有关，因而用于不同网络间转换连接的网关是不相同的。网关允许在具有不同协议和报文组的两个网络之间传输数据。在
16、报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供了一种把报文重新封装形成新的报文组的方式。,网关需要完成报文的接收、翻译与发送。它使用两个微处理器和两套各自独立的芯片组。每个微处理器都知道自己本地的总线语言，在两个微处理器之间设置一个基本的翻译器。I/O数据通过微处理器，在网段之间来回传递数据。在工业数据通信中网关的应用：把一个现场设备的信号送往另一类不同协议或更高一层的网络。例如，把ASI网段的数据通过网关送往PROFIBUS-DP网段。,2.6 通信参考模型,2.6.1 OSI参考模型为了实现不同厂家生产的设备之间的互联操作与数据交换，国际标准化组织ISO/TC97于1978年建立了“开放系统
17、互联”分技术委员会，起草了开放系统互联参考模型OSI(open system interconnection)的建议草案，形成OSI参考模型。开放并不是指对特定系统实现具体的互联技术或手段，而是对标准的认同。一个系统是开放系统，是指它可以与世界上任一遵守相同标准的其他系统互联通信。,OSI参考模型,1.物理层物理层(physical layer)涉及到通信在信道上传输的原始比特流。设计上必须保证一方发出二进制“1”时，另一方收到的也是“1”而不是“0”。典型问题（1）用多少伏特电压表示“1”，多少伏特电压表示“0”（2）一个比特持续多少微秒（3）传输是否在两个方向上同时进行（4）最初的连接如何
18、建立和完成通信后连接如何终止（5）网络接插件有多少针以及各针的用途。主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。,2.数据链路层数据链路层(data link layer)的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路。（1）通过在帧的前面和后面附加上特殊的二进制编码模式来产生和识别帧边界。（2）解决由于帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。,（3）防止高速发送方的数据把低速的接收方“淹没”。采用某种流量调节机制，使发送方知道当前接收方还有多少缓存空间。（4）双向传输数据：从A到B数据帧的确认帧将同从B到A的数据帧竞争线路的使用权。（5）广播式
19、网络：控制对共享信道的访问，数据链路层的一个特殊的子层介质访问子层。,3.网络层网络层(network layer)关系到子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。过多分组，相互阻塞通路拥塞控制网络层设有记账功能，软件必须对每一个顾客究竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记数，以便于生成账单。分组跨越网络：寻址方法完全不同，网络协议也不同，异种网络互联。,4.传输层传输层(transport layer)的基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创建一个
20、独立的网络连接。最流行的传输连接是一条无错的、按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道。传输层是真正的从源到目标 端到端的层。,5.会话层会话层(Session layer)允许不同机器上的用户建立会话(session)关系。管理对话：（1）方式：会话层允许信息同时双向传输，或任一时刻只能单向传输。,（2）令牌管理(token management)：令牌可以在会话双方之间交换，只有持有令牌的一方可以执行某种关键操作。（3）同步(synchronization)：在数据流中插入检查点，每次网络崩溃后，仅需要重传最后一个检查点以后的数据。,6.表示层表示层(presentation layer)完
21、成某些特定功能：所传输的信息的语法和语义。为了让采用不同表示法的计算机之间能进行通信，交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码方式。表示层管理这些抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。,7.应用层应用层(application layer)包含大量人们普遍需要的协议。虚拟终端软件都位于应用层。解决不同的系统之间传输文件所需处理的各种不兼容问题。文件传输、电子邮件、远程作业输入、名录查询和其他各种通用和专用的功能。,2.6.2 TCP/IP参考模型计算机网络的祖父ARPANET和其后继的因特网使用的参考模型TCP/IP参考模型(TCP/IP r
22、eference model)。ARPANET是由美国国防部DoD(USDepartment of Defense)赞助的研究网络。主要设计目标：无缝隙地连接多个网络 网络不受子网硬件损失的影响,TCP/IP参考模型,1.互联网层基于无连接互联网络层的分组交换网络。功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标(可能经由不同的网络)。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如果需要按顺序发送及接收时，高层必须对分组排序。互联网层定义了正式的分组格式和协议，即IP协议(internet protocol)。,2.传输层功能：使源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话和OSI的传输层
23、一样。定义了两个端到端的协议：传输控制协议TCP(transmission control prolocol)：面向连接的协议，允许从一台机器发出的字节流无差错地发往互联网上的其他机器。它把输入的字节流分成报文段并传给互联网层。在接收端，TCP接收进程把收到的报文再组装成输出流。TCP还要处理流量控制。,用户数据报协议UDP(user datagram protocol)：一个不可靠的、无连接协议，用于不需要TCP的排序和流量控制能力而是自己完成这些功能的应用程序。它也被广泛地应用于只有一次的、客户-服务器模式的请求-应答查询，以及快速递交比准确递交更重要的应用程序，如传输语音或影像。,TCP
24、IP协议与网络,3.应用层TCP/IP模型没有会话层和表示层。来自OSI模型的经验已经证明，它们对大多数应用程序都没有用处。包含所有的高层协议。最早引人的是虚拟终端协议(TELNET)、文件传输协议(FTP)和电子邮件协议(SMTP)。,4.主机至网络层互联网层的下面什么都没有，TCP/IP参考模型没有真正描述这一部分，只是指出主机必须使用某种协议与网络连接，以便能在其上传递IP分组。这个协议末被定义，并且随主机和网络的不同而不同。,2.6.3 0SI参考模型和TCP/IP参考模型的比较很多相似之处，层的功能也大体相似。传输层及传输层以上的层都为希望通信的进程提供端到端的、与网络无关的传输服务
25、。（1）三个概念：OSI模型有三个主要概念:服务、接口、协议TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议，后来改进：互联网层提供的真正服务只是发送IP分组(SEND IP PACKET)和接收IP分组(RECElVE IP PACKET)。,（2）OSI模型中的协议比TCP/IP参考模型的协议具有更好的隐藏性，在技术发生变化时能相对比较容易地替换掉。OSI参考模型产生在协议发表之前。这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。而TCP/IP却正好相反。首先出现的是协议，模型实际上是对已有协议的描述。因此，不会出现协议不能匹配模型的情况，它们配合得相当好。惟一的问题是该模型不适
26、合于任何其他协议栈。,（3）面向连接的和无连接的通信OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。TCP/IP模型在网络层仅有一种通信模式，但在传输层支持两种模式，给了用户选择的机会。,2.6.4 现场总线的通信模型具有7层结构的OSl参考模型可支持的通信功能是相当强大的。工业数据通信的底层控制网络构成开放互联系统，制定和选择通信模型：7层0SI参考模型是否适应工业现场的通信环境，简化型是否更适合于控制网络的应用需要？工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，零散地分布在一个较大范围内，构成控制网络，其单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务相对也比较简单，但对实时性、快速性的要求较高。,几种典型现场总线的通信参考模型与OSI模型的对照,LonWorks、CAN与0SI模型分层比较,第二部分第二章复习题1.何谓现场总线的主设备、从设备？2.通信系统由哪几部分组成?各自具有什么功能?3.通信方式按照信息的传输方向分为哪几种?4.通信的传输模式分为哪几种?5.载带传输中数据的表示方法有哪几种?6.数据交换方式有那几种?7.介质访问控制方式主要有哪两种?说明各自的含义。,
