計算機網絡的基本概念.doc

計算機網絡的基本概念計算機網絡定義為：“利用通信設備和線路，將分布在不同地理位置的、功能獨立的多個計算機系統(tǒng)連接起來，以功能完善的網絡軟件（網絡通信協(xié)議及網絡操作系統(tǒng)等）實現(xiàn)網絡中資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)”。按網絡的傳輸技術(通信信道) 廣播式網絡 點到點網絡按跨度（地域范圍） 局域網LAN 城域網MAN 廣域網WAN按通信介質 有線網 無線網按組建屬性 公用網 專用網按管理性質 內聯(lián)網 外聯(lián)網計算機網絡結構：從邏輯功能上可以分為通信子網和資源子網兩個部分。 1.資源子網資源子網主要是對信息進行加工和處理，面向用戶，接受本地用戶和網絡用戶提交的任務，最終完成信息的處理。2.通信子網主要負責計算機網絡內部信息流的傳遞、交換和控制，以及信號的變換和通信中的有關處理工作，間接地服務于用戶。 第2章 計算機網絡基礎調制與解調調制就是通過調制器將數字信號波形變換成適于模擬信道傳輸的波形，再根據數據的內容（0或1）來改變載波的特性（振幅、頻率或相位），然后將經過改變的載波送出去，這個過程稱為調制。載波是指可以用來載送數據的信號，一般用正弦波作為載波。在接收端，通過解調器將被修改的載波與正常的載波比較（去掉載波），恢復出原來的數據，這個過程稱為解調。調制與解調是互反的過程。2.1.2 數據編碼技術數據編碼方法主要有數字數據用數字信號表示、數字數據用模擬信號表示、模擬數據用數字信號表示三種編碼方式。2.1.3 數據傳輸技術（一）基帶傳輸與寬帶傳輸（二）同步傳輸與異步傳輸（三）并行傳輸與串行傳輸（四）單工、半雙工與全雙工通信方式（五）多路復用技術2.1.4 數據交換技術數據交換是指在數據通信時利用中間節(jié)點將通信雙方連接起來。數據交換方式包括線路交換(電路交換)、報文交換和分組交換。 2.1.5 傳輸介質 1 同軸電纜2 雙絞線由兩條相互絕緣的銅線組成，其典型粗細約1mm，兩條象螺紋一樣絞在一起。屏蔽雙絞線 無屏蔽雙絞線3 光纖 4 無線介質數據傳輸介質的選擇傳輸介質的選擇:網絡結構、通信容量、可靠性、價格雙絞線：價格便宜、帶寬受限、通信容量小同軸電纜：價格較貴、連接多個設備、容量大光纖：頻帶寬、速度高、體積小、重量輕、衰減小、誤碼率低、抗電磁干擾強無線：接入方便傳輸速度的比較2.1.6 媒體訪問控制一、帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CDCSMA/CD可以概括為 先聽后發(fā)、邊發(fā)邊聽、沖突停止、隨機延時后重發(fā)。二、令牌環(huán)(Token Ring) 介質訪問控制三、令牌總線（Token Bus）訪問控2.2.2 OSI參考模型一、OSI參考模型 ISO劃分七層的基本原則：網中各結點都具有相同的層次；不同結點的同等層具有相同的功能；同一結點內相鄰層之間通過接口通信；每層可以使用下層提供的服務，并向其上層提供服務；不同結點的同等層通過協(xié)議來實現(xiàn)對等層之間的通信二、分層模型工作原理層 號層 名英 文 名工作任務接口要求操作內容第一層物理層Physical Layer比特流傳輸物理接口定義數據收發(fā)第二層數據鏈路層Data Link Layer成幀、糾錯介質訪問方案訪問控制第三層網絡層Network Layer選線、尋址路由器選擇選定路徑第四層傳輸層Transport Layer收 發(fā)數據傳輸端口確認第五層會話層Session Layer同 步對話結構會話管理第六層表示層Presentation Layer編 譯數據表達數據構造第七層應用層Application Layer管理、協(xié)同應用操作信息交換2.2.3 TCP/IP參考模型應 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網 絡 層數據鏈路層物 理 層應 用 層OSI參考模型TCP/IP參考模型傳 輸 層網 絡 層網絡接口層TCP/IP 體系結構各層的功能1. 網絡接口層TCP/IP參考模型的最低層，負責通過網絡發(fā)送和接收IP數據報; 包括了能使用TCP/IP與物理網絡進行通信的協(xié)議。2. 網絡層網絡層是在TCP/IP標準中正式定義的第一層。網絡層所執(zhí)行的主要功能是處理來自傳輸層的分組，將分組形成數據包（IP數據包），并為該數據包進行路徑選擇，最終將數據包從源主機發(fā)送到目的主機，在網絡層中，最常用的協(xié)議是互連協(xié)議IP，其他一些協(xié)議用來協(xié)助IP的操作。相當OSI參考模型網絡層無連接網絡服務； 處理互連的路由選擇、流控與擁塞問題；3. 傳輸層主要功能是在互連網中源主機與目的主機的對等實體間建立用于會話的端-端連接；傳輸控制協(xié)議TCP是一種可靠的面向連接協(xié)議；用戶數據報協(xié)議UDP是一種不可靠的無連接協(xié)議。4. 應用層在TCP/IP模型中，應用程序接口是最高層，它與OSI模型中的高三層的任務相同，用于提供網絡服務，比如文件傳輸、遠程登錄、域名服務和簡單網絡管理等2.2.4 OSI參考模型與TCP/IP參考模型的比較它們在設計中都采用了層次結構的思想。無論是OSI參考模型還是TCP/IP體系結構都不是完美的，對二者的評論與批評都很多。OSI參考模型的主要問題是定義復雜、實現(xiàn)困難。而TCP/IP體系結構的缺陷包括網絡接口層本身并不是實際的一層，每層的功能定義與其實現(xiàn)方法沒能區(qū)分開來，使TCP/IP體系結構不適合于其他非TCP/IP協(xié)議族等。第3章 工業(yè)控制網絡的基本構成工業(yè)控制網絡技術是在工業(yè)生產的現(xiàn)代化環(huán)境下提出與發(fā)展起來的，是計算機技術、控制技術和網絡技術綜合發(fā)展的結果。工業(yè)控制網絡的特點就是要適應各類工業(yè)企業(yè)的不同應用需求，并確定各具應用特色的技術實現(xiàn)方案。3.1.2 工業(yè)控制網絡與工業(yè)企業(yè)網工業(yè)企業(yè)網具有下列特性 ：范圍確定性 集成性 安全性 相對開放性3.3 工業(yè)控制網絡3.3.1 集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(Total Distributed control System)，也稱為分散或分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System)統(tǒng)一稱為集散控制系統(tǒng)，簡記DCS，隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產自動化的發(fā)展和過程控制要求的日益復雜而產生的綜合控制系統(tǒng)：集散控制系統(tǒng)既有計算機控制系統(tǒng)精度高、響應速度快的優(yōu)點，又有模擬調節(jié)儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護方便的優(yōu)點。3.3.2 現(xiàn)場總線1.現(xiàn)場總線的定義: 現(xiàn)場總線是一種互聯(lián)現(xiàn)場自動化設備及其控制系統(tǒng)的雙向串行數字通信協(xié)議。也就是說，現(xiàn)場總線是控制系統(tǒng)中底層的通信網絡，具有雙向數字傳輸功能，在控制系統(tǒng)中允許智能現(xiàn)場裝置全數字化、多變量、雙向、多節(jié)點，并通過一條物理媒體互相交換信息?，F(xiàn)場總線的結構遵循國際標準化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，而不同的現(xiàn)場總線的結構又不盡相同?，F(xiàn)場總線可廣泛應用于過程工業(yè)/工廠自動化、電力系統(tǒng)自動化、交通、家庭自動化等各領域3.現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點：（1）系統(tǒng)的開放性 （2）互可操作性與互用性 （3）現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性 （4）系統(tǒng)結構的高度分散性 （5）對現(xiàn)場環(huán)境的適應性 第4章 現(xiàn)場總線及其應用41 現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線（Fieldbus）是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數字、全開放、全雙工、多節(jié)點的串行通信工業(yè)控制網絡。CIMS體系結構可分為5層。即工廠級、車間級、單元級、工作站級和現(xiàn)場級。簡化的CIMS則分為3層即工廠級、車間級和現(xiàn)場級。4.1.2 現(xiàn)場總線的特點（一）現(xiàn)場總線的技術特點1開放性。 2交互性。 3自治性。 4適應性。 （二）現(xiàn)場總線的優(yōu)點1節(jié)省硬件數量 2節(jié)省安裝費用3節(jié)省維護開銷4、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權 5、提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性42 PROFIBUS介紹PROFIBUS有以下三個組成部分：1.PROFIBUSFMS它主要是用來解決車間級通用性通信任務，可用于大范圍和復雜的通信?？偩€周期一般小于100ms2.PROFIBUSDP專門為自動控制系統(tǒng)與分散I/O設備之間通信使用，總線周期一般小于10ms3.PROFIBUSPA它是專門為過程自動化設計的，它可使傳感器和執(zhí)行器安在一根共用的總線上，用雙線進行總線供電和數據通信。名 稱PROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-PA用 途通用目的自動化工廠自動化過程自動化目 的通用快速面向應用特 點大范圍連網通信多主通信即插即用高效、廉價總線供電本質安全傳輸介質RS485或光纖RS485或光纖IEC1158-2基于現(xiàn)場總線PROFIBUSDP/PA控制系統(tǒng)位于工廠自動化系統(tǒng)中的底層，即現(xiàn)場級與車間級?，F(xiàn)場總線PROFIBUS是面向現(xiàn)場級與車間級的數字化通信網絡。PROFIBUS的通信模型和協(xié)議結構PROFIBUS-DP使用了第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)和用戶接口，第3層到第7層末加以描述。PROFIBUSFMS對第1層、第2層和第7層(應用層)均加以定義。PROFIBUSPA采用了擴展的DP協(xié)議。使用分段式耦合器，PROFIBUSPA設備能很方便地集成到PROFIBUSDP網絡上。PROFIBUS-DP和PROFIBUS-FMS系統(tǒng)使用了同樣的傳輸技術和統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，因而這兩套系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作。4.2.2 PROFIBUS控制系統(tǒng)組成PROFIBUS控制系統(tǒng)組成包括以下幾個部分：1、1類主站1類主站指PLC、PC或可做1類主站的控制器。1類主站完成總線通信控制與管理。2、2類主站2類主站在網絡中完成對網絡狀態(tài)的監(jiān)視。3、從站PLC可做PROFIBUS上的一個從站。PLC自身有程序存儲，PLC的CPU部分執(zhí)行程序并按程序驅動I/O。作為PROFIBUS主站的一個從站。PROFIBUS總線存取協(xié)議，在主站之間采用令牌傳送方式，在主站與從站之間采用主從方式令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規(guī)定的時間內得到總線存取權(令牌)。在PROFIBUS中，令牌傳遞僅在各主站之間進行。主站得到總線存取令牌時可與從站通信。每個主站均可向從站發(fā)送或讀取信息。因此，可能有三種系統(tǒng)配置：純主從系統(tǒng)、純主主系統(tǒng)和混合系統(tǒng)當某主站得到令牌報文后，該主站可在一定時間內執(zhí)行主站工作。在這段時間內，它可依照主從通信關系表與所有從站通信，也可依照主主通信關系表與所有主站通信。在總線系統(tǒng)初建時，主站介質存取控制MAC的任務是制定總線上的站點分配并建立邏輯環(huán)。在總線運行期間，斷電或損壞的主站必須從環(huán)中排除，新上電的主站必須加入邏輯環(huán)。PROFIBUSDP技術簡介PROFIBUSDP用于現(xiàn)場層的高速數據傳送。主站周期性地讀取從站的輸入信息并周期性地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短。1設備類型三種不同類型設備。1)一級DP主站(DPMl) 一級DP主站是中央控制器，它在預定的周期內與分散的站交換信息。典型的DPM1如PLC或PC。2)二級DP主站(DPM2) 二級DP主站是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。3)DP從站 DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備(I/0設備、驅動器、HMI、閥門等)。也包括一些只提供輸入或輸出信息的設備。2系統(tǒng)配置允許構成單主站或多主站系統(tǒng)。1)單主站系統(tǒng) 在總線系統(tǒng)的運行階段，只有一個活動主站。2)多主站系統(tǒng) 總線上連有多個主站。這些主站與各自從站構成相互獨立的子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)包括一個DPM1、指定的若干從站及可能的DPM2設備。任何一個主站均可讀取DP從站的輸入輸出映像，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入數據，PROFIBUSPA技術簡介PA可用來替代420mA的模擬信號傳輸技術。特性：適合過程自動化應用的行規(guī)，使不同廠家生產的現(xiàn)場設備具有互換性；增加和去除總線站點，即使在本質安全地區(qū)也不會影響到其他站；在過程自動化的PROFIBUSPA段與制造業(yè)自動化的服PROFIBUSDP總線段之間通過鍋臺器連接，并可實現(xiàn)兩段問的透明通信；使用與IEC611582技術相同的雙絞線完成遠程供電和數據傳送；PROFIBUSFMS技術簡介旨在解決車間監(jiān)控級通信。在這一層，可編程序控制器：之間需要比現(xiàn)場層更大量的數據傳送，但通信的實時性要求低于現(xiàn)場層?；饡F(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線(FF)可以工作在生產現(xiàn)場，并能適應本質安全防爆的要求，還可以通過傳輸數據的總線為現(xiàn)場設備提供工作電源。它在過程自動化領域已經得到了廣泛的應用，并且具有良好的發(fā)展前景。FF總線以前分為H1和H2兩級總線，但隨著控制網絡的實時信息傳輸量的日益增大，H2已被HSE取代。本質安全是指通過設計等手段使生產設備或生產系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會造成事故的功能。具體包括失誤安全（誤操作不會導致事故發(fā)生或自動阻止誤操作）、故障安全功能（設備、工藝發(fā)生故障時還能暫時正常工作或自動轉變安全狀態(tài)）。基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速HSE。H1的傳輸速率為31.25Kps，通信距離可達1900m，可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境HSE的傳輸速率從100Mbps到1Gps或更高。物理傳輸介質可支持雙絞線、光纜和無線發(fā)射。2.FF通信模型3.FF物理層一、物理層的功能物理層作為電氣接口，一方面接收來自數據鏈路層的信息，把它轉換為物理信號，并傳送到現(xiàn)場總線的傳輸介質上，起到發(fā)送驅動器的作用；另一方面把來自總線傳輸介質的物理信號轉換為信息送往數據鏈路層起到接收器的作用。二、物理層的結構物理層被分為介質相關子層及介質無關子層。介質相關子層負責處理導線、光纖、無線介質等不同傳輸介質、不同速率的信號轉換問題，也稱為介質訪問單元。對不同種類介質、不同傳輸速率要求的場合，應分別設置不同的物理層實體。介質無關子層則是介質訪問單元與數據鏈路層之間的接口。4.數據鏈路層（DLL)1. FF通信設備類型按照設備的通信能力，F(xiàn)F將通信設備分為三種類型鏈路主設備（Link Master Device）：有能力成為鏈路活動調度器LAS（Link Active Scheduler）的設備，包括主機接口或某些其它設備?；驹O備 (Basic Device)：具備基本通信能力，即只能接受總線命令作出響應的總線設備，不具備LAS能力。網橋 (Bridge)：用于連接不同傳輸速率或不同傳輸介質的設備，比如將下游各個H1網段連接在一起的設備，同時也是H1和HSE接口設備，它必須成為鏈路主設備。LonWorks簡介LonWorks網絡的技術核心是LonTalk協(xié)議，開放式通信協(xié)議LonTalk為設備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個通用的標準。這樣在LonTalk協(xié)議的協(xié)調下，以往那些孤立的系統(tǒng)和產品融為一體，形成一個網絡控制系統(tǒng)。LonTalk協(xié)議最大的特點是對OSI的七層協(xié)議的支持，是直接面向對象的網絡協(xié)議，這是以往的現(xiàn)場總線所不支持的。具體實現(xiàn)就采用網絡變量這一形式。網絡變量使節(jié)點之間的數據傳遞只是通過各個網絡變量的互相連接便可完成。神經元芯片是LonWorks技術的關鍵。由于這種LonTalk協(xié)議硬件芯片的支持，滿足了現(xiàn)場通訊的實時性、接口的直觀性和簡潔性的現(xiàn)場總線應用要求。 （二）LonWorks的技術特點1、擁有三個處理單元的神經元芯片(Neuron芯片)2、支持多種通信介質和它們的互連；3、帶預測P的CSMA4、網絡變量（NV）5、提供給使用者一個完整的開發(fā)平臺6、LonWorks技術的其他參數2. LonTalk協(xié)議CAN總線CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，可以歸屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，通常稱為CAN bus，即CAN總線，是目前國際上應用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。1 CAN 的工作原理 當CAN 總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數據時，它以報文形式廣播給網絡中所有節(jié)點。每組報文開頭的11位字符為標識符(CAN2.0A)，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。當一個節(jié)點要向其它節(jié)點發(fā)送數據時，該節(jié)點的CPU 將要發(fā)送的數據和自己的標識符傳送給本節(jié)點的CAN芯片，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時，轉為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN 芯片將數據根據協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時,網上的其它節(jié)點處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的節(jié)點對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新節(jié)點而無需在硬件或軟件上進行修改。第6章 過程控制中的網絡技術過程控制系統(tǒng)：是指工業(yè)生產過程中自動控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分等一些過程變量的系統(tǒng)2、自動控制系統(tǒng)的性能指標（1）最大偏差A最大動態(tài)偏差是階躍響應中，第一個波峰超過穩(wěn)態(tài)值的幅度y1。（2）余差C過渡過程結束后被調量新的穩(wěn)態(tài)值與新設定值的差值，它是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準確性的衡量標志。（3）衰減比衰減比是衡量一個衰減過程的衰減程度指標（4）過渡時間ts（5）上升時間tr（6）振蕩周期T6.2 過程控制系統(tǒng)的數學模型6.2.1 被控過程的數學模型一個過程控制系統(tǒng)由被控過程和檢查控制儀表兩部分組成1、建立被控過程數學模型的目的（1）設計過程控制系統(tǒng)和整定調節(jié)器的參數（2）指導生產工藝及其設備的設計（3）對被控過程進行仿真研究2、被控過程數學模型的類型建立過程數學模型的方法（1）解析法（2）實驗辨識