工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)XXXX3

工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（2）哈工大網(wǎng)絡(luò)與電氣智能化研究所劉勇2015（春）第二章現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)一、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)概觀1.低層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS-DP（IEC61158第4版，Type3）單主站網(wǎng)絡(luò)HART（IEC61158第4版，Type20）網(wǎng)絡(luò)ControlNet（IEC61158第4版，Type2）網(wǎng)絡(luò)及其冗余方式FFHl（IEC61158第4版，Type9）網(wǎng)絡(luò)2.多層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)PROFInet（IEC61158第4版，Type10）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖方式LonWorks（GB/Z20177-2006）本地與遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)網(wǎng)段集成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用Web服務(wù)器的現(xiàn)場總線遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)二、網(wǎng)絡(luò)分類1.按網(wǎng)絡(luò)的地理范圍分類星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙（Bluetooth）PAN配置個域網(wǎng)（PAN）：允許設(shè)備圍繞著一個人進(jìn)行通信。也可用RFID（無線射頻識別）局域網(wǎng)（LAN）：一種私私有網(wǎng)絡(luò)，，一般在一一座建筑物物內(nèi)或其附附近。無線和有線線LANAP，AccessPoint：訪問點或或接入點。。WiFi：IEEE802.11，11Mbps到幾百Mbps。VLAN，VirtualLAN：虛擬局城城網(wǎng)。城域網(wǎng)（MAN）：規(guī)模局局限在一座座城市的范范圍內(nèi)，10-100公里?；谟芯€電電視的城域域網(wǎng)adhoc自組織廣域網(wǎng)（WAN）：能跨越越很大的地地理區(qū)域，，通常是一一個國家、、地區(qū)或者者一個大陸陸。連接澳大利利亞3個分支辦事事處的WANVPN虛擬專用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)：一一組相互連連接的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)稱為互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)（internet）或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（internetwork）。一般具有通通用意義因特網(wǎng)（Internet）：一種全全球范圍內(nèi)內(nèi)的特殊網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，將ISP（Internet服務(wù)提供商商）的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)與各種各各樣的企業(yè)業(yè)網(wǎng)絡(luò)、家家庭網(wǎng)絡(luò)及及其它網(wǎng)絡(luò)絡(luò)連接起來來。首字母母大寫寫由計算算機網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中中提供供資源源的終終端（（稱為為主機機）和和申請請資源源的終終端共共同組組成。。資源子子網(wǎng)由通信信節(jié)點點和通通信鏈鏈路組組成，，承擔(dān)擔(dān)計算算機網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中中的數(shù)數(shù)據(jù)傳傳輸、、交換換、加加工和和變換換等通通信處處理工工作。。通信子子網(wǎng)2.按網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的拓拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)分分類※星形※環(huán)形※總線形※樹形※不規(guī)則形※完整性3.按傳輸輸介質(zhì)質(zhì)分類類※架空明線※雙絞線※同軸電纜※光纖※無線（紅外/微波/衛(wèi)星）4.按通信信方式式分類類（1）點對對點傳傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)每條物物理線線路連連接一一對計計算機機。假假如兩兩臺計計算機機之間間沒有有直接接的線線路，，那么么它們們之間間的分分組就就要通通過中中間節(jié)節(jié)點的的接收收、存存儲、、轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)，直直到目目的節(jié)節(jié)點。。由于于連接接多臺臺計算算機之之間的的線路路結(jié)構(gòu)構(gòu)可能能是復(fù)復(fù)雜的的，因因此從從源節(jié)節(jié)點到到目的的節(jié)點點可能能存在在多條條路由由，決決定分分組從從通信信子網(wǎng)網(wǎng)的源源節(jié)點點到達(dá)達(dá)目的的節(jié)點點的路路由需需要有有路由由選擇擇算法法。又稱單播（2）廣播播式網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳傳輸所有連連網(wǎng)計計算機機共享享一個個公共共通信信信道道。當(dāng)當(dāng)一臺臺計算算機利利用共共享通通信信信道發(fā)發(fā)送報報文分分組時時，所所有其其它的的計算算機都都會收收聽到到這個個分組組。由由于發(fā)發(fā)送的的分組組中帶帶有目目的地地址和和源地地址，，接收收到該該分組組的計計算機機將檢檢查目目的地地址是是否與與本節(jié)節(jié)點地地址相相同。。若被被接收收的報報文分分組的的目的的地址址與本本節(jié)點點地址址相同同，則則接收收該分分組，，否則則丟棄棄該分分組。?？煞殖龀龆嗖セ蚪M播5.按網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的使使用目目的分分類共享資資源網(wǎng)網(wǎng)：使使用者者可共共享網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中中的各各種資資源，，如：：文件件、掃掃描儀儀、打打印機機以及及各種種服務(wù)務(wù)。Internet網(wǎng)是典典型的的共享享資源源網(wǎng)。。數(shù)據(jù)處處理網(wǎng)網(wǎng)：用用于數(shù)數(shù)據(jù)處處理的的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，如如：科科學(xué)計計算網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、、企業(yè)業(yè)經(jīng)營營管理理用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等等。數(shù)據(jù)傳傳輸網(wǎng)網(wǎng)：用用來收收集、、交換換、傳傳輸數(shù)數(shù)據(jù)的的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，如如：情情報檢檢索網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等等。注：目目前網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)使使用的的目的的都不不是單單一的的。6.按服務(wù)務(wù)方式式分類類客戶機機／服服務(wù)器器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)：客客戶機機向服服務(wù)器器發(fā)出出請求求并獲獲得服服務(wù)的的一種種網(wǎng)絡(luò)絡(luò)形式式。多多臺客客戶機機可以以共享享服務(wù)務(wù)器提提供的的各種種資源源。對等網(wǎng)網(wǎng)：每每臺計計算機機都可可以與與其它它每臺臺計算算機對對話，，共享享彼此此的信信息資資源和和硬件件資源源，組組網(wǎng)的的計算算機一一般類類型相相同。。7.按傳輸輸速率率劃分分低速網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)：：<10kbps中速網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)：：10kbps——100Mbps高速網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)：：100Mbps—10Gbps8.按交換換方式式劃分分（1）電路路交換換網(wǎng)：：如電電話系系統(tǒng)；；（2）報文文交換換網(wǎng)：：如電電報系系統(tǒng)；；（3）分組組交換換網(wǎng)：：如因因特網(wǎng)網(wǎng)，ATM網(wǎng)（交交換的的是信信元））。9.按適用用范圍圍劃分分（1）公用用網(wǎng)：：如：：CHINAPAC（中國國分組組交換換網(wǎng)））；（2）專用用網(wǎng)：：如：：微軟軟公司司內(nèi)部部網(wǎng)三、計計算機機網(wǎng)絡(luò)絡(luò)硬件件網(wǎng)絡(luò)硬硬件主主要由由可獨獨立工工作的的計算算機、、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)設(shè)備備和傳傳輸介介質(zhì)組組成。。1.計算機機是計算算機網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的的核心心，用用戶主主要的的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)資源源。服務(wù)器器：向向網(wǎng)絡(luò)絡(luò)用戶戶提供供服務(wù)務(wù)，并并負(fù)責(zé)責(zé)對網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資資源進(jìn)進(jìn)行管管理。?？煞址譃槲奈募?wù)器器、通通信服服務(wù)器器、備備份服服務(wù)器器、打打印服服務(wù)器器等。。一般般由功功能強強大的的計算算機擔(dān)擔(dān)任，，如：：小型型機、、專用用PC服務(wù)器器、高高檔PC。網(wǎng)絡(luò)絡(luò)工工作作站站：：是是一一臺臺供供用用戶戶使使用用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的本本地地計計算算機機，，為為用用戶戶服服務(wù)務(wù)，，同同時時被被授授予予一一定定權(quán)權(quán)限限訪訪問問服服務(wù)務(wù)器器，，或或與與其其它它工工作作站站通通信信及及共共享享網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)資資源源。。2.網(wǎng)絡(luò)絡(luò)設(shè)設(shè)備備網(wǎng)卡卡：：又又稱稱網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)接接口口適適配配器器（（NIC），，是是計計算算機機與與傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)的的接接口口，，負(fù)負(fù)責(zé)責(zé)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)上上數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)包包的的接接收收和和發(fā)發(fā)送送。。調(diào)制制解解調(diào)調(diào)器器：：用用來來實實現(xiàn)現(xiàn)通通信信信信道道上上數(shù)數(shù)字字信信號號與與模模擬擬信信號號的的相相互互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換。。中繼繼器器：：物物理理層層互互連連設(shè)設(shè)備備，，通通過過放放大大和和再再生生信信號號擴擴大大介介質(zhì)質(zhì)的的傳傳輸輸距距離離。。應(yīng)應(yīng)用用目目的的是是為為了了解解決決電電纜纜長長度度問問題題。。集線線器器：：物物理理層層互互連連設(shè)設(shè)備備，，作作為為網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)的的中中央央節(jié)節(jié)點點，，可可以以看看成成是是一一種種特特殊殊的的中中繼繼器器，，除除了了具具有有信信號號再再生生功功能能外外，，有有的的還還具具有有在在共共享享信信道道上上分分配配帶帶寬寬的的功功能能。。一一般般不不能能識識別別MAC地址址，，以以廣廣播播方方式式轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)包包。。交換換機機：：數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)鏈鏈路路層層互互連連設(shè)設(shè)備備，，是是一一種種基基于于MAC地址址識識別別，，完完成成封封裝裝、、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)包包功功能能的的網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)設(shè)設(shè)備備。。網(wǎng)橋橋：：數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)鏈鏈路路層層互互連連設(shè)設(shè)備備，，用用于于連連接接使使用用相相同同通通信信協(xié)協(xié)議議，，但但傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)可可以以不不相相同同的的兩兩個個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)。。路由由器器：：網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)層層互互連連設(shè)設(shè)備備，，作作用用是是連連接接局局域域網(wǎng)網(wǎng)和和廣廣域域網(wǎng)網(wǎng)，，有有判判斷斷網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)地地址址和和選選擇擇路路徑徑的的功功能能。。其其主主要要作作用用是是為為經(jīng)經(jīng)由由路路由由器器的的報報文文尋尋找找一一條條最最佳佳路路徑徑，，并并將將數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳送送到到目目的的站站點點。。它它不不關(guān)關(guān)心心各各子子網(wǎng)網(wǎng)使使用用的的硬硬件件設(shè)設(shè)備備，，但但要要求求運運行行與與網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)層層協(xié)協(xié)議議相相一一致致的的軟軟件件。。網(wǎng)關(guān)關(guān)：：應(yīng)應(yīng)用用層層互互連連設(shè)設(shè)備備，，實實現(xiàn)現(xiàn)不不同同網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)協(xié)協(xié)議議之之間間的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換，，并并具具有有路路由由功功能能，，將將數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)重重新新分分組組后后傳傳送送。。3.傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)架空空明明線線、、雙雙絞絞線線、、同同軸軸電電纜纜、、光光纖纖、、無無線線（（紅紅外外、、微微波波、、衛(wèi)衛(wèi)星星通通信信））等等。。四、、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)拓拓?fù)鋼浣Y(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)1.星形形拓拓?fù)鋼涓鱾€個節(jié)節(jié)點點直直接接連連接接到到中中心心節(jié)節(jié)點點。。中心心節(jié)節(jié)點點控控制制整整個個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的通通信信，，任任何何兩兩個個非非中中心心節(jié)節(jié)點點之之間間的的通通信信都都要要通通過過中中心心節(jié)節(jié)點點。。拓?fù)鋼浣Y(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡單單，，易易于于實實現(xiàn)現(xiàn)，，便便于于管管理理。。網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的中中心心節(jié)節(jié)點點是是整整個個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)性性能能與與可可靠靠性性的的瓶瓶頸頸，，中中心心節(jié)節(jié)點點的的故故障障可可能能造造成成整整個個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的癱癱瘓瘓。。2.環(huán)形拓拓?fù)湎噜徴菊军c通通過點點-點鏈路路連接接成閉閉合環(huán)環(huán)路。。環(huán)中數(shù)數(shù)據(jù)沿沿一個個方向向逐站站傳送送。拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)簡簡單，，傳輸輸延時時確定定。環(huán)中每每個站站點與與相鄰鄰站點點之間間的通通信線線路都都會成成為網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可可靠性性的瓶瓶頸。。環(huán)中中任何何一個個站點點或線線路出出現(xiàn)故故障，，都有有可能能造成成網(wǎng)絡(luò)絡(luò)癱瘓瘓。為了方方便站站點的的加入入和撤撤出環(huán)環(huán)，控控制站站點的的數(shù)據(jù)據(jù)傳輸輸順序序，保保證環(huán)環(huán)的正正常工工作，，需設(shè)設(shè)計復(fù)復(fù)雜的的環(huán)維維護(hù)協(xié)協(xié)議。。3.總線形形拓?fù)鋼渌泄?jié)節(jié)點連連接到到一條條作為為公共共傳輸輸介質(zhì)質(zhì)的總總線，，以廣廣播方方式發(fā)發(fā)送和和接收收數(shù)據(jù)據(jù)。當(dāng)一個個節(jié)點點利用用總線線發(fā)送送數(shù)據(jù)據(jù)時，，其他他節(jié)點點只能能接收收數(shù)據(jù)據(jù)。若有兩兩個或或兩個個以上上的節(jié)節(jié)點同同時發(fā)發(fā)送數(shù)數(shù)據(jù)時時，就就可能能會出出現(xiàn)沖沖突，，造成成傳輸輸失敗敗。優(yōu)點是是結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單單，缺缺點是是必須須解決決多節(jié)節(jié)點訪訪問總總線的的介質(zhì)質(zhì)訪問問控制制問題題。4.樹形拓拓?fù)涔?jié)點按按層次次進(jìn)行行連接接，數(shù)數(shù)據(jù)交交換主主要在在上、、下節(jié)節(jié)點之之間進(jìn)進(jìn)行；；同層層節(jié)點點之間間通常常不進(jìn)進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)交交換，，或數(shù)數(shù)據(jù)交交換量量比較較小。。樹形拓拓?fù)淇煽梢钥纯闯墒鞘切切涡瓮負(fù)鋼涞囊灰环N擴擴展。。樹形形拓?fù)鋼渚W(wǎng)絡(luò)絡(luò)適用用于匯匯集信信息。。5.網(wǎng)形拓拓?fù)涔?jié)點之之間的的連接接是任任意的的，沒沒有規(guī)規(guī)律。。網(wǎng)形形拓?fù)鋼涞膬?yōu)優(yōu)點是是系統(tǒng)統(tǒng)可靠靠性高高。網(wǎng)形拓拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)復(fù)雜，，必須須采用用路由由選擇擇算法法、流流量控控制與與擁塞塞控制制方法法。五、介介質(zhì)訪訪問控控制方方式1.介質(zhì)訪訪問控控制方方式分分類隨機的的：CSMA/CD，爭用用總線線受控的的：令令牌環(huán)環(huán)、令令牌總總線2.CSMA/CD-載波偵偵聽多多路訪訪問/沖突檢檢測（1）原理理先聽后后發(fā)；；若空閑閑即發(fā)發(fā)送，，否則則等一一段時時間后后重試試；邊講邊邊聽；；若有沖沖突，，即發(fā)發(fā)出阻阻塞信信號。。（2）CSMA/CD所使用用的堅堅持退退避算算法0-堅持：：空閑即即發(fā)送送，否否則等等待隨隨機時時間重重試發(fā)發(fā)送；；1-堅持：：空閑即即發(fā)送送，否否則一一直等等到空空閑即即發(fā)送送，若若此時時有沖沖突發(fā)發(fā)生，，則等等待一一個隨隨機時時間重重試發(fā)發(fā)送；；P-堅持：：空閑即即以P概率發(fā)發(fā)送，，或者者以（（1-P）的概概率延延遲一一個大大于最最大傳傳輸延延遲的的時間間單位位重復(fù)復(fù)處理理。如如果忙忙，繼繼續(xù)監(jiān)監(jiān)聽，，直到到空閑閑，從從頭重重復(fù)。。對比：：0-堅持缺缺點：：即使使有幾幾個站站要發(fā)發(fā)送，，介質(zhì)質(zhì)也有有可能能空閑閑；1-堅持缺缺點：：假如如有2個或2個以上上站點點要發(fā)發(fā)送數(shù)數(shù)據(jù)，，則沖沖突不不可避避免；；P-堅持：：是一一種折折衷方方案。。有N個站有有數(shù)據(jù)據(jù)等待待發(fā)送送，在在當(dāng)前前發(fā)送送完成成時，，則有有N×P個站企企圖發(fā)發(fā)送，，若N×P>1，則沖沖突不不可避避免。。所以以設(shè)計計時應(yīng)應(yīng)使N×P<1。P也不能能太小小，否否則浪浪費帶帶寬。。3.令牌方方式是一種種有控控制的的發(fā)送送方式式。令令牌按按一定定順序序在各各站點點傳遞遞，誰誰得到到令牌牌，誰誰才有有權(quán)發(fā)發(fā)送報報文。。（1）分類類令牌環(huán)環(huán)網(wǎng)：：用于于環(huán)形形網(wǎng)絡(luò)絡(luò)；令牌總總線：：用于于總線線形網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。。各個個工作作站按按一定定順序序形成成一個個邏輯輯環(huán)，，使用用令牌牌控制制機制制，構(gòu)構(gòu)成令令牌總總線。。誰得得到令令牌，，誰才才有權(quán)權(quán)發(fā)送送報文文。（2）令牌牌方式式與CSMA/C