工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與通信基礎(chǔ)知識(shí)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

第二章工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與通信根底知識(shí)

DeliveredbyDr.GAOFengTel:+86(451)825184101/16/20241本章內(nèi)容

2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底1.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的根本概念2.數(shù)據(jù)編碼3.數(shù)據(jù)傳輸4.過(guò)失控制2.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)1.網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介2.工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?.介質(zhì)訪問(wèn)控制方式2.3開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型1.OSI參考模型2.網(wǎng)絡(luò)互連3.現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議模型1/16/202422.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底1.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的根本概念通信：彼此間的信息交換，完成信息從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的傳遞。信息：一種帶有普遍性的關(guān)系屬性，是物質(zhì)存在方式及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特點(diǎn)的外在表現(xiàn)；是生物體或具有一定功能的機(jī)器通過(guò)感覺(jué)器官或相應(yīng)設(shè)備同外界交換的內(nèi)容的總稱(chēng)。信息就是人們要通過(guò)通信系統(tǒng)傳遞的內(nèi)容。數(shù)據(jù)：是任何描述物體概念、情況、形勢(shì)的事實(shí)、數(shù)字、字母和符號(hào)。數(shù)據(jù)是傳遞信息的實(shí)體，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。信號(hào)：將信息轉(zhuǎn)換為適合在通信信道上傳輸?shù)碾娋幋a、電磁編碼或光編碼，這種在信道上傳輸?shù)碾?光編碼叫做信號(hào)。分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

工業(yè)數(shù)據(jù)通信的實(shí)質(zhì)和任務(wù)就是把計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，通過(guò)智能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備把車(chē)間層和設(shè)備層的工業(yè)數(shù)據(jù)平安準(zhǔn)確的傳送到上層網(wǎng)絡(luò)中。1/16/202432.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底1.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的根本概念碼元(CodeCell)：時(shí)間軸上的一個(gè)信號(hào)編碼單元。一個(gè)單比特碼元用一位二進(jìn)制數(shù)表示。數(shù)據(jù)傳輸速率比特率(BitRate)：數(shù)據(jù)傳輸速率(bps，b/s)，每秒鐘傳遞數(shù)據(jù)的位數(shù)。波特率〔BaudRate〕：信號(hào)傳輸速率〔baud〕。每秒鐘傳遞的信號(hào)脈沖〔波形〕數(shù)，也是每秒鐘傳送的碼元數(shù)。二者關(guān)系:〔M為信號(hào)的有效狀態(tài)數(shù)，即碼元數(shù)〕誤碼率(Biterrorrate)：信道傳輸?shù)目煽啃灾笜?biāo)P=錯(cuò)誤的位數(shù)/傳輸?shù)目偽粩?shù)信道〔Channel〕：傳送信息的線路〔通路〕數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式〔離散信號(hào)〕傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信道：以連續(xù)模擬信號(hào)形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。信道帶寬〔BandWidth〕：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的信道傳輸?shù)氖请姶挪ā舶o(wú)線電、微波、光波等〕，帶寬就是它所能傳輸電磁波的最大有效頻率與最小有效頻率之差。信道容量〔Channelcapacity〕：某個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)的最大傳輸速率，即在單位時(shí)間內(nèi)可能傳送的最大比特?cái)?shù)。信道的最大傳輸速率是與信道帶寬有直接聯(lián)系的。 1/16/202442.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底2.數(shù)據(jù)編碼為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼？工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的任務(wù)：工業(yè)數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常是以離散的二進(jìn)制數(shù)0，1序列的方式來(lái)表示的，即用0，1序列的不同組合來(lái)表示不同的信息內(nèi)容。通過(guò)編碼把一種組合與一個(gè)確定的內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)。編碼要得到通信各方的認(rèn)同，編碼分為數(shù)字編碼和模擬編碼。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼定義：用上下電平的矩形脈沖信號(hào)來(lái)表示數(shù)據(jù)的0、1狀態(tài)。數(shù)字編碼的種類(lèi)有：?jiǎn)螛O性碼、雙極性碼、歸零碼、非歸零碼、差分碼、Manchester編碼等。非歸零碼曼徹斯特編碼：以電壓跳變作為數(shù)字信號(hào)的值，也可作為時(shí)鐘，具有內(nèi)在的時(shí)鐘信息。1/16/202452.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底曼徹斯特編碼1/16/202462.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底2.數(shù)據(jù)編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼〔調(diào)制編碼〕定義：用模擬信號(hào)來(lái)表示數(shù)據(jù)的0、1狀態(tài)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬編碼后可以使其在現(xiàn)有的某些網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳送。發(fā)送時(shí)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，到接收端后再把它復(fù)原為數(shù)字信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，我們要選擇一個(gè)某一頻率的正弦波作為載波，利用數(shù)字信號(hào)的變化分別對(duì)載波的某些特性〔振幅、頻率、相位〕進(jìn)行控制，從而到達(dá)模擬編碼的目的。調(diào)制：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)“寄載〞到載波上的過(guò)程稱(chēng)為“調(diào)制〞。解調(diào)：從載波上取出它所攜帶的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)為“解調(diào)〞1/16/202472.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底2.數(shù)據(jù)編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼〔調(diào)制編碼〕模擬編碼常用的技術(shù)有：1〕幅移鍵控〔ASK,AmplitudeShiftKeying〕：用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1，效率低，易受干擾。2〕頻移鍵控〔FSK，F(xiàn)requencyShiftKeying〕：用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1，不易受干擾，現(xiàn)場(chǎng)總線的HART通信信號(hào)就采用這種編碼方式。3〕相移鍵控〔PSK，PhaseShiftKeying〕：用載波的起始相位的變化表示0和1，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，效率較高。1/16/202482.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底3.數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)通信方式〔數(shù)據(jù)流動(dòng)方向〕單工：傳送的信息始終是一個(gè)方向，而不進(jìn)行與此相反方向的傳送。半雙工：信息流可在來(lái)過(guò)那個(gè)方向上傳輸，但同一時(shí)刻只限于一個(gè)方向傳輸。全雙工：同時(shí)進(jìn)行雙向通信，與半雙工相比效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本錢(qián)較高。數(shù)據(jù)傳輸方式串行傳輸數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)流是以串行方式逐位地在一條信號(hào)上傳輸。具有本錢(qián)低、容易實(shí)現(xiàn)、控制簡(jiǎn)單、長(zhǎng)距離通信可靠性高等的特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。并行傳輸將數(shù)據(jù)以成組的形式在多條并行的通道上同時(shí)傳輸。傳輸速率高，但需要的數(shù)據(jù)線多，短距離可以忍受；長(zhǎng)距離通信時(shí)，會(huì)有本錢(qián)和可靠性差等問(wèn)題。并行傳輸一般用于計(jì)算機(jī)和打印機(jī)間的通信。1/16/202492.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底3.數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸方式異步傳輸該方法以字符為單位發(fā)送數(shù)據(jù)，一次傳送一個(gè)字符，每個(gè)字符可以是5位或8位，在每個(gè)字符前要加上一個(gè)起始位，用來(lái)指明字符的開(kāi)始；每個(gè)字符后面還要加上一個(gè)終止碼，用來(lái)指明字符的結(jié)束。異步傳輸使用的是字符同步方式。異步傳輸方式下的每一個(gè)字符的發(fā)送都是獨(dú)立和隨機(jī)的，它以不均勻的傳輸速率發(fā)送，字符間隔是任意的。同步傳輸該方法是以數(shù)據(jù)塊〔幀〕為單位進(jìn)行傳輸?shù)?，?shù)據(jù)塊的組成可以是字符塊，也可以是位塊。在同步傳輸時(shí)，發(fā)送端和接收端必須同步。同步傳輸時(shí)，在每個(gè)數(shù)據(jù)塊的前面加上一個(gè)起始標(biāo)志，指明數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始；在數(shù)據(jù)塊的后面也要加一個(gè)標(biāo)志，指明數(shù)據(jù)塊結(jié)束，接收方根據(jù)起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志成塊的接收數(shù)據(jù)。1/16/2024102.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底4.過(guò)失控制數(shù)據(jù)在通信線路上傳輸時(shí)，由于各種各樣的干擾和噪聲的影響，往往會(huì)使接收端不能收到正確的數(shù)據(jù)，這就產(chǎn)生了過(guò)失，即誤碼。產(chǎn)生過(guò)失的原因：信道的電氣特性引起信號(hào)幅度、頻率、相位的畸變；信號(hào)反射；串?dāng)_；閃電、大功率電機(jī)的啟停等。線路傳輸過(guò)失是不可防止的，但要盡量減小其影響。如何提高通信質(zhì)量？采用高質(zhì)量的通信線路在外部采取抗干擾措施采用過(guò)失控制方法一種軟的控制技術(shù)。它容忍過(guò)失的存在，但能夠發(fā)現(xiàn)，并設(shè)法加以糾正。這是普遍采用的提高通信質(zhì)量的方法。檢測(cè)碼糾錯(cuò)碼1/16/2024112.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底幾種常用的檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼：奇偶校驗(yàn)〔ParityChecking〕編碼規(guī)那么：首先將要傳遞的信息分組，各組信息后面附加一位校驗(yàn)位，校驗(yàn)位的取值時(shí)的整個(gè)碼字中“1〞的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。如果形成的碼字中“1〞的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，成為奇校驗(yàn)；是偶數(shù)，成為偶校驗(yàn)。這種方法一般用于簡(jiǎn)單的并且對(duì)通信錯(cuò)誤要求不十分嚴(yán)格的場(chǎng)合。舉例：原始數(shù)據(jù)=1100010，采用偶校驗(yàn)。那么增加校驗(yàn)位后的數(shù)據(jù)為11100010假設(shè)接收方收到的字節(jié)奇偶結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。判斷結(jié)果：奇偶校驗(yàn)只能檢測(cè)出奇數(shù)個(gè)比特位錯(cuò)，對(duì)偶數(shù)個(gè)比特位錯(cuò)那么無(wú)能為力。1/16/2024122.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底幾種常用的檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼循環(huán)冗余校驗(yàn)〔CRC,CyclicRedundancyCheck〕一種通過(guò)多項(xiàng)式除法檢測(cè)錯(cuò)誤的方法。檢錯(cuò)思想：在發(fā)送端對(duì)傳輸序列進(jìn)行一次除法操作，將余數(shù)附加在傳輸信息的后面，在接收端，也進(jìn)行同樣的除法過(guò)程，如果接收端的除法結(jié)果不是零，那么說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)了錯(cuò)誤。校驗(yàn)和計(jì)算方法假設(shè)G(x)為r階，原幀為m位，其多項(xiàng)式為M(x)，那么在原幀后面添加r個(gè)0，幀成為m+r位，相應(yīng)多項(xiàng)式xrM(x)按模2除法用對(duì)應(yīng)于G(x)的位串去除對(duì)應(yīng)于xrM(x)的位串，得出余數(shù)按模2加法把xrM(x)的位串與余數(shù)相加，結(jié)果就是要傳送的帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式T(x) T(x)=xrM(x)+[xrM(x)MOD2G(x)]1/16/2024132.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底循環(huán)冗余校驗(yàn)〔CRC,CyclicRedundancyCheck〕舉例：例2-1：假設(shè)數(shù)據(jù)序列M(x)為1101，0110，11，生成多項(xiàng)G(x)=x4+x+1，即10011，求T(x)。例2-2：假設(shè)數(shù)據(jù)序列M(x)為1010，001，生成多項(xiàng)式G(x)=x4+x2+x+1，即10111，求T(x)。

CRC中的生成多項(xiàng)式不是隨便選定的。它的結(jié)構(gòu)和檢錯(cuò)效果是要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)后確定的。目前已有多種生成多項(xiàng)式被列為了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，

CRC-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1

CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1

CRC錯(cuò)誤檢測(cè)方法大約能檢查出99.95%以上的錯(cuò)誤。1/16/2024142.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底幾種常用的檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼海明碼和海明距離海明碼是一種糾錯(cuò)碼，其根本思想是：將待傳信息碼元分為許多長(zhǎng)度為k的組，每一組后再附加r個(gè)校驗(yàn)位，從而構(gòu)成n=k+r位的分組碼；位號(hào)為的為校驗(yàn)位，其余位為信息位，每個(gè)校驗(yàn)位和某幾個(gè)特定的信息位構(gòu)成偶〔或奇〕校驗(yàn)關(guān)系。海明距離：在一個(gè)有效的編碼集中，任意兩個(gè)碼字對(duì)應(yīng)位取值不同的個(gè)數(shù)的最小值稱(chēng)為該編碼集的海明距離。即對(duì)兩個(gè)碼字進(jìn)行異或運(yùn)算，其結(jié)果中“1〞的個(gè)數(shù)就是海明距離。(p22)例：有效編碼集10110、11010的海明距離？有效編碼集10101、01111的海明距離？1/16/2024152.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)1、網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理通路，也是通信中傳送信息的載體。有線傳輸介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜和光纖。無(wú)線傳輸介質(zhì)：無(wú)線電、微波、衛(wèi)星、移動(dòng)通信等各種通信介質(zhì)。工業(yè)通信中常用的是有線傳輸介質(zhì)。雙絞線〔twistedpair)由絞和在一起的相互絕緣的兩根銅線組成，每根銅線的直徑大約為1mm。工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的信號(hào)電纜就是雙絞線。計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的雙絞線有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽雙絞線(STP，ShieldedTwistedPair)特點(diǎn)：抗干擾性好，性能高，本錢(qián)高，工業(yè)通信系統(tǒng)使用較多。非屏蔽雙絞線(UTP，UnshieldedTwistedPair)分類(lèi)和特點(diǎn)：1、2、3、4、5類(lèi)線，性?xún)r(jià)比高，使用廣泛。1/16/2024162.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)1、網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)同軸電纜(coaxialcable)由同軸的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體組成，內(nèi)導(dǎo)體是一根金屬線，外導(dǎo)體是一根圓柱形的套管，內(nèi)外導(dǎo)體之間有絕緣層。支持點(diǎn)到點(diǎn)連接，也支持多點(diǎn)連接。同軸電纜分基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜優(yōu)點(diǎn)：抗干擾性強(qiáng)〔特別是高頻時(shí)〕；缺點(diǎn)：可靠性不好，容易出現(xiàn)故障，連接不方便，很少使用。光纜(opticalfiber)：即光導(dǎo)纖維。根據(jù)制作材料的不同，分為玻璃光纖、塑料光纖等，玻璃光纖價(jià)格要高于塑料光纖，但其性能也高于后者。特點(diǎn)：依靠光波承載信息；速率高，通信容量大，僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制；傳輸損耗小，適合長(zhǎng)距離傳輸；抗干擾性能極好，保密性好；輕便；價(jià)格高，連接不方便。無(wú)線通信：主要有微波、紅外和激光等。適合于在地理上或安裝上有要求的場(chǎng)合，或頻繁移動(dòng)的設(shè)備。在實(shí)際工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的底層使用的不多。1/16/2024172.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问焦I(yè)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)湫问骄褪枪?jié)點(diǎn)的互連形式。常見(jiàn)的是：總線型、環(huán)形、星形和樹(shù)形等?？偩€型：通過(guò)一條總線電纜作為傳輸介質(zhì)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)接口接入總線。是工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中最常用的一種拓?fù)湫问健Ｌ攸c(diǎn)：通信可以是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，也可以是播送方式；接入容易，擴(kuò)展方便，節(jié)省電纜；網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小，可靠性較高。在一定長(zhǎng)度的總線上，所連接的從站設(shè)備的數(shù)量、分支電路的多少和長(zhǎng)度都要進(jìn)行限制。1/16/2024182.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2.工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问叫切闻c樹(shù)形：在星形拓?fù)渲?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接到中央節(jié)點(diǎn)，任何節(jié)點(diǎn)之間的通信都通過(guò)中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。樹(shù)形拓?fù)涫切切瓮負(fù)涞淖兎N。常用于分級(jí)的主從式網(wǎng)絡(luò)，采用集中控制，中央節(jié)點(diǎn)就是控制核心，在商業(yè)和民用網(wǎng)絡(luò)中使用較多。特點(diǎn)維護(hù)、管理簡(jiǎn)單；每個(gè)結(jié)點(diǎn)的通信負(fù)擔(dān)很小，所以沖突??；網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間短，誤碼率低；增加節(jié)點(diǎn)時(shí)本錢(qián)低；可靠性差，當(dāng)中央節(jié)點(diǎn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。1/16/2024192.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2.工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?/p>

環(huán)形：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路的連接，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口卡和干線耦合器連接，構(gòu)成一個(gè)環(huán)路。信號(hào)在環(huán)路上從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備單向傳輸，直到信號(hào)到達(dá)目的地為止。特點(diǎn)各節(jié)點(diǎn)以令牌方式實(shí)現(xiàn)對(duì)共享介質(zhì)的訪問(wèn)控制；使用光纜等傳輸介質(zhì)，傳輸率高，適合于工業(yè)環(huán)境；擴(kuò)充不便；一個(gè)設(shè)備故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此在一些重要的場(chǎng)合需要采用雙環(huán)。1/16/2024202.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問(wèn)控制方式介質(zhì)訪問(wèn)控制方法〔協(xié)議〕：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不管采用什么樣的拓?fù)湫问竭B接，傳輸介質(zhì)總是作為各站點(diǎn)的共享資源的。將傳輸介質(zhì)的頻帶有效地分配給網(wǎng)絡(luò)上各站點(diǎn)的用戶(hù)的方法。介質(zhì)訪問(wèn)控制方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間、吞吐量和效率起著十分重要的作用。各種局域網(wǎng)的性能在很大程度上取決于所選用的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議。最常用的三種介質(zhì)訪問(wèn)控制方式：帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)方式CSMA/CD〔CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect〕；令牌環(huán)〔TokenRing〕介質(zhì)訪問(wèn)方式；令牌總線〔TokenBus〕介質(zhì)訪問(wèn)方式。1/16/2024212.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問(wèn)控制方式-三種常用方式1〕帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)CSMA/CD載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)載波是否存在，即判斷信道是否被占用，并采取相應(yīng)的措施，它是一種爭(zhēng)用協(xié)議。原那么：發(fā)前監(jiān)聽(tīng)，空閑即發(fā)，忙時(shí)等待。缺乏：發(fā)時(shí)不檢測(cè)，即使沖突已經(jīng)發(fā)生了，仍然要把已破壞的幀發(fā)完，總線利用率降低。帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)該方式可以提高總線的利用率，這種協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為IEC802.3，就是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，已在局域網(wǎng)中廣泛使用。原那么：發(fā)前先偵聽(tīng)，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測(cè)，沖突時(shí)退避，停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串阻塞信號(hào)，通知總線上各站點(diǎn)沖突已發(fā)生。1/16/2024222.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2〕令牌環(huán)〔TokenRing〕介質(zhì)訪問(wèn)方式令牌：一種特殊的“幀〞。工作過(guò)程誰(shuí)可以發(fā)送幀，是由一個(gè)沿著環(huán)旋轉(zhuǎn)的稱(chēng)為“令牌〞〔TOKEN〕的特殊幀來(lái)控制的。只有拿到令牌的站可以發(fā)送幀，而沒(méi)有拿到令牌的站只能等待。拿到令牌的站將令牌轉(zhuǎn)變成訪問(wèn)控制頭，后面加掛上自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)幀通過(guò)任何一個(gè)站點(diǎn)(除源站點(diǎn)外)時(shí)，該站點(diǎn)都要把幀的目的地址和本站地址相比較：如果地址相符合，那么將幀拷貝到接收緩沖器，供高層軟件處理，同時(shí)將幀送回環(huán)中；如果地址不符合，那么直接將幀送回環(huán)中。數(shù)據(jù)循環(huán)一周后由發(fā)送站回收。從返回的幀狀態(tài)位得知發(fā)送成功后，將該幀從環(huán)上移走，同時(shí)將忙令牌改為空令牌，并把它傳至后面的站點(diǎn)，使之獲得發(fā)送幀的權(quán)利。循環(huán)的方向必須固定，要么準(zhǔn)時(shí)針，要么逆時(shí)針。輕負(fù)載時(shí)，等待令牌需要時(shí)間，效率低；重負(fù)載時(shí)，對(duì)各站點(diǎn)公平，效率高。1/16/2024232.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3〕令牌總線〔TokenBus〕介質(zhì)訪問(wèn)方式工作過(guò)程：在物理總線上建立一個(gè)邏輯環(huán)，在這個(gè)邏輯環(huán)中，令牌依次傳遞，站點(diǎn)只有取得令牌才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。特點(diǎn)因?yàn)橹挥袚碛辛钆频恼军c(diǎn)才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀到總線，所以就防止了沖突；令牌總線的幀可以設(shè)置得很短，和CSMA/CD相比，這樣減少了開(kāi)銷(xiāo)，相當(dāng)于增加了網(wǎng)絡(luò)的容量。令牌總線是現(xiàn)場(chǎng)總線中最常用的介質(zhì)控制方式，比方PROFIBUS。1/16/2024242.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問(wèn)控制方式–多路復(fù)用技術(shù)為了有效的利用通信電路，總是利用一個(gè)信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)。多路復(fù)用技術(shù)就是把多路信號(hào)在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，多路復(fù)用技術(shù)可以大大節(jié)省電纜的安裝和維護(hù)費(fèi)用。

多路復(fù)用技術(shù)定義：在實(shí)際的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了有效地利用通信電路，總是利用一個(gè)信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)。多路復(fù)用技術(shù)就是把多路信號(hào)在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，多路復(fù)用技術(shù)可以大大節(jié)省電纜的安裝和維護(hù)費(fèi)用。多路復(fù)用技術(shù)種類(lèi)：頻分多路復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用。1/16/2024252.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問(wèn)控制方式頻分多路復(fù)用〔FrequencyDivisionMultiplexing〕在物理信道能提供比單路原始信號(hào)寬得多的帶寬的情況下，可以把該物理信道的總帶寬分割成假設(shè)干個(gè)與單路信號(hào)帶寬相同〔為了防止相互干擾也可以稍微寬一點(diǎn)〕的子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用〔FDM〕。時(shí)分多路復(fù)用〔TimeDivisionMultiplexing〕假設(shè)傳輸介質(zhì)能到達(dá)的位傳輸速率超過(guò)單一信號(hào)源所需要的數(shù)據(jù)傳輸率，就可以采用時(shí)分多路復(fù)用〔TDM〕技術(shù)。它是將一條物理信道按時(shí)間分成假設(shè)干個(gè)時(shí)間片輪流地給多個(gè)信號(hào)源使用。同步時(shí)分：指時(shí)分方案中的時(shí)間片時(shí)分配好的，而且固定不變的輪流占用，不管信息源是否有信息發(fā)送異步時(shí)分〔統(tǒng)計(jì)時(shí)分)：允許動(dòng)態(tài)的分配時(shí)間片，可以減少浪費(fèi)。輪轉(zhuǎn):每個(gè)站輪流獲得發(fā)送時(shí)機(jī)，適用于交互式的終端對(duì)主機(jī)通信。預(yù)約:時(shí)間被分割成時(shí)間片，要發(fā)送信息，先占用時(shí)間片，適用于數(shù)據(jù)流的通信。爭(zhēng)用:所有站點(diǎn)爭(zhēng)用使用權(quán)，適合于突發(fā)式的通信。1/16/2024262.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問(wèn)控制方式1/16/2024272.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型1〕OSI的產(chǎn)生——開(kāi)展歷程20世紀(jì)70年代后，計(jì)算機(jī)應(yīng)用迅猛開(kāi)展，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展初現(xiàn)端倪；70年代中、后期，各計(jì)算機(jī)廠家先后都推出了自己的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品；操作平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、硬件接口等互不兼容，限制了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放、共享，以及商業(yè)利潤(rùn)的提高；1978年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織〔ISO〕開(kāi)始起草開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型；1983年，正式推出“開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型〞的標(biāo)準(zhǔn)ISO7498。OSI參考模型的出現(xiàn)促進(jìn)了數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)展。1/16/2024282.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型1〕OSI的產(chǎn)生——幾個(gè)概念協(xié)議：不同系統(tǒng)中同一層實(shí)體〔即對(duì)等層實(shí)體〕進(jìn)行通信的規(guī)那么的集合。在協(xié)議中規(guī)定了協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔PDU，ProtocolDataUnit〕的格式，通信雙方所要完成的操作，以及給上層提供的效勞。效勞：在同一實(shí)體中，下層實(shí)體給上層實(shí)體提供的功能稱(chēng)為效勞。下層為效勞提供者，上層為用戶(hù)。用戶(hù)只看得見(jiàn)下層的效勞而看不見(jiàn)下層的協(xié)議。在體系結(jié)構(gòu)中，協(xié)議是水平方向的，效勞是垂直方向的。效勞訪問(wèn)點(diǎn)：在同一系統(tǒng)中相鄰兩層之間交換信息的地點(diǎn)稱(chēng)為效勞訪問(wèn)點(diǎn)〔SAP，ServiceAccessPoint〕。它實(shí)際上就是下層向上層提供效勞的邏輯接口。效勞原語(yǔ)：在同一系統(tǒng)中相鄰兩層要按效勞原語(yǔ)的方式交換信息。這些效勞原語(yǔ)的交換地點(diǎn)在SAP。效勞原語(yǔ)有請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和證實(shí)等4種類(lèi)型。原語(yǔ)中包括對(duì)方的地址、所傳送的內(nèi)容、所要求的效勞質(zhì)量等信息。1/16/2024292.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型2〕分層的原那么OSI的最大奉獻(xiàn)就是它正式定義并系統(tǒng)化了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中分層的概念，分層的好處是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、關(guān)系簡(jiǎn)化、相對(duì)獨(dú)立、構(gòu)造靈活。根據(jù)不同抽象層次的需要進(jìn)行分層，即當(dāng)有大量的通信任務(wù)相近的性質(zhì)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)設(shè)立一個(gè)相應(yīng)的層次；每一層應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)明確定義的功能；每一層功能的選擇應(yīng)當(dāng)有助于制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；層與層之間的邊界應(yīng)該選擇在通過(guò)邊界的信息量盡量少的地方；層數(shù)應(yīng)足夠多但也不能太多。1/16/2024302.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型3〕結(jié)構(gòu)劃分OSI提供了概念性和功能性的結(jié)構(gòu)劃分，將開(kāi)放系統(tǒng)劃分為7個(gè)層次:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。七層中，下三層是網(wǎng)絡(luò)支撐層，涉及數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳送到另一個(gè)設(shè)備的物理實(shí)現(xiàn)；上三層為用戶(hù)支持層，它們?cè)试S在不同的網(wǎng)絡(luò)體系、不同的軟件系統(tǒng)中進(jìn)行互操作；而第四層〔傳輸層〕起到了“承上啟下〞的作用，用來(lái)保證下三層傳輸?shù)氖巧先龑涌梢允褂玫母袷健Ｒ话銇?lái)說(shuō)，上三層功能通常是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而下三層那么是軟件和硬件結(jié)合，物理層根本為硬件。1/16/2024312.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型3〕結(jié)構(gòu)劃分1/16/2024322.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型物理層〔PhysicalLayer〕概述:實(shí)現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。定義了激活、維護(hù)和關(guān)閉終端用戶(hù)之間機(jī)械的、電氣的、功能和規(guī)程特性。根本功能:，規(guī)定所使用的導(dǎo)線類(lèi)型、連接器接口類(lèi)型和型號(hào)等，實(shí)現(xiàn)在物理介質(zhì)上傳輸原始的比特流數(shù)據(jù)，而不管數(shù)據(jù)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)如何。機(jī)械特性：接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列方式、固定和鎖定方式等。電氣特性：信號(hào)線的連接方式、發(fā)送器和接收器的電氣參數(shù)〔包括阻抗、信號(hào)電平、傳輸速率和距離限制等〕以及互聯(lián)電纜的有關(guān)技術(shù)規(guī)定。功能特性：物理接口各信號(hào)線的用途，即說(shuō)明某條線上出現(xiàn)的某一電平表示何種意義。規(guī)程特性：使用信號(hào)線實(shí)現(xiàn)比特流傳輸過(guò)程中，在建立、維持和釋放物理信道時(shí)通信雙方在各電路上的動(dòng)作序列，即信號(hào)時(shí)序的應(yīng)答關(guān)系和操作過(guò)程。1/16/2024332.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型數(shù)據(jù)鏈路層〔DataLinkLayer〕概述：在物理線路上提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使之對(duì)網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無(wú)錯(cuò)的線路。有的系統(tǒng)〔比方現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)〕中數(shù)據(jù)鏈路層又分為：媒體訪問(wèn)控制子層〔MAC〕和邏輯鏈路控制子層〔LLC〕。媒體訪問(wèn)控制子層：負(fù)責(zé)解決共享信道的媒體訪問(wèn)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)共享信道的“交通〞管理，并檢測(cè)傳輸線路的異常情況。邏輯鏈路控制子層：完成通常意義下的數(shù)據(jù)鏈路層功能，在節(jié)點(diǎn)間對(duì)幀的發(fā)送、接收進(jìn)行控制，同時(shí)檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤。根本功能：由于外界噪聲和干擾等原因，傳輸比特流時(shí)可能發(fā)生過(guò)失，數(shù)據(jù)鏈路層就是通過(guò)校驗(yàn)、確認(rèn)和反響重發(fā)等手段改正過(guò)失，該層將比特流組合成幀〔frame〕，在一個(gè)幀中，包含有地址、控制域、數(shù)據(jù)域和校驗(yàn)碼?？傊涔δ馨ǎ撼蓭?、糾錯(cuò)和流量控制。1/16/2024342.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型網(wǎng)絡(luò)層〔NetworkLayer〕概述：在源端與目的端之間建立、維護(hù)、終止網(wǎng)絡(luò)的連接。根本功能：解決多條鏈路組成通路的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端提供通路，完成路由和分組。按照一定的算法進(jìn)行路由選擇，包括路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)流量控制、網(wǎng)絡(luò)連接等。在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)的傳送單位是報(bào)文或報(bào)文分組。傳輸層〔TransportLayer〕概述：為源端主機(jī)到目的端主機(jī)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸效勞；屏蔽各類(lèi)通信子網(wǎng)的差異，使上層不受通信子網(wǎng)技術(shù)變化的影響。根本功能：中間層，核心。傳輸層以上各層：面向應(yīng)用；以下各層：面向傳輸。傳輸層位于資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的交界處，起著承上啟下的作用。為高層從源端機(jī)到目的機(jī)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸效勞。完成端到端的過(guò)失糾正和流量控制，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)終端系統(tǒng)之間傳送的分組數(shù)據(jù)無(wú)喪失、無(wú)重復(fù)、無(wú)過(guò)失、分組順序正確。1/16/2024352.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型會(huì)話層〔SessionLayer〕概述：會(huì)話就是為完成一項(xiàng)任務(wù)而進(jìn)行的一系列相關(guān)的信息交換。會(huì)話層用于建立、管理和中止不同機(jī)器上的應(yīng)用程序之間的會(huì)話。根本功能：會(huì)話層以下各層是面向通信的，以上各層是面向應(yīng)用的，其根本任務(wù)包括會(huì)話連接管理和會(huì)話數(shù)據(jù)交換兩大局部。在傳輸層根底上增加一些協(xié)調(diào)對(duì)話的功能。如它可以給大量傳送的數(shù)據(jù)打上標(biāo)記，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，僅需從最近的同步點(diǎn)重新傳送不需從頭開(kāi)始。表示層〔PresentationLayer〕概述：表示層以下五層關(guān)心的是可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而表示層關(guān)心的是所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的語(yǔ)法和語(yǔ)義。處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問(wèn)題，即信息的語(yǔ)法。如有必要，使用一種通用的數(shù)據(jù)表示格式在多種數(shù)據(jù)表示格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根本功能：為保證數(shù)據(jù)傳輸后意義不變，對(duì)源端機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成適合傳輸?shù)谋忍亓?；到了目的機(jī)進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換成用戶(hù)要求的格式。1/16/2024362.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型應(yīng)用層〔ApplicationLayer〕概述：應(yīng)用層為用戶(hù)的應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)通信效勞，識(shí)別并證實(shí)目的通信方的可用性，使協(xié)同工作的應(yīng)用程序之間進(jìn)行同步，判斷是否為通信過(guò)程申請(qǐng)了足夠的資源。根本功能：用戶(hù)與底層協(xié)議之間的接口，為用戶(hù)提供給用效勞，例如E-mail、WWW、FTP。應(yīng)用層的功能和內(nèi)容取決于用戶(hù)的需要，可自行決定完成什么樣的功能和使用什么協(xié)議。1/16/2024372.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型4〕OSI對(duì)等通信的實(shí)質(zhì)OSI參考模型禁止不同主機(jī)的對(duì)等層之間的直接通信。每一層必須依靠相鄰層提供的效勞來(lái)與另一臺(tái)主機(jī)的對(duì)應(yīng)層通信。實(shí)質(zhì)：對(duì)等層實(shí)體之間虛擬通信；下層向上層提供效勞，上層使用下層提供的效勞；實(shí)際通信在最底層完成。一臺(tái)計(jì)算機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)首先必須打包，打包的過(guò)程稱(chēng)為封裝。封裝就是在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部。OSI參考模型中每一層都要依靠下一層提供的效勞。為了提供效勞，下層把上層的PDU作為本層的數(shù)據(jù)封裝，然后參加本層的頭部〔和尾部〕。頭部中含有完成數(shù)據(jù)傳輸所需的控制信息。這樣，數(shù)據(jù)自上而下遞交的過(guò)程實(shí)際上就是不斷封裝的過(guò)程。到達(dá)目的地后自下而上遞交的過(guò)程就是不斷拆封的過(guò)程。由此可知，在物理線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其外面實(shí)際上被包封了多層“信封〞。但是，某一層只能識(shí)別由對(duì)等層封裝的“信封〞，而對(duì)于被封裝在“信封〞內(nèi)部的數(shù)據(jù)僅僅是拆封后將其提交給上層，本層不作任何處理。

1/16/2024382.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層OSI參考模型中，對(duì)等層協(xié)議之間交換的信息單元統(tǒng)稱(chēng)為協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU,ProtocolDataUnit)。傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱(chēng)：傳輸層——數(shù)據(jù)段〔Segment〕網(wǎng)絡(luò)層——分組〔數(shù)據(jù)包〕〔Packet〕數(shù)據(jù)鏈路層——數(shù)據(jù)幀〔Frame〕物理層——比特〔Bit〕1/16/2024392.3開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)使用同一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)媒體互相共享資源的計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備的集合稱(chēng)為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)干個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)形成的網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為互聯(lián)網(wǎng)〔internetwork〕，一般簡(jiǎn)寫(xiě)為internet。但是，當(dāng)internet變?yōu)镮nternet，意義就改變了，Internet表示支持同一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議〔TCP/IP，TransportControlProtocal/InternetPro