《工业通信与网络技术》第2章

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工业通信与网络技术

哈工大网络与电气智能化研究所2第2章现场总线网络基础2.1现场总线网络概观2.2网络分类2.3网络软件2.4OSI和TCP/IP参考模型2.5网络体系结构内的标准化2.6网络拓扑结构2.7介质访问控制方式哈工大网络与电气智能化研究所2.1现场总线网络概观2.1.1低层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-1PROFIBUS-DP（IEC61158第4版，Type3）单主站网络32.1现场总线网络概观2.1.1低层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-2HART（IEC61158第4版，Type20）

网络42.1现场总线网络概观2.1.1低层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-3ControlNet（IEC61158第4版，Type2）网络及其冗余方式52.1现场总线网络概观2.1.1低层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-4FFHl（IEC61158第4版，Type9）网络62.1现场总线网络概观2.1.2多层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-5PROFINET（IEC61158第4版，Type10）的网络结构图方式72.1现场总线网络概观2.1.2多层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-6LonWorks（GB/Z20177-2006）本地与远程监控网络82.1现场总线网络概观2.1.2多层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-7异构网段集成现场总线网络92.1现场总线网络概观2.1.2多层现场总线网络哈工大网络与电气智能化研究所图2-8应用Web服务器的现场总线远程监控网络101.按传输技术分类1）点到点网络点到点（point-to-point）链路将一对单独的机器连接起来。在一个由点到点链路组成的网络中，为了从源端（发送方）到达接收方，短消息必须首先访问一个或多个中间机器。这种短消息在某些情况下称为数据包或包或分组（packet）。在网络中有可能存在多条不同长度的路由。点-点传输只有一个发送方和一个接收方，故有时也称为单播（unicasting）。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所112）广播式网络传输通信信道被网络上的所有机器所共享；任何一台机器发出的数据包能被所有其他任何机器收到。每个数据包的地址字段指定了预期的接收方。地址字段中使用一个特殊的地址编码可以将一个数据包发送给所有目标机器，如果被传输的数据包带有这样的地址编码，那么网络中的每一台机器都将会接收该包并对其进行处理。这种传输模式称为广播（boradcasting）。有些广播网络还支持给一组机器发送数据包的模式，这种传输模式称为多播或组播（multicasting）。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所122.2网络分类哈工大网络与电气智能化研究所132.按网络尺度分类个域网（PAN）：允许设备围绕着一个人进行通信。一个常见的例子是计算机通过无线网络与其外围设备连接。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所14图2-11蓝牙PAN配置2.按网络尺度分类局域网（LAN）：是一种私有网络，一般在一座建筑物内或建筑物附近，比如家庭、办公室或工厂。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所15图2-12无线和有线LAN2.按网络尺度分类城域网（MAN）：规模局限在一座城市的范围内，10-100公里的区域。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所16图2-13基于有线电视的城域网2.按网络尺度分类广域网（WAN）：能跨越很大的地理区域，通常是一个国家、地区或者一个大陆。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所17图2-14连接澳大利亚3个分支办事处的WAN2.按网络尺度分类互联网（WAN）：一组相互连接的网络称为互联网络（internetwork）或互联网（internet）。全球范围的因特网（Internet）则通常用首字母大写来表示（这是一个特殊的网络）。Internet使用ISP网络来连接各种各样的企业网络、家庭网络和许多其他网络。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所183.按网络的拓扑结构分类可分为星形、环形、总线形、树形、不规则形、完整性等。4.按传输介质分类5.按网络的使用目的分类共享资源网：使用者可共享网络中的各种资源，如：文件、扫描仪、打印机以及各种服务。Internet网是典型的共享资源网。数据处理网：用于数据处理的网络，如：科学计算网络、企业经营管理用网络等。数据传输网：用来收集、交换、传输数据的网络，如：情报检索网络等。注：目前网络使用的目的都不是单一的。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所196.按服务方式分类客户机／服务器网络：客户机向服务器发出请求并获得服务的一种网络形式。多台客户机可以共享服务器提供的各种资源。对等网：每台计算机都可以与其它每台计算机对话，共享彼此的信息资源和硬件资源，组网的计算机一般类型相同。7.按传输速率划分低速网络：<10kbps中速网络：10kbps—100Mbps高速网络：100Mbps—10Gbps2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所208.按交换方式划分电路交换网：如电话系统。报文交换网：如电报系统。分组交换网：如因特网，ATM网（交换的是信元）。9.按适用范围划分公用网：如：CHINAPAC（中国分组交换网）。专用网：如：微软公司内部网。2.2网络分类

哈工大网络与电气智能化研究所21一、网络软件1.网络协议和协议软件它们是通过协议程序实现网络协议功能。2.网络通信软件通过网络通信软件实现网络工作站之间的通信。3.网络操作系统网络操作系统是用以实现系统资源共享、管理用户对不同资源访问的应用程序，它是最主要的网络软件。2.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所224.网络管理与网络应用软件网络管理软件：是用来对网络资源进行管理和对网络进行维护的软件；网络应用软件：是为网络用户提供服务并为用户解决实际问题的软件。二、计算机网络的体系结构/协议层次结构为了易于设计、分析、实现和测试网络及其部件的功能，计算机网络按功能划分成多层结构。同层之间采用协议进行通信；相邻层之间通信使用接口。层和协议的集合称为计算机网络的体系结构。2.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所23为了降低网络设计的复杂性，绝大多数网络都组织成一个层次栈或分级栈，每一层都建立在其下一层的基础之上。层的个数、每一层的名字、每一层的内容以及每一层的功能，对不同网络不尽相同。一台机器上的第N层与另一台机器上的第N层进行对话，该对话中使用的规则和约定统称为第N层协议。所谓协议是指通信双方就如何进行通信的一种约定。不同机器上构成对应层的实体称为对等进程。对等进程可能是软件进程、硬件设备，或者是人。正是这些对等进程为了实现彼此沟通才使用协议来进行通信。2.3网络软件哈工大网络与电气智能化研究所242.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所25图2-17层、协议和接口在每一对相邻层之间的是接口。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务。当网络设计者在决定一个网络中应该包含多少层，以及每一层应该提供哪些功能时，其中最重要的一个考虑是必须定义清楚层与层之间的接口。2.3网络软件哈工大网络与电气智能化研究所262.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所272-18支持第5层虚拟通信的信息流三、服务、接口与协议每一层中的活动元素通常被称为实体。实体既可以是软件实体（如一个进程），也可以是硬件实体（如智能输入／输出芯片）。不同机器上同一层的实体叫做对等实体。N层实体实现的服务为N+1层所利用。在这种情况下，N层被称为服务提供者，N+1层为服务用户。N层基于N-1层的服务来提供它自己的服务。服务是在服务访问点SAP提供给上层使用的。N层SAP就是N+1层实体（如应用程序）可以访问N层服务的地方。N+1层的不同实体（如不同应用程序）通过各自的SAP来访问N层。2.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所28哈工大网络与电气智能化研究所29相邻层之间要交换信息，对接口必须有一致同意的规则。2.3网络软件

图2-19处于接口两边的两层之间的关系三、服务、接口与协议协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的一组规则，而所谓的数据单元即是指报文、数据包或帧。对等实体利用协议来实现它们的服务定义；对等实体可以自由地改变协议，只要不改变呈现给它们用户的服务即可。协议数据单元（PDU）：PDU是在某给定层中协议所规定的一组数据。该组数据就是一个数据单元，其中或者含有该层的用户（应用）数据，或者包含该层的协议控制信息，或者二者皆有。2.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所30三、服务、接口与协议服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作。服务与两层之间的接口有关，低层是服务提供者，而上层是服务用户。服务涉及层与层之间的接口；相反，协议涉及不同机器上两个对等实体之间传输的数据单元（报文、数据包或帧）。2.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所31四、各层的设计问题可靠性：检错纠错路由网络演进：协议分层寻址和命名编号、拆分/分段/分片、重组/组装可扩展2.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所32四、各层的设计问题资源分配：统计复用流量控制拥塞服务质量网络安全：保密性完整性可认证性2.3网络软件

哈工大网络与电气智能化研究所33五、面向连接的服务与无连接服务面向连接的服务无连接服务存储-转发交换直通式交换服务质量哈工大网络与电气智能化研究所2.3网络软件

34五、面向连接的服务与无连接服务哈工大网络与电气智能化研究所2.3网络软件

35图2-206种不同类型的服务2.4.1OSI参考模型OSI模型有7层，其分层原则如下：应该在需要一个不同抽象体的地方创建一层。每一层都应该执行一个明确定义的功能。每一层功能的选择应该向定义国际标准化协议的目标看齐。层与层边界的选择应该使跨越接口的信息流最小。层数应该足够多，以保证不同的功能不会被混杂在同一层中；但同时层数又不能太多，以免体系结构变得过于庞大。哈工大网络与电气智能化研究所362.4OSI和TCP/IP参考模型

2.4.1OSI参考模型哈工大网络与电气智能化研究所374传输层为源和目的主机提供透明数据传输。连接建立与删除、多路复用、报文分段与重组、流量控制。3网络层支持网络连接的实现。路由选择，拥塞控制，记账，异种网络互连。2数据链路层建立、维护、释放数据链路连接，成帧/拆帧、发送/接收、差错检测与控制、流量控制、MAC、产生和识别帧边界。1物理层物理连接的建立、拆除，物理层管理等，实现透明比特流传输。处理机械的、电气的和过程的接口。2.4.1OSI参考模型哈工大网络与电气智能化研究所387应用层完成业务处理所需的服务功能，如文件传输、电子邮件等。6表示层提供应用数据的信息表示，数据编码。5会话层允许不同机器上的用户建立会话。对话控制、令牌管理、同步功能。2.4.1OSI参考模型哈工大网络与电气智能化研究所392.4.1OSI参考模型哈工大网络与电气智能化研究所402.4.2TCP／IP参考模型哈工大网络与电气智能化研究所41应用层包含所有高层协议，如：Telnet、FTP、SMTP、DNS、NNTP、HTTP等。传输层(TCP协议簇)使源和目的主机之间可以进行会话。定义了2个端到端协议：面向连接的TCP（排序和流量控制）；无连接的UDP。互联网层(IP协议簇)无连接的分组交换网络，此层中主机可把报文发往任何网络，报文独立传向目标。分组路由、避免阻塞。主机与传输线路接口没有详细定义。2.4.2TCP／IP参考模型422.4.2TCP／IP参考模型哈工大网络与电气智能化研究所43图2-24TCP/IP模型及一些协议2.4.3OSI参考模型和TCP／IP参考模型的比较共同点：都以协议栈概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立。两个模型中各个层的功能也大致相似。传输层之上的各层都是传输层服务的用户，并且是面向应用的。哈工大网络与电气智能化研究所442.4.3OSI参考模型和TCP／IP参考模型的比较OSI模型的核心是如下3个概念：（1）服务；（2）接口；（3）协议。哈工大网络与电气智能化研究所452.4.3OSI参考模型和TCP／IP参考模型的比较TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议，例如，互联网层提供的真正服务只是发送IP数据包和接收IP数据包。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。最初把协议分层的主要目的之一就是能做这样的替换。哈工大网络与电气智能化研究所462.4.3OSI参考模型和TCP／IP参考模型的比较OSI参考模型产生在协议发明之前。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。不利的方面是设计者在协议方面没有太多的经验，因此不知道该把哪些功能放到哪一层最好。哈工大网络与电气智能化研究所472.4.3OSI参考模型和TCP／IP参考模型的比较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。不会出现协议不能匹配模型的情况。唯一的问题是该模型不适合于任何其它协议栈。哈工大网络与电气智能化研究所482.4.3OSI参考模型和TCP／IP参考模型的比较OSI模型有7层，而TCP/IP模型只有4层。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（无连接），但在传输层支持两种模式，给了用户选择的机会。哈工大网络与电气智能化研究所492.5.1标准以及协议层网络体系结构，例如TCP/IP或OSI体系结构，为标准化提供了一个框架。在OSI这个模型内，每一层都可以开发出一个或多个协议标准。总体说来，这个模型定义了每一层要执行的功能，并通过两种方式促进了标准制定的过程：（1）由于每一层的功能都有成熟的定义，因此可以独立且并行地为每一层开发标准。这就加速了标准的制定过程。（2）由于层与层之间的边界有成熟的定义，因此某一层标准的改变并不会影响到另一层中的现存软件。这使得引入新的标准更加容易。2.5网络体系结构内的标准化哈工大网络与电气智能化研究所502.5.1标准以及协议层2.5网络体系结构内的标准化哈工大网络与电气智能化研究所51图2-25作为标准框架的网络体系结构2.5.1标准以及协议层2.5网络体系结构内的标准化哈工大网络与电气智能化研究所52图2-26特定层的标准哈工大网络与电气智能化研究所2.5.2服务原语和参数53在网络体系结构中，邻层之间的服务可以用术语原语和参数表示。服务原语定义的是所执行的功能，而参数则用于传递数据和控制信息。服务原语的真正形式取决于它的实现方式，过程调用就是服务原语的一个例子。表2-2四类服务原语的简要解释原语类别含义对于连接请求

一个实体希望得到完成某些操作的服务请求方使用指示

通知一个实体，有某个事件发生接收方使用响应

一个实体对一个请求的回复接收方使用证实返回对先前请求的响应请求方使用哈工大网络与电气智能化研究所2.5.2服务原语和参数54哈工大网络与电气智能化研究所2.5.2服务原语和参数55图2-27服务原语时间序列（源点（N）层实体向终点（N）层实体传送数据）有证实服务：包括请求、指示、响应和证实4个原语。无证实服务：只有请求和指示2个原语。哈工大网络与电气智能化研究所562.5.2服务原语和参数CONNECT．request：请求建立连接。CONNECT．indication：指示有人请求建立连接。CONNECT．response：被呼叫方用来表示接收／拒绝建立连接的请求。CONNECT．confirm：通知呼叫方建立连接的请求是否被接受。DATA．request：请求发送数据。DATA．indication：表示数据的到达。DISCONNECT．request：请求释放连接。DISCONNECT．indication：指示有释放连接的请求。哈工大网络与电气智能化研究所572.5.2服务原语和参数CONNECT．request：拨姑妈家的电话号码。CONNECI'．indication：她家的电话铃响了。CONNECT．response：她拿起电话。CONNECT．confirm：你听到了电话铃停止。DATA．request：你邀请她来喝茶。DATA．indication：她听到了你的邀请。DATA．request：她说她很高兴来。DATA．indication：你听到她接受了邀请。DISCONNECT．request：你挂断电话。DISCONNECT．indication：她听到了挂断声，也挂断了电话。哈工大网络与电气智能化研究所582.5.2服务原语和参数2.6网络拓扑结构哈工大网络与电气智能化研究所591.星形拓扑结构的特点为：各个节点直接连接到中心节点。中心节点控制整个网络的通信，任何两个非中心节点之间的通信都要通过中心节点。拓扑结构简单，易于实现，便于管理。网络的中心节点是整个网络性能与可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成整个网络的瘫痪。2.6网络拓扑结构哈工大网络与电气智能化研究所602.环形拓扑结构的特点为：相邻站点通过点-点链路连接成闭合环路。环中数据沿一个方向逐站传送。拓扑结构简单，传输延时确定。环中每个站点与相邻站点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中任何一个站点或线路出现故障，都有可能造成网络瘫痪。为了方便站点的加入和撤出环，控制站点的数据传输顺序，保证环的正常工作，需设计复杂的环维护协议。2.6网络拓扑结构哈工大网络与电气智能化研究所613.总线型拓扑结构的特点为：所有节点连接到一条作为公共传输介质的总线，以广播方式发送和接收数据。当一个节点利用总线发送数据时，其他节点只能接收数据。若有两个或两个以上的节点同时发送数据时，就可能会出现冲突，造成传输失败。优点是结构简单，缺点是必须解决多节点访问总线的介质访问控制问题。2.6网络拓扑结构哈工大网络与电气智能化研究所624.树形拓扑结构的特点为：节点按层次进行连接，数据交换主要在上、下节点之间进行；同层节点之间通常不进行数据交换，或数据交换量比较小。树形拓扑可以看成是星形拓扑的一种扩展。树形拓扑网络适用于汇集信息。2.6网络拓扑结构哈工大网络与电气智能化研究所635.网形拓扑结构的特点为：节点之间的连接是任意的，没有规律。网形拓扑的优点是系统可靠性高。网形拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法。2.6网络拓扑结构哈工大网络与电气智能化研究所642.7介质访问控制方式在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。哈工大网络与电气智能化研究所652.7介质访问控制方式通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。哈工大网络与电气智能化研究所662.7介质访问控制方式在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD（CarrierSenseMultiple

AccesswithCollisionDetection载波监听多路访问/冲突检测）。在控制访问方式中常用令牌总线、令牌环或称之为标记总线、标记环。哈工大网络与电气智能化研究所672.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其它站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。哈工大网络与电气智能化研究所682.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

三种CSMA坚持退避算法：不坚持CSMA（也叫0坚持CSMA）1-坚持CSMAP-坚持CSMA哈工大网络与电气智能化研究所692.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

不坚持CSMA——介质空闲就发送，介质忙就等待一段随机时间再发送。利用随机的重传时间来减少冲突的概率，缺点是：即使有几个站有数据要发送，介质仍然可能处于空闲状态，介质的利用率较低。哈工大网络与电气智能化研究所702.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

1-坚持CSMA。介质空闲就发送，介质忙则继续监听，等到总线空闲，立即发送。如果发生冲突，则等待一段随机时间，重复第一步。缺点是：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。哈工大网络与电气智能化研究所712.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

P-坚持CSMA。假如介质是空闲的，则以P的概率发送，或以（1—P）的概率延迟一个时间单位后重复处理。该时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙，继续监听直到介质空闲，重复第一步。哈工大网络与电气智能化研究所722.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

P-坚持CSMA。如果选择P过大，使NP>1，则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0