第三章 控制网络基础2013

第三章控制网络基础3.1控制网络与计算机网络计算机网络：是多台计算机通过传输线路连接在一起的可共享数据资源的计算机群。网络上的单台计算机不仅具有数据处理和计算能力外，还能与网络上的其他计算机互相交换数据。计算机网络节点主要是各种计算机及其外设。控制网络：则指通过总线把具备数字计算、处理与通信能力的自控设备连接组成的系统。通过现场使单个设备能够互相交换信息。控制网络节点主要是各种自控设备。计算机网络的类型：广域网、城域网、局域网。普通计算机网络与控制网络有什么异同点？相同点：通过网络数据和信息可以相互交换，各网络节点可以协同工作。区别：任务不同，节点类型不同，工作环境，传输信息种类。3.2控制网络的特点

控制网络一般属于局域网，在数公里以内。

把单个分散的具有通信能力的测控设备通过总线连接，由它们共同完成自控任务，就是控制网络。

控制网络遍布在工厂的车间、装配流水线、温室、粮库、堤坝、隧道、各种交通管制系统、建筑、军工、消防、环境监测、楼宇家居等处。

控制网络可与信息网络互连，构成远程监控系统，并可成为互联网中网络与信息拓展的重要分支。3.2控制网络的特点1.控制网络的节点：具有计算和通信能力的测量控制设备。例如：限位开关、感应开关等各类开关（AS-I总线）条形码阅读器（串行通信）光电传感器（AS-I总线）温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器（PROFIBUS-PA、CAN、Hart等）可编程控制器PLC（PROFIBUS-DP、PROFINET、INDUSTRIALETHERNET、ControlNet、DeviceNet、CC-Link等）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、工作站及外设各种调节阀马达控制设备变频器机器人作为控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等

2.控制网络的任务与工作环境：

主要任务就是完成测控工作。

具体任务：把现场设备的运行参数、状态以及故障信息等传送到控制室，同时将各种控制、维护、组态命令等传送到现场的测控设备，这是现场设备的数据交互和传递；此外，控制网络在与操作终端、上层管理网络的数据交互和传递中发挥作用；总线供电。

工作环境：强电磁干扰、机械震动、温差大。3.2控制网络的特点3.控制网络的实时性要求：

普通计算机网络——以太网技术，常采用带冲突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式(CSMA/CD),但是仍避免不了冲突的可能性，故称为非确定性(nondeterministic)网络。

实时性：实时控制对某些变量的数据往往要求准确定时刷新，控制作用必须在一定时限内完成，或者相关的控制动作一定要按事先规定的先后顺序完成。这种对时间有严格要求的系统称为实时系统。

确定性：控制网络通过对任务进行实时调度，使实时任务在不同节点上周期执行，这样的网络系统具有确定性(deterministic)。控制网络传输信息：设备的测量值、控制量、工作状态、报警状态、系统配置组态、参数修改、零点量程调整、设备维护等。部分需要实时性，通过配置来充分利用网络资源。举例：外科手术，PROFINET（SRT<=10ms软实时模式，IRT<1ms等时同步实时模式）。3.2控制网络的特点

网络拓扑：是指网络中节点的互连形式。控制网络中常见的拓扑结构：环形、星形、总线形和树形。环形拓扑：环形，单向，每个节点中继器具备存取逻辑和收发控制。光纤环网可提供更大的数据吞吐量；一个节点的故障可能导致网络瘫痪。可采用光纤冗余。环形拓扑3.3网络拓扑

2.星形拓扑：任何节点通信都要通过中央节点，中央节点结构复杂负担重，其他节点结构简单负担小。星形拓扑3.3网络拓扑

3.总线拓扑：一个节点发送，其他节点都能接受（可以实现一对一，一对多数据传送）；需要通过总线存取访问控制方式来确定总线控制权。节省电缆，信号有衰减和畸变。总线形拓扑3.3网络拓扑4.树形拓扑：星形拓扑或总线拓扑的扩展形式。树形拓扑3.3网络拓扑常用的传输介质：有线、无线。有线：双绞线、同轴电缆、仪表电缆、电力电缆、光纤1.双绞线：3.4网络的传输介质内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套--螺旋绞合的双导线，≈1mm--每根2对、4对、25对--典型连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音3类、5类、6类双绞线外没有任何附加屏蔽3.4网络的传输介质2.同轴电缆：同轴电缆从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（即网络同轴电缆和视频同轴电缆）。同轴电缆分50Ω基带电缆和75Ω宽带电缆两类。基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps。中心铜线和网状导电层形成电流回路。因为中心铜线和网状导电层为同轴关系而得名。3.4网络的传输介质内导体依靠光波承载信息速率高，通信容量大，仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便3.4网络的传输介质3.光缆：玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF 玻璃包层——125um光纤无铜？？？？3.4网络的传输介质●高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束3.4网络的传输介质●无线介质使用无线电波、微波、红外以及激光携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰3.4网络的传输介质无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的频率3.4网络的传输介质地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔3.4网络的传输介质地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长22,300公里地球3.4网络的传输介质常用传输媒体的比较3.4网络的传输介质选择网络传输介质需要考虑的问题：传输信号类型、网络覆盖的地理范围、环境条件、节点间的距离、网络连接方式、网络通信数据量的大小、传输介质与相关设备的性能价格比。3.4网络的传输介质传输介质的访问控制方式：解决介质争用冲突的方法，也称为总线竞用或总线仲裁技术。采用介质访问控制方式的原因？计算机网络中采用的方式：控制网络中采用的方式：提高网络传输介质的利用率载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)主/从、令牌总线、时分复用3.5网络传输介质的访问控制方式1.载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）：

冲突、载波监听、冲突检测

载波监听CSMA的控制方式是：先听再讲，边讲边听。检测到冲突，发送Jam信号，通知各节点已经发生冲突，同时也避免继续传送已损坏的数据帧。

CSMA坚持退避算法：

不坚持CSMA：如果空闲，则发送。若介质忙，等待随机时间，再重新监听。

概率1坚持CSMA：如果空闲，则发送。若介质忙，继续监听，直到介质空闲，立即发送。若发生冲突，等待随机时间，再继续监听。概率p坚持CSMA：如果空闲，以概率p坚持发送，或以（1-p）的概率延迟一个时间单位后再听。这个时间单位等于最大的传播延迟。若介质忙，继续监听，直至空闲再以概率p坚持发送。3.5网络传输介质的访问控制方式2.令牌：为了避免随机通信造成冲突，采用某种方式控制通信的发起者或发起时间。令牌控制就是按一定顺序在各站点间传递令牌，得到令牌的网络节点才有发起通信的权利，从而避免冲突。令牌环形网络和令牌总线网络。

令牌环形网络：具有数据发送权的令牌在环形信道上不断循环。能够保证通信传输的确定性，适合实时系统的使用，对负载不敏感；但网络节点出故障会引起网络瘫痪，可靠性差。

3.5网络传输介质的访问控制方式

令牌总线网络：采用总线拓扑，网上各节点按预定顺序形成一个逻辑令牌环。每个节点在逻辑环中均有一个指定的逻辑位置，首尾相连。由于站点等待取得令牌的时间是确定的、按顺序依次进行的，因此对所有站点都有公平的访问权。根据需要，选定网络中的站点数及最大的报文长度，从而保证在限定的时间内取得令牌。

3.5网络传输介质的访问控制方式令牌总线的介质访问控制应具备以下功能：令牌传递算法逻辑环的初始化站点插入算法退出环路恢复CSMA/CD在负载较轻时表现出良好的吞吐率与延迟特性。而令牌控制方式在通信负荷较重时表现出较好的吞吐率与延迟特性。

3.5网络传输介质的访问控制方式3.时分复用：

是指为共同使用介质的每个网络节点预先分配好一段特定的占用总线的时间。各个网络节点按分配的时间段及先后顺序占用总线。这种介质访问控制方式称为时分多路复用。实分复用包括同步时分复用和异步时分复用。3.5网络传输介质的访问控制方式1.什么是网络互连？网络互连就是要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网络，也可以是运行不同网络协议的异构系统。要求：不改变原有的子网的网络协议、通信速率、软硬件配置等。3.6网络互连网络互连技术能实现更大规模、更大范围的网络连接，使网络、网络设备、网络资源、网络服务成为一个整体。2.网络互连规范：ISO：InternationalStandardOrganization(总部：瑞士日内瓦)OSI：OpenSystemInterconnectionIEEE：InstituteofElectricalandElectronicEngineers(美国)计算机网络标准方面，起着很大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（CCITT）国际标准化组织（ISO）CCITT与ISO的工作领域不同：CCITT主要是考虑通信标准的制定；ISO主要是考虑信息处理与网络体系结构。IEEE802.1~IEEE802.6ISO8802-1~ISO8802-63.6网络互连3.7网络互连的通信参考模型1.开放系统互连参考模型

OSI参考模型(OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)的基本概念

OSI参考模型是为异构网络互连提供的一个共同基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供参考。开放不是指对特定系统实现具体互联的技术或手段，而是对标准的认同。一个开放系统，可与遵守相同标准的其他系统互连通信。在OSI中的“开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循同一标准的其它任何系统进行通信；OSI研究的思路是抽象化和模块化、层次化；OSI标准中，采用的是三级抽象：

体系结构（architecture）（分几层及各层的功能定义）服务定义（servicedefinition）（服务与接口）协议说明（protocolspecification）（协议规则）

通信参考模型是对通信系统的高度概括。3.7网络互连的通信参考模型ISO划分七层结构的基本原则：网中各结点都具有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接口通信；每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。3.7网络互连的通信参考模型分层结构的优点

独立性强各层相对独立，不关心各层的具体实现适应性强每层内部的变化，只要接口不变，就不会影响其他层

易于实现和维护复杂系统通过分层被分解成若干涉及范围小，相对简单的子系统，使系统结构清晰，实现、测试简单包括程序设计在内的很多地方都采用分层结构处理（如组织架构）3.6网络互连OSI参考模型的结构

通信控制处理机通信控制处理机系统A系统B中继节点中继节点3.7网络互连的通信参考模型3.7网络互连的通信参考模型OSI参考模型的结构3.7网络互连的通信参考模型2.OSI参考模型各层的功能

物理层（physicallayer）任务：在物理媒体(介质)上正确地、透明地传送比特流。协议(标准)：规定了物理接口的各种特性：机械：物理连接器的尺寸、形状、规格电气：信号电平，信号的脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等功能：接口引（线）脚的功能和作用规程：信号时序，应答关系，操作过程功能：建立和拆除物理连接、位流传输、管理服务：物理连接、物理服务数据、顺序化、数据电路标识、服务质量指标、故障报告3.7网络互连的通信参考模型数据链路层（datalinklayer）任务：在两个相邻节点间可靠地传输数据，使之对网络层呈现为一条无错的链路。功能与服务：建立与拆除数据链路连接组帧：帧封装，按顺序传送，处理返回的确认帧；定界与同步：产生/识别帧边界；差错检测/恢复：可靠的传输，CRC，ARQ；流量控制：抑止发送方的传输速率，使接收方来得及接收。3.7网络互连的通信参考模型网络层（networklayer，internetlayer）任务：选择合适的路由，把分组从源端传送到目的端。功能与服务：在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接路由选择和分组中转流量控制和拥塞控制多路复用：为多个传输层实体提供网络连接服务分段与组合：大数据块分段，小数据块组合差错检测与恢复流量统计和记账IP协议[RFC791]（requestforcomments）：提供无连接的数据报服务3.7网络互连的通信参考模型路由选择如何在多条通信路径中找一条最佳路径？依据：速度,距离(步跳数),价格,拥塞程度路由器——路由表建立与维护静态：人工设置，只适用于小型网络动态：运行过程中根据网络情况自动地动态维护路由算法——建立与维护路由表的方法距离向量算法：RIP、CGP等链路状态算法：OSPF等3.7网络互连的通信参考模型链路层的任务两节点间可靠的数据传输Ethernet,X.25,ATM,…网络层的任务沿两端点间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信）Ethernet,X.25,ATM,…3.7网络互连的通信参考模型传输层（transportlayer）任务：在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输，使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节。传输层的特点以上各层：面向应用，本层及以下各层：面向传输；与网络层的部分服务有重叠交叉，功能取舍取决于网络层功能的强弱；只存在于端主机中；实现源主机到目的主机“端到端”的连接；在这一点上与网络层的区别是什么？网络层：为主机之间提供逻辑传输传输层：为应用进程之间提供逻辑传输3.7网络互连的通信参考模型主机对主机系统A系统B实体对等层对等实体接口服务物理网络网络层网络层进程对进程传输层传输层3.7网络互连的通信参考模型传输层两种服务的比较ConnectionOrientedConnectionless参考模式电话系统邮政系统特点静态分配资源；传输前需要建立连接动态分配资源可靠性提供可靠的传输服务：无错、按序、无丢失/无重复不能防止报文的损坏、失序、丢失和重复对目的地址的要求仅在连接阶段需要完整的目的地址需要为每一个报文提供完整的目的地址适用场合在一段时间内向同一目的地发送大量报文;实时性要求少量零星报文分类及示例1.可靠消息流-文件传输2.可靠字节流-远程登录3.不可靠连接-数字化声音1.数据报-广播/组播2.可靠的数据报-挂号邮件3.请求应答-数据库查询3.7网络互连的通信参考模型应用层（applicationlayer）任务：为用户的应用进程提供网络通信服务。功能：提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求；识别并证实目的通信方的可用性；使协同工作的应用进程之间进行同步；为通信过程申请资源。应用层协议的例子：OSI:VTP、MHS、FTAM、DS、…TCP/IP:Telnet、SMTP、FTP、DNS、HTTP、…3.7网络互连的通信参考模型OSI环境中的数据流

3.7网络互连的通信参考模型3.几种典型控制网络的通信模型作为工业数据通信的底层控制网络，要构成开放互连系统，应该考虑:

如何制定和选择通信模型？七层OSI参考模型是否适应工业现场的通信环境，模型是否需要简化来适应控制网络？工业现场的情况：存在大量传感器、控制器、执行器等；分布范围大；单个节点通信数据量不大，通信实时性、快速性要求高。现场采用的通信模型需要简化。3.7网络互连的通信参考模型OSI与部分控制网络通信参考模型的对应关系物理层1数据链路层2网络层3传输层4会话层5表示层6应用层7总线报文规范子层FMS总线访问子层FASFMS/FDA报文规范低层接口H1物理层H1物理链路层以太网物理层数据链路层IPTCP/UDP数据链路层物理层(485)用户层用户层应用过程H1HSEPROFIBUS3.7网络互连的通信参考模型OSI模型与LonWorks和CAN的分层对照3.7网络互连的通信参考模型中继器：属于物理层的网络连接设备，作用信号整形放大复制。3.8网络互连设备集线器与交换机的区别

从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备。这就意味着集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无法有效处理，不能保证数据传输的完整性和正确性；而交换机不但可以对数据的传输做到同步、放大和整形，而且可以过滤短帧、碎片等。从工作方式来看，集线器是一种广播模式，也就是说集线器的某个端口工作的时候其他所有端口都有名收听到信息，容易产生广播风暴。当网络较大的时候网络性能会受到很大的影响，那么用什么方法避免这种现象的发生呢？交换机就能够起到这种作用，当交换相工作的时候只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口，那么交换机就能够隔离冲突域和有效地抑制广播风暴的产生。从带宽来看，集线器不管有多少个端口，所有端口都共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待；同时集线器只能工作在半双工模式下。而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当两个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下也可以工作在全双工模式下。

3.8网络互连设备网桥：属于作用在物理层和数据链路层的存储转发设备。用于连接同类型不同网段，网络传输速率、传输介质可不同。3.8网络互连设备路由器：工作在物理层、数据链路层和网络层，包含有软件。3.8网络互连设备网桥和路由器的区别

作为同是连接两个网络间的设备，网桥和路由器确实有些相似，不过本质上还是不同的。其中网桥（Bridge）又叫桥接器，它是一种在链路层实现局域网互连