物联网工程导论 课件 第3章　物联网网络层

第3章物联网网络层3.1物联网网络层概述3.2互联网技术3.3短距离无线通信技术3.4移动通信技术3.5NB-IoT技术3.6工业互联网通信技术3.7本章小结第3章本章内容什么是物联网网络层？物联网的网络层基本包含了目前所有的网络形式。网络接入技术、网络传输技术、网络安全技术。感知技术采集的数据需要传输给应用层，或将数据向感知层传输，需要利用物联网通信技术完成传输操作。网络层关键技术有互联网技术、移动通信技术、短距离无线通信技术（蓝牙、NFC、IEEE802.11、IEEE802.15.4、ZigBee、卫星通信网等）、光通信网络技术、VPN虚拟网络技术、WSN技术、总线技术（如CAN等技术）3.1概述计算机网络自从以互联网为代表的计算机网络技术飞速发展，网络已深深地植入人们的生活中。从最初的简单局域网到互联网和物联网，从固定网到移动网，这其中渗透着人类的智慧。计算机网络给用户提供的最基本且重要的功能是连通性和共享性。计算机网络的发展规模及速度远远超过人们最初的预期。随着各个领域新需求不断被提出和新应用不断被推广，计算机网络的发展具有显著的阶段性特征。3.2互联网技术第一阶段的计算机网络可从20世纪50年代算起，人们在电子数字计算机问世后，自然会产生将计算机与通信技术结合的想法，加之当时美国军方的需要，促进了计算机网络技术的研究，并形成相关的理论基础。

第二阶段以20世纪60年代美国的ARPANET与分组交换技术为代表，同时奠定了互联网发展的基础。3.2互联网技术第三阶段可从20世纪70年代中期开始，国际各计算机厂商纷纷研发和推广自己的计算机网络系统。

第四阶段为计算机网络发展和应用最活跃阶段，它可从20世纪90年代算起，很多我们所熟悉的技术名词都是这个阶段的，如互联网、三网融合、P2P网络技术、移动互联网等。3.2互联网技术计算机网络的定义计算机网络是指将分布在不同地理位置的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传输的计算机系统。3.2互联网技术计算机网络的分类人们根据不同角度将计算机网络分成不同的类别，如根据范围的不同，可将计算机网络分为个人区域网（PersonalAreaNetwork，PAN）、局域网（LocalAreaNetwork，LAN）、城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和广域网（WideAreaNetwork，WAN）；根据使用者的不同，可将计算机网络分为公用网（PublicNetwork）和专用网（PrivateNetwork）；根据传输介质的不同，可将计算机网络分为有线网和无线网等。3.2互联网技术计算机网络性能（1）速率速率是指计算机在数字信道上每秒钟传输的比特数，也称为数据率或比特率。

（2）带宽带宽是指某个信号具有的频带宽度。在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路在单位时间内从某一点到另一点所能传输的最高数据率。3.2互联网技术计算机网络性能（3）吞吐量吞吐量是指在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据通信量。（4）时延时延也叫作延迟或迟延，是描述计算机网络性能的重要指标。计算机网络体系结构由于计算机网络是个非常复杂的系统，为便于设计和实现计算机网络，其体系结构的划分多以分层次为基本思路进行。1974年，美国的IBM推出著名的网络标准——系统网络体系结构（SystemNetworkArchitecture，SNA）。1977年，国际标准化组织成立了专门机构来研究计算机网络体系结构的标准化问题，提出了著名的开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI-RM），简称OSI。OSI参考模型如图3-1所示。3.2互联网技术图3-1OSI参考模型3.2互联网技术OSI的七层协议体系结构在理论方面比较完整，概念比较清晰且逻辑性强，但其过于复杂的设计反而在应用上不方便。因此，有人提出了TCP/IP参考模型。TCP/IP体系的四层结构分别为网络接口层、网络层、传输层和应用层；其五层结构分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，上述两种体系结构模型及其与OSI参考模型的对应关系如图3-2所示。3.2互联网技术图3-2OSI参考模型和TCP/IP参考模型

(a)OSI参考模型

(b)TCP/IP四层结构模型

(c)TCP/IP五层结构模型3.2互联网技术层次功能由低到高的层次顺序简要介绍各层功能：（1）物理层物理层（PhysicalLayer）所传输的数据单位是比特（1或0），也就是说物理层的功能就是透明地传输比特流。（2）数据链路层数据链路层（DataLinkLayer）介于物理层和网络层之间，它在物理层提供的服务的基础上向网络层提供相邻节点间透明、可靠的信息传输服务。3.2互联网技术（3）网络层网络层（NetworkLayer）的主要作用是将数据分成一定长度的分组，将分组从发送数据的源节点传送到接收数据的目的节点。（4）传输层传输层（TransportLayer）提供了主机应用程序进程之间的端到端的服务，为上层用户提供不依赖于具体网络的高效的数据传输服务。3.2互联网技术（5）应用层应用层（ApplicationLayer）在OSI参考模型与TCP/IP参考模型中的最高层，为应用程序提供服务以保证通信，但不是进行通信的应用程序本身。3.2互联网技术TCP/IP协议TCP/IP协议是互联网上应用的基础协议，它由TCP（属于传输层）协议和IP（属于网络层）协议共同组成，协调工作。3.2互联网技术IP协议IP是工作于OSI参考模型中的网络层，为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。事实上，区别互联网中不同的计算机主要依靠IP地址。3.2互联网技术IP地址有两个标准：IPv4（InternetProtocolversion4）标准和IPv6（InternetProtocolversion6）标准。（1）IPv4标准已为我们所熟悉，而IPv6标准被称作下一代互联网协议，解决互联网中IP地址紧缺的问题。（2）IPv6地址由128个二进制位（16字节）组成，表示写成8组十六进制形式的无符号整数，每组整数间用冒号（:）分开，如一个合法的IPv6地址形式上应为ACB2:0EC1:745B:35d0:10FF:7EDB:02AE:2CAF。3.2互联网技术TCP协议TCP是工作在传输层的重要协议，它能够驻留在用户计算机中并提供用户进程之间的可靠数据传输服务。（1）TCP报文结构TCP实体间交换的协议数据单元称为段（Segment），每个段由报文段头部（简称报头或报首）和数据两部分组成，其中数据的长度受限于最大段的长度。TCP的报头由一个20字节的固定头部及可变长度的选项（若选用）组成，如图3-3所示。3.2互联网技术图3-3TCP段的头（首）部结构3.2互联网技术

1）源端口号/目的端口号：源端口号和目的端口号分别用于识别发送进程和接收进程。

2）TCP段的首字节序号：该序号指出TCP段的首字节序号。TCP提供的是字节流服务，故TCP段中的每字节都有一个序号。

3）确认号：用于对收到的数据进行确认，表示接收方期待接收下一字节，并证明该序号之前的字节已全部正确收到。3.2互联网技术

4）TCP报头长度：指示TCP报头的长度（以32bit为单位）。该字段的最大值为15，因此限制了TCP报头最大长度为60字节，即选项最多为40字节。5）接收窗口大小：指示接收窗口大小。该字段用于流量控制，表示发送方从“确认号”开始可以发送的字节数。6）检查和：该字段与UDP中的检查和字段用法相同，通过对TCP伪头及TCP数据计算检查和得到。2）TCP连接的建立。3.2互联网技术

（2）TCP连接的建立为了能够顺利完成数据在网络中的传输，TCP在发送数据前需要在发送端和接收端之间建立一个可靠连接，其连接建立过程如图3-4（a）所示。3.2互联网技术图3-4（a）TCP连接建立过程 3.2互联网技术这个连接是通过“三次握手”来建立的，建立过程如下。

1）主机A发送SYN=1且ACK=0的TCP段，给出自己的起始连接序号x。

2）主机B返回一个SYN=1且ACK=1的TCP段，给出自己的起始连接序号y并放入TCP段的首字节序号域中，对x进行确认。3.2互联网技术

3）主机A发送SYN=0且ACK=1的TCP段，对y进行确认。

4）在以上的三次握手过程中，前两个TCP段都使用了定时器，并在定时器超时后重发。当数据发送完成后，需要对所建立的连接进行释放，以节省资源。TCP采用对称释放法来释放连接，在释放时，任何一方想要释放连接，需要先行发送TCP段，这里以主机A发起释放连接为例，具体过程如图3-4（b）所示，过程如下。3.2互联网技术图3-4（b）释放TCP连接3.2互联网技术

1）主机A发送FIN=1的TCP段（称为FIN报文段）；当这个段被确认后，这个方向的连接就释放了。

2）主机B发送确认信号，一个方向的连接释放。

3）主机B发送FIN=1的TCP段。

4）主机A发送确认信号，另一个方向的连接释放。从上述过程中可以看出，TCP连接的释放需要经过4个阶段。3.2互联网技术

3）TCP流量控制TCP协议使用可变长度的滑动窗口进行流量控制，在网络层和传输层上进行拥塞控制。4）套接字接口为了允许应用程序访问传输层的服务，传输层必须向应用程序提供应用程序接口（ApplicationProgramInterface，API）。3.2互联网技术

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，是一组独立于具体协议的网络编程接口。在TCP/IP参考模型中，Socket主要位于传输层和应用层之间，把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，如图3-5所示。3.2互联网技术图3-5Socket在TCP/IP参考模型中的位置关系3.2互联网技术一个完整的网络通信需要一个五元组来标识：协议、本地地址、本地端口号、远端地址、远端端口号。在C/S（客户端/服务器）模式中，一个完整的网络应用程序包括客户端（Client）和服务器（Server）两部分，其中请求服务的一方称为客户，而提供某种服务的一方则称为服务器。一个服务程序通常在一个众所周知的地址监听对服务的请求，也就是说服务进程一直处于休眠状态，直到一个客户对这个服务的地址提出了连接请求。在这个时刻，服务程序被“惊醒”并且为客户提供服务，对客户的请求做出适当的反应，客户端/服务器的请求及响应过程如图3-6所示。3.2互联网技术图3-6客户端/服务器的请求及响应过程3.2互联网技术套接字是一个通信终节点，是Socket应用程序用来在网络上发送或接收数据包的对象。套接字的类型，与正在运行的进程相关联，并且可以有名称，套接字一般只与使用IP协议组的同一“通信域”中的其他套接字交换数据。套接字通信模型如图3-7所示。图3-7套接字通信模型3.2互联网技术1）流式套接字。流式套接字（SOCK_STREAM）是基于TCP协议并提供没有记录边界的数据流（字节流）。

2）数据报套接字。数据报套接字（SOCK_DGRAM）是基于UDP协议并支持面向记录的数据流，但不能确保被送达，也无法确保数据包按发送的顺序送达，但是可以保证一个特定的数据包只能被获取一次。数据报套接字（无连接通信）的程序执行过程如图3-9所示。3.2互联网技术图3-9数据报套接字（无连接通信）的程序执行过程3.2互联网技术对于上述两种套接字模式的使用，应根据实际需求来选用。3.2互联网技术蓝牙蓝牙（Bluetooth）是一种常用的短距离无线通信技术，支持设备短距离、高数据率的无线数据与语音通信的开放性全球无线规范。截止到2023年1月，蓝牙共有版本为V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/5.2/5.3。3.3短距无线通信技术蓝牙3.0技术蓝牙3.0的核心采用一种全新的交替射频技术（AMP）。该技术能够根据不同任务动态选择射频。蓝牙3.0通过集成的“802.11PAL”（协议适应层）使其数据传输速率达到24Mbit/s（兆比特/秒）（实际是根据需要调用802.11Wi-Fi来实现高速数据传输的）。这一速率是蓝牙2.0的8倍，更加拓宽了蓝牙3.0的应用面。蓝牙4.0技术与前面版本相比，蓝牙4.0的改进之处主要体现在3方面：电池续航时间、节能和设备种类。3.3短距无线通信技术蓝牙5.2技术

该标准与前面版本相比信息更稳定、抗干扰能力更强，同时安全性更高。目前，蓝牙5.2主要应用于共享单车、智能手机、平板电脑中。3.3短距无线通信技术ZigBee技术

ZigBee协议层从下到上分别为物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、数据链路层（DLL）、网络层（NWK）、应用层规范（API）、应用层（APL），如图3-11所示。3.3短距无线通信技术图3-11ZigBee协议框架3.3短距无线通信技术ZigBee的技术优势

（1）低速率ZigBee工作于2.4GHz的频段，尽管速率能够达到250Kbit/s，但真正速率不足100Kbit/s，不适合做传输视频之类事情，但适合传感和控制领域。

（2）短距离ZigBee相邻节点之间传输距离一般为10～100m，在增加发射功率后也可增加到1km～3km。3.3短距无线通信技术

（3）低功耗ZigBee的优势之一就是低功耗，在节点不需要工作时能够进入休眠状态，此时功耗可以低至正常工作状态下的千分之一，两节普通电池可以用到6个月到2年时间。

（4）低成本ZigBee数据传输速率低，协议简单，且免收专利费，成本低，适合大量部署。3.3短距无线通信技术（5）低时延ZigBee响应快，一般从休眠状态转入工作状态只需15ms，连接进入网络只需30ms，而蓝牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s，节省了电能。

（6）高安全性ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。3.3短距无线通信技术（7）网络规模大ZigBee采用星状、树状和网状拓扑结构，每个ZigBee网络最多可支持254个节点，再通过协调器实现互相连接，一个区域最多可同时容纳100个ZigBee网络，理论上可容纳65535个节点。3.3短距无线通信技术ZigBee技术的应用ZigBee技术主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中。具体如下。（1）工业、农业和商业方面的信息监视、传感器、自动化控制等。（2）智能家居方面的电视、各类播放机、智能空调、智能卫浴、门禁等。（3）个人健康监护方面的患者监护、医生呼号等。（4）益智玩具和游戏等。（5）PC外围设备方面的操作杆、键盘、鼠标等。3.3短距无线通信技术IEEE802.15.4标准2000年12月，电气电子工程师学会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）成立了IEEE802.15.4工作组，专门从事开发一套称为无线个人局域网（WPAN）的短程无线通信标准。WPAN是一种与无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）并列的个人局域网，但是它的覆盖范围相对较小（一般在10m半径以内），用于整个网络末端或计算机周边附属设备之间的无线连接。3.3短距无线通信技术WPAN类型支持WPAN的技术包括蓝牙、ZigBee、超频波段（UWB）、IrDA等，其中蓝牙技术在WPAN中使用得最广泛。IEEE802.15工作组是对WPAN做出定义说明的机构，它推荐了3种类型。

（1）基于蓝牙技术的WPAN蓝牙技术也是一种无线通信技术，用蓝牙来连接设备形成个人局域网具有许多优势，如免费、连接终端设备多、使用广泛等。3.3短距无线通信技术

（2）基于高频率的802.15.3标准的WPAN高频率的802.15.3标准也称为超频波段或UWB，支持用于多媒体的介于20Mbit/s和1Gbit/s之间的数据传输速率。

（3）基于低频率的802.15.4标准的WPAN低频率的802.15.4标准也称为ZigBee，是针对低电压和低成本家庭控制方案提供的低速率传输技术，同时具有低复杂度、低成本、低功耗等特点。3.3短距无线通信技术IEEE802.15.4标准及其技术特点IEEE802.15.4标准协议结构如图3-12所示。3.3短距无线通信技术图3-12IEEE802.15.4模型3.3短距无线通信技术

（1）IEEE802.15.4的物理层IEEE802.15.4的物理层提供两种无线通信频率：868/915MHz和2.4GHz。

1）868/915MHz。868/915MHz物理层的数据传输速率分别为20Kbit/s和40Kbit/s。因为868/915MHz物理层使用简单的DSSS技术，用低速率换取了较高的灵敏度和较大的覆盖面积，从而减少了监测区域部署的节点数。3.3短距无线通信技术

（2）2.4GHz。与868/915MHz物理层的数据传输速率相比，2.4GHz物理层具有较高的数据传输速率，能够达到250Kbit/s。2）IEEE802.15.4的介质访问控制层IEEE802.15.4的介质访问控制层（MAC）负责实现可靠性数据的发送、接收和转发，以及避免冲突等功能。3）IEEE802.15.4的网络层网络层的功能是负责网络拓扑结构的建立、维护、命名、绑定等服务，协同完成寻址、路由及网络安全等，并能够实现网络的自组织和自维护。3.3短距无线通信技术4）IEEE802.15.4的应用层应用层主要完成某一应用领域中的具体功能或业务，主要由最终制造商、应用服务供应商来完成。3.3短距无线通信技术IEEE802.15.4技术的应用

IEEE802.15.4早期应用于高端工业用户中的工业控制、远程监控和楼宇自动化领域；随着该技术低成本、低功耗和便于使用等技术优势而快速成长，后期转向普通消费者和家庭用户，如家庭自动化、安全和交互式玩具等。3.3短距无线通信技术什么是移动通信？移动通信（MobileCommunication）是指通信中的一方或双方处于运动中的通信，即通信对象中至少有一方处于移动状态中并进行数据通信。第一代至第四代移动通信技术历史性较强，本书暂略，现从第五代移动通信技术开始介绍。3.4移动通信技术第五代移动通信技术第五代移动通信技术被人们称为5G技术，是目前我国正在商用的主流技术，具有高传输速率、低时延、海量连接等特点，属于目前的新一代技术。它主要具有如下特点。3.4移动通信技术高速传输速率5G传输速率可达到10Gbit/s～20Gbit/s，能够完全满足许多大数据量的传输，如高清视频、各类大数据业务等。低时延5G时延可低至1ms，完全满足对实时性需求非常高的领域，如工业互联网、自动驾驶、远程医疗手术等。3.4移动通信技术高连接数量级可每平方千米建立百万个连接数量，尤其满足万物互联时代的物联网连接需求。强移动性5G技术可满足每小时500km高速移动状态下的通信，因此可应用于中国高铁，提高人们的生活指数。（中国5G、中国高铁已成中国标志，是中国人民的自豪。）高体验速率用户体验速率达到100Mbit/s。3.4移动通信技术第六代移动通信技术当5G技术正在如火如荼在社会应用时，科技人员已经开始第六代移动通信（6G）的研发，其传输速率将达到5G的100倍，理论速率约为每秒1TB。3.4移动通信技术衡量6G的关键指标如下：（1）传输速率：达到100Gbit/s～1Tbit/s，约是5G的100倍。（2）定位精度：室内达到10cm，室外达到1m，约是5G的10倍。（3）通信时延：0.1ms，约是5G的1/10。（4）连接数量：设备密度达到每立方米过百个，约每平方千米100亿个连接，约是5G的10万倍，密度惊人。（5）中断率：小于百万分之一，可靠性极高。3.4移动通信技术第六代移动通信技术低功耗广域网（LPWAN）技术是为物联网需求应运而“生”的。该技术设计在实现远程通信功能的同时还能够以低功耗、低速率方式运行，大大延长该物联网系统的使用寿命。低功耗广域网应用非常广泛。

窄带物联网（NB-IoT）也被称为低功耗广域网，是物联网领域新兴的一项技术，支持低功耗设备在广域网中以蜂窝方式完成数据连接，可直接用于GSM网络、UMTS网络或LTE网络向其他网络的平滑升级，同时还能够降低部署成本。3.5NB-IoT技术第六代移动通信技术目前，NB-IoT已经成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT受到用户欢迎，是与它的特点分不开的。NB-IoT的特点如下。3.5NB-IoT技术低功耗

NB-IoT的功耗很低，如果使用AA（5000mAh）电池，那么NB-IoT终端模块待机时间可以长达10年，完全可以满足绝大多数应用领域系统生存时间的需求。低成本NB-IoT模块成本更低，国内模块价格十几元到几十元不等（NB-IoT芯片价格更低），企业部署时完全可以根据模组功能、性能与品牌来选用。NB-IoT模块如图3-13所示。3.5NB-IoT技术图3-13NB-IoT模块3.5NB-IoT技术大连续

NB-IoT具备非常强的连接支撑能力，在一个200kHz扇区内可容纳10万个连接，因此，其对低时延并不敏感。广覆盖在覆盖能力方面，NB-IoT较GPRS增加20dB的信号增益，具备覆盖面积广、节点可移动等特性，能够用于多种应用领域。（如共享单车、野外跟踪、室外设备监控等）3.5NB-IoT技术什么是工业互联网？工业互联网是将互联网技术、工业系统技术深度融合且应用于工业领域的基础设施。本节将工业互联网作为一个应用背景，简单介绍工业互联网中用于网络互联的通信技术。3.6工业互联网通信技术工业现场总线概念与类型

工业现场总线是指能够将现场设备、工业过程控制单元等连接起来，实现工业控制网络的现场技术。星型现场总线星型现场总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线，星型现场总线结构如图3-14所示。3.6工业互联网通信技术图3-14星型现场总线结构3.6工业互联网通信技术总线型现场总线总线型现场总线数据传输距离长、速率高，采用点-点、点-多点和广播式通信方式，总线型现场总线结构如图3-15所示。3.6工业互联网通信技术图3-15总线型现场总线结构3.6工业互联网通信技术EIA-RS-485总线标准

EIA-RS-485总线是工业领域中被广泛采用的标准之一，它定义于OSI参考模型中的物理层。

EIA-RS-485总线采用多点互连，可以省掉许多信号线，非常方便地构成分布式系统；网络介质采用双绞线、同轴电缆或光纤，其布线简单、稳定可靠，并且网络成本低廉。3.6工业互联网通信技术Modbus协议

它工作在OSI网络体系结构中的应用层，可以实现控制器、网络及其他设备之间的数据通信，支持RS-232、RS-485通信标准和以太网上的TCP/IP协议，该协议标准及开放性使其支持更多的产品，具有实时性好、速率高、协议格式简单等特点，已经成为通用的工业总线标准之一。3.6工业互联网通信技术CAN总线介绍

CAN总线通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1Mbit/s，符合ISO11898CAN标准，收发器、CAN控制器和微控制器3种器件分别对应OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层。CAN总线比较容易加进一些新节点而无须在硬件或软件上进行修改。CAN总线具有如下特点。3.6工业互联网通信技术（1）采用多主机工作方式，网络上任意节点均可以在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主从关系，通信方式比较灵活。（2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时需求。（3）采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点发生冲突时，优先级低的节点要避让优先级高的节点，优先级高者优先发送数据。（4）采用点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。3.6工业互联网通信技术（5）直接通信距离最远可达6km（速率在10Kbit/s以下）。（6）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长30m）。（7）节点数实际可达110个。（8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。（9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。（10）通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。3.6工业互联网通信技术（11）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。3.6工业互联网通信技术PROFIBUS过程现场总线（PROFIBUS）是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS由3个兼容部分组成。3.6工业互联网通信技术（1）PROFIBUS-DP分布式外围设备过程现场总线（PROFIBUSDecentralizedPeriphery，PROFIBUS-DP）应用于现场级。它是一种高速低成本通信技术（速率为9.6Kbit/s～12Mbit/s），用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通信。（2）PROFIBUS-PA过程自动化过程现场总线（PROFIBUSProcessAutomation，PROFIBUS-PA）适用于过程自动化，可使传感器和执行器接在一根共用的总线上。3.6工业互联网通信技术（3）PROFIBUS-FMS过程现场总线信息规范（PROFIBUSFieldbusMessageSpecification，PROFIBUS-FMS）主要解决车间级通信问题，完成中等传输速率的循环或非循环数据交换任务，是令牌结构的实时多主网络，可用来完成控制器和智能现场设备之间的通信，以及控制器之间的信息交换。3.6工业互联网通信技术工业控制系统工业控制系统是指由计算机与工业过程控制部件组成的自动控制系统，除控制器、传感器、传送器、执行器和I/O接口等部分外，还涉及控制软件及各类协议，不同设备厂商、不同设备、不同需求及功能使得各协议之间的差别很大，加之各工业系统之间的“孤岛”现象严重，使协议在类别、数量及兼容性等方面的表现差距更大。现根据协议的使用领域列举部分典型协议如下。3.6工业互联网通信技术（1）自动化通信类协议自动化发展历史相对较悠久，协议数量巨大，如CC-Link、CAN、CANopen、ControlNet、DeviceNet、EtherCAT、EthernetPowerlink、EtherNet/IP、HoneywellSDS、HostLink、Modbus、Optomux、PieP、Profibus、PROFINETIO、SERCOSinterface等。3.6工业互联网通信技术（2）工业控制类协议

工业控制系统是工业系统中的重要部分，典型协议有OPC（OLEforProcessControl）协议（别名OPCDA、OPCUA），以及用于过程控制的OLE（ObjectLinkingandEmbedding）。协议设计的基本原理是相同的，差异性在于不同场景下协议功能需求、协议性能需求、协议实时性需求及兼容性等不同。3.6工业互联网通信技术转换器转换器是将一种信号转换成另一种信号的装置。转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类；从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等。目前，市场中已有多种相关产品面市，种类繁多，如图3-16所示。3.6工业互联网通信技术图3-16转换器（a）RS-232转CAN总线转换器 （b）RS-422转RS-485转换器3.6工业互联网通信技术典型现场总线应用目前，国际上具有代表性的现场总线技术标准为PROFIBUS、EIA-RS-485总线、CAN总线与LONWORKS等。PROFIBUS可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级实现网络化，它应用于智能制造、工业互联网、数字自动化等领域，并可同时实现集中控制、分散控制和混合控制3种方式。3.6工业互联网通信技术（1）现场设备层现场设备层的主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，能够完成现场设备控制及设备间联锁控制。（2）车间监控层对于车间级监控通常需要设立车间监控室，采用PROFIBUS-FMS传输大量信息。3.6工业互联网通信技术（3）工厂管理层工厂管理层利用内部网络将车间生产数据集中起来管理，相关操作员可通过网络实现调度，也可将管理数据通过企业网络送到其他服务器上。3.6工业互联网通信技术可编程逻辑控制器PLC主要应用在工业生产的环境中。但随着物联网技术的兴起，PLC已成为一种典型的物联网环境中的控制设备，并且它也可以独立设置IP地址，可以当成局域网中一个设备来使用。3.6工业互联网通信技术PLC的定义PLC是一种数字运算操作的电子系统。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义为：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。3.6工业互联网通信技术PLC的发展和特点（1）可靠性高，抗干扰能力强PLC在电路设计、器件生产、抗干扰、故障自诊断等方面表现优异，可靠性高，能够适应恶劣的工业应用环境（2）产品市场发展完善PLC经过多年发展，其上下游市场发展非常完善，适用性极强，几乎能够满足所有的控制要求，可以灵活使用。3.6工业互联网通信技术（3）简单易学PLC作为面向工矿企业的设备，其接口和编程语言都非常简单，方便操作人员学习和使用。设备维护也很方便，只需