《工业互联网技术导论》 课件 第二章 工业互联网网络技术

第2章

工业互联网网络技术利用各种通信介质计算机网络通信以传输协议为基准分布在不同地理位置中的计算机系统或计算机终端连接起来实现资源共享计算机网络分类局域网是一种在小范围内实施的计算机网络局域网城域网是中等规模的计算机网络,与局域网相比，城域网的组建更复杂，功能更齐全。城域网广域网广域网是一种综合型的计算机网络，广域网组建十分复杂，设备众多，且数据传输率较低，网络传输不稳定网络拓扑(Topology)结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局。网络中的计算机等设备要实现互联，需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式就叫作“拓扑结构”，通俗地讲就是这些网络设备如何连接在一起的。星型拓扑结构总线型拓扑结构环型拓扑结构计算机通信相关技术通信方式是指通信双方的信息交互的方式。在设计一个通信系统时，需要考虑使用何种通信方式。一般常见的通信方式有单工通信、半双工通信和全双工通信。通信方式通信是单方向的，如同在单行道上，两台设备只有一台能够发送，另一台则只能接收单工在半双工模式下，每台主机均能发送和接收，但不能同时进行半双工全双工在全双工模式下，双方主机都能同时发送和接收，并且两者能够同步进行，这好像人们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音并行与串行在计算机和终端之间的数据传输通常是靠电缆或信道上的电流或电压变化实现的。如果一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式称为并行通信并行通信串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信串行通信网络协议网络上的计算机之间要进行通信必须要遵循一定的协议或规则，这些为网络数据交换而制定的规则或约定就被称为协议定义(1)语义。语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了通信双方“讲什么”。通信双方要发出什么控制信息，执行的动作和返回的应答，主要涉及用于协调与差错处理的控制信息。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。(2)语法。语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。它规定了通信双方“如何讲”的问题。规定的协议元素的格式，数据及控制信息的格式，编码和信号电平等。(3)时序。也称为同步，时序是对事件发生顺序的详细说明。主要涉及传输速度匹配和顺序问题。OSI（OpenSystemInterconnect）开放式系统互联，一般都叫OSI参考模型，是ISO（国际标准化）组织在1985年研究的网络互联模型。OSI参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包含的可能的服务。网络模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层TCP/IP协议TCP/IP协议，即TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通信协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。OSI/RM参考模型TCP/IP模型应用层应用层表示层会话层传输层传输层网络层网际互联层数据链路层网络接口层物理层网络传输介质有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方，有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。无线传输介质指我们周围的自由空间。我们利用无线电波在自由空间的传播可以实现多种无线通信。在自由空间传输的电磁波根据频谱可将其分为无线电波、微波、红外线、激光等，信息被加载在电磁波上进行传输。网络数据常见交换设备网卡网卡是网络接口卡的简称(NetworkInterfaceCard，简称NIC)，是计算机局域网中最重要的连接设备之一，计算机通过网卡接入网络集线器集线器的英文称为“Hub”，“Hub”是“中心”的意思，它和双绞线等传输介质一样，属于数据通信系统中的基础设备交换机交换机（Switch）意为“开关”，是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中工业互联网网络技术当前，工业网络主要在各个工业企业内部。总体来说，工厂内网络呈现“两层三级”的结构结构内部网络技术工厂OT层网络主要是用于把现场的控制器（PLC、DCS、FCS等）、传感器、服务器、监控器等连接起来OT层的网络工厂IT层网络则负责连接信息系统与终端的数据通信。在不断发展的工业自动化世界中，数据在智能、高效和快速的系统和软件应用中愈发重要。对制造业企业而言，其拥有最精确、最大价值的信息源来自OT层的数据。工厂IT层网络现场总线技术

现场总线的概念于1984年正式提出。现场总线的出现不仅简化了系统的结构，还使得整个控制系统的设计、安装、投运、检修维护都大大简化现场总线的种类主要有：基金会现场总线FF、ProfiBus、WorldFIP、ControlNet/DeviveNet以及CAN等

基金会现场总线FF。基金会现场总线FF(FieldbusFoundation)是针对过程自动化而设计的，是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。

ProfiBus自1984年开始研制现场总线产品，现已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，欧洲市场占有率大于40%，广泛应用于加工自动化、楼宇自动化、过程自动化、发电与输配电等领域。WorldFip现场总线组织成立于1987年。目前已有一百多个成员，其中许多是工控领域的世界著名大公司，如Honeywell、西技来克（Cegelec）、阿尔斯通（Alstom）、施耐德（Schneider）等ControlNet的基础技术是在RockwellAutomation企业于1995年10月公布。1997年7月成立了ControlNetInternational组织，Rockwell转让此项技术给该组织CAN(ControllerAreaNetwork)称为控制局域网，属于总线式通信网络。CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，CAN协议分为二层：物理层和数据链路层工业以太网

以太网（ETHERNET）技术世界上应用最广泛、最为常见的网络技术，广泛应用于世界各地的局域网和企业骨干网，由Xerox公司于1973年提出并实现工业以太网顾名思义，就是封装在以太网协议中的特殊工业协议，以确保在需要执行特定操作的时间和位置发送和接收正确信息，达到工业环境使用需求。具体地来说，工业以太网是建立在IEEE802.3系列标准和TCP/IP上的分布式实时控制通信网络，适用于数据量传输量大，传输速度要求较高的场合工业以太网交换机工业以太网协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信德国倍福公司发明的以太网控制自动化技术（EtherCAT），自2003年以来一直在EtherCAT技术集团旗下公司发展壮大。EtherCAT属于开放的工业以太网协议，为自动化的总线项目提供实时通信，目前最高速率可提升至千兆级与EtherCAT不同的是，Profinet（过程现场网络）是由西门子公司在1987年联合十四家机构五个研究所推出的现场总线标准，其目的即是推动一种串列的现场总线，能够满足现场设备接口最基本的连接需求Ethernet/IP是适合工业环境应用的协议体系，最初于2000年推出，是一种主要由罗克韦尔自动化公司提供的应用层工业以太网协议，由开放式设备网络供应商协会(ODVA)提供支持Powerlink由贝加莱B&R公司开发，并由EthernetPowerlink标准化组(EthernetPowerlinkStandardisationGroup，EPSG)支持。

Powerlink协议对第三、四层的TCP(UDP)/IP栈进行了扩展标识解析体系

工业互联网标识是指能够唯一识别机器、产品、算法、工序等制造业物理资源和虚拟资源的身份符号。工业互联网标识解析是指能够根据标识编码查询目标对象网络位置或者相关信息的系统装置。概述工业互联网标识解析体系主要由标识编码和标识解析两部分构成，标识编码指为人、机、物等实体对象和算法、工艺等虚拟对象赋予全球唯一的身份标识，类似于互联网中的名字服务解析体系主流的标识解析体系Handle系统是一套由国际DONA基金会组织运行和管理的全球分布式管理系统对象标识符（ObjectIdentifier，OID）是由ISO/IEC、ITU共同提出的标识机制，用于对任何类型的对象、概念或事物进行全球统一命名，一旦命名，该名称终生有效GS1（GlobalStandard1）是由国际物品编码协会建立的一种标识体系。GS1由三大体系构成，包括编码体系、载体体系、数据交换体系，可以对物品供应链全生命周期的各类数据信息进行标识我国工业互联网标识解析体系工业互联网标识解析系统的整体架构采用分层、分级模式构建，面向各行业、各类工业企业提供标识解析公共服务工业互联网背景下标识解析体系发展趋势工业互联网标识解析本质是将工业互联网标识翻译为物体或相关信息服务器地址，并在此基础上增加查询物品属性数据的过程，从而支撑工业互联网数字化、网络化、智能化发展。传统互联网中的域名标识编码主要是以“面向人为主”，方便人来识读主机、电脑、网站等；而工业互联网标识编码，则扩展到“面向人、机、物”的三元世界，方便计算机自动读取机器、产品、原材料等物品及其所关联的各种数据5G技术

5G是第五代移动通信技术（5thGenerationWirelessSystems）的简称，是最新一代蜂窝移动通信技术。5G最大的应用之一是大规模设备通信，例如自动驾驶汽车、元宇宙硬件、游戏虚拟现实(VR)和智能工厂。与4G相比，5G网络是高度集成的，是一种范式的转换，5G网络的新范式包括具有海量带宽的极高载波频率、顶级基站、高密度设备，以及前所未有的天线数量5G的目标场景为增强移动宽带（eMBB）、超高可靠、超低时延通信（uRLLC）、大规模物联网（mMTC），其中包括移动互联网、工业互联网和汽车互联网以及其他具体场景。（1）eMBB。以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等，可以最直观改善移动网速。（2）uRLLC。超高可靠超低时延通信，在此场景下，连接时延要达到1ms级别，而且要支持高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接。（3）mMTC。5G强大的连接能力可以快速促进各垂直行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合。5G与工业互联网

5G的出现极大地推动了工业互联网的发展。在工业互联网领域，5G将构建全新生态。UPF（UserPlaneFunction）是5G核心网系统架构的重要组成部分，主要负责5G核心网用户面数据包的路由和转发相关功能。UPF在5G面向低时延、大带宽的边缘计算和网络切片技术上发挥着举足轻重的作用。MEC（MobileEdgeComputing）则表示边缘计算技术，它是支撑运营商进行5G网络转型的关键技术，以满足高清视频、VR/AR、工业互联网、车联网等业务发展需求。5G关键技术

大规模MIMO技术多输入多输出技术（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量网络切片技术网络切片技术就是把运营商的物理网络切分成多个虚拟网络，每个网络适应不同的服务需求，这可以通过时延、带宽、安全性、可靠性来划分不同的网络，以适应不同的场景软件定义网络（SDN）软件定义网络（SDN），是一种将网络基础设施层（也成为数据面）与控制层（也称为控制面）分离的网络设计方案SmallCellsSmallCells，就是小基站（小小区），相较于传统宏基站，SmallCells的发射功率更低，覆盖范围更小，通常覆盖10米到几百米的范围，通常SmallCells根据覆盖范围的大小依次分为微蜂窝、Picocell和家庭Femtocell。设备到设备通信设备到设备通信（D2D）是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。设备到设备通