第3章現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)

1、3.1 網(wǎng)絡(luò)體系機(jī)構(gòu)概述3.2 OSI若干概念3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)的建立及特點(diǎn)3.4 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)p網(wǎng)絡(luò)協(xié)議n在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有許多相互連接的節(jié)點(diǎn)，在這些節(jié)點(diǎn)之間要不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。n每個(gè)節(jié)點(diǎn)就必須遵守事先約定好的規(guī)則，這些規(guī)則明確規(guī)定了所交換的數(shù)據(jù)的格式以及有關(guān)的時(shí)序問(wèn)題。n這些為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定就稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)協(xié)議p語(yǔ)法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式。“如何講”。p語(yǔ)義，即需要發(fā)出何種控制信息、完成何種動(dòng)作以及做出何種應(yīng)答。 “講什么”。p時(shí)序，即事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明p對(duì)于非常復(fù)雜的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其結(jié)構(gòu)最好采用層次式的。各層之間是獨(dú)立的，靈活

2、性好，容易實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作p將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合，稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，是抽象的p開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型劃分原則n網(wǎng)路中各結(jié)點(diǎn)都有相同的層次 n不同結(jié)點(diǎn)的同等層具有相同的功能 n同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層之間通過(guò)接口通信n每一層使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù) n不同結(jié)點(diǎn)的同等層按照協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)等層之間的通信 物理層p物理層規(guī)定了激活、維持、關(guān)閉通信端點(diǎn)之間的機(jī)械特性、電氣特性、功能特性以及過(guò)程特性。該層為上成協(xié)議提供了一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體。 p該層數(shù)據(jù)的單位稱為比特（bit）。 p屬于物理層定義的典型規(guī)范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V

3、.35、RJ-45等 數(shù)據(jù)鏈路層p數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質(zhì)上提供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯(cuò)、重發(fā)等。 p該數(shù)據(jù)的單位稱為幀（frame）p在每一幀的控制信息中包括同步信息、地址信息、差錯(cuò)控制，以及流量控制信息等 p數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等 網(wǎng)絡(luò)層p網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對(duì)子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由選擇。網(wǎng)絡(luò)層還可以實(shí)現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能。 p該層數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)包（packet） p網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等 傳輸層p傳輸層是第一個(gè)端到端，即主機(jī)到主機(jī)的層次。傳輸層負(fù)責(zé)將上層數(shù)

4、據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯(cuò)控制和流量控制問(wèn)題。 p該層數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)段（segment） p傳輸層協(xié)議的代表包括：TCP、UDP、SPX等 會(huì)話層p會(huì)話層管理主機(jī)之間的會(huì)話進(jìn)程，即負(fù)責(zé)建立、管理、終止進(jìn)程之間的會(huì)話。p會(huì)話層還利用在數(shù)據(jù)中插入校驗(yàn)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步 表示層p表示層對(duì)上層數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行變換以保證一個(gè)主機(jī)應(yīng)用層信息可以被另一個(gè)主機(jī)的應(yīng)用程序理解。p表示層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)的加密、壓縮、格式轉(zhuǎn)換等 應(yīng)用層p應(yīng)用層為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的接口。 p應(yīng)用層協(xié)議的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等 3

5、.2.2 開(kāi)放系統(tǒng)互連環(huán)境3.2.6 面向連接服務(wù)與無(wú)連接服務(wù)無(wú)連接服務(wù)p在無(wú)連接服務(wù)的情況下，兩個(gè)實(shí)體之間的通信不需要先建立好一個(gè)連接，因此其下層的有關(guān)資源不需要事先進(jìn)行預(yù)定保留。這些資源將在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行分配p無(wú)連接服務(wù)的優(yōu)點(diǎn)是靈活方便和較為迅速，但它不能防止報(bào)文的丟失、重復(fù)或失序p工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的特殊性n效率n確定性n魯棒性n節(jié)點(diǎn)成本n本質(zhì)安全性3.3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的組成要素p“IEEE802”課題組專門負(fù)責(zé)局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化p已經(jīng)制定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，把數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個(gè)子層次：邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層p現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的局域網(wǎng)，參考了OS

6、I和IEEE802，現(xiàn)場(chǎng)總線一般只使用ISO/OSI參考模型中的第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層p現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型中應(yīng)該包括三個(gè)基本要素：底層協(xié)議、上層協(xié)議和行規(guī)3.3.3 現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型物理層p物理層提供網(wǎng)絡(luò)通信接口的機(jī)械、電氣、功能和過(guò)程特性，以便在數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間建立、維護(hù)和拆除物理連接p物理層通過(guò)物理連接在數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間提供透明的位流傳輸pIEC最早確定的現(xiàn)場(chǎng)總線物理層國(guó)際標(biāo)：傳輸速率為31.25kbps的串行通信接口，典型響應(yīng)時(shí)間約為1ms，未知出錯(cuò)率低于每20年一次，并規(guī)定了數(shù)據(jù)的物理信號(hào)表達(dá)形式、傳輸媒體、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等pIEC提出另外設(shè)計(jì)一種高速總線接

7、口標(biāo)準(zhǔn)，使其傳輸速率分別為 1Mbps 和 2.5Mbps，典型的響應(yīng)時(shí)間可達(dá) 32s，總線段最大長(zhǎng)度縮短為 750m，能夠連接 127個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備p高速總線標(biāo)準(zhǔn)正在向高速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傾斜數(shù)據(jù)鏈路層p現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)通信主要由數(shù)據(jù)鏈路層提供p所謂實(shí)時(shí)，在這里可以理解為提供一 “時(shí)間窗”，在該時(shí)間窗內(nèi)，需要完成具有某個(gè)指定級(jí)別確定性的一個(gè)或多個(gè)動(dòng)作p數(shù)據(jù)鏈路層分成兩個(gè)功能子層：邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問(wèn)控制（MAC）子層pLLC 子層：n負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)間幀的發(fā)送和接收，同時(shí)檢驗(yàn)傳輸差錯(cuò)n發(fā)送時(shí)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上地址和 CRC字段等構(gòu)成幀n接收時(shí)，把幀拆開(kāi)，執(zhí)行地址識(shí)別和 CRC 檢驗(yàn)功能，并具

8、有幀順序以及差錯(cuò)控制等功能pMAC子層：n實(shí)現(xiàn)對(duì)共享總線媒體的“交通”管理，并檢測(cè)傳輸線路的異常情況。n現(xiàn)場(chǎng)總線有三種媒體訪問(wèn)控制方式：令牌傳送（token passing）、立即響應(yīng)（immediate response）和授權(quán)令牌（delegated token）n令牌傳送：節(jié)點(diǎn)有令牌才能發(fā)送，發(fā)送完交還令牌n立即響應(yīng)：主節(jié)點(diǎn)給某個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)應(yīng)答n授權(quán)令牌：節(jié)點(diǎn)可申請(qǐng)令牌LASp鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS, Link Active Scheduler)pLAS 是一 條總線段的調(diào)度中心，擁有總線段上所有設(shè)備的清單及鏈路活動(dòng)調(diào)度表。p總線段上的設(shè)備只有得到 LAS 許可，才能向總線上傳輸數(shù)據(jù)

9、pLAS 應(yīng)具有以下兩種基本功能：調(diào)度通信和非調(diào)度通信p調(diào)度通信n由LAS按預(yù)定調(diào)度時(shí)間表依次發(fā)起的通信活動(dòng)，稱為調(diào)度通信或周期性通信n預(yù)定調(diào)度時(shí)間表(STL，Schedule Time List)n強(qiáng)制數(shù)據(jù)令牌(CD，Compel Data token)p非調(diào)度通信n在預(yù)定調(diào)度時(shí)間表之外的時(shí)間，LAS 向總線發(fā)出一個(gè)傳遞令牌(PT，Pass Token)，得到這個(gè)令牌的設(shè)備才能發(fā)送信息，稱為非調(diào)度通信或非周期性通信應(yīng)用層p現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用層為用戶層提供訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)總線通信環(huán)境的手段，定義了允許應(yīng)用進(jìn)程間相互通信的協(xié)議。應(yīng)用層分為兩個(gè)子層總線報(bào)文規(guī)范子層（FMS）和總線訪問(wèn)子層（FAS）。p總線報(bào)文規(guī)

10、范子層針對(duì)分布式測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成、運(yùn)行和改變，提供對(duì)象字典服務(wù)、變量訪問(wèn)服務(wù)和事件服務(wù)p總線訪問(wèn)子層則針對(duì) FMS、功能塊、應(yīng)用管理和系統(tǒng)管理，提供發(fā)布/預(yù)訂接收者、客戶/服務(wù)器和報(bào)告分發(fā)三種服務(wù)用戶層p應(yīng)用進(jìn)程（AP）是現(xiàn)場(chǎng)總線活動(dòng)的基本組成部分pEC把實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所需要的各種功能劃分為功能模塊，使其公共特征標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)定它們各自的輸入、輸出、算法、事件、參數(shù)與塊控制圖，并把它們組成為可在某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中執(zhí)行的功能塊應(yīng)用進(jìn)程（FBAP），便于實(shí)現(xiàn)不同制造商產(chǎn)品的混合組態(tài)與調(diào)用p功能塊的通用結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)開(kāi)結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能與自動(dòng)化功能的基礎(chǔ)p通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是指通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的互

11、連方法，是影響網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素之一。p局域網(wǎng)中使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有六種，分別為總線型、星型、環(huán)型、樹(shù)型、菊花鏈型、和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)p前5種常被現(xiàn)場(chǎng)總線采用3.4.1 總線型結(jié)構(gòu)p傳輸媒體是一條總線，工作節(jié)點(diǎn)通過(guò)稱為分接頭的硬件接口接至總線上p終端器是連接在總線末端或末端附近的阻抗匹配元件，每個(gè)總線段上有且只有兩個(gè)終端器。終端器采用反射波原理使信號(hào)變形最小，它所起到的作用是保護(hù)信號(hào)，減少衰減與畸變p每次只能由一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信 ，信息由發(fā)送它的節(jié)點(diǎn)向兩端擴(kuò)散，其它節(jié)點(diǎn)都能接收，又稱為廣播式網(wǎng)絡(luò)p某節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息之前，必須保證總線上沒(méi)有其它信息正在傳輸p總線型結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)充。通常，使用這種結(jié)

12、構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)是無(wú)源的p總線型結(jié)構(gòu)對(duì)總線的電氣性能要求很高，對(duì)總線的長(zhǎng)度也有一定的限制，通信距離不能太長(zhǎng)3.4.2 星型結(jié)構(gòu)p每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式連接到中央節(jié)點(diǎn)，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信都要經(jīng)過(guò)中央節(jié)點(diǎn)p一個(gè)節(jié)點(diǎn)要傳送數(shù)據(jù)，首先向中央節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求，要求與目的節(jié)點(diǎn)建立連接。連接建立后，該節(jié)點(diǎn)才能向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)p中央節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造比較復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，整個(gè)通信系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，可靠性較低，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中較少采用3.4.3 環(huán)型結(jié)構(gòu)p網(wǎng)絡(luò)由形成封閉環(huán)路的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路連接的轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成p信息在環(huán)上只能按某一確定的方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）p當(dāng)信息到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，若節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認(rèn)標(biāo)記，以便由發(fā)送節(jié)點(diǎn)清除p環(huán)是封閉的，不便于擴(kuò)充3.4.4 樹(shù)型結(jié)構(gòu)p樹(shù)型結(jié)構(gòu)是從總線結(jié)構(gòu)演變而成的，形狀像一顆倒置樹(shù)p樹(shù)型結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量、數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)類型等沒(méi)有太多限制p