工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與通信

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與通信一工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是指安裝在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。具體有以下三種類(lèi)型：專(zhuān)用、封閉型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)規(guī)范是由各公司自行研制，往往是針對(duì)某一特定應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)，效率也是最高。但在相互連接時(shí)就顯得各項(xiàng)指標(biāo)參差不齊，推廣與維護(hù)都難以協(xié)調(diào)。專(zhuān)用型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有三個(gè)發(fā)展方向：①走向封閉系統(tǒng)，以保證市場(chǎng)占有率。②走向開(kāi)放型，使它成為標(biāo)準(zhǔn)。③設(shè)計(jì)專(zhuān)用的Gateway與開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò)連接。開(kāi)放型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：除了一些較簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)條件開(kāi)放外，大部分是有條件開(kāi)放，或僅對(duì)成員開(kāi)放。生產(chǎn)商必須成為該組織的成員，產(chǎn)品需經(jīng)過(guò)該組織的測(cè)試、認(rèn)證，方可在該工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158、IEC62026、ISO11519或歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，它們都會(huì)遵循ISO/OSI7層參考模型。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)大都只使用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。一般工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的制定是根據(jù)現(xiàn)有的通信界面，或是自己設(shè)計(jì)通信IC，然后再依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸格式。例如，DeviceNet的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層是以CANbus為基礎(chǔ)，再增加適用于一般I/O點(diǎn)應(yīng)用的應(yīng)用層規(guī)范。目前IEC61158認(rèn)可的八種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)分別是：FieldbusType1、Profibus、ControlNet、P-NET、FoundationFieldbus、SwiftNet、WorldFIP和Interbus。1工業(yè)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)組成和系統(tǒng)組成2工業(yè)數(shù)據(jù)通信的傳輸過(guò)程

二工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理機(jī)構(gòu)1網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介有線(xiàn)傳輸介質(zhì)：雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖。無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)：無(wú)線(xiàn)電、微波、衛(wèi)星、移動(dòng)通信等各種通信介質(zhì)。2工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问焦I(yè)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)湫问骄褪枪?jié)點(diǎn)的互連形式。常見(jiàn)的是：總線(xiàn)型、環(huán)形、星形和樹(shù)形等?？偩€(xiàn)型：通過(guò)一條總線(xiàn)電纜作為傳輸介質(zhì)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)接口接入總線(xiàn)。是工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中最常用的一種拓?fù)湫问?。星形與樹(shù)形：在星形拓?fù)渲?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接到中央節(jié)點(diǎn)，任何節(jié)點(diǎn)之間的通信都通過(guò)中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。樹(shù)形拓?fù)涫切切瓮負(fù)涞淖兎N。常用于節(jié)點(diǎn)密集的地方，在商業(yè)和民用網(wǎng)絡(luò)中使用較多。環(huán)形：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路的連接，構(gòu)成一個(gè)環(huán)路。信號(hào)在環(huán)路上從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備單向傳輸，直到信號(hào)到達(dá)目的地為止。3介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方式定義：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不管是采用什么樣的拓?fù)湫问竭B接，傳輸介質(zhì)總是作為各站點(diǎn)的共享資源的。將傳輸介質(zhì)的頻帶有效地分配給網(wǎng)絡(luò)上各站點(diǎn)的用戶(hù)的方法稱(chēng)為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法或協(xié)議。介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間、吞吐量和效率起著十分重要的作用。各種局域網(wǎng)的性能在很大程度上取決于所選用的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議。多路復(fù)用技術(shù)在實(shí)際的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了有效地利用通信電路，總是利用一個(gè)信道同時(shí)傳輸多路信號(hào)。多路復(fù)用技術(shù)就是把多路信號(hào)在單一的傳輸線(xiàn)路上用單一的傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，多路復(fù)用技術(shù)可以大大節(jié)省電纜的安裝和維護(hù)費(fèi)用。（2） 帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)CSMA/CD載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)：網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)載波是否存在，即判斷信道是否被占用，并采取相應(yīng)的措施，它是一種爭(zhēng)用協(xié)議。原則：發(fā)前監(jiān)聽(tīng)，空閑即發(fā)，忙時(shí)等待。帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)：該方式可以提高總線(xiàn)的利用率，這種協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為IEC802.3就是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，已在局域網(wǎng)中廣泛使用。原則：發(fā)前先偵聽(tīng)，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測(cè)，沖突時(shí)退避。（3） 令牌環(huán)（TokenRing）介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)方式：誰(shuí)可以發(fā)送幀，是由一個(gè)沿著環(huán)旋轉(zhuǎn)的稱(chēng)為“令牌”（TOKEN）的特殊幀來(lái)控制的。只有拿到令牌的站可以發(fā)送幀，而沒(méi)有拿到令牌的站只能等待。拿到令牌的站將令牌轉(zhuǎn)變成訪(fǎng)問(wèn)控制頭，后面加掛上自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)幀通過(guò)任何一個(gè)站點(diǎn)（除源站點(diǎn)外）時(shí)，該站點(diǎn)都要把幀的目的地址和本站地址相比較：如果地址相符合，則將幀拷貝到接收緩沖器，供高層軟件處理，同時(shí)將幀送回環(huán)中；如果地址不符合，則直接將幀送回環(huán)中。數(shù)據(jù)循環(huán)一周后由發(fā)送站回收。三開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型1OSI參考模型ISO為了更好的使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用更為普及，就推出了OSI參考模型。其含義就是推薦所有公司使用這個(gè)規(guī)范來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)。這樣所有公司都有相同的規(guī)范，就能互聯(lián)了。提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的。根據(jù)分而治之的原則，ISO將整個(gè)通信功能劃分為七個(gè)層次，劃分原則是：（1） 網(wǎng)路中各結(jié)點(diǎn)都有相同的層次；（2） 不同結(jié)點(diǎn)的同等層具有相同的功能；（3） 同一結(jié)點(diǎn)內(nèi)相鄰層之間通過(guò)接口通信；（4） 每一層使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)；（5） 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。

第1層物理層：處于OSI參考模型的最底層。物理層的主要功能是利用物理傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，以便透明的傳送比特流。第2層數(shù)據(jù)鏈路層：一在此層將數(shù)據(jù)分幀，并處理流控制。屏蔽物理層，為網(wǎng)絡(luò)層提供一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的連接，在一條有可能出差錯(cuò)的物理連接上，進(jìn)行幾乎無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。本層指定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并提供硬件尋址；第3層網(wǎng)絡(luò)層：一本層通過(guò)尋址來(lái)建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接，為源端的運(yùn)輸層送來(lái)的分組，選擇合適的路由和交換節(jié)點(diǎn)，正確無(wú)誤地按照地址傳送給目的端的運(yùn)輸層。它包括通過(guò)互連網(wǎng)絡(luò)來(lái)路由和中繼數(shù)據(jù)；第4層傳輸層：一常規(guī)數(shù)據(jù)遞送一面向連接或無(wú)連接。為會(huì)話(huà)層用戶(hù)提供一個(gè)端到端的可靠、透明和優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)機(jī)制。包括全雙工或半雙工、流控制和錯(cuò)誤恢復(fù)服務(wù)；第5層會(huì)話(huà)層：一在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立端連接。為端系統(tǒng)的應(yīng)用程序之間提供了對(duì)話(huà)控制機(jī)制。此服務(wù)包括建立連接是以全雙工還是以半雙工的方式進(jìn)行設(shè)置，盡管可以在層4中處理雙工方式；第6層表示層：主要用于處理兩個(gè)通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式。為上層用戶(hù)解決用戶(hù)信息的語(yǔ)法問(wèn)題。它包括數(shù)據(jù)格式交換、數(shù)據(jù)加密與解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)等功能；第7層應(yīng)用層：OSI中的最高層。為特定類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了訪(fǎng)問(wèn)OSI環(huán)境的手段。應(yīng)用層確定進(jìn)程之間通信的性質(zhì)，以滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。應(yīng)用層不僅要提供應(yīng)用進(jìn)程所需要的信息交換和遠(yuǎn)程操作，而且還要作為應(yīng)用進(jìn)程的用戶(hù)代理，來(lái)完成一些為進(jìn)行信息交換所必需的功能。它包括：文件傳送訪(fǎng)問(wèn)和管理 FTAM、虛擬終端VT、事務(wù)處理TP、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)RDA、制造報(bào)文規(guī)范曲5、目錄服務(wù)DS等協(xié)議；數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，從第七層傳到第一層，接收數(shù)據(jù)則相反。上三層總稱(chēng)應(yīng)用層，用來(lái)控制軟件方面。下四層總稱(chēng)數(shù)據(jù)流層，用來(lái)管理硬件。數(shù)據(jù)在發(fā)至數(shù)據(jù)流層的時(shí)候?qū)⒈徊鸱?。在傳輸層的?shù)據(jù)叫段，網(wǎng)絡(luò)層叫包，數(shù)據(jù)鏈路層叫幀，物理層叫比特流，這樣的叫法叫PDU。各層功能介紹物理層(PhysicalLayer)物理層是OSI參考模型的最低層，它利用傳輸介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接。為此，該層定義了物理鏈路的建立、維護(hù)和拆除有關(guān)的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程特性。包括信號(hào)線(xiàn)的功能、“0”和“1”信號(hào)的電平表示、數(shù)據(jù)傳輸速率、物理連接器規(guī)格及其相關(guān)的屬性等。物理層的作用是通過(guò)傳輸介質(zhì)發(fā)送和接收二進(jìn)制比特流。數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)

數(shù)據(jù)鏈路層是為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)的，解決兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)之間的通信問(wèn)題，傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱(chēng)為數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀中包含物理地址(又稱(chēng)MAC地址)、控制碼、數(shù)據(jù)及校驗(yàn)碼等信息。該層的主要作用是通過(guò)校驗(yàn)、確認(rèn)和反饋重發(fā)等手段，將不可靠的物理鏈路轉(zhuǎn)換成對(duì)網(wǎng)絡(luò)層來(lái)說(shuō)無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。此外，數(shù)據(jù)鏈路層還要協(xié)調(diào)收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)傳輸速率，即進(jìn)行流量控制，以防止接收方因來(lái)不及處理發(fā)送方來(lái)的高速數(shù)據(jù)而導(dǎo)致緩沖器溢出及線(xiàn)路阻塞。網(wǎng)絡(luò)層(NetworkLayer)網(wǎng)絡(luò)層是為傳輸層提供服務(wù)的，傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱(chēng)為數(shù)據(jù)包或分組。該層的主要作用是解決如何使數(shù)據(jù)包通過(guò)各結(jié)點(diǎn)傳送的問(wèn)題，即通過(guò)路徑選擇算法(路由)將數(shù)據(jù)包送到目的地。另外，為避免通信子網(wǎng)中出現(xiàn)過(guò)多的數(shù)據(jù)包而造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，需要對(duì)流入的數(shù)據(jù)包數(shù)量進(jìn)行控制(擁塞控制)。當(dāng)數(shù)據(jù)包要跨越多個(gè)通信子網(wǎng)才能到達(dá)目的地時(shí)，還要解決網(wǎng)際互連的問(wèn)題。傳輸層(TransportLayer)傳輸層的作用是為上層協(xié)議提供端到端的可靠和透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，包括處理差錯(cuò)控制和流量控制等問(wèn)題。該層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)，使高層用戶(hù)看到的只是在兩個(gè)傳輸實(shí)體間的一條主機(jī)到主機(jī)的、可由用戶(hù)控制和設(shè)定的、可靠的數(shù)據(jù)通路。傳輸層傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱(chēng)為段或報(bào)文。會(huì)話(huà)層(SessionLayer)會(huì)話(huà)層主要功能是管理和協(xié)調(diào)不同主機(jī)上各種進(jìn)程之間的通信(對(duì)話(huà))，即負(fù)責(zé)建立、管理和終止應(yīng)用程序之間的會(huì)話(huà)。會(huì)話(huà)層得名的原因是它很類(lèi)似于兩個(gè)實(shí)體間的會(huì)話(huà)概念。例如，一個(gè)交互的用戶(hù)會(huì)話(huà)以登錄到計(jì)算機(jī)開(kāi)始，以注銷(xiāo)結(jié)束。表示層(PresentationLayer)表示層處理流經(jīng)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)編碼的表示方式問(wèn)題，以保證一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用層發(fā)出的信息可被另一系統(tǒng)的應(yīng)用層讀出。如