工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與通信基礎(chǔ)知識

現(xiàn)場總線技術(shù)

第二章工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與通信根底知識

DeliveredbyDr.GAOFengTel:+86(451)825184101/16/20241本章內(nèi)容

2.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底1.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的根本概念2.數(shù)據(jù)編碼3.數(shù)據(jù)傳輸4.過失控制2.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)1.網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介2.工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?.介質(zhì)訪問控制方式2.3開放系統(tǒng)互連參考模型1.OSI參考模型2.網(wǎng)絡(luò)互連3.現(xiàn)場總線通信協(xié)議模型1/16/202422.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底1.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的根本概念通信：彼此間的信息交換，完成信息從一個地方到另一個地方的傳遞。信息：一種帶有普遍性的關(guān)系屬性，是物質(zhì)存在方式及其運動規(guī)律、特點的外在表現(xiàn)；是生物體或具有一定功能的機器通過感覺器官或相應(yīng)設(shè)備同外界交換的內(nèi)容的總稱。信息就是人們要通過通信系統(tǒng)傳遞的內(nèi)容。數(shù)據(jù)：是任何描述物體概念、情況、形勢的事實、數(shù)字、字母和符號。數(shù)據(jù)是傳遞信息的實體，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。信號：將信息轉(zhuǎn)換為適合在通信信道上傳輸?shù)碾娋幋a、電磁編碼或光編碼，這種在信道上傳輸?shù)碾?光編碼叫做信號。分為模擬信號和數(shù)字信號。

工業(yè)數(shù)據(jù)通信的實質(zhì)和任務(wù)就是把計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，通過智能的現(xiàn)場設(shè)備把車間層和設(shè)備層的工業(yè)數(shù)據(jù)平安準(zhǔn)確的傳送到上層網(wǎng)絡(luò)中。1/16/202432.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底1.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的根本概念碼元(CodeCell)：時間軸上的一個信號編碼單元。一個單比特碼元用一位二進制數(shù)表示。數(shù)據(jù)傳輸速率比特率(BitRate)：數(shù)據(jù)傳輸速率(bps，b/s)，每秒鐘傳遞數(shù)據(jù)的位數(shù)。波特率〔BaudRate〕：信號傳輸速率〔baud〕。每秒鐘傳遞的信號脈沖〔波形〕數(shù)，也是每秒鐘傳送的碼元數(shù)。二者關(guān)系:〔M為信號的有效狀態(tài)數(shù)，即碼元數(shù)〕誤碼率(Biterrorrate)：信道傳輸?shù)目煽啃灾笜?biāo)P=錯誤的位數(shù)/傳輸?shù)目偽粩?shù)信道〔Channel〕：傳送信息的線路〔通路〕數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式〔離散信號〕傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。信道帶寬〔BandWidth〕：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的信道傳輸?shù)氖请姶挪ā舶o線電、微波、光波等〕，帶寬就是它所能傳輸電磁波的最大有效頻率與最小有效頻率之差。信道容量〔Channelcapacity〕：某個信道傳輸數(shù)據(jù)的最大傳輸速率，即在單位時間內(nèi)可能傳送的最大比特數(shù)。信道的最大傳輸速率是與信道帶寬有直接聯(lián)系的。 1/16/202442.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底2.數(shù)據(jù)編碼為什么要進行數(shù)據(jù)編碼？工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的任務(wù)：工業(yè)數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通常是以離散的二進制數(shù)0，1序列的方式來表示的，即用0，1序列的不同組合來表示不同的信息內(nèi)容。通過編碼把一種組合與一個確定的內(nèi)容聯(lián)系起來。編碼要得到通信各方的認(rèn)同，編碼分為數(shù)字編碼和模擬編碼。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼定義：用上下電平的矩形脈沖信號來表示數(shù)據(jù)的0、1狀態(tài)。數(shù)字編碼的種類有：單極性碼、雙極性碼、歸零碼、非歸零碼、差分碼、Manchester編碼等。非歸零碼曼徹斯特編碼：以電壓跳變作為數(shù)字信號的值，也可作為時鐘，具有內(nèi)在的時鐘信息。1/16/202452.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底曼徹斯特編碼1/16/202462.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底2.數(shù)據(jù)編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼〔調(diào)制編碼〕定義：用模擬信號來表示數(shù)據(jù)的0、1狀態(tài)。對數(shù)據(jù)進行模擬編碼后可以使其在現(xiàn)有的某些網(wǎng)絡(luò)上進行傳送。發(fā)送時，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，到接收端后再把它復(fù)原為數(shù)字信號。一般來說，我們要選擇一個某一頻率的正弦波作為載波，利用數(shù)字信號的變化分別對載波的某些特性〔振幅、頻率、相位〕進行控制，從而到達模擬編碼的目的。調(diào)制：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)“寄載〞到載波上的過程稱為“調(diào)制〞。解調(diào)：從載波上取出它所攜帶的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過程稱為“解調(diào)〞1/16/202472.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底2.數(shù)據(jù)編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼〔調(diào)制編碼〕模擬編碼常用的技術(shù)有：1〕幅移鍵控〔ASK,AmplitudeShiftKeying〕：用載波的兩個不同振幅表示0和1，效率低，易受干擾。2〕頻移鍵控〔FSK，F(xiàn)requencyShiftKeying〕：用載波的兩個不同頻率表示0和1，不易受干擾，現(xiàn)場總線的HART通信信號就采用這種編碼方式。3〕相移鍵控〔PSK，PhaseShiftKeying〕：用載波的起始相位的變化表示0和1，具有較強的抗干擾能力，效率較高。1/16/202482.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底3.數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)通信方式〔數(shù)據(jù)流動方向〕單工：傳送的信息始終是一個方向，而不進行與此相反方向的傳送。半雙工：信息流可在來過那個方向上傳輸，但同一時刻只限于一個方向傳輸。全雙工：同時進行雙向通信，與半雙工相比效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本錢較高。數(shù)據(jù)傳輸方式串行傳輸數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)流是以串行方式逐位地在一條信號上傳輸。具有本錢低、容易實現(xiàn)、控制簡單、長距離通信可靠性高等的特點，應(yīng)用最為廣泛。并行傳輸將數(shù)據(jù)以成組的形式在多條并行的通道上同時傳輸。傳輸速率高，但需要的數(shù)據(jù)線多，短距離可以忍受；長距離通信時，會有本錢和可靠性差等問題。并行傳輸一般用于計算機和打印機間的通信。1/16/202492.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底3.數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸方式異步傳輸該方法以字符為單位發(fā)送數(shù)據(jù)，一次傳送一個字符，每個字符可以是5位或8位，在每個字符前要加上一個起始位，用來指明字符的開始；每個字符后面還要加上一個終止碼，用來指明字符的結(jié)束。異步傳輸使用的是字符同步方式。異步傳輸方式下的每一個字符的發(fā)送都是獨立和隨機的，它以不均勻的傳輸速率發(fā)送，字符間隔是任意的。同步傳輸該方法是以數(shù)據(jù)塊〔幀〕為單位進行傳輸?shù)?，?shù)據(jù)塊的組成可以是字符塊，也可以是位塊。在同步傳輸時，發(fā)送端和接收端必須同步。同步傳輸時，在每個數(shù)據(jù)塊的前面加上一個起始標(biāo)志，指明數(shù)據(jù)塊的開始；在數(shù)據(jù)塊的后面也要加一個標(biāo)志，指明數(shù)據(jù)塊結(jié)束，接收方根據(jù)起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志成塊的接收數(shù)據(jù)。1/16/2024102.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底4.過失控制數(shù)據(jù)在通信線路上傳輸時，由于各種各樣的干擾和噪聲的影響，往往會使接收端不能收到正確的數(shù)據(jù)，這就產(chǎn)生了過失，即誤碼。產(chǎn)生過失的原因：信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變；信號反射；串?dāng)_；閃電、大功率電機的啟停等。線路傳輸過失是不可防止的，但要盡量減小其影響。如何提高通信質(zhì)量？采用高質(zhì)量的通信線路在外部采取抗干擾措施采用過失控制方法一種軟的控制技術(shù)。它容忍過失的存在，但能夠發(fā)現(xiàn)，并設(shè)法加以糾正。這是普遍采用的提高通信質(zhì)量的方法。檢測碼糾錯碼1/16/2024112.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底幾種常用的檢錯碼和糾錯碼：奇偶校驗〔ParityChecking〕編碼規(guī)那么：首先將要傳遞的信息分組，各組信息后面附加一位校驗位，校驗位的取值時的整個碼字中“1〞的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。如果形成的碼字中“1〞的個數(shù)為奇數(shù)，成為奇校驗；是偶數(shù)，成為偶校驗。這種方法一般用于簡單的并且對通信錯誤要求不十分嚴(yán)格的場合。舉例：原始數(shù)據(jù)=1100010，采用偶校驗。那么增加校驗位后的數(shù)據(jù)為11100010假設(shè)接收方收到的字節(jié)奇偶結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯誤。判斷結(jié)果：奇偶校驗只能檢測出奇數(shù)個比特位錯，對偶數(shù)個比特位錯那么無能為力。1/16/2024122.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底幾種常用的檢錯碼和糾錯碼循環(huán)冗余校驗〔CRC,CyclicRedundancyCheck〕一種通過多項式除法檢測錯誤的方法。檢錯思想：在發(fā)送端對傳輸序列進行一次除法操作，將余數(shù)附加在傳輸信息的后面，在接收端，也進行同樣的除法過程，如果接收端的除法結(jié)果不是零，那么說明數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)了錯誤。校驗和計算方法假設(shè)G(x)為r階，原幀為m位，其多項式為M(x)，那么在原幀后面添加r個0，幀成為m+r位，相應(yīng)多項式xrM(x)按模2除法用對應(yīng)于G(x)的位串去除對應(yīng)于xrM(x)的位串，得出余數(shù)按模2加法把xrM(x)的位串與余數(shù)相加，結(jié)果就是要傳送的帶校驗和的幀的多項式T(x) T(x)=xrM(x)+[xrM(x)MOD2G(x)]1/16/2024132.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底循環(huán)冗余校驗〔CRC,CyclicRedundancyCheck〕舉例：例2-1：假設(shè)數(shù)據(jù)序列M(x)為1101，0110，11，生成多項G(x)=x4+x+1，即10011，求T(x)。例2-2：假設(shè)數(shù)據(jù)序列M(x)為1010，001，生成多項式G(x)=x4+x2+x+1，即10111，求T(x)。

CRC中的生成多項式不是隨便選定的。它的結(jié)構(gòu)和檢錯效果是要經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析與實驗后確定的。目前已有多種生成多項式被列為了國際標(biāo)準(zhǔn)，

CRC-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1

CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1

CRC錯誤檢測方法大約能檢查出99.95%以上的錯誤。1/16/2024142.1工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信根底幾種常用的檢錯碼和糾錯碼海明碼和海明距離海明碼是一種糾錯碼，其根本思想是：將待傳信息碼元分為許多長度為k的組，每一組后再附加r個校驗位，從而構(gòu)成n=k+r位的分組碼；位號為的為校驗位，其余位為信息位，每個校驗位和某幾個特定的信息位構(gòu)成偶〔或奇〕校驗關(guān)系。海明距離：在一個有效的編碼集中，任意兩個碼字對應(yīng)位取值不同的個數(shù)的最小值稱為該編碼集的海明距離。即對兩個碼字進行異或運算，其結(jié)果中“1〞的個數(shù)就是海明距離。(p22)例：有效編碼集10110、11010的海明距離？有效編碼集10101、01111的海明距離？1/16/2024152.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)1、網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接各個節(jié)點的物理通路，也是通信中傳送信息的載體。有線傳輸介質(zhì)：雙絞線、同軸電纜和光纖。無線傳輸介質(zhì)：無線電、微波、衛(wèi)星、移動通信等各種通信介質(zhì)。工業(yè)通信中常用的是有線傳輸介質(zhì)。雙絞線〔twistedpair)由絞和在一起的相互絕緣的兩根銅線組成，每根銅線的直徑大約為1mm。工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的信號電纜就是雙絞線。計算機局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的雙絞線有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽雙絞線(STP，ShieldedTwistedPair)特點：抗干擾性好，性能高，本錢高，工業(yè)通信系統(tǒng)使用較多。非屏蔽雙絞線(UTP，UnshieldedTwistedPair)分類和特點：1、2、3、4、5類線，性價比高，使用廣泛。1/16/2024162.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)1、網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)同軸電纜(coaxialcable)由同軸的內(nèi)外兩個導(dǎo)體組成，內(nèi)導(dǎo)體是一根金屬線，外導(dǎo)體是一根圓柱形的套管，內(nèi)外導(dǎo)體之間有絕緣層。支持點到點連接，也支持多點連接。同軸電纜分基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜優(yōu)點：抗干擾性強〔特別是高頻時〕；缺點：可靠性不好，容易出現(xiàn)故障，連接不方便，很少使用。光纜(opticalfiber)：即光導(dǎo)纖維。根據(jù)制作材料的不同，分為玻璃光纖、塑料光纖等，玻璃光纖價格要高于塑料光纖，但其性能也高于后者。特點：依靠光波承載信息；速率高，通信容量大，僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制；傳輸損耗小，適合長距離傳輸；抗干擾性能極好，保密性好；輕便；價格高，連接不方便。無線通信：主要有微波、紅外和激光等。適合于在地理上或安裝上有要求的場合，或頻繁移動的設(shè)備。在實際工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的底層使用的不多。1/16/2024172.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2.工業(yè)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)點的互連形式。常見的是：總線型、環(huán)形、星形和樹形等?？偩€型：通過一條總線電纜作為傳輸介質(zhì)，各節(jié)點通過接口接入總線。是工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中最常用的一種拓?fù)湫问?。特點：通信可以是點對點方式，也可以是播送方式；接入容易，擴展方便，節(jié)省電纜；網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點發(fā)生故障時，對整個系統(tǒng)的影響較小，可靠性較高。在一定長度的總線上，所連接的從站設(shè)備的數(shù)量、分支電路的多少和長度都要進行限制。1/16/2024182.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2.工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问叫切闻c樹形：在星形拓?fù)渲?，每個節(jié)點通過點對點連接到中央節(jié)點，任何節(jié)點之間的通信都通過中央節(jié)點進行。樹形拓?fù)涫切切瓮負(fù)涞淖兎N。常用于分級的主從式網(wǎng)絡(luò)，采用集中控制，中央節(jié)點就是控制核心，在商業(yè)和民用網(wǎng)絡(luò)中使用較多。特點維護、管理簡單；每個結(jié)點的通信負(fù)擔(dān)很小，所以沖突?。痪W(wǎng)絡(luò)延遲時間短，誤碼率低；增加節(jié)點時本錢低；可靠性差，當(dāng)中央節(jié)點故障，整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。1/16/2024192.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2.工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问?/p>

環(huán)形：通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點點對點的鏈路的連接，各節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)接口卡和干線耦合器連接，構(gòu)成一個環(huán)路。信號在環(huán)路上從一個設(shè)備到另一個設(shè)備單向傳輸，直到信號到達目的地為止。特點各節(jié)點以令牌方式實現(xiàn)對共享介質(zhì)的訪問控制；使用光纜等傳輸介質(zhì)，傳輸率高，適合于工業(yè)環(huán)境；擴充不便；一個設(shè)備故障會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此在一些重要的場合需要采用雙環(huán)。1/16/2024202.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問控制方式介質(zhì)訪問控制方法〔協(xié)議〕：在計算機網(wǎng)絡(luò)中，不管采用什么樣的拓?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)上各站點的用戶的方法。介質(zhì)訪問控制方法對網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間、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)訪問控制協(xié)議。最常用的三種介質(zhì)訪問控制方式：帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問方式CSMA/CD〔CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect〕；令牌環(huán)〔TokenRing〕介質(zhì)訪問方式；令牌總線〔TokenBus〕介質(zhì)訪問方式。1/16/2024212.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問控制方式-三種常用方式1〕帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問網(wǎng)絡(luò)站點監(jiān)聽載波是否存在，即判斷信道是否被占用，并采取相應(yīng)的措施，它是一種爭用協(xié)議。原那么：發(fā)前監(jiān)聽，空閑即發(fā)，忙時等待。缺乏：發(fā)時不檢測，即使沖突已經(jīng)發(fā)生了，仍然要把已破壞的幀發(fā)完，總線利用率降低。帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問該方式可以提高總線的利用率，這種協(xié)議的國際標(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。原那么：發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測，沖突時退避，停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串阻塞信號，通知總線上各站點沖突已發(fā)生。1/16/2024222.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)2〕令牌環(huán)〔TokenRing〕介質(zhì)訪問方式令牌：一種特殊的“幀〞。工作過程誰可以發(fā)送幀，是由一個沿著環(huán)旋轉(zhuǎn)的稱為“令牌〞〔TOKEN〕的特殊幀來控制的。只有拿到令牌的站可以發(fā)送幀，而沒有拿到令牌的站只能等待。拿到令牌的站將令牌轉(zhuǎn)變成訪問控制頭，后面加掛上自己的數(shù)據(jù)進行發(fā)送。數(shù)據(jù)幀通過任何一個站點(除源站點外)時，該站點都要把幀的目的地址和本站地址相比較：如果地址相符合，那么將幀拷貝到接收緩沖器，供高層軟件處理，同時將幀送回環(huán)中；如果地址不符合，那么直接將幀送回環(huán)中。數(shù)據(jù)循環(huán)一周后由發(fā)送站回收。從返回的幀狀態(tài)位得知發(fā)送成功后，將該幀從環(huán)上移走，同時將忙令牌改為空令牌，并把它傳至后面的站點，使之獲得發(fā)送幀的權(quán)利。循環(huán)的方向必須固定，要么準(zhǔn)時針，要么逆時針。輕負(fù)載時，等待令牌需要時間，效率低；重負(fù)載時，對各站點公平，效率高。1/16/2024232.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3〕令牌總線〔TokenBus〕介質(zhì)訪問方式工作過程：在物理總線上建立一個邏輯環(huán)，在這個邏輯環(huán)中，令牌依次傳遞，站點只有取得令牌才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。特點因為只有擁有令牌的站點才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀到總線，所以就防止了沖突；令牌總線的幀可以設(shè)置得很短，和CSMA/CD相比，這樣減少了開銷，相當(dāng)于增加了網(wǎng)絡(luò)的容量。令牌總線是現(xiàn)場總線中最常用的介質(zhì)控制方式，比方PROFIBUS。1/16/2024242.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問控制方式–多路復(fù)用技術(shù)為了有效的利用通信電路，總是利用一個信道同時傳輸多路信號。多路復(fù)用技術(shù)就是把多路信號在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設(shè)備進行傳輸?shù)募夹g(shù)，在遠(yuǎn)距離傳輸時，多路復(fù)用技術(shù)可以大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用。

多路復(fù)用技術(shù)定義：在實際的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為了有效地利用通信電路，總是利用一個信道同時傳輸多路信號。多路復(fù)用技術(shù)就是把多路信號在單一的傳輸線路上用單一的傳輸設(shè)備進行傳輸?shù)募夹g(shù)。在遠(yuǎn)距離傳輸時，多路復(fù)用技術(shù)可以大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用。多路復(fù)用技術(shù)種類：頻分多路復(fù)用和時分多路復(fù)用。1/16/2024252.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問控制方式頻分多路復(fù)用〔FrequencyDivisionMultiplexing〕在物理信道能提供比單路原始信號寬得多的帶寬的情況下，可以把該物理信道的總帶寬分割成假設(shè)干個與單路信號帶寬相同〔為了防止相互干擾也可以稍微寬一點〕的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復(fù)用〔FDM〕。時分多路復(fù)用〔TimeDivisionMultiplexing〕假設(shè)傳輸介質(zhì)能到達的位傳輸速率超過單一信號源所需要的數(shù)據(jù)傳輸率，就可以采用時分多路復(fù)用〔TDM〕技術(shù)。它是將一條物理信道按時間分成假設(shè)干個時間片輪流地給多個信號源使用。同步時分：指時分方案中的時間片時分配好的，而且固定不變的輪流占用，不管信息源是否有信息發(fā)送異步時分〔統(tǒng)計時分)：允許動態(tài)的分配時間片，可以減少浪費。輪轉(zhuǎn):每個站輪流獲得發(fā)送時機，適用于交互式的終端對主機通信。預(yù)約:時間被分割成時間片，要發(fā)送信息，先占用時間片，適用于數(shù)據(jù)流的通信。爭用:所有站點爭用使用權(quán)，適合于突發(fā)式的通信。1/16/2024262.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)3.介質(zhì)訪問控制方式1/16/2024272.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型1〕OSI的產(chǎn)生——開展歷程20世紀(jì)70年代后，計算機應(yīng)用迅猛開展，網(wǎng)絡(luò)開展初現(xiàn)端倪；70年代中、后期，各計算機廠家先后都推出了自己的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品；操作平臺、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、硬件接口等互不兼容，限制了網(wǎng)絡(luò)的開放、共享，以及商業(yè)利潤的提高；1978年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織〔ISO〕開始起草開放系統(tǒng)互連參考模型；1983年，正式推出“開放系統(tǒng)互連參考模型〞的標(biāo)準(zhǔn)ISO7498。OSI參考模型的出現(xiàn)促進了數(shù)據(jù)通信和計算機網(wǎng)絡(luò)的開展。1/16/2024282.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型1〕OSI的產(chǎn)生——幾個概念協(xié)議：不同系統(tǒng)中同一層實體〔即對等層實體〕進行通信的規(guī)那么的集合。在協(xié)議中規(guī)定了協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔PDU，ProtocolDataUnit〕的格式，通信雙方所要完成的操作，以及給上層提供的效勞。效勞：在同一實體中，下層實體給上層實體提供的功能稱為效勞。下層為效勞提供者，上層為用戶。用戶只看得見下層的效勞而看不見下層的協(xié)議。在體系結(jié)構(gòu)中，協(xié)議是水平方向的，效勞是垂直方向的。效勞訪問點：在同一系統(tǒng)中相鄰兩層之間交換信息的地點稱為效勞訪問點〔SAP，ServiceAccessPoint〕。它實際上就是下層向上層提供效勞的邏輯接口。效勞原語：在同一系統(tǒng)中相鄰兩層要按效勞原語的方式交換信息。這些效勞原語的交換地點在SAP。效勞原語有請求、指示、響應(yīng)和證實等4種類型。原語中包括對方的地址、所傳送的內(nèi)容、所要求的效勞質(zhì)量等信息。1/16/2024292.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型2〕分層的原那么OSI的最大奉獻就是它正式定義并系統(tǒng)化了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中分層的概念，分層的好處是結(jié)構(gòu)簡單、關(guān)系簡化、相對獨立、構(gòu)造靈活。根據(jù)不同抽象層次的需要進行分層，即當(dāng)有大量的通信任務(wù)相近的性質(zhì)時，就應(yīng)當(dāng)設(shè)立一個相應(yīng)的層次；每一層應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)一個明確定義的功能；每一層功能的選擇應(yīng)當(dāng)有助于制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)；層與層之間的邊界應(yīng)該選擇在通過邊界的信息量盡量少的地方；層數(shù)應(yīng)足夠多但也不能太多。1/16/2024302.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型3〕結(jié)構(gòu)劃分OSI提供了概念性和功能性的結(jié)構(gòu)劃分，將開放系統(tǒng)劃分為7個層次:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。七層中，下三層是網(wǎng)絡(luò)支撐層，涉及數(shù)據(jù)從一個設(shè)備傳送到另一個設(shè)備的物理實現(xiàn)；上三層為用戶支持層，它們允許在不同的網(wǎng)絡(luò)體系、不同的軟件系統(tǒng)中進行互操作；而第四層〔傳輸層〕起到了“承上啟下〞的作用，用來保證下三層傳輸?shù)氖巧先龑涌梢允褂玫母袷健Ｒ话銇碚f，上三層功能通常是通過軟件來實現(xiàn)，而下三層那么是軟件和硬件結(jié)合，物理層根本為硬件。1/16/2024312.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型1.OSI參考模型3〕結(jié)構(gòu)劃分1/16/2024322.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型物理層〔PhysicalLayer〕概述:實現(xiàn)在物理媒體上透明地傳送原始比特流。定義了激活、維護和關(guān)閉終端用戶之間機械的、電氣的、功能和規(guī)程特性。根本功能:，規(guī)定所使用的導(dǎo)線類型、連接器接口類型和型號等，實現(xiàn)在物理介質(zhì)上傳輸原始的比特流數(shù)據(jù)，而不管數(shù)據(jù)的類型和結(jié)構(gòu)如何。機械特性：接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列方式、固定和鎖定方式等。電氣特性：信號線的連接方式、發(fā)送器和接收器的電氣參數(shù)〔包括阻抗、信號電平、傳輸速率和距離限制等〕以及互聯(lián)電纜的有關(guān)技術(shù)規(guī)定。功能特性：物理接口各信號線的用途，即說明某條線上出現(xiàn)的某一電平表示何種意義。規(guī)程特性：使用信號線實現(xiàn)比特流傳輸過程中，在建立、維持和釋放物理信道時通信雙方在各電路上的動作序列，即信號時序的應(yīng)答關(guān)系和操作過程。1/16/2024332.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型數(shù)據(jù)鏈路層〔DataLinkLayer〕概述：在物理線路上提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，使之對網(wǎng)絡(luò)層呈現(xiàn)為一條無錯的線路。有的系統(tǒng)〔比方現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)〕中數(shù)據(jù)鏈路層又分為：媒體訪問控制子層〔MAC〕和邏輯鏈路控制子層〔LLC〕。媒體訪問控制子層：負(fù)責(zé)解決共享信道的媒體訪問控制，實現(xiàn)對共享信道的“交通〞管理，并檢測傳輸線路的異常情況。邏輯鏈路控制子層：完成通常意義下的數(shù)據(jù)鏈路層功能，在節(jié)點間對幀的發(fā)送、接收進行控制，同時檢測傳輸錯誤。根本功能：由于外界噪聲和干擾等原因，傳輸比特流時可能發(fā)生過失，數(shù)據(jù)鏈路層就是通過校驗、確認(rèn)和反響重發(fā)等手段改正過失，該層將比特流組合成幀〔frame〕，在一個幀中，包含有地址、控制域、數(shù)據(jù)域和校驗碼?？傊涔δ馨ǎ撼蓭?、糾錯和流量控制。1/16/2024342.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型網(wǎng)絡(luò)層〔NetworkLayer〕概述：在源端與目的端之間建立、維護、終止網(wǎng)絡(luò)的連接。根本功能：解決多條鏈路組成通路的數(shù)據(jù)傳輸問題，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端提供通路，完成路由和分組。按照一定的算法進行路由選擇，包括路徑選擇、網(wǎng)絡(luò)流量控制、網(wǎng)絡(luò)連接等。在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)的傳送單位是報文或報文分組。傳輸層〔TransportLayer〕概述：為源端主機到目的端主機提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸效勞；屏蔽各類通信子網(wǎng)的差異，使上層不受通信子網(wǎng)技術(shù)變化的影響。根本功能：中間層，核心。傳輸層以上各層：面向應(yīng)用；以下各層：面向傳輸。傳輸層位于資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)的交界處，起著承上啟下的作用。為高層從源端機到目的機提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸效勞。完成端到端的過失糾正和流量控制，并實現(xiàn)兩個終端系統(tǒng)之間傳送的分組數(shù)據(jù)無喪失、無重復(fù)、無過失、分組順序正確。1/16/2024352.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型會話層〔SessionLayer〕概述：會話就是為完成一項任務(wù)而進行的一系列相關(guān)的信息交換。會話層用于建立、管理和中止不同機器上的應(yīng)用程序之間的會話。根本功能：會話層以下各層是面向通信的，以上各層是面向應(yīng)用的，其根本任務(wù)包括會話連接管理和會話數(shù)據(jù)交換兩大局部。在傳輸層根底上增加一些協(xié)調(diào)對話的功能。如它可以給大量傳送的數(shù)據(jù)打上標(biāo)記，網(wǎng)絡(luò)故障時，僅需從最近的同步點重新傳送不需從頭開始。表示層〔PresentationLayer〕概述：表示層以下五層關(guān)心的是可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而表示層關(guān)心的是所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的語法和語義。處理被傳送數(shù)據(jù)的表示問題，即信息的語法。如有必要，使用一種通用的數(shù)據(jù)表示格式在多種數(shù)據(jù)表示格式之間進行轉(zhuǎn)換。根本功能：為保證數(shù)據(jù)傳輸后意義不變，對源端機的數(shù)據(jù)進行編碼，形成適合傳輸?shù)谋忍亓?；到了目的機進行解碼，轉(zhuǎn)換成用戶要求的格式。1/16/2024362.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型應(yīng)用層〔ApplicationLayer〕概述：應(yīng)用層為用戶的應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)通信效勞，識別并證實目的通信方的可用性，使協(xié)同工作的應(yīng)用程序之間進行同步，判斷是否為通信過程申請了足夠的資源。根本功能：用戶與底層協(xié)議之間的接口，為用戶提供給用效勞，例如E-mail、WWW、FTP。應(yīng)用層的功能和內(nèi)容取決于用戶的需要，可自行決定完成什么樣的功能和使用什么協(xié)議。1/16/2024372.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型4〕OSI對等通信的實質(zhì)OSI參考模型禁止不同主機的對等層之間的直接通信。每一層必須依靠相鄰層提供的效勞來與另一臺主機的對應(yīng)層通信。實質(zhì)：對等層實體之間虛擬通信；下層向上層提供效勞，上層使用下層提供的效勞；實際通信在最底層完成。一臺計算機要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一臺計算機，數(shù)據(jù)首先必須打包，打包的過程稱為封裝。封裝就是在數(shù)據(jù)前面加上特定的協(xié)議頭部。OSI參考模型中每一層都要依靠下一層提供的效勞。為了提供效勞，下層把上層的PDU作為本層的數(shù)據(jù)封裝，然后參加本層的頭部〔和尾部〕。頭部中含有完成數(shù)據(jù)傳輸所需的控制信息。這樣，數(shù)據(jù)自上而下遞交的過程實際上就是不斷封裝的過程。到達目的地后自下而上遞交的過程就是不斷拆封的過程。由此可知，在物理線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其外面實際上被包封了多層“信封〞。但是，某一層只能識別由對等層封裝的“信封〞，而對于被封裝在“信封〞內(nèi)部的數(shù)據(jù)僅僅是拆封后將其提交給上層，本層不作任何處理。

1/16/2024382.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層OSI參考模型中，對等層協(xié)議之間交換的信息單元統(tǒng)稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU,ProtocolDataUnit)。傳輸層及以下各層的PDU另外還有各自特定的名稱：傳輸層——數(shù)據(jù)段〔Segment〕網(wǎng)絡(luò)層——分組〔數(shù)據(jù)包〕〔Packet〕數(shù)據(jù)鏈路層——數(shù)據(jù)幀〔Frame〕物理層——比特〔Bit〕1/16/2024392.3開放系統(tǒng)互聯(lián)模型2.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)使用同一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)媒體互相共享資源的計算機及其他設(shè)備的集合稱為計算機網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)干個計算機網(wǎng)絡(luò)互連起來形成的網(wǎng)絡(luò)，稱為互聯(lián)網(wǎng)〔internetwork〕，一般簡寫為internet。但是，當(dāng)internet變?yōu)镮nternet，意義就改變了，Internet表示支持同一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議〔TCP/IP，TransportControlProtocal/InternetPro