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)。具體有以下三種類型：專用、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。但在相互連接時就顯得各項指標(biāo)參差不齊，推廣與維護都難以協(xié)調(diào)。專用型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)有三個發(fā)展方向：①走向封閉系統(tǒng)，以保證市場占有率。②走向開放型，使它成為標(biāo)準(zhǔn)。③設(shè)計專用的Gateway與開放型網(wǎng)絡(luò)連接。開放型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：除了一些較簡單的標(biāo)準(zhǔn)是無條件開放外，大部分是有條件開放，或僅對成員開放。生產(chǎn)商必須成為該組織的成員，產(chǎn)品需經(jīng)過該組織的測試、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)場總線標(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)通信的傳輸過程

二工業(yè)網(wǎng)絡(luò)物理機構(gòu)1網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介有線傳輸介質(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)。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)點的互連形式。常見的是：總線型、環(huán)形、星形和樹形等。總線型：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)湫问健Ｐ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。常用于節(jié)點密集的地方，在商業(yè)和民用網(wǎng)絡(luò)中使用較多。環(huán)形：通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點點對點的鏈路的連接，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。3介質(zhì)訪問控制方式定義：在計算機網(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稱為介質(zhì)訪問控制方法或協(xié)議。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。多路復(fù)用技術(shù)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。（2） 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。原則：發(fā)前監(jiān)聽，空閑即發(fā)，忙時等待。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。原則：發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測，沖突時退避。（3） 令牌環(huán)（TokenRing）介質(zhì)訪問方式：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，則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，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規(guī)范來控制網(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)功能的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的。根據(jù)分而治之的原則，ISO將整個通信功能劃分為七個層次，劃分原則是：（1） 網(wǎng)路中各結(jié)點都有相同的層次；（2） 不同結(jié)點的同等層具有相同的功能；（3） 同一結(jié)點內(nèi)相鄰層之間通過接口通信；（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)點的同等層按照協(xié)議實現(xiàn)對等層之間的通信。

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)層提供一個數(shù)據(jù)鏈路的連接，在一條有可能出差錯的物理連接上，進行幾乎無差錯的數(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：一本層通過尋址來建立兩個節(jié)點之間的連接，為源端的運輸層送來的分組，選擇合適的路由和交換節(jié)點，正確無誤地按照地址傳送給目的端的運輸層。它包括通過互連網(wǎng)絡(luò)來路由和中繼數(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連接。為會話層用戶提供一個端到端的可靠、透明和優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)機制。包括全雙工或半雙工、流控制和錯誤恢復(fù)服務(wù)；第5層會話層：一在兩個節(jié)點之間建立端連接。為端系統(tǒng)的應(yīng)用程序之間提供了對話控制機制。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：主要用于處理兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式。為上層用戶解決用戶信息的語法問題。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。為特定類型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了訪問OSI環(huán)境的手段。應(yīng)用層確定進程之間通信的性質(zhì)，以滿足用戶的需要。應(yīng)用層不僅要提供應(yīng)用進程所需要的信息交換和遠程操作，而且還要作為應(yīng)用進程的用戶代理，來完成一些為進行信息交換所必需的功能。它包括：文件傳送訪問和管理 FTAM、虛擬終端VT、事務(wù)處理TP、遠程數(shù)據(jù)庫訪問RDA、制造報文規(guī)范曲5、目錄服務(wù)DS等協(xié)議；數(shù)據(jù)發(fā)送時，從第七層傳到第一層，接收數(shù)據(jù)則相反。上三層總稱應(yīng)用層，用來控制軟件方面。下四層總稱數(shù)據(jù)流層，用來管理硬件。數(shù)據(jù)在發(fā)至數(shù)據(jù)流層的時候?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、維護和拆除有關(guān)的機械、電氣、功能和規(guī)程特性。包括信號線的功能、“0”和“1”信號的電平表示、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傳輸介質(zhì)發(fā)送和接收二進制比特流。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，解決兩個相鄰結(jié)點之間的通信問題，傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱為數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀中包含物理地址(又稱MAC地址)、控制碼、數(shù)據(jù)及校驗碼等信息。該層的主要作用是通過校驗、確認(rèn)和反饋重發(fā)等手段，將不可靠的物理鏈路轉(zhuǎn)換成對網(wǎng)絡(luò)層來說無差錯的數(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，即進行流量控制，以防止接收方因來不及處理發(fā)送方來的高速數(shù)據(jù)而導(dǎo)致緩沖器溢出及線路阻塞。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)包通過各結(jié)點傳送的問題，即通過路徑選擇算法(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)過多的數(shù)據(jù)包而造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，需要對流入的數(shù)據(jù)包數(shù)量進行控制(擁塞控制)。當(dāng)數(shù)據(jù)包要跨越多個通信子網(wǎng)才能到達目的地時，還要解決網(wǎng)際互連的問題。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)，包括處理差錯控制和流量控制等問題。該層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)，使高層用戶看到的只是在兩個傳輸實體間的一條主機到主機的、可由用戶控制和設(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)單元稱為段或報文。會話層(SessionLayer)會話層主要功能是管理和協(xié)調(diào)不同主機上各種進程之間的通信(對話)，即負(fù)責(zé)建立、管理和終止應(yīng)用程序之間的會話。會話層得名的原因是它很類似于兩個實體間的會話概念。例如，一個交互的用戶會話以登錄到計算機開始，以注銷結(jié)束。表示層(PresentationLayer)表示層處理流經(jīng)結(jié)點的數(shù)據(jù)編碼的表示方式問題，以保證一個系統(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