3.2.3控制网络的实时性要求【7】

在工业控制中， 由于现场设备的地域分散性， 现场设备间的信息交互是通过网络， 以信息传递的方式来实现的。为了达到控制与监控等任务的要求，现场设备间的信息交互必须在一定的通信延迟时间内完成，即必须满足实时性要求。

此外，在工业控制中，通信还具有以下特点：周期性信息较多，为测量和控制信息；非周期性信息较少， 主要包括用户操作指令、组态信息、诊断信息和报警等突发性事件；传输的信息量少，信息长度比较小，通常仅为几位或几个、十几个、几十个字节网络吞吐量小，负荷较为平稳。

和一般商业应用相比，工业控制对通信的实时性要求更高，例如在商业应用中，对响应时间的要求较低， 一般是2-6s；而过程控制对实时性要求较高， 一般是0.5-2s。在商业应用中，对实时性的要求是软的，只要大部分时间满足要求就可以了，偶尔几次不及时响应是没有关系的而过程控制对实时性的要求是硬的，因为它常常涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有任何不确定性。

以太网在通信过程中的延迟不确定性， 使它不能很好地满足工业控制的实时性要求。因此， 以太网要应用于工业控制必须解决实时性问题。

3.3网络拓扑

工业现场的智能设备是以网络节点的形式挂接在控制网络上，为保证节点之间实时、可靠的数据传输，控制网络必须采用合理的拓扑结构。【1】

所谓网络的拓扑结构一般是指网络中节点的互联形式，常见的有：星形、环形、总线形、树形、混合形与网形。【1】如图3-2所示。

图3-2网络拓扑结构

3.3.1星形拓扑

各节点由单独的链路与中心节点相连，除中心节点外任何两个节点间无直接连通的链路，分节点间的通信必须通过中心节点间接实现

优点：1)控制简单；2)故障诊断和隔离容易；3)方便服务；

缺点：1)电缆长度和安装工作量可观；2)中央节点负担较重，形成瓶颈；3)各站点的分布处理能力较低。

3.3.2环形拓扑

各主机经由各自的中继器或转发器和点到点链路组成闭合环。

优点：1)电缆长度短；2)增减工作站时只需简单连接；3)可用光纤。

缺点：1)节点故障会引起全网的故障；2)故障难检测；3)媒体访问协议都用令牌传递方式，在负载很轻时，信道利用率较低。

3.3.3总线拓扑

采用单根传输线作为传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到传输介质即总线上；任一站点发送的信号都可以沿介质传输且能被其它所有站点接收，但只有目的站点真正接收，其它的站点丢弃。

优点：1)总线结构所需电缆数量少；2)结构简单又是无源工作，有较高的可靠性；3)易于扩充，增减用户方便。

缺点：1)传输距离有限，通信范围受到限制；2)故障诊断和隔离困难；3)分布式协议不保证信息及时传送，不具实时功能。站点必须是智能的，要有媒体访问控制功能，增加站点软件和硬件的开销。

3.3.4树形拓扑

从总线拓扑演变而来，像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可带子分支。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。

优点：1)易于扩展；2)故障隔离较容易。

缺点：1)节点对根依赖性太大，若根发生故障，则全网不能正常工作。

3.3.5混合形拓扑

将两种单一拓扑结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑。

优点：1)故障诊断和隔离方便；2)易于扩展；3)安装方便；

缺点：1)需用带智能的集中器；2)集中器到各站点的电缆长度会增加。

3.3.5网形拓扑

优点：1)应用广泛；2)不受瓶颈问题和失效问题的影响。

缺点：1)结构较复杂，网络协议也复杂，建设成本高。

3.4网络的传输介质

传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络中采用的传输媒体分有线和无线两大类。

传输介质的特性对网络数据通信的质量有很大影响，这些特征是：

⑴物理特性：说明传输媒体的特性。

⑵传输特性：包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、调制技术、传输容量及传输频率范围。

⑶连通性：采用点到点连接还是多点连接。

⑷地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。

⑸抗干扰性：防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的能力。

⑹相对价格：包括元件、安装和维护等价格。

1．双绞线(TP)

由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。双绞线一般分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。计算机网络中最常用的是第三类和第五类非屏蔽双绞线。

⑴物理特性：铜质线芯，传导性能良好。

⑵传输特性：可用于传输模拟信号和数字信号，对于模拟信号，约5－－6公里需要一个放大器；对于数字信号，约2－－3公里需要一个中继器。双绞线的带宽达268kHz。

对于模拟信号，可用频分多路复用技术把它分成24路来传输音频模拟信号，根据目前的Modem技术，若使用移相键控法PSK，每路可达9600bps以上，这样，在一条24路的双绞线上，总传输率可达230kbps。
　　对于数字信号，使用T1线路总传输率可达1.544Mbps。达到更高传输率也是可能的，但与距离有关。
　　对于局域网(10BASE-T和100BASE-T总线)，传输速率可达10Ｍbps-100Ｍbps。常用的3类双绞线和5类双绞线电缆均由4对双绞线组成，3类双绞线传输速率可达10Ｍbps，5类双绞线传输速率可达100Ｍbps。但与距离有关。

⑶连通性：可用于点到点连接或多点连接。

⑷地理范围：对于局域网，速率100Kbps,可传输1公里；速率10Mbps－－100Mbps,可传输100米。

⑸抗干扰性：低频(10kHz以下)抗干扰性能强于同轴电缆，高频(10-100kHz)抗干扰性能弱于同轴电缆。

⑹相对价格：比同轴电缆和光纤便宜得多。

2．同轴电缆

由绕同一轴线的两个导体所组成，被广泛用于局域网中。为保持同轴电缆的正确电气特性，电缆必须接地，同时两头要有端接器来削弱信号反射作用。

⑴物理特性：单根同轴电缆直径约为1.02-2.54cm，可在较宽频范围工作。

⑵传输特性：基带同轴电缆仅用于数字传输，阻抗为50Ω，并使用曼彻斯特编码，数据传输速率最高可达10Mbps。宽带同轴电缆可用于模拟信号和数字信号传输，阻抗为75Ω，对于模拟信号，带宽可达300-450MHz。在CATV电缆上，每个电视通道分配6MHz带宽，而广播通道的带宽要窄得多，因此，在同轴电缆上使用频分多路复用技术可以支持大量的视、音频通道。基带50

⑶连通性：可用于点到点连接或多点连接。

⑷地理范围：基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；宽带电缆的最大距离可以达几十公里。

⑸抗干扰性：能力比双绞线强。

⑹相对价格：比双绞线贵，比光纤便宜。

3．光缆

由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成的。光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离远等优点。按使用的波长区的不同分为单模和多模光纤通信方式。

图3-3 光缆传输

⑴物理特性：在计算机网络中均采用两根光纤(一来一去)组成传输系统。按波长范围可分为三种：0.85um波长(0.8-0.9um)、1.3um波长(1.25-1.35um)和1.55um波长区(1.53-1.58um)。不同的波长范围光纤损耗特性也不同，其中0.85um波长区为多模光纤通信方式，1.55um波长区为单模光纤通信方式，1.3um波长区有多模和单模两种方式。

⑵传输特性：光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，内部的全反射可以在任何折射指数高于包层媒体折射指数的透明媒体中进行。实际上光纤作为频率范围从10¹⁴-10¹⁵Hz的波导管，这一范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。光纤的数据传输率可达Gbps级，传输距离达数十公里。目前，一条光纤线路上只能传输一个载波，随着技术进一步发展，会出现实用的多路复用光纤。

⑶连通性：采用点到点连接还是多点连接。

⑷地理范围：可以在6-8公里的距离内不用中继器传输，因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网。

⑸抗干扰性：不受噪声或电磁影响，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供良好的安全性。

⑹)相对价格：目前价格比同轴电缆和双绞线都贵。

4．无线通信

⑴微波通信：工作频率为10⁹~10¹⁰Hz。可同时传送大量信息；由于微波是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限。

⑵卫星通信：是利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。

⑶红外通信：工作频率为10¹¹~10¹⁴Hz，通过发送或接收电信号调制的非相干红外线，即可形成一条通信链路，只要收发机在视距内，就可进行通信，方向性强，几乎不受干扰。

⑷激光通信：工作频率为10¹⁴~10¹⁵Hz，用调制解调的相干激光，实现激光通信。

微波、红外线和激光都需要在发送方和接收方之间有一条视距通路，故它们统称为视距媒体。

3.5介质访问控制方式

如前所述、在总线和环形拓扑中，网上设备共亨传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时发起通信而出现的争用传输介质的现象，需要采取某种介质访问控制方式，协调各设备访问介质的顺序。这种用于解决介质争用冲突的办法称之为竞用技术。 传输介质的利用率一方面取决于通信帧的长度和传播时间．帧愈长，而所需传播时间愈短，介质的利用率愈高。另一方面介质利用率也取决于介质的访问控制方式。

通信中对介质的访问可以是随机的，即网络各节点可在任何时刻随意地访问介质；也可以是受控的，即采用一定的算法调整各节点访问介质的顺序和时间。在计算机网络中，普遍采用载波监听多路访问／冲突检测的随机访问方式来竞用总线。而在控制网络中往往会采用主从式、令牌总线、令牌环、并行时间、多路存取等受控的介质访问控制力式。

3.5.1载波监听多路访问/冲突检测

采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的介质访问控制方式时，网络上的任何节点都没有预定的通信时间，节点随机向网络发起通信。当遇到多个节点同时发起通信时，信号会在传输线上相互混淆而遭破坏，此称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。

载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个节点要发送，首先需要监听总线，以决定介质上是否存在正在发送信号的其他节点。如果介质处于空闲，则可以发送；如果介质忙，则要等待一定时间间隔后重试。

有3种CSMA坚持退避算法：

第一种为不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则等待—段随机时问，重复第一步。

第二种为1坚持CSMA 。假如介质是空闲的．则发送；假如介质是忙的，则继续监听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。

第三种为P坚持CSMA 。假如介质空闲，则以P的概率发送，或以1一P的概率延迟一个时间单位后再听，这个时间单位等于最大的传播延迟；假如介质是忙的，则继续监听直到介质空闲，重复第一步。

由于传输线上不可避免地存在传输延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲，并开始发送，从而导致冲突，故每个节点在开始发送信息之后，还要继续监听线路，判定是否有其他节点正与本节点同时向传输介质发送，一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测”。CSMA／CD已广泛应用于计算机局域网中。每个站点在发送通信帧的同时还有检测冲突的能力。即所谓边讲边听。一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串J am信号，通知总线上各站冲突已经发生，使信道不致传送已损坏的帧。

3.5.2介质访问控制的令牌方式

CSMA的访问产生冲突的原因是由于各节点发起通信是随机的。为了解决冲突，可对通信发起采取某种方式进行控制。令牌访问就是其中的一种。这种方法按一定顺序在备站点问传递令牌，得到令牌的节点才有发起通信的权力，从而避免了几个节点同时发起通信而产生的冲突。令牌访问原理可用于环形网，构成令牌环形网络；也可用于总线网，构成令牌总线网络。

令牌环是环形局域网采用的一种访问控制方式。令牌在网络环路上不断地传送，只有拥有此令牌的站点、才有权向环路上发送报文，而其他站点仅允许接收报文。一个节点发送完毕后，便将令牌交给网上的下一个站点，下一个站点如果没有报文发送，便立即把令牌顺次传给它的下一个站点。因此表示发送权的令牌在环形信道上不断循环。环路上每个节点都可获得发送报文的机会，而任何时刻只会有一个节点利用环路传送报文，因而在环路上保证不会发生访问冲突。

采用令牌环方式的局域网，网上每一个站点都知道信息的来去动向，保证了通信传输的确定性。由于能限制各节点的令牌持有时间，所以适合于实时系统的使用，令牌环方式对轻、重负载不敏感，但单环环路出故障将使整个环路通信瘫痪，因而可靠性比较差。

令牌总线方式采用总线拓扑，网上各节点按预定顺序形成一个逻辑环。每个节点在逻辑环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首站，即首尾相连。总线上各站的物理位置跟逻辑位置无关。

像令牌环方式那样，令牌总线也采用称为令牌的控制帧来调整对总线的访问控制权。收到令牌的站点在一段规定时问内被授与对介质的控制权，可以发送一帧或多帧报文。当该节点完成发送或授权时间已到时，它就将令牌传递到逻辑环中的下一站，使下一站得到发送权。传输过程由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。令牌总线上的站点也可以退出逻辑环而成为非活动站点。

令牌总线网络的正常运行十分简单。但网络必须有初始化功能，要生成—“个访问次序。当网上令牌丢失，或产生多个令牌时，必须有故障恢复功能。还应该有取消不活动站点和加入新活动站点的功能，这些附加功能会大大增加令牌总线访问控制

    的复杂性。因此，令牌总线的介质访问控制应具备以下几项功能：

(1)令牌传递算法

逻辑环按站点地址次序组成。刚发完帧的站点将令牌传给后继站。后继站应立即发送数据或令牌帧，原先释放令牌的站点监听到总线上的信号，便可以确认后继站获得了令牌。

(2)逻辑环的初始化

 网络开始启动时，或由于某种原因、在运行中所有站点活动的时间如果超过规定的时间，需要进行逻辑环的韧始化。韧始化过程是—个争用的过程，争用的结果只有一个站点能获得令牌，其他站点采用站插入算法插入。

(3)站点插入算法

在逻辑环上应周期性地使新站点有机会插入环中时，可以采用带有响应窗口的争用处理算法。

(4)退出环路

一个工作站应能将其自身从逻辑环中退出，并将其先行站和后继站连接起来

(5)恢复

网络应能发现差错，丢失令牌应能恢复，在多重令牌情况下应能识别处理。

(6)实令牌与虑令牌

3.5.3时分复用

时分复用(TDM)对每个节点预先分配好特定的一段时间，让每个节点在这段时间内占有总线。多个节点按划分的时间顺序占用总线的工作方式称为时分多路复用。比如让节点A，B，C，D分别按1，2，3，4的顺序占用总线。如果事先可以预计每个节点占用总线的时间、需要的通信时间或要传送的报文字节数量，则可以推确估算出每个节点两次占用总线之间的循环周期。这在控制网络的应用条件下满足某种确定的时间要求是有用的。

时分复用又分为同步时分复用和异步时分复用两种。这里的“同步”与“异步”在意义上与前面位同步、帧同步个的同步概念不同。同步时分复用指为每个节点分配相等的时间，而不管每个设备要通信的数据量的大小。每当分配给某个节点的时间片到来时，该节点就可以发送数据，如果此时该节点没有数据发送，则传输介质在该段时间片内就是空的。这意味着同步时分复用的平均分配策略有可能造成通信资源的浪费，不能有效利用链路的全部容量。

时分复用还可以按交织方式组织数据的发送，由一个复用器作为快速转换开关。当开关转向某个设备时，该节点便有机会向网络发送规定数量的数据。复用器以固定的转动速率和顺序在各网络节点间循环运转的过程称为交织。

异步时分复用也叫统计复用。“异步”在这里的意义是指对每个节点的时间分配是不相同的、有弹性的。异步时分复用根据给定时刻可能进行发送的节点数目的统计结果决定时间片的分配。这种动态分配时间片的能力可以大大减少信道资源的浪费，因面在话务通信系统中应 用广泛。们它需要采用复用器与解复用器完成较为复杂的数据定位。异步时分复用还可采用变长时间片的方法来实现。可以按动态方式管理变长域。而在控制网络中，各节点数据信号的传输速率一般相问。可以来取固定方式给数据传输量大的节点分配较长的时间，而给数据传输量小的节点分配较短的时间，以避免浪费。

3.6网络互联

3.6.1网络互联的基本概念

网络互联是将分布在不同地理位量的网络、网络设备连接起来，构成更大规模的网络系统，以实现网络的数据资源共享。相互连接的网络可以是同种类型的网络，也可以是运行不同网络协议的异型系统。网络互联是计算机网络和通信技术迅速发展的结果，也是网络系统应用范围不断扩大的自然要求。网络互联要求不改变原有于网内的网络协议、通信速率、硬和软件配置等，通过网络互联技术使原先不能相互通信和共享资源的网络间有条件实现相互通信和信息共享。此外还要求将因连接对原有网络的影响减至最小。

在相互连接的网络中，每个子网成为网络的一个组成部分，每个子网的网络资源都应该成为整个网络的共享资源．可以为网上任何一个节点所享用。同时，又应该屏蔽各子网在网络协议、服务类型、网络管理等方面的差异。网络互联技术能实现更大规模、更大范围的网络连接，使网络、网络设备、网络资源、网络服务成为一个整体。

3.6.2网络互联规范

网络互联必须遵循一定的规范，随着计算机和计算机网络的发展，以及应用对局域网络互连的需求，IEEE于1980年2月成立了局域网标准委员会(1EEE 802委员会)，建立了802课题，制定了开放式系统互联(ISO）模型的物理层、数据链路层的局域网标准。

1．IEEE802标准的原理

为了促进局域网产品的标准化，便于组网，美国电气和电子工程师学会IEEE802委员会为局域网制订了一系列标准，且提交国际标准化组织作为国际标准的参考并得到认可。

IEEE802标准着重描述了微机局域网的低2层：

（1）物理层（PH）标准。与OSI标准相似，主要规定比特（bit）流的传输与接收，描述使作用的信号电平编码、规定网络拓扑结构、传输速率及传输介质等。

（2）数据链路层标准。OSI的数据链路层在局域网中实际上分成两部分：逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC。

OSI参考模型的数据链路层不具备解决局域网中各站点争用共享通信介质的能力。为了解决这个问题，同时又保持与OSI参考模型的一致性，在将OSI参考模型应用于局域网时，将数据链路层划分成两个子层：逻辑链路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC，如图2.1所示。图中MAC子层外理局域网中各站对通信介质的争用问题，对于不同的网络拓扑结构可以采用不同的MAC方法；而LLC子层屏蔽各种MAC子层的具体实现，将其改造成为统一的LLC界面，从而向网络层提供一致的服务。这样既可以通过MAC子层解决局域网中各站对通信介质的争用问题，又可以通过LLC子层保持局域网与OSI模型的衔接；服务访问点指的是在一个系统内上下层通信的接口。由于LLC提供对多个高层实体的支持。因此LLC层有多个服务访问点。

2．IEEE802标准的基本构成

IEEE802.1：综述和体系结构（IEEE802.1（A）），它除了定义IEEE802标准和OSI参考模型高层的接口外，还解决寻址、网际互连和网络管理等方面的问题（IEEE802.1（B））。

IEEE80.2：逻辑链路控制，定义LLC子层为网络层提供的服务。对于所有的MAC规范，LLC是共同的。

IEEE802.3：载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD），是一种对总线型局域网的介质访问控制方法和物理层规范。

IEEE802.4：令牌总线（Token Bus），是另一种对总线型局域网的介制访问控制方法和物理层规范。

IEEE802.5：令牌环（Token Bus），是另一种对总线型局域网的介质访问控制方法和物理层规范。

IEEE802.6：城市区域网MAN（Metropolitan Area Network），它可以实现一个城市范围内的计算机连网。在城市网上，可以传输数据，也可以传输语音和图像。

IEEE802.9：LAN-ISDN接口。

IEEE802.10：互操作LAN安全标准（SILS）。

IEEE802.11：无线局域网（wireless LAN）。

IEEE802.12：100VG-ANYLAN的MAC标准及物理规范。

IEEE802.14：交互式电视网，包括cable modem的技术规范。

IEEE802这一组标准的数目还在不断扩充和完善。

IEEE802标准对微机局域网的标准化起了重要作用，目前，尽管高层软件和网络操作系统不同，但由于低层采用了标准协议，几乎所有局域网均可实现互连。

3.6.3网络互联与操作系统

局域网操作系统是实现计算机与网络连接的重要软件。局域网操作系统通过网卡驱动程序与网卡通信实现介质访问控制和物理层协议。对不同传输介质、不同拓扑结构、不同介质访问控制协议的异型网，要求计算机操作系统能很好地解决异型网络互联的问题。Netware，Windows NT server，LAN Manager都是局域网操作系统的范例。

LAN Manager局域网操作系统是微软公司推出的，是一种开放式局域网操作系统，采用网络驱动接口规范NDIS，支持EtherNet，Token-ring ，ARC net等不同协议的网卡、多种拓扑结构和传输介质。它是基于client／server结构的服务器操作系统，具有优越的局域网操作系统性能。它可提供丰富的实现进程间通信的工具，支持用户机的图形用户接口。它采用以域为管理实体的管理方式，对服务器、用户机、应用程序、网络资源与安全等实行集中式网络管理。通过加密口令控制用户访问，进行身份鉴定，保障网络的安全性。

Netware是由Novell公司和Apple公司联合提出，用于支持多种局域网协议的互联技术。开放数据链路接口ODI(open data link interface)是Netware互联技术的核心。Netware可以支持EtherNet，Token-bus，Token-ring局域网，允许用户选用符合各种802协议的网卡，组成局域网。此外，可在服务器或工作站上插人多个不同协议的网卡，构成网桥，实现多种局域网络的互联。

Windows NT Server是一种具有很强联网功能的局域网操作系统。它采用网络驱动接口规范NDIS与传输驱动接口标准，内置多种标推网络协议(如TCP／IP，NetBIOS，NetBEUI)，并允许用户同时使用不同的网络协议进行通信。微软对NT的设计定位是高性能工作站、服务器、大型企业网络、政府机关等异种机互联的应用环境。由Windows NT Server和Windows NT Worstation两部分共同构成完整的系统。

3.6.4控制网络互联

控制网络通过网络互联实现不同网段之间的网络连接与数据交换，包括在不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间实现互联。控制网络的相关规范对一条总线段上容许挂接的自控设备节点数有严格的限制。一般同种总线的网段采用中继器或网桥实现连接与扩展。其高速网段与低速网段之间采用网桥连接。

不同类型的现场总线网段之间采用网关，在当前多种现场总线标准共存、难以统一的情况下，应采用专用接口方式，即一对一的总线互联“网关”，实现不同类型现场总线网段的互联。采用中继器、网桥、网关、路由器等将不同网段、子网连接成企业应用系统。

3.7网络互联的通信参考模型

3.7.1 开放系统的互联参考模型

在制定计算机网络标准方面，起着重大作用的两大国际组织是：国际电报与电话咨询委员会（CCITT），与国际标准化组织(ISO)，虽然它们工作领域不同，但随着科学技术的发展，通信与信息处理之间的界限开始变得比较模糊，这也成了CCITT和ISO共同关心的领域。

1983年，ISO发布了著名的ISO (Open Systems Interconnection) /IEC 7498标准，它定义了网络互联的7层框架，也就是开放系统互连参考模型（OSI/RM，Open Systems Interconnection Reference Model）。"开放"这个词表示：只要遵循OSI标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI标准的其他任何系统进行连接。OSI将计算机网络体系结构(architecture)划分为以下七层，如图3-4所示，从连接物理介质的层次开始按顺序编号1—7，相应地称之为物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer）、网络层（Network Layer）、传输层（Transport Layer）、会话层（Session Layer）、表示层（Presentation Layer）、 应用层（Application Layer）

OSI是一个定义良好的协议规范集，并有许多可选部分完成类似的任务。它定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系以及各层所包括的可能的任务。是作为一个框架来协调和组织各层所提供的服务。

OSI参考模型并没有提供一个可以实现的方法，而是描述了一些概念，用来协调进程间通信标准的制定。即OSI参考模型并不是一个标准，而是一个在制定标准时所使用的概念性框架。

3.7.2 OSI参考模型的功能划分

从功能角度可分为三组：1、2层解决网络信道问题，3、4层解决传输问题，5、6、7层处理对应用进程的访问。从控制角度可分为二组，第1、2、3层是通信子网层，第4、5、6、7层是主机控制层。各层的主要功能及其相应的数据单位如下。见图3-4。

1、物理层

　　机械性能：接口的形状，尺寸的大小，引脚的数目和排列方式等。

　　电气性能：接口规定信号的电压、电流、阻抗、波形、速率及平衡特性等。

　　工程规范：接口引脚的意义、特性、标准。

　　工作方式：确定数据位流的传输方式，如：单工、半双工或全双工。

　　物理层协议有：

　　美国电子工业协会(EIA)的RS232，RS422，RS423，RS485等；

　　国际电报电话咨询委员会(CCITT)的X.25、X.21等；

　　物理层的数据单位是位(BIT)，典型设备是集线器HUB。

　　2、链路层

　　链路层屏蔽传输介质的物理特征，使数据可靠传送。

　　内容包括介质访问控制、连接控制、顺序控制、流量控制、差错控制和仲裁协议等。

　　链路层协议有：

　　协议有面向字符的通讯协议(PPP)和面向位的通讯协议(HDLC)。

　　仲裁协议：802.3、802.4、802.5，即：

　　CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)、Token

　　Bus、Token Ring

　　链路层数据单位是帧，实现对MAC地址的访问，典型设备是交换机Switch。

　　3、网络层

　　网络层管理连接方式和路由选择。

　　连接方式：虚电路(Virtual Circuits)和数据报(Datagram)服务。

　　虚电路是面向连接的(Connection-Oriented)，数据通讯一次路由，通过会话建立的一条

　　通路。

　　数据报是非连接的(Connectionless-Oriented)，每个数据报都有路由能力。

　　网络层的数据单位是包，使用的是IP地址，典型设备是路由器Router。

　　这一层可以进行流量控制，但流量控制更多的是使用第二层或第四层。

　　4、传输层

　　提供端到端的服务。可以实现流量控制、负载均衡。

　　传输层信息包含端口、控制字和校验和。

　　传输层协议主要是TCP和UDP。

　　传输层位于OSI的第四层，这层使用的设备是主机本身。　

　　5、会话层

　　会话层主要内容是通过会话进行身份验证、会话管理和确定通讯方式。

　　一旦建立连接，会话层的任务就是管理会话。

　　6、表示层

　　表示层主要是解释通讯数据的意义，如代码转换、格式变换等，使不同的终端可以表示。

　　还包括加密与<此处内容被屏蔽>、压缩与解压缩等。

　　7、应用层

　　应用层应该是直接面向用户的程序或服务，包括系统程序和用户程序，

　　例如www、FTP、DNS、POP3和SMTP等都是应用层服务。

数据在发送时是数据从应用层至物理层的一个打包的过程，接收时是数据从物理层至应用层的一个解包的过程。

将七层比喻为真实世界收发信的两个老板的图。

7 应用层：老板

6 表示层：相当于公司中简报老板、替老板写信的助理

5 会话层：相当于公司中收寄信、写信封与拆信封的秘书

4 传输层：相当于公司中跑邮局的送信职员

3 网络层：相当于邮局中的排序工人

2 数据链路层：相当于邮局中的装拆箱工人

1 物理层：相当于邮局中的搬运工人

3.8网络互联设备

3.8.1中继器

中继器（Repeater）工作于OSI的物理层，是局域网上所有节点的中心，它的作用是放大信号，补偿信号衰减，支持远距离的通信。如图3-6所示。

中继器是一个小发明，它设计的目的是给你的网络信号以推动，以使它们传输得更远。它就像马拉松比赛中的饮料站。当信号通过中继器时，网络信号拿起一杯饮料，喝一口，将剩下的泼到自己头上，抛掉杯子，如果确信没人看见它们，就跳上一辆车。

由于传输线路噪声的影响，承载信息的数字信号或模拟信号只能传输有限的距离，中继器的功能是对接收信号进行再生和发送，从而增加信号传输的距离。它是最简单的网络互连设备，连接同一个网络的两个或多个网段。如以太网常常利用中继器扩展总线的电缆长度，标准细缆以太网的每段长度最大185米，最多可有5段，因此增加中继器后，最大网络电缆长度则可提高到925米。一般来说，中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。

中继器可以连接两局域网的电缆，重新定时并再生电缆上的数字信号，然后发送出去，这些功能是ISO模型中第一层－－物理层的典型功能。中继器的作用是增加局域网的覆盖区域，例如，以太网标准规定单段信号传输电缆的最大长度为500米，但利用中继器连接4段电缆后，以太网中信号传输电缆最长可达2000米。有些品牌的中继器

可以连接不同物理介质的电缆段，如细同轴电缆和光缆。中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

3.8.3路由器

路由器（Router）是计算机名词。

所谓“路由”，是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作，而路由器，正是执行这种行为动作的机器，它的英文名称为Router。是使用一种或者更多度量因素的网络层设备，它决定网络通信能够通过的最佳路径。路由器依据网络层信息将数据包从一个网络前向转发到另一个网络。偶尔也称为网关（尽管网关的这个定义现在己经过时）。

路由器是互联网络中必不可少的网络设备之一，路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。 路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。数据通道功能包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等，一般由特定的硬件来完成；控制功能一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。

3.8.4网关

网关又被称为网间协议变换器，用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联。由于它在技术上与它所连接的两个网络的具体协议有关，因而用于不同网络间转换连接的闷关是不相同的。

一个普通的网关可用于连接两个不同的总线或网络。由网关进行协议转换，提供更高层次的接口。网关允许在具有不同协议和报文组的两个网络之间传输数据。在报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供丁一种把报文重新封装形成新的报文组的方式。

网关需要完成报文的接收、翻译与发送。它使用两个微处理器和两套各自独立的芯片组。每个微处理器都知道自己本地的总线语言，在两个微处理器之间设置一个基本的翻译器。I／O数据通过微处理器，在网段之间来回传递数据。在工业数据通信中网关最显著的应用就是把一个现场设备的信号送往另一类不同协议或更高一层的网络。例如把ASI闷段的数据通过网关送往PROFIBUS DP网段。

4．工业以太网技术标准

4.1 以太网的物理层与MAC子层【2】

4.1.1 IEEE802.3与以太网

以太网是Xerox公司发明的基带LAN标准。它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD），速率为10Mbps，传输介质为同轴电缆。以太网是在20世纪70年代为解决网络中零散的和偶然的堵塞而开发的，以太网2.0版由Xerox、Digital Equipment、Intel公司联合开发，于1982年公布，它与IEEE802.3兼容。现在以太网一词泛指所有采用CSMA/CD协议的局域网。

IEEE802.3标准是在最初的以太网技术基础上于1980年开发成功的，是IEEE802项目的组成部分之一。

IEEE802是局域网连接的重要标准，包括物理层、数据链路层、网络层相关部分，把数据链路层进一步分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。其中，IEEE802.1是网络层的网间互联协议，IEEE802.2是逻辑链路控制子层协议，IEEE802.3、IEEE802.4、IEEE802.5是描述介质访问控制子层和物理层的CSMA/CD、令牌总线、令牌环的协议。

1．以太网和IEEE802.3的工作原理

在基于广播的以太网中，所有的工作站都可以收到发送到网上的信息帧。每个工作站都要确认该信息帧是不是发送给自己的，一旦确认是发给自己的，就将它发送到高一层的协议层。

在采用CSMA/CD传输介质访问的以太网中，任何一个工作站在任何一时刻都可以访问网络。发送数据前，工作站要侦听网络是否堵塞，只有检测到网络空闲时，工作站才能发送数据。

在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任一工作站均可发送数据。当两个工作站发现网络空闲而同时发出数据时，就发生冲突。这时，两个传送操作都遭到破坏，工作站必须在一定时间后重发，何时重发由延时算法决定。

2．以太网和IEEE802.3服务的差别

尽管以太网与IEEE802.3标准有很多相似之处，IEEE802.3是在以太网技术基础上发展起来的，但与以太网协议有差异。

以太网提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层，而IEEE802.3提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层的信道访问部分（即第二层的一部分）。IEEE802.3没有定义逻辑链路控制协议，但定义了几个不同物理层，而以太网只定义了一个。下表中对以太网和IEEE 802.3之间的区别以及不同IEEE 802.3物理层协议之间的区别进行了总结和对比。

表1 以太网各结构对比

4.1.2 以太网物理层和MAC子层

以太网PHY和MAC对应OSI模型的两个层——物理层和数据链路层。

物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口（RGMII / GMII / MII）。

数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

未完，明日再续写。。。。。。。。。。。。

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