计算机控制中的网络与通信技术

第 6 章 计算机控制中的网络与通信技术现代化工业生产规模不断扩大，对生产过程的控制和管理也日趋复杂，往往需要几台或几十台计算机才能完成控制和管理任务。不同的地理位置、不同功能的计算机及设备之间需要交换信息，这样把多台计算机或设备连接起来，就构成了计算机网络。对于广大的从事过程控制的技术人员来说，为了提高计算机的应用水平，更好地编制程序，有必要了解数据通信的通信网络技术、通信网络协议和数据通信知识。6.1 计算机网络概述6.1.1 计算机网络的定义计算机网络是指把若干台地理位置不同且具有独立功能的计算机或设备，通过通讯设备和线路相互连接起来，以实现信息的传输和资源共享的一种计算机系统。也就是说，计算机网络是将分布于不同地理位置上的计算机或设备通过有线或无线的通信链路连接起来，不仅能使网络中的各台计算机或设备(或称为节点)之间相互通信，而且还能共享某些节点(如服务器)上的系统资源。所谓资源包括硬件资源(如大容量磁盘、光盘以及打印机等)，软件资源(如语言编辑器、文本编辑器、工具软件及应用程序等)和数据资源(如数据文件和数据库等)。6.1.2 计算机网络的分类 随着网络技术的发展，出现了多种类型的网络分类方法，按其跨度、拓扑结构、管理性质、交换方式和功能，可进行如下分类：1. 按网域的跨度划分局域网只有和广域网互联，进一步扩大应用范围，才能更好地发挥其作用。但在同广域网相连时，应考虑网络的安全性。在计算机控制系统中一般采用局域网或局域网的互联。2. 按拓扑结构划分在计算机通信网络中，网络的拓扑(Topology)结构是指网络中的各台计算机、设备之间相互连接的方式。常用的网络拓扑结构有以下几种。由于线路对信号的衰减作用，总线形网仅用于有限的区域，常用于组建局域网。由于不同拓扑结构的网络往往采用不同的网络控制方法，具有不同的性质，适应不同的应用环境，因此计算机控制系统的网络可以根据应用的不同，选择或者混合不同的网络拓扑结构，一般来讲，计算机控制系统的网络拓扑结构以总线形式为多。3. 按管理性质划分过程计算机控制系统中的网络常为专用网，由于近年来计算机控制系统的需求变化，特别是对于远程监控需求的增加，使用专用网互连公用网的方式来组建各种计算机控制网络也普遍增多，这也是计算机控制系统应用网络的发展趋势。4. 按交换方式划分且不允许其它用户共享其信道资源。目前，大多数计算机网络(包括广域网和局域网)都采用分组交换技术，只是分组的体积有所不同。5. 按功能划分通信子网：网络中面向数据通信的资源集合，主要支持用户数据的传输；该子网包括传输线路、交换机和网络控制中心等硬件设施。资源子网：网络中面向数据处理的资源集合，主要支持用户的应用；该子网由用户的主机资源组成，包括接入网络的用户主机，以及面向应用的外设(例如终端)、软件和可共享的数据(例如公共数据库)等。通信子网和资源子网的划分是一种逻辑划分，它们可能使用相同或不同的设备。电信部门组建的网络通常理解为通信子网，而用户部门的入网设备则被认为属于资源子网。计算机控制系统的网络一般是局域网，网络设备具有数据传输和处理的功能，因此，从功能上划分计算机控制系统的网络一般是没有意义的。6.1.3 计算机网络的协议层次模型早期的网络都是各个公司根据用户的要求而独立开发的，实践的结果表明，尽管应用的要求千变万化，但对网络(通讯)的要求却是一致的。计算机网络体系结构实质上是定义和描述一组用于计算机及其通讯设施之间互连的标准和规范的集合，遵循这组规范可以很方便的实现计算机设备之间的通讯。在这种要求下，ISO(国际标准化组织)联合了许多厂商和专家，在各自提出的计算机网络结构的基础上，加以总结，最终提出了开放系统互连基本参考模式(OSI/RM)，并由此引出一系列的OSI标准。现在越来越多的销售商转向OSI，而使这个标准成为一个实用的标准。以下是对七个层次的具体描述。可以认为这一层是一个硬件层，通常做成芯片，印刷电路板(网络适配器)和电缆等。在信息传输的这个过程中，电脉冲信号进入或离开网络电缆。代表数据信息的网络电信号(位模式、编码方法和令牌)的含义只有而且仅有这一层知道。这一层能够发现并通过要求重新传送损坏的信息包纠正错误。正是因为数据链路层如此复杂，一般将其划分为一个介质存取控制(MAC)层和一个逻辑链路控制(LLC)层。这一层的大部分或全部内容由网络适配器上的芯片实现，而再往上的各层则是由软件(网络驱动器)来实现的。网络层负责寻址及传送信息包。如果来了一个重复的信息包，传输层将识别出它是重复的并将其丢弃。会话层负责会话的建立，支持会话期间对信息包的发送与接收的管理及结束会话。一条将要通过网络传输的信息报文在这一层进入OSI模型向下一层传送，最后传输至物理层，并在打包后传输至其它工作站。之后由目的工作站的物理层向上传送，经过那个工作站中的应用层直至到达需要这份信息报文的应用程序。1. 层间通讯相邻层之间的通讯：在OSI环境中，相邻层之间通讯发生在相邻的上下层之间，属于局部问题，标准中定义了通讯的内容(服务原语)，未规定这些内容的具体表现形式和层间通讯实现的具体方法。对于对等层之间的通讯：在OSI环境中，对等层是指不同开放系统中的相同层次；对等层之间的通讯发生在不同开放系统的相同层次之间，属于对等层实体之间的信息交换，以保证相应层次功能的实现和服务的提供。标准中利用定义协议来规定对等层之间的交换信息格式和交换时序。在OSI环境中，对等层之间的通讯是目的，相邻层之间的通讯是手段。通过相邻层之间的通讯，实现对等层之间的通讯。为了保证相关服务的实现，要求对等实体的合作，但是对等实体之间并没有直接的通路，必须借助相邻下层的服务来实现，这种过程继续下去，直至物理层进行实际的数据传输。 6.1.4 计算机局域网络对于一个单位而言，为了更方便的利用本单位的资源，往往建立计算机局域网，将有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接起来，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和共享资源。美国电气和电子工程协会(IEEE)于1980年2月成立局域网标准化委员会(简称802委员会)专门对局域网的标准进行研究，并提出LAN的定义。根据IEEE802标准，LAN协议参照了OSI模型的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层到第七层。描述和比较LAN时，常考虑如下四个方面。缆，也可以考虑用微波、红外线和激光等；1. 局域网的拓扑结构构成局域网的网络拓扑结构主要有星形结构、总线结构、环形结构和混合形结构。任何两个分支结点之间的通信都要通过主结点，该主结点集中来自各分支结点的信息，按照一种集中式的通信控制策略，把集中到主结点的信息转发给相应的分支结点。因此主结点的信息存储容量大，通信处理量大，硬、软件较复杂。而各分支结点的通信处理负担却较小，只需具备简单的点到点的通迅功能。典型的网络系统是基于电路交换的电话交换网。星形拓扑结构属于集中型网络，易于将信息流汇集起来，从而提高全网络的信息处理效率，适用于各站之间信息流量较大的场合。但是可靠性较低，如果主结点发生故障，那么将影响全网络的通信。在总线形拓扑结构中，网络中的所有结点都直接连接到同一条传输介质上，这条传输介质称为总线。各个结点将依据一定的规则分时地使用总线来传输数据，发送结点发送的数据帧沿着总线向两端传播，总线上的各个结点都能接收到这个数据帧，并判断是否发送给本结点，如果是，则该数据帧保留下来，否则丢弃该数据帧。总线形网络的“广播式”传输是依赖于数据信号沿总线向两端传播的特性来实现的。总线形结构属于分散型网络，其结构灵活，易于扩展。一个站发生故障不会影响其它站的工作，可靠性高。所有分散结点用通信线路连接成环形网，通过逐个结点传递来达到线路共用，网上信息沿单方向围绕着线路进行循环(顺时针或逆时针)。环形拓扑结构属于分散型网络，环形网的信号经每个中继器整形、放大后再传送，不但传送距离远。而且能保证信号的质量。这种网络结构的主要缺点是，一旦有一个中继器出现故障，就会导致环路的断路，使全网限于瘫痪，另外因为它是共用通信线路，所以不适用于信息流量大的场合。在组网选择拓扑结构时，应当考虑费用、灵活性和可靠性等因素。费用因素除传播媒体和所需设备(如网卡等，对于星形结构，应考虑中央结点的费用)本身的费用之外，还应包括安装费用等。灵活性因素主要包括设备的更新、移动和增删结点的方便性。可靠性因素主要包括媒体接触以及个别结点故障对整个网络的影响，拓扑结构的选择应使故障检测和故障隔离较为方便。2. 局域网网络协议根据IEEE802标准，LAN协议参照了OSI模型的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层至第七层。从应用层到网络层的高层功能完全由软件来实现，它提供了两个站之间的端端服务。而最低两层(物理层和链路层)功能上基本上有硬件来完成，并制造出相应的集成电路芯片。因此LAN协议的实现极为容易和方便，LAN得到广泛的应用。局域网的物理层协议类似于一般网络的物理层。在发送和接收时，对数据(信息)位流进行编码或解码。根据IEEE802标准，基带传输采用曼彻斯特编码或差动曼彻斯特编码，传输介质为双绞线或同轴电缆，对于采用CSMA/CD技术的网络进行载体监听和冲突检测。逻辑链路控制层(LLC)采用IEEE802标准。在发送时，把数据装配成带有站地址段、控制段、信息段和CRC段的帧。在接受时，拆卸帧，执行站地址识别，CRC校验，并把接收数据传送给上层。在局域网络中，由于各结点通过公共传输通路(也称之为信道)传输信息，因此任何一个物理信道在某一时间段内只能为一个结点服务，即被某结点占用来传输信息，这就产生了如何合理使用信道，合理分配信道的问题，也就是各结点既充分利用信道的空间时间传送信息，也不至于发生各信息间的互相冲突。介质访问控制层的功能就是合理解决信道的分配。目前局部网络常用的介质访问控制方式有三种，即冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)；令牌环(Token Ring)；令牌总线(Token Bus)。三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。下面分别说明：主要用于总线形。该控制方式的工作原理是：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中已有某结点发送信息(信道被占用)，该结点就需要等待一段时间，再侦听，直至信道空闲，开始发送。载波侦听多路访问是指多个结点共同使用同一条线路，任何结点发送信息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。令牌环(Token Ring)全称是令牌通行环(Token Passing Ring)，仅适用于环形网络结构。令牌有“空”和“忙”两个状态。当“空”的令牌传送至正待发送信息的结点时，该结点立即发送信息并置令牌为“忙”状态。所谓LAN网络适配器就是实现LAN物理层和链路层的硬件接口板。只需选用几片LAN协议专用的集成电路芯片，再外加一部分辅助电路或存储器，就可以设计一块符合IEEE802标准的LAN网络接口板。单根同轴电缆的直径为1.022.54cm。当用于LAN时，通信距离可达数公里，传输速率可达100Mbps，甚至更高。在LAN环境中，常采用频分多路复用的技术，支持多路信号的传输。3. 集线器集线器(HUB)可以说是一种特殊的中继器，作为网络传输介质的中央结点，它克服了介质单一通道的缺陷。4. 网桥交换机最后，受信者将从输出数据数据或信号(t)中识别出被交换的信息。模拟信号是指该信号的波形可以表示成时间的连续函数，在通信领域通常取两个离散值，即用“0”和“1”来表示的二进制数字信号，这种码中的每个字符都由一个唯一的7位二进制数(bit)组合表示，因此，可以表示128个不同的字符，其中包括数字、符号和控制字符。在实际使用中，ASCII码的字符几乎总是以每个字符8个比特(bit)的方式来储存和传输的。其中，第8个bit有各种用法。它用于起止式异步通讯，当数据位为7位时，第8位使得每一8位码组中的二进制“1”的个数总是奇数(奇校验)或总是偶数(偶校验)，从而可以检测出因传输错误而发生的一个bit错或奇数个bit错的那些码元组。常用的调制方法有振幅调制、频率调制和相位调制三种。异步通信信息帧的第一位为起始位(低电平)，紧跟在起始位后面的是58位数据位，数据位是要传送的有效信息；根据需要可以选择是否需要奇偶校验位，奇偶校验位为1位紧跟在数据位的后面；最后为停止位，停止位可以是1位、位或2位。为了对传送的信息进行定位，必须有发送时钟，并在发送时钟的下降沿将信息位送出，信息位宽度Td为n倍发送时钟周期Tc，即Td=nTc。另外在接收端也必须有接收时钟，为了保证发送与接收同步，接收时钟周期Rc应等于发送时钟周期Tc。但是由于收、发双方使用了各自的时钟，所以只能满足Rc与Tc近似相等。 接收端同步接收信息的方法。在停止位之后，接收时钟脉冲的每一个上升沿接收器进行采样，并检查接收线上的低电平是否保持8或9个连续的接收时钟周期(设Td=16Tc)，就能确定是否为起始位。这样可以克服Rc与Tc之间的微小偏差，以及避免接收线上的噪声干扰，并且能够精确地确定起始位的中点，从而为接收端提供一个准确的时间基准。能够完成异步通信协议的硬件称为UART(Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter)，典型的UART有INS8250、MC6850等。另外，为了保证收、发同步，克服Rc与Tc之间的微小偏差，信息位宽度Td=nTc，一般取n为16、32、64等，这样降低了信息传送速率。用一个或两个同步字符表示传送数据块的开始，接着就是n个字符的数据块，字符之间不允许有空隙，当没有字符可发送时，则连续发送同步字符。通常由用户选择同步字符，可以选择一个特殊的8位二进制码(如01111110)作为同步字符(称单同步字符)，或选择两个连续的8位二进制码作为同步字符(称双同步字符)。为了保证收、发同步，收、发双方必须使用相同的同步字符。发送端传送时，首先对被传送的原始数据进行编码，形成编码数据后再往外发送，由于每位码元包含有数据状态和时钟信息，在接收端经过解码，便可以得到解码数据(称接收数据)和解码时钟(称接收时钟)。同步通信的信息帧包括同步字符和数据块，而同步字符只有8位或16位，数据块可以任意字节长，所以数据传送效率高于异步通信。能够完成同步通信的硬件称为USRT(Universal Synchronous Receiver/Transmitter)。典型的USART接口芯片有Z80-SIO、8251-PCI等。最常用的标准波特率是110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200和38400bps。差错检测技术的核心是校验编码，下面介绍三种常用的校验编码方法(奇偶校验编码、循环冗余校验编码和恒比校验编码)和纠错方式。当“1”码元数为奇数：采用偶校验，校验位为“1”；采用奇校验，校验位为“O”。当“1”码元数为偶数：采用偶校验，校验位为“0”；采用奇校验，校验位为“l”。循环冗余校验的原理是：发送端发出的信息有基本的信息位和CRC校验位两部分组成的。一旦基本的信息位发送完，CRC校验也就生成，并紧接其后再发送CRC校验位。当基本信息位接收完之后，接着接收CRC校验位，并同时也进行这一计算。循环冗余校验(CRC)的原理及其实现比较复杂，很多资料都有论述。在通信时不是原码传送，而是对待发送的数据进行编码，使之编码后的每一个字节(或每一码组)中，“l”和“0”的个数之比保持恒定，这种编码称为恒比码。接收端收到该码后，通过译码不仅能发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误。多种总线并存，就意味着有多种标准，这就严重束缚了总线的应用和发展，国际电工协会(IEC)于1999年认定通过了八种现场总线为现行的现场总线标准。它们分别是：(1)基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)；(2) ControlNet；(3) Profibus；(4) P-Net；(5) FF(Foundation Fieldbus)高速以太网HSE；(6) SwiftNet；(7) WorldFIP；(8) Interbus-S。以太网( Ethernet) 由于其应用的广泛性和技术的先进性，已逐渐垄断了商用计算机的通讯领域和过程控制领域中上层的信息管理与通信，并且有进一步直接应用到工业现场的趋势。几乎所有的编程语言都支持Ethernet 的应用开发，如Java 、Visual C + + 、Visual Basic、Delphi 等。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。目前以太网网卡的价格只有Profibus、FF 等现场总线的十分之一，而且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。因此，如果工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技术和一般网络技术互相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。长期以来，Ethernet 通信响应的“不确定性”是它在工业现场设备中应用的致命弱点和主要障碍之一。众所周知，以太网采用冲突检测载波监听多点访问(CSMA/ CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 机制解决通讯介质层的竞争。这样，挂接在同一网段上的所有设备形成一个冲突域( collision domain)，每个冲突域均采用CSMA/ CD 机制来管理网络冲突。用交换式集线器代替共享式集线器，使交换机各端口之间可以同时形成多个数据通道，正在工作的端口上的信息流不会在其他端口上广播，端口之间信息报文的输入和输出已不再受到CSMA/ CD介质访问控制协议的约束。因此，在以太网交换机组成的系统中，每个端口就是一个冲突域，各个冲突域通过交换机实现了隔离。再次，采用全双工通信技术，可以使设备端口间两对双绞线(或两根光纤)上可以同时接收和发送报文帧，从而也不再受到CSMA/ CD 的约束，这样，任一节点发送报文帧时不会再发生碰撞，冲突域也就不复存在。此外，通过降低网络负载和提高网络传输速率，可以使传统共享式以太网上的碰撞大大降低。实际应用经验表明，对于共享式以太网来说，当通信负荷在25 %以下时，可保证通信畅通，当通信负荷在5 %左右时，网络上碰撞的概率几乎为零。同时，使用UDP 通信协议，可以充分保证报文传输的有效载荷，避免在网络上传输不必要的填充域数据所占用的带宽，使网络保持在轻负荷工作条件下，就可以使网络传输的实时性进一步得到保证。所谓“总线供电”或“总线馈电”，是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供工作电源。对现场设备的“总线供电”可采用以下方法:方法一:在目前Ethernet 标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到一个直流或低频交流电源上，在现场设备端再将这两路信号分离出来。采用这种方法时必须注意：修改协议后的以太网应在物理层上与传统Ethernet 兼容。方法二:不改变目前Ethernet 的物理层结构，即应用于工业现场的以太网仍然使用目前的物理层协议，而通过连接电缆中的空闲线缆为现场设备提供工作电源。由于以太网( IEEE802. 3) 只映射到ISO/ OSI 参考模型中的物理层和数据链路层，TCP/ IP 映射到网络层和传输层，而对较高的层次如会话层、表示层、应用层等没有作技术规定。目前RFC (Request For Comment) 组织文件中的一些应用层协议，如FTP、HTTP、Telnet 、SNMP、SMTP 等，仅仅规定了用户应用程序该如何操作，而以太网设备生产厂家还必须根据这些文件定制专用的应用程序。因此，为了使网络正常运行时间最大化，需要以可靠的技术来保证在网络维护和改进时，系统不发生中断。该交换机除了实现正常的以太网交换功能外，还作为控制网络与外界的唯一接口，在网络层中对数据包实施有选择的通过(即所谓的包过滤技术)，也就是说，该交换机可以依据系统内事先设定的过滤逻辑，检查数据流中每个数据包的部分内容后，根据数据包的源地址、目的地址、所用的TCP 端口与TCP 链路状态等因素来确定是否允许数据包通过。此外，还可以通过引进防火墙机制，进一步实现对内部控制网络访问进行限制、防止非授权用户得到网络的访问权、强制流量只能从特定的安全点去向外界以及限制外部用户在其中的行为等效果。现场设备的防爆技术包括两类，即隔爆型(如增安、气密、浇封等) 和本质安全型。 由于通用Ethernet 的传输速率比较高(如10Mbps、100Mbps、1000Mbps)，考虑到信号沿总线传播时的衰减与失真等因素，Ethernet 协议( IEEE802. 3协议)对传输系统的要求作了详细的规定，如每一段双绞线(10BASE2T)的长度不得超过100m；使用细同轴电缆(10BASE22) 时每段的最大长度为185m；而使用粗同轴电缆(10BASE25)时每段的最大长度也仅为500m，对于距离较长的终端设备，可使用中继器(但不超过4 个)或者光纤通信介质进行连接。对于这种情况，如遵照传输的方法设计以太网络，使用10BASE2T 双绞线就显得远远不够，而使用10BASE2 或 10BASE5 同轴电缆则不能进行全双工通信，而且布线成本也比较高。目前，工业以太网用于现场设备控制还没有得到广泛的应用，但是一种发展趋势。目前，一般采用以太网和现场总线相结合来构成一个企业的信息化网络。5. 过程监控层这些信息报文的长度一般都比较小，通常仅为几位( bit ) 或几个字节(byte)，因此对网络传输的吞吐量要求不高，但对通信响应的实时性和确定性要求较高。目前现场设备网络主要有现场总线如FF、Profibus、WorldFIP、DeviceNet 、P2NET 等低速网段组成。第6章 习题1. 按照网络的拓扑结构，计算机网络可以分为哪几类？并对每类加以说明。2. 在局域网中常用的传输媒体有哪几种？3. 写出异步通信的数据帧格式，并说明其工作原理。4. 常用的几种检验编码的方法有哪几种？并加以说明。