工业网络与通信

工业网络与通信 一 工业网络通信基础 工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统。具体有以下三种类型：(1)专用、封闭型工业网络：该网络规范是由各公司自行研制，往往是针对某一特定应用领域而设，效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维护都难以协调。专用型工业网络有三个发展方向：走向封闭系统，以保证市场占有率。走向开放型，使它成为标准。设计专用的 Gateway 与开放型网络连接。(2)开放型工业网络：除了一些较简单的标准是无条件开放外，大部分是有条件开放，或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员，产品需经过该组织的测试、认证，方可在该工业网络系统中使用。(3)标准工业网络：符合国际标准 IEC61158、IEC62026、ISO11519 或欧洲标准 EN50170的工业网络，它们都会遵循 ISO/OSI7 层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面，或是自己设计通信 IC，然后再依据应用领域设定数据传输格式。例如，DeviceNet 的物理层与数据链路层是以 CANbus 为基础，再增加适用于一般 I/O 点应用的应用层规范。目前 IEC61158 认可的八种工业现场总线标准分别是：Fieldbus Type1、Profibus、ControlNet、P-NET、Foundation Fieldbus、SwiftNet、WorldFIP 和 Interbus。1 工业数据通信的技术组成和系统组成 工业通信 通信协议 信号编码 数据传输交换 安全 通信控制 通信协议 传输报文 传输介质 接收设备 发送设备 软硬件平台 其他 技术组成 系统组成 2 工业数据通信的传输过程 二 工业网络物理机构 1 网络的传输媒介 有线传输介质：双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输介质：无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。2 工业通信网络的拓扑形式 工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和树形等。(1)总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工业通信网络中最常用的一种拓扑形式。(2)星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变种。常用于节点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。数据编码 数据传输 差错控制 编码 调制 单/双极性码、归零码、非归零码、差分码等 调幅、调频、调相 通信方式 传输方式 单工、半双工、全双工 串行、并行 硬控制 软控制 采用高质量通信线在外部采取抗干扰措施 奇偶校验、CRC 校验、海明码等 (3)环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。3 介质访问控制方式 定义：在计算机网络中，不管是采用什么样的拓扑形式连接，传输介质总是作为各站点的共享资源的。将传输介质的频带有效地分配给网络上各站点的用户的方法称为介质访问控制方法或协议。介质访问控制方法对网络的响应时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度上取决于所选用的介质访问控制协议。(1)多路复用技术 在实际的计算机网络系统中，为了有效地利用通信电路，总是利用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。在远距离传输时，多路复用技术可以大大节省电缆的安装和维护费用。(2)带冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD 载波监听多路访问：网络站点监听载波是否存在，即判断信道是否被占用，并采取相应的措施，它是一种争用协议。原则：发前监听，空闲即发，忙时等待。带冲突检测的载波监听多路访问：该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为就是以太网标准，已在局域网中广泛使用。原则：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。(3)令牌环（Token Ring）介质访问方式：谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。数据帧通过任何一个站点(除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；如果地址不符合，则直接将帧送回环中。数据循环一周后由发送站回收。三 开放系统互连参考模型 1 OSI 参考模型 ISO 为了更好的使网络应用更为普及，就推出了 OSI 参考模型。其含义就是推荐所有公司使用这个规范来控制网络。这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。提供各种网络服务功能的计算机网络系统是非常复杂的。根据分而治之的原则，ISO 将整个通信功能划分为七个层次，划分原则是：（1）网路中各结点都有相同的层次；（2）不同结点的同等层具有相同的功能；（3）同一结点内相邻层之间通过接口通信；（4）每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；（5）不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。第 1 层物理层：处于 OSI 参考模型的最底层。物理层的主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明的传送比特流。第 2 层数据链路层：在此层将数据分帧，并处理流控制。屏蔽物理层，为网络层提供一个数据链路的连接，在一条有可能出差错的物理连接上，进行几乎无差错的数据传输。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址；第 3 层网络层：本层通过寻址来建立两个节点之间的连接，为源端的运输层送来的分组，选择合适的路由和交换节点，正确无误地按照地址传送给目的端的运输层。它包括通过互连网络来路由和中继数据；第 4 层传输层：常规数据递送面向连接或无连接。为会话层用户提供一个端到端的可靠、透明和优化的数据传输服务机制。包括全双工或半双工、流控制和错误恢复服务；第 5 层会话层：在两个节点之间建立端连接。为端系统的应用程序之间提供了对话控制机制。此服务包括建立连接是以全双工还是以半双工的方式进行设置，尽管可以在层 4 中处理双工方式；第 6 层表示层：主要用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式。为上层用户解决用户信息的语法问题。它包括数据格式交换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能；第 7 层应用层：OSI 中的最高层。为特定类型的网络应用提供了访问 OSI 环境的手段。应用层确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远程操作，而且还要作为应用进程的用户代理，来完成一些为进行信息交换所必需的功能。它包括：文件传送访问和管理 FTAM、虚拟终端 VT、事务处理 TP、远程数据库访问 RDA、制造报文规范 MMS、目录服务 DS 等协议；数据发送时，从第七层传到第一层，接收数据则相反。上三层总称应用层，用来控制软件方面。下四层总称数据流层，用来管理硬件。数据在发至数据流层的时候将被拆分。在传输层的数据叫段，网络层叫包，数据链路层叫帧，物理层叫比特流，这样的叫法叫 PDU。各层功能介绍(1)物理层(Physical Layer)物理层是 OSI 参考模型的最低层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。为此，该层定义了物理链路的建立、维护和拆除有关的机械、电气、功能和规程特性。包括信号线的功能、“0”和“1”信号的电平表示、数据传输速率、物理连接器规格及其相关的属性等。物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流。(2)数据链路层(Data Link Layer)数据链路层是为网络层提供服务的，解决两个相邻结点之间的通信问题，传送的协议数据单元称为数据帧。数据帧中包含物理地址（又称 MAC 地址）、控制码、数据及校验码等信息。该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。此外，数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。(3)网络层(Network Layer)网络层是为传输层提供服务的，传送的协议数据单元称为数据包或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的地。另外，为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞，需要对流入的数据包数量进行控制（拥塞控制）。当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。(4)传输层(Transport Layer)传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。该层向高层屏蔽了下层数据通信的细节，使高层用户看到的只是在两个传输实体间的一条主机到主机的、可由用户控制和设定的、可靠的数据通路。传输层传送的协议数据单元称为段或报文。(5)会话层(Session Layer)会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。会话层得名的原因是它很类似于两个实体间的会话概念。例如，一个交互的用户会话以登录到计算机开始，以注销结束。(6)表示层(Presentation Layer)表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一系统的应用层读出。如果必要，该层可提供一种标准表示形式，用于将计算机内部的多种数据表示格式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的转换功能之一。(7)应用层(Application Layer)应用层是 OSI 参考模型的最高层，是用户与网络的接口。该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等。2 网络互连 中继器 网桥 路由器 网关 3 现场总线通信协议模型 物理 7 应用层 6 表示层 5 会话层 3 网络层 功能块服务 2 数据链路层 4 传输层 1 物理层 装置描述服务 应用层 数据链路层 物理层 36 层不同 OSI 模型 现场总线协议 网络管系统管