控制仪表与计算机装置

一 .计 算 机 控 制 基 础 知 识二 .实 用 计 算 机 控 制 技 术(1)PLC* (2)DCS 面 向 ： 小 型 对 象 、 大 型 对 象 、 大 型 复 杂 对 象三 .网 络 通 信 、 信 息 集 成 和 利 用(1)现 场 总 线(2)工 业 以 太 网(3)多 总 线 系 统 及 信 息 集 成 前 言 进料口 出 料口H 玻 璃 管 液 位 计 进料口 执行器 变送器 调节器 通 常 安 装于 控 制 室 通 常 安 装于 现 场控 制 器(调 节 器 ) 被 控 对 象测 量 变 送 装 置（ 检 测 仪 表 ）+ SP 执 行 器显 示 仪 表 阀 门 ： 调 节 阀 、 电 磁 阀 、 气 动 蝶 阀 泵 ： 开 关 泵 、 变 频 泵 现 场 仪 表 ： 主 要 指 安 装 在 工 业 现 场 的 各 种 变 送 器 、 执 行 器 及 其 他 测 量 仪 表 。变 送 器 选 型 ： 量 程 、 安 装 方 式 、 材 质 （ 耐 压 、 防 腐 ） 、 防 爆 执 行 器 选 型 ： 口 径 、 流 量 特 性 、 安 装 方 式 、 材 质 （ 耐 压 ） 使 用 ： 零 点 调 整 、 量 程 调 整 、 零 点 迁 移 以 及 其 它 日 常 维 护 和 维 修 等控 制 室 仪 表 ： 主 要 指 安 装 在 控 制 室 内 的 各 种 控 制 器 （ 调 节 器 ） 、 显 示 仪 表 等 。 进料口 执行器 变送器 进料口 执行器 变送器控 制 站 ： 数 字 调 节 器 、 IPC、 PLC（ 可 以 广 义 地 理 解 为 带 有 CPU的 各 种 控 制 设 备 ） 进料口 执行器 变送器 控制站 AI、 DI AO、 DO控 制 站 A/D（ AI） ： 模 /数 转 换 （ 模 拟 量 输 入 ）DI ： 开 关 量 输 入 （ 数 字 量 输 入 ）D/A（ AO） ： 数 /模 转 换 （ 模 拟 量 输 出 ）DO ： 开 关 量 输 出 （ 数 字 量 输 出 ） I/O模 块 管 理 层控 制 层现 场 设 备 层 操 作 站控 制 站 I/O系 统高 级 控 制 器 数 据 服 务 器 WEB服 务 器管 理 计 算 机 互 联 网服 务 器Internet/IntranetEthernetEthernet/专 用 总 线 网 关FF、 ProfiBus等 现 场 总 线典型的计算机控制系统结构示意图 内 涵 ： 生 产 过 程 自 动 化 *（ 过 程 控 制 、 优 化 控 制 ） 信 息 管 理 自 动 化 ( +客 户 管 理 、 物 流 管 理 ， 这 是 今 后的 发 展 方 向 ) （ 即 计 算 机 综 合 自 动 化 ）重 要 性 ： 是 实 现 安 全 、 高 效 、 优 质 、 低 耗 生 产 的 基 本 条 件 和 重 要 保 证 ， 是 现 代 工 业 生 产 中 不 可 替 代 的 神 经 中 枢 。 相 关 技 术 ： 涉 及 计 算 机 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、 检 测 和 传 感 技 术 、先 进 控 制 技 术 、 智 能 仪 表 技 术 、 网 络 通 信 技 术 等 。 发 展 过 程 ： 直 接 数 字 量 控 制 （ DDC） 集 中 型 计 算 机 控 制 分 布 式 计 算 机 控 制 （ DCS） 现 场 总 线 （ 工业 以 太 网 ） 控 制 ？ ？ ？ ？ 6.1 计 算 机 控 制 概 述 6.2 网 络 通 信 基 础6.3 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型6.4 TCP/IP协 议 调 节 器 被 控 对 象测 量 变 送 装 置+ SP 执 行 器4 20mA4 20mA控 制 器 被 控 对 象测 量 变 送 装 置+ SP 执 行 器4 20mA4 20mAD/AA/D数 字 信 号 例 如 4 20mA 信 号 经 12位 A/D转 换 以 后 的 结 果 为 0 40954 mA输 入 0000 0000 0000 20mA输 入 1111 1111 111112mA输 入 ？6.1.1什 么 是 计 算 机 控 制典 型 单 回 路 控 制 系 统 方 块 图 工 作 过 程控 制 器 被 控 对 象测 量 变 送 装 置+ SP 执 行 器4 20mA4 20mAD/AA/D工 作 过 程 ： 数 据 采 集 ： 实 时 检 测 来 自 于 测 量 变 送 装 置 的 被 控 变量 瞬 时 值 ； 控 制 决 策 ： 根 据 采 集 到 的 被 控 变 量 按 一 定 的 控 制规 律 进 行 分 析 和 处 理 ， 决 定 控 制 行 为 ，产 生 控 制 信 号 ； 如 PID运 算 控 制 输 出 ： 根 据 控 制 决 策 实 时 地 向 执 行 机 构 发 出控 制 信 号 ， 完 成 控 制 任 务 。 过 程 输 入 输 出 设 备外部设备主机系统 CPURAMROMCRT通 讯 接 口人 机 接 口打 印 机其 它 系统总线 模 拟 量 输 入 （ AI）模 拟 量 输 出 （ AO）开 关 量 输 入 （ DI）开 关 量 输 入 （ DO） 测 量 变 送 器执 行 器电 气 开 关电 气 开 关 被控生产对象常 规 计 算 机 系 统 I/O系 统（ 模 块 或 卡 件 ） 现 场 仪 表 被 控对 象 硬件组成 系 统 软 件支 持 软 件应 用 软 件 系 统 软 件 包 括 操 作 系 统 、 引 导 程 序 、 调 度 执 行 程 序 等 ， 它 是支 持 软 件 及 各 种 应 用 软 件 的 最 基 础 的 运 行 平 台 。如 ： Windows操 作 系 统 、 Unix操 作 系 统 等 都 属 于 系 统 软 件 。 它 运 行 在 系 统 软 件 的 平 台 上 ， 是 用 于 开 发 应 用 软 件 的 软 件 。例 如 ： 汇 编 语 言 、 高 级 语 言 、 通 信 网 络 软 件 、 组 态 软 件 等 。对 于 设 计 人 员 来 说 ， 需 要 了 解 并 学 会 使 用 相 应 的 支 持 软 件 ，能 够 根 据 系 统 要 求 编 制 开 发 所 需 要 应 用 软 件 。 不 同 系 统 的 支持 软 件 会 有 所 不 同 应 用 软 件 是 系 统 设 计 人 员 针 对 特 定 要 求 而 编 制 的 控 制 和 管 理 程 序 。 不 同 控 制 设 备 的 应 用 软 件 所 具 备 的 功 能 是 不 同 的 。 软件组成 1. 可 靠 性2. 可 维 护 性3. 实 时 性4. 性 能 价 格 比 6.1.3.1 可 靠 性 定 义 ： 产 品 在 规 定 的 条 件 下 和 规 定 的 时 间 内 完 成 规 定 功 能 的 能 力 。它 通 常 用 概 率 来 表 示 (1)可 靠 性 指 标 可 靠 度单 个 零 件 、 设 备 的 可 靠 度 在 规 定 的 环 境 温 度 、 湿 度 、 振 动 和使 用 方 法 及 维 护 措 施 等 条 件 下 ， 在 规 定 的 工 作 期 限 内 ， 设 备 无 故 障 地 发挥 规 定 功 能 （ 应 具 备 的 技 术 指 标 ） 的 概 率 。 例 如 ： 在 100只 晶 体 管 中 有 95只 在 上 述 规 定 条 件 下 使 用 未 出 现 故 障 ， 则 其 可 靠 度 R 0.95 样 本 越 高 ， 所 得 可 靠 度 的 准 确 性 就 越 高 (1)可 靠 性 指 标 可 靠 度系 统 的 可 靠 度 除 了 与 构 成 系 统 的 子 系 统 或 元 器 件 的 可 靠 度 有 关 ，还 与 系 统 的 构 成 方 式 有 关 ： 串 联 连 接 和 并 联 连 接 是 两 种 典 型 的 连 接 方 式 。 R1RnR1 Rnn个 串 连 子 系 统 n个 并 联 子 系 统a. 串 连 系 统 b. 并 联 系 统如 果 分 析 的 是 断 路 失 效 ， 则 ：串 联 系 统 中 只 要 有 一 个 子 系 统 失 效 ， 系 统 就 会 失 效 并 联 系 统 中 全 部 子 系 统 发 生 故 障 ， 系 统 才 出 现 故 障 nRRRR 21 串 )1()1()1(1 21 nRRRR 并R1=R2=0.9， R并 0.99R1=R2=0.99， R并 0.9999 (1)可 靠 性 指 标 平 均 无 故 障 工 作 时 间 MTBF(*)(mean time between failures)MTBF指 设 备 在 相 邻 两 次 故 障 的 间 隔 内 正 常 工 作 的 平 均 时 间 平 均 故 障 修 复 时 间 MTTR(mean time to repair ) ntMTBF ni i 1MTTR指 设 备 出 现 故 障 以 后 经 过 维 修 恢 复 并 重 新 投 入 运 行 所 需 要 的 平 均 时 间 n tMTTR ni i 1 (2)提 高 可 靠 性 的 主 要 措 施 6.1.3.2 可 维 护 性 6.1.3.3 实 时 性 计 算 机 控 制 系 统 的 实 时 性 是 指 被 控 信 号 的 输 入 、 运 算 和输 出 都 要 在 一 定 的 时 间 内 完 成 ， 并 能 根 据 生 产 工 况 的 变化 进 行 及 时 的 处 理 ， 亦 即 系 统 对 被 控 信 号 的 变 化 具 有 足够 快 的 响 应 速 度 ， 不 丢 失 信 息 ， 不 延 误 操 作 。 6.1.3.4 性 能 价 格 比 1. 直 接 数 字 量 控 制 （ Direct Digital Control DDC）2. 集 中 型 计 算 机 控 制 系 统3. 集 散 控 制 系 统 （ Distributed Control System DCS）4. 现 场 总 线 控 制 系 统 （ Fieldbus Control System FCS） 6.1.4.1 直 接 数 字 量 控 制用 一 台 计 算 机 取 代 一 组 模 拟 调 节器 ， 构 成 闭 环 控 制 回 路 ， 用 数 字控 制 技 术 简 单 地 取 代 模 拟 控 制 技术 。 过 程 控 制 计 算 机SPAI、 DI AO、 DO 检 测 仪 表 执 行 器 被 控 过 程 （ 对 象 ） 计 算 灵 活 ， 精 度 高 ， 它 不 仅 能 实 现 典 型 的 PID控 制 规 律 ， 还 可以 分 时 处 理 多 个 控 制 回 路 。 此 外 ， 此 DDC也 很 快 发 展 到 PID以外 的 多 种 复 杂 控 制 。 当 时 的 计 算 机 系 统 的 价 格 昂 贵 ， 计 算 机 运 算 速 度 不 能 满 足 快 速过 程 实 时 控 制 的 需 求 。 6.1.4.2 集 中 型 计 算 机 控 制 系 统由 于 当 时 的 计 算 机 系 统 的 体 积 庞 大 ， 价 格 非 常 昂 贵 ， 为 了 使 计算 机 控 制 能 与 常 规 仪 表 控 制 相 竞 争 ， 企 图 用 一 台 计 算 机 来 控 制尽 可 能 多 的 控 制 回 路 。CRT、 键 盘 过 程 控 制 计 算 机AIDI AODO 被 控 过 程 （ 对 象 ）被 控 变 量 操 作 变 量 输 入 子 系 统 输 出 子 系 统集 中 型 计 算 机 控 制 系 统 原 理 图 优 越 性 ： 从 表 面 上 看 信 息 集 中 ， 集 中 型 计 算 机 控 制 可 以 实现 先 进 控 制 、 联 锁 控 制 等 各 种 更 复 杂 控 制 功 能 ； 便 于 实现 优 化 控 制 和 优 化 生 产 。问 题 ： 由 于 当 时 计 算 机 总 体 性 能 低 ， 运 算 速 度 慢 ， 容 量 小 ， 利用 一 台 计 算 机 控 制 成 很 多 个 回 路 容 易 出 现 负 荷 过 载 ， 而且 控 制 的 集 中 也 直 接 导 致 危 险 的 集 中 ， 高 度 的 集 中 使 系统 变 得 十 分 “ 脆 弱 ” 。在 当 时 ， 集 中 型 计 算 机 控 制 系 统 不 仅 没 有 给 工 业 生 产 带 来 明 显 的好 处 ， 反 而 可 能 严 重 影 响 正 常 生 产 ， 因 此 这 种 危 险 集 中 的 系 统 结构 很 难 为 生 产 过 程 所 接 受 ， 曾 一 度 陷 入 困 境 。 6.1.4.3 集 散 控 制 系 统(1)不 能 采 取 控 制 回 路 高 度 集 中 的 设 计 思 想 ， 需 要 把 控 制 功 能 分散 到 若 干 个 控 制 站 实 现 ， 以 提 高 系 统 的 可 靠 性 ；(2)考 虑 到 整 个 生 产 过 程 的 整 体 性 ， 各 个 控 制 系 统 （ 回 路 ） 的 运行 应 当 服 从 工 业 生 产 管 理 的 总 体 目 标 。根 本 特 征 : 和 DCS的 功 能 层 次通 常 分 为 ： 各 级 从 “ 上 级 ” 获 取 指示 ， 从 “ 下 级 ” 获 取 信 息 ， 产 生 对 “ 下 级 ” 的 控 制 。 直 接 控 制经 营管 理生 产 管 理过 程 管 理连 续 过 程 间 歇 过 程 离 散 过 程经 营 管 理 级 居 于 工 厂 自 动 化 系 统 的 最高 一 层 ， 负 责 全 厂 广 泛 的 工 程 、 经 济、 商 务 、 人 事 以 及 其 它 的 工 作 。 如 ：市 场 分 析 、 销 售 和 生 产 计 划 过 程 管 理 级 主 要 功 能 包 括 回 路组 态 、 优 化 控 制 、 性 能 监 视 、故 障 监 测 、 记 录 、 报 警 生 产 管 理 主 要 完 成 生 产 规 划 ， 生 产 监视 ， 根 据 用 户 订 单 、 库 存 、 能 耗 约 束、 能 耗 需 求 等 指 标 进 行 生 产 调 度 。 在许 多 DCS中 ， 这 级 就 充 当 最 高 管 理 层 。直 接 控 制 级 主 要 功 能 包 括 现 场 数 据 采集 、 过 程 监 视 、 故 障 诊 断 ， 控 制 输 出、 安 全 性 能 和 冗 余 性 能 的 实 施 DCS的 发 展 过 程划 分 起 始 时 间 主 要 特 征1 1975 1975年 Honeywell公 司 推 出 了 世 界 上 第 一 套 DCS系统 TDC-2000， 技 术 特 征 是 集 散 。 2 80年 代 初 技 术 特 征 是 引 入 局 域 网 LAN 3 80年 代 末 期90年 代 初 技 术 特 征 是 管 控 一 体 化 4 90年 代 中 期 主 要 强 调 系 统 的 开 放 性 ， 特 别 是 通 信 机 制 的 开 放 性和 标 准 化 。 总 结 ： 早 期 DCS的 重 点 在 于 控 制 ， DCS以 “ 分 散 ” 作 为 关 键 字 ， 但 现 代发 展 更 着 重 于 系 统 信 息 综 合 管 理 ， 今 后 “ 综 合 ” 又 将 成 为 其 关 键字 ， 向 实 现 控 制 体 系 、 运 行 体 系 、 计 划 体 系 、 管 理 体 系 的 综 合 自动 化 方 向 发 展 ， 通 过 由 网 络 （ 局 域 网 和 广 域 网 ） 或 者 串 、 并 行 通 信 实 现 设 备 互 连 和 络 化 共 享 ， 实 施 从 最 底 层 的 实 时 控 制 、 优 化 控制 上 升 到 生 产 调 度 、 经 营 管 理 ， 以 至 最 高 层 的 战 略 决 策 ， 形 成 一个 具 有 柔 性 的 高 度 自 动 化 的 管 控 一 体 化 系 统 。 6.1.4.4 现 场 总 线 控 制 系 统 传 统 计 算 机 控 制 系 统 的 结 构 示 意 图 朴 素 意 义 上 的 FCS结 构 示 意 图 是 连 接 智 能 现 场 装 置 和 自 动 化 系 统 的 数 字 式 、 双 向 传 输 、 多 分 支结 构 的 通 信 网 络 。 支 持 双 向 、 多 节 点 、 总 线 式 的 通 讯 双 向 数 据 通 信 能 力 避 免 了 反 复 进 行 A/D、 D/A的 转 换 把 控 制 任 务 下 移 到 现 场 设 备 ， 以 实 现 测 量 控 制 一 体 化 已 成 为 全 世 界 范 围 自 动 化 技 术 发 展 的 热 点 涉 及 整 个 自 动 化 和 仪 表 的 工 业 “ 革 命 ” 随 着 局 域 网 、 Internet、 IT技 术 迅 速 发 展 ， 计 算 机控 制 系 统 向 集 成 化 、 网 络 化 、 智 能 化 、 信 息 化 发展 成 为 一 种 趋 势 系 统 结 构 向 网 络 化 、 网 络 扁 平 化 方 向 发 展 系 统 功 能 向 综 合 化 方 向 发 展 系 统 设 备 向 多 样 化 方 向 发 展 6.2 网 络 通 信 基 础1.2.1 什 么 是 计 算 机 网 络 ？ （ 略 ）1.2.2 计 算 机 网 络 的 发 展 （ 略 ）1.2.3 网 络 通 信 的 基 本 概 念1.2.4 计 算 机 网 络 的 拓 扑 结 构1.2.5 网 络 传 输 介 质 模 拟 信 号 是 一 个 连 续 的 物 理 量 数 字 信 号 是 利 用 不 连 续 的 物 理 状 态 来 表 示 数 据 ， 最 简单 的 是 二 进 制 数 “ 1”和 “ 0”， 通 过 高 /低 电 平 来 表 示 。 Tc1 0 1 1 0 0时钟数据 Tc 并 行 传 输 ： 数 据 的 各 个 位 同 时 传 输 ， 可 以 字 或 字 节 为 单 位 并 行 进 行 速 度 快 、 通 信 线 多 、 成 本 高 不 宜 远 距 离 通 信串 行 传 输 ： 数 据 的 各 个 位 逐 位 传 输 速 度 较 并 行 传 输 慢 、 通 信 线 少 （ 一 般 2 4根 ） 、 成 本 低 适 宜 远 距 离 通 信 几 乎 所 有 的 计 算 机 控 制 系 统 均 采 用 串 行 数 据 通 信 单 工 通 信 ： 数 据 只 有 一 个 方 向 的 通 信 ， 没 有 反 方 向 的 交 互 如 计 算 机 与 键 盘 的 通 信 控 制 系 统 中 应 用 极 少半 双 工 通 信 ： 双 方 可 以 交 互 数 据 ， 但 不 在 同 时 控 制 简 单 、 可 靠 、 成 本 低 控 制 系 统 中 应 用 广 泛 （ 只 需 2根 通 信 线 即 可 ）全 双 工 通 信 ： 双 方 可 以 交 互 数 据 ， 可 以 在 同 时 控 制 相 对 复 杂 、 效 率 高 、 成 本 较 高 ， 需 要 2个 信 道 控 制 系 统 中 应 用 较 广 泛 至 少 需 要 3根 通 信 线 （ 其 中 1根 为 地 共 用 ） ， 或 4根 波 特 率 ： 指 单 位 时 间 内 传 输 的 信 息 量 ， 单 位 通 常 用 “ 位 bit”表 示 也 可 以 用 “ 字 节 ” 表 示 例 如 ： Profibus PA的 波 特 率 位 31.25kbps Profibus DP的 最 大 波 特 率 位 12Mbps误 码 率 ： 错 误 码 元 （ 1个 二 进 制 位 ） 数 与 传 送 码 元 数 之 比 工 业 用 通 信 网 络 一 般 要 求 误 码 率 在 10 5 10 9， 甚 至 更 小 基 带 传 输 ： 按 照 数 字 波 形 的 原 样 直 接 在 信 道 上 传 输 ， 数 字 信 号 几 乎 要 占 有整 个 频 带 ， 终 端 设 备 把 数 字 信 号 转 换 成 电 (光 )脉 冲 信 号 时 ， 以 “ 位 ”流 为 基 本 形 式 传 输 。 基 带 网 介 质 便 宜 （ 双 绞 线 、 同 轴 电 缆 、 光 线 等 ） ，速 度 较 高 （ 1 10Mbps） ， 传 输 距 离 不 宜 过 远 （ 因 信 号 衰 减 容 易 发 生畸 变 ） 。 绝 大 多 数 局 域 网 （ 包 括 控 制 局 域 网 ） 都 采 用 基 带 传 输 。基 带 传 输 需 要 对 数 字 信 号 进 行 编 码 ， 常 用 的 数 据 编 码 手 段 有 ： 非 归 零 码 NRZ、 曼 彻 斯 特 编 码 、 差 动 曼 彻 斯 特 编 码 频 带 传 输 ： 也 称 为 载 波 传 输 ， 是 一 种 采 用 调 制 、 解 调 技 术 的 传 输 形 式 。 在发 送 端 ， 将 代 表 数 据 的 二 进 制 “ 1”和 “ 0”， 调 制 变 换 成 具 有 一 定 频 带范 围 的 模 拟 信 号 ； 在 接 收 方 通 过 解 调 进 行 反 变 换 。 采 用 模 拟 信 号 传 送数 据 时 ， 通 常 只 占 有 限 的 频 带 宽 度 。 数 字 信 号 调 制 称 为 “ 键 控 ”调 制 方 式 主 要 有 ： 幅 度 键 控 (ASK)、 频 移 键 控 (FSK)、 相 移 键 控 (PSK)宽 带 传 输 ： 适 用 于 传 输 影 像 、 语 音 信 息 (不 适 于 工 控 网 络 ) 多 用 于 字 符 传 输 ， 一 个 典 型 的 异 步 通 信 过 程 是 : * * * *起 始 位若 干 数 据 位校 验 位若 干 停 止 位 因 为 异 步 传 输 的 数 据 不 知 道 什 么 时 候 到 达 ， 为 防 止 信 息 丢 失 ， 每 一 次 信息 传 输 都 包 含 若 干 起 始 位 。 异 步 传 输 的 效 率 较 前 者 低 。 如 传 输 1个 字 符 需 要 8个 位 ， 外 加 至 少 1个 起 始 位 和 1个 停 止 位 ， 就 会 增 加 25 的 开 销 ， 这 对 网 络 负载 大 的 时 候 就 是 一 个 严 重 的 问 题 。 但 计 时 漂 移 不 会 影 响 通 信 。 项 目 RS 232 RS 422 RS 485接 口 电 路 单 端 差 动 差 动抗 干 扰 能 力 弱 强 强标 准 最 大 传 输 距 离 15m 1200m 1200m通 信 双 方 交 互 方 式 全 双 工 全 双 工 半 双 工标 准 最 大 传 输 速 率 19200bps 10Mbps 10Mbps本 质 上 是 相 同 的工 业 控 制 网 络 的 首 选 标 准 总 线 型 环 型HUB星 型 树 型 网 络 传 输 介 质 是 指 通 信 网 络 中 数 据 发 送 方 与接 收 方 之 间 的 物 理 通 路 ， 常 用 的 传 输 介 质 有 ：双 绞 线 、 同 轴 电 缆 、 光 纤 和 无 线 传 输 介 质 等 。 控 制 系 统 多 用 ： 6.3 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型 6.3.1 OSI/RM层 次 结 构 6.3.2 OSI/RM信 息 流 动 过 程 6.3.3 各 层 的 主 要 功 能 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型 互联网的发展 不同制造商的网络产品众多pen ystem nterconnection/ eference odel 需要建立标准化的网络机制 1983年 正式 颁 布OSI/RM的国 际 标 准ISO7498 OSI/RM是 一种 中 立 、 不受 任 何 厂 家的 约 束 与 限制 的 理 想 模型 。 6.3.1 OSI/RM 层 次 结 构 A公 司A收 发 员 ( )A经 理 ( )A秘 书 ( ) B公 司B收 发 员 ( )B经 理B秘 书 ( )邮 政 系 统 ( ) 层 次 编 号 名 称 英 文 名 称 7654321 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数 据 链 路 层物 理 层 Application LayerPresentation LayerSession LayerTransport LayerNetwork LayerDatalink LayerPhysical Layer 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数 据 链 路 层物 理 层用 户主 机 HA数 据数 据数 据数 据数 据数 据数 据H7H6H5H4H3H2 T2H7H6H5H4H3 H7H6H5H4 H7H6H5 H7H6 H7 报 文报 文报 文报 文分 组帧bit6.3.2 OSI/RM信 息 流 动 过 程 网 络 层数 据 链 路 层物 理 层 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数 据 链 路 层物 理 层用 户主 机 HB报 文报 文报 文报 文分 组帧bit应 用 层 网 络 协 议表 示 层 网 络 协 议会 话 层 网 络 协 议传 输 层 网 络 协 议中 继环 节 通 信 线 路 通 信 线 路 物 理 层 是 OSI/RM的 最 低 一 层 ， 也 是 唯 一 在 二 台 设 备 同 级 层 之 间 直 接 进 行数 据 交 换 的 一 层 ,负 责 传 输 bit位 流 。 DTE DCE DCE DTE接 口 接 口传 输 介 质界 定 ： 数 字 信 号 (0/1)的 表 示 电 压 、 数 据 传 输 速 率 、 最 大 传 输 距 离 ；支 持 单 工 、 半 双 工 还 是 全 双 工 通 信 ； 连 接 插 头 要 多 少 针 ， 每个 针 的 作 用 是 什 么 6.3.3.1 把 一 条 可 能 出 错 的 物 理 链 路 ， 转 变 成 让 网 络 层 （ 高 层 ）看 起 来 就 像 是 一 条 不 出 差 错 的 理 想 链 路 。 为 网 络 层 提 供 服 务 传 输 数 据 的 帧 化 处 理 差 错 检 测 和 流 量 控 制 来 自高 层数 据 加 工成 帧 物 理 通 道 检 查 校 验信 息 和 头尾 控 制 信息 数 据部 分送 往高 层 确 认无 误 网 络 层 是 OSI七 层 协 议 模 型 中 的 第 三 层 ， 亦 称 为 “ 通 信 子 网层 ” ， 是 通 信 子 网 与 高 层 的 边 界 。它 以 数 据 链 路 层 提 供 的 无 差 错 传 输 为 基 础 ， 向 高 层 （ 传 输 层 ）提 供 两 个 主 机 之 间 的 数 据 传 输 服 务 。网 络 层 提 供 的 服 务 应 该 按 照 以 下 目 标 设 计 ： 提 供 的 服 务 和 通 信 子 网 无 关 对 传 输 层 隐 蔽 通 信 子 网 的 数 量 、 类 型 和 拓 扑 结 构 。 存 储 转 发 报 文 交 换分 组 交 换线 路 资 源 的 利 用 率 很 低 ， 为 此 线 路 交 换 方 式 只 适 合 多媒 体 、 语 音 、 传 真 等 或， 不 适 于 一 般 计 算 机 通 信 。报 源 报 宿 在 数 据 交 换 之 前 ， 通 过 呼 叫 建 立 一 条 连 接 源 节 点 (报 源 )和 目 的 节 点 (报 宿 )的 专 用 线 路 ， 通 路 上 所 有 的 链 路 被 报源 和 报 宿 的 DTE独 占 ， 直 到 这 条 线 路 被 拆 除 为 止 。 线 路 交 换 报 文 交 换分 组 交 换报 源 报 宿发 送数 据 中 继转存 寻找路由 转存 寻找路由中 继存 储 转 发 方 式 提 高 了 链 路 的 利 用 率 ， 一 份 数 据 报 在 任 何时 刻 都 只 占 用 一 条 链 路 的 资 源 。 目 前 国 际 上 流 行 的 公 共数 据 网 都 采 用 分 组 交 换 的 方 式 。 发 送数 据 发 送数 据 报 文 分 组 将 来 自 上 层 的 报 文 分 为 一 定 长 度 的 分 组 ， 每 一 个分 组 中 包 括 一 个 分 组 头 ， 在 其 中 标 识 源 节 点 、 目的 节 点 的 地 址 、 分 组 的 顺 序 号 和 其 它 控 制 信 息 ，以 保 证 在 接 收 端 能 够 将 分 组 还 原 为 完 整 的 报 文 。 路 由 选 择 拥 塞 控 制 从 理 论 上 讲 ， OSI/RM是 开 放 特 性 网 络 体 系 结 构 的 典范 ， 它 严 格 遵 循 层 次 化 的 描 述 方 法 把 计 算 机 网 络 通信 体 系 划 分 为 七 个 层 次 ， 各 层 协 议 的 内 容 也 考 虑 得十 分 周 全 。 由 于 OSI模 型 本 身 并 没 有 对 每 层 的 数 据传 输 标 准 作 出 严 格 的 规 定 ， 因 而 它 只 是 一 种 提 供 了概 念 性 和 功 能 性 的 网 络 体 系 框 架 或 蓝 本 ， 对 计 算 机网 络 起 到 了 规 范 和 指 导 作 用 。 小 结 6.4 TCP/IP协 议 6.4.1 TCP/IP的 基 本 情 况 6.4.2 TCP/IP的 层 次 结 构 TCP/IP体 系 是 涉 及 面 最 广 、 影 响 最 大 的 网 络 体 系 。TCP/IP是 Internet的 核 心 协 议 。TCP/IP协 议 不 是 国 际 标 准 ， 但 由 于 TCP/IP协 议 的 简单 、 实 用 、 高 效 和 成 熟 ， 更 由 于 Internet的 流 行 ，使 得 TCP/IP成 为 计 算 机 网 络 的 事 实 上 的 国 际 标 准 。 TCP/IP这 个 术 语 并 不 是 单 指 一 个 协 议 ， 而 是 由 100多 个 与 之 相 关 的 协 议 和 应 用 程 序 组 成 的 一 个 协 议族 ， 以 下 是 3 个 最 主 要 的 基 本 协 议 ：网 间 协 议 IP用 户 数 据 报 协 议 UDP传 输 控 制 协 议 TCP 应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数 据 链 路 层物 理 层 应 用 层*传 输 层互 联 网 层网 络 接 口 层* 各 种 应 用 层 协 议例 如 ： HTTP、TELNET、 FTP等TCP、 UDPIP网 络 接 口 层OSI/RM TCP/IP MAILSMTP FTP TELNET HTTP TFTPTCP UDPIPHardware Interface图 6.15 OSI与 TCP/IP模 型 的 对 应 关 系 它 的 功 能 是 使 主 机 可 以 把 分 组 发 往 任 何 网 络 ， 并 使 分组 独 立 地 传 向 目 标 ， 也 就 是 IP数 据 报 传 送 及 IP路 由 选 择 。 IP协 议 具 有 两 个 非 常 重 要 的 特 点 ： IP协 议 采 用 无 连 接 的 数 据 报 传 输 机 制 ， 即 只 管 对 数 据 进 行“ 尽 力 传 递 ” ， 将 分 组 传 往 目 的 地 ， 不 保 证 分 组 的 正 确 顺 序 ，一 切 可 靠 性 工 作 均 交 由 上 层 协 议 负 责 ， 如 验 证 、 确 认 等 都 由TCP协 议 处 理 。 提 供 在 同 一 物 理 网 络 中 的 点 到 点 通 信 ， 决 定 一 条 从 源 节 点 到 目 的 节 点 的 传 输 路 径 。 UDP建 立 在 IP协 议 之 上 ， 提 供 面 向 的 数 据 报 传 输 。 UDP是 一 个 不 可 靠 的 传 输 层 协 议 ， 除 了 可 以 通 过 校 验 和 来 判 断 数据 的 完 整 性 之 外 ， 它 不 进 行 任 何 其 它 检 查 ， 它 不 能 保 证 数 据 报 的接 收 顺 序 同 发 送 顺 序 相 同 ， 甚 至 也 不 能 保 证 它 们 是 否 全 部 到 达 ，因 此 ， 基 于 UDP的 通 信 进 程 必 须 自 己 解 决 诸 如 报 文 丢 失 、 报 文 重复 、 报 文 失 序 、 流 量 控 制 等 可 靠 性 问 题 。 在 实 际 应 用 过 程 中 ， UDP主 要 适 用 于 面 向 传 输 报 文 较 少 的 交 互 式服 务 。 如 果 为 此 建 立 面 向 连 接 的 数 据 传 输 服 务 ， 则 网 络 资 源 的 开销 太 大 ， 利 用 不 可 靠 的 UDP进 行 数 据 传 输 ， 即 使 因 报 文 出 错 而 重传 一 次 ， 也 比 面 向 连 接 的 数 据 传 输 更 为 有 效 。 传 输 控 制 协 议 TCP是 一 种 面 向 连 接 的 、 端 对 端 的 、 高 可 靠 性 的 数 据传 输 层 协 议 ， 它 建 立 在 不 可 靠 的 IP协 议 之 上 ， 数 据 传 输 的 可 靠 性完 全 由 TCP自 己 保 证 。 我 们 可 以 把 TCP和 IP形 象 地 理 解 为 有 两 个 信 封 ， 要 传 递 的 信 息 被 划分 成 若 干 段 ， 每 一 段 塞 入 一 个 TCP信 封 ， 并 在 该 信 封 面 上 记 录 有 分段 号 的 信 息 ， 外 层 再 套 上 IP大 信 封 ， 发 送 上 网 。 在 接 收 端 ， TCP软件 包 收 集 信 封 ， 抽 出 数 据 ， 按 发 送 前 的 顺 序 还 原 ， 并 加 以 校 验 ，若 发 现 差 错 ， TCP将 会 要 求 重 发 。 因 此 ， TCP/IP几 乎 可 以 无 差 错 地传 送 数 据 。 讨 论 控 制 系 统 中 通 常 使 用 无 连 接 还 是 有 连 接 的 数 据 传 输 方 式 ？操 作 站控 制 站 通 过 UDP发 送