计算机网络的基本概念

计算机网络的基本概念计算机网络定义为：“利用通信设备和线路，将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接起来， 以功能完善的网络软件 （网络通信协议及网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统”。按网络的传输技术 (通信信道 )广播式网络点到点网络按跨度（地域范围）局域网 LAN城域网 MAN按通信介质有线网无线网按组建属性公用网专用网按管理性质内联网外联网广域网WAN计算机网络结构：从逻辑功能上可以分为通信子网和资源子网两个部分。1.资源子网资源子网主要是对信息进行加工和处理，面向用户，接受本地用户和网络用户提交的任务，最终完成信息的处理。2.通信子网主要负责计算机网络内部信息流的传递、交换和控制，以及信号的变换和通信中的有关处理工作，间接地服务于用户。第 2 章 计算机网络基础调制与解调调制就是通过调制器将数字信号波形变换成适于模拟信道传输的波形，再根据数据的内容（ 0 或 1）来改变载波的特性（振幅、频率或相位） ，然后将经过改变的载波送出去， 这个过程称为调制。 载波是指可以用来载送数据的信号， 一般用正弦波作为载波。在接收端，通过解调器将被修改的载波与正常的载波比较（去掉载波） ，恢复出原来的数据，这个过程称为解调。调制与解调是互反的过程。数据编码技术数据编码方法主要有数字数据用数字信号表示、 数字数据用模拟信号表示、模拟数据用数字信号表示三种编码方式。数据传输技术（一）基带传输与宽带传输（二）同步传输与异步传输（三）并行传输与串行传输（四）单工、半双工与全双工通信方式（五）多路复用技术数据交换技术数据交换是指在数据通信时利用中间节点将通信双方连接起来。数据交换方式包括线路交换(电路交换 )、报文交换和分组交换。传输介质1 同轴电缆2 双绞线由两条相互绝缘的铜线组成，其典型粗细约屏蔽双绞线无屏蔽双绞线3光纤4无线介质1mm，两条象螺纹一样绞在一起。数据传输介质的选择传输介质的选择 :网络结构、通信容量、可靠性、价格双绞线：价格便宜、带宽受限、通信容量小同轴电缆：价格较贵、连接多个设备、容量大光纤：频带宽、速度高、体积小、重量轻、衰减小、误码率低、抗电磁干扰强无线：接入方便传输速度的比较媒体访问控制一、带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CDCSMA/CD 可以概括为先听后发、边发边听、冲突停止、 随机延时后重发。二、令牌环 (Token Ring) 介质访问控制三、令牌总线（ Token Bus）访问控OSI 参考模型一、 OSI 参考模型ISO 划分七层的基本原则：网中各结点都具有相同的层次；不同结点的同等层具有相同的功能；同一结点内相邻层之间通过接口通信；每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信二、分层模型工作原理层 号层 名英 文 名工作任务接口要求操作内容第一层物理层Physical Layer比特流传输物理接口定义数据收发第二层数据链路层Data Link Layer成帧、纠错介质访问方案访问控制第三层网络层Network Layer选线、寻址路由器选择选定路径第四层传输层Transport Layer收发数据传输端口确认第五层会话层Session Layer同步对话结构会话管理第六层表示层Presentation Layer编译数据表达数据构造第七层应用层Application Layer管理、协同应用操作信息交换应用层与用户应用进程的接口“做什么”表示层数据格式的转换“对方看起来象什么”会话层会话管理与数据传输同步“该谁讲话” “从哪儿讲传输层端到端可靠的数据传输“对方在哪儿”网络层分组传送，路由选择，流量“走哪条路可以到达对方控制数据链路层相邻结点间无差错地传送帧“每一步该怎么走”物理层在物理信道上比特流传输“怎样利用物理媒体”TCP/IP 参考模型OSI参考模型TCP/IP参考模型应用层表示层应用层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层网络接口层物理层TCP/IP 体系结构各层的功能使用1. 网络接口层TCP/IP 参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收TCP/IP 与物理网络进行通信的协议。IP 数据报 ;包括了能2. 网络层网络层是在 TCP/IP 标准中正式定义的第一层。网络层所执行的主要功能是处理来自传输层的分组， 将分组形成数据包 （ IP 数据包），并为该数据包进行路径选择， 最终将数据包从源主机发送到目的主机，在网络层中，最常用的协议是互连协议 IP，其他一些协议用来协助 IP 的操作。相当 OSI 参考模型网络层无连接网络服务；处理互连的路由选择、流控与拥塞问题；3. 传输层主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接；传输控制协议 TCP 是一种可靠的面向连接协议；用户数据报协议 UDP 是一种不可靠的无连接协议。4. 应用层在 TCP/IP 模型中，应用程序接口是最高层， 它与 OSI 模型中的高三层的任务相同，用于提供网络服务，比如文件传输、远程登录、域名服务和简单网络管理等2.2.4 OSI 参考模型与 TCP/IP 参考模型的比较OSI 参考模型还是 TCP/IP它们在设计中都采用了层次结构的思想。无论是体系结构都不是完美的，对二者的评论与批评都很多。OSI 参考模型的主要问题是定义复杂、实现困难。而TCP/IP 体系结构的缺陷包括网络接口层本身并不是实际的一层，每层的功能定义与其实现方法没能区分开来，使 TCP/IP 体系结构不适合于其他非TCP/IP 协议族等。第 3 章 工业控制网络的基本构成工业控制网络技术是在工业生产的现代化环境下提出与发展起来的，是计算机技术、控制技术和网络技术综合发展的结果。工业控制网络的特点就是要适应各类工业企业的不同应用需求，并确定各具应用特色的技术实现方案。工业控制网络与工业企业网工业企业网具有下列特性：范围确定性集成性安全性相对开放性3.3工业控制网络集散控制系统集散控制系统 (Total Distributed control System)，也称为分散或分布式控制系统 (Distributed Control System)统一称为集散控制系统， 简记 DCS，随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的综合控制系统：集散控制系统既有计算机控制系统精度高、响应速度快的优点，又有模拟调节仪表控制系统安全可靠、维护方便的优点。现场总线1.现场总线的定义 :现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向串行数字通信协议。 也就是说，现场总线是控制系统中底层的通信网络， 具有双向数字传输功能， 在控制系统中允许智能现场装置全数字化、 多变量、双向、多节点，并通过一条物理媒体互相交换信息。 现场总线的结构遵循国际标准化组织（ ISO）的开放系统互联（ OSI）模型，而不同的现场总线的结构又不尽相同。现场总线可广泛应用于过程工业 /工厂自动化、电力系统自动化、交通、家庭自动化等各领域3.现场总线系统的特点：（ 1）系统的开放性（ 2）互可操作性与互用性（ 3）现场设备的智能化与功能自治性（ 4）系统结构的高度分散性（ 5）对现场环境的适应性第 4 章现场总线及其应用41现场总线概述现场总线（ Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、 全开放、全双工、多节点的串行通信工业控制网络。CIMS 体系结构可分为 5 层。即工厂级、车间级、单元级、工作站级和现场级。简化的 CIMS 则分为 3 层即工厂级、车间级和现场级。现场总线的特点（一）现场总线的技术特点1开放性。2交互性。3自治性。4适应性。（二）现场总线的优点1节省硬件数量 2节省安装费用 3节省维护开销 4、用户具有高度的系统集成主动权 5、提高了系统的准确性与可靠性42PROFIBUS 介绍PROFIBUS 有以下三个组成部分：1.PROFIBUS FMS它主要是用来解决车间级通用性通信任务，可用于大范围和复杂的通信。总线周期一般小于100ms2.PROFIBUS DP专门为自动控制系统与分散I/O 设备之间通信使用，总线周期一般小于10ms3.PROFIBUS PA它是专门为过程自动化设计的， 它可使传感器和执行器安在一根共用的总线上，用双线进行总线供电和数据通信。名称PROFIBUS-FMSPROFIBUS-DPPROFIBUS-PA用途通用目的自动化工厂自动化过程自动化目的通用快速面向应用特点大范围连网通信即插即用总线供电多主通信高效、廉价本质安全传输介质RS485 或光纤RS485 或光纤IEC1158-2基于现场总线 PROFIBUSDP/PA 控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线 PROFIBUS 是面向现场级与车间级的数字化通信网络。PROFIBUS 的通信模型和协议结构PROFIBUS-DP 使用了第 1 层(物理层 )、第 2 层(数据链路层 )和用户接口，第 3 层到第 7 层末加以描述。PROFIBUSFMS 对第 1 层、第 2 层和第 7 层 (应用层 )均加以定义。 PROFIBUSPA 采用了扩展的 DP 协议。使用分段式耦合器，PROFIBUSPA 设备能很方便地集成到 PROFIBUS DP 网络上。 PROFIBUS-DP 和 PROFIBUS-FMS 系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而这两套系统可在同一根电缆上同时操作。PROFIBUS 控制系统组成PROFIBUS 控制系统组成包括以下几个部分：1、1 类主站1 类主站指 PLC、 PC 或可做 1 类主站的控制器。 1 类主站完成总线通信控制与管理。2、2 类主站2 类主站在网络中完成对网络状态的监视。3、从站PLC 可做 PROFIBUS 上的一个从站。 PLC 自身有程序存储， PLC 的 CPU 部分执行程序并按程序驱动 I/O 。作为 PROFIBUS 主站的一个从站。PROFIBUS 总线存取协议，在主站之间采用令牌传送方式，在主站与从站之间采用主从方式令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权牌 )。在 PROFIBUS 中，令牌传递仅在各主站之间进行。主站得到总线存取令牌(令时可与从站通信。 每个主站均可向从站发送或读取信息。 因此，可能有三种系统配置：纯主从系统、纯主主系统和混合系统当某主站得到令牌报文后，该主站可在一定时间内执行主站工作。在这段时间内，它可依照主从通信关系表与所有从站通信，也可依照主主通信关系表与所有主站通信。在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC 的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。 在总线运行期间， 断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电的主站必须加入逻辑环。PROFIBUSDP 技术简介PROFIBUSDP 用于现场层的高速数据传送。主站周期性地读取从站的输入信息并周期性地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。1设备类型三种不同类型设备。1)一级 DP 主站 (DPMl) 一级 DP 主站是中央控制器， 它在预定的周期内与分散的站交换信息。典型的 DPM1 如 PLC 或 PC。2)二级 DP 主站 (DPM2) 二级 DP 主站是编程器、 组态设备或操作面板， 在 DP 系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。3)DP 从站 DP 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备 (I/0 设备、驱动器、 HMI 、阀门等 )。也包括一些只提供输入或输出信息的设备。2系统配置允许构成单主站或多主站系统。1)单主站系统在总线系统的运行阶段，只有一个活动主站。2)多主站系统总线上连有多个主站。 这些主站与各自从站构成相互独立的子系统。每个子系统包括一个DPM1 、指定的若干从站及可能的DPM2 设备。任何一个主站均可读取DP 从站的输入输出映像，但只有一个DP 主站允许对DP从站写入数据，PROFIBUSPA 技术简介PA 可用来替代 420mA 的模拟信号传输技术。特性：适合过程自动化应用的行规，使不同厂家生产的现场设备具有互换性；增加和去除总线站点，即使在本质安全地区也不会影响到其他站；在过程自动化的 PROFIBUSPA 段与制造业自动化的服 PROFIBUSDP 总线段之间通过锅台器连接，并可实现两段问的透明通信； 使用与 IEC611582 技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送；PROFIBUSFMS 技术简介旨在解决车间监控级通信。在这一层，可编程序控制器：之间需要比现场层更大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。基金会现场总线基金会现场总线 (FF)可以工作在生产现场，并能适应本质安全防爆的要求，还可以通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。它在过程自动化领域已经得到了广泛的应用，并且具有良好的发展前景。FF 总线以前分为H1 和 H2 两级总线，但随着控制网络的实时信息传输量的日益增大，H2 已被 HSE 取代。本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。具体包括失误 安全（误操作不会导致事故发生或自动阻止误操作） 、故障 安全功能（设备、工艺发生故障时还能暂时正常工作或自动转变安全状态） 。基金会现场总线分低速 H1 和高速 HSE。H1 的传输速率为 31.25Kps，通信距离可达 1900m，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境HSE 的传输速率从 100Mbps 到 1Gps 或更高。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。2.FF 通信模型3.FF 物理层一、物理层的功能物理层作为电气接口，一方面接收来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输介质上， 起到发送驱动器的作用； 另一方面把来自总线传输介质的物理信号转换为信息送往数据链路层起到接收器的作用。二、物理层的结构物理层被分为介质相关子层及介质无关子层。介质相关子层负责处理导线、光纤、无线介质等不同传输介质、不同速率的信号转换问题， 也称为介质访问单元。 对不同种类介质、 不同传输速率要求的场合，应分别设置不同的物理层实体。介质无关子层则是介质访问单元与数据链路层之间的接口。4.数据链路层（ DLL)1. FF 通信设备类型按照设备的通信能力， FF 将通信设备分为三种类型链路主设备（Link Master Device ）：有能力成为链路活动调度器 LAS（Link Active Scheduler）的设备，包括主机接口或某些其它设备。基本设备 (Basic Device)：具备基本通信能力，即只能接受总线命令作出响应的总线设备，不具备 LAS 能力。网桥 (Bridge) ：用于连接不同传输速率或不同传输介质的设备，比如将下游各个 H1 网段连接在一起的设备，同时也是 H1 和 HSE 接口设备，它必须成为链路主设备。LonWorks 简介LonWorks 网络的技术核心是LonTalk 协议，开放式通信协议LonTalk 为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用的标准。这样在LonTalk 协议的协调下，以往那些孤立的系统和产品融为一体，形成一个网络控制系统。LonTalk 协议最大的特点是对 OSI 的七层协议的支持，是直接面向对象的网络协议，这是以往的现场总线所不支持的。 具体实现就采用网络变量这一形式。 网络变量使节点之间的数据传递只是通过各个网络变量的互相连接便可完成。神经元芯片是 LonWorks 技术的关键。由于这种 LonTalk 协议硬件芯片的支持，满足了现场通讯的实时性、接口的直观性和简洁性的现场总线应用要求。（二） LonWorks 的技术特点1、拥有三个处理单元的神经元芯片(Neuron 芯片 )2、支持多种通信介质和它们的互连；3、带预测 P 的 CSMA4、网络变量（ NV ）5、提供给使用者一个完整的开发平台6、LonWorks 技术的其他参数2.LonTalk 协议CAN 总线CAN （Controller Area Network ）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为 CAN bus，即 CAN 总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。1 CAN 的工作原理当 CAN 总线上的一个节点 (站)发送数据时， 它以报文形式广播给网络中所有节点。每组报文开头的 11 位字符为标识符 (CAN2.0A) ，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。当一个节点要向其它节点发送数据时， 该节点的 CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的 CAN 芯片，并处于准备状态； 当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时 ,网上的其它节点处于接收状态。每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于 CAN 总线是一种面向内容的编址方案， 因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在 CAN 总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改。第 6 章 过程控制中的网络技术过程控制系统：是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分等一些过程变量的系统2、自动控制系统的性能指标（ 1）最大偏差 A最大动态偏差是阶跃响应中，第一个波峰超过稳态值的幅度y1。（ 2）余差 C过渡过程结束后被调量新的稳态值与新设定值的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量标志。（ 3）衰减比衰减比是衡量一个衰减过程的衰减程度指标（ 4）过渡时间 ts（ 5）上升时间 tr（ 6）振荡周期 T6.2 过程控制系统的数学模型被控过程的数学模型一个过程控制系统由被控过程和检查控制仪表两部分组成1、建立被控过程数学模型的目的（ 1）设计过程控制系统和整定调节器的参数（ 2）指导生产工艺及其设备的设计（ 3）对被控过程进行仿真研究2、被控过程数学模型的类型建立过程数学模型的方法（ 1）解析法（ 2）实验辨识法（ 3）混合法基本控制规律控制规律，就是指控制器输出的变化量随输入偏差变化的规律。位式控制位式控制中最常用的双位控制。当测量值大于给定值时，控制器输出为最大；当测量值小于给定值时，控制器的输出为最小。控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，也称为开关控制。PID 控制器当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时， 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。2. 比例 (P)控制器比例控制器是一种最简单的控制器，其控制规律：p(t)KPe(t)式中：p(t)为调节器输出； Kp 为比例系数；e(t)为系统输出偏差。由上式可以看出，控制器的输出与偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的控制作用，具有控制及时的特点。比例环节对偏差是即时反映的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。3、比例积分（ PI）控制所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分方程为：式中： Ti 是积分时间常数，它表示积分速度的大小，Ti 越大，积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性曲线。积分环节主要用来消除静差和提高控制精度。消除静差的办法是在 P 基础上加 I，构成 PI 控制器，规律为pt() K et()KtPet()dtPTi04. 比例积分微分 (PID) 控制微分环节反映了偏差信号的变化趋势（变化速率） ，从而能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号， 从而加快系统的动作速度，减小调节时间。在 PID 控制器中，比例环节控制当前，即时控制；积分环节控制过去，累积控制。微分环节控制未来，超前控制。