•   7.2.1 工业网络概述 1.网络拓扑结构 ? 网络中互连的点称为结点或站,结点间的物理连接结构称为 拓扑,采用拓扑学来研究结点和结点间连线 (称链路 ) 的几何排 列。 ? 局部网络通常有四种拓扑结构:星形、环形、总线)星形结构 ?结构:中心结点是主结点,它接受各分散结点的信息再转发给 相应结点,具有中继交换和数据处理功能。 ?工作过程:当某一结点想要传输数据时,它首先向中心结点发 送一个请求,以便同另一个目的结点建立连接。一旦两个结点 建立了连接,则在这两点间就象是一条专用线路连接起来一样, 进行数据传输。 ?特点: ①网络结构简单,便于控制和管理,建网容易; ②网络延迟时间短,传输错误率较低; ③网络可靠性较低,一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪; ④网络资源大部分在外围点上,相互结点必须经过中央结点才 能转发信息; ⑤通讯电路都是专用线路,利用率不高,故网络成本较高。 (2)环形结构 ?结构:各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中, 环网中,数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。 ?工作过程:一个结点按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一 个结点,当传送信息的目的地址与环上的某结点的地址相等时,信息才 被该结点的环接口接收,否则,继续向下传送。 ?特点: ①信息流在网络中是沿固定的方向流动,故两个结点之间仅有唯一的通 路,简化了路径选择控制; ②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制,控制软件较简单; ③环路中,当某结点故障时,可采用旁路环的方法,提高了可靠性; ④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率,故扩展受到一定的限 制。 ?应用:环形网络结构较适合于信息处理和自动化系统中使用,是微机 局部网络中常用的结构之一。特别是 IBM公司推出令牌环网之后,环形 网络结构就被越来越多的人所采用。 (3)总线形结构 ? 结构:各结点经其接口,通过一条或几条通讯线路与公共总 线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输,并且能被任 一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散,因 此又称为广播式网络。 ? 总线形网络的接口内具有发送器和接收器。接收器接收总 线上的串行信息,并将其转换为并行信息送到结点;发送器则 将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上。当在总线上发 送的信息目的地址与某一结点的接口地址相符时,传送的信息 就被该结点接收。由于一条公共总线具有一定的负载能力,因 此总线长度有限,其所能连接的结点数也有限。 ?特点: ①结构简单灵活,扩展方便; ②可靠性高,网络响应速度快; ③共享资源能力强,便于广播式工作; ④设备少,价格低,安装和使用方便; ⑤由于所有结点共用一条总线,因此总线上传送的信息容易发 生冲突和碰撞,故不易用在实时性要求高的场合。 ?应用:总线形结构是目前使用最广泛的结构,也是一种最传统 的主流网络结构,该种结构最适于信息管理系统、办公室自动化 系统、教学系统等领域的应用。 (4)树形结构 ?结构:分层结构,适用于分级管理和控制系统。 ?特点: ①通讯线路总长度较短,连网成本低,易于扩展,但结构较 星形复杂; ②网络中除叶结点外,任一结点或连线的故障均影响其所在 支路网络的正常工作。 2.介质访问控制技术 ?网络的传输介质:就是网络中连接收发双方的物理通路,也是通信 中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线,同轴电缆, 双绞线,光导纤维电缆,无线与卫星通信。对于传输介质,包括以下 特性:物理特性,传输特性,连通特性,地理范围,抗干扰性和相对 价格。 ?介质访问控制:各结点通过公共通道传输信息,因此存在如何合理 分配信道的问题(既充分利用信道的空间和时间,又防止发生各信息 间的互相冲突)。访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。 ?微机局部网络常用的传输访问控制方式有三种,即 1)冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD); 2)令牌环(Token Ring); 3)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。 ?介质访问控制技术(MAC):解决信道(公共传输通道)的分配和使用。 (1)冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD) ?又称为随机访问技术或争用技术—适用于总线形和树形网络结构 ?工作原理:当某一结点要发送信息时,首先要侦听网络中有无其它结 点正在发送信息,若没有则立即发送;否则,等待一段时间,直至信道 空闲,开始发送。 ?确定等待时间的方法: ①当某结点检测到信道被占用后,继续检测,发现空闲,立即发送; ②当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间,然后再检测。重复 这一过程,直到信道空闲,开始发送。 ?冲突的解决方法: ?由于传输线上不可避免的有时间的延迟,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。因此,当结点开始发送信息时,该 结点继续对网络检测一段时间,且把收到的信息和自己发送的信息进行 比较,若相同,则发送正常进行;若不同,说明由其它结点发送信息, 引起混乱,应立即停止,等待一个随机时间,在重复上述过程。 ?结论: ? CSMA/CD方式原理较简单,且技术上较易实现。网络中 各结点处于同等地位,无需集中控制,但不能提供优先级控 制,所有结点都有平等竞争的能力,在网络负载不重情况下, 有较高的效率,但当网络负载增大时,发送信息的等待时间 加长,效率显著降低。 由于 CSMA 的访问存在发报冲突问题,而产生冲突的原 因是由于各站点发报是随机的。为了解决这种由于“随机” 而产生的冲突问题,可采用有控制的发报方式。下面,介绍 一种有控制的发报方式——令牌发送技术! (2)令牌环(Token Ring) ? 令牌环:全称为令牌通行环(Token Passing Ring),适用于环形网络结 构。 ? 令牌是控制标志,网中只设一张令牌,并依次沿各结点传送。 ?令牌的两个状态 ? “空”状态:表示令牌没有被占用,当其传至正待发送信息的结点时, 该结点立即发送,并置令牌为“忙”状态。 ? “忙”状态:表示令牌被占用,即令牌正在携带信息发送,当所发信 息环绕一周,由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。 ?工作过程:令牌依次沿每个结点传送,使每个结点都有平等发送信息 的机会。当一个结点占令牌期间其它结点只能处于接收状态。当所发信 息绕环一周,并由发送结点清除,“忙”令牌又被置为“空”状态,绕 环传送令牌。当下一结点要发送信息时,则下一结点便得到这一令牌, 并可发送信息。 ?令牌环的特点:能提供可调整的访问控制方法;能提供优先权服务; 有较强的实时性;需对令牌进行维护,令牌丢失降低环路利用率;控制 电路复杂。 (3)令牌总线(Token Bus) ?将令牌访问原理应用于总线网,构成令牌总线方式。 ?原理:这种方式和CSMA/CD方式一样,采用总线网络拓扑,但不同 的是在网上各工作站按一定的顺序形成一个逻辑环。每个工作站在 环中均有一个指定的逻辑位置,末站的后站就是首战,即首尾相连。 每站都有先行站和后继站的地址,总线上各站的物理地址和逻辑位 置无关。 ?工作过程:当各站都没有帧发送时,令牌的形式为 01111111 ,成 为空标记。当一个站要发送帧时,需要等待空标记通过,然后将它 改为忙标志,即01111110。紧跟着忙标记,该站把数据帧发送到环 上。由于标记是忙状态,所以其他站不能发送帧,必须等待。接收 帧的过程是这样的,当帧通过站时,该站将帧的目的地址和本站的 地址相比较,如地址不符合,则不接收数据,同时将帧送入环上。 如果符合,则将帧放入接收缓冲器,再输入到站内,同时将帧送回 到环上。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站,将该帧从环上 移去,同时将标记改为空闲标记。 ?不同于令牌环的是,在令牌总线中,信息可以双向传送,任何结点 都能“听到”其它结点发出的信息。为此,结点发送的信息中要有 指出下一个要控制的结点的地址。由于只有获得令牌的结点才可发 送信息(此时其它结点只收不发),因此该方式不要检测冲突就可以避 免冲突。 ?特点: 1.网络必须要有初始化功能,即能够产生一个顺序访问的次序。这就 是一个争用的过程,争用的结果是只有一个站能够获得标记,并产 生次序。 2.当网络中的标志丢失或者产生多个标记时,必须有故障恢复功能。 3.必须有消除不活动结点或者添加新的结点的功能。 4.吞吐能力大,吞吐量随数据传输速率的提高而增加; 5.控制功能不随电缆长度的增加而减弱; 6.不需冲突检测,具有一定的实时性。 3种介质访问控制技术的比较 3. 信息交换技术 ? 为了提高计算机通信网的通信设备和线路的利用率,有必要 研究通信网络上信息交换技术。即如何控制信息传输,才能提 高通信效率? ? 在计算机网络中,通信的基本交换方式分为两类:线路交换 和存储转发交换。 ? 存储转发交换中,包括报文存储转发交换和报文分组存储转 发交换。 ( 1 )线路交换:在两个站之间建立一条专用的物理线路进行 数据传送,传送结束再“拆除”线 )报文交换:把目的站名附加在报文上,然后交给下一结 点,该结点接收整个报文,存储下来,根据目的选择下一转发 结点,直到目的站。 ( 3 )分组交换:将报文分成若干分组,并在每个分组上附加 控制信息,这些报文经不同的路径分别传送到目的站后,再组 成一个完整报文。 4.差错控制技术 ? 在通信线路上传输信息时,往往由于各种干扰,使接收端收到 信息出现错误。提高传输质量的方法有两种:第一种方法是改善 信道的电性能,使误码率降低;第二种方法是接收端检验出错误 后,自动纠正错误,或让发送端重新发送,直至接收到正确的信 息为止。通常把后一种方法称为差错控制技术。 ? 差错控制技术包括检验错误和纠正错误,下面两种检验方法 (奇偶校验和循环冗余校验)和三种纠错方式(重发纠错、自动纠错 和混合纠错)。 ? 差错控制 -校验:奇偶校验、循环冗余--CRC校验。 -纠错方式:重发纠错、自动纠错、混合纠错。 (1)奇偶校验 ? 校验原理:一个字符校验一次,在每个字符的最高位附加 一个奇偶校验位。 ? 适用范围:每帧只传送一个字节数据的异步通讯方式。 (2)循环冗余校验——CRC校验 ? 校验原理: ? — 发送端首先发送信息位,与此同时, CRC 校验位生成器用 信息位除以多项式G(x),信息位发完后,CRC校验位就生成,并 紧接其后发送校验位。 ? —接收端在接收信息位同时,校验器用接收的信息位除以同 一个生成多项式,当信息位接收完后,对接收的CRC校验位也进 行计算,当两个字节的校验位接收完,如果除法的余数为0,则 认为传输正确;否则,传输错误。 ? 适用范围:每帧由多个字节组成的同步方式。 (3)纠错方式 ? 重发纠错方式: 发送端发送能够检错的信息码(如奇偶校验码),接收端根据 该码的编码规则,判断有无错误,并把错误结果反馈给发送端。 如果发送错,则再次发送,直到接收端认为正确为止。 ? 自动纠错方式: 发送端发送能够纠错的信息码,而不仅仅是检错的信息码。接 收端收到该码后,通过译码不仅能自动发现错误,而且能自动地 纠错。 传输效率低,译码设备复杂。 ? 混合纠错方式: 上述两种混合。发送端发送的信息码不仅能发现错误,而且还 有一定的纠错能力。接收端收到该码后,如果错误位数在纠错能 力以内,则自动纠错,如果错误过多,则要求重发。 7.2.2 网络协议及其层次结构 ? 在计算机网络中各终端用户之间,用户与资源之间或资 源与资源之间的对话与合作必须按照预先规定的协议进行。 ? 分层设计方法对计算机和通信的未来同样重要。某一层 的修改不会破坏整个设计或影响其他层的工作。 ? 网络协议及其层次结构 分层的好处:修改某层不会影响整个系统。 ISO的7层开放系统互连参考模型OSI。 ? 为了实现计算机系统之间的互连,1977年国际标准化组织 (ISO)提出了开放系统互连参考模型OSI(Open System Interconnection/Reference Model)。这个网 络层次结构模型规定了七个功能层,每层都使用 它自己的协议。 ? “开放”这个词是指一个系统若符合这些国际 标准的话,它将对世界上遵守同样标准的所有 系统开放。 ? OSI层次结构如图所示。 1.物理层 物理层并不是物理媒体本身,它只是对通讯双方的机 械、电气、连接规程进行规定。 ?功能:在信道上传输未经处理的信息。连接两个物理设 备,为链路层提供透明位流传输所必须遵循的规则,有时 也被称为物理接口。物理层的协议主要提供在DTE(数据终 端设备)和DCE(数据通信设备)之间的接口。 ?协 议 : RS-232C 、 RS-422A 、 RS-423A 、 RS-485 、 Ethernet等均为物理层协议。 2.数据链路层 功能:将可能有差错的物理链路改造成对于网络层来说是 无差错的传输链路。 具体内容:将数据组成数据帧,并在接收端检验传输的正 确性。若正确则回送确认信息,若不正确则抛弃该帧,等 待发送端超时重发。 协议:同步数据链路控制(SDLC) 、802.2 、高级数据链路 控制(HDLC)以及异步串行数据链协议都属于此范围。 3.网络层 网络层是 OSI 七层协议模型中的第三层,它是主机与通 信网络的接口。网络层也称分组层,它的任务是使网络中 传输分组。它以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。网络层规 定了分组(第三层的信息单位)在网络中是如何传输的。 ?具体内容:网络层控制网络上信息的切换和路由选择。因 此,本层要为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。 ?功能:控制信息交换、路由选择与中继、网络流量控制、 网络的连接与管理等。 ?协议:X.25协议、IP协议。 4.传送(传输)层 传送层是一真正的源 — 目的或端 — 端层。即在源计 算机上的程序与目的机上的类似程序使报头和控制报文 进行对话。 ?功能:从会话层接收数据,把它们传到网络层并保证这 些数据全部正确地到达另一端。 ?具体内容:在源主机与目的主机进程之间提供可靠的 端—端通信,确保能够控制端到端的数据完整性。 ?协议:TCP协议等 5.会话层 用户(即两个表示层进程)之间的连接称为会话。为了建 立会话,用户必须提供希望连接的远程地址(会话地址),会 话双方首先需要彼此确认,以证明它有权从事会话和接收 数据,然后两端必须同意在该会话中的各种选择项(例如半 双工或全双工)的确定,在这以后开始数据传输。 功能:控制建立或结束一个通信会话的进程。 具体内容:检查并决定一个正常的通信是否正在发生。如 果没有发生,这一层在不丢失数据的情况下恢复会话,或 根据规定,在会话不能正常发生的情况下终止会话。 协议:HTTP(超文本传送协议),SMTP(简单邮件文件传输)等。 6.表示层 ?要解决的问题:如何描述数据结构并使之与机器无关。 ?功能:通过一些编码规则定义在通信中传送这些信息所 需要的传送语法,实现不同信息格式和编码之间的转换。 ?表示层提供两类服务:相互通信的应用进程间交换信息 的表示方法与表示连接服务。 ?具体内容:常用的转换有正文压缩、提供加密、解密; 文件格式的转换;输入输出格式的转换。 ?例如:HTML语言(超文本标记语言 ) 7.应用层 应用层是 OSI 模型的最高层,实现的功能分两大部份, 即用户应用进程和系统应用管理进程。系统应用管理进程 管理系统资源,如优化分配系统资源和控制资源的使用等。 由管理进程向系统各层发出下列要求:请求诊断,提交运 行报告,收集统计资料和修改控制等。 ?功能:规定在不同应用情况下所允许的报文集合和对每 个报文所采取的动作。 ?具体内容:这一层负责与其它高级功能的通信,如分布 式数据库和文件传输。这一层解决了数据传输完整性的问 题或与发送/接收设备的速度不匹配的问题。 例如:IE浏览器。 ?OSI模型和各协议的对照 7.2.3 IEEE 802标准 ?电气与电子工程师协会 (IEEE) IEEE 802 课题组成立于 1980 年 2 月 ( IEEE Standards Project 802),于1981年底提出了IEEE 802局域网标准,重要的是对数 据链路层又划分出两个子层。 ?IEEE 802标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层LLC和介质访问(存取)控制子 层MAC。LLC主要提供寻址、排序、差错控制等功能。MAC主要提供传输介质和 访问控制方式。IEEE 802为局部网络制定的标准,包括以下内容: IEEE 802.1:系统结构和网络互连; IEEE 802.2:逻辑链路控制; IEEE 802.3:CSMA/CD总线访问方法和物理层技术规范; IEEE 802.4:Token Passing Bus访问方法和物理层技术规范; IEEE 802.5:Token Passing Ring访问方法和物理层技术规范; IEEE 802.6:城市网络访问方法和物理层技术规范; IEEE 802.7:为宽带网络标准; IEEE 802.8:为光纤网络标准; IEEE 802.9:为集成声音数据网络。 IEEE 802标准规定各层的功能 : ? 物理信号层 (PS) :完成数据的封装/拆装、数据的发送/接收 管理等功能,并通过介质存取部件(也称收发器)收发数据信号。 ? 介质存取控制层 (MAC) :支持介质存取,并为逻辑链路控制层 提供服务。它支持的介质存取法包括:载波检测多路存取/冲突 检测(CSMA/CD)、令牌总线(Token Bus)和令牌环(Token Ring)。 ? 逻辑链路控制层(LLC):支持数据链路功能、数据流控制、命令 解释及产生响应等,并规定局部网络逻辑链路控制协议 (LNLLC) 。 (寻址、排序、差错控制等功能。) ? 此外,网络层也有变化。在IEEE 802标准中,定义了三种主要 的局域网络技术,它们的介质访问控制分别是: CSMA/CD(IEEE 802.3)、令牌总线)、令牌环(IEEE 802.5)。 7.2.4 工业网络的性能评价和选型 ?1.工业网络的性能评价 ?2.工业网络的选型 (1)大型系统的工业网络选型 (2)中小型系统的工业网络选型 1.工业网络的性能评价 性能评价指标:吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性。 工业网络的主流拓扑结构:总线形和环形。 ? 令牌环与令牌总线的性能比较: 传输速率:环形是点到点连接,传输效率高;总线形是多点连接, 在总线上形成逻辑环,逻辑环不固定,令牌传递和维护算法比环 形复杂。 吞吐能力:令牌环数据吞吐能力高于令牌总线,原因在于控制结 构上的差异。令牌总线是广播式,数据、令牌、回答都要独占介 质;令牌环是顺序循环访问,一定条件下有并行工作的特性,其 数据、令牌、回答可同时传递。 稳定性:在负载变化的环境中,令牌环的稳定性较令牌总线好。 确定性:两种控制结构的通讯方式一样,确定性相同。 灵活性:总线是无源连接,信息传输又不需转发,增减结点都无 须断开原系统,可靠性和灵活性强于令牌环。 2.工业网络的选型 (1)大型系统的工业网络选型——分散型控 制模式,分三级: 分散过程控制级 集中操作监控级 综合信息管理级 (2)中小型系统的工业网络选型 (1) 大型系统的工业网络选型 ? 大型系统常采用分散型DCS控制的模式,系统主要分为三级,并 采用纵向层次结构,其网络选型可按以下考虑。 ①分散过程控制级:主要完成自动调节和程序控制,可靠性、实 时性要求较高。系统一般按调节回路或设备分布,呈典型递阶控制 特性,横向联系少。该级数据量不大,数据包较短,地理分布区域 也较小。采用令牌总线、主从总线或星形结构比较合适,从性能价 格比考虑,主从总线结构最佳。 ②集中操作监控级:该级数据处理量较大,数据包较长且规整, 实时性、可靠性、灵活性也较高。系统一般按设备和功能混合分布, 横向联系较多。因此,该级采用令牌总线较好。 ③综合信息管理级:该级数据多且传输量大,系统按功能横向分 布,地域范围广,灵活性要求较低,工作站容量大。因此,本级宜 采用令牌环结构。 (2) 中小型系统的工业网络选型 ? 对只有集中操作监控级和分散过程控制级的中小 型系统:两级同时使用令牌总线。 ? 对传输量大、结点少且分散的场合:监控级直接 选用令牌环较好。 ? 老企业技术改造:星形结构。

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    2019-11-05 03:36
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