网络控制技术及应用重点.doc

第一章现代用于信息交流的三大网络是电信网、电视网、计算机网络。计算机网络形成与发展的阶段：第1阶段 计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络雏形。从严格意义上讲，这时的系统不能算计算机网络，系统中只有一台计算机，终端不具备自主处理能力；第2阶段 完成网络体系结构与协议研究，形成计算机网络。形成ARPA网、公共数据网PDN（Public Data Network）、局部网络LN（Local Network），提出不同的网络体系结构和协议，如IBM的SNA（System Network Architecture）、DEC的DNA （Digital Network Architecture ）；第3阶段 加速网络体系结构与协议国际标准化的研究与应用。国际标准化组织ISO于1984年颁布ISO/IEC7498国际标准，即开放系统互联参考模型OSI RM（Open System Interconnection Reference Model）；第4阶段 各种类型的网络全面互联，并向宽带化、高速化、智能化方向发展。计算机网络的定义：将地理位置不同并且具有独立功能的多个计算机系统通过通信线路和通信设备相互连接在一起，由网络操作系统网络协议软件进行管理，以实现资源共享和相互通信的系统。计算机网络建立的主要目的是资源共享。计算机网络中的计算机具有自治特点。网络中的计算机都要遵循统一的网络协议。计算机网络的结构与组成：从逻辑上可以分为资源子网和通信子网，分别实现数据处理和数据通信两个基本功能。资源子网是网络中面向数据处理的资源集合，主要由主计算机系统、终端及各种软件资源和数据资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种资源和网络服务。通信子网是网络中面向数据传输或者数据通信的部分资源集合，包括传输线路、网络通信控制处理机与其他通信设备，主要完成整个网络的数据传输、存储转发等功能。计算机网络拓扑结构：星型拓扑结构、环型拓扑结构、总线型拓扑结构、树型拓扑结构、网型拓扑结构。环型拓扑结构的定义及特点：每个节点都有输入端口和输出端口，节点间通过线路首尾相接，组成一个闭合的环路。（1）每个站点接收从一端链路传来的数据 ，并送到另一端链路，为单向传递。（2）节点发出的数据带有目的地址，目的节点在转发的同时复制数据，该数据最终回到发送节点。（3）各节点共享环路信道，需要媒体访问控制策略。总线型拓扑结构的定义及特点：有一条被称为总线的公共传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到总线上，它是一个能被总线上所有节点使用的公共信道。（1）任何站点都可以向总线上发出数据，任何站点都可以接收到数据信号。（2）节点发出的数据带有目的地址，目的节点复制该数据。（3）所有站点共享一条传输信道，同一时刻只能由一个节点发送数据。按照网络覆盖的地理范围分类，计算机网络可分为：广域网、局域网、城域网。工业自动化的发展阶段：第1阶段 人工控制阶段气动信号控制系统（20世纪50年代以前）。第2阶段 模拟控制阶段（20世纪50年代）。生产规模扩大、多点测控，出现现场仪表与集中控制室；控制理论：以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法；控制方法：基本PID控制与串级、前馈控制等；控制仪表：气动、电动单元组合式仪表，0.020.1MPa气压信号、420mA直流电流信号、15V直流电压信号等模拟信号传送到集中控制室，信号传递困难，变化缓慢，抗干扰能力较差。第3阶段 集中式数字控制阶段20世纪60年代70年代中期。（1）直接数字控制一台计算机替代一组模拟控制器，实时采集生产过程被控参数的信息，按照控制算法运算后，控制执行器。（2）集中型计算机控制一台计算机取代控制室的所有仪表，并实现生产调度和工厂管理的部分功能。（3）分层计算机控制过程现场控制与集中显示操作相分离。第4阶段 集散控制系统（DCS）阶段20世纪70年代中期。集中与分散相结合；总体逻辑结构上是一个分支型结构，分为过程控制级、控制管理级和生产管理级。体现了管理的集中性和控制的分散性，把控制功能分散到若干台控制站，在监控操作站进行集中监视操作。第5阶段 现场总线控制系统阶段20世纪80年代中后期。全分布式测控系统；沟通生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的关系；双向通信全双工数字智能仪表，传输信号数字化；产品互换性和互操作性。国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。现场总线的技术特点：（1）现场通信网络。现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；现场总线完全适应于工业现场环境。（2）数字通信网络。现场底层的变送器传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；中上层的控制器、监控监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；各层设备之间的信息交换均用数字信号。（3）开放互连网络。现场总线标准、协议规范是公开的，所有制造商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；用户可共享网络资源。（4）现场设备互连网络。用一根通信线直接互连N个现场设备。（5）结构与功能高度分散的系统。（6）互操作性与互换性网络。互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态；互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。现场总线的优点：现场总线所具有的现场适应性、数字化、开放性、分散性、设备互联性、互操作性与互换性等特点决定和派生了其一系列优点。（1）导线和连接附件大量减少。（2）仪表和输入输出转换器（卡件）大量减少。（3）设计、安装和调试费用大大降低。（4）维护开销大幅度下降。（5）系统可靠性提高。（6）系统测量与控制精度提高。（7）系统具有优异的远程监控功能。（8）系统具有强大的（远程）故障诊断功能。（9）设备配置、网络组态和系统集成方便自由。（10）现场设备更换和系统扩展更为方便。（11）为企业信息系统的构建创造了重要条件。1989年Profibus成为德国现场总线国家标准。1990年FIP成为法国国家标准。目前，IEC公布的现场总线标准为IEC61158。第二章通信的三个要素：信源、信宿和信道。通信系统的任务是把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。信息、数据和信号的定义及三者的关系：信息是事物运动的状态和运动状态改变的方式，是认识主体所感知或表述事物运动状态的方式。数据是传递信息的载体，是事物的表示形式。信息则是数据的内容或解释。信号是数据在传输过程中的表现形式，即数据的物理量编码，数据以信号的形式传播。信道：信号传输的通路，也叫物理信道，由发送数据和接收数据的设备以及二者间的传输介质组成。在物理信道的基础上，只考虑发、送双方的通路关系，叫做逻辑信道。信道带宽：信道上能够传送信号的最大频率范围，即信道可传信号的最高频率与最低频率之差。当信号带宽大于信道带宽时，信号就不能在该信道上正确传输，或信号失真。比特率：数据传输的位速率 (bps，b/s)。码元：时间轴上的一个信号编码单元。波特率：信号码元的传输速率(l/s，baud)。信道容量：信道的最大传输速率，指一个信道在传输差错率趋于零的情况下可能传输最大信息量的能力。用单位时间内最大可传送信息的比特数表示。基带传输：在数字通信信道上直接传输数据基带信号的传输方法。频带传输：将基带信号进行调制，再通过带通型模拟信道传输调制后的信号，接收方通过解调得到原来的基带信号的传输方法。信源编码：在数据通信系统的终端设备中将原始的信息转换成用代码表示的数据的过程。信号编码：将数据的信源编码形式变换到某一种适合于信道传输的信号形式的过程。数据的模拟编码方法：幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅；频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频；相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相。非归零编码NRZ（ Non-Return to Zero ）：二进制数字0、1分别用负电平和正电平来表示。常用-5V表示1，+5V表示0。非归零反向编码：电平发生跳变表示1，不跳变表示0。信号交替反转码：用三个电平表示二进制的数据（零、正、负）；二进制数字“0”用无电压状态表示；二进制数字“1”用正脉冲或负脉冲表示，数字“1”脉冲在极性上交替进行。伪三元码：用三个电平表示二进制的数据；二进制数字“1”用无电压状态表示；二进制数字“0”用正脉冲或负脉冲表示，数字“0”脉冲在极性上交替进行。曼彻斯特编码(Manchester code)：用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高 低的跳变0，低高的跳变1。每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。 曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。差分曼彻斯特编码(Difference Manchester code)：每一位数据的中间位置也出现电平的跳变，二进制数据并不决定于电平跳变的方向，而是以数据位开始时刻是否出现电平跳变作为编码依据，在数据开始边界发生跳变表示“0”，否则表示“1”。奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。香农定理：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限信息传输速率为C=Blb(1+S/N)。 若要提高系统的传输速率，只有通过提高信道带宽和提高信噪比两种途径。Nyquist公式和Shannel公式的比较：C= 2W log2M，此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。C= W log2(1+S/N)，无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。并行通信：数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输，每位单独使用一条线路。通信速度高，不必过多地考虑同步问题，适用于距离较近时的数据通信；距离较远时，增加通信电缆费用。 串行通信：数据流以串行方式在一条信道上传输。易于实现，比较便宜，适用于长距离通信；传输速度慢，传输中需考虑同步问题。数据传输模式(通信方式)数据流动的方向：单工通信（simplex communication），信道是单向通道；信号只能向一个方向传输，发送端和接收端是固定的。半双工通信（half-duplex communication），信号可以双向传输；两个方向只能交替进行，不能同时进行；通信双方可以是发送端和接收端，但任意时刻一方只能是发送端或接收端。全双工通信（full-duplex communication），信道可以同时进行双向传输；通信双方可以同时是发送端和接收端。数据交换技术主要讨论通信双方如何通过子网有序地交换数据，可分为线路交换方式和存储转发交换方式。线路交换：是指双方在通信时在通信子网中具有一个实际的物理连接，这一物理连接是两者间的专用通信线路。一旦建立连接就独占线路；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小；线路利用率低。存储转发：在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地，分为报文交换和报文分组交换。多个节点分时共享通信信道，线路利用率高；节点具有路选功能，报文动态得到最佳路径，平滑网络系统通信量；差错控制，提高通信可靠性；实现不同速率转换，不同代码格式转换；具有较大传输延迟；附加信息增加通信设备开销。报文交换：整个报文作为一个整体一起发送。1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。报文分组交换：限制数据包的最大长度，将一个长报文分成多个报文分组，在接收端再组合成一个长报文，分为数据报方式和虚电路方式。1）报文分组短，存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组速度快；2）转发延时小适用于交互式通信；3）某个分组出错仅重发该分组效率高。数据报方式：每个数据包的存储、处理、转发都是独立进行的，与原先发送的其他报文分组无关。1）每个分组中都必须有目的地址和源地址；2）同一报文的不同报文分组可以通过不同的路径，数据传输前不需要建立一条端到端的通路；3）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能；4）可能在到达目的节点时出现报文分组的乱序、重复和丢失。虚电路方式：报文分组发送之前，必须建立一条预定的路由连接（逻辑连接），之后报文分组都沿着这条路由传递。1）除呼叫外，其他分组不必带目的地址、源地址，只需差错控制，不必路由选择，延迟较小；2）到达时不会丢失、重复和乱序；3）每个节点可以建立多条虚电路。双绞线：由两根相互绝缘的铜导线按一定规则螺旋绞合在一起构成。 分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。基带同轴电缆：一条电缆只用于一个信道，50W，用于数字传输。宽带同轴电缆：一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 W，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器。多路复用技术：FDM (频分复用)、WDM (波分复用)、TDM (时分复用)。频分复用：物理信道的可用带宽超过单个原始信号带宽时，将物理信道的总带宽划分为多条较小带宽的信道，各信道间保留一个保护频带，每条信道供一对用户使用。波分复用：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。时分复用：当传输介质的传输速率超过了传输信号所需的数据传输率时，将传输时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在这一时间片内用户使用信道全部带宽。竞争的介质访问方法：ALOHA方法、时间片ALOHA方法、载波侦听多路存取方法（CSMA）、CSMA/CD 带冲突检测的载波监听多点访问。ALOHA方法：有数就发，发送后等待应答，无应答延时重发，直至返回应答成功。（1）任何节点只要有数据就立即发送。（2）发送节点收到接收节点的应答，即判断为发送成功；未收到接收节点应答，则认为传输出错，重发数据。（3）一个节点发送数据的同时，其他节点也发送数据，就会出现冲突，接收节点不能正确接收数据，也就不回送应答。（4）发现传输出错后，发送节点随机延时后重发，直至成功为止。时间片ALOHA方法：将信道时间分成相等的时间片，每个时间片等于（或稍大于）一帧数据发送的时间，网上所有节点都使用同一时钟，每个节点只能在每个时间片开始的时刻发起数据传输，冲突重发帧也必须如此。载波侦听多路存取方法（CSMA）：（1）工作原理：发送前监听。每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则此站不能发送，需等待一段时间后重试。（2）载波监听策略：非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲。1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据；p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时间后再发送）。CSMA/CD 带冲突检测的载波监听多点访问：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。CSMA/CD可归结为四句话：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。确定型介质访问控制方法：令牌总线（IEEE 802.4）、令牌环（IEEE802.5）。令牌总线（IEEE 802.4）：（1）物理上是总线结构，逻辑上是环结构。（2）每个节点记录本站地址（TS）、前趋站地址（PS）、后继站地址（NS），地址首尾相连，构成封闭的环。（3）令牌是特殊结构的控制帧，管理节点对总线的访问权，任何节点只有在取得令牌后才能使用公共通信总线发送数据。令牌持有站交出令牌的条件：（1）该站没有数据帧等待发送；（2）该站已发送完所有待发送的数据；（3）令牌持有最大时间到。特点：（1）通过令牌协调各节点之间的通信关系；（2）提供用户对公共通信总线访问的公平性和优先权；（3）总线上介质访问延迟具有确定性。令牌环（IEEE802.5）：点到点链路连接，构成闭合环。令牌环操作：1）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。2）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。3）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：a)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；b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。4）数据循环一周后由发送站回收。即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。差错控制通常采用在信息码元的基础上增加一些冗余码元，冗余码元与信息码元之间存在一定的关系，传输时，将信息码元与冗余码元组成码组（码字）一起传输。 差错控制方式：（1）在码组中带有足够的冗余信息，以便在接收后能够发现并自动纠正传输差错，简称为纠错；（2）在码组中仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，靠重发保证正确传输，简称为检错重发方式。海明码：纠错码编码，码组长度、冗余校验位长度、码组中的最大数据位关系：n：码组位长度；r：冗余校验位长度；k：码组中最大数据位长度。当数据长度不能满足最大数据位长度值时，可以用固定的数据位填充。冗余码从左至右依次填充到2j（j=0,1,r-1）的位置上，码组中剩余位填充数据位如果冗余码的位数为r，则存在这样一个（2r-1）行*r列的编码矩阵，矩阵元素等于0或1，并且每一行的元素所组成的二进制编码等于行数的二进制编码。对于海明纠错码，要求码组数据与这一矩阵相乘满足：矩阵的乘除运算与普通矩阵的乘除运算一样，加减运算为“异或”运算。接收方收到数据后，将码组数据与发送方编码时用的编码矩阵相乘，若得到的行矩阵为零矩阵，说明传输正确；否则传输错误，且出错位是这一行的元素所组成的二进制数所对应的数据位。例：给出数据（信息）1101的海明码编码、译码和纠错过程（1）编码长度确定根据公式，选择：数据长度k=4;冗余码长r=3；码组长n=7。（2）计算海明码编码得到：P1=1，P2=0，P3=0海明编码为（1 0 1 0 1 0 1）（3）译码过程假设接收方接收数据为（1 0 1 0 1 1 1）说明传输出错，（1 1 0）2=6第6位出错。（4）纠错将接收到的编码左数第6位取反，恢复出正确数据。（1 0 1 0 1 1 1）（1 0 1 0 1 0 1）循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check）编码：一种通过多项式除法检测错误的方法。收发双方约定一个生成多项式G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。循环冗余校验编码步骤：（1）将信息码组中的全部k位数据当作一个从Xk-1到X0的二进制多项式系数序列，对应的多项式称为码多项式。（2）发收双方预先约定好一个处理多项式，称为生成多项式，假设生成多项式是一个r阶多项式。（3）发送方将信息码组中的k位数据后添加r个0，相应的码多项式变成一个（k+r-1）阶多项式。（4）将新多项式与生成多项式相除，乘除运算与普通代数多项式的乘除运算一样，加减运算相当于对应系数的异或运算，求得一个（r-1）阶余数多项式。（最高次Xr-1的系数可以为零）。（5）将余数多项式的系数作为冗余数据加到原来的k位数据后，构成一个（k+r）位的码组，发送方将这一码组数据发出。（6）接收方接收到数据后，将数据作为多项式系数形成一个（k+r-1）阶的多项式，并用这一多项式与生成多项式相除，如果余数多项式的系数均为0，则说明传输正确；否则，认为传输出错。例：待校验数据1101011011，生成多项式G(x)系数为10011 ，求发送方发出的比特序列（1）G(x)系数为10011，则 G(x) = x4+x+1 , 即生成多项式阶数r=4 。（2）数据码后添加4个0，新多项式系数为11010110110000（3）多项式相除，求余数多项式，多项式的运算实际是系数间的运算：余数多项式的系数为1110。（4）传送序列T(x)=11010110111110第三章计算机网络的体系结构是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合，也就是计算机网络及其部件所应实现的功能的定义和抽象。国际标准化组织ISO于1997年成立了专门的机构来研究网络体系结构和网络协议的标准化问题。不久之后，ISO就提出了开放系统互连参考模型OSI RM（Open System Interconnection Reference Model）。开放是指遵循OSI标准的任何系统之间均可通信； 系统是指各系统中与互连有关的部分模型层次划分的原则：网络各节点都有相同的层次，相同层次具有同样的功能；同一节点内相邻层次间通过接口通信；每一层使用下层提供的服务，并向上层提供服务；不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。在OSI参考模型中，层次越靠上，其与信息处理的关系越密切，层次越靠下，其与通信的关系越密切。数据单元在OSI参考模型不同的层次中名称也不相同，物理层以比特流方式传输；数据链路层的数据单元称为帧；网络层的数据单元称为数据报文分组；传输层的数据单元称为报文；会话层、表示层、应用层的数据单元统称为数据包。服务是同一开放系统中相邻层之间的操作，协议则是不同开放系统的对等实体间进行虚通信所必须遵守的规定。OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制信息。这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封”。但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。物理层是OSI RM的最低层，向下是物理设备，物理设备直接与物理传输介质相连接。通信设备DTE与DCE：DTE是数据终端设备，指具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备，可以是一台计算机，也可以是一个I/O设备。DCE是数据通信（或电路端接）设备，是介于传输介质与DTE之间的设备，提供信号交换和编码功能，负责建立、维护和释放物理连接，Modem就是典型的DCE。DTE和DCE之间既有数据信息传输，又有控制信息传输，它们之间的协议就是物理接口协议。目前所说的物理层协议实际上是物理接口协议，也就是DTE与DCE之间的一组约定。标准的RS232C接口定义了25个信号针，常用9针的简化接插件。RS-232C采用了较高的传输电平，且为双极性、公共地和负逻辑，即规定逻辑“1”状态电平为-15 -5V，逻辑“0”状态电平为+5+15V，其中-5+5V用作信号状态的变迁区。计算机均采用TTL逻辑电平。TTL电平规定低电平“0”在0+0.8V之间，高电平“1”在+2.4+5V之间，因此在TTL电路与RS-232C总线之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换，否则将使TTL电路烧毁。 MAX232芯片：T1IN引脚为TTL电平输入端，转换后的RS-232C电平由T1OUT送出；而R1IN引脚接受RS-232C电平，转换后的TTL电平由R1OUT输出。如此，完成了TTL到RS-232C（发送）以及RS-232C到TTL（接收）的电平与逻辑的转换。 PC机与单片机之间的RS-232C通信网络：PC机串行口给出的已是标准的RS-232C电平，而单片机则为TTL电平，采用MAX232芯片就可实现电平的转换和驱动RS-423A/RS-422A总线标准的数据线也是负逻辑且参考电平为地，与RS-232C规定为-15+15V有所不同，这两个标准规定为-6+6V。与RS-232C的单端驱动非差分接收方式相比，RS-423A是一个单端驱动差分接收方式，而RS-422A则是平衡驱动差分接收方式，因此抗干扰能力一个比一个强，数据传送速率与传送距离也更快、更远。RS-422为全双工，采用两对差分平衡信号线；而RS-485为半双工，只需一对平衡差分信号线。数据链路层的目的：将一条原始的、有差错的物理链路变为无差错的逻辑数据链路。数据链路层基本功能：（1）链路管理：数据链路的建立、维持和释放。链路两端的节点在进行通信之前，通信双方必须预先交换一些必要的信息，从而建立起数据链路连接；在数据传输阶段要维持数据连接；在数据传输结束后要释放这一连接。（2）帧同步：接收方可以从接收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束，确定出帧的边界。（3）寻址：帧中拥有必要的信息部分，保证每一帧都能发送到正确的目的节点，目的节点也知道发送方是哪个节点。（4）访问控制：当多个设备连接到同一条链路上时，数据链路层能够决定出哪个设备可以取得链路的控制权。（5）差错控制和流量控制。（6）透明传输：无论链路上传输的是何种比特组合，都能够正常传输。当所传数据中的比特组合恰巧与某个控制信息完全一样时，必须采取有效措施，使接收方不会误将数据信息当做控制信息，从而保证数据链路层的透明传输。网络层的目的：使报文分组以最佳路径通过通信子网到达目的主机，网络用户不必关心网络拓扑结构及所使用的通信介质，通过网络层的控制作用，实现不同网络之间的数据交换。网络层的基本功能：（1）寻址。当传输信息的信源和信宿分属于不同的网络时，需要网络层参与解决寻址问题。（2）路由选择与中继。当传输的数据单元经过通信子网时，各个中继节点在存储转发数据的过程中，采用合适的路由选择算法，保证数据单元以某些指标最优的方式通过子网。路由选择是网络层的最主要功能之一。（3）流量控制。对进入分组交换网的通信量加以控制，使通信子网稳定运行，尽量防止通信量过大造成通信子网性能下降。（4）网络连接建立与管理。在面向连接服务中，网络连接是传输实体之间传递数据逻辑的、贯通通信子网的端-端通信信道。（5）面向连接的网络服务。又称虚电路服务。包括网络连接建立、数据传输和网络释放三个阶段。（6）无连接的网络服务。两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接。固定路选算法：每个中继节点上保存一张由此节点到其他相邻节点的输出路径选择表，表上标明了每一个目的地址应选择的转发路径。分散通信量法：事先在节点的内存中设置路由表，每条链路赋予一个概率，每个节点除数据来源链路外，各链路的概率和为1。每个报文或分组到达该节点时，节点产生一个随机数，根据随机数选择转发输出链路。扩散算法：又叫洪泛法。将进入节点的信息包从所有输出链路（除输入链路外）上发送出去。每个报文或报文分组都有多条通路到达目的节点，各节点只选取先到达的报文，删除后到的报文。优点：可靠性高。缺点：转发存在盲目性，存在大量报文或报文分组重复，造成整个网络通信量剧增。改进：限制分组到达目的节点所经历的最大站数；转发时只选择靠近目的节点的那些输出链路输出。孤立自适应路选算法：只考虑本节点不同输出线上等待输出的分组排队队列长短，将报文或报文分组发往选择排队队列最短（某一指标最优）的链路。类似于日常生活中的选择排队。反向感知法：利用接收分组所带的信息来反向推算从本节点发往这些节点时可能具有的传输时延，根据推算的结果修改当前的路由选择表。类似于司机通过向对面司机询问前方的路况来决定驱车路线。分布式路选法：通过与相邻节点定期或不定期地交换路由选择信息修改路由选择表。集中式路选法：在网络中设立一个节点专门收集各节点定期发送来的信息，动态计算路由选择表，再发往网中的各个节点。类似于目前城市交通中由各交通台发布路况信息，司机根据路况信息选择行车路线。缺点：可靠性差在OSI参考模型中，通常称13层的功能为低层功能，它们是通信网络所完成数据通信功能的集合；通常称57层的功能为高层功能，它们是由各端系统内部进程所完成的面向应用的集合。传输层位于通信子网和资源子网之间，是低层与高层之间的特殊一层，从面向通信和面向信息处理角度来看，传输层应划在低层；从用户功能和网络功能角度分类，传输层划在高层。数据链路层解决的是相邻两点间的数据传输可靠问题，传输层解决的是通信子网之上的两个主机进程之间的数据传输可靠性问题。表示层要处理通信中的语法，解决通信双方之间的数据表示问题，使描述的数据结构与机器无关，按照一些编码规则定义，在通信中传送这些信息所需要的编码。转发器（中继器、集线器）：目的：延伸网段、改变传输媒体；过程：信号（含噪声）的接收和再生；形式：电缆延伸、光电转换等；特点：通过转发器互连的设备处于同一广播域。网桥（含交换器）：目的：互连两个独立的、仅在低两层实现上有差异的子网；过程：信息帧的转发（含异构网互连时的重新封装）；功能：(1) 地址广播和过滤。 具有统一的数据链路层的编址格式，网桥能够识别各种地址，并根据数据帧的宿地址，有选择地让数据帧穿越网桥。(2) 帧限制。网桥不对帧进行分段，只进行必要的帧格式转换；超长帧被丢弃；子网相对独立，控制帧不能穿越网桥。(3) 监控功能。作为单个子网的一部分，参与对子网的监控和对信息帧的转发。一般的动作包括接收、校验和转发帧。(4) 缓冲能力。可以解决数据传输不匹配的子网之间的互连。(5) 透明性。不应影响原有子网的通信能力。路由器：目的：互连两个或多个独立的同构或异构的网络，如局域网/广域网、局域网/局域网的互连；过程：分组的封装和转发，屏蔽3层以下的差异；主要功能：（1）寻址。全网地址格式统一，如IP地址；（2） 路由选择。了解互连的子网工作状态，旁路故障和防止拥塞；（3）分组分段。根据子网的分组长度要求，进行分组的分段和合段；（4）格式封装。构建适合子网传输和处理的分组；（5）存储转发。分组校验（丢弃出错的分组）、存储和转发。在现场总线中，参与通信的网络节点是传感器、控制器、执行器等，网络的功能并不复杂，传输的数据量也不大，但是却要求网络具有较高的实时性和可靠性。因此，大多数现场总线的网络通信模型对ISO/OSI RM的七层模型进行了简化，一般只包括物理层、数据链路层和应用层，有的还针对具体应用在应用层上定义了一个用户层。第四章1993年11月出版了CAN的国际标准ISO11898标准帧报文标识符有11位，报文数可达2032种CAN 的分层结构：逻辑链路控制子层 (LLC)：为远程数据请求以及数据传输提供服务；确定由实际要使用的LLC 子层接收哪一个报文；为恢复管理和过载通知提供手段。媒体访问控制子层（MAC）：负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定；把接收到的报文提供给LLC 子层，并接收来自LLC 子层的报文；被称作故障界定的管理实体监管，此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。物理层：定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位时间、位编码、同步的解释；没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。CAN报文仲裁（Arbitration）：只要总线空闲，任何节点都可以开始发送报文。如果2 个或2 个以上的节点同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监视的是一“显性”电平，那么单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。CAN总线值（Bus values）：总线有一个补充的逻辑值：“显性”或“隐性”。“显性”位和“隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”。比如，在总线的“写-与”执行时，逻辑0代表“显性”等级，逻辑1代表“隐性”等级。报文传输由4个不同的帧类型所表示和控制：数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。数据帧由7 个不同的位场组成：帧起始（Start of Frame）、仲裁域（Arbitration Field）、控制域（Control Field ）、数据域（Data Field ）、CRC域（CRC Field ）、应答域（ACK Field ）、帧结尾（End of Frame）。帧起始（SOF）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。标准格式里，仲裁域由11 位标识符和RTR 位组成。扩展格式里，仲裁场包括29位标识符、SRR 位、IDE 位、RTR 位。7 个最高位（ID-28 - ID-22）必须不能全是“隐性”。RTR 的全称为“远程发送请求位（Remote Transmission Request BIT）”，RTR 位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”CAN位流编码（Bit Stream Coding）：帧的部分，诸如帧起始、仲裁域、控制域、数据域以及CRC序列，均通过位填充的方法编码。无论何时，发送器只要检测到位流里有5个连续相同值的位，便自动在位流里插入一补充位。数据帧或远程帧的剩余位域（CRC界定符、应答域和帧结尾）形式固定，不填充。错误帧和过载帧的形式也固定，但并不通过位填充的方法进行编码。其报文里的位流根据“不归零”（NRZ）方法来编码。这就是说，在整个位时间里，位的电平要么为“显性”，要么为“隐性”。错误检测：位错误（Bit Error）；填充错误（Struff Error）；CRC错误（CRC Error）；形式错误（Form Error）；应答错误（Acknowledgment Error）标称位时间：同步段（SYNC SEG），位时间的同步段用于同步总线上不同的节点，这一段内要有一个跳变沿；传播段（PROP SEG），传播段用于补偿网络内的物理延时时间，它是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍；相位缓冲段1、相位缓冲段2（PHASE SEG1、PHASE SEG2），相位缓冲段用于补偿边沿阶段的误差。这两个段可以通过重新同步加长或缩短；采样点（SAMPLE POINT），采样点是读总线电平并解释各位的值的一个时间点，采样点位于相位缓冲段1（PHASE_SEG1）之后；信息处理时间（INFORMATION PROCESSING TIME），信息处理时间是一个以采样点作为起始的时间段。采样点用于计算后续位的位电平。时间段的长度（Length of Time Segments）：同步段（SYNC_SEG）为1 个时间份额；传播段（PROP_SEG）的长度可设置为1，2，8 个时间份额；缓冲段1 （PHASE_SEG1）的长度可设置为1，2，8 个时间份额；相位缓冲段2（PHASE_SEG2）的长度为相位缓冲段1（ PHASE_SEG1）和信息处理时间（INFORMATION PROCESSING TIME）之间的最大值；信息处理时间少于或等于2 个时间份额；一个位时间总的的时间份额值可以设置在825 的范围。SJA1000是一种独立CAN控制器，是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN 控制器（BasicCAN）的替代产品，而且它增加了一种新的工作模式（PeliCAN）,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。为了实现软件兼容，SJA1000增加修改了两种模式：BasicCAN模式，与PCA82C200兼容；PeliCAN模式，扩展特性。工作模式通过时钟分频寄存器中的CAN 模式位来选择。复位默认模式是Basic CAN模式。接口管理逻辑IML：接口管理逻辑解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息。发送缓冲器TXB：发送缓冲器是CPU和BSP（位流处理器）之间的接口，能够存储发送到CAN网络上的完整信息。缓冲器长13个字节，由CPU写入，BSP读出。接收缓冲器RXB，RXFIFO：接收缓冲器是验收滤波器和CPU之间的接口，用来储存从CAN总线上接收和接收的信息。接收缓冲器（RXB，13个字节）作为接收FIFO（RXFIFO，长64字节）的一个窗口，可被CPU 访问。CPU 在此FIFO 的支持下，可以在处理信息的时候接收其它信息。验收滤波器ACF：验收滤波器把它其中的数据和接收的识别码的内容相比较，以决定是否接收信息。在纯粹的接收测试中，所有的信息都保存在RXFIFO中。位流处理器BSP：位流处理器是一个在发送缓冲器，RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的程序装置。它还在CAN总线上执行错误检测、仲裁、填充和错误处理。位时序逻辑BTL：位时序逻辑监视串口的CAN 总线和处理与总线有关的位时序。它在信息开头的总线传输时同步CAN总线位流（硬同步），接收信息时再次同步下一次传送（软同步）。BTL还提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间、相位转换（例如，由于振荡漂移）和定义采样点和一位时间内的采样次数。错误管理逻辑EML：EML负责传送层模块的错误管制。它接收BSP的出错报告，通知BSP和IML进行错误统计。CR.0=1（RR=1），复位请求CMR.0=1（TR=1），发送请求CAN发送缓冲区列表：（1）识别码ID。识别码有11 位（ID0-ID10）。ID10是最高位，在仲裁过程中是最先被发送到总线上的。识别码就象信息的名字，它在接收器的验收滤波器中被用到，也在仲裁过程中决定总线访问的优先级。标识码的值越低其优先级越高。（2）远程发送请求RTR。如果此位置1，总线将以远程帧发送数据。这意味着此段中没有数据字节。尽管如此，也需要同识别码相同的数据帧来识别正确的数据长度。如果RTR 位没有被置位，数据将以数据长度码规定的长度来传送。（3）数据长度码DLC。信息数据区的字节数根据数据长度码编制。在远程帧传送中，因为RTR被置位，数据长度码是不被考虑的。这就迫使发送/接收数据字节数为0。总之，数据长度码必须正确设置以避免两个CAN 控制器用同样的识别机制启动远程帧传送而发生总线错误。数据字节数是0-8，是以如下方法计算的：数据字节数=8*DLC.3+4*DLC.2+2*DLC.1+DLC.0。为了保持兼容性，数据长度码不超过8。如果选择的值超过8，则按照DLC规定的8 字节发送。（4）数据区。传送的数据字节数由数据长度码决定。发送的第一位是地址12单元的数据字节1的最高位。验收滤波器：在验收滤波器的帮助下，CAN控制器能够允许RXFIFO只接收同识别码和验收滤波器中预设值相一致的信息。验收滤波器通过验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器来定义。（1）验收代码寄存器ACR。复位请求位被置高（当前）时，这个寄存器是可以访问（读/写）的。（2）验收屏蔽寄存器AMR。如果复位请求位置高（当前），这个寄存器可以被访问（读/写）。验收屏蔽寄存器定义验收代码寄存器的相应位对验收滤波器是“相关的”或“无影响”的（即可为任意值）。报文被接收的条件是：验收代码位（AC.7-AC.0）和报文标识符高8位（ID.10-ID.3）中被验收屏蔽位（AM.7-AM.0）标记为“相关的”（对应的验收屏蔽位为0）的位必须相等，报文才会被接收；而对于“不相关的”位则不受这一限制。总线定时寄存器0 BTR0：（1）波特率预设值BRP。CAN系统时钟tSCL的周期是可编程的，而且决定了相应的位时序。CAN 系统时钟由如下公式计算：（2）同步跳转宽度(SJW)。为了补偿在不同总线控制器的时钟振荡器之间的相位偏移，任何总线控制器必须在当前传送的相关信号边沿重新同步。同步跳转宽度定义了每一位周期可以被重新同步缩短或延长的时钟周期的最大数目总线定时寄存器1 BTR1：总线定时寄存器1定义了每个位周期的长度、采样点的位置和在每个采样点的采样数目。在复位模式中这个寄存器可以被读/写访问。（1）采样SAM2.时间段1 TSEG1 和时间段2 TSEG2 TSEG1 和TSEG2 决定了每一位的时钟数目和采样点的位置。这里：时钟分频寄存器CDR：CDR.7定义了CAN 模式。如果CDR.7 是0，CAN 控制器工作于BasicCAN 模式。否则，CAN控制器工作于PeliCAN 模式。报文接收：中断控制的接收；查询控制的接收。TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。TJA1050工作模式：（1）高速模式。高速模式是普通的工作模式，将引脚“S”连接到地可以进入该模式。由于引脚“S”有内部下拉功能，所以当它没有连接时，高速模式也是默认的工作模式。在这个模式中，总线输出信号有固定的斜率，并且以尽量快的速度切换。这种模式适合用于最大的位速率和/或最大的总线长度，而且此时它的收发器循环延迟最小。（2）静音模式。在静音模式中，发送器是禁能的，所以它不管TxD 的输入信号。因此，收发器运行在非发送状态中，它此时消耗的电源电流和在隐性状态时的一样。将引脚“S”接高电平，就可以进入静音模式。TJA1050的一般应用：协议控制器通过一条串行数据输出线（TxD）和一条串行数据输入线（RxD）连接到收发器。而收发器则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线线路。它的引脚“S”（8）用于模式控制。第五章典型的CAN高层协议：CANopen适合于所有机械的嵌入式网络，针对行业应用，实现比较简洁，在欧洲应用较为广泛；DeviceNet适合于工厂自动