网络控制技术及应用第3章.ppt

网络控制技术及应用,任课教师：xxx 电子邮箱： 联系电话：13xxxx45,第三章 计算机网络体系结构与协议,OSI参考模型 物理层与物理接口协议 数据链路层 网络层 高层协议 网络互连 现场总线的网络通信模型,网络体系结构发展的背景网络的状况 多种通信媒介有线、无线 不同种类的设备通用、专用 不同的操作系统Unix、Windows 不同的应用环境固定、移动 不同种类业务分时、交互、实时 宝贵的投资和积累有形、无形 用户业务的延续性不允许出现大的跌宕起伏 它们互相交织，形成了非常复杂的系统应用环境。,3.1 OSI参考模型,网络异质性问题的解决 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。 网络协议是为了进行网络数据交换而建立的规则、约定或标准，是计算机网络中不可缺少的组成部分。包括语法、语义和时序三要素。 语法是指用户数据与控制信息的结构和格式；语义是指需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应；时序是对事件实现顺序的详细说明。 网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法。把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。,就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样。,层次结构方法要解决的问题 1. 网络应该具有哪些层次？每一层的功能是什么？（分层与功能） 2. 各层之间的关系是怎样的？它们如何进行交互？（服务与接口） 3. 通信双方的数据传输要遵循哪些规则？（协议）,层次结构方法包括三个内容：分层及每层功能，服务与层间接口，协议。,层次结构方法的优点 把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于实现和维护 定义并提供了具有兼容性的标准接口 使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块 独立性强上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务黑箱方法 适应性强只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变 一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络，因此每个区域的网络可单独升级或改造,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,3.1.1 模型层次划分的原则,层次太多会造成整个系统结构的繁冗；层次太少又会使不同功能集中在一个层中，不便于层次的描述，造成层次不清。,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。,3.1.2 OSI参考模型结构,3.1.2 OSI参考模型结构,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； 资源子网的节点（端节点）具有七层的全部功能，通信子网中的节点（交换节点）可以简化为只有下面的三层； 数据单元在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。,第7层：应用层(Application) 为用户的应用程序提供网络通信服务 识别并证实目的通信方的可用性 使协同工作的应用程序之间进行同步 判断是否为通信过程申请了足够的资源 应用层协议的例子： 远程登录协议Telnet、文件传输协议FTP、 超文本传输协议HTTP、域名服务DNS、 简单邮件传输协议SMTP、邮局协议POP3等,第6层：表示层(Presentation) 处理被传送数据的表示问题，即信息的语法和语义。如有必要，使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。 例如：在日期、货币、数值（特别是浮点数）等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换；数据的加解密、压缩/解压缩等,本地表示1,本地表示2,公共表示,公共表示,表示层,传输层,第5层：会话层(Session) 建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。 会话：完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换。 同步（解决失败后从哪里重新开始） 设置检查点会话失败后，恢复到最后一个检查点处，而不用从头开始。 例如：数据送到打印服务器上打印。接收的数据已被确认，但打印机出现故障。这时没必要再从头开始打印，只要在每页开始处设置检查点，打印出错时只需重传最后一个检查点以后的页面。,活动管理，保证活动的完整性和正确性。 活动：相对独立的一组相关操作。 例如：一次会话传送多个文件，其中每一个文件的传送为一个活动。,第4层：传输层(Transport) 为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务；屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。 进行数据分段并组装成报文流； 提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务； 传输差错校验与恢复； 信息流控制，防止数据传输过载。,数据报与虚电路的概念 数据报：无连接的服务；虚电路：面向连接的服务 数据报每个分组作为一个独立的信息单位传送 特征：不需要连接，也无需确认 完整的网络地址（源和目的）信道利用率低 不保证按序到达；每个分组均需进行路由选择 虚电路传输前先建立一条逻辑连接，传输结束后拆除 特征：需要建立连接 仅在建立连接时需要全网地址，传输时用虚电路号 按序到达；仅在建立连接时需要路由选择 两类虚电路： 永久虚电路租用后便永久建立，退租后拆除。 交换虚电路需要通信时建立，通信结束便拆除。,传输层的特点 传输层以上各层：面向应用；以下各层：面向传输。传输层位于资源子网和通信子网的交界处，起着承上启下的作用。 与网络层的部分服务有重叠交叉。如何平衡取决于两者的功能划分。 真正意义上的从源到目标实现“端到端”连接 的层。 1-3层：链接中继； 4-7层：端到端,第3层：网络层(Network) 在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。 功能和服务 最佳路由选择和数据包中转 流量控制和拥塞控制 差错检测与恢复 流量统计和记账,路由选择 如何在多条通信路径中找一条最佳路径？ 依据：速度,距离(步跳数),价格,拥塞程度 路由表建立与维护 静态：人工设置，只适用于小型网络 动态：运行过程中根据网络情况自动地动态 维护 路由算法 距离向量算法：RIP、CGP等 链路状态算法：OSPF等,第2层：数据链路层(Data Link) 在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为一条无错的线路。 所关心的问题包括： 物理地址、网络拓扑； 组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送,并处理返回的确认帧； 定界与同步：产生/识别帧边界； 差错恢复：采用重传（ARQ）的方法； 流量控制：收发双方传输速率的匹配。,广播式信道问题(LAN or Wireless)： 涉及到如何控制对共享信道的访问。 将数据链路层划分为逻辑链路控制(Logical Link Control, LLC)和介质访问控制子层(Media Access Control，MAC)两个子层，由MAC子层解决介质访问控制问题。 两种主要的介质访问控制方法： - CSMA/CD - TOKEN PASSING Token Ring Token Bus,链路层帧的结构,A：MAC地址字段，包括源地址和目的地址 C：控制字段 FCS：帧检验序列，一般采用CRC校验。其校验范围包括A、C和Data字段,网络层的分组被封装在帧的Data域中,第1层：物理层(Physical) 实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。 定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。 数据终端设备DTE、数据电路端接设备DCE DTE用于处理用户数据的设备。如计算机、路由器。 DCE用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式。如MODEM。,物理层的特性包括： 机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格 电气特性：信号电平，脉冲宽度，频率，数据传送速率，最大传送距离等 功能特性：接口引脚的功能作用 规程特性：信号时序，应答关系，操作过程,3.1.3 OSI参考模型的基本概念,对等通信示例：中德教师之间的对话,问题： 中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？ 翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？ 中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？,3.1.3 OSI参考模型的基本概念,对等层通信的实质： 对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务 实际通信在最底层完成 右图给出了对等层通信更一般的抽象。,3.1.3 OSI参考模型的基本概念,协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、 标准或约定。 不同层具有各自不同的协议。 实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。 对等层：两个不同系统的同名层次。 对等实体：位于不同系统的同名层次中的两个实体。 协议作用在对等实体之间。 接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的 操作及下层对上层的服务。 服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供 给其相邻上层。,3.1.3 OSI参考模型的基本概念,N服务：N层中能被上N1层直接使用的功能。 N实体本身提供的某些功能； 本系统N1层以及以下各层提供的服务； 为与另一开放系统中对等N实体通信而提供的服务； N1层可以通过使用N层的功能，却不能看见N1及以下层提供的服务； N服务是N1层所看到的服务，并不是N层实现全部功能。 N用户：接受N服务的相邻上一层实体。 N协议：两个对等N实体通信规则的集合。,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,3.1.3 OSI参考模型的基本概念,OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)。 而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称： 传输层数据段（Segment） 网络层分组（数据报）（Packet） 数据链路层数据帧（Frame） 物理层比特（Bit）,3.1.3 OSI参考模型的基本概念,数据封装 一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打包的过程称为封装。 封装就是在数据前面加上特定的协议头部。,发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，还要写明用航空或挂号。,数 据,3.1.3 OSI参考模型的基本概念,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。,数据,数据 段 数据包 帧 比特 电脉冲,011101000011000010100101111010110,数据多层封装,TCP头,应用层数据,应用层数据,TCP头,应用层数据,IP头,帧头,TCP头,应用层数据,IP头,帧尾,实际例子：TCP/IP协议的封装,应用层,传输层,网际层,数链层,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。 物理层目的：实现两个网络节点直接的透明二进制比特流的传输，对链路层以上屏蔽传输介质的特性。 物理层并不是指物理设备或物理传输介质，而是与有关物理设备以及传输介质连接的描述与规定。但是，在一些具体技术的物理层描述中，有时也包含了传输介质特性部分的说明。 CAN、DeviceNet,3.2 物理层与物理接口协议,物理层功能 物理连接的建立与拆除：当数据链路层实体提出建立连接的请求时，物理层使用有关的协议完成连接的建立过程，在数据信号传输过程中维持这个连接，传输结束后拆除这个连接； 物理层数据单元的传送：定义了编码的类型、位同步方式、数据传输速率，采用单工、半双工、全双工传输方式也要在物理层说明； 传输中出现差错后的处理等管理功能。,3.2.1 物理层概述,通信设备DTE与DCE DTE：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：数据电路端接设备，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。,3.2.1 物理层概述,3.2.1 物理层概述,物理层协议与物理接口协议 物理层的许多模型和协议在OSI RM公布以前已经提出并广泛使用，并没有按照严格的分层来制订，也没有将服务与规范区分开来，所以物理层协议不便采用OSI的术语加以描述，而是描述出DTE与DCE接口的一些特性； 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。,3.2.1 物理层概述,机械特性：规定了DTE、DCE接口界面的物理结构，DTE、DCE通常采用接插件组成的连接器相连，机械特性详细规定了插头和插座的形状和尺寸，插针或插孔的数目及其排列，固定或锁定装置等； 电气特性：规定了在物理连接传输二进制比特流时线路上信号电平高低，驱动器与接收器的阻抗及阻抗匹配、传输速率与接口线距离限制等。,3.2.2 物理接口特性,功能特性：规定了DTE、DCE间各条接口信号线的功能分配和确切定义，信号线按功能一般分为：数据线、控制线、定时线和地线等几类。 规程特性：定义了利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程，也就是在建立、维持物理连接、交换信息及连接释放时，DTE、DCE接口信号线的工作规则和动作时序。,3.2.2 物理接口特性,3.2.3 常用的物理接口标准,计算机控制网络中的计算机之间、计算机与远程终端、计算机与外部设备以及计算机与测量仪表之间的通信，多数情形下采用串行通信方式，而且借助于标准的物理层接口串行通信总线。总线是信息传送的通道，是各部件之间的实际互联线。到目前为止，串行通信总线有很多种，如RS-232C、RS-422、RS-485、SPI总线、I2C总线、SMBus总线，以及现场总线等等。 下面主要介绍两种适用于中小型工业控制系统的常用串行通信总线标准，即RS-232C和RS-422/485。,RS-232C通信总线,RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年修定的一种通信接口标准，专门用于DTE和DCE之间的串行通信。DTE是数据的源点或归宿，通常是指输入、输出设备和传输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控制器。DCE的任务是实现由源点到目的点的传输，通常是指自动呼叫应答设备、调制解调器以及其它一些中间装置的集合。目前RS232C接口已成为计算机的标准配置，如串行口COM1、COM2均为RS-232C总线接口标准。,1信号定义,标准的RS232C接口定义了25个信号针，采用25针接插件DB-25，并规定DTE的接插件为凸形，DCE的接插件为凹形，如图10-14(a)所示。对不需要25针的系统来说，常用9针的简化接插件，如图10-14(b)所示。表10-2给出了常用的9根引脚的信号功能。,(a)25针DB-25 (b)9针DB-9 图10-14 RS232-C接插件,表10-2 常用的RS-232总线接口信号,2电气特性,由于RS-232C是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准。为了增加信号在线路上的传输距离和提高抗干扰能力，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。 而计算机均采用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。,3接口电路,这种电平与逻辑的转换是用专门的集成电路芯片来完成的，早期常用MC1488和MC1489作发送器和接收器。如图10-15所示，发送器MC1488可实现TTL到RS-232C的电平转换，所用正负电源分别是12V；接收器MC1489可实现RS-232C到TTL的电平转换，所用电源是+5V。由于需要12V与+5V供电电压，因此现在更愿意使用一种新的单一电源供电的MAX232芯片。,MAX232芯片的引脚结构及发送/接收过程如图10-16所示，它是一个含有两路发送器和接收器的16脚DIP/SO封装型工业级RS-232C标准接口芯片。芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换为RS-232C输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以。图中给出了其中的一路发送器和接收器，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。 由于采用单端输入和公共信号地线，容易引进干扰。为了保证数据传输的正确，RS-232C总线的传送距离一般不超过15m，传送信号速率不大于20kbps。,需要指出的是，一般PC机如Intel 808/808680586等各种CPU内均没有串行接口，因此在进行串行通信时，都需配备适当的接口适配器，如Intel8250、Intel8251等，以完成CPU与串行接口之间发送数据的并/串转换与接收数据的串/并转换。当然，作为自动化系统的设计者，一般并不关心已成为计算机标准配置的RS232C接口的内部电路，更关心如何利用PC机的RS232C接口构建与外部其它计算机（包括本身带有串行接口的单片微型计算机）或数据通信设备的串行通信问题。,4RS-232C的应用,RS-232C总线标准中包含两个信道主信道和次信道，表10-2中仅给出了常用的主信道接口信号。根据具体的应用场合不同，RS-232C通信主要有以下几种连接方式：,（1）PC机与PC机之间使用MODEM连接,计算机之间通过MODEM或其它数据通信设备DCE使用一条电话线进行通信，如图10-17所示。图中，计算机终端DTE向远程终端DTE发送数据的过程如下：首先DTE向本地DCE（MODEM）发出DTR=“1”和RTS=“1”的信号，表示DTE为本地和远程DCE之间建立通道开了绿灯，同时请求发送数据；此时DCE发回信号DSR=“1”，表示DCE做好发送数据准备，又向DTE发回CTS=“1”，表示准备向DTE发送数据。只有当DTE收到从本地DCE发回肯定的DSR和CTS信号后，DTE才能由TxD线向DCE发送数据。因此，RTS、DTR、DSR、CTS四个信号同时为“1”是TxD发送数据的条件。 当接收数据时，DTE先向本地DCE发出DTR=“1”信号，表示本地和远程DCE之间可以建立通道；一旦通道建立好了，DCE向DTE发出DSR=“1”信号；这时，数据就可以通过RxD线传到DTE。因此，RxD信号产生的条件是DTR和DSR两个信号同时为“1”。至于RxD线上是否有信号，取决于远程DTE是否发送数据。,（2）PC机与PC机之间直接连接,当计算机和终端之间不使用MODEM或其他通信设备(DCE)而直接通过RS-232C接口连接时，一般只需要5根线(不包括保护地线以及本地4、5之间的连线)，但其中多数应采用反馈与交叉相结合的连接法，如图10-18所示。 图中，23交叉线为最基本的连线，以保证DTE和DCE间能正常地进行全双工通信。206也是交叉线，用于两端的通信联络，使两端相互检测出对方“数据已就绪”的状态。45为反馈线，使传送请求总是被允许的。由于是全双工通信，这根反馈线意味着任何时候都可以双向传送数据，用不着再去发“请求发送”(RTS)信号。这种没有MODEM的串行通信方式，一般只用于近程通信。,（3）PC机与PC机之间三线连接法,这是一种最简单的RS-232C连线，只需23交叉连接线以及信号地线，而将各自的RTS和DTR分别接到自己的CTS和DSR端，如图10-19所示。 图10-19(a)中，只要一方使自己的RTS和DTR为“1”，那么它的CTS、DSR也就为“1”，从而进入了发送和接收的就绪状态，这种接法常用于一方为主动设备，而另一方为被动设备的通信中。如计算机与打印机或绘图仪之间的通信。这样，被动的一方RTS与DTR常置“1”，因而CTS、DSR也常置“1”，因此，使其长期处于接收就绪状态，只要主动一方令线路就绪（DTR=“1” ）， 并发出发送请求（RST=“1” ），即可立即向被动的一方传送信息。 图10-19(b)为更简单的连接方法，如果说图10-19(a)所示的连接方法在软件设计上还需要检测“清除发送”(CTS)和“数据设备就绪”(DSR)的话，那么图10-19(b)所示的连接方法则完全不需要检测上述信号，随时都可发送和接收。这种连接方法无论在软件和硬件上，都是最简单的一种方法。,上述几种情形都是PC机与PC机之间，应用RS-232C总线接口标准进行串行通信的。而在中小型计算机控制系统中，常用的一种控制网络模式是一台PC机与若干台单片机系统构成的分散型测控系统。,（4）PC机与单片机之间的通信网络,这种模式是把以单片机为核心的智能式测控仪表作为从机(又称下位机)，完成对工业现场的数据采集和控制任务，而PC机作为主机(又称上位机)将上传数据和下达指令以实现集中管理和最优控制。 图10-20给出了PC机与多个单片机构成的RS-232C通信网络示意图，PC机作主机、n个单片机智能仪表为从机，构成了主从方式的RS-232C串行总线网络。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（可参考图10-16）。,RS-422/485通信总线,RS-232C虽然使用很广，但由于推出时间比较早，所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点，主要表现在：传送速率不够快；传送距离不够远；未明确规定连接器；接口使用非平衡发送器和接收器；接口处各信号间容易产生串扰。所以EIA在1977年作了部分改进，制定了新标准RS-449：除了保留与RS-232C兼容外，还在提高传输速率、增加传输距离、改进电气特性等方面做了很多努力，增加了RS232C没有的环测功能，明确规定了连接器，解决了机械接口问题。 在RS-449标准下，推出的子集有RS-423A/RS-422A，以及RS-422A的变型RS-485。,1RS-423A/RS-422A,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-423A在传送速率为1Kbps时，传送距离可达1200m，在速率为100kbps时，距离可达90m；而RS-422A可以在1200m距离内把传送速率提高到100kbps，或在12米内提高到10Mbps。图10-21给出了RS-232C/RS-423A/RS-422A的数据传送电气接口电路。,在图10-21中，图(a)为RS-232C所采用的单端发送、单端接收电路。该电路的特点是传送信号只用一根导线，对于多路信号线，其地线是公共的。因此，它是最简单的连接结构，但缺点是易收干扰信号的影响。而RS-423A采用了单端发送、双端接收的传送方式，如图(b)所示，利用差分接收器的另一端接发送端的信号地，因而大大地减少了地线的干扰。RS-422A则更进一步采用了双端发送、双端接收的传送方式，如图(c)所示，这种平衡驱动和差分接收方法从根本上消除了地线干扰。这种发送器相当于两个单端发送器，它们的输入是同一个信号，而一个发送器的输出正好与另一个反相。当干扰信号作为共模信号出现时，接收器则接收差分输入电压。只要接收端具有足够的抗共模电压工作范围，它就能识别这两种信号而正确接收传送信号。 RS-423A/RS-422A的另一个优点是允许传送线上连接多个接收器。虽然在RS-232C系统中可以使用多个接收器循环工作，但它每一时刻只允许一个接收器工作，RS-423A/RS-422A可允许10个以上接收器同时工作。,2RS-485,在许多工业过程控制中，往往要求用最少的信号线来完成通信任务。目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是为适应这种需要应运而生的。它实际就是RS-422总线的变型，二者不同之处在于：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。RS-485更适合于多站互连（已经具备了现场总线的概念），一个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。其电路结构是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器，且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。,（1）传送方式,图10-22给出了RS-485与RS-422总线的两种数据传送方式。图（a）为RS-485半双工连接方式，任一时刻只能有一个站发送数据，一个站接收数据。因此，其发送电路必须由使能站加以控制。图（b）由于是全双工连接方式，故两站都可以同时发送和接收。,（2）接口电路,与RS-232C标准总线一样，RS-422和RS-485两种总线也需要专用的接口芯片完成电平转换。MAX481E/ MAX488E分别是只用+5V电源的RS-485/RS-422的8引脚收发器，其结构及引脚如图10-23所示。两个芯片的共同点是都含有一个发送器D和一个接收器R，其中DI是发送输入端，RO是接收输出端。不同的是，图（a）中只有两根信号线A和B，信号线A为同相接收器输入和同相发送器输出，信号线B为反相接收器输入和反相发送器输出，由于是半双工，所以有发送与接受的使能端DE与引脚。而在图(b)中，有两对4根信号线A、B和Y、Z，其中A、B专用作接收器输入，A为同相、B为反相；而Y、Z专用作发送器输出，Y为同相、Z为反相，所以构成了全双工通信。,在控制领域中，以微处理器为核心构成的测控仪表的一个重要技术指标就是具有串行通信接口功能，以前主要是采用RS-232C接口，现在无一例外地是RS-485接口。图10-24给出了AT89C52单片机与芯片MAX487E构成的RS-485接口电路，用单片机的P1.7口控制MAX487E的数据发送和接收，当数据发送时置P1.7为高电平，则使能端DE=1打开发送器D的缓冲门，发自单片机TXD端的数据信息经DI端分别从D的同相端与反相端传到RS-485总线上。当接收数据时把P1.7置于低电平，此时使能端=0打开接收器R的缓冲门，来自于RS-485总线上的数据信息分别经R的同相端与反相端从RO端传出进入单片机RXD端。RS-485总线上的A正（高）B负（低）电平对应的是逻辑“1”，而RS-485总线上的A负（低）B正（高）电平对应的是逻辑“0”。一般地，A与B之间的正负（高低）电压之差在0.22.5V之间。,（3）通信网络,图10-25为以PC机作主机，n个单片智能设备为从机、工作于主从方式的RS-485总线网络的结构图。利用PC机配置的RS-232C串行端口，外配一个RS-232C/RS-485转换器，可将RS-232C信号转换为RS-485信号。每个从机通过MAX487E芯片构建RS-485通信接口，就可挂接在RS-485总线网络上，总线端点处并接的两个120电阻用于消除两线间的干扰。RS-485总线网络传输距离最远可达1200m（速率100 kb/s）、传输速率最高可达10Mb/s（距离12 m）。至于在网络上最多允许挂接多少个从机，这主要取决于232/485转换器的驱动能力与485接口芯片的输入阻抗与驱动能力，如果再加上中继站，可以增加更多的从机数量。,3.3 数据链路层,数据链路层的目的 在物理层提供的物理链路连接和比特流传输功能的基础上，为网络层之间建立、维持和释放点-点间数据链路连接和传输提供方法。 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。,3.3 数据链路层,数据链路层基本功能： 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。 帧同步 数据链路层传输的数据单元称为帧，它将物理层传输的比特流按一定格式分割形成信息块。 帧同步就是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。,3.3 数据链路层,数据链路层基本功能： 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。 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。 差错控制和流量控制 差错控制：传输中帧丢失、帧重复接收。流量控制：发送速率高于接收速率，由于过载造成数据丢失。,3.3 数据链路层,数据链路层基本功能： 透明传输 透明传输是指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。 根据传输中传输信息的基本单元，将数据链路层的传输控制规程分为面向字符型的数据链路控制和面向比特型的数据链路控制。,针对面向字符型的数据链路的不足，1979年ISO提出高级数据链路控制HDLC（High-level Data Link Control）,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC基本概念： 站点类型 主站（Primary Station）：在链路中具有完全通信控制功能的设备或节点，能够主动完成命令的发送、链路管理、流量控制等工作 从站（Secondary Station）：链路中不能完成主站功能的设备和节点，能够接收主站的命令，并响应主站的命令 复合站（Combined Station）：在链路中既可以作为主站又可以作为从站，既可以发送命令又可以响应命令。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC基本概念： 站点类型 当主站希望从从站接收数据时，它将询问从设备是否有数据待发送并请有数据的从站发送数据，这种情况称为轮询； 当主站希望发送数据或命令时，它要告知从站准备好接收数据并发送数据或命令，这种情况称为选择。 链路配置 非平衡配置（主从配置）：链路中具有一个主站设备、一个或多个从站设备。 平衡配置：点到点拓扑中的两个站点都是复合型的。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC基本概念： 通信方式 HDLC支持正常响应（NRM, Normal Response Mode）、异步响应（ARM, Asynchronous Response Mode）和异步平衡（ABM, Asynchronous Balanced Mode ）三种通信模式。 非平衡配置支持正常响应模式和异步响应模式。 平衡配置支持异步平衡模式。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC基本概念： 通信方式 正常响应模式：主站负责链路层的逻辑连接、初始化和差错控制，并能够发起向从站的数据传输和命令传输，从站只有在主站向它探询后才能发出一个或多个响应帧。 异步响应模式：主从站的关系以及从站的功能都和正常响应模式相同，从站可以不需主站探询就发送响应帧。 异步平衡模式：每个复合站可以平等地发起数据传输，而不需要对方复合站的允许。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧结构,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧结构 F标志字段 为1字节，是一个固定的比特组合01111110，是HDLC中帧的起始定界符和终止界定符，在传输中起到了帧同步的作用。 在传输过程中应具有惟一性，只有在帧起始和帧结束时使用。 为了保证数据传输的透明性，即在其他字段也能正常传输01111110比特序列，分别在发送方和接收方采用0比特插入和删除技术（非标志字段的比特序列的每5位连续的1后自动插入1位0）。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧结构 A地址字段 非平衡结构：地址字段写入从站地址； 平衡结构：地址字段写入目的站地址； 广播地址：地址字段全为1； 长度：一般为1字节，也可多字节。每个字节的最低位用于表明接下来的一个字节是否属于地址字段；最低位是0表明接下来的字节是地址的组成部分，最低位1表明本字节是地址字段的结束。 单字节地址字段的地址范围是128。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧结构 C控制字段 一般为1字节，也可2字节。 用来表示帧类型、帧编号以及命令和控制信息，也用来进行流量控制。 HDLC帧包括：信息帧（I）、监控帧（S）和无编号帧（U）。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧结构 I信息字段 HDLC中所要传输的具体信息。 信息帧中的信息字段内是用户数据，在无编号帧中是管理信息。长度一般不超过256。 FCS帧校验字段 用于传输中的CRC校验，一般为16位校验码，也有32位校验码。 参与校验的范围为地址字段、控制字段和信息字段，标志字段和为保证透明传输所插入的0不在校验范围内。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧类型 由帧控制字段C中的帧格式识别位指示，在1字节时 信息帧（I, Information）：最高位0 监控帧（S, Supervisory）：最高2位10 无编号帧（U, Unnumbered）：最高2位11,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧类型 信息帧 N(S)、N(R)序列用于传输流量控制。在双向数据交换中， N(S)指定了本帧的序号，表示当前发送数据帧的顺序号；N(R)是期望接收帧的顺序号，表明前面的（ N(R) -1）帧以前的各帧都已收到，所以N(R) 起到了确认的作用。 P/F（Poll/Final）是探询/终止位，用于流量控制和差错控制。 P/F用于请求帧中称为探询位，位于响应帧中称为终止位，在两种情况下都是1表示有效。 P/F必须成对出现，即主站发送一个P位后，从站一定要在适当的时候回一个F位对应。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧类型 监控帧 不带数据信息。其中N(R) 意义与信息帧中相同，没有N(S)序列，2位S序列意味着含义不同的四种监控帧。 S=00 RR帧。接收准备好 S=10 RNR帧。接收未准备好 S=01 REJ帧。拒绝，用来请求重发N(R)字段中指定的序号开始的全部信息帧。 S=11 SREJ帧。选择拒绝，用来请求重发N(R)字段中指定信息帧。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧类型 无编号帧 本身不带编号， P/F前的2位和P/F后的3位共5位用来表示不同的无编号帧。 无编号帧在数据链路中起控制作用，需要时发出，不影响信息帧的交换顺序。,面向比特型数据链路层协议HDLC,HDLC帧类型,面向比特型数据链路层协议HDLC,数据链路连接与物理连接的关系 开始时，链路两端处于关闭状态，物理线路处于静止状态 链路两端节点开机后，物理线路处于空闲状态，由于未建立数据链接，传输不可靠； 数据链路建立后，可以进行通信，数据链路从建立到释放称为物理线路活动状态，这段时间称数据链路生存期； 最后，在数据链路拆除后，可以释放物理连接，链路两端的节点从开机到关机的时间称为物理连接生存期。 一个物理连接生存期间允许有多个数据链路生存期，数据链路释放时，物理连接不一定释放。,3.4 网络层,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。,3.4 网络层,网络层的基本功能： 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。 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。,3.4 网络层,网络层的基本功能： 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。 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。,3.4 网络层,网络层服务 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。 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。 （1）数据报：不要求接收应答，类似于邮寄信函 （2）确认交付：对每个分组产生一个确认，类似挂号信 （3）请求回答：每个报文发一个应答报文，类似用户一问一答。,路由选择算法,信息从源端传输到目的端，需要经过通信子网中节点的存储转发才能完成，从源端到目的端可以有多条路由，路由选择就是根据适当的路由选择算法来选择最佳路由。 在面向连接网络服务的虚电路方式中，只需在虚电路建立时进行路由选择； 在无连接网络服务中，中继节点要为每个分组转发启动路选算法。,路由选择算法,理想路由选择算法的特点 算法正确 算法简单 算法适应通信与拓扑的变化，路由选择算法的适应性或稳健性 算法应有稳定性 算法对用户应是公平的 对某一性能指标是最佳的，链路长度、链路容量、传输速率、传输时延等,路由选择算法,静态策略是一种不测量、不利用网络状态信息仅按某种固定规律进行决策的简单路由选择算法。 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。,路由选择算法,静态策略 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。,路由选择算法,动态策略依靠当前网络的状态信息进行决策，所以路由选择结果对网络拓扑与网络流量有一定的适应性。 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。,路由选择算法,动态策略依靠当前网络的状态信息进行决策，所以路由选择结果对网络拓扑与网络流量有一定的适应性。 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,3.5 高层协议,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。,3.5.1 传输层,传输层的目的是通过补充和完善下层网络通信服务质量的差异和不足，向上一层提供统一服务质量（QoS）的、透明的数据传输服务；为主机进程之间提供可靠的端端通信。 为了提供两个进程间的可靠通信，传输层需要在网络层及其以下两层服务的基础上，完成两个主机进程之间数据通信的差错控制、流量控制及数据包的正确排序等功能。 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。,3.5.1 传输层,两个进程间建立传输层连接的要求 明确双方的地址并清楚之间的路由 有确切的端口，满足一个网络连接上复用多对进程通信的需要 屏蔽不同通信子网的差异 解决网络层及以下两层自身不能解决的以及由于通信子网节点存储转发带来的传输错误。 传输层协议的复杂程度与网络层提供的服务有关，服务内容取决于网络层所提供的服务质量。 传输层弥补了网络层的差异和不足，完成了数据的“搬移”，向上层提供统一的服务。,3.5.1 传输层,传输层协议 传输层服务 面向连接的传输服务；面向非连接的传输服务 网络服务质量 （1）A型网络：提供具有可接受的差错率和可接受的故障通知率的服务 （2）B型网络：提供具有可接受的差错率和不可接受的故障通知率的服务 （3）C型网络：提供具有不可接受的差错率和不可接受的故障通知率的服务,3.5.1 传输层,传输层协议 传输层协议分类 （1）TP0（简单类）：没有多路复用、网络连接故障恢复等功能，流量控制也依靠网络层提供的流量控制功能，连接的建立与释放仅靠网络层的连接建立与释放，是最简单端端连接。支持A型网络。 （2）TP1（基本差错恢复类）：提供基本差错恢复，当出现网络断开或连接失败时能够建立另一条网络连接。支持B型网络。,3.5.1 传输层,传输层协议 传输层协议分类 （3）TP2（简单与多路复用类）：与TP0相比，增加了多路复用功能，即支持多个传输连接共享同一个网络连接，并具备复用条件下的流量控制能力。支持A型网络。 （4）TP3（差错控制复用类）：既有差错控制功能，又有多路复用功能，相当于TP1与TP2的综合。支持B型网络。 （5） TP4（差错检测与复用类）：最为全面也最复杂，具有差错检测、差错恢复及复用等功能，在网络服务质量很差的条件下，仍能保证可靠的端端通信。支持C型网络。,