工业控制网络技术基础.ppt

第二章工业控制网络技术基础 2 1局域网技术 1 局域网的概念 所谓局域网 就是存在于局部地区范围内的网络 它所覆盖的地区范围较小 局域网在计算机数量配置上没有太多的限制 少的可以只有两台 多的可达几百台 一般来说 在企业局域网中 工作站的数量在几十到两百台 在网络所涉及的地理距离上可以是几米至几千米 局域网一般位于一个建筑物或一个单位内 不存在寻径问题 不包括网络层的应用 1 主要特点 1 一般特点 较小的物理范围 以微机为主要联网对象 通常属于某个部门和单位 价格低廉2 技术特点 具有更高的传输速率 10 1000Mbit s 通常多个站共享一个传输介质 误码率低 具有较低的时延 具有高可靠性和安全性 易于扩缩和管理 2 基本组成LAN由五个基本部件构成计算机 特别是PC 传输介质网络适配器 网卡 网络连接设备网络操作系统 3 IP地址介绍IP地址即互联网地址 Internet地址 它是用来唯一标识互联网上计算机的逻辑地址 IP地址长度是32bits 4个字节 用4个以小数点隔开的十进制整数表示 IP地址由网络号 Network 和主机号 Host 两部分构成 子网掩码是个与IP地址相对应的32位数字 掩码可以确定IP地址的网络号 子网号和主机号是如何划分的 掩码为 1 的位 所对应的IP地址部分为网络号和子网号 掩码为 0 的位 所对应的IP地址部分为主机号 掩码的表示与IP地址相同 也用4个点分十进制整数表示 如 255 255 255 0 网关是与主机连在同一个子网的路由器端口的IP地址 不同子网之间的数据转发全靠路由器完成 2 局域网拓扑结构 计算机网络的组成元素可以分为两大类 即网络节点和通信链路 网络中节点的互连模式叫网络拓扑结构 物理拓扑指连接网络设备的物理线缆的铺设形式拓扑结构通常是指物理拓扑结构逻辑拓扑数据流在物理线缆中传输的形式物理拓扑可能与逻辑拓扑形状不同 局域网常见的拓扑结构总线 树形 环形 星形 1 星形拓扑结构所有的计算机连到一个中心节点上 中心节点的设备通常由主机或集线器担当 星形拓扑的特点物理结构的特点所有站点直接与中央节点相连各站点之间无直接连线站点之间通信必须通过中央节点转发逻辑结构的特点中央节点的处理能力决定了网络的逻辑拓扑如为HUB 网络的逻辑拓扑为总线型如为交换机 则网络的逻辑拓扑为星型 中央节点为HUB的Ethernet 逻辑上等效于 1 2发送3 6接收 双绞线介质 收发各用一对线 平衡驱动 站点与HUB之间采用直连电缆 HUB接收每个站点信息并向其他站转发 数据充满整个网络 仍为逻辑上的总线 数据通信具有总线型网络的特点 冲突 竞争信道 收 发规则 共享总线速率等 优点 查找故障方便 便于维护和管理个别站点的故障对网络无影响站点进出很自由介质访问方法简单缺点 对中央节点的可靠性和冗余度要求很高 2 环形拓扑结构 由连接成封闭回路的网络节点组成 每一节点与它左右相邻的节点相连接并最终形成一个 环状 结构 连接特点 通过转发器与单向链路连成环状各站点通过转发器接入环中逻辑拓扑 环形 通信特点 数据单向传输 同时只能有一个站点发送广播通信方式 数据绕环一周 所有站点都能收到数据传输中需要指定源 目的地址需要某种机制决定谁发送 令牌 需要对发送规则进行监控和管理 令牌管理 需对数据进行插入 接收 删除处理 避免循环 数据在每个站点重新转发 信号强度大 环网转发器功能 对数据波形进行整形 放大对途经的数据进行监听并沿环向下转发 延时理想值为1位 对出环或故障的站点进行旁路 维持环的正常工作 环网的数据传输 准备工作数据成帧得到令牌 发送权 传输过程帧途经的转发器判别地址若地址相符 将数据传向所连站点 同时修改有关位 接收信号 并向下转发 若地址不符 则只将数据向下转发发送站边发边监听上行链路数据数据帧绕环一周回到本地 站点吸收本数据帧 同时产生新令牌当令牌在环中传输时 便开始新一轮的传输 优点 高速运行避免碰撞 结构简单潜在问题 任一转发器或任一段链路故障都将导致网络瘫痪故障查找困难 需要漫游整个网络才能定位故障点新增站点困难 需要新增转发器可能还要重新拉线可靠性要求和转发器的积累时延限制了环的规模需要站点兼任监控站监测环的状态 3 总线型拓扑结构 一种使用同一介质或电缆连接所有端用户的方式 即连接端用户的物理介质由所有设备共享 总线拓扑 总线型拓扑结构特点 连接特点 所有站点通过搭接头直接与总线相连逻辑拓扑 总线型通信面临的问题 任一站点发送 其他所有站点都能收到 数据传输无方向性需要指明由谁发送 源地址 发给谁 目标地址 多个站点同时发送时 会发生冲突 同时只能一个站点发送一个站点连续发送时间过长 其他站点将不能发送 公平性 站点只能采用半双工方式 全双工 FullDuplex 是指在发送数据的同时也能够接收数据 两者同步进行 这好像我们平时打电话一样 说话的同时也能够听到对方的声音 目前的网卡一般都支持全双工 半双工 HalfDuplex 所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生 举个简单例子 一条窄窄的马路 同时只能有一辆车通过 当目前有两辆车对开 这种情况下就只能一辆先过 等到头后另一辆再开 这个例子就形象的说明了半双工的原理 早期的对讲机 以及早期集线器等设备都是基于半双工的产品 随着技术的不断进步 半双工会逐渐退出历史舞台 单工通信是指通信线路上的数据按单一方向传送 总线型结构的数据传输 A站 B站 C站 站点C发数据给站点A接收 传输准备 站点C将数据组成帧格式 头部含源 C 宿地址 A 站点C传输之前需先竞争到信道 传输过程 C将帧发出 传到B站 地址不符丢弃 传到A站 地址相符接收 2 2局域网网络体系结构 分层结构的相关术语 概念层与对等层层 一种逻辑划分 功能被明确定义对等层 也叫同层 指互连系统中相同的层实体与对等实体实体 每一层活跃的元素可收发信息的东西 硬 软件均可 如网卡 应用程序等 是实现层功能的主体每一个层可有多个实体 对等实体 对等实体一定成对出现在互连系统的同层中对等实体一定执行相同的协议 能相互通信对等实体之间通信一定是透明的 报文格式 大小一样 不同层的实体不能通信 服务 接口 协议 n PDU n协议 实体 SAP 向上层提供的服务 服务 下层实体通过层间接口为上层实体提供的通信功能 服务访问点 SAP ServiceAccessPoint 相邻层之间交换数据的地方 也叫层间接口 每个SAP具有唯一的标识地址 每个实体提供多个SAP 供不同的上层协议使用 每个SAP由一个实体提供 一个上层协议可使用多个SAP 协议 对等实体之间通信时共同遵守的规约 协议具有三要素语法 信息的格式 由哪几部分组成 语义 信息的含义及控制信息 各部分的具体意义 时序 信息交换的步骤与顺序等PDU ProtocalDataUnit 对等实体间交换的数据单元 由数据头部和上层数据组成 进一步理解协议与服务 服务涉及本地系统上下层实体之间的通信 垂直方向 协议涉及互连系统同层实体之间的通信 水平方向 协议独立于服务 可用不同的协议提供同一服务 协议是提供服务的基础 是完成层功能的基础 OSI参考模型 OS1 RM OSI OpenSystemInterconnectionReferenceModel 开放系统互连参考模型OSI模型由ISO提出ISO InternationalStandardOrganization制定OSI标准的目的 使不同的计算机网络能够互连要求各大公司按照OSI标准制造计算机网络 OSI七层标准模型 OSI模型各层功能 1 物理层 physicallayer 1 主要作用 实现相邻节点之间比特数据流的透明传送 尽可能屏蔽具体传输介质和物理设备的差异 利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接 物理信道 为数据链路层提供比特流服务 物理层是所有网络的基础 主要关心的问题有 用多少伏特电压表示 1 多少伏特电压表示 0 一个比特持续多少微秒 是单工 半双工还是全双工 最初的连接如何建立和完成 通信后连接如何终止网络接插件有多少针以及各针的用途 信道的最大带宽 传输介质 例如 是有导线的还是无导线的等 传输方式 是基带传输还是频带传输 或者二者均可 多路复用技术 FDM TDM和WDM波分多路复用Wave lengthDivisionMultiplexing 等等 2 物理层的主要功能 物理连接的建立 维持和拆除 实体之间信息的按比特传输 实现四大特性的匹配 机械特性 电气特性 功能特性 规程特性 3 物理层标准 物理层标准主要任务就是要规定DCE设备和DTE设备的接口 包括接口的机械特性 电气特性 功能特性和规程特性 DTE是数据终端设备 数据电路端接设备DCE DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能 并且负责建立 保持和释放数据链路的连接 DTE通过DCE与通信传输线路相连 如图所示 是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准 物理或机械特性 规定了DTE和DCE之间的连接器形式 包括连接器形状 几何尺寸 引线数目和排列方式等 电气特性 规定了DTE和DCE之间多条信号线的连接方式 发送器和接收器的电气参数及其他有关电路的特征 电气特性决定了传送速率和传输距离 功能特性 对接口各信号线的功能给出了确切的定义 说明某些连线上出现的某一电平的电压表示的意义 规程特性 规定了DTE和DCE之间各接口信号线实现数据传输的操作过程 顺序 物理层标准举例 EIARS 232C V 24接口标准RS是RecommendedStandard的缩写 即推荐标准 RS 232 C接口标准与国际电报电话咨询委员会CCITT的V 24标准兼容 是一种非常实用的异步串行通信接口 RS 232 C建议使用25针的D型连接器DB 25 但是在微型计算机的RS 232C串行端口上 大多使用9针连接器DB 9 如下图所示 4 常见物理层设备与组件 物理传输中存在的主要问题第一大问题 信号衰减 信号衰减限制了信号的传输距离 信号衰减还常常会同时伴随着信号的变形 采用信号放大和整形的方法来解决信号衰减及其变形问题 第二大问题 噪声干扰 噪声可能导致信号传输错误 即接收端难以从混杂了较大噪声的信号中提取出正确的数据 减少噪声的措施 如抵消与屏蔽 良好的端接和接地技术等 常见物理组件 RJ 45插座RJ 45头 DB 25到DB 9的转换器 常见物理层设备 中继器 repeater 和集线器 hub 功能 连接相同的LAN网段 对从入口输入的物理信号进行放大和整形 然后再从出口输出 转发 中继器具有典型的单进单出结构 集线器是多端口中继器 集线器常见的端口规格有4口 8口 16口和24口等 如下图所示 数据链路层 主要任务是负责相邻节点之间的可靠传输 通过加强物理层传输原始比特的功能 使之网络层表现为一条无错线路 数据链路层的传输单元为帧 主要关心 1 成帧与拆帧 以帧 frame 为单位 产生帧 识别帧的边界 2 差错控制 3 流量控制 防止高速的发送方的数据将低速的接收方 淹没 4 广播式网络在数据链路层还要处理 如何控制对共享信道的访问 等等 数据链路层的主要功能数据链路层的功能是为网络层提供连接服务 并在数据链路连接上传送帧 帧是数据链路层数据的传输单位 一般为网络层提供3种服务 无确认的无连接服务 特点 发送前不建立数据链路连接 需要通信时 发送方的数据链路层即可直接发送任意长的信息 传输时接收方也不应答 出错和数据丢失时也不做处理 适用场合 线路误码率很低或对传送实时性要求很高的场合 有确认的无连接服务 特点 发送前不建立数据链路连接而直接发送数据 接收数据链路层能接收帧 并经校验 如果正确 则返回应答帧 不能接收或接收后校验不正确 则返回否定应答 发送端要么重发 要么暂不发数据 适用场合 不可靠信道的信号传输 有确认的面向连接的服务 特点 进行一次数据传送分为3个阶段 数据链路建立 数据帧传送和数据链路的释放 面向连接的服务在数据传送阶段对每个帧都要确认 发送方收到确认后才能发送下一个帧 服务质量好 链路层应具备如下功能 链路连接的建立 拆除 分离 帧定界和帧同步 链路层的数据传输单元是帧 协议不同 帧的长短和界面也有差别 但无论如何必须对帧进行定界 顺序控制 指对帧的收发顺序的控制 链路标识 流量控制 通过引入某种反馈机制完成 差错检测和恢复 差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码 而帧丢失等用序号检测 各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成 数据链路层的典型协议是OSI标准协议集中的高级数据链路控制 HDLC 协议 OSI参考模型的数据链路层在IEEE802局域网标准中被分为介质访问控制 MAC 子层与逻辑链路控制 LLC 子层 MAC子层负责解决共享信道的介质访问控制 LLC子层完成通常意义下的数据链路层功能 本层指定拓扑结构并提供硬件寻址 网络层 数据链路层协议只能解决相邻两个节点间的数据传输问题 不能解决由多条链路组成通路的数据传输问题 而当数据终端增多时 它们之间有中继设备相连 此时会出现一台终端要求不只是与唯一的一台而是能和多台终端通信的情况 这就是产生了把任意两台数据终端设备的数据链接起来的问题 也就是路由或者叫寻径 网络层的任务就是要选择合适的路由 为传输层提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输的通路 网络层数据的传送单位为报文或报文分组 网络层向上层 传输层 提供的服务有两大类 即面向连接的网络服务 虚电路服务 和无连接的网络服务 数据报服务 虚电路服务传送方式 建立连接 数据传输 释放连接 分组沿一条网络连接串行前进 收发顺序一致 差错和流量控制由网络负责 适用范围 定对象 长报文 会话型传输 数据报服务传送方式 数据直接发送无需事先连接 各分组可经由不同的中转路径独立传送 排序由传输层完成 差错控制由主机承担 适用范围 需要将一个分组发送到多个目的地 网络层应具备以下主要功能 路由选择和中继 激活 终止网络连接 在一条数据链路上复用多条网络连接 多采取分时复用技术 差错检测与恢复 排序 流量控制 服务选择 网络管理 网络层主要解决的是路由选择和流量控制等问题 路由选择路由选择算法 在网络中源节点和目标节点之间找到一条最佳的或合适的路径 可分为静态路由选择算法 预先配置好 和动态路由选择算法 根据实际情况配置 两大类 流量控制流量是指计算机网络中的通信量 网络的吞吐量随输入负载的增大而下降 即拥塞 吞吐量下降至零时网络瘫痪 即死锁 流量控制的功能就是要防止网络由于过载而引起网络数据吞吐量下降和时延增加 避免死锁 公平地在相互竞争的用户之间分配资源 传输层 传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时 第一个端到端 即进程到进程 的层次 具有缓冲作用 当网络层服务质量不能满足要求时 它将服务加以提高 以满足高层的要求 当网络层服务质量较好时 它只用很少的工作 传输层还可进行复用 即在一个网络连接上创建多个逻辑连接 传输层也称为运输层 传输层只存在于端开放系统中 是介于低3层通信子网系统和高3层之间的一层 是整个协议层次结构的核心 因为它是源端到目的端对数据传送进行控制从低到高的最后一层 传输层的功能就是在网络层的基础上 完成端到端的差错纠正和流量控制 并实现两个终端系统间传送的分组无丢失 无重复 无差错 分组顺序正确 传输层屏蔽通信子网间的差异 向上层提供标准完善的服务 各种通信子网在性能上存在着很大差异 例如电话交换网 分组交换网 公用数据交换网 局域网等通信子网都可互连 但它们提供的吞吐量 传输速率 数据延迟通信费用各不相同 然而对于会话层来说 却要求有一性能恒定的界面 传输层就承担了这一功能 它采用分流 合流 复用 介复用技术来调节上述通信子网的差异 使会话层感受不到它们的差别 传输层面对的数据对象已不是网络地址和主机地址 而是和会话层的界面端口 上述功能的最终目的是为会话层提供可靠的 无误的数据传输 传输层端口的概念端口就是传输服务访问点 TSAP 端口的作用就是让各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给传输层 以及让传输层知道应当将其数据段或者报文中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程 从这个意义上讲 端口是用来标识应用进程 传输层的任务是根据通信子网的特性 最佳的利用网络资源 为两个端系统的会话层之间 提供建立 维护和取消传输连接的功能 负责端到端的可靠数据传输 在这一层 信息传送的协议数据单元称为段或报文 传输层的服务可分为面向连接和无连接两种 面向连接的传输层协议使用最广泛 一般要经历传输连接建立阶段 数据传送阶段 传输连接释放阶段3个阶段才算完成一个完整的服务过程 而在数据传送阶段又分为一般数据传送和加速数据传送两种 传输层服务分成5种类型 基本可以满足对传送质量 传送速度 传送费用的各种不同需要 协议等级 传输层服务通过协议体现 因此传输层协议的等级与网络服务质量密切相关 根据差错性质 网络服务按质量可分为以下三种类型 A类服务 低差错率连接 即具有可接受的残留差错率和故障通知率 C类服务 高差错率连接 即具有不可接受的残留差错率和故障通知率 B类服务 介于A类服务与C类服务之间差错率的接受与不可接受是取决于用户的 因此 网络服务质量的划分是以用户要求为依据的 OSI根据传输层的功能特点 定义了以下五种协议级别 0级 简单连接 只建立一个简单的端到端的传输连接 并可分段传输长报文 1级 基本差错恢复级 在网络连接断开 网络连接失败或收到一个未被认可的传输连接数据单元等基本差错时 具有恢复功能 2级 多路复用 允许多条传输共享同一网络连接 并具有相应的流量控制功能 3级 差错恢复和多路复用 是1级和2级协议的综合 4级 差错检测 恢复和多路复用 在3级协议的基础上增加了差错检测功能 传输层的典型协议是TCP IP TCP IP的传输层同时提供两个不同的协议 传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP TCP提供面向连接的服务 由于TCP要提供可靠的 面向连接的传输服务 因此不可避免地增加了许多的开销 这不仅使协议数据单元的头标增加了更多的域 还要占用许多的处理机资源 UDP提供无连接的服务 在传送数据之前不需要先建立连接 对方的传输层在收到UDP数据报后 不需要给出任何确认 虽然UDP不提供可靠投递 但在某些情况下UDP是一种最简单有效的工作方式 例如视频点播等实时应用常使用UDP 会话层 会话层以下的各层都是面向通信的 而会话层以上的各层是面向应用的 因此可看作是用户与网络的接口 在会话层及以上的高层次中 数据传送的单位不再另外命名 统称为报文 会话层的基本任务是实现两主机之间原始报文的传输 但它不参与具体的传输 它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制 如服务器验证用户登录便是由会话层完成的 会话层提供的服务主要为会话连接管理和会话数据交换两大部分 会话连接是建立在传输连接基础上的 会话连接与传输连接有3种对应关系 一个会话连接对应一个传输连接 多个会话连接对应一个传输连接 一个会话连接对应多个传输连接会话层提供的服务 管理会话 会话层允许信息同时双向传输 或任一时刻只能单向传输 令牌管理 tokenmanagement 有些协议保证双方不能同时进行同样的操作 这一点很重要 为管理这些活动 会话层提供令牌 令牌可以在会话的双方之间交换 只有持有令牌的一方可以执行某种关键操作 另一种服务是会话同步 synchronization 会话层使用校验点 同步点 可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信 表示层 与低五层提供透明的数据运输不同 表示层是处理所有与数据表示及运输有关的问题 包括数据的转换 加密和压缩 每台计算机可能有它自己的表示数据的内部方法 例如 码与 码 所以需要协定来保证不同的计算机可以彼此理解 开放系统互连环境的应用层负责处理语义 表示层负责处理语法 下面五层负责位信息从源到目的地的有序移动 为使各个系统间交换的信息具有相同的语义 应用层采用了相互承认的抽象语法 抽象语法是对数据一般结构的描述 表示实体实现抽象语法与传送语法间的转换 而应用实体解决与对方应用实体抽象语法的不同之处 传送语法是同等表示实体之间在通信时对用户信息的描述 是对抽象语法比特流进行编码得到的 显示抽象语法与传送语法之间对应关系叫做上下文 表示层的主要功能为 语法转换 将抽象语法转换成传送语法 并在对方实现相反的转换 涉及的内容有代码转换 字符转换 数据格式的修改 以及对数据结构操作的适应 数据压缩 加密等 语法协商 根据应用层的要求协商选用合适的上下文 即确定传送语法并传送 连接管理 包括利用会话层服务建立表示连接 管理在这个连接之上的数据运输和同步控制 利用会话层相应的服务 以及正常地或异常地终止这个连接 总体而言 表示层如同应用程序和网络之间的翻译官 在表示层 数据将按照网络能理解的方案进行格式化 这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同 表示层管理数据的解密与加密 如系统口令的处理 如在Internet上查询你银行账户 使用的即是一种安全连接 你的账户数据在发送前被加密 在网络的另一端 表示层将对接收到的数据解密 除此之外 表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码 应用层 应用层是网络可向最终用户提供应用服务的唯一窗口 其目的是支持用户联网的应用的要求 应用层Appliction向应用程序提供服务 这些服务按其向应用程序提供的特性分成组 并称为服务元素 有些可为多种应用程序共同使用 有些则为较少的一类应用程序使用 应用层是开放系统的最高层 是直接为应用进程提供服务的 其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时 完成一系列业务处理所需的服务 其服务元素分为两类 公共应用服务元素CASE和特定应用服务元素SASE CASE提供最基本的服务 它成为应用层中任何用户和任何服务元素的用户 主要为应用进程通信 分布系统实现提供基本的控制机制 特定服务SASE则要满足一些特定服务 如文卷传送 访问管理 作业传送 银行事务 订单输入等 这些将涉及到虚拟终端 作业传送与操作 文卷传送及访问管理 远程数据库访问 图形核心系统 开放系统互连管理等等 简单一点描述应用层应该是 用户通过应用层的协议去完成用户想要完成的任务 例子 如果你想上网 那么你会首先打开Ie浏览器里输入想要冲浪的网址 如果可以上网的话自动会出现网页画面 网页本身没有在本地 那怎么可以浏览网页呢 这是因为有了应用层的协议http 超文本传输协议 来帮助用户与远端的WEB服务器进行连接且请求传输文件 就这样用户就可以通过应用层的协议来完成用户要浏览网页的任务了 常用的应用层协议有 HTTP 超文本传输协议FTP 文件传输协议TELNET 远程登录SNMP 简单网络管理协议SMTP 简单邮件传输协议NNTP 网络新闻组传输协议DNS 域名解析协议 OSI模型的数据封装与传输 通过OSI层 信息可以从一台计算机的软件应用程序传输到另一台的应用程序上 例如 计算机A上的应用程序要将信息发送到计算机B的应用程序 则计算机A中的应用程序需要将信息先发送到其应用层 第七层 然后此层将信息发送到表示层 第六层 表示层将数据转送到会话层 第五层 如此继续 直至物理层 第一层 在物理层 数据被放置在物理网络媒介中并被发送至计算机B 计算机B的物理层接收来自物理媒介的数据 然后将信息向上发送至数据链路层 第二层 数据链路层再转送给网络层 依次继续直到信息到达计算机B的应用层 最后 计算机B的应用层再将信息传送给应用程序接收端 从而完成通信过程 下面图示说明了这一过程 数据 报文段信包 分组帧比特电 光脉冲 011101000011000010100101111010110 数据多层封装 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 数据的实际传输过程 OSI的七层运用各种各样的控制信息来和其他计算机系统的对应层进行通信 这些控制信息包含特殊的请求和说明 它们在对应的OSI层间进行交换 每一层数据的头和尾是两个携带控制信息的基本形式 对于从上一层传送下来的数据 附加在前面的控制信息称为头 附加在后面的控制信息称为尾 当数据在各层间传送时 每一层都可以在数据上增加头和尾 而这些数据已经包含了上一层增加的头和尾 协议头包含了有关层与层间的通信信息 头 尾以及数据是相关联的概念 它们取决于分析信息单元的协议层 例如 传输层头包含了只有传输层可以看到的信息 传输层下面的其他层只将此头作为数据的一部分传递 对于网络层 一个信息单元由第三层的头和数据组成 对于数据链路层 经网络层向下传递的所有信息即第三层头和数据都被看作是数据 换句话说 在给定的某一OSI层 信息单元的数据部分包含来自于所有上层的头和尾以及数据 这称之为封装 OSI模型的数据封装与传输 发送方A 发送进程 应用层 表示层 物理层 介质 接收方B 介质 物理层 数据链路层 bits 应用层 接收进程 各层数据头部包含各层协议信息 地址信息 指明通信对象 控制信息 指明对等实体对信息的处理方式等 控制网络的IEEE802标准 控制网络在分层结构上遵循IEEE802模型与标准 IEEE局域网参考模型对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层 数据链路层分为逻辑链路子层 LLC 和介质访问控制子层 MAC IEEE802标准见书25页按照IEEE802 3标准组建的控制网络称为以太网控制网络 IEEE802 4标准定义了令牌总线介质访问协议 OSI参考模型与现场总线通信模型 从前述内容可以看出 具有7层结构的OSI参考模型可支持的通信功能是相当强大的 作为一个通用参考模型 需要解决各方面可能遇到的问题 需要具备丰富的功能 工业生产现场存在大量传感器 控制器 执行器等 他们通常相当零散地分布在一个较大范围内 对由他们组成的工业控制底层网络来说 单个节点面向控制的信息量不大 信息传输的任务比较简单 但实时性 快速性的要求较高 典型的现场总线协议模型如下图所示 他采用OSI模型中的3个典型层 物理层 数据链路层和应用层 在省去中间3 6层后 考虑现场总线的通信特点 设置一个现场总线访问子层 他具有结构简单 执行协议直观 价格低廉等优点 也满足工业现场应用的性能要求 它是OSI模型的简化形式 其流量与差错控制在数据链路层中进行 总之 开放系统互连模型是现场总线技术的基础 自20世纪80年代以来逐渐形成了几种有影响的现场总线技术 他们大都以国际标准组织的开放系统互连模型作为基本框架 并根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准 在较大范围内取得了用户与制造商的认可 基金会现场总线通信模型 FF现场总线模型结构如图3所示 他采用了OSI模型中的3层 物理层 数据层和应用层 隐去了第3 6层 其中物理层 数据链路层采用IEC ISA标准 应用层有2个子层 现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS 并将从数据链路到FAS FMS的全部功能集成为通信栈 CommunicationStack FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范 根据不同要求 采用不同的数据访问工作模式 现场总线信息规范子层FMS的基本功能是面向应用服务 生成规范的应用协议数据 LonWorks通信模型 它采用了OSI模型的全部7层通信协议 被誉为通用控制网络 其各层作用和所提供的服务见书28页图2 12 Profibus通信模型 Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准 其参考模型见图2 10 它采用了OSI模型的物理层和数据链路层 外设间的高速数据传输采用DP型 隐去了第3 7层 而增加了直接数据连接拟合 作为用户接口 FMS型则只隐去了3 6层 采用了应用层 CAN通信模型 CAN只采用了ISO OSI模型全部7层中的2层 物理层和数据链路层 物理层又分为物理信令 PLS PhysicalSignalling 物理媒体附件 PMA PhysicalMediumAttachment 与媒体接口 MDI MediumDependentInterface 3部分 完成电气连接 实现驱动器 接收器特性 定时 同步 位编码解码 数据链路层分为逻辑链路控制与媒体访问控制2部分 分别完成接收滤波 超载通知 恢复管理 以及应答 帧编码 数据封装拆装 媒体访问管理 出错检测等 在广泛的工业领域 CAN总线可作为现场设备级的通信总线 并且与其他的总线相比 具有很高的可靠性和性能价格比 介质访问技术 介质访问技术 研究如何有效的利用通道 介质 的问题 介质访问控制方式可分为集中控制和分散控制 集中控制 在网络中设置一个中心控制器 由它来分配各站点的发报权 多采用轮询方式 优点 在优先级及介质分配方面容易控制 站点用于通信的软硬件体系结构简单 缺点 控制中心的故障会影响全网 分散控制 将控制作用分散在各站点上 按一定的方式获得发报权 令牌方式与随机控制方式均属于分散控制方式 载波侦听多址访问 载波侦听多址访问 CSMA 的技术 也叫做先听后说 LBT 希望传输的站首先对媒体进行监听以确定是否有别的站在传输 如果媒体空闲 该站可以传输 否则 该站将避让一段时间后再尝试 需要有一种退避算法来决定退让时间 常用的有三种算法 持续CSMA1 如果媒体是空闲的 则可以发送 2 如果媒体是忙的 则继续监听 直至检测到媒体空闲 立即发送 3 如果有冲突 在一段时间未收到肯定的回复 则等待一随机量的时间 重复步骤 优点 只是媒体空闲 站点就立即发送缺点 假如有两个或两个以上的站点有数据要发送 冲突就不可避免 非持续CSMA1 如果媒体是空闲的 则可以发送 2 如果媒体是忙的 则等待由概率分布决定的 一定量的重发延迟时间 然后重复骤 优点 采用随机的重发延迟时间可以减少冲突的可能性 缺点 即使有几个站有数据要发送 媒体仍然可能处于空闲状态 媒体的利用率较低 概率持续CSMA1 监听总线 如果媒体是空闲的 则以P的概率发送 而以 1 P 的概率延迟一个时间单位 时间单位通常等于最大的传播延迟a的 倍 a 传播时间 发报时间2 如果媒体是忙的 继续监听直至媒体空闲并重复步骤 3 如果传输延迟了一个时间单位 则重复步骤 优点 既能象非持续算法那样减少冲突而又能象持续算法那样减少媒体空闲的时间 上述三种算法如图6 11所示 带碰撞检测的载波侦听多址访问 CD CSMA CD介质访问控制协议就是IEEE802 3 它适合于总线型拓扑结构的LAN 它有效地解决了总线LAN中介质共享 信道分配和信道冲突等问题 属 边听边讲 CSMA CD规定 每个站都可以独立地决定信息帧的发送 即任何站点在准备好要传送的信息后 就可以向外发送 发送遵循下列规则 发送之前必须先侦听总线 若总线空闲 就立即发送 若总线忙 则继续侦听 一旦发现总线空闲 就立即发送 若在发送过程中检测到信号 冲突 就立即停止信息发送 并发出一个短的干扰信号 使所有站点都知道出现了 冲突 干扰信号发出后 等待一个随机时间 再重新尝试发送 信息的接收过程当信息帧经总线传输时 网上各站都可以接收到 但只有站址和数据帧的目的地址相符合时 才会将信息帧接收下来 若地址不符合 则不予保存 CSMA CD工作原理 在 算法中 一旦检测到冲突 并发完阻塞信号后 为了降低再冲突的概率 需要等待一个随机时间 然后再次使用 方法试图传输 为了保证这种退避维持稳定 采用了一种称为二进制指数避的技术 其算法的过程如下 对每个帧 当第一次发生冲突时 设置参量 退避间隔取 到 个时间片中的一个随机数 个时间片等于 当帧重复发生一次冲突 则将参量 加倍 设置一个最大重传次数 超过这个次数 则不再重传 并报告出错 这个算法是按后进先出的次序控制的 即未发生冲突 或很少发生冲突的帧 具有优先发送的概率 而发生过多次冲突的帧 发送成功的概率反而小 thernet网就是采用CSMA CD算法 并用二进制指数退避和 坚持算法 这种算法在低负荷时 如媒体空闲时 要发送帧的站点能立即发送 在重负荷时 仍能保证系统稳定 对于基带总线而言 用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间最大的传输延迟的两倍 对于宽带总线而言 冲突检测时间等于任意两个站之间最大传输延迟的四倍 基带传输冲突时间说明 若B刚发出几个比特就发生冲突 B检测到冲突立刻停止发送 由于冲突时间很短 冲突信号经线路衰减 可能使A检测不出冲突 为此站点B在停止发送报文后 随即发送一个加强冲突信号 Jam 以保证有关站点能可靠地检测到冲突 CSMA CD的主要优 缺点CSMA CD的主要优点 算法简单 应用广泛 提供了公平的访问权 具有相当好的延时和吞吐能力 长帧传递和负载轻时效率较高 CSMA CD的主要缺点 需要有冲突检测 存在错误判断和最小帧长度限制 在重载情况下性能变差 令牌环 TOKINGRING介质访问控制协议是IEEE802 5 它适用于环形拓扑结构的LAN 信息帧的发送接收过程TOKINGRING即令牌环 所谓令牌 就是一种特殊的帧 它既无目的地址 也无源地址 TOKINGRING采用令牌作为循环的标记 令牌总是不停地环绕运行 当各站都无信息发送时 此时的令牌为空令牌 如下图A所示 其形式为01111111 当某个站 如A站 欲发送信息时 它必须等到空令牌通过该站时将它截获 并将空令牌改成忙令牌 既01111110 紧跟着忙令牌 把数据帧发送到环上 如下图B示 由于令牌是忙状态 所以其他各站都不能发送信息帧 每个站都随时检测经过本站的帧 当信息帧经过目的站时 由于帧的目的地址与该站的地址相符 于是目的站会接收该帧 此时一面拷贝全部有关信息 一面继续转发该帧 如下图C所示 发送的帧在环上循环一周后再回到发送站 由发送站将该帧从环上移去 同时将忙令牌改为空令牌发送环上 以便其他站能有机会发送信息帧 如下图D所示 令牌传递总线 令牌传递总线介质访问控制协议就是IEEE802 4 它类似于令牌环 但其采用总线型拓扑结构 因此它既具有CSMA CD结构简单 轻负载下延时小的优点 又具有TOKENRING的重负载时效率高 公平访问和传输距离较远的优点 同时还具有传送时间固定 可设置优先级等优点 下图说明了在物理总线上建立一个逻辑环的令牌总线结构 TOKINGBUS的实现原理将网上各站按照一定的顺序形成一个逻辑环 每个站在环中均有一个指定的逻辑位置 它由三个地址决定 本站地址TS 先行站地址PS和后继站地址NS 末站的后继站就是首站 保证首末相连 在TOKENBUS中也有一个令牌 只有令牌持有者才能控制总线 具有发送信息帧的权利 它可以发送一帧或多帧 当该站信息发送完毕或分配的时间已到时 它就将令牌传递到逻辑环中的下一站 从而使这个站具有信息发送权 网上各站可以不参加组成的逻辑环 如上图中有两个站未参加逻辑环 环的组建 初始化和维护 站的插入和退出及令牌的维护是由MAC控制帧来实现的 特点 物理上是总线结构 逻辑上是令牌环 总线上的站不能像CSMA CD那样随机访问总线 而只有令牌获得者才能访问总线令牌的传递不是按站的物理顺序 而是按逻辑顺序 OSI参考模型与TCP IP参考模型 网络接口层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据连路层 物理层 OSI参考模型 TCP IP参考模型 应用层 传输层 网际层 TCP IP协议模型各层功能 应用层向用户提供标准化的应用接口 与OSI一样 包括所用的高层协议传输层实现源 目主机之间的透明通信定义了两个端到端的协议 TCP和UDP网际层 互连网层 主要是将源主机的IP分组传送到目的主机 其间 IP分组可能要穿越多个子网 要完成分组的投递 网际层具备下列功能 协议应指示唯一的全局源 目地址 谁传送给谁 存储 转发及路由选择 沿何路径传送 网络拥塞控制 避免拥挤 尽快传送 最核心的协议是IP 规定IP分组的格式 内容等 是一个面向无连接的 尽力传送的协议 网络接口层 主机至网络层 完成主机与网络的接口TCP IP未对接口协议作具体规定不同的物理网络和主机 可以使用不同的协议 OSI模型的意义与缺陷 缺陷许多功能在多个层次重复 有冗余感 如流量控制 差错控制等 各层功能分配不均匀 链路 网络层任务重 会话层任务轻 功能和服务定义复杂 很难产品化 实际应用中几乎没有完全按OSI七层模型设计的产品 TCP IP协议模型的意义与缺陷 TCP IP是一组Internet协议集TCP IP协议集是一个工业标准是ARPANET实验室研究的成果 在实验中产生并得到验证按照该协议组设计的产品已遍及世界各地缺陷对服务 接口与协议的概念区别不清TCP IP的链路层本身并非实际的一层 只是定义了网络层与数据链路层的接口 LAN常用传输介质 传输介质是发送者与接收者之间的传输媒体不同介质的带宽 延迟 费用和安装维护上都不同介质的特性与型号决定着数据传输的特性和质量介质的带宽决定着数据的传输速率介质对信号的衰减决定着数据的传输距离介质的抗干扰性能影响数据传输的误码率 传输介质分类 有线 无线 同轴电缆 双绞线 光纤 扩频 红外线 窄带微波 双绞线 两根绝缘铜线对绞在一起形成一条单方向通信链路分为屏蔽 STP 和非屏蔽 UTP 两种标准 TIA EIA568UTP的类别1类 2对 20kb s 2类 4对 4Mb s 3类 4对 10Mb s 4类 4对 16Mb s 5类 4对 100Mb s 超5类 4对 155Mb s 6类 4对 200Mb s 7类特点抗干扰性能弱于基带同轴电缆 通信距离也有限制布线容易 良好的性价比 使其广泛用于局域网中 同轴电缆 分为粗缆 10Base5 和细缆 10Base2 特征阻抗为50 要接端接器 即50 电阻 保证阻抗匹配用于早期的Ethernet 现已逐渐被淘汰特点 高带宽和良好的噪声抑制特性线缆太硬 布线 搭接困难 接线可靠性差 光纤 光纤是一根很细的可传导光线的介质可分为多模光纤和单模光纤特点 与同轴电缆和双绞线比较带宽更宽 使数据传输速率更高衰耗更小 使传输距离更远抗恶劣环境能力更强 抗电磁干扰 抗腐蚀等 安全性更高 难于窃听光纤接口仍较贵 现主要用于主干局域网大量使用光纤是发展方向 网络互连 互连需求两个或多个网络连接起来 互连互通或部分互通部分隔离同构网络之间的互连 如以太网间的互连 异构网络之间的互连 如以太网与x 25网互连 互连面临的问题不同的网络 其协议层次 数据格式 信道访问方式都不同互连时各个原有网络的通信协议和方式不能改变 互连基本策略 通过互连设备将各网络连接起来 互连设备 有时称为gateway 每个端口连接一个物理网络 且与该网络有相同的协议实体 能与该物理网络通信 具有协调各端口所连网络互连通信的能力 中继器 Repeater 中继器是局域网互连的最简单设备 它工作在OSI体系结构的物理层 它接收并识别网络信号 然后再生信号并将其发送到网络的其他分支上 要保证中继器能够正确工作 首先要保证每一个分支中的数据包和逻辑链路协议是相同的 例如 在802 3以太局域网和802 5令牌环局域网之间 中继器是无法使它们通信的 但是 中继器可以用来连接不同的物理介质 并在各种物理介质中传输数据包 某些多端口的中继器很像多端口的集线器 它可以连接不同类型的介质 中继器是扩展网络的最廉价的方法 当扩展网络的目的是要突破距离和结点的限制时 并且连接的网络分支都不会产生太多的数据流量 成本又不能太高时 就可以考虑选择中继器 采用中继器连接网络分支的数目要受具体的网络体系结构限制 中继器没有隔离和过滤功能 它不能阻挡含有异常的数据包从一个分支传到另一个分支 这意味着 一个分支出现故障可能影响到其它的每一个网络分支 集线器与交换机 集线器是有多个端口的中继器 简称HUB 是一种以星型拓扑结构将通信线路集中在一起的设备 相当于总线 工作在物理层 是局域网中应用最广的连接设备 按配置形式分为独立型hub 模块化hub和堆叠式hub三种 交换机 Switch 是集线器的升级换代产品 交换机是按照通信两端传输信息的需要 用人工或设备自动完成的方法把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称 广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备 交换机的主要功能包括物理编址 网络拓扑结构确定 错误校验 帧序列以及流量控制等 交换机与集线器的区别 1 在OSI RM OSI参考模型 中的工作层次不同 交换机和集线器在OSI RM开放体系模型中对应的层次不一样 集线器是同时工作在第一层 物理层 和第二层 数据链路层 而交换机至少是工作在第二层 更高级的交换机可以工作在第三层 网络层 和第四层 传输层 2 带宽占用方式不同 在带宽占用方面 集线器所有端口是共享集线器的总带宽 而交换机的每个端口都具有自己的带宽 这样交换机实际上每个端口的带宽比集线器端口可用带宽要高许多 也就决定了交换机的传输速度比集线器要快许多 3 交换机的数据传输方式不同 集线器的数据传输方式是广播 Broadcast 方式 而交换机的数据传输是有目的的 数据只对目的节点发送 只是在自己的MAC地址表中找不到的情况下第一次使用广播方式发送 然后因为交换机具有MAC地址学习功能 第二次以后就不再是广播发送了 又是有目的的发送 这样的好处是数据传输效率提高 不会出现广播风暴 在安全性方面也不会出现其他节点侦听的现象 4 传输模式不同 集线器只能采用半双工方式进行传输 因为集线器是共享传输介质的 这样在上行通道上集线器一次只能传输一个任务 要么是接收数据 要么是发送数据 而交换机则不一样 它是采用全双工方式来传输数据的 因此在同一时刻可以同时进行数据的接收和发送 这不但令数据的传输速度大大加快 而且在整个系统的吞吐量方面交换机比集线器至少要快一倍以上 因为它可以使接收和发送同时进行 实际上还远不止一倍 因为端口带宽一般来说交换机比集线器也要宽许多倍 网桥 Birdge 网桥工作在数据链路层 将两个局域网 LAN 连起来 根据MAC地址 物理地址 来转发帧 可以看作一个 低层的路由器 路由器工作在网络层 根据网络地址如IP地址进行转发 它可以有效地连接两个LAN 使本地通信限制在本网段内 并转发相应的信号至另一网段 网桥通常用于连接数量不多的 同一类型的网段 网桥并不了解其转发帧中高层协议的信息 这使它可以同时以同种方式处理IP IPX等协议 它还提供了将无路由协议的网络 如NetBEUI 分段的功能 网桥则只用MAC地址和物理拓扑进行工作 因此它一般适于小型 较简单的网络 网桥包含了中继器的功能和特性 不仅可以连接多种介质 还能连接不同的物理分支 如以太网和令牌网 能将数据包在更大的范围内传送 路由器 Router 路由器工作在OSI体系结构中的网络层 这意味着它可以在多个网络上交换和路由数据包 路由器通过在相对独立的网络中交换具体协议的信息来实现这个目标 比起网桥 路由器不但能过滤和分隔网络信息流 连接网络分支 还能访问数据包中更多的信息 并且用来提高数据包的传输效率 路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径 并将该数据有效地传送到目的站点 由此可见 选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在 为了完成这项工作 在路由器中保存着各种传输路径的相关数据 路由表 RoutingTable