16可编程序控制器(plc)原理及应用（第六章）

可编程序控制器(PLC)原理及应用,主 讲 林 硕,可编程序控制器(PLC)原理及应用,6,第六章 可编程序控制器网络及通信概述,6.1 通信网络的基础知识,数字设备（个人计算机、PLC、单片机等-处理的 信息是由 0 和 1 表示的数字信号）数据信息具有一定的编码、格式和位长要求的数字信号数据通信-就是将数据信息通过适当的传输线路从一台机器传送到另一台机器。这里的机器可以是计算机、PLC或是有数据通信功能的其它数据设备。数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传送、信息交换和通讯处理三项任务。数据通信系统的组成传送设备、传送控制设备和传送协议及通讯软件等。,6.1.1 数据传输方式,1、并行传输与串行传输（1）并行传输-数据在多个信道同时传输的方式。 特点：传输速度快；但由于一个并行数据有多少位二进制数，就需要有多少根传输线，因而成本较高。通常并行传输用于传输速率高的近距离传输。（2）串行传输-数据在一个信道上，按位顺序传输的方式。 特点：串行传输通常只需要一根到二根的传输线，再远距离传输时，通信线路简单、成本低，但与并行传输相比传输速度慢，故常用于远距离传输而速度要求不高的场合。2、基带传输与频带传输（1）基带传输-是指数据传输系统对信号不做任何调制，直接传输。（基带-是指电信号的基本频带。）（2）频带传输-是把信号调制到某一频带上的传输方式。当进行频带传输时，用调制器把二进制信号调制成能在公共电话上传输的音频信号（模拟信号）在通信线路上进行传输。信号传输到接收端后，再经过解调器的解调，把音频信号还原为二进制信号。这种以调制信号进行数据传输的方式就称为频带传输。,三种调制方法：,1、调幅-根据数字信号的变化改变载波信号的幅度。 如：传送“1”时为载波信号，传送“0”时为0，载波信号的频率和相位均未改变。2、调频-根据数字信号的变化改变载波信号的频率。 “1”时频率高，“0”时频率低，载波信号的幅度和相位均未改变。3、调相-根据数字信号的变化改变载波信号的相位。数字信号从“0”变为“1”时或是从“1”变为“0”时载波信号的相位改变1800 ，载波信号的幅度和频率均未改变。,3、异步和同步传输方式,解决发送端和接收端之间的同步问题。（1）异步传输（起止式传输）-利用起止法来达到收发同步的。即在一个信息单位（字节）外包装上开始、结束标志，告诉接收系统该信息何时开始，何时结束。起始位0 字符编码（低位在前，高位在后） 校验位（可省略） 停止位1（1或1.5或2位）（2）同步传输-把每个完整的数据块（帧）作为整体来传输。即采用的是持续的数据传输方式。每个信息单位持续多长时间以及信息单位之间间隔多长时间，有发送和接收计算机预先约定好。需要有定时电路（定时信号（时钟）来实现发送端同步。 同步字符（SYN） 帧起始字符（STX） 帧内容 帧结束字符（ETX）,6.1.2 线路通信方式,1、单工通信方式-信息的传送始终保持同一个方向。2、半双工通信方式-信息流可以在两个方向上传送，但同一时刻 只限于一个方向传送。3、全双工通信方式-A、B双方都能在两个方向上同时发送和接收 数据。,A,A,A,B,B,B,1,2,3,6.1.3 传输速率,传输速率-计算机网路单位时间内传输的信息量。（1）调制速率（码元速率）-是脉冲信号在经过调制后的传输速率。即信号在调制过程中，单位时间内调制信号波形变化次数，也就是单位时间内所能调制的调制次数，单位是波特（Baud），通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。（2）数据信号速率-是指单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（Bit Per Second）用 bit/s 表示。（3）数据传输速率-是指单位时间内传输的数据量。数据量的单位可以是比特、字符等。通常用字符/每分钟为单位（字符/分）。6.1.4 差错控制 是指对传输的数据信号进行检测错误和纠正错误。 技术有：奇偶校验、循环冗余校验、海明码等,6.1.5 传输介质,1、PLC网络主要应用有：同轴电缆、双绞线、光缆； 其他介质如无线电、红外线、微波等在PLC网络中应用很少。2、同轴电缆、双绞线、光缆主要性能比较 （7-329）,6.1.6 串行通信接口标准简介,1、RS-232C串行通信接口标准 （7-330）（1）接口的机械特性RS-232C的标准接插件是25针的D型连接器。尽管RS-232C规定的是25针连接器，但实际应用中并未将25个引脚全部用满，最简单的通信只需3根引线，最多的也不过用到22根。所以在上位计算机与PLC的通信中，使用的连接器有25针的，也有9针的，具体采用哪一种，用户可根据实际需要自行配置。（2）接口的电气特性 RS-232C采用负逻辑，1-（-5-15V）、0-（+5+15V）。 最大传输距离为15m（实际可达约30m）,最高传送速率为20kbit/s。（3）接口的信号功能（引脚定义）,例：在PLC与上位计算机连接中用到的信号线,（4）RS-232存在的不足1）传送速率和距离有限；2）没有规定连接器，因而产生25针不同的设计方案，这些方案有时不兼容；3）每根信号线只有一根导线，两个传送方向，仅有一根信号地线，存在潜在的底线回流问题；4）接口应用不平衡的发送器和接收器，可能在信号成分间产生干扰。2、RS-449、RS-422A、RS-423A、RS-485简述 为了解决上述问题，美国电子工业协会EIA（Electronic Idustries Association）于1977年制定了新的标准 RS-449，其特点是：1）支持较高的数据传送速率；2）支持较远的传送距离；3）制定连接器的技术规范；4）提供平衡电路改进接口电气特性。 目前广泛使用的 RS-422A 和 RS-423A 是 RS-449 标准的子集。 在许多工业环境中，要求用最少的信号线完成通信任务，目前在PLC局域网中广泛应用的RS-485串行接口总线正是在此背景下产生的。它实际上是RS-422的变形。RS-422A-全双工RS-485-半双工RS-422A采用两对平衡差分信号线，而RS-485只需其中一对。,EIA推荐-RS-232C、RS-423A、RS-422A主要性能参数比较,6.2 工业局域网基础知识概述,局域网4大要素：网络的拓扑结构； 介质访问控制； 通道利用方式； 传送介质。1、网络的拓扑结构网络的拓扑结构是抛开网络物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，用以表示网络的整体结构外貌，它反映了各个模块间的结构关系，对整个网络的设计、功能、可靠性和成本都有影响。它的结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构、分布式结构等，常见有3种拓扑结构形式：,星形网络 星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。 特点：结构简单，便于管理控制，建网容易，线路可用性强，效率高，网络延迟时间短，误码率较低，便于程序集中开发和资源共享。但系统花费大，网络共享能力差，负责通信协调工作的上位计算机负荷大，通信线路利用率不高，且系统对上位计算机的依懒性也较强，一旦上位计算机发生故障，整个网络通信就停止。在小系统、通信不频繁的场合可以应用。星形网络常用双绞线作为传送介质。上位计算机（也称主机、监控计算机、中央处理机）通过点到点的方式与个现场处理机（也称从机）进行通信，各现场机之间不能直接通信，若要进行相互间数据传送，就必须通过作为中央结点的上位计算机协调。,环形网络 环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环型连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。 特点： 结构简单，挂接或摘除结点容易，安装费用低，由于在环形网络中数据信息在网中是沿固定方向流动的，结点间仅有一个通道，大大简化了路径选择控制；某个结点发生故障，可以自动旁路，系统可靠性高。工业自动化控制中采用较多，但如果结点过多时，会影响传送效率，全网络响应时间变长。,总线形网络 总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样，因此又称广播式计算机网络。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。 特点：一般采用广播方式传送数据，任何一个结点发出的信息经过通信接口（或适配器）后 ， 沿总线向相反两个方向传送可以使所有结点接收到，各结点将目的地址是本站站号的信息接收下来。这样就无需进行集中控制和路径选择，其结构和通信协议都比较简单。 由于所有结点共享一条通信传送链路，因此，在同一时刻，网络上只允许一个结点发送信息。一旦两个或两个以上结点同时发送信息就会发生冲突。在不使用通信指挥器HTD的分散通信控制方式中，常需规定一定的防冲突通信协议。常用的有令牌总线网（Token-passing-bus）和冲突检测载波监听多路存取控制协议CSMA/CD（Carrier Sense Multiple with Collision Detection）.总线形网络结构简单，易于扩充，设备安装和修改费用低，可靠性高，灵活性好，可连接多种不同传送速率、不同数据类型的结点，也易获得较宽的传送频带，网络响应速度快，共享资源能力强。传输介质常用同轴电缆或光缆。特别适合于工业控制应用，是工业控制局域网中常用的拓扑结构。,2、介质访问控制（7-336）是指对网络通道占有权的管理和控制。线路交换-报文交换（包交换）-令牌传送方式- （控制发送）（1-18、7-336）令牌环（Token Ring）令牌总线（Token Bus）争用方式- （先听后发，边发边听） （CSMA/CD）规约（以太网规约）- （9-90）3、通道利用方式 基带方式、频带方式4、传送介质,网络协议（Protocol）-网络的参考模型概述-计算机网络中实现通信必须有一些约定即通信协议，对速率、传输代码、代码结构、传 输控制步骤、出错控制等制定标准。 为了使两个结点之间能进行对话，必须在它们之间建立通信工具(即接口)，使彼此之间能进行信息交换。接口包括两部分：一是硬件装置，功能是实现结点之间的信息传送；二是软件装置，功能是规定双方进行通信的约定协议。协议通常由三部分组成: 一是语义部分，用于决定双方对话的类型; 二是语法部分，用于决定双方对话的格式; 三是变换规则，用于 决定通信双方的应答关系。 由于结点之间的联系可能是很复杂的，因此，在制定协议时，一般是把复杂成份分解成一些简单的成份，再将它们复合起来。最常用的复合方式是层次方式，即上一层可以调用下一层，而与再下一层不发生关系。通信协议的分层是这样规定的:把用户应用程序作为最高层，把物理通信线路作为最低层，将其间的协议处理分为若干层，规定每层处理的任务，也规定每层的接口标准。 由于世界各大型计算机厂商推出各自的网络体系结构，因而国际标准化组织ISO于1978 年提出“开放系统互连参考模型”，即著名的OSI(Open System Interconnection)。它将计算机网络体系结构的通信协议规定为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层 、应用层等七层，受到计算机界和通信业的极大关注。通过十多年的发展和推进已成为各种计算机网络结构的靠拢标准。（7-337、9-15）ISO/OSI-物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层（7-338、9-22-每层说明） TCP/IP-物理层+数据链路层、网络层（IP、IGMP、ARP、RARP等）、传输层、应用层（9-26）,ISO/OSI,TCP/IP（传输控制协议/ 网间协议）概念 是一种网络通信协议，它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式。TCP/IP是INTERNET的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。在数据传送中，可以形象地理解为有两个信封，TCP和IP就像是信封，要传递的信息被划分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，再将TCP信封塞入IP大信封，发送上网。在接受端，一个TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送前的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此，TCP/IP在INTERNET中几乎可以无差错地传送数据。对INTERNET用户来说，并不需要了解网络协议的整个结构，仅需了解IP的地址格式，即可与世界各地进行网络通信。IP地址概念为了使连入Internet的众多电脑主机在通信时能够相互识别，Internet中的每一台主机都分配有一个唯一的32位地址，该地址称为IP地址，也称作网际地址。IP地址由4个数组成，每个数可取值0255， 各数之间用一个点号“.”分开，例如： 202.103.8.46 实际上，每个IP地址是由网络号和主机号两部分组成的。网络号表明主机所联接的网络，主机号标识了该网络上特定的那台主机。如：上例中202.103是网络号，8.46是主机号。,IEEE802 -物理信号层（PS）、介质访问控制层（MAC）、逻辑链路控制层（LLC），更高层（7-339、9-43） 采用的介质访问技术：IEEE802.2（逻辑链路控制层 LLC ） IEEE802.3（CSMA/CD-以太网规约） （9-90）IEEE802.4（令牌传递总线访问方法和物理层规范Token bus）IEEE802.5（令牌环访问方法和物理层规范Token ring ）,CSMA/CD,CSMA/CD（carriersense multiple access with collision detection）通信方式是一种随机通信方式，适用于总线结构的PLC网络，总线上各站地位平等，没有主从之分。采用CSMA/CD存取控制方式，该控制方式用通俗的语言描述为“先听后讲，边讲边听”。所谓先听后讲是指要求使用总线的各站，在发送数据之前必须先监听，看看总线是否空闲，确认总线空闲后再向总线发送数据。“先听后讲”并不能完全避免冲突，如果仍发生了冲突，则不能等到差错校验时再发现，这样对通信资源浪费太严重，而要采用“边讲边听”。发送数据的站，一边发送，一边监听，若发现冲突，立即停止发送，并发出阻塞音，通知网上的其它站发生了冲突，然后冲突双方采用取随机数代入指数函数的退避算法来决定重新上网时间，解决冲突。CSMA/CD存取控制方式不能保证在一定时间周期内，PLC网上每个站都可获得总线使用权，也不能用静态方式赋予某些站以较高优先权，不能用动态方式赋予某些紧急通信任务以较高优先权，因此这是一种不能保证实时性的存取控制方式，但是它采用随机方式，方法本身简单，而且见缝插针，只要总线空闲就抢着上网，通信资源利用率高，因而在PLC网络中CSMA/CD通信法适合用于上层生产管理子网。CSMA/CD通信方式的数据传送方式可以选用有连接、无连接、有应答、无应答及广播通信中的每一种，这可按对通信速度及可靠性的要求取舍。,令牌总线通信方式,令牌总线通信方式又称为N:N通信方式。在总线结构上的PLC子网上有N个站， 它们地位平等没有主站与从站之分，也可以说N个站都是主站，所以称之为N:N通信方式。 N:N通信方式采用令牌总线存取控制技术。在物理总线上组成一个逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按一定方向依次流动，获得令牌的站就取得了总线使用权，令牌总线存取控制方式限定每个站的令牌有时间，保证在令牌循环一周时每个站都有机会获得总线使用权，并提供优先级服务，因此令牌总线存取控制方式具有较好的实时性。 取得令牌的站采用什么样的数据传送数据方式对实时性影响非常明显。如果采用无 应答数据传送方式，取得令牌的站可以立即向目的站发送数据，发送结束，通信过程也就完成了。如果采用有应答数据传送方式，取得令牌的站向目的站发送完数据后并不算通信完成，必须等目的站获得令牌并把答应帧发给发送站后，整个通信过程结束。这样一来响应明显增长，而使实时性下降。 有些令牌总线型PLC网络的数据传送方式固定为一种，有些则可由用户选择。,令牌环通信方式有少量的PLC网络采用环形拓扑结构，其存取控制采用令牌法，具有较好的实时性。图1表示了令牌工作过程及其帧结构。（a）令牌环暂停位目的地址源地址控制信息DATA差错检验ACK令牌（b）帧结构 图1 令牌环通信方式在图1（a）中，令牌在物理环中按箭头指向，一站接一站的传送，获得令牌的站才有权发送数据，设B站要向D站发送数据。当令牌传送到B站时,B站把令牌变为暂停证，然后把待 发送数据按图1（b）表示的格式加在暂停证后面从B站发送出去，最后再加上令牌一起发往C站。此帧信息经C站中转后到达D站，D站把自己的本站地址与帧格式中目的地址相比较，发现两者相同，表明此帧信息事发给D站的，然后对此帧信息作差错校验，并把校验结果以肯定应答或否定应答填在ACK段中。同时把此帧信息复制下来，再把带有应答的帧继续向下传送，经A站中转到达B站。B站用自己的本站地址与帧中源地址相比较，发现两者相同，表明此帧是自己发出的，再检查ACK段。若为否定应答，要有组织重发，若为肯定应答，则把此帧从环上吸收掉，只剩下令牌在环中继续流动。在图1（b）的帧格式的最后为一令牌，因而当某站获得此令牌后也同样可以发送数据，把此令牌变为暂停证，后面带上发送的帧最后再加上令牌，这时的帧格式就变成两个暂停证、两帧，再加令牌，其传送过程与一帧相似，这里不再重复，从上述过程可见，令牌环通信方式采用的是有应答数据传送方式。,（a）令牌环,（b）帧结构 图1 令牌环通信方式,6.3网络硬件简介,中继器（RP repeater）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。 一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。以太网络标准中就约定了一个以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。,Hub-集线器,一、概述正如其名字所暗示的，就是活动的中心。用网络术语来说，Hub或Concentrator，是基于星形拓扑的接线点。Arcnet、10Base-T、10Base-F及许多其它专用网络都依靠集线器来连接各段电缆及把数据分发到各个网段。集线器的基本功能是信息分发，它把一个端口接收的所有信号向所有端口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号重新生成，一些集线器整理信号的时序以提供所有端口间的同步数据通信。具有多个10Base-F接口的集线器就象是使用镜子来把光线分到各个端口。图1是基本的10Base-2网络，注意机器间连接的方式和数据在源设备和目的设备间的各个设备的处理及传递。,图2是与图1相同的网络，不过是10Base-T，可以看到拓扑的不同和集线器是如何嵌到此网中。,在10Base-T网络中，所有设备需要用非屏蔽双绞线连接到一个或多个集线器，集线器应该有多个端口甚至多种类型的端口。有时需要把多个集线器连接起来，这时，你可能想用高速端口来建立网络的主干，各集线器与服务器应直接连到高速主干上。因为多数LAN的主要通信是在工作站和主服务器之间的，主干对网络的整体性能意义重大。图3是个较复杂的10Base-T网络示意图，注意主干是怎样连接多个集线器和服务器的。主干应该是高速连接，如快速以太网或FDDI等。,集线器的类型,我们知道，集线器在星形拓扑的网络中起着重要作用。集线器有多种，各个种类具有特定的功能、提供不同等级的服务。下面讲讲多数集线器的一些标准特性和被动、主动、智能集线器的区别以及一些高性能集线器的附加特性。1、基本规范所有的集线器根据可连接的线缆类型都有一些基本特性。集线器可以给网络提供除接口之外的附加服务，但也必须遵从IEEE对介质的规定。多数集线器主要的连接是RJ-45插座，这是基于双绞线的多种以太网的标准接头类型，从10Base-T到100Base-T，局域网中的工作站、打印机等设备通常是以某种双绞线连接到集线器的，其两端为RJ-45连接头。注：RJ-45头看起来有点象电话线的接头，不过稍微宽点。它主要用于以太网，但也可用于令牌环网。 以太网类型距离10Base-2185米10Base-5500米10Base-T100米10Base-F2公里10broad-363,600米上述是以太网规范的最大长度，其中多数可以用中继器(repeater)来延长。当然还有其他的要求。集线器是电子设备，因此需要电源，多数集线器还有指示多种状态的LED指示灯，常见的两种指示灯是电源和端口状态指示灯，有的集线器还有监视端口通信状态和冲突的指示灯。,2、被动集线器,顾名思义，被动集线器是相对静止的。它们没有专门的动作来提高网络性能，也不能帮你检测硬件错误或性能瓶颈，它们只是简单地从一个端口接收数据并通过所有端口分发，这是集线器可以做的最简单的事情。被动集线器是星形拓扑以太网的入门级设备。被动集线器通常有一个10Base-2端口和一些RJ-45接头。我们知道，10Base-5是使用粗缆的以太网，这个10Base-2接头可以用于连接主干。有些集线器还有可连到收发器的AUI端口以建立主干。,3、主动集线器,主动集线器拥有被动集线器的所有性能，此外还能监视数据。它们是在以太网实现存贮转发技术的重要角色，它们在转发之前检查数据，它们并不区分优先次序，而是纠正损坏的分组并调整时序。如果信号比较弱但仍然可读，主动集线器在转发前将其恢复到较强的状态。这使得一些性能不是特别理想的设备也可正常使用。如果某设备发出的信号不够强，使得被动集线器无法识别，那么主动集线器的信号放大器可以使该设备继续正常使用。此外，主动集线器还可以报知那些设备失效，从而提供了一定的诊断能力。有些线缆可能有电磁干扰使分组不能按正常时序到达集线器，主动集线器可以将转发的分组重新同步。有时数据根本就到不了目的地，主动集线器通过在单个端口重发分组来弥补数据的丢失。主动集线器可以调整时序以适应较慢的、错误率较高的连接。当然，这样做会降低连接到该集线器上设备的整体网络速度，但是，有时这比丢失数据要好。此外时序调整实际上可以减少局域网中的冲突次数，数据不需要重复广播，局域网就可以传输新的数据。主动集线器提供一定的优化性能和一些诊断能力，它们比简单的被动集线器贵，可以配以多个、多种端口。,4、智能集线器 智能集线器比前两种提供更多的好处，可以使用户更有效地共享资源。其技术近些年才出现，很多地方还没有机会享受到它的好处。除了主动集线器的特性外，智能集线器提供了集中管理功能。如果连接到智能集线器上的设备出了问题，你可以很容易的识别、诊断和修补。这是极大的提高，在一个大型网络里，如果没有集中的管理工具，那么你常常需要一个一个线盒地跑，寻找出问题的设备。智能集线器的另一个出色的特性是可以为不同设备提供灵活的传输速率。除了上连到高速主干的端口外，智能集线器还支持到桌面的10、16和100Mbps的速率，即以太网、令牌环和FDDI。5、高级特性 高端集线器还提供其它一些特性，如冗余交流电源、内置直流电源、冗余风扇，还有线缆连接的自动中断、模块的热插拔、自动调整10Base-T接头的极性，再如冗余配置存贮、冗余时钟，有些集线器还集成了路由和桥接功能。,网桥（Bridge）,也称桥接器，是连接两个局域网的存储转发设备，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。一般情况下，被连接的网络系统都具有相同的逻辑链路控制规程（LLC），但媒体访问控制协议（MAC）可以不同。 网桥是数据链路层的连接设备，准确他说它工作在MAC子层上。网桥在两个局域网的数据链路层（DDL）间接帧传送信息，在OSIRM中的位置如 网桥是为各种局域网存储转发数据而设计的，它对末端节点用户是透明的，末端节点在其报文通过网桥时，并不知道网桥的存在。 网桥可以将相同或不相同的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网络。,一、网桥的工作原理 为了说明网桥的工作原理，我们以FDDI为背景叙述之。 FDDI是一个开放式网络，它允许各种网络设备相互交换数据，网桥连接的两个局域网可以基于同一种标准，也可以基于两种不同类型的标准。当网桥收到一个数据帧后，首先将它传送到数据链路层进行差错校验，然后再送至物理层，通过物理层传输机制再传送到另一个子网上，在转发帧之前，网桥对帧的格式和内容不作或只作很少的修改。网桥一般都设有足够的缓冲区，有些网桥还具有一定的路由选择功能，通过筛选网络中一些不必要的传输来减少网上的信息流量。 例如，当FDDI站点有一个报文要传到以大网IEEE 802.3 CSMACD网上时，需要完成下面一系列工作： 站点首先将报文传至LLC层，并加上LLC报头。 将报文传送到MAC层，再加上FDDI报头。FDDI报文最大长度为4500字节，大于此值的报文可分组传送。 FDDI报文最大长度为4500字节，大于此值的到FDDI-IEEE 802.3以太网桥。 网桥上的MAC层去掉FDDI报头，然后送交LLC层处理。 经过重新组帧并计算校验值，形成IEEE802.3数据帧格式，并在前面加上IEEE 802.3报头。 经传输媒体将帧传至IEEE 802.3以太网站点。 由于FDDI传输速率（100Mbps）与IEEE802.3以太网传输速率（10Mbps）不匹配，因此，在网桥上就存在拥挤和超时问题，也就有重发的可能。如果多次重发均告失败，那么将放弃发送，并通知目的站点网络可能有故障。,二、网桥的功能 一个FDDI网桥，应包括下列基本功能： 1源地址跟踪 网桥具有一定的路径选择功能，它在任何时候收到一个帧以后，都要确定其正确的传输路径，将帧送到相应的目的站点。网桥将帧中的源地址记录到它的转发数据库（或者地址查找表）中，该转发库就存放在网桥的内存中，其中包括了网桥所能见到的所有连接站点的地址。这个地址数据库是互联网所独有的，它指出了被接收帧的方向，或者仅说明网桥的哪一边接收到了帧。能够自动建立这种数据库的网桥称为自适应网桥。 在一个扩展网络中，所有网桥均应采用自适应方法，以便获得与它有关的所有站点的地址。网桥在工作中不断更新其转发数据库，使其渐趋完备，有些厂商提供的网桥允许用户编辑地址查找表，这样有助于网络的管理。,2帧的转发和过滤 在相互连接的两个局域网之间，网桥起到了转发帧的作用，它允许每个LAN上的站点与其他站点进行通信，看起来就像在一个扩展网络上一样。 为了有效地转发数据帧，网桥提供了存储和转发功能，他自动存储接收进来的帧，通过地址查询表完成寻址；然后把它转发到源地址另一边的目的站点上，而源地址同一边的帧就被从存储区中删除。 过滤（Filter）是阻止帧通过网桥的处理过程，有三种基本类型： （1）目的地址过滤当网桥从网络上接收到一个帧后，首先确定其源地址和目的地址，如果源地址和目的地址处于同一局域网中，就简单地将其丢弃，否则就转发到另一局域网上，这就是所谓的目的地址过滤。 （2）源地址过滤所谓源地址过滤，就是根据需要，拒绝某一特定地址帧的转发，这个特定的地址是无法从地址查找表中取得的，但是可以由网络管理模块提供。事实上，并非所有网桥都进行源地址的过滤。 （3）协议过滤目前，有些网桥还能提供协议过滤功能，它类似于源地址过滤，由网络管理指示网桥过滤指定的协议帧。在这种情况下，网桥根据帧的协议信息来决定是转发还是过滤该帧，这样的过滤通常只用于控制流量、隔离系统和为网络系统提供安全保护。,3生成树的演绎 生成树（Spanning Tree）是基于IEEE 802.1d的一种工业标准算法，利用它可以防止网上产生回路，因为回路会使网络发生故障。生成树有两个主要功能： 在任何两个局域网之间仅有一条逻辑路径；在两个以上的网桥之间用不重复路径把所有网络连接到单一的扩展局域网上。 扩展局域网的逻辑拓扑结构必须是无回路的，所有连接站点之间都有一个唯一的通路。在扩展网络系统中，网桥通过名为问候帧的特殊帧来交换信息，利用这些信息来决定谁转发、谁空闲。确定了要进行转发工作的网桥还要负责帧的转发，而空闲的网桥可用作备份。,4协议转换 早期的FDDI网桥结构通常是专用的封装结构，这是由于早期的FDDI仅与IEEE802.3或IEEE802.5子网相连，不需要和其他局域网中的节点通信。但是，在一个大型的扩展局域网中，有很多系统在一起操作，这种专用的封装式网桥就无法提供相互操作的能力。为此，采用了新的转换技术，依照与其他网络的桥接标准，形成了转换式网桥，建立可适应局域网互联的标准帧。 （1）封装式网桥（Encapsulation Bridge） 采用一些专用设备和技术，将FDDI作为一种传输管道来使用，它要求网上使用同一型号的网桥，这无疑影响了网络的互操作性能。 以FDDIEthernet网桥为例，FDDI封装式网桥使用专用协议技术，用FDDI报头和报尾来封装一个以太帧，然后把这个帧转发到FDDI网络上，目的地址也隐含在封装过的帧中。封装式网桥把这个FDDI帧发送到另一个封装式网桥上，由该封装式网桥使用与封装技术相对应的拆封技术将封装拆除。由于目的地址被封装过，因此只能采用广播帧的形式发送帧，这无疑会降低网络带宽的使用率。如果互联网的规模很大，包含的网桥和局域网很多，那么广播帧的数目也将增加，这样势必会造成不必要的拥挤。,封装式网桥不能通过转换网桥发送数据，只有同一供货商提供的同一种封装式网桥才能一起工作，也不能通过其他供货商提供的封装式网桥传输数据，除非其他供货商提供的封装式网桥也同样使用这种专用协议。（2）转换式网桥转换式网桥（Translating Bridge）克服了封装式网桥的弊病，将需要传输的帧转换成目的网络的帧格式，然后再上网传输。还是以FDDIEthernet网桥为例，以大网工作站要使用连在FDDI上的高性能服务器，必须先将Ethernet帧格式转换成FDDI格式帧，然后通过FDDI上传输至目的服务器，此时服务器接收到的是FDDI格式的帧，故不需做任何改变就可使用。可见转换式网桥是通用的。任何转换式网桥都能与其他网桥互相通信。,5分帧和重组网际互联的复杂程度取决于互联网络的报文、帧格式及其协议的差异程度。不同类型的网络有着不同的参数，其差错校验的算法、最大报文分组；生存周期也不尽相同。例如，FDDI网络中允许的最大帧长度为4500字节，而在IEEE 802.3以大网中最大帧长度为1518字节。这样网桥在FDDI向Ethernet转发数据帧时