第6章-计算机控制中的网络与通信技术

第六章计算机控制中的网络和通信技术现代工业生产的规模不断扩大，生产过程的控制和管理日益复杂。通常需要几台或几十台计算机来完成控制和管理任务。信息需要在具有不同地理位置和不同功能的计算机和设备之间交换，从而连接多个计算机或设备以形成计算机网络。对于从事过程控制的广大技术人员来说，为了提高计算机的应用水平和更好的编程，有必要了解通信网络技术、通信网络协议和数据通信的数据通信知识。6.1计算机网络概述6.1.1计算机网络的定义计算机网络是指通过通信设备和线路将多个地理位置不同、功能独立的计算机或设备连接起来，实现信息传输和资源共享的计算机系统。换句话说，计算机网络通过有线或无线通信链路连接分布在不同地理位置的计算机或设备，这不仅使得网络中的计算机或设备(或节点)能够彼此通信，而且还能够共享某些节点(例如服务器)上的系统资源。所谓的资源包括硬件资源(如大容量磁盘、光盘、打印机等)。)，软件资源(如语言编辑器、文本编辑器、工具软件和应用程序等。)和数据资源(如数据文件和数据库等。)。6.1.2计算机网络分类随着网络技术的发展，网络分类方法有很多种。根据它们的跨度、拓扑、管理属性、交换方法和功能，可以进行以下分类：1.除以域跨度(1)局域网：一般指小型网络，即计算机硬件设备不大，通信线路不长(不超过几十公里)，使用单一的传输媒介，覆盖范围仅限于单位内部或建筑物内部，通常一个单位由自己组织和专用。只有局域网与广域网互联，应用范围进一步扩大，才能更好地发挥作用。但是，在连接广域网时，应该考虑网络的安全性。(2)城域网：其规模大于局域网，通常覆盖一个区域性城市，因此也称为城域网，覆盖广域网和局域网，其运行方式类似局域网。(3)广域网：顾名思义，广域网是一个非常大的网络。它不仅可以连接多个局域网或区域网络，还可以连接世界各地的局域网。其传输设备和媒体通常由电信部门提供。在计算机控制系统中，通常使用局域网或局域网互连。2.根据拓扑结构划分在计算机通信网络中，网络的拓扑结构是指网络中的计算机和设备相互连接的方式。常见的网络拓扑包括以下内容。(1)星型网络：主要由中央处理器组成的网络。连接到网络的其他计算机只与中央处理器有直接的物理链接。中央处理器使用分时方法为连接的机器服务。(2)环形网络：网络机器通过中继器接入网络。每个中继器都有直接物理线路，只有两个相邻的中继器。所有中继器及其物理线路形成一个环形网络系统。环形网络也是局域网的主要形式。(3)总线型网络：所有连接到网络的机器共享一条传输线路，并且这些机器通过一个特殊的抽头连接到该线路。由于线路对信号的衰减效应，总线网络仅用于有限的区域，并且通常用于形成局域网。(4)网状网络：利用专门负责数据通信和传输的节点机构组成的网络，网络接入机直接接入节点机进行通信。网状网络主要用于地理范围大、网络接入机多的环境，如广域网的建设。由于不同拓扑的网络往往采用不同的网络控制方法，具有不同的特性，适应不同的应用环境，因此计算机控制系统的网络可以根据不同的应用选择或混合不同的网络拓扑。一般来说，计算机控制系统的网络拓扑大多采用总线的形式。3.根据管理的性质(1)公共网络：由电信部门组织、管理和控制。网络内的传输和转换可由任何部门或个人使用。公共网络通常用于构建远程网络，以支持用户的远程通信。(二)专网：由用户部门组织运营的网络，不允许其他用户和部门使用；由于投资因素，专用网通常是通过租用电信部门的线路形成的局域网或广域网。过程计算机控制系统中的网络通常是专用网络。由于近年来对计算机控制系统需求的变化，特别是对远程监控需求的增加，使用专用网络来互连公共网络以形成各种计算机控制网络的情况也普遍增加，这也是计算机控制系统应用网络的发展趋势。4.按照交换方式划分(1)电路交换网络：类似于电话，它有三个阶段：链路建立、数据传输和链路释放；在通信过程中，链路自始至终被占用。并且不允许其他用户共享他们的频道资源。(2)消息交换网络：交换机使用具有“存储转发”能力的计算机，用户数据可以临时存储在交换机中。当线路空闲时，将进行另一次用户数据传输。(3)分组交换网络：类似于消息交换技术，但它规定了交换机处理和传输的数据长度(称为分组)。不同用户的数据包可以在网络中的物理链路上交织和传输。目前，大多数计算机网络(包括广域网和局域网)采用分组交换技术，但分组的数量不同。5.按功能通信子网：网络中面向数据通信的资源集合，主要支持用户数据的传输；子网包括传输线、交换机、网络控制中心和其他硬件设施。资源子网：网络中面向数据处理的资源集合，主要支持用户应用程序；子网由用户的主机资源组成，包括用户访问网络的主机、面向应用的外围设备(如终端)、软件和可共享数据(如公共数据库)等。通信子网和资源子网的划分是逻辑划分，可以使用相同或不同的设备。电信部门形成的网络通常被理解为通信子网，而用户部门的网络接入设备被认为是资源子网。计算机控制系统的网络一般是局域网，网络设备具有数据传输和处理功能。因此，在功能上划分计算机控制系统的网络一般是没有意义的。6.1.3计算机网络的协议层次模型1.现场视察模型早期的网络是由不同的公司根据用户的要求独立开发的。实践结果表明，尽管应用需求差异很大，但对网络(通信)的需求是一致的。计算机网络体系结构本质上是一套定义和描述计算机及其通信设施之间互连的标准和规范。遵循这套规范很方便。实现计算机设备之间的通信。在这样的要求下，国际标准化组织(ISO)结合了许多制造商和专家，根据他们各自的计算机网络结构对他们进行了总结，最后提出了开放系统互连基本参考模型(OSI/RM)，并由此衍生出一系列OSI标准。OSI模型描述了两台计算机之间应该如何进行通信。现在，越来越多的供应商转向OSI，使这个标准成为一个实用的标准。OSI模型分为七层，每一层通过一个定义良好的接口与其他层分开，如图6.1所示。以下是七个级别的详细描述。(1)物理层逻辑连接图6.1现场视察模型OSI模型的这一部分为建立网络提供了物理和电气连接特性，如双绞线、光缆、同轴电缆、连接器等。这一层可视为硬件层，通常制成芯片、印刷电路板(网络适配器)、电缆等。(2)数据链路层在信息传输过程中，电脉冲信号进出网络电缆。表示数据信息的网络电信号(位模式、编码方法和令牌)的含义只有在这一层才知道。该层可以通过要求重传损坏的数据包来检测和纠正错误。由于数据链路层非常复杂，它通常分为介质访问控制层和逻辑链路控制层。媒体访问控制子层负责网络访问(无论是令牌传递还是带有冲突的逻辑链路控制检测)和网络控制。LLC子层工作在媒体访问控制子层上，主要负责发送和接收用户的数据信息。该层的大部分或全部由网络适配器上的芯片实现，而下一层由软件(网络驱动程序)实现。(3)网络层将数据包路由到目的地。网络层负责寻址和传输数据包。(4)传输层当同时传输多个数据包时，传输层将控制消息组成部分的顺序，并规范传入的信息流。如果有重复的数据包到达，传输层会将其识别为重复数据包并丢弃。(5)会话层的功能是使运行在两个工作站上的应用程序能够协调它们之间的通信，成为一个独立的会话，这可以被视为一个高度结构化的对话。会话层负责建立会话，支持会话期间发送和接收数据包的管理，并结束会话。(6)表示层当各种计算机打算相互传输信息时，表示层可以在机器内部将数据转换成数字格式或完成其逆过程。(7)应用层中的这一层)OSI模型可以被应用程序使用。要通过网络传输的信息消息进入该层的OSI模型，然后传输到下一层，最后传输到物理层，并在打包后传输到其他工作站。之后，它被目的工作站的物理层向上传输，并通过该工作站的应用层，直到它到达需要该信息消息的应用程序。2.层间通信OSI中的层间通信有两层含义：相邻层之间的通信和对等层之间的通信。相邻层之间的通信：在OSI环境中，相邻层之间的通信发生在相邻的上层和下层之间，这是一个局部问题。该标准定义了通信的内容(服务原语)，没有规定这些内容的具体形式和实现层间通信的具体方法。NN-1物理层NN-1物理层图6.2现场视察环境中的层间通信对于对等层之间的通信：在开放系统互连环境中，对等层是指不同开放系统中的同一层；对等层之间的通信发生在不同开放系统的相同层之间，属于对等层实体之间的信息交换，以保证相应层功能的实现和服务的提供。在该标准中，定义的协议用于指定对等层之间交换信息的格式和时间。在OSI环境中，对等层之间的通信是目的，相邻层之间的通信是手段。通过相邻层之间的通信，实现对等层之间的通信。为了保证相关服务的实现，需要对等实体的合作，但是对等实体之间没有直接的路径，必须通过相邻的较低层的服务来实现。如图6.2所示，这个过程一直持续到物理层执行实际的数据传输。6.1.4计算机局域网对于一个单元来说，为了更方便地利用单元的资源，通常建立计算机局域网，通过传输介质将有限地理范围内的多台计算机连接起来，并通过运行良好的网络软件实现计算机之间的相互通信和资源共享。美国电气和电子工程学会(IEEE)于1980年2月成立了局域网标准化委员会(802委员会)，以研究局域网的标准并提出局域网的定义。根据IEEE802标准，局域网协议是指OSI模型的物理层和数据链路层，不涉及第3层到第7层。局域网是一种数据通信系统，它允许介质区域中的大量独立设备通过介质速率物理信道的直接互连进行通信。中等区域：表示网络覆盖范围有限，一般在1 25公里以内(一般小于5公里)，通常在一栋建筑或一组相对较近的建筑内。在描述和比较局域网时，通常会考虑以下四个方面。(1)传输介质：指用于连接网络设备的电缆类型；常用的有双绞线、同轴电缆和光缆也可以考虑电缆、微波、红外线和激光；(2)传输技术：使用传输介质的通信技术，通常包括基带传输和带宽传输：(3)网络拓扑：指组网时的电缆敷设形式，常用的有总线、环和星形；(4)访问控制方法网络设备访问传输媒体的控制方法包括竞争、令牌传递和时间片。1.局域网拓扑局域网的网络拓扑结构主要包括星形结构、总线结构、环形结构和混合结构。图6.3星形结构(1)星型结构：星型结构由中心节点和分支节点组成。每个分支节点都与中心节点有点对点的物理连接，分支节点之间没有直接的物理路径，如图6.3所示。任何两个分支节点之间的通信必须通过主节点，主节点集中来自每个分支节点的信息。根据集中式通信控制策略，主节点和每个分支节点之间的通信由集中式通信控制策略控制集中到主节点的信息被转发到相应的分支节点。因此，主节点的信息存储容量大，通信处理容量大，硬件和软件复杂。然而，每个分支节点的通信处理负担相对较小，并且只需要简单的点对点通信功能。典型的网络系统是电路交换电话交换网络。星型拓扑是一种集中式网络，易于收集信息流，提高了整个网络的信息处理效率，适用于站间信息流大的场合。然而，可靠性很低。如果主节点出现故障，整个网络的通信都会受到影响。(2)总线结构：使用无源传输介质作为广播总线，使用电缆接头将各种网络接入设备连接到总线上；为了防止传输信号的反射，如图6.4所示，在总线的两端都使用了终结器(也称为终端适配器)。在总线拓扑中，网络中的所有节点都直接连接到同一个传输介质，称为总线。每个节点将根据某些规则使用总线分时传输数据。发送节点发送的数据帧沿着总线传播到两端。总线上的每个节点都可以接收数据帧，并判断它是否被发送到该节点。如果是，数据帧被保留，否则，数据帧被丢弃。总线网络的“广播”传输是根据沿着总线向两端传播的数据信号的特性来实现的。图6.4总线结构总线式结构是一种结构灵活、易于扩展的分散式网络。一个站的故障不会影响其他站的工作，可靠性高。图6.5环形结构(3)环形结构：每个节点通过中继器连接到环形网络，如图6.5所示。所有分散的节点通过通信线路连接成一个环网，通过节点间的传输实现线路共享。网络上的信息以单一方向(顺时针或逆时针)围绕着线路循环。图6.6环形星形结构环形拓扑是一个分散的网络。环形网络的信号在传输前由每个中继器整形和放大，这不仅传输距离长。而且能保证信号质量。这种网络结构的主要缺点是，一旦中继器发生故障，它将导致环路被切断，限制(4)混合结构：混合结构是结合上述拓扑的结构。常见的结构包括树(总线结构的演化或总线和星形的混合)、环形星形