现场总线控制网络基础

现场总线技术

第三章一、基本术语二、通信系统的性能指标三、数据编码与传输方式四、通信线路的工作方式与信号的传输模式五、传输差错及其检测与校正第二章内容回顾一、控制网络的特点二、网络的拓扑结构与传输介质三、网络传输介质的访问控制方式四、网络互联及其通信参考模型五、网络互联设备六、一致性与互操作性测试技术控制网络基础本章思考题控制网络基础一、简述控制网络的主要特点？二、总线访问控制技术可分为哪两大类？各自的代表性技术是哪些？三、CSMA/CD的发送数据工作过程？四、令牌环发送和接收数据的过程是什么？五、令牌总线中令牌丢失和令牌重复的处理方法？六、OSI标准模型一共有哪几层？对比OSI模型，简述FF总线、

HART总线和EPA总线的通信模型？七、解释现场总线协议的一致性测试目的和可互操作性的测试目的。3.1控制网络的特点控制网络基础控制网络属于一种特殊类型的计算机网络。控制网络技术与计算机网络技术有着千丝万缕的联系，也受到计算机网络，特别是互联网、局域网技术发展的影响，有些局域网技术可直接用于控制网络。但由于控制网络大多工作在生产现场，从节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面，控制网络都有别于各式计算机所构成的信息网络。

3.1控制网络的特点控制网络基础1.网络互联的概念和规范

工厂局域网过程控制网络底层控制网络3.1控制网络的特点控制网络基础1.控制网络的节点除了普通PC或其他种类的计算机、工作站可以作为控制网络的节点外，控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的测量控制设备。控制器传感器执行机构输出设备监控设备操纵台开关PC3.1控制网络的特点控制网络基础2.控制网络的任务与工作环境

一、控制网络的任务控制网络以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为网络节点，以现场总线为通信介质，连接成开放式、数字化、多节点通信，完成测量控制任务的网络。控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备，起着现场级控制设备之间的数据联系与沟通的作用。3.1控制网络的特点控制网络基础2.控制网络的任务与工作环境

二、控制网络的工作环境控制网络要面临工业生产的强电磁干扰，面临各种机械震动，面临严寒酷暑的野外工作环境，要求控制网络能适应这种恶劣的工作环境。控制网络肩负的特殊任务和工作环境，使其具有许多不同于计算机网络的特点：控制网络的数据传输量相对较少，传输速率相对较低，多为短帧传送。要求通信传输的实时性强，可靠性高。3.1控制网络的特点控制网络基础3.控制网络的实时性要求控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足对控制的实时性要求。实时控制对某些变量的数据往往要求准确定时刷新，控制作用必须在一定时限内完成，或者相关的控制动作一定要按事先规定的先后顺序完成，这种对动作时间有严格要求的系统称为实时系统。实时系统又可分为硬实时和软实时两类。普通计算机网络：非确定性(nondeterministic)网络控制网络：确定性(deterministic)网络3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

1.网络的拓扑结构一、环形拓扑在环形拓扑中，通过网络节点的点对点链路连接，构成一个封闭的环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号传输到目的地为止。信号只能单向传输；一个设备故障可能导致网络瘫痪。3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

1.网络的拓扑结构二、星形拓扑在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何两个节点之间通信都要通过中央节点进行。星形拓扑可实现数据通信量的综合，每个终端节点只承担较小的通信处理量。星形连接中，如果一条线路受损，不会影响其他线路正常工作。3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

1.网络的拓扑结构

三、总线拓扑由一条主干电缆作为传输介质，各网络节点通过分支与总线相连的网络拓扑结构。总线拓扑是工业数据通信中应用最为广泛的一种网络拓扑形式。3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

1.网络的拓扑结构

四、树形拓扑树形拓扑是星形拓扑的扩展形式。也有人认为树形拓扑是总线拓扑的扩展形式。树形拓扑可适用于很宽应用范围，如对网络设备的数量、传输速率和数据类型等，都没有太多限制，可到达很高的带宽。3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质磁介质：高带宽、低费用、高延时（小时）例：80GB/1个移动磁盘，700盘，24h可送到任何地方。总容量=80*700=56000Gbits，总时间=24*60*60=86400s

传送速率=56000Gb/86400s≈648Mb/s

金属导体：双绞线、同轴电缆(粗、细)

光纤无线介质：无线电、短波、微波、卫星、光波3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质一、双绞线内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套--螺旋绞合的双导线，

≈1mm--每根4对、25对、1800对--典型连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质一、双绞线屏蔽双绞线

(STP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽非屏蔽双绞线(UTP)3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质二、同轴电缆基带同轴电缆

一条电缆只用于一个信道，特征阻抗50

，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，特征阻抗75

，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器。

铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质三、光缆

依靠光波承载信息速率高，通信容量大

仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质三、光缆光纤传输原理——利用了光的反射

光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。

光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低

亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0

光传输系统：光源、介质、光检测器 光源:850nm/1300nm/1500nm

发光二极管/激光二极管 介质:光纤 光检测器:光电二极管PIN/雪崩光敏二极管APD

单向传输，双向需两根光纤。3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质光电转换器3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础2.网络的传输介质华为的智能光传输设备3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质四、无线传输

使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

四、无线传输国际上通行把2.4GHz频带留给工业、科学和医疗作短距离通信，不需要许可证。蓝牙无线微微网IEEE802.11有3种物理层标准，有2种工作在2.4GHz无线射频的工业科学医学（ISM）频段，1种工作在红外光波段。红外线电磁波频段1011---1014Hz,属于方向性极强的直线传播，穿障能力差，一般用于室内的短距离通信。2.网络的传输介质3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质地面微波接力两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路

微波传送塔3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长36,000公里地球3.2网络的拓扑结构与传输介质控制网络基础

2.网络的传输介质地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长22,300公里地球常用传输媒体的比较3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础

共享信道连接方法连接方法（1）集中器或复用器（2）公用信道法多点接入技术（1）随机接入（2）受控接入

集中器公用信道法3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础

公用信道法现场总线采用的都是此法。即：通过一个公用信道将所有的用户都连接起来，这种技术常称为多点接入技术或多点访问技术。此类的又可分为：(a)多点线路

(b)总线网(c)环形网多点线路：主机对公用信道的共享进行集中控制；总线网和环形网：所有用户(含主机)地位平等，信道共享采用分散式控制。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础介质的访问控制方式公用信道法的关键问题：设法避免不同的用户同时使用公用信道，在任何时刻，信道只允许一个用户使用，否则就会互相干扰，无法通讯。因此，为保证各用户之间的正常通信，必须要有一个彼此都遵循的协议，这就是多点接入协议或多点访问协议，也叫介质的访问控制方式。它分为两大类：随机接入和受控接入。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础随机接入所有的用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息。总线网就属这种类型。在总线网中，当两个或更多的用户同时发送信息时，就产生了帧的冲突(collision)，冲突又称为碰撞，它导致冲突用户的发送都告失败。因此总线网的协议保证接入一定成功，因此它实际上就是争用接入，争用胜利者才可获得总线，因而获得信息的发送权。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础受控接入各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。在多点线路中采用集中式控制，即主机依照一定的顺序逐个询问用户有无信息发送。如有，则被询问的用户就立即将信息发给主机;如无，则再询问下一站。这种控制方法叫做轮询(poling)。可分为：轮叫轮询和传递轮询。环形网采用的是分散式控制。这种方法是在环形网中产生一个特殊的帧，叫做令牌(token)。令牌沿环路从一个站传递到下一个站。协议规定只有持有令牌的站才有权发送信息，当信息发送完毕后，即将令牌传递给下一个站。这样，在协议的控制下，连接到公用信道上的许多站点就可以有条不紊地工作。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式随机访问方式：CSMA/CD

CSMA(CarrierSenseMulti-Access):网路上任何节点都没有预定的发起通信的时间，节点随机向网络发起通信。当遇到多个节点同时发起通信时，信号会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为产生“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个节点在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波侦听”。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式

随机访问方式：CSMA/CD

CD(CollisionDetection)由于传输线上不可避免地存在传输延迟，有可能多个站同时侦听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。故每个节点在开始发送信息之后，还要继续侦听线路，判定是否有其他节点正与本节点同时向传输介质发送，一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测”。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式CSMA/CD发送数据流程(1)当某个节点要发送数据，先侦听媒体，判断是否有信号在传输；(2)如果有信号传输，转(1)，继续侦听；(3)如果媒体上无信号传输，发送数据，同时对媒体继续监听；(4)如果发出信息与监听信息一致，则认为无冲突，数据正确发送，完成发送任务；(5)如果发送数据与监听信息不一致，则认为发生冲突，立即中止发送过程，并向媒体发送“冲突强化”信号，使其他节点感知冲突，本节点计算发送失败的次数；(6)如果发送失败的次数小于某个阀值，按二进制指数退避算法生成等待时间值，等待一定时间，转(1)，重新发送；(7)如果发送失败的次数大于某个阀值，停止发送尝试，通知用户，产生网络错误。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式

CSMA/CD接收数据流程网络上每个节点都监听媒体，若有信号传输，则收集信息并组成帧；然后，节点分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址是本地地址，复制接收该帧；否则，丢弃该帧。CSMA/CD控制方式的数据发送具有广播的特点，网络上所有节点可以接收同一信息。对于指定地址的数据帧，只有一个节点可以复制和接收该帧。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。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.载波监听多路访问/冲突检测随机访问方式：CSMA/CDCSMA(CarrierSenseMulti-Access):CD(CollisionDetection):CSMA/CD的流程图媒体忙？发送帧冲突？发送完？发送JamN≥16?YesNoNoYes发送成功Yes发送失败No延迟二进制退避时间NoYes发送帧冲突次数N++3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础1.随机访问方式CSMA的类型一、不坚持CSMA

假如监听的结果表明介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，则等待一段随机时间，再重新监听。二、1坚持CSMA

假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送。假如冲突发生，则等待一段随机时间，继续监听。

三、P坚持CSMA

假如介质是空闲的，则以一定的概率P坚持发送，或以（1-P）的概率延迟一个时间单位后再听。这个时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙的，继续监听直到介质空闲，再以一定的概率P坚持发送。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式轮叫轮询和传递轮询一、轮叫轮询(roll-callpolling)由主机预先确定的顺序轮流向各站发送查询或其他信息，并接收各站发来的信息。轮叫轮询采用多点线路。二、传递轮询(hubpolling)它将控制权按顺序从一个站到另一个站。这一方法实际上就是令牌传递环所采用的方法，不过这里采用的是主机集中控制。轮叫轮询采用多点线路或具有控制站的环形拓扑结构。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式轮叫轮询的工作原理“轮叫轮询”即表示主机轮流查询各站，问有无数据要发送。当然主机也可以主动将数据发给各站。由于在主机向各站发送数据时，其数据帧均带有各站的地址，所以不会出现混乱现象(每个站只能接收主机发给自己的数据)。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式传递轮询的工作原理主机先向站N发出轮询帧。站N发送数据完毕或在告诉主机没有数据发送时，即将其相邻站(站N-1)的地址附上。当站N向主机发送时，站1至站N-1都可以检测到线路上有数据在传送。由于这些数据的地址是指向主机，所以站1至站N-1都不接收数据。最后，站N-1检测到自己的地址，知道站N把发送权转移到本站了，于是站N-1开始向主机发送数据。以后情况类似。当站1发完数据时，就将主机的地址附上。当发送权重新回到主机手中时，一个循环就结束了。如此，周而复始。图中虚线表示轮询信息的流动路线。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式

轮叫轮询和传递轮询的比较(1) 传递轮询的帧时延总是小于同样条件下的轮叫轮询的时延。(2)站间的距离越大，传递轮询的效果就比轮叫轮询的越好。(3)站间距离较小且通信量较大时，传递轮询带来的好处就不太明显。由于传递轮询系统实现起来技术上比较复杂，代价较高。所以，目前实用轮询系统中，主要还是轮叫轮询系统。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式轮叫轮询和传递轮询的比较(1) 传递轮询的帧时延总是小于同样条件下的轮叫轮询的时延。(2)站间的距离越大，传递轮询的效果就比轮叫轮询的越好。(3)站间距离较小且通信量较大时，传递轮询带来的好处就不太明显。由于传递轮询系统实现起来技术上比较复杂，代价较高。所以，目前实用轮询系统中，主要还是轮叫轮询系统。受控访问方式：令牌访问控制方式ADFEBC完成功能：令牌传递算法逻辑环的初始化（启动、超时）站插入算法退出环路出错恢复ADEFCB令牌环令牌总线3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式令牌环（IEEE802.5

）拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环。ABDC站点干线耦合器TCU单向环发送缓冲区接收缓冲区接收发送线路驱动线路接收控制器DTE环路输入环路输出干线耦合器的结构TCU（TrunkCouplingUnit）高层软件控制网络基础干线耦合器（TCU）工作状态：

发送方式（站点发送数据时）

收听/转发方式（其他时候）收听方式下，TCU与DTE断开

TCU对位流再生并转发，同时监视帧中是否出现本站地址和令牌。若出现本站地址，则将开关K闭合，TCU与DTE接通，位流复制到DTE，同时继续转发；若出现令牌且有数据要发送，则截获令牌，转为发送方式，发送数据帧。发送方式下，数据以帧为单位从TCU的输出端发送到下一个TCU的输入端。DTETCU收听方式KKDTETCU发送方式KKIEEE802.5的帧结构

起始、结束标志

访问控制字段包括：起始访问控制结束111字节令牌帧数据帧（信息帧/控制帧）起始访问控制帧控制目的地址源地址数据FCS结束帧状态1112/62/6≥041

1字节PPPTMRRR优先级位令牌位监督位预约位

优先级位与预约位。

令牌位：帧类型标识。0-令牌；1-信息/控制帧监督位：防止无效帧在环路中无限循环。位控制网络基础令牌环（IEEE802.5

）的发送和接收数据过程一、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。二、拿到令牌的站将令牌的访问控制字节修改，访问控制字段中的T令牌位由0变为1，后面加挂上自己的数据进行发送。三、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，同时将修改了状态位的原帧送回环中；

b)如果地址不符合，则直接将帧送回环中。四、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，从返回的帧状态位可以得知发送成功，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。TokenRing/802.5的操作举例AT=0TAT=0TAT=1TDataCTDataCTDataCTDataCData（a）（b）（c）帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌A有数据要发送到C，它抓住空令牌A将令牌修改为数据帧，并加挂数据BCDBBCCDDOKOKC收到数据后，修改状态位后，继续将该帧发送到D。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础令牌总线（IEEE802.4

）特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网。物理层：传输媒体为75

宽带同轴电缆，数据速率为1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s；传输机制为以太网和令牌环的结合：物理传输采用广播方式；介质访问控制采用令牌方式。ABCC2.受控访问方式令牌总线概述：访问媒体的控制方式采用令牌，通过网络节点之间有序地传递令牌，来分配各节点对总线的访问权限，形成闭合逻辑环路。原则：获得令牌的节点可以发送数据；其它节点只能接收数据，或在拥有令牌的节点要求下发送数据。逻辑环路的形成和令牌传递逻辑顺序：每个节点动态维护一个连接表，表中记录本节点在环路中的前继，后继和本节点地址。每个节点根据后继地址确定下一个占有令牌的节点。ABCCC——A——BB——C——AA——B——C控制网络基础令牌总线（IEEE802.4

）发送和接收数据流程1.每个节点均监听媒体；如果媒体上有信息传输，收取该帧，并判断目的地址和控制字段；2.令牌帧(1)如果收到目的地址是本节点地址的令牌，则拥有发送信息的权利；(2)可以发送信息，或要求其他节点发送信息，进行环路维护；(3)然后，将令牌传递给连接表中指定的后继的节点地址；3.信息帧如果收到是信息帧，并且信息帧的目的地址是本节点地址，复制该帧并接收；否则，丢弃该帧；3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础令牌总线中令牌丢失的处理1.每个节点都设有“环不工作计时器”，规定时间未监听到媒体上有信息，“环不工作计时器”超时，表示令牌丢失，或环路处于初始工作状态；2.所有节点采用竞争总线方式，争夺生成令牌的权利；(1)各节点根据本节点地址，形成不同长度的“要求令牌命令帧”，发往媒体并监听媒体；(2)不同地址形成不同长度帧，发往媒体，必然产生冲突，所有节点忽略这种冲突。(3)发送较短的帧的节点发送帧后，仍会听到其他节点在发送信息；发送最长帧的节点发送帧后，会听不到其他节点在发送信息，最终获得产生令牌的权利。2.受控访问方式3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式令牌总线中令牌重复的处理令牌重复的处理由获得令牌的节点进行处理；当获得令牌的节点感知媒体上有信号传输，表示有其他节点也掌握令牌，该节点简单的丢弃令牌，回到接收状态；有时，减少令牌的结果会导致令牌的丢失，于是进入令牌丢失处理过程。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式多路复用技术•复用——多个信息源共享一个公共信道DEMUX复用器解复用器共享信道MUX3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础2.受控访问方式复用类型WDM(波分复用)TDM(时分复用)FDM(频分复用)3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing）CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f适用于模拟信号传输

原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础波分复用WaveDivisionMultiplexing原理：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。F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱

光纤2光纤3光纤1共享光纤

采用无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础时分复用TimeDivisionMultiplexing原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输

时间片3.3网络传输介质的访问控制方式控制网络基础时分复用TimeDivisionMultiplexing原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。同步TDM与统计(异步)STDMABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步

TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础一、网络互联的基本概念

网络互联是要将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构成更大规模的网络系统，以实现网络的数据资源共享。相互连接的网络可以是同种类型网络，也可以是运行不同协议的异构系统。网络互联要求不改变原有的子网内的网络协议、通信速率、硬软件配置等，通过网络互联技术使原先不能相互通信和共享资源的网络间有条件实现相互通信和信息共享，并要求网络互连对原有子网的影响减至最小。1.网络互联的概念和规范3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础二、网络互联的规范

IEEE802.1A为综述和体系结构，802.1B为寻址、网际互联和网络管理。IEEE802.2为逻辑链路控制；IEEE802.3为CSMA/CD接入方法和物理层规范；IEEE802.4为Tokenbus令牌总线接入方法和物理层规范；IEEE802.5为Tokenring令牌环接入方法和物理层规范；IEEE802.6为MAN城域网接入方法和物理层规范；………从上述内容可以看到，服务于网络互连的IEEE802系列标准只涉及物理层与数据链路层中与网络连接直接相关的内容。要为用户提供应用服务，还需要高层次协议提供相应支持。1.网络互联的概念和规范3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础

国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)七层通信协议2.开放系统互联参考模型3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础一、物理层（第1层）3.OSI参考模型的功能划分提供与传输介质的接口、与物理介质相连所涉及到的机械的、电气的功能和规程方面的特性，最终达到物理的连接。它提供了位(bit)传送的物理通路。该类协议有RS-232C接口协议等。3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础二、数据链路层（第2层）3.OSI参考模型的功能划分数据链路层用于链路连接的建立、维持和拆除，实现无差错传输。在点到点或一点到多点的链路上，保证报文的可靠传递。该层实现访问仲裁、数据成帧、同步控制、寻址、差错控制等功能。这类协议典型的例子是：ISO推荐的高级链路控制规程(HDLC)。HDLC（HighLevelDatalinkControl）高级数据链路控制规程

格式：01111110AC1FC01111110开始标志地址场控制场信息场校验场结束标志8位8位8位16位8位≥0位标志场：

SDLC/HDLC规定所有信息传输必须以一个标志字节开始，且以同一个字节结束，这个字节为01111110，二个标志字节之间构成一个完整的信息单位，称为一帧（frame）“0”位插入/删除技术方法：除标志字节外，遇到连续5个“1”就自动插入一个“0”。

如：原始插入后删除后

011111100111110100111111011111111111110111 111111113.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础三、网络层（第3层）3.OSI参考模型的功能划分它是用来处理路径选择和分组交换技术，提供报文分组从源节点至目的节点间可靠的逻辑通路，且担负着连接的建立、维持和拆除。网络层还用于在包头部加入源地址信息，实现逻辑寻址，并将逻辑寻址转换成对应的物理地址。IP地址MAC地址3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础四、传输层（第4层）3.OSI参考模型的功能划分传输层完成收发之间的数据传送控制，在源节点到目的节点提供端到端的可靠传输服务，保证整个信息无差错、按顺序地到达目的地。用于主机同主机间的连接，为主机间提供透明的数据传输链路，传输单位为报文。

UDP：用户数据报协议TCP:传输控制协议3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础五、会话层（第5层）3.OSI参考模型的功能划分也称会晤层，它是在数据交换的各种应用进程间建立起逻辑通路，我们将两应用进程间建立起一次联络称为一次会话，而会话层就是用来维持这种联络。如果不考虑第六层，那么该层就是用户至网络的接口，有时第四、五、六层合在一起。最重要的核心功能：会话连接、正常数据传送、有序释放、用户放弃和提供者放弃。3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础六、表示层（第6层）3.OSI参考模型的功能划分

表示层可实现用户或应用程序之间交换数据的格式转换。提供一套格式化服务，如代码变换、报文压缩、保密码的加密及解密、文件传输协议。表示层仅对应用层的信息内容进行形式变换，而不改变其内容本身。本地表示1本地表示2公共表示公共表示表示层传输层3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础七、应用层（第7层）3.OSI参考模型的功能划分该层为ISO参考模型中的最高层，其功能是实现各种应用进程之间的信息交换，为用户提供网络访问接口，提供如文件传输访问与管理、邮件服务、虚拟终端等服务功能。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3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础

国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)七层通信协议2.开放系统互联参考模型

3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础层次结构方法的优点：(1)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；(2)定义并提供了具有兼容性的标准接口；(3)使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块；(4)独立性强——上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务；(5)适应性强——只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变；(6)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。3.OSI参考模型的功能划分3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础现场总线是应用于工业控制系统中的底层控制网络，由大量的传感器、变送器和执行器组成。特点：单个节点面向控制的信息量不大，信息传输任务相对单，实时性要求高。OSI七层系统的层间操作和转换的复杂性，网络接口的造价与时间开销大。因此，现场总线进行了不同程度的简化。4.现场总线通信模型3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础4.现场总线通信模型应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层7654321OSI参考模型现场总线应用层物理层总线访问子层数据链路层FF模型用户层功能块应用与设备描述物理层通讯栈PROFI-DP用户接口物理层隐去3-7层应用层信息规范低层接口物理层数据链路层数据链路层隐去3-6层应用层接口PROFI-FMS3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础4.现场总线通信模型应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层7654321OSI参考模型用户层（程序）现场总线信息规范子层FMS现场总线访问子层FAS物理层数据链路层用户层通讯栈物理层FF总线模型3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础4.现场总线通信模型

应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层7654321OSI参考模型用户层（程序）现场总线信息规范子层FMS现场总线访问子层FAS物理层数据链路层用户层通讯栈物理层FF总线模型LonWorks

通信模型采用了OSI模型全部七层协议，被誉为通用控制网络。应用层表示层会话层传输层物理层数据链路层网络层7654321OSI参考模型LonWorks模型网络应用程序数据表示电气连接数据访问与成帧报文传递远程传送控制端端传输可靠性网络变量类型；组态性能；文件传送；网络服务变量类型；外部帧传送媒体细节；收发种类；物理连接成帧；数据编码；CRC校验冲突回避/仲裁；优先级单/多路寻址，请求/响应；确认单/多路应答服务；重复信息服务；复制检查作用服务4.现场总线通信模型3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础4.现场总线通信模型CAN通信模型：采用了OSI模型全部七层中的两层。物理层数据链路层电气连接，实现驱动器/接收器特性，定时，同步，位编码/解码接收滤波，超载通知，恢复管理，应答，帧编码，数据封装拆装，媒体访问管理，出错检查物理信令物理媒体附件媒体接口媒体访问控制逻辑链路控制服务分层3.4网络互联及其通信参考模型控制网络基础4.现场总线通信模型HARTBell202HART通信规则HART指令HART通信模型由三层组成：物理层、数据链路层、应用层。1.物理层:它的物理层采用Bell202国际标准。2.数据链路层:数据链路层按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括:开头码、终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。3.应用层:其作用在于使HART指令付诸实现,即把通信状态转换成相应的信息。

EPA通信模型ISO各层EPA各层（（用户层）用户应用进程）应用层HTTP、FTP、DHCP、SNTP、SNMP等

EPA应用层表示层未使用会话层传输层TCP/UDP网络层IP数据链路层EPA通信调度管理实体ISO/IEC8802-3/IEEE802.11/IEEE802.15物理层3.5网络互联设备控制网络基础中继器又称重发器，属于物理层的网络互联设备，中继器的主要作用是延长电缆或光缆的传输距离，也可用于增加网段上挂接的节点数量。有电信号中继器和光信号中继器。中继器是一个再生器而不是放大器。1.中继器3.5网络互联设备控制网络基础网桥属于作用在物理层和数据链路层的存储转发设备，在两个相同类型的网段之间进行帧中继。网桥用于在局域网中连接同一类型的不同网段，互连采用不同传输速率、不同传输介质的网络。网桥具备寻址与路径选择的功能。2.网桥

3.5网络互联设备控制网络基础2.网桥

网桥与中继器的区别在于，网桥具有使不同网段之间的通信相互隔离的逻辑，或者说网桥是一种聪明的中继器。中继器不处理报文，不能理解报文中的任何东西，只是简单地复制信号。而网桥除了对数据帧进行差错校验外，它还知道相邻段的地址，并基于这些地址实行包过滤。一、简单网桥二、学习网桥三、多点网桥3.5网络互联设备控制网络基础3.路由器路由器工作在物理层、数据链路层和网络层，它比中继器和网桥更复杂一点，并包含有软件。路由器在具有独立地址空间、不同数据速率和传输媒体的网段间存储转发信号。路由器所连接的所有网段，其协议是一致的。3.5网络互联设备控制网络基础4.网关网关又被称为网间协议变换器，用于实现不同通信协议的网络之间的互联。网关需要完成报文的接收、翻译与发送。通常它会使用两个微处理器和两套各自独立的通信接口。微处理器理解本地两种网络或总线的语言，在两个通信接口之间设置翻译器。通过微处理器在网段之间来回传递数据。在工业数据通信中，网关通常的应用是把一个现场总线的网络信号送往另一个不同类型的现场总线网络。如：ASI网络的数据通过网关送往PROFIBUSDP网段。或者借助网关将现场总线网路与Internet连接起来。3.6一致性与互操作性测试技术控制网络基础目的：检测实现协议的实体或系统与协议规范的符合程度。进行协议的验证。将协议标准分为三部分：抽象测试集，称为ATS；协议实施一致性说明PICS，

——说明实施的要求、能力、及可选项实施的情况；用于测试的协议实施附加信息PIXIT；ATS和PICS由标准规范制定单位提供，协议实施附加信息由协议测试的实施者和ATS的开发者共同提供。1.一致性测试3.6一致性与互操作性测试技术控制网络基础目的：检测实现协议的实体或系统与协议规范的符合程度。进行协议的验证。将协议标准分为三部分：抽象测试集，称为ATS；协议实施一致性说明PICS，

——说明实施的要求、能力、及可选项实施的情况；用于测试的协议实施附加信息PIXIT；ATS和PICS由标准规范制定单位提供，协议实施附加信息由协议测试的实施者和ATS的开发者共同提供。1.一致性测试

协议标准协议实施一致性说明PICS抽象测试集