现场总线-工业通信与网络技术 教案 第3讲 网络基础

工业通信与网络技术技术教案第1页课程题目第3讲现场总线网络基础（1）现场总线网络概观、网络分类、网络软件、网络体系结构/协议层次结构、各层次的设计问题课时2学时教学目的：1．掌握低层、多层现场总线网络结构，对现场总线网络结构有整体的把握；2．了解网络的分类；3．学习网络软件、计算机网络的体系结构/协议层次结构。教学重点与难点：重点：网络软件的服务、接口与协议；难点：计算机网络的体系结构/协议层次结构。教学方法与手段：方法：讲授法手段：课堂教学教学内容与课时分配：1．低层、多层现场总线网络结构、网络的分类；1学时2.网络软件、计算机网络的体系结构/协议层次结构。1学时教具：作业与思考：教学后记：第3讲现场总线网络基础（1）现场总线网络概观1.低层现场总线网络图2-1PROFIBUS-DP（IEC61158第4版，Type3）单主站网络图2-2HART（IEC61158第4版，Type20）网络图2-3ControlNet（IEC61158第4版，Type2）网络及其冗余方式图2-4FFHl（IEC61158第4版，Type9）网络2.多层现场总线网络图2-5PROFINET（IEC61158第4版，Type10）的网络结构图方式图2-6LonWorks（GB/Z20177-2006）本地与远程监控网络图2-7异构网段集成现场总线网络图2-8应用Web服务器的现场总线远程监控网络二、网络分类1.按传输技术分类1）点到点网络点到点（point-to-point）链路将一对单独的机器连接起来。在一个由点到点链路组成的网络中，为了从源端（发送方）到达接收方，短消息必须首先访问一个或多个中间机器。这种短消息在某些情况下称为数据包或包或分组（packet）。在网络中有可能存在多条不同长度的路由。点-点传输只有一个发送方和一个接收方，故有时也称为单播。2）广播式网络传输通信信道被网络上的所有机器所共享；任何一台机器发出的数据包能被所有其他任何机器收到。每个数据包的地址字段指定了预期的接收方。地址字段中使用一个特殊的地址编码可以将一个数据包发送给所有目标机器，如果被传输的数据包带有这样的地址编码，那么网络中的每一台机器都将会接收该包并对其进行处理。这种传输模式称为广播（boradcasting）。有些广播网络还支持给一组机器发送数据包的模式，这种传输模式称为多播或组播（multicasting）。2.按网络尺度分类不同的尺度采用了不同的技术图2-9不同尺度采用的技术1）个域网（PAN，PersonalAreaNetwork），1m：其允许设备围绕着一个人进行通信。一个常见的例子是计算机通过无线网络与其外围设备连接。图2-10蓝牙PAN配置2）局域网（LAN，LocalAreaNetwork），10m-1000m：其是一种私有网络，一般在一座建筑物内或建筑物附近，比如家庭、办公室或工厂。图2-11无线和有线LAN局域网的大小受到限制:最坏情况下的传输时间也是有界的，并且事先可以知道。3）城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）,10km：其规模局限在一座城市的范围内。图2-12基于有线电视的城域网4）广域网（WAN，WideAreaNetwork），100km-1000km：其能跨越很大的地理区域，通常是一个国家、地区或者一个大陆。图2-13连接澳大利亚一个公司的3个分支办事处的WAN5）互联网，10000km：一组相互连接的网络称为互联网络（internetwork）或互联网（internet）。全球范围的因特网（Internet）则通常用首字母大写来表示（这是一个特殊的网络）。Internet使用ISP（InternetServiceProvider，Internet服务提供商，）网络来连接各种各样的企业网络、家庭网络和许多其他网络。3.按网络的拓扑结构分类可分为星形、环形、总线型、树形、不规则形、完整性等。4.按传输介质分类5.按网络的使用目的分类1）共享资源网：使用者可共享网络中的各种资源，如：文件、扫描仪、打印机以及各种服务。Internet网是典型的共享资源网。2）数据处理网：用于数据处理的网络，如：科学计算网络、企业经营管理用网络等。3）数据传输网：用来收集、交换、传输数据的网络，如：情报检索网络等。注：目前网络使用的目的都不是单一的。6.按服务方式分类1）客户机／服务器网络：客户机向服务器发出请求并获得服务的一种网络形式。多台客户机可以共享服务器提供的各种资源。2）对等网：每台计算机都可以与其它每台计算机对话，共享彼此的信息资源和硬件资源，组网的计算机一般类型相同。7.按传输速率划分低速网络：<10kbps中速网络：10kbps—100Mbps高速网络：100Mbps—10Gbps8.按交换方式划分1）电路交换网：如电话系统。2）报文交换网：如电报系统。3）分组交换网：如因特网，ATM网（交换的是信元）。9.按适用范围划分1）公用网：如：CHINAPAC（中国分组交换网）。2）专用网：如：微软公司内部网。三、网络软件1.网络软件1）网络协议和协议软件它们是通过协议程序实现网络协议功能。2）网络通信软件通过网络通信软件实现网络工作站之间的通信。3）网络操作系统网络操作系统是用以实现系统资源共享、管理用户对不同资源访问的应用程序，它是最主要的网络软件。4）网络管理与网络应用软件网络管理软件：对网络资源进行管理和对网络进行维护的软件；网络应用软件：为网络用户提供服务并为用户解决实际问题的软件。2.计算机网络的体系结构/协议层次结构1）为了易于设计、分析、实现和测试网络及其部件的功能，计算机网络按功能划分成多层结构。同层之间采用协议进行通信；相邻层之间通信使用接口。层和协议的集合称为计算机网络的体系结构。2）为了降低网络设计的复杂性，绝大多数网络都组织成一个层次栈（astackoflayer）或分级栈（astackoflevel），每一层都建立在其下一层的基础之上。层的个数、每一层的名字、每一层的内容以及每一层的功能，对不同网络不尽相同。3）一台机器上的第N层与另一台机器上的第N层进行对话，该对话中使用的规则和约定统称为第N层协议。协议（protocol）是指通信双方就如何进行通信的一种约定。4）不同机器上构成对应层的实体称为对等进程（peer）。5）对等进程可能是软件进程、硬件设备或者是人。正是这些对等进程为了实现彼此沟通才使用协议来进行通信。图2-14层、协议和接口数据并不是从一台机器的第N层直接传送到另一台机器的第N层。第1层下面是物理介质（physicalmedium），通过它进行实际的通信。虚线表示虚拟通信，实线表示物理（实际）通信。在每一对相邻层之间的是接口（interface）。接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务。当网络设计者在决定一个网络中应该包含多少层，以及每一层应该提供哪些功能时，其中最重要的一个考虑是必须定义清楚层与层之间的接口。图2-14支持第5层虚拟通信的信息流3.服务、接口与协议1）每一层中的活动元素通常被称为实体（entity）。实体既可以是软件实体（如一个进程），也可以是硬件实体（如智能输入／输出芯片）。2）不同机器上同一层的实体叫做对等实体（peerentity）。3）N层实体实现的服务为N+1层所利用。N层被称为服务提供者，N+1层为服务用户。N层基于N-1层的服务来提供它自己的服务。4）服务是在服务访问点SAP（SAP，serviceaccesspoint）提供给上层使用的。N层SAP就是N+1层实体（如应用程序）可以访问N层服务的地方。N+1层的不同实体（如不同应用程序）通过各自的SAP来访问N层5）相邻层之间要交换信息，对接口必须有一致同意的规则。图2-15处于接口两边的两层之间的关系6）为了传递SDU，N层实体可能将SDU分成几段，每一段加上一个头部后作为一个独立的协议数据单元（PDU，protocoldataunit）送出。PDU被对等实体用于执行它们的同层协议。除第1层外，每一层都有自己的PDU，如N+1层的IDU就是N+1层的PDU，一般记为（N+1）PDU。7）PDU在不同层中的名称：第4层和第4层以上的PDU称为报文（message），第3层的PDU称为数据包或包或分组（packet），第2层的PDU称为数据帧（dataframe）或帧（frame）。8）协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的一组规则，而所谓的数据单元即是指报文、数据包或帧。对等实体利用协议来实现它们的服务定义；对等实体可以自由地改变协议，只要不改变呈现给它们用户的服务即可。9）协议数据单元（PDU）：PDU是在某给定层中协议所规定的一组数据。该组数据就是一个数据单元，其中或者含有该层的用户（应用）数据，或者包含该层的协议控制信息，或者二者皆有。10）服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。服务定义了该层准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作。服务与两层之间的接口有关，低层是服务提供者，而上层是服务用户。服务涉及层与层之间的接口。11）协议是一组规则，定义了对等实体所交换的报文、数据包或帧的格式和意义。对等实体利用协议来实现它们的服务定义。对等实体可以自由地改变协议，只要不改变呈现给它们用户的服务即可。按照这种方式，服务和协议是完全相分离的。4.各层的设计问题1）可靠性：检错；纠错；路由。2）网络演进：协议分层；寻址和命名；编号、拆分/分段/分片、重组/组装；可扩展。3）资源分配：统计复用；流量控制；拥塞；服务质量。4）网络安全：保密性；完整性；可认证性。5.面向连接的服务与无连接服务1）面向连接的服务：按照电话系统建模的；2）无连接服务：按照邮政系统建模的；存储-转发交换；直通式交换。3）服务质量。图2-166种不同类型的服务工业通信与网络技术教案第1页课程题目第4讲现场总线网络基础（2）OSI和TCP/IP参考模型、网络体系结构内的标准化、网络拓扑结构、介质访问控制方式课时2学时教学目的：1．掌握OSI和TCP/IP参考模型、网络体系结构内的标准化；2．掌握网络拓扑结构、介质访问控制方式。教学重点与难点：重点：OSI和TCP/IP参考模型、介质访问控制方式；难点：介质访问控制方式。教学方法与手段：方法：讲授法；手段：课堂教学。教学内容与课时分配：1．OSI和TCP/IP参考模型、网络体系结构内的标准化；1学时2．网络拓扑结构、介质访问控制方式。1学时教具：作业与思考：教学后记：备注教学内容工业通信与网络技术教案第11页备注教学内容第4讲现场总线网络基础（2）一、OSI和TCP/IP参考模型1.OSI参考模型OSI（OpenSystemsInterconnection，开放系统互连）模型共有7层，其分层原则如下：1）应该在需要一个不同抽象体的地方创建一层。2）每一层都应该执行一个明确定义的功能。3）每一层功能的选择应该向定义国际标准化协议的目标看齐。4）层与层边界的选择应该使跨越接口的信息流最小。5）层数应该足够多，以保证不同的功能不会被混杂在同一层中；但同时层数又不能太多，以免体系结构变得过于庞大。图2-17OSI参考模型表2-1OSI各层名称及功能7应用层（applicationlayer）完成业务处理所需的服务功能，如文件传输、电子邮件等。6表示层(presentationlayer）提供应用数据的信息表示，数据编码。5会话层（sessionlayer）允许不同机器上的用户建立会话。对话控制、令牌管理、同步功能。4传输层（transportlayer）为源和目的主机提供透明数据传输。连接建立与删除、多路复用、报文分段与重组、流量控制。3网络层（networklayer）支持网络连接的实现。路由选择，拥塞控制，记账，异种网络互连。2数据链路层（datalinklayer）建立、维护、释放数据链路连接，成帧/拆帧、发送/接收、差错检测与控制、流量控制、MAC、产生和识别帧边界。1物理层（physicallayer）物理连接的建立、拆除，物理层管理等，实现透明比特流传输。处理机械的、电气的和过程的接口。图2-18OSI模型使用举例2.TCP／IP参考模型图2-19TCP／IP参考模型表2-2TCP/IP各层名称及功能应用层（applicationlayer）包含所有高层协议，如：Telnet、FTP、SMTP、DNS、NNTP、HTTP等。传输层（transportlayer）(TCP协议簇)使源和目的主机之间可以进行会话。定义了2个端到端协议：面向连接的传输控制协议（TCP，TransportControlProtocol）（排序和流量控制）；无连接的用户数据报协议（UDP，UserDatagramProtocol）。互联网层（internetlayer）(IP协议簇)无连接的分组交换网络，此层中主机可把报文发往任何网络，报文独立传向目标。分组路由、避免阻塞。主机与传输线路接（linklayer）没有详细定义。图2-20TCP/IP模型及一些协议3.OSI参考模型和TCP／IP参考模型的比较：共同点：1）都以协议栈概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立。2）两个模型中各个层的功能也大致相似。3）传输层之上的各层都是传输层服务的用户，且是面向应用的。4）OSI模型的核心是如下3个概念：a、服务；b、接口；c、协议。不同点：1）TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议，例如，互联网层提供的真正服务只是发送IP数据包和接收IP数据包。2）OSI模型中的协议比TCP／IP参考模型的协议具有更好的隐藏性，在技术发生变化时能相对比较容易地替换掉。最初把协议分层的主要目的之一就是能做这样的替换。3）OSI参考模型产生在协议发明之前。这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。不利的方面是设计者在协议方面没有太多的经验，因此不知道该把哪些功能放到哪一层最好。4）TCP／IP却正好相反。首先出现的是协议，模型实际上是对已有协议的描述。它不会出现协议不能匹配模型的情况，唯一的问题是该模型不适合于任何其它协议栈。5）OSI模型有7层，而TCP/IP模型只有4层。6）OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。7）TCP／IP模型在网络层仅有一种通信模式（无连接），但在传输层支持两种模式，给了用户选择的机会。二、网络体系结构内的标准化1.标准以及协议层1）网络体系结构，例如TCP/IP或OSI体系结构，为标准化提供了一个框架。2）在OSI这个模型内，每一层都可以开发出一个或多个协议标准。总体说来，这个模型定义了每一层要执行的功能，并通过两种方式促进了标准制定的过程。两种方式如下：第一种：由于每一层的功能都有成熟的定义，因此可以独立且并行地为每一层开发标准。这就加速了标准的制定过程。第二种：由于层与层之间的边界有成熟的定义，因此某一层标准的改变并不会影响到另一层中的现存软件。这使得引入新的标准更加容易。图2-21作为标准框架的网络体系结构图2-22特定层的标准协议规范(protocolspecification)位于不同系统中同层的两个实体之间是通过协议互相合作并且交互作用的。由于涉及两个不同的开放系统，因此这个协议必须准确定义。其中包括被交换的协议数据单元（PDU）的格式、所有字段（或称场/域）的含义和准许的PDU序号。服务定义(servicedefinition)除了在指定的某一层上操作的一个或多个协议之外，每一层提供给上一层的服务也需要标准化。通常这些服务定义等同于那些只定义了提供什么服务但并没有定义如何提供这些服务的功能性描述。3）寻址(addressing)每一层都向上一层的多个实体提供多种服务。这些实体对服务的引用要通过端口，或者服务访问点（SAP）。因此，网络服务访问点（NSAP，NetworkSAP）指的就是一个传输实体，它是网络服务的用户。（传输层是网络层的相邻的上层。）2.服务原语和参数1）在网络体系结构中，邻层之间的服务可以用术语原语和参数表示。2）服务原语定义的是所执行的功能，而参数则用于传递数据和控制信息。3）服务原语的真正形式取决于它的实现方式，过程调用就是服务原语的一个例子。表2-3服务原语和参数原语类别含义对于连接请求一个实体希望得到完成某些操作的服务请求方使用指示通知一个实体，有某个事件发生接收方使用响应一个实体对一个请求的回复接收方使用证实返回对先前请求的响应请求方使用图2-23服务原语时间序列（源点（N）层实体向终点（N）层实体传送数据）1）有证实服务：包括请求、指示、响应和证实4个原语。2）无证实服务：只有请求和指示2个原语。服务原语连接过程：1）CONNECT．request：请求建立连接。2）CONNECT．indication：指示有人请求建立连接。3）CONNECT．Response：被呼叫方用来表示接收／拒绝建立连接的请求。4）CONNECT．confirm：通知呼叫方建立连接的请求是否被接受。5）DATA．request：请求发送数据。6）DATA．indication：表示数据的到达。7）DISCONNECT．request：请求释放连接。8）DISCONNECT．indication：指示有释放连接的请求。例：1）CONNECT．Request：拨姑妈家的电话号码。2）CONNECI'．indication：她家的电话铃响了。3）CONNECT．Response：她拿起电话。4）CONNECT．confirm：你听到了电话铃停止。5）DATA．request：你邀请她来喝茶。6）DATA．Indication：她听到了你的邀请。7）DATA．response：她说她很高兴来。8）DATA．Confirm：你听到她接受了邀请。9）DISCONNECT．request：你挂断电话。10）DISCONNECT．indication：她听到了挂断声，也挂断电话。网络拓扑结构1）在拓扑学中，将实体抽象成与其大小、形状无关的“点”，将连接实体的线路抽象成“线”，进而研究“点”、“线”、“面”之间的关系。2）网络拓扑结构是网络中节点/站点的互相连接形式。或者说，网络拓扑(networktopology)通过网络中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构。3）这里所说的网络拓扑结构是指个域网或局域网或城域网的网络拓扑结构，而一般主要是指局域网的网络拓扑结构，因为从网络拓扑结构来说，局域网最具代表性。图2-24基本的网络拓扑结构1.星形拓扑结构的特点为：1）各个节点直接连接到中心节点。2）中心节点控制整个网络的通信，任何两个非中心节点之间的通信都要通过中心节点。3）拓扑结构简单，易于实现，便于管理。4）网络的中心节点是整个网络性能与可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成整个网络的瘫痪。2.环形拓扑结构的特点为：1）相邻站点通过点-点链路连接成闭合环路。2）环中数据沿一个方向逐站传送。3）拓扑结构简单，传输延时确定。4）环中每个站点与相邻站点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈。环中任何一个站点或线路故障，都有可能造成网络瘫痪。5）为了方便站点的加入和撤出环，控制站点的数据传输顺序，保证环的正常工作，需设计复杂的环维护协议。3.总线型拓扑结构的特点为：1）所有节点连接到一条作为公共传输介质的总线，以广播方式发送和接收数据。2）当一个节点利用总线发送数据时，其他节点只能接收数据。3）若有两个或两个以上的节点同时发送数据时，就可能会出现冲突，造成传输失败。4）优点是结构简单，缺点是必须解决多节点访问总线的介质访问控制问题。4.树形拓扑结构的特点为：1）节点按层次进行连接，数据交换主要在上、下节点之间进行；同层节点之间通常不进行数据交换，或数据交换量比较小。2）树形拓扑可以看成是星形拓扑的一种扩展。树形拓扑网络适用于汇集信息。5.网形拓扑结构的特点为：1）节点之间的连接是任意的，没有规律。网形拓扑的优点是系统可靠性高。2）网形拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法。四、介质访问控制方式图2-25基本的网络拓扑结构如图2-25所示。在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制(MAC，MediumAccessControl)方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。1）通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。2）在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection载波监听多点访问/冲突检测）。3）在控制访问方式中常用令牌总线、令牌环或称之为标记总线、标记环。1.CSMA/CD（载波监听多点访问/冲突检测）1）对任何站点都没有预约发送时间。站点的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。2）若同一时刻有多个站点向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个站点在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。4）载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站点要发送，首先需监听总线，以判断介质上是否存在其它站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。三种CSMA坚持退避算法：1）不坚持CSMA（也叫0坚持CSMA）不坚持CSMA——介质空闲就发送，介质忙就等待一段随机时间再发送。利用随机的重传时间来减少冲突的概率。缺点：即使有几个站点有数据要发送，介质仍然可能处于空闲状态，介质的利用率较低。2）1-坚持CSMA1-坚持CSMA——介质空闲就发送，介质忙则继续监听；等到总线空闲，立