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第5章网络通信与现场总线5.1网络与现场总线计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，是社会向信息化迈进的必要条件，它为大范围的信息交流和资源共享提供了良好的条件，已成为当今全球信息产业的基石。近年来，计算机技术与通信技术都获得了突飞猛进的发展，计算机技术渗透到通信技术领域中，大大地提高了通信系统的性能，促进了通信由模拟向数字化并昀终向综合业务的方向发展。同时，通信技术又为多个计算机之间的数据传输、资源共享和协调合作提供了必要的手段，促进了计算机技术的发展。计算机网络综合了这两方面的新技术，涉及面更宽，应用范围更广，对信息技术的发展产生了深远的影响。5.1.1计算机网络概述网络与计算机一样，都经历了从简单到复杂的发展过程。从昀初的计算机与多个终端之间的数据通信发展到现在的复杂的网际互联，计算机网络技术发展的势头十分迅猛，各种各样的网络技术更是五花八门，那么究竟计算机网络的概念是什么呢？对计算机网络的定义有多种，广义上来讲，计算机网络就是在协议控制下由一台或多台计算机、若干台终端设备、数据传输设备，以及便于终端和计算机之间或者若干台计算机之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统集合。这表明，计算机网络是在协议控制下通过通信系统来实现计算机之间的连接与数据传输的。计算机网络与一般的计算机互连的本质区别就在于有无协议作用。1．网络发展的三个阶段（1）第一代计算机网络（以单个计算机为中心的远程连机系统），系统构成如图5-1所示。调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器主机前端机终端控制集中线终端控制终端终端终端终端图5-1第一代面向终端的计算机网络可编程计算机控制器技术218在这种系统中，主要存在的是终端与中心计算机之间的通信，其中只有中心计算机具备自主处理的功能。这与后来出现的多个计算机互连的网络相比，只能称其为面向终端的计算机网络。其中，前端处理机专门负责通信的工作，减轻了中心计算机通信与数据处理的双重任务，提高了其工作效率；终端控制器通常是在终端较集中的地点设置的，它首先通过低速线路将附近各终端连接起来，再通过高速通信线路与远程中心计算机的前端机相连，终端控制器能够在一些终端的空闲时间内传送其他处于工作状态的终端的数据，提高了远程线路的利用率，降低了通信费用；调制解调器，则是利用模拟通信线路远程传输数字信号所必需的设备。（2）第二代计算机网络，系统结构如图5-2所示。HHIMPIMPIMPIMPIMPIMPHHHHH注：图中H为主机，IMP为分组交换节点图5-2以IMP进行通信的第二代计算机可以将这一代计算机系统称为目前所说的计算机网络，因为它是由多个具有自主处理能力的计算机通过通信线路连接起来的。计算机间不存在主从的关系。这种网络采用“存储—转发”的方式来传输数据。各个计算机之间不是直接通过通信线路相连，而是要通过一个称为接口报文处理机IMP（InterfaceMessageProcessor）的装置转接后互连的。“存储—转发”方式比起第一代计算机的通信方式来讲具有一个明显的优点：通信线路不被某对通信实体所独占，线路的利用率大大地提高。在该系统中，拥有通信资源的IMP和它们之间互连的通信线路一起负责完成主机之间的通信任务，构成了通信子网。通过通信子网互连的主机负责运行用户的应用程序，并向网络用户提供可以共享的软硬件资源，它们组成了资源子网。IMP也称为分组交换节点，该网络中存储转发的信息基本单元称为分组。比较图5-1和5-2两图可看出，第一代与第二代的区别之一就是：第一代以被各终端享用的单个计算机为中心，而第二代则是以通信子网为中心，用户共享的资源子网在通信子网的外围。这样，第二代计算机网络使得终端和中心计算机间的通信发展到计算机与计算机间的通信，用单台中心计算机为所有用户需求服务的模式就被大量分散而又互连在一起的多台计算机共同完成的模式所替代。然而，尽管当前世界上已有大量的第二代计算机网络正在运行和提供服务，但随着信息社会的日益发展，第二代计算机网络出现了一个限制其向前发展的关键因素：没有统一的网络体系结构，网络互连十分困难。这里涉及到网络的基本概念——协议及在其基础上的体系结构，所谓协议就是两个计算机间通信时对传送信第5章网络通信与现场总线219息内容的理解、信息表示形式，以及各种情况下的应答信号都必须遵循的一个共同的约定。而如何分层，以及各层中具体采用的协议的总和，称为网络的体系结构。表示为如下形式：网络体系结构={系统，实体，层，协议}。（3）第三代计算机网络，即国际标准化的网络，打破了第二代计算机网络发展的桎梏。它具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化的协议。标准化使不同的计算机能方便地互连在一起。标准化还将带来大规模生产、产品VLSI化和成本降低等一系列的好处。2．OSI基本参考模型针对第二代计算机网络的不足，国际标准化组织ISO（InternationalStandardOrganization）于1984年正式颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”的国际标准ISO7498。这里“开放系统”是相对第二代计算机网络中各种类型网络的厂商各自封闭的系统而言的，它是可以与任何其他系统（当然要遵循相同的国际标准）通信且相互开放的。需要注意的是：该模型自身并没有定义数据传输的标准，而只是为发展和定义系统构造了一个框架。这个模型分为七层，有时也被称为OSI七层模型。该模型结构如图5-3所示。开放系统同层协议开放系统应用层表示层会话层传输层网络层应用层数链路层网络层传输层协议会话层协议表示层协议应用层协议网络层数据链路层表示层会话层传输层数据链路层物理层物理层物理层中继开放系统图5-3OSI参考模型其中，物理层和数据链路层定义了数据传输协议，网络层到应用层则涉及到高级网络协议。当要发送数据到昀底层（物理层）时，信息依次通过每一层，各层对该信息进行处理并增加了一些协议信息以便传输；在接收方，传输所需的额外信息将被去掉，接收方各层进行与发送方各层相反的操作，使传输的信息恢复原样。现对这几层进行简要介绍：①物理层（PhysicalLayer）：为数据链路上的两端实体间提供建立、维持和拆除物理连结信道（传输线路）所必需的（机械的、电气的、功能的）特性，目的在于保证可靠的电信号传输，即按比特为单位的同步与传输；②数据链路层（DataLinkLayer）：构成逻辑信道的一段点到点式数据通路，是在物理信道基础之上建立起来的，具有它自己的数据传输格式和传输控制功能的点到点间直接信道，目的是在物理层处于各种通信环境条件下，都能保证其向上层提供一条无差错的、高可靠性的传输线路，从而保证数据通信的正确性，并为计算机网络的正常运行提供其所可编程计算机控制器技术220要求的数据通信质量；③网络层（NetworkLayer）：亦称为“通信子网层”，处在用户子网与通信子网的界面上，是不同传送数据单元（报文/分组）进行转换的交界处。它为进网报文提供具体的逻辑信道（虚线路），并控制子网有效地运行。其中网络层的关键就是路由选择，在OSI术语中称之为中继。每个通信子网的节点称为中继节点，整个通信子网称为中继开放系统。对通信子网的每个转接节点，如果它收到了信息，则根据信息的目的地址可能会做出如下两个反应：y如果该信息的目的地址就是本节点时，将信息传送给本节点所连主机；y信息的目的地址不是本节点，则需根据目的地址和本节点各输出线路情况采取一定的路由选择机制，将该信息发送到一条昀优的输出线路上。④传输层（TransportLayer）：高层用户可利用运输层的服务直接进行端对端，也就是主机对主机的数据传输，不必知道通信子网的存在，即运输层为上层用户提供端对端的透明化的数据传输服务。同时运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制；⑤会话层（SessionLayer）：为两应用进程间建立起进行一次“对话”的逻辑联结关系，允许不同主机上各种进程之间进行会话，同时会话层还提供了在数据流中插入同步点的机制，节省了数据传输时间；⑥表示层（PresentationLayer）：为上层用户提供共同需要的数据或信息语法表示变换，使采用不同编码方式的计算机通信后能理解双方的数据。表示层还提供了数据压缩和加密功能；⑦应用层（ApplicationLayer）：为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段，其功能直接取决于用户和网络服务目的，它为两个应用系统中的一对进程之间完成信息交换及系统管理和应用管理。3．协议（Protocol）可以看出网络的分层结构就是协议的分层结构。如前所述，协议是两实体间控制信息交换的规则的集合，那么它究竟包含什么内容呢？（1）协议的三个组成要素。①语法：确定通信双方“如何讲”，即由逻辑说明构成，要对信息或报文各字段格式化，说明报头（或标题）字段、命令和应答的结构；②语义：确定通信双方之间讲什么，即由过程说明构成，要对发布请求、执行动作，以及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息；③定时规则：指出事件顺序及速度匹配、排序。（2）协议一般具有的功能。①差错检验和纠正：面向通信传输的协议常使用“应答—重发”、循环冗余检验、软件检查等机制进行z差错的检验和纠正工作；②分块和重装：用协议控制进行传送的数据长度是有一定限度的，参加交换的数据都要求有一定的格式，为满足这一要求，需要将实际应用中的数据进行加工处理，使之符合协议交换时的格式要求。分块和重装就是这种加工处理操作。分块操作是将大块数据分成若干小块，如将报文划分成几个报文分组，而重装操作是将划分的小块数据重新组合复第5章网络通信与现场总线221原，例如，将报文分组还原成报文；③排序：对发送出的数据进行编号以标志它们的顺序，通过排序，可达到按序传递、信息流控制和差错控制等目的；④流量控制：通过限制发送的数据量或速率，以防止在信道中出现堵塞现象。4．计算机网络的拓扑结构计算机网络有许多种类型，按跨度分类，有局域网和广域网之分；按用途分类，有专用网和公共网之分，而按拓扑类型分，可以有多种形式，主要有四种，下面分别进行介绍。（1）星型网。结构如图5-4所示。TTTTTTTTCCCTTTTT前端机主机图中：C为中心处理机，T为终端图5-4星型网结构星型网是以一台称为中心处理机的计算机为主组成的网络，由于各种类型的入网机均与该中心处理机有物理链路直接相连，因此，所有的网上的传输信息必须通过该机转发。星型网络具有以下的特点：构造较容易，适于同种机型互连；通信功能简单，它可以根据需要由中心处理机分时或按优先权排队处理；单个节点的失效不会导致整个网络的中断；中心处理机负载过重，扩充困难；由于每台入网机均必须与中心处理机有线路直接互连，因此线路利用率不高，信道容量浪费较大。（2）总线型网。结构如图5-5所示。主机主机主机主机主机图5-5总线型网络拓扑结构网络上的所有计算机都挂接在一条公共总线上，多台计算机共用一条传输线，信道利可编程计算机控制器技术222用率较高，拓扑结构简单，易于扩充；可以直接对所有结点进行访问（无需星型网的集中器转接）；单个结点的故障不会导致网络的中断；由于网络延伸距离有限，网络容纳节点数受信道访问机制的影响，因而网络大小总是有限的；总线电缆的中断将导致整个网络瘫痪。总线型的拓扑结构特点使其适于传输距离较短，地域有限的组网环境，目前局域网多采用这种方式。总线型网的一个特殊问题就是信道的访问控制权的分配，并由此产生一系列的处理机制，其中常用的处理机制为广播方式。（3）环型网。结构如图5-6所示。主机主机主机主机主机主机主机主机图5-6环型网络拓扑结构环型网通过一个转发器将每台入网计算机接入网络，每台转发器与相临两台转发器用物理链路相连，所有转发器组成拓扑为环的网络系统。环型网的主要特点是：由于一次通信信息在网中传输昀大时间是固定的，因此实时性较高；由于每个网上节点只与相临两个节点有物理链路直接互连，因此传输控制机制较为简单；由于一个节点出故障可能会终止全网运行，因此可靠性较差；由于网络扩充需对全网进行拓扑和访问控制机制的调整，因此较为复杂。（4）分布式网。分布式网没有固定的连接形式，是