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工业通信与网络技术（2）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2015（春）第二章现场总线网络基础一、现场总线网络概观1.低层现场总线网络PROFIBUS-DP（IEC61158第4版，Type3）单主站网络HART（IEC61158第4版，Type20）网络ControlNet（IEC61158第4版，Type2）网络及其冗余方式FFHl（IEC61158第4版，Type9）网络2.多层现场总线网络PROFInet（IEC61158第4版，Type10）的网络结构图方式自动化设备现场设备驱动自动化设备现场设备驱动自动化设备代理设备代理设备智能现场设备HMI主机HMIPROFINETTCP/IP/EthernetPROFIBUSLonWorks（GB/Z20177-2006）本地与远程监控网络TCP/IP远程监控PC网络管理工具本地监控PCLON#1（10.1.0.170)LON#2(10.1.0.171)神经元节点神经元节点神经元节点1250kbps双绞线到电力线路由器1250kbps双绞线到78kbps双绞线路由器1250kbps双绞线到光纤路由器电力线78kbps双绞线光纤神经元节点神经元节点1.25Mbps双绞线LonWorks/IP通道78kbps双绞线异构网段集成现场总线网络应用Web服务器的现场总线远程监控网络二、网络分类1.按网络的地理范围分类星际互联网络蓝牙（Bluetooth）PAN配置个域网（PAN）：允许设备围绕着一个人进行通信。也可用RFID（无线射频识别）局域网（LAN）：一种私有网络，一般在一座建筑物内或其附近。无线和有线LANAP，AccessPoint：访问点或接入点。WiFi：IEEE802.11，11Mbps到几百Mbps。VLAN，VirtualLAN：虚拟局城网。城域网（MAN）：规模局限在一座城市的范围内，10-100公里。基于有线电视的城域网adhoc自组织广域网（WAN）：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。连接澳大利亚3个分支办事处的WANVPN虚拟专用网络互联网：一组相互连接的网络称为互联网（internet）或互联网络（internetwork）。一般具有通用意义因特网（Internet）：一种全球范围内的特殊网络，将ISP（Internet服务提供商）的网络与各种各样的企业网络、家庭网络及其它网络连接起来。首字母大写由计算机网络中提供资源的终端（称为主机）和申请资源的终端共同组成。资源子网由通信节点和通信链路组成，承担计算机网络中的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作。通信子网2.按网络的拓扑结构分类※星形※环形※总线形※树形※不规则形※完整性3.按传输介质分类※架空明线※双绞线※同轴电缆※光纤※无线（红外/微波/卫星）4.按通信方式分类（1）点对点传输网络每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接的线路，那么它们之间的分组就要通过中间节点的接收、存储、转发，直到目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此从源节点到目的节点可能存在多条路由，决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要有路由选择算法。又称单播（2）广播式网络传输所有连网计算机共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其它的计算机都会收听到这个分组。由于发送的分组中带有目的地址和源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本节点地址相同。若被接收的报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。可分出多播或组播5.按网络的使用目的分类–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。–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。–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–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。–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、计算机网络硬件网络硬件主要由可独立工作的计算机、网络设备和传输介质组成。1.计算机是计算机网络的核心，用户主要的网络资源。–服务器：向网络用户提供服务，并负责对网络资源进行管理。可分为文件服务器、通信服务器、备份服务器、打印服务器等。一般由功能强大的计算机担任，如：小型机、专用PC服务器、高档PC。–网络工作站：是一台供用户使用网络的本地计算机，为用户服务，同时被授予一定权限访问服务器，或与其它工作站通信及共享网络资源。2.网络设备–网卡：又称网络接口适配器（NIC），是计算机与传输介质的接口，负责网络上数据包的接收和发送。–调制解调器：用来实现通信信道上数字信号与模拟信号的相互转换。–中继器：物理层互连设备，通过放大和再生信号扩大介质的传输距离。应用目的是为了解决电缆长度问题。–集线器：物理层互连设备，作为网络传输介质的中央节点，可以看成是一种特殊的中继器，除了具有信号再生功能外，有的还具有在共享信道上分配带宽的功能。一般不能识别MAC地址，以广播方式转发数据包。–交换机：数据链路层互连设备，是一种基于MAC地址识别，完成封装、转发数据包功能的网络设备。–网桥：数据链路层互连设备，用于连接使用相同通信协议，但传输介质可以不相同的两个网络。–路由器：网络层互连设备，作用是连接局域网和广域网，有判断网络地址和选择路径的功能。其主要作用是为经由路由器的报文寻找一条最佳路径，并将数据传送到目的站点。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。–网关：应用层互连设备，实现不同网络协议之间的转换，并具有路由功能，将数据重新分组后传送。3.传输介质架空明线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线（红外、微波、卫星通信）等。四、网络拓扑结构1.星形拓扑–各个节点直接连接到中心节点。–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。–拓扑结构简单，易于实现，便于管理。–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–相邻站点通过点-点链路连接成闭合环路。–环中数据沿一个方向逐站传送。–拓扑结构简单，传输延时确定。–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出现故障，都有可能造成网络瘫痪。–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.总线形拓扑–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。–当一个节点利用总线发送数据时，其他节点只能接收数据。–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。–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–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。–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–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。–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。五、介质访问控制方式1.介质访问控制方式分类–随机的：CSMA/CD，争用总线–受控的：令牌环、令牌总线2.CSMA/CD-载波侦听多路访问/冲突检测（1）原理–先听后发；–若空闲即发送，否则等一段时间后重试；–边讲边听；–若有冲突，即发出阻塞信号。（2）CSMA/CD所使用的坚持退避算法0-坚持：–空闲即发送，否则等待随机时间重试发送；1-坚持：–空闲即发送，否则一直等到空闲即发送，若此时有冲突发生，则等待一个随机时间重试发送；P-坚持：–空闲即以P概率发送，或者以（1-P）的概率延迟一个大于最大传输延迟的时间单位重复处理。如果忙，继续监听，直到空闲，从头重复。对比：–0-坚持缺点：即使有几个站要发送，介质也有可能空闲；–1-坚持缺点：假如有2个或2个以上站点要发送数据，则冲突不可避免；–P-坚持：是一种折衷方案。有N个站有数据等待发送，在当前发送完成时，则有N×P个站企图发送，若N×P1，则冲突不可避免。所以设计时应使N×P1。P也不能太小，否则浪费带宽。3.令牌方式是一种有控制的发送方式。令牌按一定顺序在各站点传递，谁得到令牌，谁才有权发送报文。（1）分类–令牌环网：用于环形网络；–令牌总线：用于总线形网络。各个工作站按一定顺序形成一个逻辑环，使用令牌控制机制，构成令牌总线。谁得到令牌，谁才有权发送报文。（2）令牌方式与CSMA/CD方式比较–由于能估算出信息传输的延迟时间，令牌方式比较适合在实时系统中使用，而CSMA/CD方式的信息传输时间是不确定的；–令牌方式对轻重负载不敏感，但单环路可靠性比较低，因为若任何一点出现故障，将使整个环路通信瘫痪；–对于CSMA/CD访问控制，为了使最远距离的站点也能检测到冲突，需要在实际的信息长度后添加填充位，以满足最低信息长度的要求。而令牌方式的帧则可以设置得很短，可减少网络开销，增加容量。思考题：1.网络按地理范围不同可分为哪几种？2.什么是通信子网和资源子网？3.网络按通信方式不同可分为哪几种？各自的工作机理如何？4.常见网络拓扑结构有几种？各有什么优缺点？5.介质访问控制方式有哪几种？6.CSMA/CD的工作原理是怎样的？7.叙述0、1、P坚持退避算法的原理？8.令牌方式分为哪几种类型？