97第6章 计算机控制中的网络与通信技术

第6章计算机控制中的网络与通信技术现代化工业生产规模不断扩大，对生产过程的控制和管理也日趋复杂，往往需要几台或几十台计算机才能完成控制和管理任务。不同的地理位置、不同功能的计算机及设备之间需要交换信息，这样把多台计算机或设备连接起来，就构成了计算机网络。对于广大的从事过程控制的技术人员来说，为了提高计算机的应用水平，更好地编制程序，有必要了解数据通信的通信网络技术、通信网络协议和数据通信知识。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把若干台地理位置不同且具有独立功能的计算机或设备，通过通讯设备和线路相互连接起来，以实现信息的传输和资源共享的一种计算机系统。也就是说，计算机网络是将分布于不同地理位置上的计算机或设备通过有线或无线的通信链路连接起来，不仅能使网络中的各台计算机或设备（或称为节点）之间相互通信，而且还能共享某些节点（如服务器）上的系统资源。所谓资源包括硬件资源（如大容量磁盘、光盘以及打印机等），软件资源（如语言编辑器、文本编辑器、工具软件及应用程序等）和数据资源（如数据文件和数据库等）。6.1.2计算机网络的分类随着网络技术的发展，出现了多种类型的网络分类方法，按其跨度、拓扑结构、管理性质、交换方式和功能，可进行如下分类：1．按网域的跨度划分（1）局域网LAN（LocalAreaNetwork）：一般指规模较小的网络，即计算机硬件设备不大，通信线路不长（不超过几十公里），采用单一的传输介质，覆盖范围限于单位内部或建筑物内，通常由一个单位自行组网并专用。局域网只有和广域网互联，进一步扩大应用范围，才能更好地发挥其作用。但在同广域网相连时，应考虑网络的安全性。（2）区域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）：其规模比局域网要大一些，通常覆盖一个区域城市，故又称城域网，覆盖范围在WAN与LAN之间，其运行方式与LAN类似。（3）广域网WAN（WideAreaNetwork）：广域网顾名思义就是一个非常大的网，它不但可以把多个局域网或区域网连接起来，也可以把世界各地的局域网连接起来，它的传输装置和媒体通常由电信部门提供。在计算机控制系统中一般采用局域网或局域网的互联。2．按拓扑结构划分在计算机通信网络中，网络的拓扑（Topology）结构是指网络中的各台计算机、设备之间相互连接的方式。常用的网络拓扑结构有以下几种。第6章计算机控制中的网络与通讯技术（1）星形网：以一台中心处理机为主而构成的网络，其他入网的计算机仅与该中心处理机之间有直接的物理链路，中心处理机采用分时的方法为入网机器服务。（2）环形网：入网机器通过中继器接入网络，每个中继器仅与两个相邻的中继器有直接的物理线路，所有的中继器及其物理线路构成了一个环状的网络系统，环形网也是局域网的一种主要形式。（3）总线形网：所有入网机器共用一条传输线路，机器通过专用的分接头接入线路。由于线路对信号的衰减作用，总线形网仅用于有限的区域，常用于组建局域网。（4）网状网络：利用专门负责数据通信和传输的节点机构成的网络，入网机器直接接入节点机进行通信，网状网络主要用于地理范围大、入网机器多的环境，例如构造广域网。由于不同拓扑结构的网络往往采用不同的网络控制方法，具有不同的性质，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应用的不同，选择或者混合不同的网络拓扑结构，一般来讲，计算机控制系统的网络拓扑结构以总线形式为多。3．按管理性质划分（1）公用网：由电信部门组建、管理和控制，网络内的传输和转换可供任何部门和个人使用；公用网常用于远程网络的构建，支持用户的远程通信。（2）专用网：由用户部门组建经营的网络，不允许其它用户和部门使用；由于投资因素，专用网常为局域网或者是通过租借电信部门的线路而组建的广域网。过程计算机控制系统中的网络常为专用网，由于近年来计算机控制系统的需求变化，特别是对于远程监控需求的增加，使用专用网互连公用网的方式来组建各种计算机控制网络也普遍增多，这也是计算机控制系统应用网络的发展趋势。4．按交换方式划分（1）电路交换网：类同电话方式，具有建立链路、数据传输和释放链路三个阶段；通信过程中，自始至终占用该链路。且不允许其它用户共享其信道资源。（2）报文交换网：交换机采用具有“存储—转发”能力的计算机，用户数据可以暂时保存在交换机内，等待线路空闲时，再进行用户数据的一次传输。（3）分组交换网：类同报文交换技术，但规定了交换机处理和传输数据的长度（称之为分组），不同用户的数据分组可以交织出现在网络中的物理链路上传输。目前，大多数计算机网络（包括广域网和局域网）都采用分组交换技术，只是分组的体积有所不同。5．按功能划分通信子网：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；该子网包括传输线路、交换机和网络控制中心等硬件设施。资源子网：网络中面向数据处理的资源集合，主要支持用户的应用；该子网由用户的主机资源组成，包括接入网络的用户主机，以及面向应用的外设（例如终端）、软件和可共享的数据（例如公共数据库）等。通信子网和资源子网的划分是一种逻辑划分，它们可能使用相同或不同的设备。电信部门组建的网络通常理解为通信子网，而用户部门的入网设备则被认为属于资源子网。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的功能，因此，从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．OSI模型早期的网络都是各个公司根据用户的要求而独立开发的，实践的结果表明，尽管应用的要求千变万化，但对网络（通讯）的要求却是一致的。计算机网络体系结构实质上是定义和描述一组用于计算机及其通讯设施之间互连的标准和规范的集合，遵循这组规范可以很方便第6章计算机控制中的网络与通讯技术4的实现计算机设备之间的通讯。在这种要求下，ISO（国际标准化组织）联合了许多厂商和专家，在各自提出的计算机网络结构的基础上，加以总结，最终提出了开放系统互连基本参考模式（OSI/RM），并由此引出一系列的OSI标准。OSI模型描述了两台计算机间的通讯应该如何发生。现在越来越多的销售商转向OSI，而使这个标准成为一个实用的标准。OSI模型划分了七个层次，每一层次都由一个定义得很好的界面接口与其它层次分隔开来，见图6.1所示。以下是对七个层次的具体描述。(1)物理层（PhysicalLayer）OSI模型的这个部分提供了建立网络的物理及电气连接特性，如双绞线电缆、光缆、同轴电缆、连接器等等。可以认为这一层是一个硬件层，通常做成芯片，印刷电路板（网络适配器）和电缆等。(2)数据链路层（DataLinkLayer）在信息传输的这个过程中，电脉冲信号进入或离开网络电缆。代表数据信息的网络电信号（位模式、编码方法和令牌）的含义只有而且仅有这一层知道。这一层能够发现并通过要求重新传送损坏的信息包纠正错误。正是因为数据链路层如此复杂，一般将其划分为一个介质存取控制（MAC）层和一个逻辑链路控制（LLC）层。MAC子层负责网络访问（无论是令牌传递还是带冲突的逻辑链路控制检测）和网络控制。LLC子层工作于MAC子层之上，主要负责发送和接收用户的数据信息。这一层的大部分或全部内容由网络适配器上的芯片实现，而再往上的各层则是由软件（网络驱动器）来实现的。(3)网络层（NetworkLayer）这一层切换路由信息包，使之到达它们的目的地。网络层负责寻址及传送信息包。(4)传输层（TansportLayer）当同一时刻有多个信息包在传送时，传输层将控制信息报文组成部件的顺序并规范输入的信息流。如果来了一个重复的信息包，传输层将识别出它是重复的并将其丢弃。(5)会话层（SessionLayer）这一层的功能是使运行于两个工作站上的应用程序能够协调其间的通信使之成为一个独立的会话，可以把它当作是一个高度结构化的对话。会话层负责会话的建立，支持会话期间对信息包的发送与接收的管理及结束会话。(6)表示层（PresentationLayer）当各种计算机打算彼此传送信息时，表示层可将数据转换为机器内部的数字格式或者完成其逆过程。(7)应用层（ApplicationLayer）OSI模型中的这一层可以被应用程序使用。一条将要通过网络传输的信息报文在这一层进入OSI模型向下一层传送，最后传输至物理层，并在打包后传输至其它工作站。之后由目的工作站的物理层向上传送，经过那个工作站中的应用层直至到达需要这份信息报文的应用程序。2．层间通讯OSI中的层间通讯具有两种意义：相邻层之间的通讯和对等层之间的通讯。相邻层之间的通讯：在OSI环境中，相邻层之间通讯发生在相邻的上下层之间，属于局部问题，标准逻辑链路控制层数据（LLC）链路层介质存取控制层（MAC）应用层表示层会话层传输层网络层物理层图6.1OSI模型中定义了通讯的内容（服务原语），未规定这些内容的具体表现形式和层间通讯实现的具体方法。对于对等层之间的通讯：在OSI环境中，对等层是指不同开放系统中的相同层次；对等层之间的通讯发生在不同开放系统的相同层次之间，属于对等层实体之间的信息交换，以保证相应层次功能的实现和服务的提供。标准中利用定义协议来规定对等层之间的交换信息格式和交换时序。在OSI环境中，对等层之间的通讯是目的，相邻层之间的通讯是手段。通过相邻层之间的通讯，实现对等层之间的通讯。为了保证相关服务的实现，要求对等实体的合作，但是对等实体之间并没有直接的通路，必须借助相邻下层的服务来实现，这种过程继续下去，直至物理层进行实际的数据传输，如图6.2所示。6.1.4计算机局域网络对于一个单位而言，为了更方便的利用本单位的资源，往往建立计算机局域网，将有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接起来，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间的相互通信和共享资源。美国电气和电子工程协会(IEEE)于1980年2月成立局域网标准化委员会(简称802委员会)专门对局域网的标准进行研究，并提出LAN的定义。根据IEEE802标准，LAN协议参照了OSI模型的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层到第七层。LAN是允许中等地域的众多独立设备通过中等速率的物理信道直接互连可进行通信的数据通信系统。其中中等地域：表明网络的覆盖的范围有限，一般在l～25km(典型的小于5km)内，通常在单个建筑物内，或者一组相对靠近的建筑群内。描述和比较LAN时，常考虑如下四个方面。①传输媒体：指用于连接网络设备的电缆类型；常用的有双绞线、同轴电缆和光纤电缆，也可以考虑用微波、红外线和激光等；②传输技术：使用传输媒体进行通信的技术，通常的有基带传输和带宽传输：③网络拓扑：指组网时的电缆铺设形式，常用的有总线形、环形和星形；④访问控制方法网络设备访问传输媒体的控制方法，常用的有竞争、令牌传递和时间片等。1．局域网的拓扑结构构成局域网的网络拓扑结构主要有星形结构、总线结构、环形结构和混合形结构。（1）星形结构：星形结构由中央结点和分支结点所构成，各个分支结点均与中央结点具有点到点的物理连接，分支结点之间没有直接的物理通路，如图6.3所示。任何两个分支结点之间的通信都要通过主结点，该主结点集中来自各分支结点的信息，按照一种集中式的通信控制策略，把NN-1物理层NN-1物理层图6.2OSI环境下的层间通讯图6.3星形结构第6章计算机控制中的网络与通讯技术6集中到主结点的信息转发给相应的分支结点。因此主结点的信息存储容量大，通信处理量大，硬、软件较复杂。而各分支结点的通信处理负担却较小，只需具备简单的点到点的通迅功能。典型的网络系统是基于电路交换的电话交换网。星形拓扑结构属于集中型网络，易于将信息流汇集起来，从而提高全网络的信息处理效率，适用于各站之间信息流量较大的场合。但是可靠性较低，如果主结点发生故障，那么将影响全网络的通信。（2）总线结构：采用无源传输媒体作为广播总线，利用电缆抽头将各种入网设备接入总线；为了防止传输信号的反射，总线两端使用终接器(也称终端适配器)，如图6.4所示。在总线形拓扑结构中，网络中的所有结点都直接连接到同一条传输介质上，这条传输介质