计算机控制技术第8章分布式测控网络技术

第8章分布式测控网络技术数据通信是工业测控网络和分散型测控系统的关键技术。如果把不同地理位置和不同功能的计算机按照统一的协议连接起来就构成了计算机分散测控网络系统本章主要介绍工业网络和通信技术、分布式控制系统、现场总线技术、综合自动化技术和分布式测控网络设计举例。8.1工业网络技术8.1.1工业网络概述8.1.2数据通信编码技术8.1.3网络协议及其层次结构8.1.4IEEE802标准8.1.5工业网络的性能评价和选型8.1.1工业网络概述1.网络拓扑结构网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理连接结构称为拓扑，采用拓扑学来研究结点和结点间连线(称链路)的几何排列。局部网络通常有四种拓扑结构：星形、环形、总线形和树形。（1）星形结构结构：中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。工作过程：当某一结点想要传输数据时，它首先向中心结点发送一个请求，以便同另一个目的结点建立连接。一旦两个结点建立了连接，则在这两点间就象是一条专用线路连接起来一样，进行数据传输。特点：①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；②网络延迟时间短，传输错误率较低；③网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；④网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；⑤通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。（2）环形结构结构：各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。工作过程：一个结点按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一个结点，当传送信息的目的地值与环上的某结点的地址相等时，信息才被该结点的环接口接收，否则，继续向下传送。特点：①信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单；③环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。应用：环形网络结构较适合于信息处理和自动化系统中使用，是微机局部网络中常用的结构之一。特别是IBM公司推出令牌环网之后，环形网络结构就被越来越多的人所采用。（3）总线形结构结构：个结点经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。总线形网络的接口内具有发送器和接收器。接收器接收总线上的串行信息，并将其转换为并行信息送到结点；发送器则将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上。当在总线上发送的信息目的地址与某一结点的接口地址相符时，传送的信息就被该结点接收。由于一条公共总线具有一定的负载能力，因此总线长度有限，其所能连接的结点数也有限。特点：①结构简单灵活，扩展方便；②可靠性高，网络响应速度快；③共享资源能力强，便于广播式工作；④设备少，价格低，安装和使用方便；⑤由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。应用：总线形结构是目前使用最广泛的结构，也是一种最传统的主流网络结构，该种结构最适于信息管理系统、办公室自动化系统、教学系统等领域的应用。（4）树形结构结构：分层结构，适用于分级管理和控制系统。特点：①通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；②网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。网络的传输介质：就是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线，同轴电缆，双绞线，光导纤维电缆，无线与卫星通信。对于传输介质，包括以下特性：物理特性，传输特性，连通特性，地理范围，抗干扰性和相对价格。介质访问控制：各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题（既充分利用信道的空间和时间，又防止发生各信息间的互相冲突）。访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。微机局部网络常用的传输访问控制方式有三种，即冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA／CD)；令牌环(TokenRing)；令牌总线(TokenBus)。三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。2.介质访问控制技术冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA／CD)(1）又称为随机访问技术或争用技术——适用于总线形和树形网络结构工作原理：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。确定等待时间的方法：①当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；②当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信到空闲，开始发送。冲突的解决方法：由于传输线上不可避免的有时间的延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。因此，当结点开始发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正常进行；若不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等待一个随机时间，在重复上述过程。结论：CSMA／CD方式原理较简单，且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。由于CSMA的访问存在发报冲突问题，而产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决这种由于“随机”而产生的冲突问题，可采用有控制的发报方式。下面，介绍一种有控制的发报方式——令牌发送技术。令牌环：全称为令牌通行环(TokenPassingRing)，适用于环形网络结构。令牌是控制标志，网中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。令牌的两个状态“空”状态：表示令牌没有被占用，当其传至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并置令牌为“忙”状态。“忙”状态：表示令牌被占用，即令牌正在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。工作过程：令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。当一个结点占令牌期间其它结点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则下一结点便得到这一令牌，并可发送信息。令牌环的特点：能提供可调整的访问控制方法；能提供优先权服务；有较强的实时性；需对令牌进行维护，令牌丢失降低环路利用率；控制电路复杂。（2）令牌环(TokenRing)（3）令牌总线(TokenBus)将令牌访问原理应用于总线网，构成令牌总线方式。原理：这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是在网上个工作站按一定的顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首战，即首尾相连。每站都有先行站和后继站的地址，总线上各站的物理地址和逻辑位置无关。工作过程：当各站都没有帧发送时，令牌的形式为01111111，成为空标记。当一个站要发送帧时，需要等待空标记通过，然后将它改为忙标志，即01111110。紧跟着忙标记，该站把数据帧发送到环上。由于标记是忙状态，所以其他站不能发送帧，必须等待。接收帧的过程是这样的，当帧通过站时，该站将帧的目的地址和本站的地址相比较，如地址不符合，则不接收数据，同时将帧送入环上。如果符合，则将帧放入接收缓冲器，在输入到站内，同时将帧送回到环上。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站，将该帧从环上移去，同时将标记改为空闲标记。不同于令牌环的是，在令牌总线中，信息可以双向传送、任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。为此，结点发送的信息中要有指出下一个要控制的结点的地址。由于只有获得令牌的结点才可发送信息(此时其它结点只收不发)，因此该方式不要检测冲突就可以避免冲突。特点：1.网络必须要有初始化功能，即能够产生一个顺序访问的次序。这就是一个争用的过程，争用的结果是只有一个站能够获得标记，并产生次序。2.当网络中的标志丢失或者产生多个标记时，必须有故障恢复功能。3.必须有消除不活动结点或者添加新的结点的功能。4.吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；5.控制功能不随电缆长度的增加而减弱；6.不需冲突检测。3.信息交换技术为了提高计算机通信网的通信设备和线路的利用率，有必要研究通信网络上信息交换技术。即如何控制信息传输，才能提高通信效率。在计算机网络中，通信的基本交换方式分为两类：线路交换和存储转发交换。存储转发交换中，包括报文存储转发交换和报文分组存储转发交换。报文分组交换技术在实际应用中又分为两类：数据报（DG,datagram）方式和虚电路（VC,virtualcircuit）方式。（1）线路交换（2）存储转发交换交换原理：通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。交换过程例如右图中S1要把报文M1传送给站S3，可以有多条路径，比如路径N1→N2→N3或N1→N7→N3等。首先站S1向结点N1申请与站S3通信，按照路径算法(如路径短，等待时间短等)，结点N1选择N7为下一个结点，结点N7再选N3为下一个结点，这样站S1经结点N1→N7→N3与站S3建立了一条专用的物理线路。然后站S1向S3传送报文，报文传送周期结束，立即“拆除”专用线路N1→N7→N3，并释放占用资源。线路交换方式的通信分三步：建立线路，传送数据，拆除线路。由于建立了一条专用线路，所以报文传送的实时性好，各结点延时小。但是，一旦两站连接起来，即使没有数据传送，别的站也不能用线路上的结点，因而线路的利用率低。为了提高利用率，可采用报文交换。（1）线路交换(2)报文交换仍然以上图中站S1要发报文M1给站S3为例。首先站S1把目的S3的名字附加在报文上，再把报文交给结点N1。结点N1存储这个报文，并且决定下一个结点为N7，但是要在结点N1→N7的线路上传输这个报文，还要进行排队等待。当这段线路可用时，就把报文发送到结点N7。结点N7继续仿照上述过程，把报文发送到结点N3，最后到达站S3报文交换的优点是线路的利用率高，这是因为许多报文可以分时共享一条结点到结点的线路。并且能把一个报文发送到多个目的站，只需把这些目的站名附加在报文上。由于报文要在结点排队等待，延长了报文到达目的站的时间。(3)分组交换分组交换(PacketSwitching)综合了线路交换和报文交换的优点。首先将前面所说的报文分成若干个报文段，并在每个报文段上附加传送时所必需的控制信息，如下图所示。这些报文段经不同的路径分别传送到目的站后，再拼装成一个完整的报文。对于这些报文段，称为报文分组，它是分组交换中的基本单位。分组交换与报文交换的形式差别在于不是以报文为单位，而是以报文分组为单位进行传送。问题是网络如何管理这些报文分组流，一般有两种方法：数据报方法，虚电路方法。①数据报(Datagram)方法②虚电路(VirtualCircuit)方法虚电路方法适用于两个站希望在一段连续的时间内交换数据，而数据报方法适用于发送一个或几个报文分组(如状态信息、控制信息)等。一般地说，分组交换网最好是这两种方法都有，这样可进一步提高通信效率。4.差错控制技术差错控制技术包括检验错误和纠正错误，下面介绍两种检验方法(奇偶校验和循环冗余校验)和三种纠错方式(重发纠错、自动纠错和混合纠错)。(1)奇偶校验(ParityCheck)是一个字符校验一次，在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位。通常用一个字节(b0～b7)来表示，其中，b0～b6为字符码位，而最高位b7为校验位。这个校验位可为1或0，以便保证整个字节(b0～b7)为1的位数是奇数(称奇校验)或偶数(称偶校验)。奇偶校验通常用于每帧只传送一个字节数据的异步通信方式。（2）循环冗余校验——CRC校验校验原理：—发送端首先发送信息位，与此同时