现场总线技术 CH1A-概述

现场总线技术第一章概述教材：现场总线CAN原理与应用技术作者：绕运涛、邹继军、郑勇荟中国矿业大学机/机电学院2012-08中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术2计算机网络体系结构-OSI参考模型一、计算机网络体系结构网络体系结构需要的解决的问题模块化，分而治之模块之间相对独立通过接口规则互相连接、发送请求或提供服务现代网络采用分层体系结构每一层完成一个特定功能相邻层中的高层直接使用低层提供的服务实现本层功能，同时又向它的更高层提供服务OSI参考模型国际标准化组织,ISO开放系统互联OSI参考模型电话网：用户接入，本地交换，国内长途，国际长途，国内长途，本地交换，用户接入通讯媒介：光纤，同轴电缆，双绞线，微波，卫星传输模式：数字，模拟…..应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层通信子网ISO-OSI参考模型网络层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层数据链路层计算机大型机中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术3OSI参考模型图说明虚线表示在两台设备会话时不用考虑更低层的实现，就像各个层次之间直接对话注意：每层都提供一些服务低层为高层提供服务服务由协议定义程序员只关心与他的工作直接相关的那些层的协议，它们向高层提供服务，并且由低层提供服务这种层次结构并不是严格和必须的，实际使用中的网络模式与此有区别ISO-OSI只是一个参考模型，完整的实现实例很少(目前声称实现7层协议者仅Lonworks)Internet的TCP/IP体系结构中，只划分为”应用层，传输层，网络层(TCP)和网络接口层(IP)”TCP/IP在设计时已经考虑到与具体的物理传输媒体无关，标准中并未对最低两层做出规定。因此，TCP/IP可以运行在所有的物理网络上(有关TCP/IP分层结构在后面有介绍)中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术41、物理层(PhysicalLayer)1、物理层(PhysicalLayer)物理层的作用是在物理传输媒体上传输各种数据比特流，不管数据的类型和结构这一层除了规定机械、电气、功能、规程等特征外，还考虑如下问题：1)、传输速率波特率：每秒传输的码元数比特率：每秒传输的二进制位数如果一个码元只传输一个二进制位，波特率和比特率相等2)、信道容量信道容量就是信道能支持的最大数据传输率信道容量由带宽和信噪比决定3)、传输媒体信号传输的物理介质：有线、无线;双绞线、同轴电缆，光纤;红外……4)、调制解调调制/解调就是将一种数据转化成适合在信道上传输的某种信号形式Modem，ADSLmodem，调频，调幅中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术5物理层(续1)5)、交换技术电路交换，报文交换，分组交换电路交换要求在通讯双方之间建立起一条实际的物理电路,通讯过程中这条通信电路被独占-传统电话交换系统优点：数据传输可靠，实时性好缺点：电路不能共享，资源浪费大，电路的建立和撤除时间长报文交换报文是一个长度无限制的数据块（一篇文章，一幅图片，一部电影）,报文交换是指报文在源站和目的站之间采用存储-转发方式(有缓冲区)进行传递优点：相对电路交换，报文交换线路利用率高缺点：报文较大时延迟时间长，出错率高分组交换将报文分割成多个长度相等的信息单元（分组），各单元依次编号，以分组为单位进行存储转发优点：除了线路共享外，中间环节的缓冲区较小，减轻了分组在网络中的延迟时间由于报文在网络上可以走不同的路径，这种并行性也减少了整个报文的传输时间分组长度变短，出错重发率降低（针对出错分组重发）已经得到广泛应用----TCP/IP网络、ATM网络、IP电话缺点：结构复杂中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术6物理层(续2)6)、网络拓扑-网络中各个节点的互连形式星型每个站点点-点连接到中央节点任何两节点的通信通过中央节点传输采用电路交换，一个站点的故障只会影响本站对中央节点依赖性大，要求中央节点可靠性和交换能力大HUB、Switcher总线型采用单一信道传输介质，所有站点通过接口连接到这个公共信道多点式、广播式，任何一个站点发送的信息都能被其它站点接收信息按组发送，各站通过地址识别是否接收多站同时发送时，产生冲突，必须有冲突解决机制优点：线路短，可靠性高缺点：实施范围受限，一个站点的故障可能影响整个网络粗缆、细缆同轴网，ARCnet网络，RS485/422星型拓扑总线型拓扑中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术7物理层(续3)树型从总线型拓扑演变而来。从树根开始，每个节点都可能产生多个分支特点与总线型拓扑相似故障比较容易隔离和检查局域网环型站点构成闭合环路，站点从一条链路接收数据，从另一条链路以同样速率发送链路大多数为单方向，数据沿一个方向在网上环行传输同样需要冲突解决机制-令牌环所需截至长度短，单向数据传输可以使用光纤一个站点故障导致整个网络故障-双环网络解决方案令牌环型网络树型拓扑环型拓扑中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术8物理层(续4)网型每个站点可以有一条或几条链路与其它站点相连站点之间存在多路经，传输数据可以挑选较为空闲的通路可绕开故障点单个站点故障对网络影响很小，网络可靠性高结构复杂、成本较高Internet干线网络，路由器网型拓扑混合型拓扑中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术9物理层(续5)7)、多路复用技术发送端将多路信号组合在一条信道上传输，接收端将信号分离频分多路复用FDM–模拟手机，电视网络、调频调幅广播网时分多路复用TDM–GSM网络，数字长途电话网码分多址–采用扩频技术，CDMA，3G移动通讯技术(多在无线通讯中采用)比如在一个会议室同时讨论多个问题的情况：信道-会议厅信号-各方发言频分复用-将会议厅隔开分成议题不同的几个组，各组互不干扰时分复用-一个议题一个议题按照顺序进行码分多址-各个议题同时发言，采用不同的语言中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术102、数据链路层(DataLinkLayer)2、数据链路层(DataLinkLayer)物理介质只管传送比特流物理线路不可靠，易出现差错需要采用一定的规程控制数据传输将实现这些规程的硬件和软件加到链路上就构成了数据链路层原始数据分组–帧同步信号-帧的开始与中止差错控制-各类检错码、纠错码。(大多采用无纠错的出错重发方式)流量控制-协调双方发送和接收速率控制信息数据信息寻址信息-信道共享时保证每帧到达正确目的地，收方也知道信息来自何站中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术11数据链路层(续1)高级数据链路控制HDLC面向字符的组帧方式传输特定的字符集，如ASCII编码只能对数据部分进行差错控制，对控制部分的差错无法控制HDLC1974年出现面向bit编码，不依赖任何字符集可传输任意长度的二进制bit串数据与命令采用统一的帧格式传输标志F地址A控制C信息I帧校验序列FCS标志FBit:0111111088可变长度16Bit:0111111001111110为帧起始和结束标志数据编码时，在数据和控制流中，在每5个1相连的数据流后插入一个0接收端在接收到5个1时，如果下一个为0则删除这个0，下一个为1则为帧分界标志中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术12数据链路层(续2)差错编码海明码(R.Hamming),1950可以检测差错并纠正1bit错误循环冗余码(CRC,CyclicRedundancyCode)能检测差错采用多项式编码，高检错率HDLC中采用的FCS段采用CRC-CCITT：X16+X12+X5+1奇偶校验码能检测出奇数个错误，漏检率达50%校验和码能检测出错误，检出率较CRC低很多中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术133、网络层(NetworkLayer)3、网络层(NetworkLayer)网络层主要功能是将分组从原端机器经选定的路由送到目的端机器网络层向上面的传输层提供面向连接的网络服务和面向无连接的网络服务面向连接在通讯双方之间提供一条虚电路，所谓虚电路是指通信双方之间数据传送的一个固定路由(路径)面向无连接通信双方之间的每一组数据都可独立选择路由(走不同的路径)，不能保证数据按顺序交付目的站网络层除了负责路由选择以外，还要进行流量控制防止网络因过载而引起吞吐量下降避免死锁在互相竞争的用户之间公平地分配资源“第三层交换”，三层交换机传统意义上第三层设备为路由器(Router)，第三层交换是在交换机中加入路由功能中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术144、传输层(TransiportLayer)4、传输层（TransiportLayer）物理层、数据链路层、网络层－面向网络通信的层次，由通信公司提供会话层、表示层、应用层－面向信息处理的层次，由应用程序实现传输层－网络协议层次的核心，与应用有关的通信服务传输层是为高层从源端机到目的机提供可靠、经济的数据传输服务而与具体网络无关实现差错控制、流量控制、多路复用、数据分流中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术155、会话层(SessionLayer)5、会话层（SessionLayer）在传输层基础上增加协调对话功能两个用户层对话之间的连接建立和清除半双工对话时授权哪一方发送数据长时间对话时插入同步点，每次网络对话出错时只须从最近的同步点重传中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术166、表示层(PresentationLayer)6、表示层（PresentationLayer）表示层下的5层将数据比特流从源站按顺序传送到目的站表示层要保证经传送后的数据其意义不变各种计算机有其描述数据的方式，不同种类的计算机系统之间交换数据需要经过一定的数据转换才能保证数据的意义不变表示层的功能是对源站的数据进行编码(信源编码)，形成适合传输的比特流数据到达目的地后再进行解码，转换成用户所要求的格式表示层为上层用户提供数据或信息语法的表示转换－某机器内部的数据表示与抽象数据表示之间的变换(使数据结构描述与机器无关)字节顺序，浮点数表示等….中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术177、应用层(ApplicationLayer)7、应用层（ApplicationLayer）应用层－直接为用户提供各种服务可包含各种应用程序各种应用程序由于使用广泛和普遍而实现了标准化，这些标准就形成了应用层上的各种应用协议：浏览器，pop3/smtp:电子邮件，FTP：文件传输QQ:采用的UDP，TCP/IP协议中国矿业大学机电工程学院-张有忠©版权所有2012-08现场总线技术18TCP/IP分层模型TCP/IP分层模型（TCP/IPLayeringModel）因特网分层模型(InternetLayeringModel)因特网参考模型(InternetReferenceModel)TCP/IP协议被组织成四个概念层，其中有三层对应于ISO参考模型中的相应层TCP/IP协议族并不包含物理层和数据链路层，因此它不能独立完成整个计算机网络系统的功能，必须与许多其它的协议协同工作IP第四层,应用层DNSFINGERWHOISFTPHTTPGOPHERTELNETIRCSMTPUSENET其它第三层,传输层TC