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1、第二章工业控制网络技术基础2.1局域网技术1、局域网概述定义：局域网（LAN）通常被认为是由一组在物理地址上彼此相隔不远的计算机及其设备按照一定的连接方式组织起来的、以实现用户间相互通信和共享诸如打印机和存储设备等资源的网络系统。主要用途：1）共享功能共享的内容软硬件都可包括2）客户/服务器计算模式3）局域通信功能4）为接入Internet等广域网做准备（1）主要特点：1）一般特点：较小的物理范围以微机为主要联网对象通常属于某个部门和单位价格低廉2）技术特点：具有更高的传输速率（101000Mbit/s）通常多个站共享一个传输介质误码率低具有较低的时延具有高可靠性和安全性、易于扩缩和管理（2）
2、基本组成LAN由五个基本部件构成计算机（特别是PC）传输介质网络适配器（网卡）网络连接设备网络操作系统2、局域网拓扑结构计算机网络的组成元素可以分为两大类，即网络节点和通信链路。网络中节点的互连模式叫网络拓扑结构。物理拓扑指连接网络设备的物理线缆的铺设形式拓扑结构通常是指物理拓扑结构逻辑拓扑数据流在物理线缆中传输的形式物理拓扑可能与逻辑拓扑形状不同局域网常见的拓扑结构总线、树形、环形、星形（1）星形拓扑结构所有的计算机连到一个中心节点上，中心节点的设备通常由主机或集线器担当。中中 央央节节 点点星形拓扑的特点物理结构的特点所有站点直接与中央节点相连各站点之间无直接连线站点之间通信必须通过中央节
3、点转发逻辑结构的特点中央节点的处理能力决定了网络的逻辑拓扑如为HUB，网络的逻辑拓扑为总线型如为交换机，则网络的逻辑拓扑为星型中央节点为HUB的EthernetHUB逻辑上逻辑上等效于等效于1、2 发送发送3、6接收接收RJ45RJ45站站HUB1818v 双绞线介质，收发各用一对线，平衡驱动双绞线介质，收发各用一对线，平衡驱动v 站点与站点与HUB之间采用直连电缆之间采用直连电缆v HUB接收每个站点信息并向其他站转发接收每个站点信息并向其他站转发v 数据充满整个网络，仍为逻辑上的总线数据充满整个网络，仍为逻辑上的总线v 数据通信具有总线型网络的特点数据通信具有总线型网络的特点（冲突、竞争信
4、道，收、发规则，（冲突、竞争信道，收、发规则，共享总线速率等）共享总线速率等）优点：查找故障方便，便于维护和管理个别站点的故障对网络无影响站点进出很自由介质访问方法简单缺点：对中央节点的可靠性和冗余度要求很高（2）环形拓扑结构由连接成封闭回路的网络节点组成，每一节点与它左右相邻的节点相连接并最终形成一个“环状”结构。连接特点：通过转发器与单向链路连成环状各站点通过转发器接入环中逻辑拓扑：环形环形拓扑环形拓扑转发转发器器通信特点：数据单向传输，同时只能有一个站点发送广播通信方式，数据绕环一周，所有站点都能收到数据传输中需要指定源、目的地址需要某种机制决定谁发送（令牌）需要对发送规则进行监控和管理
5、（令牌管理）需对数据进行插入、接收、删除处理（避免循环）数据在每个站点重新转发，信号强度大环网转发器功能对数据波形进行整形、放大对途经的数据进行监听并沿环向下转发（延时理想值为1位）对出环或故障的站点进行旁路，维持环的正常工作1 1位延迟位延迟监听监听/接收接收发送发送旁路旁路环网的数据传输准备工作数据成帧得到令牌（发送权）传输过程帧途经的转发器判别地址若地址相符：将数据传向所连站点，同时修改有关位（接收信号），并向下转发；若地址不符：则只将数据向下转发发送站边发边监听上行链路数据数据帧绕环一周回到本地：站点吸收本数据帧，同时产生新令牌当令牌在环中传输时：便开始新一轮的传输环形拓扑环形拓扑转发
6、转发器器优点：高速运行避免碰撞，结构简单潜在问题：任一转发器或任一段链路故障都将导致网络瘫痪故障查找困难，需要漫游整个网络才能定位故障点新增站点困难，需要新增转发器可能还要重新拉线可靠性要求和转发器的积累时延限制了环的规模需要站点兼任监控站监测环的状态（3）总线型拓扑结构一种使用同一介质或电缆连接所有端用户的方式，即连接端用户的物理介质由所有设备共享。总线拓扑总线拓扑数据流数据流逻辑拓扑逻辑拓扑 总线型总线型总线型拓扑结构特点连接特点：所有站点通过搭接头直接与总线相连逻辑拓扑：总线型通信面临的问题：任一站点发送，其他所有站点都能收到；数据传输无方向性需要指明由谁发送（源地址），发给谁（目标地址
7、）多个站点同时发送时，会发生冲突。同时只能一个站点发送一个站点连续发送时间过长，其他站点将不能发送（公平性？）站点只能采用半双工方式全双工（FullDuplex）是指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网卡一般都支持全双工。半双工（HalfDuplex），所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生。举个简单例子，一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当目前有两辆车对开，这种情况下就只能一辆先过，等到头后另一辆再开，这个例子就形象的说明了半双工的原理。早期的对讲机、以及早期集线器等设备都是基于半双工的产品。随着技术的不断
8、进步，半双工会逐渐退出历史舞台。单工通信是指通信线路上的数据按单一方向传送。总线型结构的数据传输A站站B站站C站站站点站点C C发数据给站点发数据给站点A A接收接收u传输准备传输准备 站点站点C C将数据组成将数据组成帧格式，帧格式，头部含源头部含源（C C）、宿地址（）、宿地址（A A）站点站点C C传输之前需传输之前需先竞争到信道先竞争到信道u传输过程传输过程C C将帧发出将帧发出传到传到B B站，地站，地址不符丢弃址不符丢弃传到传到A A站，地站，地址相符接收址相符接收2.2局域网协议分层结构的相关术语、概念层与对等层层：一种逻辑划分，功能被明确定义对等层：也叫同层，指互连系统中相同的
9、层实体与对等实体实体：每一层活跃的元素可收发信息的东西（硬、软件均可，如网卡、应用程序等）是实现层功能的主体每一个层可有多个实体对等实体对等实体一定成对出现在互连系统的同层中对等实体一定执行相同的协议，能相互通信对等实体之间通信一定是透明的（报文格式、大小一样）不同层的实体不能通信系统系统B实体A实体B实体C实体A实体B实体C系统系统An层层n-1层层对等对等n层层对等对等n-1层层服务、接口、协议n层层n-1层层系统系统A系统系统B(n)PDUn协议协议实体实体SAP向上层提向上层提供的服务供的服务服务：服务：下层实体通过层间接口为上层实体提供的通信功能下层实体通过层间接口为上层实体提供的通
10、信功能服务访问点：服务访问点：SAP(Service Access Point)相邻层之间交换数据的地方，也叫层间接口相邻层之间交换数据的地方，也叫层间接口每个每个SAP具有唯一的标识地址具有唯一的标识地址每个实体提供多个每个实体提供多个SAP，供不同的上层协议使用，供不同的上层协议使用 每个每个SAPSAP由一个实体提供，一个上层协议可使用多个由一个实体提供，一个上层协议可使用多个SAPSAP协议：协议：对等实体之间通信时共同遵守的规约。对等实体之间通信时共同遵守的规约。协议具有三要素协议具有三要素 语法：语法：信息的格式（由哪几部分组成）信息的格式（由哪几部分组成）语义：语义：信息的含义及
11、控制信息（各部分的具体信息的含义及控制信息（各部分的具体意义）意义）时序：时序：信息交换的步骤与顺序等信息交换的步骤与顺序等PDU（Protocal Data Unit)对等实体间交换的数据单元对等实体间交换的数据单元 (由数据头部和由数据头部和上层数据组成上层数据组成)进一步理解协议与服务服务涉及本地系统上下层实体之间的通信（垂直方向）协议涉及互连系统同层实体之间的通信（水平方向）协议独立于服务（可用不同的协议提供同一服务）协议是提供服务的基础，是完成层功能的基础OSI参考模型（OSi/RM）OSI：OpenSystemInterconnectionReferenceModel，开放系统互连
12、参考模型OSI模型由ISO提出ISO：InternationalStandardOrganization制定OSI标准的目的：使不同的计算机网络能够互连要求各大公司按照OSI标准制造计算机网络OSI七层标准模型通通 信信 介介 质质应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据连路层数据连路层物理层物理层应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据连路层数据连路层物理层物理层网络层数据连路层物理层通通 信信 介介 质质传输层协议传输层协议会话层协议会话层协议表示层协议表示层协议应用层协议应用层协议端系统端系统A端系统端系统BOSI模型各层功能物理层物理层物
13、理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。媒体和互连设备物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。通信用的互连设备指DTE和DCE间的互连设备。DTE即数据终端设备，又称物理设备，如计算机、终端等都包括在内。而DCE则是数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。数据传输通常是经过DTEDCE，再经过DCEDTE的路径。互连设备指将DTE、DCE连接起来的装置，如各种插头、插座。LAN中的各种粗、细同轴电缆、T型接、插头，接收器，发送器,中继器等都属物理层的媒体和连接器。物理层的主要功
14、能为数据端设备提供传送数据的通路。数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。传输数据。物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽(带宽是指每秒钟内能通过的比特(BIT)数)，以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。完成物理层的一些管理工作。物理层协议规定了为正确传送二进制位信号进行建立、维持和释放
15、物理信道提供机械、电气、功能和规程方面的手段。物理层典型协议是国际电子工业协会制定的EIARS-232C。数据链路层数据链路层数据链路可以粗略地理解为数据通道。物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接。媒体是长期的，连接是有生存期的。在连接生存期内，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程。这种建立起来的数据收发关系就叫作数据链路。而在物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错，为了弥补物理层上的不足，为上层提供无差错的数据传输，就要能对数据进行检错和纠错。数据链路的建立，拆除，对数据的检错，纠错是数据链路层的基本任务
16、。数据链路层的主要功能数据链路层的功能是为网络层提供连接服务，并在数据链路连接上传送帧，帧是数据链路层数据的传输单位。一般为网络层提供3种服务：无确认的无连接服务。特点：发送前不建立数据链路连接，需要通信时，发送方的数据链路层即可直接发送任意长的信息，传输时接收方也不应答，出错和数据丢失时也不做处理。适用场合：线路误码率很低或对传送实时性要求很高的场合。有确认的无连接服务。特点：发送前不建立数据链路连接而直接发送数据，接收数据链路层能接收帧，并经校验，如果正确，则返回应答帧；不能接收或接收后校验不正确，则返回否定应答，发送端要么重发，要么暂不发数据。适用场合：不可靠信道的信号传输。有确认的面向
17、连接的服务。特点：进行一次数据传送分为3个阶段：数据链路建立、数据帧传送和数据链路的释放。面向连接的服务在数据传送阶段对每个帧都要确认，发送方收到确认后才能发送下一个帧，服务质量好。链路层应具备如下功能：链路连接的建立，拆除，分离。帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧，协议不同，帧的长短和界面也有差别，但无论如何必须对帧进行定界。顺序控制，指对帧的收发顺序的控制。链路标识，流量控制。通过引入某种反馈机制完成。差错检测和恢复。差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码，而帧丢失等用序号检测。各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成。数据链路层的典型协议是OSI标准协议集中的高级数
18、据链路控制（HDLC）协议。OSI参考模型的数据链路层在IEEE802局域网标准中被分为介质访问控制（MAC）子层与逻辑链路控制（LLC）子层。MAC子层负责解决共享信道的介质访问控制，LLC子层完成通常意义下的数据链路层功能。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址。网络层网络层 数据链路层协议只能解决相邻两个节点间的数据传输问题，不能解决由多条链路组成通路的数据传输问题。而当数据终端增多时，它们之间有中继设备相连。此时会出现一台终端要求不只是与唯一的一台而是能和多台终端通信的情况，这就是产生了把任意两台数据终端设备的数据链接起来的问题,也就是路由或者叫寻径。网络层的任务就是要选择合适的路由，为传输层
19、提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输的通路。网络层数据的传送单位为报文或报文分组。网络层向上层（传输层）提供的服务有两大类，即面向连接的网络服务（虚电路服务）和无连接的网络服务（数据报服务）。虚电路服务传送方式：建立连接数据传输释放连接。分组沿一条网络连接串行前进，收发顺序一致。差错和流量控制由网络负责。适用范围：定对象、长报文、会话型传输。数据报服务传送方式：数据直接发送无需事先连接，各分组可经由不同的中转路径独立传送。排序由传输层完成，差错控制由主机承担。适用范围：需要将一个分组发送到多个目的地。网络层应具备以下主要功能：路由选择和中继激活，终止网络连接在一条数据链路上复用多条网络连
20、接，多采取分时复用技术差错检测与恢复排序，流量控制服务选择网络管理网络层主要解决的是路由选择和流量控制等问题。路由选择路由选择算法：在网络中源节点和目标节点之间找到一条最佳的或合适的路径。可分为静态路由选择算法（预先配置好）和动态路由选择算法（根据实际情况配置）两大类。流量控制流量是指计算机网络中的通信量。网络的吞吐量随输入负载的增大而下降（即拥塞），吞吐量下降至零时网络瘫痪（即死锁）。流量控制的功能就是要防止网络由于过载而引起网络数据吞吐量下降和时延增加、避免死锁、公平地在相互竞争的用户之间分配资源。传输层传输层传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端（即进程到进程）的层次，具
21、有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少的工作。传输层还可进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。传输层也称为运输层。传输层只存在于端开放系统中，是介于低3层通信子网系统和高3层之间的一层，是整个协议层次结构的核心。因为它是源端到目的端对数据传送进行控制从低到高的最后一层。传输层的功能就是在网络层的基础上，完成端到端的差错纠正和流量控制，并实现两个终端系统间传送的分组无丢失、无重复、无差错、分组顺序正确。传输层屏蔽通信子网间的差异，向上层提供标准完善的服务。各种通信子网在性能上存在着很大差异。例如电话交换网，分组交
22、换网，公用数据交换网，局域网等通信子网都可互连，但它们提供的吞吐量，传输速率，数据延迟通信费用各不相同。然而对于会话层来说，却要求有一性能恒定的界面。传输层就承担了这一功能，它采用分流/合流，复用/介复用技术来调节上述通信子网的差异，使会话层感受不到它们的差别。传输层面对的数据对象已不是网络地址和主机地址，而是和会话层的界面端口。上述功能的最终目的是为会话层提供可靠的，无误的数据传输。传输层端口的概念端口就是传输服务访问点（TSAP）。端口的作用就是让各种应用进程都能将其数据通过端口向下交付给传输层，以及让传输层知道应当将其数据段或者报文中的数据向上通过端口交付给应用层相应的进程。从这个意义上
23、讲，端口是用来标识应用进程。传输层的任务是根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。传输层的服务可分为面向连接和无连接两种，面向连接的传输层协议使用最广泛，一般要经历传输连接建立阶段，数据传送阶段，传输连接释放阶段3个阶段才算完成一个完整的服务过程。而在数据传送阶段又分为一般数据传送和加速数据传送两种。传输层服务分成5种类型，基本可以满足对传送质量，传送速度，传送费用的各种不同需要。协议等级传输层服务通过协议体现，因此传输层协议的等级与网络服务质量密切相关。根据差
24、错性质，网络服务按质量可分为以下三种类型：A类服务：低差错率连接，即具有可接受的残留差错率和故障通知率C类服务：高差错率连接，即具有不可接受的残留差错率和故障通知率B类服务：介于A类服务与C类服务之间差错率的接受与不可接受是取决于用户的。因此，网络服务质量的划分是以用户要求为依据的。OSI根据传输层的功能特点，定义了以下五种协议级别：0级：简单连接。只建立一个简单的端到端的传输连接，并可分段传输长报文。1级：基本差错恢复级。在网络连接断开、网络连接失败或收到一个未被认可的传输连接数据单元等基本差错时，具有恢复功能。2级：多路复用。允许多条传输共享同一网络连接，并具有相应的流量控制功能。3级：差
25、错恢复和多路复用。是1级和2级协议的综合。4级：差错检测、恢复和多路复用。在3级协议的基础上增加了差错检测功能。传输层的典型协议是TCP/IP。TCP/IP的传输层同时提供两个不同的协议：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。TCP提供面向连接的服务。由于TCP要提供可靠的、面向连接的传输服务，因此不可避免地增加了许多的开销。这不仅使协议数据单元的头标增加了更多的域，还要占用许多的处理机资源。UDP提供无连接的服务，在传送数据之前不需要先建立连接。对方的传输层在收到UDP数据报后，不需要给出任何确认。虽然UDP不提供可靠投递，但在某些情况下UDP是一种最简单有效的工作方式。例如视频点播等实
26、时应用常使用UDP。会话层会话层会话层以下的各层都是面向通信的，而会话层以上的各层是面向应用的，因此可看作是用户与网络的接口。在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层的基本任务是实现两主机之间原始报文的传输，但它不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。会话层提供的服务主要为会话连接管理和会话数据交换两大部分，会话连接是建立在传输连接基础上的，会话连接与传输连接有3种对应关系：一个会话连接对应一个传输连接多个会话连接对应一个传输连接一个会话连接对应多个传输连接会话层提供的服务：管理会
27、话：会话层允许信息同时双向传输，或任一时刻只能单向传输。令牌管理（tokenmanagement）：有些协议保证双方不能同时进行同样的操作，这一点很重要。为管理这些活动，会话层提供令牌。令牌可以在会话的双方之间交换，只有持有令牌的一方可以执行某种关键操作。另一种服务是会话同步（synchronization）。会话层使用校验点（同步点）可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。表示层表示层与低五层提供透明的数据运输不同，表示层是处理所有与数据表示及运输有关的问题，包括数据的转换、加密和压缩。每台计算机可能有它自己的表示数据的内部方法，例如，码与码，所以需要协定来保证不同的计算机可以彼此理解
28、。开放系统互连环境的应用层负责处理语义，表示层负责处理语法，下面五层负责位信息从源到目的地的有序移动。为使各个系统间交换的信息具有相同的语义，应用层采用了相互承认的抽象语法。抽象语法是对数据一般结构的描述。表示实体实现抽象语法与传送语法间的转换。而应用实体解决与对方应用实体抽象语法的不同之处，传送语法是同等表示实体之间在通信时对用户信息的描述，是对抽象语法比特流进行编码得到的。显示抽象语法与传送语法之间对应关系叫做上下文。表示层的主要功能为：语法转换：将抽象语法转换成传送语法，并在对方实现相反的转换。涉及的内容有代码转换、字符转换、数据格式的修改，以及对数据结构操作的适应、数据压缩、加密等。语
29、法协商：根据应用层的要求协商选用合适的上下文，即确定传送语法并传送。连接管理：包括利用会话层服务建立表示连接，管理在这个连接之上的数据运输和同步控制（利用会话层相应的服务），以及正常地或异常地终止这个连接。总体而言，表示层如同应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理，如在Internet上查询你银行账户，使用的即是一种安全连接。你的账户数据在发送前被加密，在网络的另一端，表示层将对接收到的数据解密。除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。应用层应用层应用层
30、是网络可向最终用户提供应用服务的唯一窗口，其目的是支持用户联网的应用的要求。应用层应用层Appliction向应用程序提供服务，这些服务按其向应用程序提供的特性分成组，并称为服务元素。有些可为多种应用程序共同使用，有些则为较少的一类应用程序使用。应用层是开放系统的最高层，是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务。其服务元素分为两类：公共应用服务元素CASE和特定应用服务元素SASE。CASE提供最基本的服务，它成为应用层中任何用户和任何服务元素的用户，主要为应用进程通信，分布系统实现提供基本的控制机制。特定服务SASE则要满足一些特
31、定服务，如文卷传送，访问管理，作业传送，银行事务，订单输入等。这些将涉及到虚拟终端，作业传送与操作，文卷传送及访问管理，远程数据库访问，图形核心系统，开放系统互连管理等等。简单一点描述应用层应该是，用户通过应用层的协议去完成用户想要完成的任务。例子：如果你想上网，那么你会首先打开Ie浏览器里输入想要冲浪的网址，如果可以上网的话自动会出现网页画面，网页本身没有在本地，那怎么可以浏览网页呢，这是因为有了应用层的协议http(超文本传输协议)来帮助用户与远端的WEB服务器进行连接且请求传输文件，就这样用户就可以通过应用层的协议来完成用户要浏览网页的任务了。常用的应用层协议有：常用的应用层协议有：HT
32、TP：超文本传输协议FTP：文件传输协议TELNET：远程登录SNMP：简单网络管理协议SMTP：简单邮件传输协议NNTP：网络新闻组传输协议DNS：域名解析协议OSI模型的数据封装与传输通过OSI层，信息可以从一台计算机的软件应用程序传输到另一台的应用程序上。例如，计算机A上的应用程序要将信息发送到计算机B的应用程序，则计算机A中的应用程序需要将信息先发送到其应用层（第七层），然后此层将信息发送到表示层（第六层），表示层将数据转送到会话层（第五层），如此继续，直至物理层（第一层）。在物理层，数据被放置在物理网络媒介中并被发送至计算机B。计算机B的物理层接收来自物理媒介的数据，然后将信息向上发
33、送至数据链路层（第二层），数据链路层再转送给网络层，依次继续直到信息到达计算机B的应用层。最后，计算机B的应用层再将信息传送给应用程序接收端，从而完成通信过程。下面图示说明了这一过程。APDUPPDUSPDU数据封装DataTPDU系统系统A系统系统BAPDUPPDUDataSPDUTPDU数据拆装OSI的七层运用各种各样的控制信息来和其他计算机系统的对应层进行通信。这些控制信息包含特殊的请求和说明，它们在对应的OSI层间进行交换。每一层数据的头和尾是两个携带控制信息的基本形式。对于从上一层传送下来的数据，附加在前面的控制信息称为头，附加在后面的控制信息称为尾。当数据在各层间传送时，每一层都可
34、以在数据上增加头和尾，而这些数据已经包含了上一层增加的头和尾。协议头包含了有关层与层间的通信信息。头、尾以及数据是相关联的概念，它们取决于分析信息单元的协议层。例如，传输层头包含了只有传输层可以看到的信息，传输层下面的其他层只将此头作为数据的一部分传递。对于网络层，一个信息单元由第三层的头和数据组成。对于数据链路层，经网络层向下传递的所有信息即第三层头和数据都被看作是数据。换句话说，在给定的某一OSI层，信息单元的数据部分包含来自于所有上层的头和尾以及数据，这称之为封装。OSI模型的数据封装与传输发送方发送方A发送发送进程进程数据应用层应用层加头表示层表示层加头物理层物理层介质介质bits接收
35、方接收方B介质介质物理层物理层数据数据链路层链路层去头bits 应用层应用层接收接收进程进程数据各层数据头部包含各层协议信息各层数据头部包含各层协议信息 地址信息（指明通信对象）地址信息（指明通信对象）控制信息（指明对等实体对信息的处理方式等）控制信息（指明对等实体对信息的处理方式等）控制网络的IEEE802标准控制网络在分层结构上遵循IEEE802模型与标准。IEEE局域网参考模型对应于OSI参考模型的数据链路层与物理层。数据链路层分为逻辑链路子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。IEEE802标准见书25页按照标准组建的控制网络称为以太网控制网络，标准定义了令牌总线介质访问协议。OS
36、I参考模型与现场总线通信模型从前述内容可以看出，具有7层结构的OSI参考模型可支持的通信功能是相当强大的。作为一个通用参考模型，需要解决各方面可能遇到的问题，需要具备丰富的功能。工业生产现场存在大量传感器、控制器、执行器等，他们通常相当零散地分布在一个较大范围内。对由他们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务比较简单，但实时性、快速性的要求较高。典型的现场总线协议模型如下图所示，他采用OSI模型中的3个典型层：物理层、数据链路层和应用层，在省去中间36层后，考虑现场总线的通信特点，设置一个现场总线访问子层。他具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，也满足工
37、业现场应用的性能要求。它是OSI模型的简化形式，其流量与差错控制在数据链路层中进行。总之，开放系统互连模型是现场总线技术的基础。自20世纪80年代以来逐渐形成了几种有影响的现场总线技术，他们大都以国际标准组织的开放系统互连模型作为基本框架，并根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准，在较大范围内取得了用户与制造商的认可。基金会现场总线通信模型FF现场总线模型结构如图3所示。他采用了OSI模型中的3层：物理层、数据层和应用层，隐去了第36层。其中物理层、数据链路层采用IEC/ISA标准。应用层有2个子层：现场总线访问子层FAS和现场总线信息规范子层FMS，并将从数据链路到FAS，FMS的全
38、部功能集成为通信栈（CommunicationStack）。FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求，采用不同的数据访问工作模式。现场总线信息规范子层FMS的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据。LonWorks通信模型它采用了OSI模型的全部7层通信协议，被誉为通用控制网络。其各层作用和所提供的服务见书28页图212。Profibus通信模型Profibus是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。其参考模型见图210。它采用了OSI模型的物理层和数据链路层。外设间的高速数据传输采用DP型，隐去了第37层，而增加了直接数据连接拟合
39、，作为用户接口；FMS型则只隐去了36层，采用了应用层。CAN通信模型CAN只采用了ISO/OSI模型全部7层中的2层：物理层和数据链路层。物理层又分为物理信令（PLS，PhysicalSignalling）、物理媒体附件（PMA,PhysicalMediumAttachment）与媒体接口（MDI,MediumDependentInterface）3部分，完成电气连接、实现驱动器/接收器特性、定时、同步、位编码解码。数据链路层分为逻辑链路控制与媒体访问控制2部分，分别完成接收滤波、超载通知、恢复管理，以及应答、帧编码、数据封装拆装、媒体访问管理、出错检测等。在广泛的工业领域，CAN总线可作为
40、现场设备级的通信总线，并且与其他的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。介质访问技术介质访问技术：研究如何有效的利用通道（介质）的问题。介质访问控制方式可分为集中控制和分散控制。集中控制：在网络中设置一个中心控制器，由它来分配各站点的发报权，多采用轮询方式。优点：在优先级及介质分配方面容易控制，站点用于通信的软硬件体系结构简单。缺点：控制中心的故障会影响全网。分散控制：将控制作用分散在各站点上，按一定的方式获得发报权。令牌方式与随机控制方式均属于分散控制方式。载波侦听多址访问（）载波侦听多址访问（CSMA）的技术，也叫做先听后说（LBT）。希望传输的站首先对媒体进行监听以确定是否有别的站在传
41、输。如果媒体空闲，该站可以传输，否则，该站将避让一段时间后再尝试。需要有一种退避算法来决定退让时间。常用的有三种算法。持续CSMA1、如果媒体是空闲的，则可以发送。2、如果媒体是忙的，则继续监听，直至检测到媒体空闲，立即发送。3、如果有冲突（在一段时间未收到肯定的回复），则等待一随机量的时间，重复步骤。优点：只是媒体空闲，站点就立即发送缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。非持续CSMA1、如果媒体是空闲的，则可以发送。2、如果媒体是忙的，则等待由概率分布决定的、一定量的重发延迟时间，然后重复骤。优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突的可能性。缺点：即使有几个站有数据
42、要发送，媒体仍然可能处于空闲状态，媒体的利用率较低。概率持续CSMA1、监听总线，如果媒体是空闲的，则以P的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。时间单位通常等于最大的传播延迟a的倍。a传播时间发报时间2、如果媒体是忙的，继续监听直至媒体空闲并重复步骤。3、如果传输延迟了一个时间单位，则重复步骤。优点：既能象非持续算法那样减少冲突而又能象持续算法那样减少媒体空闲的时间。上述三种算法如图所示。带碰撞检测的载波侦听多址访问（/CD）CSMA/CD介质访问控制协议就是。它适合于总线型拓扑结构的LAN。它有效地解决了总线LAN中介质共享、信道分配和信道冲突等问题。属“边听边讲”。CSMA/C
43、D规定，每个站都可以独立地决定信息帧的发送，即任何站点在准备好要传送的信息后，就可以向外发送。发送遵循下列规则：发送之前必须先侦听总线，若总线空闲，就立即发送。若总线忙，则继续侦听，一旦发现总线空闲，就立即发送。若在发送过程中检测到信号“冲突”，就立即停止信息发送，并发出一个短的干扰信号，使所有站点都知道出现了“冲突”。干扰信号发出后，等待一个随机时间，再重新尝试发送。信息的接收过程当信息帧经总线传输时，网上各站都可以接收到，但只有站址和数据帧的目的地址相符合时，才会将信息帧接收下来。若地址不符合，则不予保存。在算法中，一旦检测到冲突，并发完阻塞信号后，为了降低再冲突的概率，需要等待一个随机时
44、间，然后再次使用方法试图传输。为了保证这种退避维持稳定，采用了一种称为二进制指数避的技术，其算法的过程如下：对每个帧，当第一次发生冲突时，设置参量。退避间隔取到个时间片中的一个随机数。个时间片等于。当帧重复发生一次冲突，则将参量加倍。设置一个最大重传次数，超过这个次数，则不再重传，并报告出错。这个算法是按后进先出的次序控制的，即未发生冲突，或很少发生冲突的帧，具有优先发送的概率，而发生过多次冲突的帧，发送成功的概率反而小。thernet网就是采用CSMACD算法，并用二进制指数退避和坚持算法。这种算法在低负荷时，如媒体空闲时，要发送帧的站点能立即发送。在重负荷时，仍能保证系统稳定。对于基带总线
45、而言，用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间最大的传输延迟的两倍。对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传输延迟的四倍。CSMA/CD的主要优、缺点CSMA/CD的主要优点：算法简单，应用广泛，提供了公平的访问权，具有相当好的延时和吞吐能力，长帧传递和负载轻时效率较高。CSMA/CD的主要缺点：需要有冲突检测，存在错误判断和最小帧长度限制，在重载情况下性能变差。令牌环TOKINGRING介质访问控制协议是。它适用于环形拓扑结构的LAN。信息帧的发送接收过程TOKINGRING即令牌环。所谓令牌，就是一种特殊的帧，它既无目的地址，也无源地址。TOKINGRING采用令牌作为循环的
46、标记，令牌总是不停地环绕运行。当各站都无信息发送时，此时的令牌为空令牌，如下图A所示，其形式为01111111。当某个站（如A站）欲发送信息时，它必须等到空令牌通过该站时将它截获，并将空令牌改成忙令牌，既01111110，紧跟着忙令牌，把数据帧发送到环上，如下图B示。由于令牌是忙状态，所以其他各站都不能发送信息帧。每个站都随时检测经过本站的帧，当信息帧经过目的站时，由于帧的目的地址与该站的地址相符，于是目的站会接收该帧，此时一面拷贝全部有关信息，一面继续转发该帧，如下图C所示。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站，由发送站将该帧从环上移去，同时将忙令牌改为空令牌发送环上，以便其他站能有机会发送
47、信息帧。如下图D所示。令牌传递总线令牌传递总线介质访问控制协议就是。它类似于令牌环，但其采用总线型拓扑结构。因此它既具有CSMA/CD结构简单，轻负载下延时小的优点，又具有TOKENRING的重负载时效率高，公平访问和传输距离较远的优点，同时还具有传送时间固定，可设置优先级等优点。下图说明了在物理总线上建立一个逻辑环的令牌总线结构。TOKINGBUS的实现原理将网上各站按照一定的顺序形成一个逻辑环，每个站在环中均有一个指定的逻辑位置，它由三个地址决定：本站地址TS、先行站地址PS和后继站地址NS。末站的后继站就是首站，保证首末相连。在TOKENBUS中也有一个令牌，只有令牌持有者才能控制总线、
48、具有发送信息帧的权利。它可以发送一帧或多帧。当该站信息发送完毕或分配的时间已到时，它就将令牌传递到逻辑环中的下一站，从而使这个站具有信息发送权。网上各站可以不参加组成的逻辑环。如上图中有两个站未参加逻辑环。环的组建、初始化和维护、站的插入和退出及令牌的维护是由MAC控制帧来实现的。功能：令牌传递算法逻辑环的初始化站插入算法退出环路恢复OSI参考模型与TCP/IP参考模型OSI参考模型参考模型TCP/IP参考模型参考模型TCP/IP协议模型各层功能应用层向用户提供标准化的应用接口，与OSI一样，包括所用的高层协议传输层实现源、目主机之间的透明通信定义了两个端到端的协议：TCP和UDP网际层（互连
49、网层）主要是将源主机的IP分组传送到目的主机。其间，IP分组可能要穿越多个子网，要完成分组的投递，网际层具备下列功能协议应指示唯一的全局源、目地址（谁传送给谁）存储、转发及路由选择（沿何路径传送）网络拥塞控制（避免拥挤，尽快传送）最核心的协议是IP（规定IP分组的格式、内容等，是一个面向无连接的，尽力传送的协议）网络接口层（主机至网络层）完成主机与网络的接口TCP/IP未对接口协议作具体规定不同的物理网络和主机，可以使用不同的协议OSI模型的意义与缺陷缺陷许多功能在多个层次重复，有冗余感（如流量控制，差错控制等）各层功能分配不均匀（链路、网络层任务重，会话层任务轻）功能和服务定义复杂，很难产品
50、化（实际应用中几乎没有完全按OSI七层模型设计的产品）TCP/IP协议模型的意义与缺陷TCP/IP是一组Internet协议集TCP/IP协议集是一个工业标准是ARPANET实验室研究的成果，在实验中产生并得到验证按照该协议组设计的产品已遍及世界各地缺陷对服务/接口与协议的概念区别不清TCP/IP的链路层本身并非实际的一层，只是定义了网络层与数据链路层的接口。LAN常用传输介质传输介质是发送者与接收者之间的传输媒体不同介质的带宽、延迟、费用和安装维护上都不同介质的特性与型号决定着数据传输的特性和质量介质的带宽决定着数据的传输速率介质对信号的衰减决定着数据的传输距离介质的抗干扰性能影响数据传输的