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1、*大学本科教学教案第7周，第13次课章节名称：8.1网络通信基础主要内容：通信方式、计算机通信的国际标准、以太网通信、PROFINET . PROFIBUS教学目标：使学生掌握网络通信的基础知识：单工通信、半双工通信及全双 工通信；串行通信和并行通信，同步通信和异步通信，开放系统互连模型，以太 网通信的原理，PROFINET和PROFIBUS。教学方法：PPT、雨课堂与板书相结合。例题以板书讲解、知识要点用PPT呈 现、利用雨课堂与学生互动。教学重点难点：重点为掌握几种通信方式以及现场总线，难点为有一定的记 忆要求。课后作业：8-1网络通信基础一、通信方式通信方式是指发送方和接收方之间的工作方
2、式或信号传输方式。1 .单工通信、半双工通信及全双工通信根据信息传送的方向与时间的关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信和 全双工通信三种。单工通信仅有一个信道，信号只能单方向传输（正向或反向），不能改变信号的 传输方向。如广播、遥控等。半双工通信有两个信道，信号可以在两个方向上传输，但同一时刻一个信道只 允许单方向传输，不能同时进行数据的接收和发送，如对讲机。全双工通信有两个信道，信号可以同时在两个方向上传输，允许同时进行数据 的接收和发送，要求通信的双方都拥有独立的接收和发送能力，如电话、手机、 计算机之间。2 .串行通信和并行通信根据数据的传输方式，分为串行通信和并行通信。串行通信是指
3、用一条传输线将数据按顺序一位位地传送，以二进制的位为单位。 通信线路简单，但传输速度慢，适用于远距离通信。并行通信是指用多条传输线将数据的各位同时进行传送，以字节或字为单位。 传输速度快，但成本高，适用于短距离通信。3 .同步通信和异步通信根据通信的数据同步方式，又分为同步通信和异步通信。同步通信中，发送方和接收方使用的时钟频率一致，通常规定在时钟信号的上升 沿或下降沿进行采样。在时钟信号的驱动下，发送方和接收方进行协调，同步数 据。异步通信中，采用字符同步的方式，不需要时钟信号，发送的字符由1个起始位， 7个或8个数据位，1个奇偶校验位（或没有），1个或2个停止位组成，字符的 信息格式如图8
4、-1所示。在每一个字符的开始和结束的位置加上标志，即起始位 和停止位，在数据的起始位和停止位的帮助下，接收方实现信息同步的。奇偶校 验位用来检测接收到的数据是否有问题。110110停止位起始位数据位奇偶校停止位起始位验位图8-1字符的信息格式4 .串行通信的接口标准RS-232是一种共地的传输方式，采用单端驱动、单端接收的电路，如图8-2所示。RS-232的通信距离最大约为15m,传输速率最高约为20kbit/s,公共地线上 的电位差和外部引入的干扰信号都会对其产生影响，仅能进行一对一的通信。RS-422是利用导线A和导线B之间的电位差传输信号，使用平衡驱动、差分接 收的电路，如图8-3所示。
5、RS-422是全双工通信，允许同时进行数据的接收和发送。RS-485是在RS-422的基础上进行改进，是半双工通信，在同一时刻，通信的双 方只能发送或只能接收数据。图8-2单端驱动、单端接收的电路图8-3平衡驱动、差分接收的电路二、计算机通信的国际标准1 .国际标准化组织（ISO）提出了一种作为通信网络国际标准化的参考模型。 即如图8-4所示的开放系统互连模型。2 .发送方发送给接收方的数据是经过发送方各层从上到下依次为应用层、表示 层、会话层、传输层、网络层、数据链路层，到达最后的物理层，然后通过一定 的物理媒体，如双绞线、同轴电缆和光纤等，传到接收方。在到达接收方的物理 层时，同样是一层一
6、层往上传递，最终到达接收方的应用层。发送方的每一层协 议都要在数据报文前增加一个报文头，报文是网络传输的单位，传输过程中会不 断的封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些信息段，那些就是报 文头，包含完成数据传输所需的控制信息，只能被接收方的同一层识别和使用。 接收方的每一层只阅读本层的报文头的控制信息，并进行相应的协议操作，然后 删除本层的报文头，最后得到发送方发送的数据。图8-4开放系统互连模型3 .物理层并不是物理媒体本身，为数据链路层提供建立、保持和断开物理连接 的功能。物理层尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异，定义了传输媒体 接口的电气、机械、功能和规程的特性，为数据传
7、输提供可靠的环境。常用于物理层的有 RS232C、RS422 和 RS-485 等。4 .数据链路层主要解决封装成帧、透明传输、差错检测三个基本问题，在数据 链路上，数据以帧为单位传送，在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就 构成了一个帧，每一帧包含数据和必要的控制信息，如地址信息、同步信息和流 量控制信息等。在数据链路层传送的数据，都能够按照原样没有差错的通过这个 数据链路层。通过校验、确认和要求重发等方法实现差错控制，检测差错一般 采用循环冗余校验，纠正差错采用计时器恢复和自动请求重发等技术。常用的数 据链路层协议是同步数据链路协议/高级数据链路协议。5 .网络层定义了端到端的包传输、
8、能够标识所有结点的逻辑地址、将一个包分 解成更小的包的分段方法、路由实现的方式和学习的方式。传送信息的单位是分 组或包。主要功能是报文包的分段、报文包堵塞的处理和通信子网内路径的选择。 常用的网络层协议有X2. 5协议和IP协议。6 .传输层是向会话层提供一个牢靠的端到端(end-to-end)的数据传送服务。传 输层的信号传送单位是报文(Message)。通过流量控制、分段/重组和差错控制 来保证数据传输的可靠性。常用的传输层协议是TCP协议。7 .会话层的主要功能是在两个节点间建立、维护和终止会话，支持通信管理， 实现最终应用进程之间的同步，按照相应的顺序收发数据，保证会话数据可靠传 送。
9、表示层主要功能是把应用层供应的信息变成能够共同理解的形式，以便能进行互 操作，将应用层信息内容的形式进行变换，如数据加密/解密、信息压缩/解压和 数据兼容。8 .应用层是唯一一个与用户直接交互的分层，为用户的应用服务供应信息交换, 为应用接口供应操作标准。常用的应用层服务有电子邮件和文件传输等。拓展OSI是一个理想的模型，一般网络系统只涉及其中的几层，很少有系统能够具 有所有的7层，并完全遵循它的规定。在7层模型中，每一层都提供一个特殊的 网络功能。从网络功能的角度观察：物理层、数据链路层、网络层和传输层主要 提供数据传输和交换功能，即以节点到节点之间的通信为主；传输层作为上下两 部分的桥梁，
10、是整个网络体系结构中最关键的部分；会话层、表示层和应用层则 以提供用户与应用程序之间的信息和数据处理功能为主。三、以太网通信1 .以太网是最普遍的一种计算机网络，分为两类：第一类是以太网的原始形式 称为经典以太网，其运行速度在310Mbps不等；第二类是使用交换机设备来连 接不同的计算机称为交换式以太网，应用广泛，分别以快速以太网、千兆以太网 和万兆以太网的形式呈现。以太网通信是采用载波多路访问和冲突检测机制的通 信方式，使用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到IGbit/s。2 .以太网可以采用多种连接介质，常见的有同轴电缆、双绞线、光纤。同轴电 缆曾经是网络传输的主要介质，随着时代发展，现在
11、已经渐渐淘汰。双绞线可以 分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线，多用于主机到交换器或集线器的连接，光纤主 要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点的链路上。3 .以太网中所有的站点共享一个通信信道，在发送数据的时候，站点将自己要 发送的数据帧在这个信道上进行广播，以太网上的所有其他站点都能够接收到这 个帧，它们通过比较自己的MAC地址和数据帧中包含的目的地MAC地址来判 断该帧是否是发往自己的，一旦确认是发给自己的，则复制该帧做进一步处理。4 .因为多个站点可以同时向网络上发送数据，在以太网中使用了 CSMA/CD协 议来减少和避免冲突。需要发送数据的工作站要先侦听网络上是否有数据在发送, 有的
12、工作站只有检测到网络空闲时，才能发送数据。当两个工作站都发现网络空 闲而同时发出数据时，就会发生冲突。这时，两个站点的传送操作都遭到破坏， 工作站进行1-坚持退避操作。退避时间的长短遵照二进制指数随机时间退避算 法来确定。四、PR0FINETPROFINET是一种基于以太网的开放的现场总线，具有和标准以太网相同的一 些特性如全双工、多种拓扑结构等，速率可达百兆或千兆。但它也有自己的独特 之处，如：能实现实时的数据交换，是一种实时以太网；与标准以太网兼容，可 一同组网；能通过代理的方式无缝集成现有的现场总线等。主要用于工业自动化 和过程控制领域。根据响应时间的不同，PROFINET分为以下三种通
13、信方式。(1) TCP/IP标准通信PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP是IT领 域关于通信协议方面事实上的标准，响应时间大概在100 ms数量级，满足工厂 控制级的应用。(2)实时(RT)通信对于基于TCP/IP的工业以太网技术来说，使用标准通信栈来处理过程数据包， 需要较长的时间，因此，PROFTNET提供了 一个优化的、基于以太网第二层的实 时通信通道，通过该实时通道，极大地减少了数据在通信栈中的处理时间。典型 的更新循环时间为110ms,满足现场级的要求，适用于传感器和执行器的数据 传输，对传输的时间有严格的要求。（3）同步实时（IRT）通信在现
14、场级通信中，对通信实时性要求最高的是同步运动控制，PROFINET的同 步实时技术可以满足其通信需求。IRT通过提供等时执行周期来保证信息是以相 同的时间间隔进行传输，其响应时间大约在0.251ms之间，抖动误差小于lus。五、PR0FIBUS1 .PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。 PROFIBUS传输速率最高可达12Mbit/s,响应时间的典型值为1ms。PROFIBUS 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技 术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为 实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了
15、可行的解决方案。2 .PROFIBUS支持主从模式和多主多从模式。对于多主站的模式，在主站之间 按令牌传递决定对总线的控制权，取得控制权的主站可以向从站发送、获取信息， 实现点对点的通信。PROFIBUS协议包括三个主要部分：PROFIBUS-DP（分布式外部设备）、 PROFIBUS-PA（过程自动化）和PROFIBUS-FMS（现场总线报文规范）。（1） PROFIBUS-DP（分布式外部设备）PROFIBUS-DP是一种高速低成本数据传输，用于自动化系统中单元级控制设 备（PLC）与分布式1/0（例如ET200）设备之间的通信。主站之间的通信为令牌 方式，主站与从站之间为主从方式，以及这
16、两种方式的组合。如果一个网络中 有若干个被动节点（从站），而它的逻辑令牌只含有一个主动令牌（主站），这样 的网络为纯主-从系统。（2） PROFIBUS-PA（过程自动化）PROFIBUS-PA用于PLC和过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输。 传输技术采用IEC1158-2标准，可以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制 系统的通信。使用屏蔽双绞线电缆，由总线提供电源。（3） PROFIBUS-FMS(现场总线报文规范)PROFIBUS-FMS可用于车间级监控网络，FMS提供大量的通信服务，用以完 成中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。它考虑的主要是系统的功能 而不是系统的响应时间。