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现场总线 陆晓春 实验楼A310 Luxc@ 第三章 现场总线体系机构 3.1 网络体系机构概述 3.2 OSI若干概念 3.3 现场总线体系结构的建立及特点 3.4 现场总线网络的拓扑结构 3.1 网络体系机构概述 网络协议 在一个网络中，有许多相互连接的节点，在这些节点之间要不断地进行数据的交换。 每个节点就必须遵守事先约定好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的时序问题。 这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定就称为网络协议 网络协议 语法，即数据与控制信息的结构或格式。“如何讲”。 语义，即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答。 “讲什么”。 时序，即事件实现顺序的详细说明 对于非常复杂的计算网络协议，其结构最好采用层次式的。各层之间是独立的，灵活性好，容易实现和维护，能促进标准化工作 将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，是抽象的 3.2 OSI参考模型若干概念 开放系统互连参考模型划分原则 网路中各结点都有相同的层次 不同结点的同等层具有相同的功能 同一结点内相邻层之间通过接口通信 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务 不同结点的同等层按照协议实现对等层之间的通信 物理层 物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上成协议提供了一个传输数据的物理媒体。 该层数据的单位称为比特（bit）。 属于物理层定义的典型规范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等 数据链路层 数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。 该数据的单位称为帧（frame） 在每一帧的控制信息中包括同步信息、地址信息、差错控制，以及流量控制信息等 数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等 网络层 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。 该层数据的单位称为数据包（packet） 网络层协议的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等 传输层 传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 该层数据的单位称为数据段（segment） 传输层协议的代表包括：TCP、UDP、SPX等 会话层 会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。 会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步 表示层 表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。 表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等 应用层 应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。 应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等 3.2.2 开放系统互连环境 3.2.6 面向连接服务与无连接服务 无连接服务 在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配 无连接服务的优点是灵活方便和较为迅速，但它不能防止报文的丢失、重复或失序 3.3 现场总线体系结构的建立及特点 工业通信网络的特殊性 效率 确定性 鲁棒性 节点成本 本质安全性 3.3.2 现场总线的组成要素 “IEEE802”课题组专门负责局域网的标准化 已经制定了物理层和数据链路层协议，把数据链路层分为两个子层次：逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层 现场总线是应用在生产现场的局域网，参考了OSI和IEEE802，现场总线一般只使用ISO/OSI参考模型中的第1、2、7层，即物理层、数据链路层和应用层 现场总线通信模型中应该包括三个基本要素：底层协议、上层协议和行规 3.3.3 现场总线通信模型 物理层 物理层提供网络通信接口的机械、电气、功能和过程特性，以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接 物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输 IEC最早确定的现场总线物理层国际标：传输速率为31.25kbps的串行通信接口，典型响应时间约为1ms，未知出错率低于每20年一次，并规定了数据的物理信号表达形式、传输媒体、传输速率、网络拓扑结构等 IEC提出另外设计一种高速总线接口标准，使其传输速率分别为 1Mbps 和 2.5Mbps，典型的响应时间可达 32μs，总线段最大长度缩短为 750m，能够连接 127个现场设备 高速总线标准正在向高速以太网标准倾斜 数据链路