工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)技術(shù)教案第1頁課程題目第3講現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（1）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)概觀、網(wǎng)絡(luò)分類、網(wǎng)絡(luò)軟件、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)/協(xié)議層次結(jié)構(gòu)、各層次的設(shè)計問題課時2學時教學目的：1．掌握低層、多層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有整體的把握；2．了解網(wǎng)絡(luò)的分類；3．學習網(wǎng)絡(luò)軟件、計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)/協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。教學重點與難點：重點：網(wǎng)絡(luò)軟件的服務(wù)、接口與協(xié)議；難點：計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)/協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。教學方法與手段：方法：講授法手段：課堂教學教學內(nèi)容與課時分配：1．低層、多層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的分類；1學時2.網(wǎng)絡(luò)軟件、計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)/協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。1學時教具：作業(yè)與思考：教學后記：備注教學內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教案第11頁備注教學內(nèi)容第3講現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（1）現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)概觀1.低層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)圖2-1PROFIBUS-DP（IEC61158第4版，Type3）單主站網(wǎng)絡(luò)圖2-2HART（IEC61158第4版，Type20）網(wǎng)絡(luò)圖2-3ControlNet（IEC61158第4版，Type2）網(wǎng)絡(luò)及其冗余方式圖2-4FFHl（IEC61158第4版，Type9）網(wǎng)絡(luò)2.多層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)圖2-5PROFINET（IEC61158第4版，Type10）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖方式圖2-6LonWorks（GB/Z20177-2006）本地與遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)圖2-7異構(gòu)網(wǎng)段集成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)圖2-8應(yīng)用Web服務(wù)器的現(xiàn)場總線遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)二、網(wǎng)絡(luò)分類1.按傳輸技術(shù)分類1）點到點網(wǎng)絡(luò)點到點（point-to-point）鏈路將一對單獨的機器連接起來。在一個由點到點鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)中，為了從源端（發(fā)送方）到達接收方，短消息必須首先訪問一個或多個中間機器。這種短消息在某些情況下稱為數(shù)據(jù)包或包或分組（packet）。在網(wǎng)絡(luò)中有可能存在多條不同長度的路由。點-點傳輸只有一個發(fā)送方和一個接收方，故有時也稱為單播。2）廣播式網(wǎng)絡(luò)傳輸通信信道被網(wǎng)絡(luò)上的所有機器所共享；任何一臺機器發(fā)出的數(shù)據(jù)包能被所有其他任何機器收到。每個數(shù)據(jù)包的地址字段指定了預期的接收方。地址字段中使用一個特殊的地址編碼可以將一個數(shù)據(jù)包發(fā)送給所有目標機器，如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包帶有這樣的地址編碼，那么網(wǎng)絡(luò)中的每一臺機器都將會接收該包并對其進行處理。這種傳輸模式稱為廣播（boradcasting）。有些廣播網(wǎng)絡(luò)還支持給一組機器發(fā)送數(shù)據(jù)包的模式，這種傳輸模式稱為多播或組播（multicasting）。2.按網(wǎng)絡(luò)尺度分類不同的尺度采用了不同的技術(shù)圖2-9不同尺度采用的技術(shù)1）個域網(wǎng)（PAN，PersonalAreaNetwork），1m：其允許設(shè)備圍繞著一個人進行通信。一個常見的例子是計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)與其外圍設(shè)備連接。圖2-10藍牙PAN配置2）局域網(wǎng)（LAN，LocalAreaNetwork），10m-1000m：其是一種私有網(wǎng)絡(luò)，一般在一座建筑物內(nèi)或建筑物附近，比如家庭、辦公室或工廠。圖2-11無線和有線LAN局域網(wǎng)的大小受到限制:最壞情況下的傳輸時間也是有界的，并且事先可以知道。3）城域網(wǎng)（MAN，MetropolitanAreaNetwork）,10km：其規(guī)模局限在一座城市的范圍內(nèi)。圖2-12基于有線電視的城域網(wǎng)4）廣域網(wǎng)（WAN，WideAreaNetwork），100km-1000km：其能跨越很大的地理區(qū)域，通常是一個國家、地區(qū)或者一個大陸。圖2-13連接澳大利亞一個公司的3個分支辦事處的WAN5）互聯(lián)網(wǎng)，10000km：一組相互連接的網(wǎng)絡(luò)稱為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（internetwork）或互聯(lián)網(wǎng)（internet）。全球范圍的因特網(wǎng)（Internet）則通常用首字母大寫來表示（這是一個特殊的網(wǎng)絡(luò)）。Internet使用ISP（InternetServiceProvider，Internet服務(wù)提供商，）網(wǎng)絡(luò)來連接各種各樣的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)絡(luò)和許多其他網(wǎng)絡(luò)。3.按網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)分類可分為星形、環(huán)形、總線型、樹形、不規(guī)則形、完整性等。4.按傳輸介質(zhì)分類5.按網(wǎng)絡(luò)的使用目的分類1）共享資源網(wǎng)：使用者可共享網(wǎng)絡(luò)中的各種資源，如：文件、掃描儀、打印機以及各種服務(wù)。Internet網(wǎng)是典型的共享資源網(wǎng)。2）數(shù)據(jù)處理網(wǎng)：用于數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)，如：科學計算網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)經(jīng)營管理用網(wǎng)絡(luò)等。3）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)：用來收集、交換、傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，如：情報檢索網(wǎng)絡(luò)等。注：目前網(wǎng)絡(luò)使用的目的都不是單一的。6.按服務(wù)方式分類1）客戶機／服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)：客戶機向服務(wù)器發(fā)出請求并獲得服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)形式。多臺客戶機可以共享服務(wù)器提供的各種資源。2）對等網(wǎng)：每臺計算機都可以與其它每臺計算機對話，共享彼此的信息資源和硬件資源，組網(wǎng)的計算機一般類型相同。7.按傳輸速率劃分低速網(wǎng)絡(luò)：<10kbps中速網(wǎng)絡(luò)：10kbps—100Mbps高速網(wǎng)絡(luò)：100Mbps—10Gbps8.按交換方式劃分1）電路交換網(wǎng)：如電話系統(tǒng)。2）報文交換網(wǎng)：如電報系統(tǒng)。3）分組交換網(wǎng)：如因特網(wǎng)，ATM網(wǎng)（交換的是信元）。9.按適用范圍劃分1）公用網(wǎng)：如：CHINAPAC（中國分組交換網(wǎng)）。2）專用網(wǎng)：如：微軟公司內(nèi)部網(wǎng)。三、網(wǎng)絡(luò)軟件1.網(wǎng)絡(luò)軟件1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和協(xié)議軟件它們是通過協(xié)議程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能。2）網(wǎng)絡(luò)通信軟件通過網(wǎng)絡(luò)通信軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)工作站之間的通信。3）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是用以實現(xiàn)系統(tǒng)資源共享、管理用戶對不同資源訪問的應(yīng)用程序，它是最主要的網(wǎng)絡(luò)軟件。4）網(wǎng)絡(luò)管理與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件網(wǎng)絡(luò)管理軟件：對網(wǎng)絡(luò)資源進行管理和對網(wǎng)絡(luò)進行維護的軟件；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件：為網(wǎng)絡(luò)用戶提供服務(wù)并為用戶解決實際問題的軟件。2.計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)/協(xié)議層次結(jié)構(gòu)1）為了易于設(shè)計、分析、實現(xiàn)和測試網(wǎng)絡(luò)及其部件的功能，計算機網(wǎng)絡(luò)按功能劃分成多層結(jié)構(gòu)。同層之間采用協(xié)議進行通信；相鄰層之間通信使用接口。層和協(xié)議的集合稱為計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。2）為了降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復雜性，絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都組織成一個層次棧（astackoflayer）或分級棧（astackoflevel），每一層都建立在其下一層的基礎(chǔ)之上。層的個數(shù)、每一層的名字、每一層的內(nèi)容以及每一層的功能，對不同網(wǎng)絡(luò)不盡相同。3）一臺機器上的第N層與另一臺機器上的第N層進行對話，該對話中使用的規(guī)則和約定統(tǒng)稱為第N層協(xié)議。協(xié)議（protocol）是指通信雙方就如何進行通信的一種約定。4）不同機器上構(gòu)成對應(yīng)層的實體稱為對等進程（peer）。5）對等進程可能是軟件進程、硬件設(shè)備或者是人。正是這些對等進程為了實現(xiàn)彼此溝通才使用協(xié)議來進行通信。圖2-14層、協(xié)議和接口數(shù)據(jù)并不是從一臺機器的第N層直接傳送到另一臺機器的第N層。第1層下面是物理介質(zhì)（physicalmedium），通過它進行實際的通信。虛線表示虛擬通信，實線表示物理（實際）通信。在每一對相鄰層之間的是接口（interface）。接口定義了下層向上層提供哪些原語操作和服務(wù)。當網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者在決定一個網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該包含多少層，以及每一層應(yīng)該提供哪些功能時，其中最重要的一個考慮是必須定義清楚層與層之間的接口。圖2-14支持第5層虛擬通信的信息流3.服務(wù)、接口與協(xié)議1）每一層中的活動元素通常被稱為實體（entity）。實體既可以是軟件實體（如一個進程），也可以是硬件實體（如智能輸入／輸出芯片）。2）不同機器上同一層的實體叫做對等實體（peerentity）。3）N層實體實現(xiàn)的服務(wù)為N+1層所利用。N層被稱為服務(wù)提供者，N+1層為服務(wù)用戶。N層基于N-1層的服務(wù)來提供它自己的服務(wù)。4）服務(wù)是在服務(wù)訪問點SAP（SAP，serviceaccesspoint）提供給上層使用的。N層SAP就是N+1層實體（如應(yīng)用程序）可以訪問N層服務(wù)的地方。N+1層的不同實體（如不同應(yīng)用程序）通過各自的SAP來訪問N層5）相鄰層之間要交換信息，對接口必須有一致同意的規(guī)則。圖2-15處于接口兩邊的兩層之間的關(guān)系6）為了傳遞SDU，N層實體可能將SDU分成幾段，每一段加上一個頭部后作為一個獨立的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU，protocoldataunit）送出。PDU被對等實體用于執(zhí)行它們的同層協(xié)議。除第1層外，每一層都有自己的PDU，如N+1層的IDU就是N+1層的PDU，一般記為（N+1）PDU。7）PDU在不同層中的名稱：第4層和第4層以上的PDU稱為報文（message），第3層的PDU稱為數(shù)據(jù)包或包或分組（packet），第2層的PDU稱為數(shù)據(jù)幀（dataframe）或幀（frame）。8）協(xié)議就是定義通信雙方同層對等實體之間傳輸/交換的數(shù)據(jù)單元的格式和意義的一組規(guī)則，而所謂的數(shù)據(jù)單元即是指報文、數(shù)據(jù)包或幀。對等實體利用協(xié)議來實現(xiàn)它們的服務(wù)定義；對等實體可以自由地改變協(xié)議，只要不改變呈現(xiàn)給它們用戶的服務(wù)即可。9）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）：PDU是在某給定層中協(xié)議所規(guī)定的一組數(shù)據(jù)。該組數(shù)據(jù)就是一個數(shù)據(jù)單元，其中或者含有該層的用戶（應(yīng)用）數(shù)據(jù)，或者包含該層的協(xié)議控制信息，或者二者皆有。10）服務(wù)是指某一層向它上一層提供的一組原語（操作）。服務(wù)定義了該層準備代表其用戶執(zhí)行哪些操作，但它并不涉及如何實現(xiàn)這些操作。服務(wù)與兩層之間的接口有關(guān)，低層是服務(wù)提供者，而上層是服務(wù)用戶。服務(wù)涉及層與層之間的接口。11）協(xié)議是一組規(guī)則，定義了對等實體所交換的報文、數(shù)據(jù)包或幀的格式和意義。對等實體利用協(xié)議來實現(xiàn)它們的服務(wù)定義。對等實體可以自由地改變協(xié)議，只要不改變呈現(xiàn)給它們用戶的服務(wù)即可。按照這種方式，服