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过程自动化基础工业网络培训讲义,自控处 王谦2008年11月,工业网络培训讲义-目录,过程自动化网络拓扑与设备（21-51）,网络体系与架构,过程自动化网络基础知识（2-21）,过程自动化网络设计实例,工业网络培训讲义-序言,现代化的控制系统在世界钢铁工业领域得到了普遍应用，过程自动化控制系统在钢铁冶金行业也愈来愈发挥重要的作用。计算机网络技术的发展，也为过程自动化控制系统得以全面、完善的应用创造了条件。在过程自动化的培训中分为过程自动化系统与过程自动化网络两部分。本篇为过程自动化网络的培训讲义。过程自动化网络又可称作工业计算机网络，其实质是基于工业现场应用的局域网、以太网（IEEE802.3标准）；本次培训的目标是网络基础知识普及、介绍工业网络发展历史与架构组成，并通过实例的讲解使得参加培训员工了解过程自动化网络的知识，具备搭建工业级别过程自动化网络的能力。,计算机网络的概念计算机网络是由两台或两台以上的计算机通过网络设备连接起来组成的一个系统，在这个系统中计算机与计算机之间可以进行数据通讯、数据共享及协同完成某些数据处理工作。随着网络技术的发展以及网络应用范围的扩展，计算机网络的概念也在发展。这并不是最权威的定义，只是计算机网络定义中的一种。不同的书上，计算机网络的定义也各不相同。关键不是记住计算机网络的定义，而是通过对概念的正确理解把握它的内涵。,一 网络基础知识,对于计算机网络的理解需要把握以下两点：组成网络的计算机要求是独立的。每台计算机核心的基本部件，如处理器、系统总线等要求存在并且是独立的。有的计算机系统不满足这一要求，在80年代末期，有的学校的图书馆采用的图书查询系统，就是采用一台小型机带几十台查询终端的体系结构，如图1.1所示。这种系统不是计算机网络，因为整个系统中除了有一台主机具有处理器外，其他的终端都只有输入/输出设备，不是完整、独立的计算机，所以该系统属于具有一台主机的计算机系统，而不是计算机网络。,一 网络基础知识,图1.1,一 网络基础知识,我们这里所讲述的过程自动化网络，就是由服务器、客户端、网络设备与线路组成的计算机网络（如下图1.2所示）,一 网络基础知识,对于计算机网络的理解需要把握以下两点：计算机网络通信的目的是实现信息共享。因此，一个多处理机系统，如双CPU的计算机系统不是计算机网络。在科学计算、天气预报等领域广泛应用的多处理机系统可以看作是处理能力很强的计算机，而不是计算机网络。判断计算机系统是不是计算机网络的一个必要标准，就是系统是否以实现信息共享作为数据通信的目的。,一 网络基础知识,计算机网络的产生早期的计算机系统都是相互独立的，要想实现软件或硬件的共享十分困难，需要在人力、物力和时间等方面有很多的投入。例如，用户甲要将自己计算机上的一个文档的打印稿交给乙，而甲的计算机没有连接打印机，乙的计算机连接了打印机，那么甲有以下3种方案可以解决该问题。,一 网络基础知识,方案1：甲可以买一台打印机，连接到自己的计算机上，打印自己的文档并交给乙。这是最直接的方案。方案2：甲可以把要打印的文档复制到软盘、U盘或光盘等存储介质上，把这个存储介质交给乙，乙再把甲的文档复制到自己的计算机上，打印甲的文档。这种方案适合于甲的文档比较少的情况。方案3：甲可以把乙的打印机拿过来，连接到自己的计算机上，打印自己的文档，再把打印机和打印好的文档一起交给乙。这种方案适合于甲的文档比较多的情况。,一 网络基础知识,计算机网络的产生 计算机网络产生以前的情况,如果甲和乙之间距离很远，以上解决办法都会有更多的困难。在没有计算机网络时，人们把一台计算机中存储的数据传送给另外一台计算机，一般要经过很繁琐的步骤和比较长的时间，并且需要人作为数据传输的“交通工具”。这种处理方式曾经被戏称为“运动鞋网络（Sneaknet）”，如上图1.3所示。,一 网络基础知识,计算机网络的产生 计算机网络产生以前的情况,直到目前，在工业现场仍有类似的尴尬应用，例如在炼钢厂，废钢操作工通过电话或者对讲机接收转炉主控室的备料指令后，进行废钢的准备工作（种类、重量），完成工作后电话或者对讲机通知转炉主控室、混铁炉操作室等工序，同时需要作回忆式的手工记录。高炉与炼钢厂为了确定铁水的去向、重量，一般的流程是：高炉安排每炉次铁水均有跟包工，在铁水衡说明去向后，跟随铁水进入炼钢厂或者铸铁场地，回皮后再拿磅单找炼钢厂操作工确认刚才的铁水接收情况（回忆式的手工记录）。,一 网络基础知识,计算机网络的产生 计算机网络产生的冶金现场情况,随着技术的发展，人们把独立的计算机通过通信线路连接成小范围的计算机网络，经济地实现了计算机之间的软、硬件共享。这时，对于前面的例子，甲就可以很容易地解决，如下图1.4所示。,一 网络基础知识,过程自动化网络的解决方案,方案1：甲可把要打印的文档共享给乙，乙用自己的打印机直接 打印甲的文档，乙得到了甲的文档。方案2：乙可把自己的打印机共享给甲，甲可使用网络打印机打印自己的文档，乙得到了甲的文档。这时，甲不用去买一台打印机，并且免去了数据转移和文档转移时的麻烦，不用借助任何存储介质，很容易地借助计算机网络解决问题。所以，在建龙钢铁的某些子公司（如唐山建龙），建立了炼钢过程自动化网络，通过炼钢物流跟踪软件（过程自动化系统），废钢操作工通过客户端界面，及时获取备料信息；完成操作后,自动采集的废钢重量和操作工确认的分类信息就可以立刻准确的发送到转炉主控室、混铁炉操作室，同时交班时自动获得当班操作记录。,一 网络基础知识,过程自动化网络的解决方案,局域网（LAN）一般指互相连接起来的计算机所分布的地理范围较小的网络，例如某一实验室内、一栋建筑物内或一个校园内等。工业计算机网络就是LAN在工业现场的典型应用，如上图1.5所示。广域网（WAN）分布的地理范围较大，如大的企业网络可将位于不同城市的计算机连在一起成为一个广域网。例如其它子公司是通过租用E1线路的方式实现了与控股公司的数据通讯，构建了建龙公司的WAN，运行公司的ERP软件等。当然这已经不是我们所包括的内容了。,一 网络基础知识,过程自动化网络的发展,一 网络基础知识,计算机网络的功能,数据传输：这里的数据指的是数字、文字、声音、图像、视频信号等媒体所存储信息的计算机表示。计算机网络使得各种媒体信息通过一条通信线路从甲地传送到乙地。数据传输是计算机网络各种功能的基础，有了数据传输，才会有资源共享，才会有其他的各种功能。资源共享：资源包括硬件、软件和数据。硬件为各种处理器、存储设备、输入/输出设备等，可以通过计算机网络实现这些硬件的共享，如打印机、硬盘空间。例如，我们在发布或者更新过程自动化软件时，在服务器端远程运行安装的应用程序可以在客户端计算机上直接使用。通过共享使资源发挥最大的作用，同时节省成本、提高效率。协调负载：分布式信息处理、分布式数据库等只有依靠计算机网络才能实现协调负载，提高效率。我们在高炉过程自动化、炼钢过程自动化的软件应用（模型）中，可体会到这种应用。提供服务：例如故障通知的Email方式的体现。,一 网络基础知识,计算机网络的功能,以上介绍的是计算机网络的一般功能，只是一个描述性的介绍。所有计算机网络的功能都会是以上4种功能中的一种或几种。具体的计算机网络可能各有不同的功能，如有的网络能够实现打印机共享，有的网络可以实现电子邮件服务等。工业计算机网络主要是发挥上述“数据传输”、“资源共享”两项功能。,一 网络基础知识,计算机网络的功能,尽管现在的计算机网络很多，但不同的计算机网络都有一个共同的特点，就是它们都由3个部分组成，即网络硬件、传输介质、网络软件，如下图1.7所示。,一 网络基础知识,计算机网络的组成,服务器：服务器（SERVER）是计算机网络中向其它计算机或网络设备提供某种服务和管理的计算机，是整个网络的中心。如下图1.7所示。目前由于硬件处理速度越来越快，容量越来越高，服务器的选型已经由小型机过渡到了PC SERVER，完全满足1M指令/s的性能指标。服务器按提供的服务被冠以不同的名称，如数据库服务器、邮件服务器、打印服务器等；工业计算机网络中主要配置数据库服务器、应用服务器、Web服务器等,一 网络基础知识,计算机网络的组成-服务器,客户端（Client）也可以称作Workstation，或者“节点”，是指连接到网络上的计算机。这只是接入网络的设备，它并不能影响整个网络系统的运行，只造成该位置的信息不能有效进入系统而被其它客户端共享使用。目前一般选择与基础自动化HMI相同的配置，以工控机为主。,一 网络基础知识,计算机网络的组成-客户端,计算机网络的组成-通信协议,通过网络连接的计算机之间在通信中必须遵守一定的约定和规程，才能够相互连接和正确交换信息，这些约定和规程是事先制定的，并以标准的形式固定下来，这就是网络通信协议。也就是说，通信协议是网络数据传输的规则，通信协议可以保证数据正确地从一个节点传到其它节点，所以可以看作是计算机之间相互会话所使用的语言。当然，两台计算机之间通讯，必须使用相同的通信协议。通信协议有很多种，应用于不同时期、不同类型的网络。目前的局域网中主要应用的协议有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NETBUIT协议等。详细一些的介绍将在第三章网络体系结构中体现。,局域网拓扑结构计算机网络中计算机及网络设备在空间上的排列形式称为计算机网络的拓扑结构。网络拓扑定义了网络中资源的连接方式，目前常用的网络拓扑结构有：总线型、星型、环型结构。,二 工业网络拓扑与设备,2.1 总线型局拓扑结构采用一条称为公共总线的传输介质，各计算机直接与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。总线型网络的组建较为容易，下面以使用细同轴电缆的10Base2总线型网络为例，直观地介绍总线型网络的组建技术：（过程自动化级应用案例：Server1Client3，通讯网卡3Com503,细缆）,二 工业网络拓扑与设备,二 工业网络拓扑与设备,2.1 总线型局拓扑结构-10BASE2的性能特点10Base2总线型网络两个端结器间的长度为网络全长，按照信号的衰减率与信号的传输速度来推算；（用细同轴电缆和粗同轴电缆组建的总线型网络分别被称为10BASE2、10BASE5网络）。其中10表示速率为10Mbs，BASE表示网络信号以基带方式传输，2和5表示网络中计算机间的最大允许距离分别为200米（实为185米，接近200米）和500米）；全长不能超过185米；所连接的计算机不能超过30台；两个T型头间网线长度不能短于0.5米。,二 工业网络拓扑与设备,2.1 总线型局拓扑结构-10BASE2的组件构成 10Base2总线型网络的传输介质同轴电缆、T型头、BNC头等：,计算机网卡的接口,BNC口（用于建立总线型网络）RJ45口（用于建立星型网络）,RJ45口,BNC口,二 工业网络拓扑与设备,2.1 总线型局拓扑结构-10BASE2的组件构成 10Base2总线型网络的传输介质终端电阻（端接器）；,2.2 星型局拓扑结构星型拓扑由主节点和从节点组成，主节点可直接与从节点通信，而从节点之间必须通过主节点才能通信。,二 工业网络拓扑与设备,2.2 星型局拓扑结构初期的星型网络中主节点通常由一种称为集线器（Hub）的设备充当，因此网络上的计算机之间是通过集线器来相互通信的；,二 工业网络拓扑与设备,二 工业网络拓扑与设备,2.2 星型局拓扑结构-100BASET的组建技术 以使用双绞线的100BaseT星型网络为例，直观地介绍星型网络的组建技术：星型网络设备集线器：,端口数：一般有8口，12口，16口，24口，32口等。带宽：一般有10M、100M、10M与100M自适应和1000M等几种。,二 工业网络拓扑与设备,2.2 星型局拓扑结构-100BASET的组建技术 星型网络设备水晶头、双绞线：,10BASET、100BASET中的T表示网络传输介质为双绞线。双绞线是一种最常用的传输介质，两根导线相互绞在一起，可使线对之间的电磁干扰减至最小，比较适合少于100米的传输。双绞线从结构上又分为非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted-Pair）和屏蔽双绞线（STP）两种。在工业以太网中使用的双绞线主要有5类UTP和1类STP两类，其中5类UTP的传输带宽为100 MHz。双绞线按用途分为5类，分别称为CAT1-CAT5。以往CAT3，CAT4多用于10M网络的组建，而CAT5用于100M网络。,二 工业网络拓扑与设备,2.3 星型拓扑结构-双绞线的性能特点,RJ45头，RJ这个名称代表已注册的插孔（Registered Jack），来源于贝尔系统代码。是由贝尔系统开发的，用于将用户的设备连接到公共网络。,二 工业网络拓扑与设备,2.3 星型拓扑结构-水晶头（RJ45头）的性能特点,二 工业网络拓扑与设备,2.3 星型拓扑结构-连接计算机与集线器的网线（PC-to-HUB）,连接计算机和集线器之间的PC-to-Hub网线不得超过100米！,PC-to-PC 网线,2.3 星型拓扑结构-直接连接两台计算机的网线（PC-to-PC）,二 工业网络拓扑与设备,1985年初，计算机工业协会（CCIA）提出对大楼布线系统标准化的倡仪；美国电子工业协会（EIA）和美国电信工业协会（TIA）开始标准化制定工作。1991年7月，ANSI/EIA/TIA568即商业大楼电信布线标准问世；1995年12月，EIA/TIA 568标准正式更新为EIA/TIA/568A。EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A与568B。在整个网络布线中应用一种布线方式，但两端都有RJ45端头的网络连线无论是采用端接方式A，还是端接方式B，在网络中都是通用的。在实际的工业以太网网络工程中通常用的线缆标准是568B的标准，通常认为该标准对电磁干扰的屏蔽更好。如果是机器与交换机或hub相连，则两头都做568a，或两头都做568b；如果是两台机器互连，则需要一头做568a，另一头做568b，也就是常说的1和3，2和6互换了；,二 工业网络拓扑与设备,2.4 星型拓扑结构-关于568标准,二 工业网络拓扑与设备,2.4 星型拓扑结构-关于568标准,标准568A：绿白-1，绿-2，橙白-3，蓝-4，蓝白-5，橙-6，褐白-7，褐-8；标准568B：橙白-1，橙-2，绿白-3，蓝-4，蓝白-5，绿-6，褐白-7，褐-8。,二 工业网络拓扑与设备,2.5 星型拓扑结构-星型网络的扩展,由一台集线器构成的星型网络中计算机的数量由集线器的端口数决定，而企业计算机系统往往要求连入网络的计算机数量较多。为增加端口密度，可通过级联式扩展、堆叠式扩展下列两种方式对星型网络进行扩展。级联式扩展、堆叠式扩展是多台交换机或集线器连接在一起的两种方式。,2.5 星型拓扑结构-星型网络的级联式扩展,级联式扩展限制：级联的集线器个数不能多于4台。用于连接两台集线器的网线长度不应超过5米。,OUT,IN,OUT,OUT,IN,堆叠口,星型网络的堆叠式扩展通过对集线器的堆叠式连接实现,两台或多台集线器被堆叠在一起后，这些集线器从逻辑上就被认为是一台集线器了。,2.5 星型拓扑结构-星型网络的堆叠式扩展,二 工业网络拓扑与设备,二 工业网络拓扑与设备,2.5 星型拓扑结构-星型网络的扩展方式的比较,2.6 环型拓扑结构,环型网络是将计算机连成一个环，每台计算机按位置不同有一个顺序编号。在环型网络中信号按计算机编号顺序以接力方式传输。过程自动化网络少有应用此模式，一般用双以太网解决。因此不做具体分析讲解。,二 工业网络拓扑与设备,在计算机网络和互联网中，用于计算机之间、网络与网络之间的连接设备。（1）中继器（2）网桥（3）路由器（4）交换机,二 工业网络拓扑与设备,2.7 网络连接设备,2.7 网络连接设备-中继器(Repeater),中继器是最简单的网络连接设备，它连接同一个网络的两个或多个网段。中继器的主要功能就是将收到的信号重新整理，使其恢复原来的波形和强度，然后继续传递下去，以实现更远距离的信号传输。,二 工业网络拓扑与设备,网段1,网段2,中继器,2.7 网络连接设备-中继器(Repeater)，用中继器扩展网络,二 工业网络拓扑与设备,网段(Segment)和子网(Subnet)都是网络中通过互连设备隔开的一部分。网段可以不具备独立网络的特性，但子网必须能够成为一个独立的网络。,2.7 网络连接设备-中继器(Repeater)，网段和子网,二 工业网络拓扑与设备,网桥是用于两个相似网络连接的设备，可对网络的数据流进行简单管理，即它不仅能扩展网络的距离和范围，还可使网络具有一定的可靠性和安全性。,2.7 网络连接设备-网桥(Bridge),二 工业网络拓扑与设备,网络1,网络2,A,B,C,D,网桥,2.7 网络连接设备-网桥(Bridge)，用网桥连接网络,二 工业网络拓扑与设备,路由器是用于连接不同技术网络的网络连接设备，它为不同网络之间的用户提供最佳的通信路径，因此路由器有时俗称为“路径选择器”。,2.7 网络连接设备-路由器(Router),二 工业网络拓扑与设备,路由器,网络1,网络2,2.7 网络连接设备-用路由器连接两个不同类型的网络,二 工业网络拓扑与设备,和集线器类似，交换机也是一种多端口网络连接设备，其外观和接口与集线器一样，但交换机却更智能。交换机使用特殊技术突破了集线器同时只能有一对端口工作的限制，可缓解局域网中网络流量的瓶颈问题。,2.7 网络连接设备-交换机(Switch),二 工业网络拓扑与设备,2.7 网络连接设备-防火墙（FireWall）,二 工业网络拓扑与设备,企业的工业计算机网络要与外部的网络（如Internet）连接起来时，为了防止外部不轨之人对企业内部网络的破坏，需要在工业计算机网络系统与外部网络间建立的一种访问控制监督系统，这就是计算机网络中的防火墙。主要优点是：过滤不安全服务和非法用户，禁止未授权访问；控制对特殊站点的访问；监视网络安全和预访的方便端点；存在缺陷是：不能防范绕过防火墙的攻击；不能防病毒；不能防止数据驱动式攻击,3.1 开放系统互连参考模型,三 计算机网络体系结构,Open System Interconnection/Reference Model OSI/RM,3.1.1 基本介绍国际标准化组织(ISO)提出的OSI/RM模型，把计算机网络通信的组织与实现按功能划分为七个层次（一台计算机的某指定层同另一台计算机的相应层对话，对话的全部规则和约定就构成该层的协议）：,3.1.2 两台计算机间的数据传输示意图,三 计算机网络体系结构,3.1.3 ISO/OSI 七层通信模型简介,三 计算机网络体系结构,物理链路层协议（Physical Layer）物理层位于OSI 参考模型的最低层，它直接面向原始比特流的传输。为了实现原始比特流的物理传输，物理层必须解决好包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等在内的一系列问题。另外，物理层标准要给出关于物理接口的机械、电气功能和规程特性，以便于不同的制造厂家既能够根据公认的标准各自独立地制造设备，又能使各个厂家的产品能够相互兼容。物理层是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。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；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。,3.1.3 ISO/OSI 七层通信模型简介,三 计算机网络体系结构,数据链路层协议（Data Link Layer）数据链路层涉及相邻结点之间的可靠数据传输，数据链路层通过加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层表现为一条无错线路。为了能够实现相邻结点之间无差错的数据传输，数据链路层在数据传输过程中提供了确认、差错控制和流量控制等机制。约定数据的正确传送规则。在这一层发送方把送出的信息分装成数据帧，然后依序传送各帧，提供错误检测手段，接收和处理回执帧，重发噪声干扰破坏后的数据帧，解决传输速度的匹配。独立的链路产品中最常见的当属网卡,网桥也是链路产品。MODEM的某些功能有人认为属于链路层,对此还有争议.数据链路层将本质上不可靠的传输媒体变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802.3情况下，数据链路层分成了两个子层，一个是逻辑链路控制，另一个是媒体访问控制。,3.1.3 ISO/OSI 七层通信模型简介,三 计算机网络体系结构,网络层（Network Layer）网络中的两台计算机进行通信时，中间可能要经过许多中间结点甚至不同的通信子网。网络层的任务就是在通信子网中选择一条合适的路径，使发送端传输层所传下来的数据能够通过所选择的路径到达目的端。为了实现路径选择，网络层必须使用寻址方案来确定存在哪些网络以及设备在这些网络中所处的位置，不同网络层协议所采用的寻址方案是不同的。在确定了目标结点的位置后，网络层还要负责引导数据报正确地通过网络，找到通过网络的最优路径，即路由选择。如果子网中同时出现过多的分组，它们将相互阻塞通路并可能形成网络瓶颈，所以网络层还需要提供拥塞控制机制以避免此类现象的出现。另外，网络层还要解决异构网络互连问题。典型应用产品是路由器。,3.1.3 ISO/OSI 七层通信模型简介,三 计算机网络体系结构,传输层（Transport Layer）传输层是OSI 参考模型中惟一负责端到端结点间数据传输和控制功能的层。传输层是OSI 参考模型中承上启下的层，它下面的3 层主要面向网络通信，以确保信息被准确有效地传输；它上面的3 个层次则面向用户主机，为用户提供各种服务。传输层通过弥补网络层服务质量的不足，为会话层提供端到端的可靠数据传输服务。它为会话层屏蔽了传输层以下的数据通信的细节，使会话层不会受到下3 层技术变化的影响。但同时，它又依靠下面的3 个层次控制实际的网络通信操作，来完成数据从源到目标的传输。传输层为了向会话层提供可靠的端到端传输服务，也使用了差错控制和流量控制等机制。,3.1.3 ISO/OSI 七层通信模型简介,三 计算机网络体系结构,会话层（Session Layer）会话层的主要功能是在两个结点间建立、维护和释放面向用户的连接，并对会话进行管理和控制，保证会话数据可靠传输。在会话层和传输层都提到了连接，那么会话连接和传输连接到底有什么区别呢？会话连接和传输连接之间有3 种关系：一对一关系，即一个会话连接对应一个传输连接；一对多关系，一个会话连接对应多个传输连接；多对一关系，多个会话连接对应一个传输关系。会话过程中，会话层需要决定到底使用全双工通信还是半双工通信。如果采用全双工通信，则会话层在对话管理中要做的工作就很少；如果采用半双工通信，会话层则通过一个数据令牌来协调会话，保证每次只有一个用户能够传输数据。当会话层建立一个会话时，先让一个用户得到令牌，只有获得令牌的用户才有权进行发送。如果接收方想要发送数据，可以请求获得令牌，由发送方决定何时放弃。一旦得到令牌，接收方就转变为发送方。当进行大量的数据传输时，例如正在下载一个100 MB 的文件，当下载到95 MB 时，网络断线了，为了解决这个问题，会话层提供了同步服务，通过在数据流中定义检查点（Checkpoint）来把会话分割成明显的会话单元。当网络故障出现时，从最后一个检查点开始重传数据。常见的会话层协议有：结构化查询语言（SQL）、远程进程呼叫（RPC）、X-windows系统、AppleTalk 会话协议、数字网络结构会话控制协议（DNA SCP）等。,3.1.3 ISO/OSI 七层通信模型简介,三 计算机网络体系结构,表示层（Presentation Layer）OSI 模型中，表示层以下的各层主要负责数据在网络中传输时不要出错。但数据的传输没有出错，并不代表数据所表示的信息不会出错。表示层专门负责有关网络中计算机信息表示方式的问题。表示层负责在不同的数据格式之间进行转换操作，以实现不同计算机系统间的信息交换。除了编码外，还包括数组、浮点数、记录、图像、声音等多种数据结构，表示层用抽象的方式来定义交换中使用的数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。表示层还负责数据的加密，以在数据的传输过程对其进行保护。数据在发送端被加密，在接收端解密。使用加密密钥来对数据进行加密和解密。表示层还负责文件的压缩，通过算法来压缩文件的大小，降低传输费用。,3.1.3 ISO/OSI 七层通信模型简介,三 计算机网络体系结构,应用层（Application Layer）应用层是OSI 参考模型中最靠近用户的一层，负责为用户的应用程序提供网络服务。与OSI 参考模型其他层不同的是，它不为任何其他OSI 层提供服务，而只是为OSI 模型以外的应用程序提供服务，如电子表格程序和文字处理程序。包括为相互通信的应用程序或进程之间建立连接、进行同步，建立关于错误纠正和控制数据完整性过程的协商等。应用层还包含大量的应用协议，如远程登录（Telnet）、简单邮件传输协议（SMTP）、简单网络管理协议（SNMP）和超文本传输协议（HTTP）等。,3.2 TCP/IP通信模型,三 计算机网络体系结构,尽管OSI 参考模型得到了全世界的认同，但是互联网历史上和技术上的开发标准都是TCP/IP（传输控制协议网际协议）模型。TCP/IP 模型及其协议族使得世界上任意两台计算机间的通信成为可能，并且通信速度接近光速。TCP/IP 事实上是一个协议系列或协议族，目前包含了100 多个协议，用来将各种计算机和数据通信设备组成实际的TCP/IP 计算机网络。,3.2.1 TCP/IP模型基本介绍,TCP：Transfer Control Protocol（传输控制协议）；IP：Internet Protocol（网络连接协议）TCP 和IP 是两个独立且紧密结合的协议，负责管理和引导数据报文在Internet 上的传输。二者使用专门的报文头定义每个报文的内容。TCP 负责和远程主机的连接；IP 负责寻址，使报文被送到其该去的地方。,3.2.2 TCP/IP通信模型介绍,三 计算机网络体系结构,网络接口层是TCP/IP 模型的最低层，负责接收从网络层交来的IP 数据报并将IP 数据报通过底层物理网络发送出去，或者从底层物理网络上接收物理帧，抽出IP 数据报，交给网络层。网络接口层使采用不同技术和网络硬件的网络之间能够互连，它包括属于操作系统的设备驱动器和计算机网络接口卡，以处理具体的硬件物理接口。网络接口层中包括各种物理网协议，例如Ethernet、令牌环、帧中继、ISDN和分组交换网X.25 等。当各种物理网被用做传输IP 数据包的通道时，就可以认为是属于这一层的内容。,3.2.2 TCP/IP通信模型介绍,三 计算机网络体系结构,网络层负责独立地将分组从源主机送往目的主机，涉及为分组提供最佳路径的选择和交换功能，并使这一过程与它们所经过的路径和网络无关。TCP/IP 模型的网络层在功能上非常类似于OSI 参考模型中的网络层，即检查网络拓扑结构，以决定传输报文的最佳路由。网络层包括多个重要协议，主要协议有4 个，即IP、ARP、RARP 和ICMP。网际协议（Internet Protocol，简称IP）是其中的核心协议，IP 协议规定网际层数据分组的格式。Internet 控制消息协议（Internet Control Message Protocol，简称ICMP）：提供网络控制和消息传递功能。地址解释协议（Address Resolution Protocol，简称ARP）：用来将逻辑地址解析成物理地址。反向地址解释协议（Reverse Address Resolution Protocol，简称RARP）：通过RARP广播，将物理地址解析成逻辑地址。,3.2.2 TCP/IP通信模型介绍,三 计算机网络体系结构,传输层的作用是在源结点和目的结点的两个对等实体间提供可靠的端到端的数据通信。传输层的作用是在源结点和目的结点的两个对等实体间提供可靠的端到端的数据通信。为保证数据传输的可靠性，传输层协议也提供了确认、差错控制和流量控制等机制。传输层从应用层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。传输层的主要协议有TCP 和UDP。传输控制协议（Transport Control Protocol，简称TCP）：是面向连接的协议，用三次握手和滑动窗口机制来保证传输的可靠性和进行流量控制。用户数据报协议（User Datagram Protocol，简称UDP）是面向无连接的不可靠传输层协议。,3.2.2 TCP/IP通信模型介绍,三 计算机网络体系结构,应用层涉及为用户提供网络应用，并为这些应用提供网络支撑服务，把用户的数据发送到低层，为应用程序提供网络接口。由于TCP/IP 将所有与应用相关的内容都归为一层，所以在应用层要处理高层协议、数据表达和对话控制等任务。应用层包括了众多的应用与应用支撑协议。常见的应用协议有：FTP、HTTP、SMTP、Telnet；文件传输协议FTP（File Transfer Protocol）；简单邮件传输协议SMTP（Simple Mail Transfer Protocol）；（例如发送Email就是用的这个网络协议）远程登录Telnet（TCP/IP Terminal EmulationProtocol）；超文本传输协议HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）常见的应用支撑协议包括DNS和SNMP等。域名服务DNS(Domain Name Service)；（通过IPconfig/all，可以在Windows XP 系统中查看自己的DNS服务器地址）简单网络管理协议SNMP(Simple Network Management Protocol)；,3.3 OSI 模型和TCP/IP 模型的区别,三 计算机网络体系结构,相似点ISO/OSI 模型和TCP/IP 模型有许多相似之处，具体表现在：两者均采用了层次结构并存在可比的传输层和网络层；两者都有应用层，虽然所提供的服务有所不同；均是一种基于协议数据单元的包交换网络，而且分别作为概念上的模型和事实上的标准，具有同等的重要性。,3.3 OSI 模型和TCP/IP 模型的区别,三 计算机网络体系结构,不同点ISO/OSI 模型和TCP/IP 模型还有许多不同之处:OSI 模型包括了7 层，而TCP/IP 模型只有4 层。虽然它们具有功能相当的网络层、传输层和应用层，但其他层并不相同。TCP/IP 模型中没有专门的表示层和会话层，它将与这两层相关的表达、编码和会话控制等功能包含到了应用层中去完成。另外，TCP/IP 模型还将OSI 的数据链路层和物理层包括到了一个网络接口层中。OSI 参考模型在网络层支持无连接和面向连接的两种服务，而在传输层仅支持面向连接的服务。TCP/IP 模型在网络层则只支持无连接的一种服务，但在传输层支持面向连接和无连接两种服务。TCP/IP 由于有较少的层次，因而显得更简单，TCPIP 一开始就考虑到多种异构网的互连问题，并将网际协议（IP）作为TCP/IP 的重要组成部分，并且作为从Internet上发展起来的协议，已经成了网络互连的事实标准。但是，目前还没有实际网络是建立在OSI 参考模型基础上的，OSI 仅仅作为理论的参考模型被广泛使用。,3.4 关于IP地址,三 计算机网络体系结构,逻辑结构 IP地址是一个由4个字节，共32位的二进制数，逻辑上分两个部分：网络标识标识主机所属的网络；主机标识标识主机本身。,3.4 关于IP地址,三 计算机网络体系结构,逻辑结构,3.4 关于IP地址,三 计算机网络体系结构,2 IP地址分类：,3.4 关于IP地址,三 计算机网络体系结构,A类网络用第一组数字（即第一个字节）标识网络本身，后面三组数字作为连接于网络上的主机的地址，并且规定第一个字节的第一位必须为0。,3.4 关于IP地址,三 计算机网络体系结构,B类网络用第一、二两个字节标识网络本身，后面两个字节作为连接于网络上的主机的地址，并且规定第一个字节的前两位必须为10。,3.4 关于IP地址,三 计算机网络体系结构,C类网络用前三个字节标识网络本身，最后一个字节作为连接于网络上的主机的地址，并且规定第一个字节的前三位必须为110。,3.4 关于IP地址,三 计算机网络体系结构,IP地址的表示法 为了方便，IP地址一般用圆点隔开的4个十进制数表示。,3.4 子网掩码,三 计算机网络体系结构,为子网掩码的结构与IP地址一样，也由4个字节的32位二进制数组成，一般也用由圆点隔开的4个十进制数表示。在同一个子网中子网掩码相同。这里所提子网指的是对一个IP网络进一步划分形成的逻辑网络。子网掩码的作用（1）获取IP网络内相应计算机的网络标识和主机标识。（2）将一个IP网络进一步划分为若干逻辑子网。最简单的子网掩码对于A类，B类，C类网络来讲，它们最简单的子网掩码分别为：255.255.255.0,四 工业网络设计实例,四 工业网络设计实例,四 工业网络设计实例,四 工业网络设计实例,四 工业网络设计实例,环网概述根据厂区厂房的位置分布，冷轧退火主电室，焊管主控室，煤气加压主控室，二期空压站主控室，制氧厂12000主控室构成一个百兆环网；一期发电主控室，3#高炉主控室，2#高炉主控室，烧结主控室，转炉主电室，板坯主电室，二轧加热炉仪表室、一轧加热炉主控室组成一个百兆环网。两个环网主要负责对现场数据的采集，通过千兆的光纤链路与MES核心交换机相连。设备选型环网核心交换机选用四台模块化的MS4128-L3P工业级交换机和相应接口模块；其他环网交换机选用模块化交换机MS系列和相应的接口模块。网络结构功能说明每个控制网络采用100M全双工光纤冗余环网，一旦发生故障，网络可以在500ms之内切换成总线结构。每个环网配置两台MS4128-L3P核心交换机，支持动、静路由，支持路由冗余协议；每个环网的核心交换机与MES系统核心交换机的连接采用1000M的单模光纤采用Dual homing技术链路冗余连接，主连接链路发生故障时，备份连接链路在800毫秒内实现切换；两个环网之间采用备用冗余链接，当环网与核心交换机的链路发生故障时启用备份线路。,四 工业网络设计实例,方案特点两个环网交换机与MES核心交换机的链路采用1000M，交换速率大，可保证系统的通信的实时性。核心交换机支持动、静态路由功能，同时支持路由冗余协议，保证各个子网的安全通信；可根据需要选用不同的网络接口模块，配置灵活，具有良好的可扩展性,同时可降低备件的费用。实现层间和层内通讯链路冗余，网络自愈时间500ms，可靠性高；支持SNMP（简单网络管理协议），网络设备诊断和故障定位，通过可视化的网管软件可对网络交换机进行远程配置VLAN、路由，以及交换机的其它配置，监控整个网络的运行状态，进行流量分析，平衡网络负载，以及整个系统的故障诊断，记录网络报警。支持VLAN（虚拟局域网）子网划分功能，可实现应用分类和访问控制，同时通过核心交换机的路由功能又可保证各子网的数据通讯，避免了广播风暴对MES系统的影响。,四 工业网络设计实例,4.1赫斯曼交换机世界第一台卡轨式安装、模块化设计，并支持网络管理的千兆工业以太网交换机。具有如下特点：采用导轨方式安装，无风扇散热方式，工作温度范围为060；支持多种冗余，包括HIPER-Ring（超级冗余环），RSTP（快速生成树），冗余环-环之间耦合，Dual Homing，双24VDC电源冗余，