《工业网络技术》PPT课件.ppt
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1、7.2 工业网络技术,邮电通讯网络的目的是信息的传输;局域网络的主要目的是实现资源共享和处理信息;工业网络技术最终的目的是导致了物质或能量的运动。它不仅要在工业环境中可靠运行,而且要控制现场的各类生产过程,使工业自动化系统发挥最佳性能。本节主要介绍工业网络技术、网络协议及标准、工业网络的选型等内容。,7.2.1 工业网络概述,1网络拓扑结构 网络中互连的点称为结点或站,结点间的物理连接结构称为拓扑,采用拓扑学来研究结点和结点间连线(称链路)的几何排列。局部网络通常有四种拓扑结构:星形、环形、总线形和树形。,(1)星形结构,结构:中心结点是主结点,它接受各分散结点的信息再转发给相应结点,具有中继
2、交换和数据处理功能。工作过程:当某一结点想要传输数据时,它首先向中心结点发送一个请求,以便同另一个目的结点建立连接。一旦两个结点建立了连接,则在这两点间就象是一条专用线路连接起来一样,进行数据传输。特点:网络结构简单,便于控制和管理,建网容易;网络延迟时间短,传输错误率较低;网络可靠性较低,一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪;网络资源大部分在外围点上,相互结点必须经过中央结点才能转发信息;通讯电路都是专用线路,利用率不高,故网络成本较高。,(2)环形结构,结构:各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中,环网中,数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。工作过程:一个结点按
3、事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一个结点,当传送信息的目的地址与环上的某结点的地址相等时,信息才被该结点的环接口接收,否则,继续向下传送。特点:信息流在网络中是沿固定的方向流动,故两个结点之间仅有唯一的通路,简化了路径选择控制;环路中每个结点的收发信息均由环接口控制,控制软件较简单;环路中,当某结点故障时,可采用旁路环的方法,提高了可靠性;环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率,故扩展受到一定的限制。应用:环形网络结构较适合于信息处理和自动化系统中使用,是微机局部网络中常用的结构之一。特别是IBM公司推出令牌环网之后,环形网络结构就被越来越多的人所采用。,(3)总线形结构,结构:各结点
4、经其接口,通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输,并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散,因此又称为广播式网络。总线形网络的接口内具有发送器和接收器。接收器接收总线上的串行信息,并将其转换为并行信息送到结点;发送器则将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上。当在总线上发送的信息目的地址与某一结点的接口地址相符时,传送的信息就被该结点接收。由于一条公共总线具有一定的负载能力,因此总线长度有限,其所能连接的结点数也有限。,特点:结构简单灵活,扩展方便;可靠性高,网络响应速度快;共享资源能力强,便于广播式工作;设备少,价格低,安装和使用方便;由
5、于所有结点共用一条总线,因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞,故不易用在实时性要求高的场合。应用:总线形结构是目前使用最广泛的结构,也是一种最传统的主流网络结构,该种结构最适于信息管理系统、办公室自动化系统、教学系统等领域的应用。,(4)树形结构,结构:分层结构,适用于分级管理和控制系统。特点:通讯线路总长度较短,连网成本低,易于扩展,但结构较星形复杂;网络中除叶结点外,任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。,网络的传输介质:就是网络中连接收发双方的物理通路,也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线,同轴电缆,双绞线,光导纤维电缆,无线与卫星通信。对于传输介质
6、,包括以下特性:物理特性,传输特性,连通特性,地理范围,抗干扰性和相对价格。介质访问控制:各结点通过公共通道传输信息,因此存在如何合理分配信道的问题(既充分利用信道的空间和时间,又防止发生各信息间的互相冲突)。访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。微机局部网络常用的传输访问控制方式有三种,即 1)冲突检测的载波侦听多路访问(CSMACD);2)令牌环(Token Ring);3)令牌总线(Token Bus)。三种方式都得到IEEE802委员会的认可,成为国际标准。介质访问控制技术(MAC):解决信道(公共传输通道)的分配和使用。,2介质访问控制技术,(1)冲突检测的载波侦听多路访问(CS
7、MACD),又称为随机访问技术或争用技术适用于总线形和树形网络结构 工作原理:当某一结点要发送信息时,首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息,若没有则立即发送;否则,等待一段时间,直至信道空闲,开始发送。确定等待时间的方法:当某结点检测到信道被占用后,继续检测,发现空闲,立即发送;当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间,然后再检测。重复这一过程,直到信道空闲,开始发送。冲突的解决方法:由于传输线上不可避免的有时间的延迟,有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送,从而导致冲突。因此,当结点开始发送信息时,该结点继续对网络检测一段时间,且把收到的信息和自己发送的信息进行比较,若相同,则发送正
8、常进行;若不同,说明由其它结点发送信息,引起混乱,应立即停止,等待一个随机时间,在重复上述过程。,结论:CSMACD方式原理较简单,且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位,无需集中控制,但不能提供优先级控制,所有结点都有平等竞争的能力,在网络负载不重情况下,有较高的效率,但当网络负载增大时,发送信息的等待时间加长,效率显著降低。,由于CSMA的访问存在发报冲突问题,而产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决这种由于“随机”而产生的冲突问题,可采用有控制的发报方式。下面,介绍一种有控制的发报方式令牌发送技术!,令牌环:全称为令牌通行环(Token Passing Ring),适用于环
9、形网络结构。令牌是控制标志,网中只设一张令牌,并依次沿各结点传送。令牌的两个状态“空”状态:表示令牌没有被占用,当其传至正待发送信息的结点时,该结点立即发送,并置令牌为“忙”状态。“忙”状态:表示令牌被占用,即令牌正在携带信息发送,当所发信息环绕一周,由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。工作过程:令牌依次沿每个结点传送,使每个结点都有平等发送信息的机会。当一个结点占令牌期间其它结点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周,并由发送结点清除,“忙”令牌又被置为“空”状态,绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时,则下一结点便得到这一令牌,并可发送信息。令牌环的特点:能提供可调整的访问控制方法;能提供优
10、先权服务;有较强的实时性;需对令牌进行维护,令牌丢失降低环路利用率;控制电路复杂。,(2)令牌环(Token Ring),(3)令牌总线(Token Bus),将令牌访问原理应用于总线网,构成令牌总线方式。原理:这种方式和CSMA/CD方式一样,采用总线网络拓扑,但不同的是在网上各工作站按一定的顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置,末站的后站就是首战,即首尾相连。每站都有先行站和后继站的地址,总线上各站的物理地址和逻辑位置无关。工作过程:当各站都没有帧发送时,令牌的形式为01111111,成为空标记。当一个站要发送帧时,需要等待空标记通过,然后将它改为忙标志,即01111
11、110。紧跟着忙标记,该站把数据帧发送到环上。由于标记是忙状态,所以其他站不能发送帧,必须等待。接收帧的过程是这样的,当帧通过站时,该站将帧的目的地址和本站的地址相比较,如地址不符合,则不接收数据,同时将帧送入环上。如果符合,则将帧放入接收缓冲器,再输入到站内,同时将帧送回到环上。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站,将该帧从环上移去,同时将标记改为空闲标记。,不同于令牌环的是,在令牌总线中,信息可以双向传送,任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。为此,结点发送的信息中要有指出下一个要控制的结点的地址。由于只有获得令牌的结点才可发送信息(此时其它结点只收不发),因此该方式不要检测冲突就可以避
12、免冲突。特点:1.网络必须要有初始化功能,即能够产生一个顺序访问的次序。这就是一个争用的过程,争用的结果是只有一个站能够获得标记,并产生次序。2.当网络中的标志丢失或者产生多个标记时,必须有故障恢复功能。3.必须有消除不活动结点或者添加新的结点的功能。4.吞吐能力大,吞吐量随数据传输速率的提高而增加;5.控制功能不随电缆长度的增加而减弱;6.不需冲突检测,具有一定的实时性。,3种介质访问控制技术的比较,3.信息交换技术,为了提高计算机通信网的通信设备和线路的利用率,有必要研究通信网络上信息交换技术。即如何控制信息传输,才能提高通信效率?在计算机网络中,通信的基本交换方式分为两类:线路交换和存储
13、转发交换。存储转发交换中,包括报文存储转发交换和报文分组存储转发交换。(1)线路交换:在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送,传送结束再“拆除”线路。(2)报文交换:把目的站名附加在报文上,然后交给下一结点,该结点接收整个报文,存储下来,根据目的选择下一转发结点,直到目的站。(3)分组交换:将报文分成若干分组,并在每个分组上附加控制信息,这些报文经不同的路径分别传送到目的站后,再组成一个完整报文。,差错控制 校验:奇偶校验、循环冗余-CRC校验。纠错方式:重发纠错、自动纠错、混合纠错。,4差错控制技术,在通信线路上传输信息时,往往由于各种干扰,使接收端收到信息出现错误。提高传输质量的方
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