二．工业局域网基础
将地理位置不同而又有各自独立功能的多个计算机，通过通信设备和通信线路相互连接起来构成的计算机系统就称为计算机网络。网络中每个计算机或交换信息的设备称为网络的站或结点。
网络按站间距离分为： ◆ 全域网：GAN（Global Area Network），它通过卫星通信连接各大洲不同国家。覆盖面
积极大，范围在1000Km以上。如美国ARPA网； ◆ 广域网（又称远程网）：它站点分布范围很广从几公里到几千公里。单独建造一个广域
网价格昂贵常借用公共的电报、电话网来实现。此外，网络的分布不规则，使网络的通信控制比较复杂，尤其是使用公共传送网，要求联到网上的用户必须严格遵守各种规程，限制比较死。 ◆ 局域网：地理范围有限，通常在几十米到几千米；数据通信传送速率高，误码率低；网
络拓扑结构比较规则；网络的控制一般趋于分布式，以便减少对某个结点的依赖、避免或减少了一个结点故障对整个网络的影响；价格比较廉。 本节介绍结构比较规则的局域网 1．局域网四大要素
网络的拓扑结构、介质访问控制、通道利用方式，、传送介质，是局域网的四大要素。 （1）网络拓扑结构。网络拓扑结构是指网络中的通信线路和结点间的几何布置，用以表示网络的整体结构外貌，它反映了各模块间的结构关系，对整个网络的设计、功能、可靠性和成本都有影响。常见的有三种拓扑结构形式：
①星形网络。星形拓扑是由中央结点为中心与各结点连接组成的，网络中任何两个结点要进行通信都必须经过中央结点控制，其网络结构如图3-12（a）所示。
星形网络的特点是：结构简单、便于管理控制，建网容易，线路可用性强，效率高，网络延迟时间短，误码率较低，便于程序集中开发和资源共享，但系统花费大，网络共享能力差，负责通信协调工作的上位计算机负荷大，通信线路利用率不高，且系统对上位机的依赖性也很强，一旦上位机发生故障，整个网络通信就得停止。在小系统、通信不频繁的场合可以应用。星形网络常用双绞线作为传送介质。
上位计算机（也称主机、监控计算机、中央处理机）通过点到点的方式与各现场处理机（也称从机）进行通信，就是一种星形结构。各现场机之间不能直接通信，若要进行相互数据传送，就必须通过作为中央结点的上位计算机协调。
②环形网络。环形网中各结点通过环路通信接口或适配器连接在一条首尾相连的闭合环形通信线路上，环路上任何结点均可以请示发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环形网种的数据主要是单向传送也可以是双向传送，由于环线是公用的，一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息中目的地址与环上某结点地址相符合时，数据信息被该结点的环路接口所接收，而后信息继续传向下一个环路接口。一直流回发送该信息的环路接口结点为止。环形网络结构如图3-12（b）所示。
环形网的特点是：结构简单，挂接或摘除结点容易，安装费用低；由于在环形网络中数据信息在网中是沿固定方向流动的，结点间仅有一个通路，大大简化了路径选择控制；某个结点发生故障时，可以自动旁路，系统可靠性高。所以工业上的信息处理和自动化系统常采用环形网络的拓扑结构。但结点过多时，会影响传送效率，全网络响应时间变长。
③总线形网络。利用总线把所有的结点连接起来，这些结点共享总线，对总线有同等的访问权。总线形网络结构如图3-12（c）所示。
总线形网络由于采用广播方式传送数据，任何一个结点发出的信息经通信接口（或适配器）后，沿总线向相反两个方向传送可以使所有结点接收到，各结点将目的地址是本站站号
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的信息接收下来。这样就无需进行集中控制和路径选择，其结构和通信协议都比较简单。 在总线网络中，所有结点共享一条通信传送链路，因此，在同一时刻，网络上只允许一个结点发送信息。一旦两个或两个以上结点同时发送信息就会发生冲突。在不使用通信指挥器HTD的分散通信控制方式中，常规定一定的防冲突通信协议。常用的有令牌总线网（Token-Passing-Bus）和冲突检测载波监听多路存取控制协议CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection）。 图3-12 网络拓扑结构图
总线形网络结构简单，易于扩充，设备安装和修改费用低；可靠性高；灵活性好，可连接多种不同传送速率、不同数据类型的结点；也易获得较宽的传送频带，网络响应速度快；共享资源能力强。常用同轴电缆或光缆作传送介质。特别适合于工业控制应用。是工业控制局域网中常用的拓扑结构。
（2）介质访问控制。介质访问控制是指对网络通道占有权的管理和控制。
局域网上的信息交换方式有两种：一种是线路交换，即发送结点与接收结点之间有固定的物理通道，且该通道一直保持到通话结束，如电话系统。第二种是：“报文交换”或“包交换”。这种交换方式是把编址数据组，从一个转换结点传到另一个转换结点，直到目的站。发送结点数据和接收结点之间无固定的物理通道。如某结点出现故障。，则通过其它通道把数据组送到目的结点。这有些象传递邮包或点包的方式，每一个编址数据足即类似一个邮包，故称：“包交换”或“报文交换”。 介质访问控制主要有两种方法：
①令牌传送方式。这种方式对介质访问的控制权是以令牌为标志的。令牌是一组二进制码，网络上的结点按某种规则排序，令牌被依次从一个结点传到下一个结点，只又得到令牌的结点才有权控制和使用网络。已发送完信息或无信息发送的结点将令牌传给下一个结点。在令牌传送网络中，不存在控制站，不存在主从关系。这种控制方式结构简单，便于实现，成本不算太高，可在任何一种拓扑结构上实现。但一般常用总线和环形结构。，即“Token Bus”和“Token Ring”。其中尤以“Token Bus”频受工业界青眯，因这种结构便于实现集中管理，分散式控制，很适合于工业现场。
②争用方式。这种方式允许网络中的各结点自由发送信息。但当两个以上的结点同时发送则会出现线路冲突，故需要作些规定，加以约束。目前常用的是CSMA/CD规约（以太网规约），即带冲突检测的载波监听多路存取协议。这种协议要求每个发送结点要“先听后发、边听边发”。即发送前先监听，在监听时，若总线空则可发送；忙则停止发送。发送的过程中还应随时监听，一旦发现线路冲突则停止发送，且已发送的内容全部作废。这种控制方式在轻负载时优点突出，控制分散，效率高。但重负载时冲突增加，则传送效率大大降低。而令牌方式恰恰在重负载时效率高。
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（3）通道的利用方式常用的通道方式有两种： 基带方式和频带方式。（详细请见第一节数据通信基础） （4）传送介质详见第一节数据通信基础。 2．网络模型
为了保证通信的正常运行，除需具备良好、可靠的通信信道外，还需通信各方遵守共同的协议，才能保证高效、可靠的通信。通信协议一般采用分层设计的方法。对于局域网来说，分层设计非常重要，因为对某层协议的修改不会影响其它层，甚至也不影响相邻层的工作，各层相互独立，通过接口发生联系。
1979年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model）。该模型规定了七个功能层。每层都使用自己的协议。目的就是使各终端设、PLC、操作系统各进程之间互相交换信息的过程能逐步实现标准化。凡遵守这一标准的系统之间可以互相连接使用，而不应对相应的信息变换和通信加上任何控制。这七层协议结构如图3-13所示。 （1）OSI层次结构 ①物理层（Physical）。物理层在信道上传送未经处理的信息，该层协议涉及通信双方的机械、电气和连接规程。如接插件型号，每根线的定义，“1”、“0”电平规定，Bit脉宽，传送方向规定，如何进行建立初始连接，如何拆除连接等等。前面介绍的RS-232C、RS-422、 RS-485等均为物理层协议。
应 用 层 表 示 层
会 话 层
传 输 层 网 络 层
链 路 层
物 理 层
图3-13网络分层结构图
②数据链路层（Data Link）。数据链路层的任务是将可能有差错的物理链路，改造成对于网络层来说是无差错的传送线路。它把输入的数据组成数据帧，并在接收端检验传送的正确性。若正确，则发送确认信息；若不正确，则抛弃该帧，等待发送端超时重发。同步数据链路控制（SDLC）、高级数据链路控制（HDLC），以及异步串行数据链路协议都属于此范围。 ③网络层（Network）。网络层也称为分组层，它的任务是使网络中传送分组。它规定了分组在网络中是如何传送的。网络层控制网络上信息的切换和路由的选择，因此本层要为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。
④传送层（Transport）传送层的基本功能是从会话层接收数据，把它传到网络层，并保证这些数据正确地到达目的地。该层控制端到端数据的完整性，确保高质量的网络服务，起到网络层和会话层之间的接口作用。
⑤会话层（Session）它控制一个通信会话进程的建立和结束。该层检查并确定一个正常的通信是否发生。如果没有发生，该层必须在不丢失数据的情况下，恢复会话，或根据规定
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在会话不能正常发生的情况下终止会话。 ⑥表示层（Presentation）。表示层实现不同信息格式和编码之间的转换。常用的转换方式有：正文压缩，例如：将常用的词用缩写字母或特殊数字编码，消去重复的字符和空白等；提供加密、解密；不同计算机之间文件格式的转换；不相容终端输入、输出格式的转换等等。 ⑦应用层（Application）应用层的内容，要根据对系统的不同要求而定。它规定了在不同应用情况下，所允许的报文集合和对每个报文所采取的动作。这一层负责与其它高级功能通信，如分布式数据库和文件传送。
（2）IEEE 802参考模型 美国电气和电子工程协会（IEEE）1980年2月提出了局域网络协议草案（称之为802协议）。这是目前工业局域网中用得最多的一种。
该协议将OSI模型的最低两层分为三层，即物理信号层、介质访问控制层和逻辑链路控制层。它们的对应关系如图3-14所示。
图3-14 网络拓扑结构图
物理信号层（PS）完成数据的封装/拆装、数据的发送/接收管理等功能，并通过收发器收、发数据信号。
介质访问控制层（MAC）支持介质访问，并为逻辑链路控制层提供服务。
逻辑链路控制层（LLC）支持数据链接功能、数据流控制、命令解释及产生响应等，并规定局域网络逻辑链路控制协议（LNLLC）。
802协议中定义了三种介质访问技术，即802.3（CSMA/CD）、802.4（Token Bus）和802.5（Token Ring）。
①IEEE 802.3。该规约又称“以太网”规约。这是一种适合于总线局域网的介质访问控制方法如图3-15所示。
图3-15 总线局域网
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为使总线局域各站点的信息发送和接收不产生相互冲突，必须制定传送控制规程，即载波检测多路访问/冲突检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）。在该规程下的工作流程如图3-16所示。
图3-16 总线局域网
②IEEE 802.4。这是令牌总线规约。其内容包括令牌传送总线的介质访问控制方法和物理规范。它的基本特征是在一条物理总线上实现一个逻辑环。如图3-17所示。
图3-17 令牌总线相当于一个逻辑环
该逻辑环上的结点都有上游结点和下游结点的地址。令牌按规定顺序传递，总线上的结点可以成为逻辑环上的结点也可以不加入逻辑环。
③IEEE 802.5。这是令牌环规约。其内容包括令牌环介质访问控制方法和物理层规范。
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