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分散控制系统的 通信第五章
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所谓通信,就是指采用某种特定的方法,通过某种介质 （ 如传输线 ） 或渠道将信息从一处传送到另一处的过程 。 由此可见,通信的含义十分广泛,且对于不同的应用,不同的通信手段,将会有不同的通信形式与类型 。
第一节 数据通信一、通信的含义
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二、通信的类型存在两大类通信方式：非电通信和电通信。
其中电通信在工业过程中的应用极为普通，它可分为三种类型：
1．模拟通信,是以模拟信号传输信息的通信方式。
例如：在常规控制系统中采用的 0?10mA
或 4?20mA或 0?5V的模拟电信号。
2．数字通信,是将模似电信号转换为数字信号后，再进行传输的通信方式。
例如,A/D转换器与 CPU之间的信息传输。
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3．数据通信,是一种通过计算机或其它数字装置与通信线路相结合，实现对数据信息（ 具有一定编码、格式和位长要求的数字信息 ）的传输、转换、存储和处理的通信技术。
例如：计算机与计算机之间的交换信息都是数据信息。
数据通信与数字通信的不同之处是：
数字通信的信息源发出的是模拟信号；
数据通信的信息源发出的是数字信息。
数据通信是本章讨论的主题
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一个最基本的通信系统,是由信息源,发送装置 /接收装置,信道,通信控制部件,信息宿等部分组成,如图所示：
三、数据通信系统的组成：
信息源或信息宿信息源或信息宿通信控制部件通信控制部件收发装置或调制解调器收发装置或调制解调器通信控制部件是通信数据处理子系统，负责实现计算机内部代码与通信编码之间的转换，以及网络控制方式、同步方式、差错控制和通信软件的选择与执行。
信息源是将要被传输
(发送 )
的数据信息；
信息宿是通过传输已收到的数据信息；
信道是信息传输通道，它包括传输介质（线路）
和有关的中间通信设备,
收 /发装置（调制解调器）是一个以信息的发送、
收集、分配和转贮为目的的数据传输子系统，它只负责保证数据准确无误的传送，
不涉及对数据信息的加工处理；
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根据不同的分类方法加以说明 。
四、数据通信方式特点：线路投资省,传输速度比并行通信的速度慢 。
（一）按数据位的传送方式分，有：
1．并行通信方式,将一个二进制数据的所有位同时传送的方式，如图所示。
特点：传送速度快，线路成本高。
发 送 装 置接 收 装 置
1 0 0 1 0 1 0 0
2．串行通信方式,将一个二进制数据逐位顺序传送的方式，
如图所示。
发送装置接收装置
1 0 0 1 0 1 0 0
只适用于近距离的数据通信。
适用于长距离传送。
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（二）按信息的传送方向分，有：
发送装置 接收装置A B
发送装置 接收装置接收装置 发送装置A B
发送装置 接收装置接收装置 发送装置A B
2．半双工（ Half duplex） 通信方式,允许信息在两个方向上传输，但在同一时刻只限于一个方向的传输，如图所示。
3．全双工（ Full duplex） 通信方式 。允许信息同时在两个方向上进行传输，如图所示。
1,单工 （ Simplex） 通信方式,只允许信息沿一个方向
（ 而不能作反向 ） 传输 。 如图所示 。
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2,调制 /解调连接的通信方式,将计算机输出数据经并
/串转换后进行调制,然后在双芯传送线上发送；而接收端对收到的信息进行解调,然后经串 /并转换使数据复原,如图所示 。
（三）按连接方式分，有：
1．总线连接的通信方式,将两台计算机的总线通过缓冲转换器直接相连。如图所示。
计算机计算机计算机计算机通信控制调制解调通信控制调制解调
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计算机计算机
I/O
接口
I/O
接口
3．过程 I/O连接的通信方式,利用计算机的输入 /输出接口的功能传送数据的，如图所示。
计算机 计算机高速通道接口 高速通道接口
…………
高 速 数 据 通 道
4,高速数据通道连接的通信方式,采用二进制串行高速传送的方式,它在高速数据通信指挥器的控制下,对要通信的计算机内存进行直接存储器存取 （ Direct Memory Access
简称 DMA） 操作,实现数据通信,如图所示 。
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在数据信息的传输有两种基本形式：
五、数据传输原理在分散控制系统中，各功能站处理的信号均为二进制数据信息，这些由,0” 和,1”组成的数据信息，最普通且最简单的方法是用一系列电脉冲信号来表示。
具有固有频带且未经任何处理的原始电脉冲信号，称为,“基带信号”。
1、基带传输，即直接利用基带信号进行传输；
2、频带传输，即将基带信号用交流或脉冲信号调制后再传输。
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基带传输是数据传输中最基本的传输方式,其首要的问题是如何把数据信息用电信号表示出来 。
常见的几种基带信息表示方法如下：
（一）基带传输
1．基带信息的几种表示法
0 1 1 0 1 0 0 1 0数据
0时钟脉冲
K
0.5K
0
t
t
t
判决门限
（ 1）单极性波形 。 在一个码元（一位二进制符号）的时间内，数据,0”用零电位表示，
数据,1”用正电位表示。
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0 1 1 0 1 0 0 1 0数据
0时钟脉冲
K
K
0
-K
K
0.5K
0
t
t
t
t
判决门限判决门限
（ 2）双极性波形 。 在一个码元的时间内，数据,0”用负电位表示，数据,1”用正电位表示，且正、负电位的幅值相等。
（ 3）单极性归零波形 。 在发送数据,1”时，发送短于一个码元时间的电脉冲信号，其余时间内或发送数据,0”时，电信号幅值回到零。
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0 1 1 0 1 0 0 1 0数据
0时钟脉冲
K
0
-K
K
0
-K
t
t
t
t判决门限判决门限
（ 5） 交替双极性归零波形 。 在发送数据,0” 时,不发送脉冲,
而在发送数据,1” 时,采用极性交替的窄脉冲信号发送 。
（ 4）双极性归零波形 。 在发送数据,1”时，发送正脉冲信号；在发送数据,0”时，发送负脉冲信号，脉冲宽度小于一个码元时间，脉冲以外的时间无信号（信号幅值为零），
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它可表示一个周期性的基带信号,即在脉冲宽度期间表示数据,1”,而非脉冲期间表示数据
,0” 。
2．基带信号的频谱为了设计适用于数据信号的传输信道，必须掌握信号的频谱。分析周期信号的波形与频谱的对应关系，通常以数学中的傅里叶级数为工具。对于图示的周期性矩形脉冲波，
其中,周期为 T
脉冲宽度为 d
幅度为 A
利用傅里叶分析，图中随时间变化的脉冲波函数 U(t)可表达为：
U（ t）
A
t
-T 0 T/2 T
d d
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tnTnd TndS inTAdTAdtU
n
c o s/ )/(2)(
1
各次谐波的总和直流分量正比于 Tnd TndSin / )/(
所以频谱分量的轨迹是遵循 Tnd TndSin / )/( 包络线
Tnd
TndSin
/
)/(
的第一个零点发生在
n=T/d时刻，
相当于频带宽度为,dTnnfB f 1/
Tf
1? 为频率说明脉冲越窄，频带越宽。
图中，示出了 d=T/10的基带信号频谱。
Tnd TndSin / )/(
形包络线
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(1)基带信号传输,要求信道具有从直流到高频的频率特性 。 因此,在信息高速传输的 DCS中,不能采用常规的传输介质,而应采用具有很高通频带的同轴电缆或光缆 。
(2)基带传输是按照数字信号波形的原样进行传输的,
它不需要调制解调器,因而设备投资少,维护费用低 。 但信号传输距离有限,仅适用于较小范围的数据传输 。
对应用于火电厂的 DCS,可采用基带传输方式连接各个分散的功能站点 。
3．基带传输的特点任何一种传输装置在传输信号过程中，都具有能量损失，且各次傅里叶分量的损失是不相同的，这与传输介质的物理特性密切相关。
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目前,工程上采用的传输系统主要是模拟式传输系统,它在传输数字基带信号时会产生信号波形的失真现象 。 这种失真是由于传输线路上存在的电容,电感和电阻所致 。 失真的程度与信号传输速度,
传输距离等有关,传输距离越远,传输速度越快,
信号的失真越严重 。
（二）频带传输（调制与解调）
当然，数字基带信号可以采用数字式传输信道。
由于这种信道在每隔一定距离的位置装设一个中继器，它可对传送来的位信号进行整形、再生，以原来的强度和清晰度把位信号向下传送，因此可避免传输信号的失真。
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但模拟式传输系统和通信设备至今仍占一定统治地位。
在此情况下，数据信号在模拟传输系统上远距离传输时，
必须采用调制与解调手段。
所谓,调制,，是在发送端用基带脉冲信号对载波波形的某个参数（如振幅、频率、相位）进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化，即把基带信号变换成适合于模拟传输系统传输的交流信号。
所谓,解调,,是在接收端将收到的调制信号进行与调制相反的转换，使之恢复到原来的基带脉冲信号。
具有调制和解调两种功能的装臵称之为调制解调器（或称 MODEM）。
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正弦波交流信号易于产生，并适合于模似式传输系统的传输。在利用高频正弦波传输数据信息时，
该正弦波称为,载波,。
未经调制的载波可表示为：
)2( ftA S inF
只要让参数 A,f,φ 中的任何一个随基带信号发生变化，它就可以携带基带信号，此时被传输的基带信号称为,调制波,。
式中,A为载波振幅，
f为载波频率，
φ 为载波相位。
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相位连续调频信号,如图中 （ b） 所示 。 这种调制是发送端只采用一个振荡器,
且用原始基带脉冲信号改变该振荡器的参数,使振荡频率发生变化 。
相位不连续调频信号,如图中 （ c） 所示 。 这种调制是发送端采用了两个振荡器 f1和 f2,由原始基带脉冲信号控制 f1和 f2输出的频率 。
常用的调制方式有三种：
（ 1）振幅调制 。 又称振幅键控 ASK（ Amplitude Shift Keying）。 即用原始基带脉冲信号控制载波的振幅变化，如图中（ a） 所示。
（ 2）频率调制 。 又称为频率键控 FSK(Frequency Shift Keying)。 即用原始基带脉冲信号控制载波的频率变化。频率调制所产生的调制波称为,调频信号,，频率调制可分为两种形式：
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绝对移相调相信号,如图中 （ d）
所示 。 这种调制是当原始基带信号为 1时,控制发送端移相器输出的调相信号为 Sinω 0t； 当原始基带信号为 0时,控制发送端移相器输出的调相信号为 Sin(ω 0t+?)。
相对移相调相信号,如图中 （ e）
所示 。 这种调制是当原始基带信号为 1时,控制发送端移相器输出的调相信号的相位,相对于前一信号相位移动?；当原始基带信号为 0时,控制发送端移相器输出的调相信号的相位不变 。
（ 3）相位调制 。 又称为相位键控 PSK（ Phase Shift Keying）。 即用原始基带脉冲信号控制载波的相位变化。相位调制所产生的调制波称为,调相信号,，它可分为两种形式：
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（ 1） 数据信号速率 。 在数据通信中,每一位二进制符号 （ 1
或 0） 为一个比特 （ 或称为 码元 ） 。 数据信号速率表示的是每一秒钟内传输数据信息的比特数,单位为 bit/s，
国际上用 bps表示 。 数据信号速率 S的定义为：
六、数据通信的技术指标
1．数据传输速率 —— 单位时间内传送的信息量。
数据传输中有三种速率：
)(lo g1 2
1
b p sNTS i
i
m
i?
m—— 并行传输的信道数；
Ti—— 第 i条信道传输的符号的最小单位时间（秒）；
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（ 2）调制速率 。 表示每秒钟内调制信号波的变换次数，单位为波特（ Bd）。 若用秒表示一个单位调制信号波的时间长度为 T,则调制速率为：
TB
1?
数据信号速率 S与调制速率 B之间的关系为：
iNBS 2l o g?
（ 3）数据传输速率 。 数据传输速率是单位时间内传送的信息量。信息量的单位可以是比特、字符、数据组等；
时间的单位可以是秒、分甚至小时等。
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通常用信息传输速率表示信息的传输能力,即单位时间内传输的信息量越大,信息的传输能力也就越大,表示信道容量大 。 信道容量 C用极限传输速率 （ 香农公式 ） 表示：
2．信道容量 —— 信道所具有的最大传输能力
)1(l o g 2 NSFC
F—— 信道带宽（ Hz）；
S—— 信道内传输的信号平均功率（ W）；
N—— 信道内白噪声功率（ W）；
若要提高信道传输能力，应从增加信号功率、降低干扰强度和充分利用信道频带着手。
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对于大部分通信系统来说,一般要求误码率在 10-5
至 10-9之间,而计算机之间的数据传输则要求误码率低于 10-9。
3．误码率 —— 二进制码元在传输系统中被传错的概率。
误码率 Pc为的定义式为：
N
NP c
c?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数，
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是把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段,每条小频段为一条子信道,相邻频段之间留有一空闲频段,以保证数据在各自频段上可靠地传输 。
七、多路复用技术即把多路信号在一条信道上进行传输，以提高传输效率。常用的多路复用技术有：
1．频分多路复用（ FDM） 技术是把信道的传输时间分割成许多时间段 。 当有多路信号准备传输时,每路信号占用一个指定的时间段,在此时间段内,该路信号占用整个信道进行传输,如图所示：
2．时分多路复用（ TDM） 技术
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图中表示了在一条信道上分四个时间段分别传送四路信号。为了在接收端能够对复合信号进行正确的分离，接收端与发送端的时序必须严格同步，否则将造成信号间的混淆。
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自同步方式对应的传输方式称 同步通信方式 。
八、同步技术是指接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据，即收、发端的动作在时间上取得一致。
位同步接收端产生与发送信号位同频、
且保持一固定相位差的时钟脉冲序列，对信号的每一位进行取样（通常在每一位的中间时刻进行），以正确识别出信号的每一位。这种收发之间的同步称为位同步。
帧同步 （字符同步）
接收端产生与每个字符起始时刻相一致的定时脉冲序列，以识别在一连串的位流中每一个字符的起始时间，从而按规定的编码格式将每个字符分离出来。这种收发之间的同步称为帧同步。
如何确定字符的第一位是帧同步问题的关键所在。常用的帧同步方式有：
起停同步方式对应的传输方式称 异步通信方式 ；
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第二节 通信网络通信网络,是将地理位臵不同,并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来,以功能完善的网络软件实现数据传输及资源共享的系统 。
通常,处于网络中的每个单元称为 站 或 节点
（ 统称 站点 ） 。 根据网络中站与站之间的距离远近,通信网络可分为三大类：
一、通信网络的概念
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这是一种通过计算机内部总线实现站与站之间通信的网络 。 如具有多处理器的现场控制单元内部,采用的就是这类网络 。
1、紧耦合网络 (又称多处理器系统 )
2,局域网络
（ Local Area Network简称 LAN,又称局部网络）
这是一种 利用双绞线（或 同轴电缆或光缆）实现站间连接的 网络,站与站之间的距离在几公里范围之内。目前电厂分散控制系统，皆采用局域网络。
这是一种 利用光缆,电 话线或无线信道实现站间连接的网络,网络覆盖的地理范围一般在几公里以上乃至全球 。
3,广域网络
（ Wide Area Network简称 WAN,又称远程网络）
本节将重点介绍局域网络的基本知识
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二、工业控制局域网络的特点与一般的商用局域网络（邮电通信网络、办公自动化网络等）不同，工业控制局域网具有自己突出的特点，主要体现在以下几个方面：
1．具有快速实时响应能力能及时地传输现场过程信息和操作管理信息，网络的响应时间一般在 0.01~0.5秒以内，高优先级信息的存取时间不超过 10毫秒。
2．具有恶劣环境的适应性工业局域网采取了各种技术措施（如光电隔离技术、整形滤波技术、信号调制解调技术等），能克服如：电源、电磁、雷击、地电位差等各种干扰的影响。保证通信系统在恶劣的环境下正常工作。
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一般而言,火电厂的网络系统可分为三层,即现场总路线,车间级网络和工厂级网络 。 这是一种以不同层次的网络适应不同的应用需求的分层网络结构 。 使系统内的信息交换区域和网络上的信息流量等更具合理性 。
3．具有极高的可靠性通常，除采取各种有效的信号处理和传输技术，使通信误码率最大限度降低外，还采用了双网冗余方式，进一步提高局域网运行的可靠性。
4．具有合理的分层网络结构网络的拓朴 （ Topology） 结构是指网络中各站 （ 或节点 ） 之间相互连接的方式 。 局域网络常见的拓朴结构有：
三、局域网络的拓朴结构
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（ a） 星形
（ e） 总线形
（ b） 环形
（ d） 网形
（ c） 树形
S1,S2,…,Sn为站；
N,N1,…,Nn为节点
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各种拓朴结构都具有自己的 特点 （详见教材）
这是因为：这两种网络拓朴结构既可通过采用冗余通道提高网络的可靠性,又保持了网络结构的简单性,故应用广泛 。
除上述的几种网络拓朴结构外，还存在其它形式的网络结构，但它们都是在以上基本结构的基础上派生出来的。
目前，在分散控制系统中应用最多的网络为总线结构和
（或）环形结构两种。例如：
INFI-90系统采用的是环形网络；
WDPF系统采用的是总线网络；
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在研究 DCS的网络时,除考虑网络拓朴结构的选择外,采用与之相适应的信息送取控制方式也是十分重要的 。 通信网络上各站之间的信息迅速无误地传递,关键在于选用合适的网络信息送取控制方式 。
四、网络控制方式常用的控制方式大致可分为三类：
存储转发方式。
查询方式广播方式
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适用于有主节点的 星形 网络控制,网络中的主节点就是一个网络控制器 。 网络控制器按照一定次序向网络上的每一个站发送是否要通信的询问信息,被询问站作出应答 。 如果被询问站不需要发送信息,网络控制器就转向下一个站询问,
如果被询问站需要发送信息,网络控制器便控制该站的通信 。
当网络中同时有多个站要发送信息时,网络控制器则根据各站的优先级别,安排发送顺序 。
由于不发送信息的站基本上不占用时间,所以查询方式比普通分时方式的通信效率高,而且查询方式具有无冲突,
软件设计比较简单的优点；但查询方式的信息交换都必须经过网络控制器,所以通信速度较慢,可靠性较差 。
（一）查询方式
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（二）广播方式是一类在同一时间内网络上只有一个节点发送信息而其它节点处于收听信息状态的网络控制方式。
广播式通讯控制技术不需要网络控制器，参加网络通讯的所有站点都处于平等地位。但各站点为抢占信道会产生冲突，因此，解决信道冲突、保证任一时刻只由一个站点收发信息，是广播方式中的一个重要问题。
广播方式有三种形式：
令牌传送方式自由竞争方式时间分槽方式应用最为普通，进一步说明
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令牌是由一组特定的二进制码构成的信息段,他有空,
忙两个状态 。 当网络开始运行时,由一个被指定的站点产生一个空闲令牌,且按某种逻辑排序将令牌依次通过网上的每一个站点,只有得到令牌的站点才有权控制和使用网络,即有权向网上发送信息；此时其它各站点只能接收信息 。
1．令牌传送（ Token Passing） 方式任何一个需要发送信息的站点得到空令牌后，首先将其置为忙状态，并置入发送信息、源站点名、目的站点名，然后将此令牌送上网络，传输给下一个站点，该令牌依次通过所有站点循环到发送信息的源站点时，发送的信息已被目的站点取走，此时发送站点再把令牌置为空闲状态向下传输，
以便其它站点占用。
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可见，在令牌传送方式的网络中，不存在控制站（器），
各站点之间也无主从关系存在，而且能解决信道的冲突问题。
令牌传输过程中，任何站点若：
已发送（接收）完信息无信息发送（接收）
持有令牌时间到将自动把令牌下传。
令牌传送技术要求通信系统形成环路,故它特别适用于环形网络,对于不具有物理环路的总线网络,只要在初始化时,按有序序列指定各站的逻辑位置 （ 次序 ）,在总线上形成一个逻辑环路,同样可采用令牌传送技术 。
令牌传送方式的传送效率高，信息的吞吐量大。但令牌丢人是其主要问题，如果令牌丢失，需由监视站点向网络注入一个新的令牌。
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自由竞争方式不受时间和站点顺序的限制,网络上每个站点在任何时候都可以向外发送信息 。 它以,先听后讲,
边讲边听,冲突后退,再试重发,的规约,尽量避免和及时处理冲突问题 。
２．自由竞争方式目前，应用最为广泛的自由竞争方式采用的是具有载波监听、多路访问／碰撞检测（ Carrier Sense Multiple Access
With Collision Detection简称 CSMA/CD） 技术。
CSMA/CD允许共享一条传输线的多个站点随机访问传输线路。
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2009-7-28 41
CSMA/CD的控制策略是：竞争发送，广播式传输、
载波监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。 CSMA/CD
在通信管理和软硬件上都比较简单，且允许各站平等竞争，
多用于总线形网络；其缺点是每一站点发送信息的时间间隔没有确切保证，距离加长时，发送信息的效率明显下降，
因此只能用于低速轻载的网络。
令牌传送具有良好的实时性，尤其适用于工业控制局域网络之中。
CSMA/CD的实时性比令牌传送差。多用于办公自动化和管理局域网络之中。
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2009-7-28 42
存储转发方式也称环形扩展 （ Ring Expansion）
式 。 其工作过程为：
（三）存储转发方式一个站点发送信息，到达它相邻的站点，后者将传送来的信息存储起来，等到自己的信息发送完毕后，再转发这个信息，直到将此信息送到目的站点。目的站点检查此信息，如没有发现错误，就在信息帧的后面加上确认，然后又将信息帧放回环路中，直到信息返回到源站点。源站点对信息帧进行检查，若发现是确认码则将此信息清除，
准备发送下一条信息，如发现信息帧后带的是否认码，则源站点触发重发逻辑，重新发送此信息。
存储转发方式的主要优点是在同一时间内，可支持网络中多个站点发送信息，网络利用率较高、且结构简单，
信息的延时少。不足之处是硬件软件都比较复杂。
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通信网络使用的信息交换技术通常有三种：
五、网络的信息交换技术是指通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送,当传送周期结束后,立即,拆除,专用线路 。
１．线路交换（ Circuit Switching）
例如，在图示网络中：
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站 S1要把信息传送给站
S3,有多条路径，如：
N1→N 2→N 3
或 N1→N 4→N 3等。
首先是 S1向 N1申请与 S3通信，
按照路径算法（路径短、等待时间短等）,N1选择 N4为下一个节点,N4再选择 N3为下一个节点，这样 S1经节点
N1→N 4→N 3与 S3建立一条专用的物理线路，然后再由 S1
向 S3传送信息。传送结束便
“拆除”专用的 N1→N 4→N 3
线路，释放所占用的资源。
特点：信息传送的实时性好，
各节点延时小，但一旦两站连接建立起来，即使没有数据传送，其它站也不能使用线路上的任何节点，故线路的利用率较低。
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这种信息交换方法是：在发送站将发往目的站的信息分割成一份份报文正文,并在报文正文前加上报头 （ 由发送地址,目的地址和其它辅助信息组成 ）,在报文正文后面加上报尾 （ 报文的结束标志 ）,然后把报文交给节点传送 。 整个报文传送由报头控制,传送中节点接收整个报文并予暂存,然后发送到下一个节点,直至目的站 。
2．报文交换（ Message Switching）
例如，在图示网络中：
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S1要发报文给 S3,首先是 S1把报头和报尾附加在报文正文上，再把整个报文交给节点 N1,N1存储该报文，
并决定将报文传给下一个节点 N4,若 N4忙,N1 →N 4的报文需排队等待，只有当这段线路可用时，再将报文发送到 N4； N4继续仿照上述过程，把报文发送到 N3,最后由 S3接收。目的站将收到的各份报文，按原来的顺序装配成完整的信息。
特点：允许多个报文分时共享同一线路，其线路的利用率高；而且只要在报文上附上有关目的站的站名，可以把一个报文发送给多个目的站。但是报文要在节点上排队等待，使传输时间延长。
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也叫分组交换,它将一个较长报文分解成若干个较短的报文段,这些报文段称之为,包,
或,报文分组,,每个包上附加必要的传送控制信息,并按规定的格式排列,以一个组合的整体作为一个信息交换单位 。
3．包交换（ Packet Switching）
如图所示。
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M 1 T S M 1 P1 PΣ T S ******** 校验 …… M 1 P n PΣ T S ******** 校验 校验报文号目的站源站报文号报文段号报文段总数目的站源站正文
1
包校验
…… 报文号报文段号报文段总数目的站源站正文
n
包校验报文校验总控制信息 分控制信息 分控制信息第一段报文 第一段报文包交换与报文交换的不同之处是以包为基本单位进行传送的 。 这些包可经不同路径分别传送到目的站后,再拼装成一个完整的报文 。
特点：综合了线路交换和报文交换的优点，既具有良好的实时性，又具有较高的线路利用率和传输效率。
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由于来自信道内部或外部的干扰与噪声的影响,
在数字信号的传输过程中将不可避免地引起信息的传输错误,即产生传输差错 。 根据差错的特征,可分为以下两种差错类型：
第三节 差错控制技术一、差错及其类型随机差错突发差错
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1．随机差错 —— 主要是由传输介质或放大电路中电子热运动产生的白噪声所引起的。随机差错的特征是随机的、
独立的，即二进制数据的某一位（码元）出错与它前后的位（码元）是否出错无关。
2．突发差错 —— 主要是由外界的冲击噪声所致，冲击噪声的持续时间可能相当长，幅度可能相当大，可以影响相邻的多位数据。突发差错的特征是成片出现，即二进制数据的某一位出错受到前后位的影响。
在实际传输线路中,出现的差错往往是随机差错和突发差错的综合 。 但由于一般信道中保证了相当大的信噪比
（ 信号功率 /噪声功率 ）,使白噪声幅值减小以及引起的随机差错减少,因而突发差错占主导地位 。
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传输的可靠性与传输速度密切相关 。 传输速度越快,每个码元所占用的时间越短,其波形越窄,
它所含有的能量就越少,抗干扰能力就越差,可靠性就越低 。
通常传输的可靠性指标用误码率来表示,即：
二、传输的可靠性
N
NP c
c?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数，
误码率是衡量通信信道质量的一个重要参数。
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国际电工委员会系统研究分会（ IEC SC65A） 曾建议，
每一千个运行年只允许有一个码元出错，这相当于传输速度为 1M bit/s的通信系统，误码率应低于 3?10-15。
三、降低误码率的措施降低通信系统的误码率，提高数据传输的准确度，保证传输质量的措施有两种：
对于传输速度为 600~4800bit/s的通信系统，一般要求误码率低于 10-9，
而对于工业过程控制中应用的 DCS,由于其实际传输速度更高，可靠性和数据完整性的要求也更高，其误码率要求就更低。
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2,在误码率不够理想的情况下,由接收端检验误码,然后设法纠正误码 。 这种措施即为,差错控制技术,,是降低误码率常采用的措施 。
1．通过改善通信网络及各站的电气性能和机械性能，来降低误码率。但这种措施是有一定限度的，
往往受到经济上和技术上的制约。过于苛求的网络性能改善措施，必然导致各站的结构复杂化。
在差错控制技术中，包含了两个基本技术内容，
即 误码检验 和 误码纠正 。下面分别介绍几种常见的检验和纠错的技术方法。
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是一种以字符为单位的校验方法 。 这种校验方法首先将所要传输的信息按字符进行分组,并在每组 （ 每个字符 ）
信息前面加上一个奇偶校验位 （ 冗余码 ） 构成 码字 。
奇偶校验位可以是 0或 1,其作用是保证码字中为,1”
的个数为奇数 （ 或偶数 ） 。
若码字中为,1” 的个数为奇数,该码字称为,奇校验码,；
若码字中为,1” 的个数为偶数,该码字称为,偶校验码,。
四、误码检验最常用,奇偶校验 和 循环冗余校验 两种方法。
（一）奇偶校验（ Parity Check）
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例如：字符,R” 的 ASCII码为 1010010，为使其传输时具有检错能力，应在该字符的七位信息码前加上一个校验位。
R信息码前加一个为,0”的校验位，构成码字
01010010（ R的奇校验码）；
R信息码前加一个为,1”的校验位，构成码字
11010010（ R的偶校验码）。
发送端 按照上述奇（偶）校验码编码后，以字节（ b0~b7） 为单位发送； 接收端 则对收到的每个字节进行奇（偶）校验。其校验规则为：
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若发送端发出的字节为奇校验码,接收端收到的字节经校验满足 奇校验规则,则传输正确,
否则传输错误；
若发送端发出的字节为偶校验码,接收端收到的字节经校验满足 偶校验规则,则传输正确,
否则传输错误 。
奇校验,1
7
6
0 bbii
偶校验：
076 0 bbii
bi为字符的位；
b7为校验位（冗余位），
其中加法运算采用模 2加规则，
式中：
即,0+0=0,0+1=1,1+1=0
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实际应用中，奇偶校验又分垂直、水平、方阵三种校验方法。
设有一组字符 A?J,其 ASCII代码的垂直奇偶校验编码如表所示 。
1、垂直奇偶校验字符位
A B C D E F G H I J
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1
垂直奇偶校验是对一组字符中的每一个字符 （ 表中的列 ）
分别进行奇偶校验,其方法如前所述 。
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应该说明的是：在垂直奇偶校验中,若传输的一个字节有 1位 （ 或 3位 … ） 出现差错可以检查出来,而有 2位 （ 或
4位 … ） 出现差错是不能检查出来的,即垂直奇偶校验只能检查出奇数个差错 。
同样设一组字符 A?J,其 ASCII代码的水平奇偶校验编码如表所示：
2、水平奇偶校验
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b
S 字符位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
水平奇偶校验是对一组字符中各字符相同的位 （ 表中的行 ） 分别进行奇偶校验 。
这种校验方法在传输数据过程中,是按列的次序进行的,
而在接收端,是对收到的一组字符进行水平奇偶检查 。
优点：
1,可以检查出字符组内各字符相同位上的奇数个差错,
2,能发现长度小于或等于 i（ 每列码元总数 ） 的突发差错,
缺点：编 /译码电路比较复杂 。
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方阵奇偶校验是上述垂直,水平奇偶校验的综合 。 仍设一组字符 A?J,其 ASCII代码的方阵奇偶校验编码如表所示 。
3、方阵奇偶校验
bs 字符位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1
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方阵奇偶校验是先对字符组中每一个字符 A?J（ 表中的列）分别进行奇偶校验，形成垂直奇（偶）校验码；然后对字符组中各字符相同位 b0,……,b7(表中的行 )分别进行奇偶校验，形成水平奇（偶）校验码。
特点,方法较严密，查错能力较强； 编 /译码电路复杂，编码率相对较低。
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设需发送的信息为二进制信息码,信息码的字长为 K位,
则 K位信息码有 2K个组合；若在信息码后按照某种规则附加 r
位冗余码,可构成字长为 K+r=n位的 码字,n位码字会有 2n个组合 。
(二 )循环冗余校验
（ Cyclic Redundancy Check简称 CRC）
—— 是应用最为广泛，纠错能力很强的一种误码检验方法。
循环冗余校验采用的编码方式如下：
在 2n个码字中存在着 2k个不同的码字集合，这个集合称为：,分组码,（ n,k）。
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若附加冗余码的规则是：冗余码中的每一位都是由 K个信息码中某几位线性模 2加。则由此所得的分组码称为：,线性分组码,。
以下通过一例子予以说明。
设信息码的字长为 K=3,则 3位字长的信息码会有 23=8个，
若在信息码后附加 r=4位的冗余码，即构成字长为 n=k+r=7位的码字，而 7位字长的码字会有 27=128个。在这 128个码字中，
只有 8个不同码字的集合形成分组码。
如果将信息码和冗余码按位作如下排列：
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43421
信息码
456 bbb 44 344 21
冗余码
0123 bbbb
（模 2加表达式）
450
561
4562
463
bbb
bbb
bbbb
bbb
确定冗余码，可编出下表所示的码字，
码 字信 息 码 冗 余 码
b
6
b
5
b
4
b
3
b
2
b
1
b
0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 0 1
0 1 0 0 1 1 1
0 1 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 1 0
1 0 1 0 0 1 1
1 1 0 1 0 0 1
1 1 1 0 1 0 0
表中 8个不同的 7位码字即为 线性分组码 。
由表可知,在第 2?8行中，
任何一个码字都可以由另一个码字循环右移一位或 i
位得到,由此特性有如下定义 。
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循环码的定义：
设有一个（ n,k） 线性分组码 C,若其中一个码字为：
V=（ bn-1,bn-2,bn-3……b 0）
将 V循环右移 1位所得的码字：
),,,,( 1210)1( bbbbV nn
将 V循环右移 i位所得的码字：
),,,,,,( 2121)( inniii bbbbbV
是 C的一个码字仍是 C的一个码字那么，该线性分组码 C为循环码。
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码多项式的运算规则是：
乘法运算与一般多项式相同,
加,减法运算遵循模 2加运算规则 。
例如,对于 V=（ bn-1,bn-2,bn-3…… b0） 表示的码字，
码多项式为：
02211)( bxbxbxV nnnn
每一个码字都有一个 ≤ （ n-1） 次的码多项式与之对应。
通常，为了研究问题的方便，以码字中的每一位作为系数构成一个,码多项式,。
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且循环码 C中的每一个码多项式 V(x)都是 g(x)的倍式 。 即每一个小于或等于 (n-1)次的多项式,若为
g(x)的倍式,则它们必定是码多项式 V(x)。
[定理 ]
在一个 (n,k)循环码 C中，唯一存在一个阶次最低 (n-k次 )的非零码多项式：
1)( 111 xgxgxxg knknkn?
g(x)通常称为,生成多项式,,其阶次等于冗余码位数。
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可见：
一个信息的编码,等价于把信息多项式 m(x)
和生成多项式 g(x)相乘 。
定理表明：
在 (n,k)循环码中，每个码多项式都可表示为：
)()()( xgxmxV
其中：
012211)( mxmxmxmxm kkkk
称为,信息多项式,
系数 mk-1,……,m0分别为信息码的各位的值。
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例,设需编码的信息码为 101（ k=3）,则该信息的对应的信息多项式为 m(x)=x2+1； 若冗余码位数 r=4,生成多项式为 g(x)=x4+x3+x2+1,求（ 7,3）循环码。
解,根据 有码多项式,)()()( xgxmxV
1
1
)1)(1()()()(
356
2342456
2342
xxx
xxxxxxx
xxxxxgxmxV
上式对应的码字为 V=（ 1,1,0,1,0,0,1）,故所求的（ 7,3）循环码为 1101001。
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分析上例循环码的排列结构,信息码 101位于冗余码之间 。
凡前端不是 K位信息码的码字，称为,非系统循环码,；
而前端为 K位信息码，随后为 r位冗余码的码字，称为
,系统循环码,。而在分散控制系统中，大都采用系统循环码进行检错。
将,信息多项式,乘以 xn-k,可得：
系统循环码的编码方法如下：
)()()(
)( 0112211
xrxgxp
xmxmxmxmxmx knknnknkkn
式中,p(x)和 r(x)分别为 xn-k?m(x)除以 g(x)的商式和余式。
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由于 g(x)的阶次 r=n-k,则 r(x)的阶次必小于或等于 (n-k-1)；
即：
012211)( rxrxrxrxr knkn
则有：
01
2
2
1
1
0
1
1
2
2
1
1
)()()()(
rxrxrxr
xmxmxmxm
xrxmxxgxp
kn
kn
knknn
k
n
k
kn
上式表明,
)()( xrxmx kn
是 g(x)的倍式，且阶次小于等于 (n-1)，
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依据前述定理,为一个码多项式，
它对应的码字由上式有：
)()( xrxmx kn
),,,,,,( 011021 rrrmmm knkk
该码字是由前端为 K位信息码，随后附加 r位冗余码所构成，故该码字为 系统码,而与该码字一一对应的循环码为 系统循环码 。
利用长除法，求,有：
例,求上例中的系统循环码。
解,已知,1)( 234 xxxxg
7 rkn
,1)( 2 xxm
则,4624 )1()()( xxxxxmxxmx rkn
)(/)( 46 xgxx?
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1
1
1
1
234
234
345
25
2456
46234
2
x
xxx
xxxx
xxxx
xx
xxxx
xxxxx
xx
由此获得余式 r=x+1,则可求得码多项式为：
1)()( 46 xxxxrxmx kn
对应的码字为：
（ 1,0,1,0,0,1,1），
所求的系统循环码为 1010011。
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码字,k+r=n位,2n =2(k+r)个有 2k个 分组码 (不同的码字集合 )
其中冗余码中的各位皆是 K个信息码中某几位线性模 2加。
则为 线性分组码 C
C中一码字循环右移 i位也是 C中一码字则为 循环码 C
信息码,k位冗余码,r位信息多项式由 码多项式 V=g(x)m(x)决定系统循环码非系统循环码由 码多项式 xn-km(x)+r(x)决定生成多项式 xn-km(x)/g(x)的余式
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发送端按照 系统循环码 的编码方法，发送可以被 g(x)
除尽的码多项式对应的码字（先发送码字中的信息码，后发送冗余码）。接收端设有检验电路，它用来接收码字，
并判别收到的码字是否能被 g(x)整除。如果可以被整除，
则认为传输正确，此时接收端向发送端作出肯定应答，通知发送下一个新的数据信息；如果收到的码字不能被 g(x)
整除，则认为传输过程发生差错，此时接收端向发送端作出否定应答，要求重新发送一次该码字。
循环冗余校验是基于系统循环码的误码检验方法。
其基本原理是：
利用 g(x)生成的循环码，其检错能力很强，它与方阵码相比，误码率至少低于 1~3个数量级。特别是它可以发现所有小于或等于 (n-k)位的突发差错。
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另外，循环冗余校验的编码和检错，都是通过位移寄存器、触发器等硬件予以实现的，现已制成各种适应不同生成多项式的专用集成电路芯片供选用，使得编码和检错电路的实现更为简单方便。
发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端收到信息码后根据该码的编码规则，判断传输过程是否产生误码，并把判断结果反馈给发送端。如果没有误码，接收端输出正确数据，并通知发送端发送下一个新数据信息；如果有误码产生，接收端对该数据信息不予输出，并通知发送端重新发送该信息，直至接收端认为正确为止。
五、纠错方式在数据信息传输中，实际应用的纠错方式最常用的有以下三种：
1．重发纠错方式：
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发送端发送既能检错又能纠错的信息码 （ 如循环码 ）,
接收端收到信息码后,通过译码不仅能发现传输差错,而且能自动地确定误码位臵并予以纠正,保证接收端输出正确的信息 。
2．自动纠错方式是上述两种纠错方式的综合 。 发送端发送的信息码不仅具有发现误码的能力,而且还具有一定的纠错能力 。 接收端收到该信息码后,首先检错,然后纠错,如果误码较多,超过了自动纠错的能力范围,则接收端通过反馈信道要求发送端重发信息,直到正确为止 。
3．混合纠错方式
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在计算机通信网络中，对所有的站点来说，
它们都要共享网络中的资源。但由于挂接在网上的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同的生产厂家，型号也不尽相同，它们在硬件及其软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。
因此，需要有一套所有,成员,共同遵守的,约定,,以便实现彼此的通信和资源共享。这种约定称为,网络协议,。
第四节 网络协议
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为了便于实现网络的标准化，国际上一些标准化组织已在工业控制局域网络协议的标准化方面做了大量地工作。
本节扼要介绍目前较有影响的协议结构框架和有关协议标准 。
国际标准化组织 （ ISO） 于 1977年成立了一个研究通信任务体系结构的分委员会,针对网络通信在功能上的层次,提出了开放系统互连 （ Open System
Interconnection 简称 OSI） 参考模型,从而定义了任何计算机互连时通信任务的结构框架 。
一、协议层次参考模型如图所示。
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OSI参考模型层次分明，每一层都具有相对独立的功能来完成一块通信子任务，并且下层为上层提供服务，各层之间的相互依赖关系确定。这使得通信系统的设计、实现、修改和扩充更为规范化、便利化。
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首先，站 S1将数据传送到 应用层 （第 7层），并将一个标题 H7添加到该数据上，标题 H7包含了第 7层协议所需的信息，
这样做称为 数据封装 。
然后，原始数据加上标题 H7作为一个整体，下传到 表达层 （第 6层），第 6层将整个单元加上自己的标题 H6,标题 H6
包含了第 6层协议所需的信息，从而对数据进行第 2次封装,…… ……,一直继续到 链路层 （第 2层）。
链路层 通常同时添加标题 H2和标尾 T2,标尾中包含了用于差错检测的帧检验序列（ FCS）。 由第 2层构成的这个整体单元，称为 一帧数据 。它通过 物理层 （第 1层）向外发送。
OSI参考模型数据通信的基本原理：
设站 S1向站 S2发送一批数据（或报文）。
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同样，站 S2向站 S1的通信，工作过程也是如此。
目的站 S2收到一帧数据时，接收过程从 物理层 开始逐层上升。每一层都将其最外面的标题和标尾剥除（卸装），并根据包含在标题中的协议信息进行动作，然后把剩余的部分传送到上一层。直到 应用层 剥掉标题 H7,目的站 S2即可得到所需的数据。至此，站 S1向站 S2的通信结束。
1,物理层 （ Physical）
提供通信设备的电气,特性,功能,过程等特性,以便建立,维持和折除物理连接 （ 例如,信号的表示方法,传送方向,所采用的编码,传输速率,以及通信介质和连接件的规格及使用规则 ） 。 负责在物理线路上传输数据的位流 (比特流 ),为链路层服务 。
OSI参考模型各层的基本作用：
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2,链路层 （ Data Link）
用以建立相邻节点之间的数据链路,确立链路使用权的分配,负责将被传送的数据按帧结构格式化,传送数据帧,
进行差错控制,介质方向控制,以及物理层的管理 。
3,网络层 （ Network）
用于传输信息包或报文分组,向上一层的传输层提供传输类型服务,负责通信网络中路径的选择和拥挤控制 。
4,传输层 （ Transport）
用于建立不同节点间的通信信道,提供数据交换的可靠机制,完成信息确认,误码检测,错误恢复,优先级调度,
信息流的控制,确保数据无差错,不丢失,不重复,按次序地传送 。 向会话层提供所要求的传送服务及其质量 。
传输层是用户与通信设施间的联系者 。
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5,会话层 （ Session）
用于建立和管理进程 （ 程序为某个数据集合进行的一次执行过程 ） 之间的连接,为进程之间提供对话服务,管理它们的数据交换,处理某些同步与恢复问题 。 会话层完成的主要通信管理和同步功能是针对用户的 。
6,表达层 （ Presentation）
用于向应用程序和终端管理程序提供一批数据变换服务,
实现不同信息格式和编码之间的转换,以便处理数据加密,
信息压缩,数据兼容以及信息表达等问题 。 通常提供数据翻译 （ 编码和字符集的转换 ）,格式化 （ 修改数据的格式 ）,
语法选择 （ 对所用变换的初始选择和随后的修改 ） 等服务项目 。
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7,应用层 （ Application）
该层为用户应用程序提供访问 OSI环境的服务 (如,通信服务,虚拟终端服务,网络文件传送,网络设备管理等 )，
该层具有相应的管理功能,支持分布应用的通用机制,解决数据传输完整性或收 /发设备的速度匹配等问题 。
应用层、表达层、会话层 —— 与应用有关，
传输层、网络层 —— 主要负责系统的互连，
链路层、物理层 —— 定义了实现通信的技术。 实际选用最多的。
统称为高层。按需选用。
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应当指出,开放系统互连（ OSI） 参考模型，并非是协议标准，它仅仅是为协议标准提供了一个宏观的开放系统互连的概念和一种主体结构（协议层次），
供制定各种协议标准参考。一般的过程控制局域网协议都是在 OSI参考模型的基础上建立起来的。
各层的协议参见教材。
电气与电子工程师协会 （ IEEE） 1980年 2月成立了一个名为 802课题组 （ IEEE Standards Project
802）,于 1981年底提出了 IEEE802局域网标准 。 该标准目前在国际上已获得广泛的认可与应用 。
二,IEEE802局域网标准
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其中,LLC和 MAC相当于 OSI参考模型的链路层 。
1,IEEE802标准的层次
IEEE802标准对应于 ISO参考模型的第 1,2层，其功能基本上由相应的集成电路芯片来实现；而高层与 OSI参考模型保持兼容，其功能由软件来实现，它提供两站之间的端 -端服务。
IEEE802提供的功能是局域网所应完成的最小的通信功能。
该标准规定了三个层次的内容，如图 5-29所示。
OSI参考模型应用层表达层会话层传输层网络层 IEEE802局域网标准逻辑链路控制层 （ LLC）链路层介质存取 （访问）控制层 （ MAC）
物理层 物理层 （ PS）
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IEEE802标准的结构如图所示 。
2,IEEE802标准的结构高层 802.1网络互连
802.2逻辑链路控制层 （ LLC）
介质存取 （访问）控制层 （ MAC）链路层
802.3 CSMA/CD
存取控制
802.4 令牌总线存取控制
802.5 令牌环存取控制物理层 802.3物理规范 802.4物理规范 802.5物理规范
802.1
体系结构
IEEE802的体系结构标准，为网络的管理，故障、性能、节点分析，节点存取控制和网络帐户规定了一组通信系统工具。
定义了整个管理结构和到较高层次的接口。
为网络上两个节点间的信息传送规定了同等层之间的通信协议。
支持数据链路功能、数据流控制、
命令解释及产生响应。 LLC为高层服务，向上提供高层接口。
适用于总线形网络，其控制策略是竞争发送、广播式传输、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。
适用于总线形网络，
总线上的所有站形成一个逻辑环，
适用于环形网络，
令牌在环网上循环，
规定通信介质的种类和网络拓朴结构。对数据位流进行编码或解码
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IEEE802建议的帧结构如图所示：
3,IEEE802推荐的帧结构
AC DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ a ） 令牌存取控制填充位 DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ b ） C S M A / C D 控制
AC表示存取控制，
DA表示目的地址，
SA表示发送地址，
DSAP表示目的服务存取点标识符，
SSAP表示源服务存取点标识符，
C为控制字节，
FCS为帧校验。
图中：
详细说明见教材。
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制造自动化协议 （ Manufacturing Automation
Protocol 简称 MAP） 是 由 美 国 通 用 汽 车 公 司
（ General Motors 简称 GM） 于 1982年开始的一项研究计划 。
三、制造自动化协议（ MAP）
MAP的提出：在工业制造和过程控制领域使用了大量的自成体系的专利网络通信系统，这些系统虽然性能非常优良，但系统之间却互不相通，为了解决这种,自动化孤岛,现象,GM的 MAP工作组以 ISO的 OSI模型为基础，建立了一个适合于工业控制领域的网络互连分层协议 —— MAP。
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MAP只是提供给各种智能设备之间进行通信的一个规范，而不是一个新标准，它是从现有的文件和已执行的标准中，选择出所应共同遵循的标准。
事实上 MAP的每层协议分别采用的是 IEEE803.4、
ISO,MBS（ 美国国家标准局）的有关标准。
在 MAP的发展过程中,先后形成了宽带 MAP、
EPAMAP和 MiniMAP几种形式 。 如图所示 。
（一） MAP的几种形式
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它采用一种宽带主干道,下挂数控机,工业计算机和其它 MAP装置 。 宽带 MAP的实时性不强 。 主要解决主管级的通讯任务 。
1、宽带 MAP
是 MAP技术向过程工业发展而产生的 。 它是为了提高全 MAP的实时响应性能,取消了全
MAP中的一些中间层,只保留物理层,数据链路层和应用层,形成了三层 塌缩结构 。 它主要应用于控制设备间的通信 。
2,MiniMAP(小 MAP)
是一种全 MAP和 MiniMAP的折衷形式 。 它一边可以采用全 MAP； 另一边支持 MiniMAP,以适应有苛刻时间要求的控制任务 。 两边可互相通信 。
3,EPA MAP（ 增强性能结构 MAP）
这几种形式互不排斥，能连接起来，完成不同层次的网络通信任务。
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MAP提出后 历经诸多版本，终于 1987年稳定在 MAP3.0
版本上。 MAP3.0结构是基于 IEEE802协议的，其特点为：
（二） MAP3.0的结构特点数据链路层 也分为：
逻辑链路控制层（ LLC）
与 IEEE802.2逻辑链路层协议中的非应答无连接服务基本符合；
介质存取控制层（ MAC）
与 IEEE802.4令牌总线协议基本一致。
MAP帧采用了 48位地址结构。 可在单一局域网中容纳更多的节点，
可在多个互连的网络中为某个节点提供唯一的标识。
MAP的多层协议是在它的节点中实现的。
节点结构如图所示：
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用微处理器实现高层通信功能。
实现数据链路层、应用层的所有通信功能。
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目前,工业计算机控制系统采用的分层模型,以 NBS
（ 美国国家标准局 ） 模型最为普遍 。 NBS模型将工厂计算机控制系统划分为六个层次,用 MAP构成工业控制系统时,
NBS模型各层采用的协议如图所示 。
（三） MAP在工业领域的应用
每一层都具有限定的通讯要求和数据处理能力。
主管级采用与 MAP无关远程通信网络，多应用 TOP和 X.25协议，
装臵级上目前无标准化协议。
主管 （公司）级 T OP,X,2 5
工厂级 宽带 M A P
区域级 E P A M A P
单元 / 管理级 E P A M A P
设备级 M in i- M A P
装置级 专用网络协议
（ a ） N B S 分层模型 （ b ） M A P 网络
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下图说明了一个实际应用的 MAP系统。
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四、网络间的互连当多个网络系统具有共同的特性时,这些相容网络间的互连最为简单,只要在物理层采用重复器即可实现互连,
如图所示 。
1．采用重复器（ Repeater） 方式用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
重复器
物理层 A 物理层 物理层 B
网络 A 网络 B
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当相连网络具有相同逻辑链路控制协议,但采用不同的介质存取控制协议时,不能采用简单的重复器,而必须采用网桥实现网络互连,如图所示 。
2．采用网桥（ Bridge） 方式用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
网 桥
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
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当相连网络的逻辑链路控制协议都不相同时,不能采用重复器和网桥,必须采用网关实现网络互连,如图所示 。
3．采用网关（ Gatway） 方式用户 A 用户 B
应用层 A 网 关 应用层 B
表达层 A 表达层 A 表达层 B 表达层 B
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
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网关的功能：
是将一个网络协议层次上的报文,映射,为另一网络协议层次上的报文。
（ 1） 介质转换型,该类型网关是从一个子网中接收信息,
拆除封装,并产生一个新封装,然后将信息转发到另一个子网中去 。
（ 2） 协议转换型,该类型网关是将一个子网的协议转换为另一个子网的协议 。 对于语义不同的网,
这种转换还需先经过标准互连协议的处理 。
网关有两种类型：
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分散控制系统的 通信第五章
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所谓通信,就是指采用某种特定的方法,通过某种介质 （ 如传输线 ） 或渠道将信息从一处传送到另一处的过程 。 由此可见,通信的含义十分广泛,且对于不同的应用,不同的通信手段,将会有不同的通信形式与类型 。
第一节 数据通信一、通信的含义
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二、通信的类型存在两大类通信方式：非电通信和电通信。
其中电通信在工业过程中的应用极为普通，它可分为三种类型：
1．模拟通信,是以模拟信号传输信息的通信方式。
例如：在常规控制系统中采用的 0?10mA
或 4?20mA或 0?5V的模拟电信号。
2．数字通信,是将模似电信号转换为数字信号后，再进行传输的通信方式。
例如,A/D转换器与 CPU之间的信息传输。
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3．数据通信,是一种通过计算机或其它数字装置与通信线路相结合，实现对数据信息（ 具有一定编码、格式和位长要求的数字信息 ）的传输、转换、存储和处理的通信技术。
例如：计算机与计算机之间的交换信息都是数据信息。
数据通信与数字通信的不同之处是：
数字通信的信息源发出的是模拟信号；
数据通信的信息源发出的是数字信息。
数据通信是本章讨论的主题
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一个最基本的通信系统,是由信息源,发送装置 /接收装置,信道,通信控制部件,信息宿等部分组成,如图所示：
三、数据通信系统的组成：
信息源或信息宿信息源或信息宿通信控制部件通信控制部件收发装置或调制解调器收发装置或调制解调器通信控制部件是通信数据处理子系统，负责实现计算机内部代码与通信编码之间的转换，以及网络控制方式、同步方式、差错控制和通信软件的选择与执行。
信息源是将要被传输
(发送 )
的数据信息；
信息宿是通过传输已收到的数据信息；
信道是信息传输通道，它包括传输介质（线路）
和有关的中间通信设备,
收 /发装置（调制解调器）是一个以信息的发送、
收集、分配和转贮为目的的数据传输子系统，它只负责保证数据准确无误的传送，
不涉及对数据信息的加工处理；
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根据不同的分类方法加以说明 。
四、数据通信方式特点：线路投资省,传输速度比并行通信的速度慢 。
（一）按数据位的传送方式分，有：
1．并行通信方式,将一个二进制数据的所有位同时传送的方式，如图所示。
特点：传送速度快，线路成本高。
发 送 装 置接 收 装 置
1 0 0 1 0 1 0 0
2．串行通信方式,将一个二进制数据逐位顺序传送的方式，
如图所示。
发送装置接收装置
1 0 0 1 0 1 0 0
只适用于近距离的数据通信。
适用于长距离传送。
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（二）按信息的传送方向分，有：
发送装置 接收装置A B
发送装置 接收装置接收装置 发送装置A B
发送装置 接收装置接收装置 发送装置A B
2．半双工（ Half duplex） 通信方式,允许信息在两个方向上传输，但在同一时刻只限于一个方向的传输，如图所示。
3．全双工（ Full duplex） 通信方式 。允许信息同时在两个方向上进行传输，如图所示。
1,单工 （ Simplex） 通信方式,只允许信息沿一个方向
（ 而不能作反向 ） 传输 。 如图所示 。
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2,调制 /解调连接的通信方式,将计算机输出数据经并
/串转换后进行调制,然后在双芯传送线上发送；而接收端对收到的信息进行解调,然后经串 /并转换使数据复原,如图所示 。
（三）按连接方式分，有：
1．总线连接的通信方式,将两台计算机的总线通过缓冲转换器直接相连。如图所示。
计算机计算机计算机计算机通信控制调制解调通信控制调制解调
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计算机计算机
I/O
接口
I/O
接口
3．过程 I/O连接的通信方式,利用计算机的输入 /输出接口的功能传送数据的，如图所示。
计算机 计算机高速通道接口 高速通道接口
…………
高 速 数 据 通 道
4,高速数据通道连接的通信方式,采用二进制串行高速传送的方式,它在高速数据通信指挥器的控制下,对要通信的计算机内存进行直接存储器存取 （ Direct Memory Access
简称 DMA） 操作,实现数据通信,如图所示 。
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在数据信息的传输有两种基本形式：
五、数据传输原理在分散控制系统中，各功能站处理的信号均为二进制数据信息，这些由,0” 和,1”组成的数据信息，最普通且最简单的方法是用一系列电脉冲信号来表示。
具有固有频带且未经任何处理的原始电脉冲信号，称为,“基带信号”。
1、基带传输，即直接利用基带信号进行传输；
2、频带传输，即将基带信号用交流或脉冲信号调制后再传输。
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基带传输是数据传输中最基本的传输方式,其首要的问题是如何把数据信息用电信号表示出来 。
常见的几种基带信息表示方法如下：
（一）基带传输
1．基带信息的几种表示法
0 1 1 0 1 0 0 1 0数据
0时钟脉冲
K
0.5K
0
t
t
t
判决门限
（ 1）单极性波形 。 在一个码元（一位二进制符号）的时间内，数据,0”用零电位表示，
数据,1”用正电位表示。
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0 1 1 0 1 0 0 1 0数据
0时钟脉冲
K
K
0
-K
K
0.5K
0
t
t
t
t
判决门限判决门限
（ 2）双极性波形 。 在一个码元的时间内，数据,0”用负电位表示，数据,1”用正电位表示，且正、负电位的幅值相等。
（ 3）单极性归零波形 。 在发送数据,1”时，发送短于一个码元时间的电脉冲信号，其余时间内或发送数据,0”时，电信号幅值回到零。
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0 1 1 0 1 0 0 1 0数据
0时钟脉冲
K
0
-K
K
0
-K
t
t
t
t判决门限判决门限
（ 5） 交替双极性归零波形 。 在发送数据,0” 时,不发送脉冲,
而在发送数据,1” 时,采用极性交替的窄脉冲信号发送 。
（ 4）双极性归零波形 。 在发送数据,1”时，发送正脉冲信号；在发送数据,0”时，发送负脉冲信号，脉冲宽度小于一个码元时间，脉冲以外的时间无信号（信号幅值为零），
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它可表示一个周期性的基带信号,即在脉冲宽度期间表示数据,1”,而非脉冲期间表示数据
,0” 。
2．基带信号的频谱为了设计适用于数据信号的传输信道，必须掌握信号的频谱。分析周期信号的波形与频谱的对应关系，通常以数学中的傅里叶级数为工具。对于图示的周期性矩形脉冲波，
其中,周期为 T
脉冲宽度为 d
幅度为 A
利用傅里叶分析，图中随时间变化的脉冲波函数 U(t)可表达为：
U（ t）
A
t
-T 0 T/2 T
d d
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tnTnd TndS inTAdTAdtU
n
c o s/ )/(2)(
1
各次谐波的总和直流分量正比于 Tnd TndSin / )/(
所以频谱分量的轨迹是遵循 Tnd TndSin / )/( 包络线
Tnd
TndSin
/
)/(
的第一个零点发生在
n=T/d时刻，
相当于频带宽度为,dTnnfB f 1/
Tf
1? 为频率说明脉冲越窄，频带越宽。
图中，示出了 d=T/10的基带信号频谱。
Tnd TndSin / )/(
形包络线
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(1)基带信号传输,要求信道具有从直流到高频的频率特性 。 因此,在信息高速传输的 DCS中,不能采用常规的传输介质,而应采用具有很高通频带的同轴电缆或光缆 。
(2)基带传输是按照数字信号波形的原样进行传输的,
它不需要调制解调器,因而设备投资少,维护费用低 。 但信号传输距离有限,仅适用于较小范围的数据传输 。
对应用于火电厂的 DCS,可采用基带传输方式连接各个分散的功能站点 。
3．基带传输的特点任何一种传输装置在传输信号过程中，都具有能量损失，且各次傅里叶分量的损失是不相同的，这与传输介质的物理特性密切相关。
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目前,工程上采用的传输系统主要是模拟式传输系统,它在传输数字基带信号时会产生信号波形的失真现象 。 这种失真是由于传输线路上存在的电容,电感和电阻所致 。 失真的程度与信号传输速度,
传输距离等有关,传输距离越远,传输速度越快,
信号的失真越严重 。
（二）频带传输（调制与解调）
当然，数字基带信号可以采用数字式传输信道。
由于这种信道在每隔一定距离的位置装设一个中继器，它可对传送来的位信号进行整形、再生，以原来的强度和清晰度把位信号向下传送，因此可避免传输信号的失真。
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但模拟式传输系统和通信设备至今仍占一定统治地位。
在此情况下，数据信号在模拟传输系统上远距离传输时，
必须采用调制与解调手段。
所谓,调制,，是在发送端用基带脉冲信号对载波波形的某个参数（如振幅、频率、相位）进行控制，使其随基带脉冲的变化而变化，即把基带信号变换成适合于模拟传输系统传输的交流信号。
所谓,解调,,是在接收端将收到的调制信号进行与调制相反的转换，使之恢复到原来的基带脉冲信号。
具有调制和解调两种功能的装臵称之为调制解调器（或称 MODEM）。
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正弦波交流信号易于产生，并适合于模似式传输系统的传输。在利用高频正弦波传输数据信息时，
该正弦波称为,载波,。
未经调制的载波可表示为：
)2( ftA S inF
只要让参数 A,f,φ 中的任何一个随基带信号发生变化，它就可以携带基带信号，此时被传输的基带信号称为,调制波,。
式中,A为载波振幅，
f为载波频率，
φ 为载波相位。
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相位连续调频信号,如图中 （ b） 所示 。 这种调制是发送端只采用一个振荡器,
且用原始基带脉冲信号改变该振荡器的参数,使振荡频率发生变化 。
相位不连续调频信号,如图中 （ c） 所示 。 这种调制是发送端采用了两个振荡器 f1和 f2,由原始基带脉冲信号控制 f1和 f2输出的频率 。
常用的调制方式有三种：
（ 1）振幅调制 。 又称振幅键控 ASK（ Amplitude Shift Keying）。 即用原始基带脉冲信号控制载波的振幅变化，如图中（ a） 所示。
（ 2）频率调制 。 又称为频率键控 FSK(Frequency Shift Keying)。 即用原始基带脉冲信号控制载波的频率变化。频率调制所产生的调制波称为,调频信号,，频率调制可分为两种形式：
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绝对移相调相信号,如图中 （ d）
所示 。 这种调制是当原始基带信号为 1时,控制发送端移相器输出的调相信号为 Sinω 0t； 当原始基带信号为 0时,控制发送端移相器输出的调相信号为 Sin(ω 0t+?)。
相对移相调相信号,如图中 （ e）
所示 。 这种调制是当原始基带信号为 1时,控制发送端移相器输出的调相信号的相位,相对于前一信号相位移动?；当原始基带信号为 0时,控制发送端移相器输出的调相信号的相位不变 。
（ 3）相位调制 。 又称为相位键控 PSK（ Phase Shift Keying）。 即用原始基带脉冲信号控制载波的相位变化。相位调制所产生的调制波称为,调相信号,，它可分为两种形式：
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（ 1） 数据信号速率 。 在数据通信中,每一位二进制符号 （ 1
或 0） 为一个比特 （ 或称为 码元 ） 。 数据信号速率表示的是每一秒钟内传输数据信息的比特数,单位为 bit/s，
国际上用 bps表示 。 数据信号速率 S的定义为：
六、数据通信的技术指标
1．数据传输速率 —— 单位时间内传送的信息量。
数据传输中有三种速率：
)(lo g1 2
1
b p sNTS i
i
m
i?
m—— 并行传输的信道数；
Ti—— 第 i条信道传输的符号的最小单位时间（秒）；
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（ 2）调制速率 。 表示每秒钟内调制信号波的变换次数，单位为波特（ Bd）。 若用秒表示一个单位调制信号波的时间长度为 T,则调制速率为：
TB
1?
数据信号速率 S与调制速率 B之间的关系为：
iNBS 2l o g?
（ 3）数据传输速率 。 数据传输速率是单位时间内传送的信息量。信息量的单位可以是比特、字符、数据组等；
时间的单位可以是秒、分甚至小时等。
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通常用信息传输速率表示信息的传输能力,即单位时间内传输的信息量越大,信息的传输能力也就越大,表示信道容量大 。 信道容量 C用极限传输速率 （ 香农公式 ） 表示：
2．信道容量 —— 信道所具有的最大传输能力
)1(l o g 2 NSFC
F—— 信道带宽（ Hz）；
S—— 信道内传输的信号平均功率（ W）；
N—— 信道内白噪声功率（ W）；
若要提高信道传输能力，应从增加信号功率、降低干扰强度和充分利用信道频带着手。
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对于大部分通信系统来说,一般要求误码率在 10-5
至 10-9之间,而计算机之间的数据传输则要求误码率低于 10-9。
3．误码率 —— 二进制码元在传输系统中被传错的概率。
误码率 Pc为的定义式为：
N
NP c
c?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数，
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是把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段,每条小频段为一条子信道,相邻频段之间留有一空闲频段,以保证数据在各自频段上可靠地传输 。
七、多路复用技术即把多路信号在一条信道上进行传输，以提高传输效率。常用的多路复用技术有：
1．频分多路复用（ FDM） 技术是把信道的传输时间分割成许多时间段 。 当有多路信号准备传输时,每路信号占用一个指定的时间段,在此时间段内,该路信号占用整个信道进行传输,如图所示：
2．时分多路复用（ TDM） 技术
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图中表示了在一条信道上分四个时间段分别传送四路信号。为了在接收端能够对复合信号进行正确的分离，接收端与发送端的时序必须严格同步，否则将造成信号间的混淆。
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自同步方式对应的传输方式称 同步通信方式 。
八、同步技术是指接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据，即收、发端的动作在时间上取得一致。
位同步接收端产生与发送信号位同频、
且保持一固定相位差的时钟脉冲序列，对信号的每一位进行取样（通常在每一位的中间时刻进行），以正确识别出信号的每一位。这种收发之间的同步称为位同步。
帧同步 （字符同步）
接收端产生与每个字符起始时刻相一致的定时脉冲序列，以识别在一连串的位流中每一个字符的起始时间，从而按规定的编码格式将每个字符分离出来。这种收发之间的同步称为帧同步。
如何确定字符的第一位是帧同步问题的关键所在。常用的帧同步方式有：
起停同步方式对应的传输方式称 异步通信方式 ；
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第二节 通信网络通信网络,是将地理位臵不同,并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来,以功能完善的网络软件实现数据传输及资源共享的系统 。
通常,处于网络中的每个单元称为 站 或 节点
（ 统称 站点 ） 。 根据网络中站与站之间的距离远近,通信网络可分为三大类：
一、通信网络的概念
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这是一种通过计算机内部总线实现站与站之间通信的网络 。 如具有多处理器的现场控制单元内部,采用的就是这类网络 。
1、紧耦合网络 (又称多处理器系统 )
2,局域网络
（ Local Area Network简称 LAN,又称局部网络）
这是一种 利用双绞线（或 同轴电缆或光缆）实现站间连接的 网络,站与站之间的距离在几公里范围之内。目前电厂分散控制系统，皆采用局域网络。
这是一种 利用光缆,电 话线或无线信道实现站间连接的网络,网络覆盖的地理范围一般在几公里以上乃至全球 。
3,广域网络
（ Wide Area Network简称 WAN,又称远程网络）
本节将重点介绍局域网络的基本知识
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二、工业控制局域网络的特点与一般的商用局域网络（邮电通信网络、办公自动化网络等）不同，工业控制局域网具有自己突出的特点，主要体现在以下几个方面：
1．具有快速实时响应能力能及时地传输现场过程信息和操作管理信息，网络的响应时间一般在 0.01~0.5秒以内，高优先级信息的存取时间不超过 10毫秒。
2．具有恶劣环境的适应性工业局域网采取了各种技术措施（如光电隔离技术、整形滤波技术、信号调制解调技术等），能克服如：电源、电磁、雷击、地电位差等各种干扰的影响。保证通信系统在恶劣的环境下正常工作。
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一般而言,火电厂的网络系统可分为三层,即现场总路线,车间级网络和工厂级网络 。 这是一种以不同层次的网络适应不同的应用需求的分层网络结构 。 使系统内的信息交换区域和网络上的信息流量等更具合理性 。
3．具有极高的可靠性通常，除采取各种有效的信号处理和传输技术，使通信误码率最大限度降低外，还采用了双网冗余方式，进一步提高局域网运行的可靠性。
4．具有合理的分层网络结构网络的拓朴 （ Topology） 结构是指网络中各站 （ 或节点 ） 之间相互连接的方式 。 局域网络常见的拓朴结构有：
三、局域网络的拓朴结构
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（ a） 星形
（ e） 总线形
（ b） 环形
（ d） 网形
（ c） 树形
S1,S2,…,Sn为站；
N,N1,…,Nn为节点
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各种拓朴结构都具有自己的 特点 （详见教材）
这是因为：这两种网络拓朴结构既可通过采用冗余通道提高网络的可靠性,又保持了网络结构的简单性,故应用广泛 。
除上述的几种网络拓朴结构外，还存在其它形式的网络结构，但它们都是在以上基本结构的基础上派生出来的。
目前，在分散控制系统中应用最多的网络为总线结构和
（或）环形结构两种。例如：
INFI-90系统采用的是环形网络；
WDPF系统采用的是总线网络；
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在研究 DCS的网络时,除考虑网络拓朴结构的选择外,采用与之相适应的信息送取控制方式也是十分重要的 。 通信网络上各站之间的信息迅速无误地传递,关键在于选用合适的网络信息送取控制方式 。
四、网络控制方式常用的控制方式大致可分为三类：
存储转发方式。
查询方式广播方式
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适用于有主节点的 星形 网络控制,网络中的主节点就是一个网络控制器 。 网络控制器按照一定次序向网络上的每一个站发送是否要通信的询问信息,被询问站作出应答 。 如果被询问站不需要发送信息,网络控制器就转向下一个站询问,
如果被询问站需要发送信息,网络控制器便控制该站的通信 。
当网络中同时有多个站要发送信息时,网络控制器则根据各站的优先级别,安排发送顺序 。
由于不发送信息的站基本上不占用时间,所以查询方式比普通分时方式的通信效率高,而且查询方式具有无冲突,
软件设计比较简单的优点；但查询方式的信息交换都必须经过网络控制器,所以通信速度较慢,可靠性较差 。
（一）查询方式
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（二）广播方式是一类在同一时间内网络上只有一个节点发送信息而其它节点处于收听信息状态的网络控制方式。
广播式通讯控制技术不需要网络控制器，参加网络通讯的所有站点都处于平等地位。但各站点为抢占信道会产生冲突，因此，解决信道冲突、保证任一时刻只由一个站点收发信息，是广播方式中的一个重要问题。
广播方式有三种形式：
令牌传送方式自由竞争方式时间分槽方式应用最为普通，进一步说明
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令牌是由一组特定的二进制码构成的信息段,他有空,
忙两个状态 。 当网络开始运行时,由一个被指定的站点产生一个空闲令牌,且按某种逻辑排序将令牌依次通过网上的每一个站点,只有得到令牌的站点才有权控制和使用网络,即有权向网上发送信息；此时其它各站点只能接收信息 。
1．令牌传送（ Token Passing） 方式任何一个需要发送信息的站点得到空令牌后，首先将其置为忙状态，并置入发送信息、源站点名、目的站点名，然后将此令牌送上网络，传输给下一个站点，该令牌依次通过所有站点循环到发送信息的源站点时，发送的信息已被目的站点取走，此时发送站点再把令牌置为空闲状态向下传输，
以便其它站点占用。
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可见，在令牌传送方式的网络中，不存在控制站（器），
各站点之间也无主从关系存在，而且能解决信道的冲突问题。
令牌传输过程中，任何站点若：
已发送（接收）完信息无信息发送（接收）
持有令牌时间到将自动把令牌下传。
令牌传送技术要求通信系统形成环路,故它特别适用于环形网络,对于不具有物理环路的总线网络,只要在初始化时,按有序序列指定各站的逻辑位置 （ 次序 ）,在总线上形成一个逻辑环路,同样可采用令牌传送技术 。
令牌传送方式的传送效率高，信息的吞吐量大。但令牌丢人是其主要问题，如果令牌丢失，需由监视站点向网络注入一个新的令牌。
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自由竞争方式不受时间和站点顺序的限制,网络上每个站点在任何时候都可以向外发送信息 。 它以,先听后讲,
边讲边听,冲突后退,再试重发,的规约,尽量避免和及时处理冲突问题 。
２．自由竞争方式目前，应用最为广泛的自由竞争方式采用的是具有载波监听、多路访问／碰撞检测（ Carrier Sense Multiple Access
With Collision Detection简称 CSMA/CD） 技术。
CSMA/CD允许共享一条传输线的多个站点随机访问传输线路。
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CSMA/CD的控制策略是：竞争发送，广播式传输、
载波监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。 CSMA/CD
在通信管理和软硬件上都比较简单，且允许各站平等竞争，
多用于总线形网络；其缺点是每一站点发送信息的时间间隔没有确切保证，距离加长时，发送信息的效率明显下降，
因此只能用于低速轻载的网络。
令牌传送具有良好的实时性，尤其适用于工业控制局域网络之中。
CSMA/CD的实时性比令牌传送差。多用于办公自动化和管理局域网络之中。
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存储转发方式也称环形扩展 （ Ring Expansion）
式 。 其工作过程为：
（三）存储转发方式一个站点发送信息，到达它相邻的站点，后者将传送来的信息存储起来，等到自己的信息发送完毕后，再转发这个信息，直到将此信息送到目的站点。目的站点检查此信息，如没有发现错误，就在信息帧的后面加上确认，然后又将信息帧放回环路中，直到信息返回到源站点。源站点对信息帧进行检查，若发现是确认码则将此信息清除，
准备发送下一条信息，如发现信息帧后带的是否认码，则源站点触发重发逻辑，重新发送此信息。
存储转发方式的主要优点是在同一时间内，可支持网络中多个站点发送信息，网络利用率较高、且结构简单，
信息的延时少。不足之处是硬件软件都比较复杂。
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通信网络使用的信息交换技术通常有三种：
五、网络的信息交换技术是指通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送,当传送周期结束后,立即,拆除,专用线路 。
１．线路交换（ Circuit Switching）
例如，在图示网络中：
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站 S1要把信息传送给站
S3,有多条路径，如：
N1→N 2→N 3
或 N1→N 4→N 3等。
首先是 S1向 N1申请与 S3通信，
按照路径算法（路径短、等待时间短等）,N1选择 N4为下一个节点,N4再选择 N3为下一个节点，这样 S1经节点
N1→N 4→N 3与 S3建立一条专用的物理线路，然后再由 S1
向 S3传送信息。传送结束便
“拆除”专用的 N1→N 4→N 3
线路，释放所占用的资源。
特点：信息传送的实时性好，
各节点延时小，但一旦两站连接建立起来，即使没有数据传送，其它站也不能使用线路上的任何节点，故线路的利用率较低。
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这种信息交换方法是：在发送站将发往目的站的信息分割成一份份报文正文,并在报文正文前加上报头 （ 由发送地址,目的地址和其它辅助信息组成 ）,在报文正文后面加上报尾 （ 报文的结束标志 ）,然后把报文交给节点传送 。 整个报文传送由报头控制,传送中节点接收整个报文并予暂存,然后发送到下一个节点,直至目的站 。
2．报文交换（ Message Switching）
例如，在图示网络中：
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S1要发报文给 S3,首先是 S1把报头和报尾附加在报文正文上，再把整个报文交给节点 N1,N1存储该报文，
并决定将报文传给下一个节点 N4,若 N4忙,N1 →N 4的报文需排队等待，只有当这段线路可用时，再将报文发送到 N4； N4继续仿照上述过程，把报文发送到 N3,最后由 S3接收。目的站将收到的各份报文，按原来的顺序装配成完整的信息。
特点：允许多个报文分时共享同一线路，其线路的利用率高；而且只要在报文上附上有关目的站的站名，可以把一个报文发送给多个目的站。但是报文要在节点上排队等待，使传输时间延长。
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也叫分组交换,它将一个较长报文分解成若干个较短的报文段,这些报文段称之为,包,
或,报文分组,,每个包上附加必要的传送控制信息,并按规定的格式排列,以一个组合的整体作为一个信息交换单位 。
3．包交换（ Packet Switching）
如图所示。
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M 1 T S M 1 P1 PΣ T S ******** 校验 …… M 1 P n PΣ T S ******** 校验 校验报文号目的站源站报文号报文段号报文段总数目的站源站正文
1
包校验
…… 报文号报文段号报文段总数目的站源站正文
n
包校验报文校验总控制信息 分控制信息 分控制信息第一段报文 第一段报文包交换与报文交换的不同之处是以包为基本单位进行传送的 。 这些包可经不同路径分别传送到目的站后,再拼装成一个完整的报文 。
特点：综合了线路交换和报文交换的优点，既具有良好的实时性，又具有较高的线路利用率和传输效率。
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由于来自信道内部或外部的干扰与噪声的影响,
在数字信号的传输过程中将不可避免地引起信息的传输错误,即产生传输差错 。 根据差错的特征,可分为以下两种差错类型：
第三节 差错控制技术一、差错及其类型随机差错突发差错
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1．随机差错 —— 主要是由传输介质或放大电路中电子热运动产生的白噪声所引起的。随机差错的特征是随机的、
独立的，即二进制数据的某一位（码元）出错与它前后的位（码元）是否出错无关。
2．突发差错 —— 主要是由外界的冲击噪声所致，冲击噪声的持续时间可能相当长，幅度可能相当大，可以影响相邻的多位数据。突发差错的特征是成片出现，即二进制数据的某一位出错受到前后位的影响。
在实际传输线路中,出现的差错往往是随机差错和突发差错的综合 。 但由于一般信道中保证了相当大的信噪比
（ 信号功率 /噪声功率 ）,使白噪声幅值减小以及引起的随机差错减少,因而突发差错占主导地位 。
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传输的可靠性与传输速度密切相关 。 传输速度越快,每个码元所占用的时间越短,其波形越窄,
它所含有的能量就越少,抗干扰能力就越差,可靠性就越低 。
通常传输的可靠性指标用误码率来表示,即：
二、传输的可靠性
N
NP c
c?
N—— 传输二进制码元的总数；
Nc —— 被传错的码元数，
误码率是衡量通信信道质量的一个重要参数。
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国际电工委员会系统研究分会（ IEC SC65A） 曾建议，
每一千个运行年只允许有一个码元出错，这相当于传输速度为 1M bit/s的通信系统，误码率应低于 3?10-15。
三、降低误码率的措施降低通信系统的误码率，提高数据传输的准确度，保证传输质量的措施有两种：
对于传输速度为 600~4800bit/s的通信系统，一般要求误码率低于 10-9，
而对于工业过程控制中应用的 DCS,由于其实际传输速度更高，可靠性和数据完整性的要求也更高，其误码率要求就更低。
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2,在误码率不够理想的情况下,由接收端检验误码,然后设法纠正误码 。 这种措施即为,差错控制技术,,是降低误码率常采用的措施 。
1．通过改善通信网络及各站的电气性能和机械性能，来降低误码率。但这种措施是有一定限度的，
往往受到经济上和技术上的制约。过于苛求的网络性能改善措施，必然导致各站的结构复杂化。
在差错控制技术中，包含了两个基本技术内容，
即 误码检验 和 误码纠正 。下面分别介绍几种常见的检验和纠错的技术方法。
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是一种以字符为单位的校验方法 。 这种校验方法首先将所要传输的信息按字符进行分组,并在每组 （ 每个字符 ）
信息前面加上一个奇偶校验位 （ 冗余码 ） 构成 码字 。
奇偶校验位可以是 0或 1,其作用是保证码字中为,1”
的个数为奇数 （ 或偶数 ） 。
若码字中为,1” 的个数为奇数,该码字称为,奇校验码,；
若码字中为,1” 的个数为偶数,该码字称为,偶校验码,。
四、误码检验最常用,奇偶校验 和 循环冗余校验 两种方法。
（一）奇偶校验（ Parity Check）
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例如：字符,R” 的 ASCII码为 1010010，为使其传输时具有检错能力，应在该字符的七位信息码前加上一个校验位。
R信息码前加一个为,0”的校验位，构成码字
01010010（ R的奇校验码）；
R信息码前加一个为,1”的校验位，构成码字
11010010（ R的偶校验码）。
发送端 按照上述奇（偶）校验码编码后，以字节（ b0~b7） 为单位发送； 接收端 则对收到的每个字节进行奇（偶）校验。其校验规则为：
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若发送端发出的字节为奇校验码,接收端收到的字节经校验满足 奇校验规则,则传输正确,
否则传输错误；
若发送端发出的字节为偶校验码,接收端收到的字节经校验满足 偶校验规则,则传输正确,
否则传输错误 。
奇校验,1
7
6
0 bbii
偶校验：
076 0 bbii
bi为字符的位；
b7为校验位（冗余位），
其中加法运算采用模 2加规则，
式中：
即,0+0=0,0+1=1,1+1=0
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实际应用中，奇偶校验又分垂直、水平、方阵三种校验方法。
设有一组字符 A?J,其 ASCII代码的垂直奇偶校验编码如表所示 。
1、垂直奇偶校验字符位
A B C D E F G H I J
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1
垂直奇偶校验是对一组字符中的每一个字符 （ 表中的列 ）
分别进行奇偶校验,其方法如前所述 。
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应该说明的是：在垂直奇偶校验中,若传输的一个字节有 1位 （ 或 3位 … ） 出现差错可以检查出来,而有 2位 （ 或
4位 … ） 出现差错是不能检查出来的,即垂直奇偶校验只能检查出奇数个差错 。
同样设一组字符 A?J,其 ASCII代码的水平奇偶校验编码如表所示：
2、水平奇偶校验
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b
S 字符位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
水平奇偶校验是对一组字符中各字符相同的位 （ 表中的行 ） 分别进行奇偶校验 。
这种校验方法在传输数据过程中,是按列的次序进行的,
而在接收端,是对收到的一组字符进行水平奇偶检查 。
优点：
1,可以检查出字符组内各字符相同位上的奇数个差错,
2,能发现长度小于或等于 i（ 每列码元总数 ） 的突发差错,
缺点：编 /译码电路比较复杂 。
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方阵奇偶校验是上述垂直,水平奇偶校验的综合 。 仍设一组字符 A?J,其 ASCII代码的方阵奇偶校验编码如表所示 。
3、方阵奇偶校验
bs 字符位
A B C D E F G H I J
奇 偶
b
0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
b
1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1
b
2
0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0
b
3
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1
b
4
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
b
6
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
奇 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1
b
7
偶 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1
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方阵奇偶校验是先对字符组中每一个字符 A?J（ 表中的列）分别进行奇偶校验，形成垂直奇（偶）校验码；然后对字符组中各字符相同位 b0,……,b7(表中的行 )分别进行奇偶校验，形成水平奇（偶）校验码。
特点,方法较严密，查错能力较强； 编 /译码电路复杂，编码率相对较低。
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设需发送的信息为二进制信息码,信息码的字长为 K位,
则 K位信息码有 2K个组合；若在信息码后按照某种规则附加 r
位冗余码,可构成字长为 K+r=n位的 码字,n位码字会有 2n个组合 。
(二 )循环冗余校验
（ Cyclic Redundancy Check简称 CRC）
—— 是应用最为广泛，纠错能力很强的一种误码检验方法。
循环冗余校验采用的编码方式如下：
在 2n个码字中存在着 2k个不同的码字集合，这个集合称为：,分组码,（ n,k）。
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若附加冗余码的规则是：冗余码中的每一位都是由 K个信息码中某几位线性模 2加。则由此所得的分组码称为：,线性分组码,。
以下通过一例子予以说明。
设信息码的字长为 K=3,则 3位字长的信息码会有 23=8个，
若在信息码后附加 r=4位的冗余码，即构成字长为 n=k+r=7位的码字，而 7位字长的码字会有 27=128个。在这 128个码字中，
只有 8个不同码字的集合形成分组码。
如果将信息码和冗余码按位作如下排列：
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43421
信息码
456 bbb 44 344 21
冗余码
0123 bbbb
（模 2加表达式）
450
561
4562
463
bbb
bbb
bbbb
bbb
确定冗余码，可编出下表所示的码字，
码 字信 息 码 冗 余 码
b
6
b
5
b
4
b
3
b
2
b
1
b
0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 0 1
0 1 0 0 1 1 1
0 1 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 1 0
1 0 1 0 0 1 1
1 1 0 1 0 0 1
1 1 1 0 1 0 0
表中 8个不同的 7位码字即为 线性分组码 。
由表可知,在第 2?8行中，
任何一个码字都可以由另一个码字循环右移一位或 i
位得到,由此特性有如下定义 。
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循环码的定义：
设有一个（ n,k） 线性分组码 C,若其中一个码字为：
V=（ bn-1,bn-2,bn-3……b 0）
将 V循环右移 1位所得的码字：
),,,,( 1210)1( bbbbV nn
将 V循环右移 i位所得的码字：
),,,,,,( 2121)( inniii bbbbbV
是 C的一个码字仍是 C的一个码字那么，该线性分组码 C为循环码。
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码多项式的运算规则是：
乘法运算与一般多项式相同,
加,减法运算遵循模 2加运算规则 。
例如,对于 V=（ bn-1,bn-2,bn-3…… b0） 表示的码字，
码多项式为：
02211)( bxbxbxV nnnn
每一个码字都有一个 ≤ （ n-1） 次的码多项式与之对应。
通常，为了研究问题的方便，以码字中的每一位作为系数构成一个,码多项式,。
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且循环码 C中的每一个码多项式 V(x)都是 g(x)的倍式 。 即每一个小于或等于 (n-1)次的多项式,若为
g(x)的倍式,则它们必定是码多项式 V(x)。
[定理 ]
在一个 (n,k)循环码 C中，唯一存在一个阶次最低 (n-k次 )的非零码多项式：
1)( 111 xgxgxxg knknkn?
g(x)通常称为,生成多项式,,其阶次等于冗余码位数。
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可见：
一个信息的编码,等价于把信息多项式 m(x)
和生成多项式 g(x)相乘 。
定理表明：
在 (n,k)循环码中，每个码多项式都可表示为：
)()()( xgxmxV
其中：
012211)( mxmxmxmxm kkkk
称为,信息多项式,
系数 mk-1,……,m0分别为信息码的各位的值。
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例,设需编码的信息码为 101（ k=3）,则该信息的对应的信息多项式为 m(x)=x2+1； 若冗余码位数 r=4,生成多项式为 g(x)=x4+x3+x2+1,求（ 7,3）循环码。
解,根据 有码多项式,)()()( xgxmxV
1
1
)1)(1()()()(
356
2342456
2342
xxx
xxxxxxx
xxxxxgxmxV
上式对应的码字为 V=（ 1,1,0,1,0,0,1）,故所求的（ 7,3）循环码为 1101001。
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分析上例循环码的排列结构,信息码 101位于冗余码之间 。
凡前端不是 K位信息码的码字，称为,非系统循环码,；
而前端为 K位信息码，随后为 r位冗余码的码字，称为
,系统循环码,。而在分散控制系统中，大都采用系统循环码进行检错。
将,信息多项式,乘以 xn-k,可得：
系统循环码的编码方法如下：
)()()(
)( 0112211
xrxgxp
xmxmxmxmxmx knknnknkkn
式中,p(x)和 r(x)分别为 xn-k?m(x)除以 g(x)的商式和余式。
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由于 g(x)的阶次 r=n-k,则 r(x)的阶次必小于或等于 (n-k-1)；
即：
012211)( rxrxrxrxr knkn
则有：
01
2
2
1
1
0
1
1
2
2
1
1
)()()()(
rxrxrxr
xmxmxmxm
xrxmxxgxp
kn
kn
knknn
k
n
k
kn
上式表明,
)()( xrxmx kn
是 g(x)的倍式，且阶次小于等于 (n-1)，
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依据前述定理,为一个码多项式，
它对应的码字由上式有：
)()( xrxmx kn
),,,,,,( 011021 rrrmmm knkk
该码字是由前端为 K位信息码，随后附加 r位冗余码所构成，故该码字为 系统码,而与该码字一一对应的循环码为 系统循环码 。
利用长除法，求,有：
例,求上例中的系统循环码。
解,已知,1)( 234 xxxxg
7 rkn
,1)( 2 xxm
则,4624 )1()()( xxxxxmxxmx rkn
)(/)( 46 xgxx?
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1
1
1
1
234
234
345
25
2456
46234
2
x
xxx
xxxx
xxxx
xx
xxxx
xxxxx
xx
由此获得余式 r=x+1,则可求得码多项式为：
1)()( 46 xxxxrxmx kn
对应的码字为：
（ 1,0,1,0,0,1,1），
所求的系统循环码为 1010011。
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码字,k+r=n位,2n =2(k+r)个有 2k个 分组码 (不同的码字集合 )
其中冗余码中的各位皆是 K个信息码中某几位线性模 2加。
则为 线性分组码 C
C中一码字循环右移 i位也是 C中一码字则为 循环码 C
信息码,k位冗余码,r位信息多项式由 码多项式 V=g(x)m(x)决定系统循环码非系统循环码由 码多项式 xn-km(x)+r(x)决定生成多项式 xn-km(x)/g(x)的余式
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发送端按照 系统循环码 的编码方法，发送可以被 g(x)
除尽的码多项式对应的码字（先发送码字中的信息码，后发送冗余码）。接收端设有检验电路，它用来接收码字，
并判别收到的码字是否能被 g(x)整除。如果可以被整除，
则认为传输正确，此时接收端向发送端作出肯定应答，通知发送下一个新的数据信息；如果收到的码字不能被 g(x)
整除，则认为传输过程发生差错，此时接收端向发送端作出否定应答，要求重新发送一次该码字。
循环冗余校验是基于系统循环码的误码检验方法。
其基本原理是：
利用 g(x)生成的循环码，其检错能力很强，它与方阵码相比，误码率至少低于 1~3个数量级。特别是它可以发现所有小于或等于 (n-k)位的突发差错。
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另外，循环冗余校验的编码和检错，都是通过位移寄存器、触发器等硬件予以实现的，现已制成各种适应不同生成多项式的专用集成电路芯片供选用，使得编码和检错电路的实现更为简单方便。
发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端收到信息码后根据该码的编码规则，判断传输过程是否产生误码，并把判断结果反馈给发送端。如果没有误码，接收端输出正确数据，并通知发送端发送下一个新数据信息；如果有误码产生，接收端对该数据信息不予输出，并通知发送端重新发送该信息，直至接收端认为正确为止。
五、纠错方式在数据信息传输中，实际应用的纠错方式最常用的有以下三种：
1．重发纠错方式：
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发送端发送既能检错又能纠错的信息码 （ 如循环码 ）,
接收端收到信息码后,通过译码不仅能发现传输差错,而且能自动地确定误码位臵并予以纠正,保证接收端输出正确的信息 。
2．自动纠错方式是上述两种纠错方式的综合 。 发送端发送的信息码不仅具有发现误码的能力,而且还具有一定的纠错能力 。 接收端收到该信息码后,首先检错,然后纠错,如果误码较多,超过了自动纠错的能力范围,则接收端通过反馈信道要求发送端重发信息,直到正确为止 。
3．混合纠错方式
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在计算机通信网络中，对所有的站点来说，
它们都要共享网络中的资源。但由于挂接在网上的计算机或设备是各种各样的，可能出自于不同的生产厂家，型号也不尽相同，它们在硬件及其软件上的差异，给相互间的通信带来一定的困难。
因此，需要有一套所有,成员,共同遵守的,约定,,以便实现彼此的通信和资源共享。这种约定称为,网络协议,。
第四节 网络协议
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为了便于实现网络的标准化，国际上一些标准化组织已在工业控制局域网络协议的标准化方面做了大量地工作。
本节扼要介绍目前较有影响的协议结构框架和有关协议标准 。
国际标准化组织 （ ISO） 于 1977年成立了一个研究通信任务体系结构的分委员会,针对网络通信在功能上的层次,提出了开放系统互连 （ Open System
Interconnection 简称 OSI） 参考模型,从而定义了任何计算机互连时通信任务的结构框架 。
一、协议层次参考模型如图所示。
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OSI参考模型层次分明，每一层都具有相对独立的功能来完成一块通信子任务，并且下层为上层提供服务，各层之间的相互依赖关系确定。这使得通信系统的设计、实现、修改和扩充更为规范化、便利化。
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首先，站 S1将数据传送到 应用层 （第 7层），并将一个标题 H7添加到该数据上，标题 H7包含了第 7层协议所需的信息，
这样做称为 数据封装 。
然后，原始数据加上标题 H7作为一个整体，下传到 表达层 （第 6层），第 6层将整个单元加上自己的标题 H6,标题 H6
包含了第 6层协议所需的信息，从而对数据进行第 2次封装,…… ……,一直继续到 链路层 （第 2层）。
链路层 通常同时添加标题 H2和标尾 T2,标尾中包含了用于差错检测的帧检验序列（ FCS）。 由第 2层构成的这个整体单元，称为 一帧数据 。它通过 物理层 （第 1层）向外发送。
OSI参考模型数据通信的基本原理：
设站 S1向站 S2发送一批数据（或报文）。
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同样，站 S2向站 S1的通信，工作过程也是如此。
目的站 S2收到一帧数据时，接收过程从 物理层 开始逐层上升。每一层都将其最外面的标题和标尾剥除（卸装），并根据包含在标题中的协议信息进行动作，然后把剩余的部分传送到上一层。直到 应用层 剥掉标题 H7,目的站 S2即可得到所需的数据。至此，站 S1向站 S2的通信结束。
1,物理层 （ Physical）
提供通信设备的电气,特性,功能,过程等特性,以便建立,维持和折除物理连接 （ 例如,信号的表示方法,传送方向,所采用的编码,传输速率,以及通信介质和连接件的规格及使用规则 ） 。 负责在物理线路上传输数据的位流 (比特流 ),为链路层服务 。
OSI参考模型各层的基本作用：
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2,链路层 （ Data Link）
用以建立相邻节点之间的数据链路,确立链路使用权的分配,负责将被传送的数据按帧结构格式化,传送数据帧,
进行差错控制,介质方向控制,以及物理层的管理 。
3,网络层 （ Network）
用于传输信息包或报文分组,向上一层的传输层提供传输类型服务,负责通信网络中路径的选择和拥挤控制 。
4,传输层 （ Transport）
用于建立不同节点间的通信信道,提供数据交换的可靠机制,完成信息确认,误码检测,错误恢复,优先级调度,
信息流的控制,确保数据无差错,不丢失,不重复,按次序地传送 。 向会话层提供所要求的传送服务及其质量 。
传输层是用户与通信设施间的联系者 。
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5,会话层 （ Session）
用于建立和管理进程 （ 程序为某个数据集合进行的一次执行过程 ） 之间的连接,为进程之间提供对话服务,管理它们的数据交换,处理某些同步与恢复问题 。 会话层完成的主要通信管理和同步功能是针对用户的 。
6,表达层 （ Presentation）
用于向应用程序和终端管理程序提供一批数据变换服务,
实现不同信息格式和编码之间的转换,以便处理数据加密,
信息压缩,数据兼容以及信息表达等问题 。 通常提供数据翻译 （ 编码和字符集的转换 ）,格式化 （ 修改数据的格式 ）,
语法选择 （ 对所用变换的初始选择和随后的修改 ） 等服务项目 。
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7,应用层 （ Application）
该层为用户应用程序提供访问 OSI环境的服务 (如,通信服务,虚拟终端服务,网络文件传送,网络设备管理等 )，
该层具有相应的管理功能,支持分布应用的通用机制,解决数据传输完整性或收 /发设备的速度匹配等问题 。
应用层、表达层、会话层 —— 与应用有关，
传输层、网络层 —— 主要负责系统的互连，
链路层、物理层 —— 定义了实现通信的技术。 实际选用最多的。
统称为高层。按需选用。
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应当指出,开放系统互连（ OSI） 参考模型，并非是协议标准，它仅仅是为协议标准提供了一个宏观的开放系统互连的概念和一种主体结构（协议层次），
供制定各种协议标准参考。一般的过程控制局域网协议都是在 OSI参考模型的基础上建立起来的。
各层的协议参见教材。
电气与电子工程师协会 （ IEEE） 1980年 2月成立了一个名为 802课题组 （ IEEE Standards Project
802）,于 1981年底提出了 IEEE802局域网标准 。 该标准目前在国际上已获得广泛的认可与应用 。
二,IEEE802局域网标准
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其中,LLC和 MAC相当于 OSI参考模型的链路层 。
1,IEEE802标准的层次
IEEE802标准对应于 ISO参考模型的第 1,2层，其功能基本上由相应的集成电路芯片来实现；而高层与 OSI参考模型保持兼容，其功能由软件来实现，它提供两站之间的端 -端服务。
IEEE802提供的功能是局域网所应完成的最小的通信功能。
该标准规定了三个层次的内容，如图 5-29所示。
OSI参考模型应用层表达层会话层传输层网络层 IEEE802局域网标准逻辑链路控制层 （ LLC）链路层介质存取 （访问）控制层 （ MAC）
物理层 物理层 （ PS）
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IEEE802标准的结构如图所示 。
2,IEEE802标准的结构高层 802.1网络互连
802.2逻辑链路控制层 （ LLC）
介质存取 （访问）控制层 （ MAC）链路层
802.3 CSMA/CD
存取控制
802.4 令牌总线存取控制
802.5 令牌环存取控制物理层 802.3物理规范 802.4物理规范 802.5物理规范
802.1
体系结构
IEEE802的体系结构标准，为网络的管理，故障、性能、节点分析，节点存取控制和网络帐户规定了一组通信系统工具。
定义了整个管理结构和到较高层次的接口。
为网络上两个节点间的信息传送规定了同等层之间的通信协议。
支持数据链路功能、数据流控制、
命令解释及产生响应。 LLC为高层服务，向上提供高层接口。
适用于总线形网络，其控制策略是竞争发送、广播式传输、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。
适用于总线形网络，
总线上的所有站形成一个逻辑环，
适用于环形网络，
令牌在环网上循环，
规定通信介质的种类和网络拓朴结构。对数据位流进行编码或解码
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IEEE802建议的帧结构如图所示：
3,IEEE802推荐的帧结构
AC DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ a ） 令牌存取控制填充位 DA SA D S A P S S A P C 信息 FCS
（ b ） C S M A / C D 控制
AC表示存取控制，
DA表示目的地址，
SA表示发送地址，
DSAP表示目的服务存取点标识符，
SSAP表示源服务存取点标识符，
C为控制字节，
FCS为帧校验。
图中：
详细说明见教材。
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制造自动化协议 （ Manufacturing Automation
Protocol 简称 MAP） 是 由 美 国 通 用 汽 车 公 司
（ General Motors 简称 GM） 于 1982年开始的一项研究计划 。
三、制造自动化协议（ MAP）
MAP的提出：在工业制造和过程控制领域使用了大量的自成体系的专利网络通信系统，这些系统虽然性能非常优良，但系统之间却互不相通，为了解决这种,自动化孤岛,现象,GM的 MAP工作组以 ISO的 OSI模型为基础，建立了一个适合于工业控制领域的网络互连分层协议 —— MAP。
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MAP只是提供给各种智能设备之间进行通信的一个规范，而不是一个新标准，它是从现有的文件和已执行的标准中，选择出所应共同遵循的标准。
事实上 MAP的每层协议分别采用的是 IEEE803.4、
ISO,MBS（ 美国国家标准局）的有关标准。
在 MAP的发展过程中,先后形成了宽带 MAP、
EPAMAP和 MiniMAP几种形式 。 如图所示 。
（一） MAP的几种形式
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它采用一种宽带主干道,下挂数控机,工业计算机和其它 MAP装置 。 宽带 MAP的实时性不强 。 主要解决主管级的通讯任务 。
1、宽带 MAP
是 MAP技术向过程工业发展而产生的 。 它是为了提高全 MAP的实时响应性能,取消了全
MAP中的一些中间层,只保留物理层,数据链路层和应用层,形成了三层 塌缩结构 。 它主要应用于控制设备间的通信 。
2,MiniMAP(小 MAP)
是一种全 MAP和 MiniMAP的折衷形式 。 它一边可以采用全 MAP； 另一边支持 MiniMAP,以适应有苛刻时间要求的控制任务 。 两边可互相通信 。
3,EPA MAP（ 增强性能结构 MAP）
这几种形式互不排斥，能连接起来，完成不同层次的网络通信任务。
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MAP提出后 历经诸多版本，终于 1987年稳定在 MAP3.0
版本上。 MAP3.0结构是基于 IEEE802协议的，其特点为：
（二） MAP3.0的结构特点数据链路层 也分为：
逻辑链路控制层（ LLC）
与 IEEE802.2逻辑链路层协议中的非应答无连接服务基本符合；
介质存取控制层（ MAC）
与 IEEE802.4令牌总线协议基本一致。
MAP帧采用了 48位地址结构。 可在单一局域网中容纳更多的节点，
可在多个互连的网络中为某个节点提供唯一的标识。
MAP的多层协议是在它的节点中实现的。
节点结构如图所示：
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用微处理器实现高层通信功能。
实现数据链路层、应用层的所有通信功能。
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目前,工业计算机控制系统采用的分层模型,以 NBS
（ 美国国家标准局 ） 模型最为普遍 。 NBS模型将工厂计算机控制系统划分为六个层次,用 MAP构成工业控制系统时,
NBS模型各层采用的协议如图所示 。
（三） MAP在工业领域的应用
每一层都具有限定的通讯要求和数据处理能力。
主管级采用与 MAP无关远程通信网络，多应用 TOP和 X.25协议，
装臵级上目前无标准化协议。
主管 （公司）级 T OP,X,2 5
工厂级 宽带 M A P
区域级 E P A M A P
单元 / 管理级 E P A M A P
设备级 M in i- M A P
装置级 专用网络协议
（ a ） N B S 分层模型 （ b ） M A P 网络
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下图说明了一个实际应用的 MAP系统。
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四、网络间的互连当多个网络系统具有共同的特性时,这些相容网络间的互连最为简单,只要在物理层采用重复器即可实现互连,
如图所示 。
1．采用重复器（ Repeater） 方式用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
重复器
物理层 A 物理层 物理层 B
网络 A 网络 B
,计算机分散控制系统》
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2009-7-28 98
当相连网络具有相同逻辑链路控制协议,但采用不同的介质存取控制协议时,不能采用简单的重复器,而必须采用网桥实现网络互连,如图所示 。
2．采用网桥（ Bridge） 方式用户 A 用户 B
应用层 A 应用层 B
网 桥
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
,计算机分散控制系统》
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2009-7-28 99
当相连网络的逻辑链路控制协议都不相同时,不能采用重复器和网桥,必须采用网关实现网络互连,如图所示 。
3．采用网关（ Gatway） 方式用户 A 用户 B
应用层 A 网 关 应用层 B
表达层 A 表达层 A 表达层 B 表达层 B
物理层 A 物理层 A 物理层 B 物理层 B
网络 A 网络 B
,计算机分散控制系统》
能 源 与 动 力 工 程 学 院
School of Energy & Power Engineering
2009-7-28 100
网关的功能：
是将一个网络协议层次上的报文,映射,为另一网络协议层次上的报文。
（ 1） 介质转换型,该类型网关是从一个子网中接收信息,
拆除封装,并产生一个新封装,然后将信息转发到另一个子网中去 。
（ 2） 协议转换型,该类型网关是将一个子网的协议转换为另一个子网的协议 。 对于语义不同的网,
这种转换还需先经过标准互连协议的处理 。
网关有两种类型：
