DCS网络通信协议模型解析

网络结构问题不仅涉及信息的传输路径，而且涉及链路的控制。对于一个特定的通信系统，为了实现安全可靠的通信，必须确定信息从源点到终点所要经过的路径，以及实现通信所要进行的操作。在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议。对于一个计算机通信网络来说，接到网络上的设备是各种各样的，这就需要建立一系列有关信息传递的控制、管理和转换的手段和方法，并要遵守彼此公认的一些规则，这就是网络协议的概念。这些协议在功能上应该是有层次的。为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织ISO提出了开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）参考模型，简称ISO／OSI模型。它是通信系统之间相互交换信息所共同使用的一组标准化规则，凡按照该模型建立的网络就可以互联。开放系统互联是指彼此开放的系统通过共同使用适当的标准实现信息的交换。

ISO／OSI模型将各种协议分为7层，自下而上依次为物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图5-13所示。

图5-13　ISO／OSI参考模型

1.物理层

物理层协议规定了通信介质、驱动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性，如信号的表示方法、通信介质、传输速率、接插件的规格及使用规则等。

物理层协议涉及通信系统的驱动电路、接收电路与通信介质之间的接口问题，主要包括：

（1）连接插件的类型、插针的数量和功能。

（2）数字信号在通信介质上的编码方式，如电平的高低和0、1的表达方法。

（3）确定与链路控制有关的硬件功能，如定义信号交换控制线或者忙测试线等。

从以上说明中可以看到，物理层协议的功能是与所选择的通信介质（双绞线缆、光缆）及信道结构（串行、并行）密切相关的。物理层的下面是物理媒体，如双绞线、同轴电缆等。物理层为用户提供建立、保持和断开物理连接的功能。RS-232C、RS-422A、RS-485等就是物理层标准的例子。

2.链路层

通信链路是由许多节点共享的，链路层协议的作用有：

（1）确定在某一时刻控制链路的节点，即链路使用权的分配。

（2）确定比特级的信息传输结构，即规定信息每一位和每一个字节的格式。

（3）确定检错和纠错方式，以及每一帧信息的起始和停止标记的格式。

帧是链路层传输信息的基本单位，由若干字节组成，除了信息本身之外，还包括表示帧开始与结束的标志段、地址段、控制段及校验段等。

链路层协议主要对链路的使用进行控制，并组成具有确定格式的信息帧。

3.网络层

在一个通信网络中，两个节点之间可能存在多条通信路径。网络层协议主要处理信息的传输路径问题，并在由多个子网组成的通信系统中处理一个子网与另一个子网之间的地址变换和路径选择。(www.xing528.com)

如果通信系统只由一个网络组成，节点之间只有唯一的一条路径，则不需要网络层协议。已有的一些标准协议（如CCITT.25）可以支持网络层的通信，然而由于成本很高，结构复杂，所以在工业过程控制系统中一般不采用具有可选路径的通信网络。比较常用的是具有冗余的总线或环形网络，在这些网络中不存在通信路径的选择问题，因此网络层协议的作用只是在主通信线路故障时，让备用通信线路继续工作。由于以上原因，大多数工业过程控制系统中网络层协议的主要作用是管理子网之间的接口。子网接口协议一般专门用于某一特定的通信系统。另外，网络层协议还负责管理那些与其他计算机系统连接时所需要的网间连接器。网络层协议把一些专用信息传送到低层协议中，即可实现上述功能。

4.传输层

传输层协议的功能是确认两个节点之间的信息传输任务是否已经正确完成，包括信息的确认、误码的检测、信息的重发、信息的优先级调度等。

5.会话层

会话层协议用来对两个节点之间的通信任务进行启动和停止调度。

在工业过程控制所用的通信系统中，为了简单起见，常常把传输层和会话层协议合在一起。这两层协议确定了数据传输的启动方法和停止方法，以及实现数据传输所需要的其他信息。在DCS中，每个节点都有自己的微处理器，可以独立地完成整个系统的一部分任务。为了使整个系统协调工作，每个节点都要输入一定的信息，这些信息有些来自节点本身，有些则来自系统中的其他节点。一般可以把通信系统的作用看成是一种数据库更新作用，它不断地把其他节点的信息传输到需要这些信息的节点中去，相当于在整个系统中建立了一个为多个节点所共享的分布式数据库。更新数据库的功能是在传输层和会话层协议中实现的。

6.表示层

表示层协议用于信息格式的转换，将通信系统所用的信息格式转换成它上一层（也就是应用层）所需的信息格式。

7.应用层

严格地说，应用层不是通信协议结构中的内容，而是应用软件或固件中的一部分内容，用于调用低层协议为其服务。在高级语言程序中，应用层协议可能是向另一节点请求获得信息的语句，在功能块程序中从控制单元中读取过程变量的输入功能块。

高层协议是指表示层和应用层协议，它们用来实现低层协议与用户之间接口所需要的一些内部操作。高层协议的重要作用之一就是区别信息的类型，并确定信息在通信系统中的优先级。例如，它可以把通信系统传送的信息分为以下几级：

（1）同步信号。

（2）跳闸和保护信号。

（3）过程变量报警信息。

（4）运行员改变给定值或切换运行方式的指令。

（5）过程变量。

（6）组态和参数调整指令。

（7）记录信息和长期历史数据存储信息。

根据优先级顺序，高层协议可以对信息进行分类，并且把最高优先级的信息首先传输给较低层的协议。要实现这一点技术比较复杂，而且成本也较高。因此，为了使各种信息都能顺利地通过通信系统，并且不产生过多的时间延迟，通信系统中的实际通信量必须远远小于通信系统的极限通信能力，一般不超过其50%。