计算机通信国际标准解析

1.开放系统互连模型

国际标准化组织ISO提出了开放系统互连模型OSI，作为通信网络国际标准化的参考模型，它详细描述了通信功能的7个层次（见图6-9）。下面介绍各层的功能：

1）物理层的下面是物理媒体，例如双绞线、同轴电缆和光纤等。物理层为用户提供建立、保持和断开物理连接的功能，定义了传输媒体接口的机械、电气、功能和规程的特性。RS-232C、RS-422和RS-485等就是物理层标准的例子。

2）数据链路层的数据以帧（Frame）为单位传送，每一帧包含一定数量的数据和必要的控制信息，例如同步信息、地址信息和流量控制信息。通过校验、确认和要求重发等方法实现差错控制。数据链路层负责在两个相邻节点间的链路上，实现差错控制、数据成帧和同步控制等。

图6-9 开放系统互连模型

3）网络层的主要功能是报文包的分段、报文包阻塞的处理和通信子网中路径的选择。

4）传输层的信息传送单位是报文（Message），它的主要功能是流量控制、差错控制、连接支持，传输层向上一层提供一个可靠的端到端（end-to-end）的数据传送服务。

5）会话层的功能是支持通信管理和实现最终用户应用进程之间的同步，按正确的顺序收发数据，进行各种对话。

6）表示层用于应用层信息内容的形式变换，例如数据加密/解密、信息压缩/解压和数据兼容，把应用层提供的信息变成能够共同理解的形式。

7）应用层作为OSI的最高层，为用户的应用服务提供信息交换，为应用接口提供操作标准。

2.IEEE 802通信标准

IEEE（国际电工与电子工程师学会）的IEEE 802标准把OSI参考模型的数据链路层分解为逻辑链路控制层（LLC）和媒体访问控制层（MAC）。数据链路层是一条链路（Link）两端的两台设备进行通信时必须共同遵守的规则和约定。

媒体访问控制层（MAC）的主要功能是控制对传输媒体的访问，实现帧的寻址和识别，并检测传输媒体的异常情况。逻辑链路控制层（LLC）用于在节点间对帧的发送、接收信号进行控制，同时检验传输中的差错。MAC层包括带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA CD）通信协议、令牌总线（Token Bus）和令牌环（Token Ring）。

（1）CSMA/CD

CSMA/CD通信协议的基础是Xerox等公司研制的以太网（Ethernet），早期的IEEE 802.3标准规定的传输速率为10Mbit/s，后来发布了100Mbit/s的快速以太网IEEE 802.3u，1000Mbit/s的千兆以太网IEEE 802.3z，以及10000Mbit/s的IEEE 802ae。

CSMA/CD各站共享一条广播式的传输总线，每个站都是平等的，采用竞争方式发送报文到传输线上，也就是说，任何一个站都可以随时发送广播报文，并被其他各站接收。当某个站识别到报文中的接收站名与本站的站名相同时，便将报文接收下来。由于没有专门的控制站，两个或多个站可能会因为同时发送报文而发生冲突，造成报文作废。

为了防止冲突，发送站在发送报文之前，先监听一下总线是否空闲，如果空闲，则发送报文到总线上，称之为“先听后讲”。但是这样做仍然有发生冲突的可能，因为从组织报文到报文在总线上传输需要一段时间，在这段时间内，另一个站通过监听也可能会认为总线空闲，并发送报文到总线上，这样就会因为两个站同时发送而产生冲突。

为了解决这一问题，在发送报文开始的一段时间，仍然监听总线，采用边发送边接收的方法，把接收到的信息与自己发送的信息相比较，若相同则继续发送，称之为“边听边讲”；若不相同则说明发生了冲突，立即停止发送报文，并发送一段简短的冲突标志（阻塞码序列），来通知总线上的其他站点。为了避免产生冲突的站同时重发它们的帧，采用专门的算法来计算重发的延迟时间。通常把这种“先听后讲”和“边听边讲”相结合的方法称为CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问技术），其控制策略是竞争发送、广播式传送、载体监听、冲突检测、冲突后退和再试发送。(www.xing528.com)

以太网首先在个人计算机网络系统，例如办公自动化系统和管理信息系统（MIS）中得到了极为广泛的应用。在以太网发展的初期，通信速率较低。如果网络中的设备较多，信息交换比较频繁，可能会经常出现竞争和冲突，影响信息传输的实时性。随着以太网传输速率的提高（100～1000Mbit/s）和采用了相应的措施，这一问题已经解决，大型工业控制系统最上层的网络几乎全部采用以太网，使用以太网很容易实现管理网络和控制网络的一体化。以太网已经越来越多地在控制网络的底层使用。

以太网仅仅是一个通信平台，它包括ISO的开放系统互联模型的7层模型中的底部两层，即物理层和数据链路层。即使增加上面两层的TCP和IP，也不是可以互操作的通信协议。

（2）令牌总线

IEEE 802标准的工厂媒体访问技术是令牌总线，其编号为802.4。在令牌总线中，媒体访问控制是通过传递一种称为令牌的控制帧来实现的。按照逻辑顺序，令牌从一个装置传递到另一个装置，传递到最后一个装置后，再传递给第一个装置，如此周而复始，形成一个逻辑环。令牌有“空”和“忙”两个状态，令牌网开始运行时，由指定的站产生一个空令牌沿逻辑环传送。任何一个要发送信息的站都要等到令牌传给自己，判断为空令牌时才能发送信息。发送站首先把令牌置为“忙”，并写入要传送的信息、发送站名和接收站名，然后将载有信息的令牌送入环网传输。令牌沿环网循环一周后返回发送站时，如果信息已经被接收站复制，发送站将令牌置为“空”，送上环网继续传送，以供其他站使用。如果在传送过程中令牌丢失，则由监控站向网内注入一个新的令牌。

令牌传递式总线能在很重的负荷下提供实时同步操作，传输效率高，适于频繁、少量的数据传送，因此它最适合于需要进行实时通信的工业控制网络系统。

（3）令牌环

令牌环媒体访问方案是IBM公司开发的，它在IEEE 802标准中的编号为802.5，有些类似于令牌总线。在令牌环上，最多只能有一个令牌绕环运动，不允许两个站同时发送数据。令牌环是一种集中控制式的环，环上必须有一个中心控制站负责检测和管理网络的工作状态。

（4）主从通信方式

主从通信方式是PLC常用的一种通信方式，它并不属于什么标准。主从通信网络只有一个主站，其他的站都是从站。在主从通信中，主站按事先设置好的轮询表的排列顺序对从站进行周期性的查询，并分配总线的使用权。主站依次向从站发送请求帧（轮询报文），该从站接收到后才能向主站返回响应帧。每个从站在轮询表中至少要出现一次，对实时性要求较高的从站可以在轮询表中出现几次，还可以用中断方式来处理紧急事件。

PROFIBUS-DP的主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间为主从方式。

3.现场总线

IEC（国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线”。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信取代4～20mA现场模拟量信号。现场总线I/O集检测、数据处理和数据通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表，它不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨槽上。现场总线I/O的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。使用现场总线后，可以节约配线、安装、调试和维护等方面的费用，现场总线I/O与PLC可以组成高性能价格比的DCS（集散控制系统）。

使用现场总线后，操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能诊断故障和寻找故障点。

4.现场总线的国际标准

由于历史的原因，现在有多种现场总线并存，IEC的现场总线国际标准（IEC 61158）在1999年底获得通过，经过多方的争执和妥协，最后容纳了8种互不兼容的协议（类型1～类型8），2000年又补充了两种类型。其中的类型3（PROFIBUS）和类型10（PROFI-NET）由西门子公司支持。

为了满足实时性应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出了各种提升工业以太网实时性的解决方案，从而产生了实时以太网。2007年7月出版的IEC 61158第4版采纳了经过市场考验的20种现场总线，大约有一半属于实时以太网。

IEC 62026是供低压开关设备与控制设备使用的控制器电气接口标准，于2000年6月通过。西门子公司支持其中的执行器传感器接口（Actuator Sensor Interface，AS-i）。