计算机通信的国际标准优化方案

1.开放系统互联模型

国际标准化组织ISO提出了开放系统互联模型OSI，作为通信网络国际标准化的参考模型，它详细地描述了通信功能的7个层次（见图7-12）。

7层模型分为两类，一类是面向用户的第5～7层，另一类是面向网络的第1～4层。前者给用户提供适当的方式去访问网络系统，后者描述数据怎样从一个地方传输到另一个地方。

发送方传送给接收方的数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理层，通过物理媒体（媒体又称为介质）传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收方的应用程序。发送方的每一层协议都要在数据报文前增加一个报文头，报文头包含完成数据传输所需的控制信息，控制信息只能被接收方的同一层识别和使用。接收方的每一层只阅读本层的报文头的控制信息，并进行相应的协议操作，然后删除本层的报文头，最后得到发送方发送的数据。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-422A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。

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。

不是所有的通信协议都需要OSI参考模型中的全部7层，有的现场总线通信协议只采用了7层模型中的第1、第2和第7层。

图7-12 开放系统互联模型

2.IEEE 802通信标准

IEEE（国际电工与电子工程师学会）的802委员会于1982年颁布了一系列计算机局域网分层通信协议标准草案，总称为IEEE 802标准。它把OSI参考模型的底部两层分解为逻辑链路控制层（LLC）、媒体访问控制层（MAC）和物理传输层。前两层对应于OSI参考模型中的数据链路层，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）用于对节点间帧的发送、接收信号进行控制，同时检验传输中的差错。MAC层对应于三种已经建立的标准，即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标准规定的波特率为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 802.3ae。

CSMA/CD各站共享一条广播式的传输总线，每个站都是平等的，采用竞争方式发送信息到传输线上，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上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，两个或多个站可能因为同时发送信息而产生冲突，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”。但是这样做仍然有产生冲突的可能，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发生冲突。

为了解决这一问题，在发送报文开始的一段时间，继续监听总线，采用边发送边接收的办法，把接收到的信息和本站发送的信息相比较，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。

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，则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，现在以太网在工业控制中得到了广泛的应用，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。

以太网仅仅是一个通信平台，它包括ISO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。它吸收了通用汽车公司支持的制造自动化协议的内容。(www.xing528.com)

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，如果信息已被接收站复制，则发送站将令牌置为“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。令牌环从本质上看是一种集中控制式的环，环上必须有一个中心控制站负责网络的工作状态的检测和管理。

（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，主站是主动的，主站首先向某个从站发送请求帧（轮询报文），该从站接收到后才能向主站返回响应帧。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。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。

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”。它是当代工业自动化的热点之一。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、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。

4.现场总线的国际标准

（1）IEC 61158

由于历史的原因，现在有多种现场总线标准并存，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。

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（Real Time Ethernet，RTE）。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（见表7-1）。

其中的类型1是原IEC 61158第1版技术规范的内容，类型2 CIP（Common Industry Protocol，通用工业协议）包括DeviceNet、ControlNet和实时以太网Ethernet/IP。类型6因为市场应用很不理想，已被撤销。

EPA（Ethernet for Plant Automation，用于工厂自动化的以太网）是我国拥有自主知识产权的实时以太网通信标准，已被列入现场总线国际标准IEC 61158第4版的类型14。

（2）IEC 62026

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。它包括：

IEC 62026-1：一般要求。

IEC 62026-2：执行器传感器接口（Actuator Sensor Interface，AS-i），西门子公司支持。

IEC 62026-3：设备网络DN，美国Rockwell公司支持。

IEC 62026-4：Lonworks总线的通信协议LonTalk，已取消。

IEC 62026-5：智能分布式系统SDS，美国Honeywell公司支持。

IEC 62026-6：串行多路控制总线SMCB，Honeywell公司支持。

表7-1 IEC 61158第4版的现场总线类型