PLC网络系统配置指南：计算机局部网络标准

ISO的OSI/RM是以广域网（WAN）为基础制定的，不够全面。局域网（LAN），特别PLC网络多采用共享通信介质的拓扑结构，若多个站点同时发送数据，就会出现冲突，而OSI/RM却对此没有解决方案。

为此，IEEE在1980年2月成立了局域网标准化委员会，对OSI/RM模型进行了改造，制定了一系列的标准，使其完善。这一系列标准称为IEEE802标准。该标准已被国际标准化组织（ISO）采纳、作为局域网的国际标准，称为ISO 802标准。在此标准中，LLC子层中规定了无确认无连接、有确认无连接和面向连接3种类型的链路服务。各个子标准之间的关系如图1-36所示。

以下分别对这几个标准作简要介绍：

1.IEEE802.1

它定义了IEEE 802标准和ISO开放系统互连（OSI）参考模型之间的关系。例如这个委员会为所有的802标准定义了48位的LAN站地址，这样每一个适配器就有唯一地址。IEEE把地址开始的3个字节赋予每一个供应商。然后每一个供应商负责为他的每个产品建立一个唯一的地址。

2.IEEE802.2

它定义了逻辑链路控制（LLC）协议。这些协议确保数据在一条通信链路上可靠地传输。OSI协议栈中的数据链路层被分成了介质访问控制（MAC）子层和LLC子层。

LLC协议是由高级数据链路控制（HDLC）协议派生而来的，并且两者在操作上类似。注意，LLC提供了服务访问点（SAP）地址，而MAC子层提供了一个设备的物理网络地址。SAP指定了运行于一台计算机或网络设备上的一个或多个应用进程地址。

LLC提供了以下服务：

1）面向连接的服务。在这个服务中，一个会话是和一个目的站建立的，并且当数据传输结束时，就关闭这个会话。每个站点都自动地参与数据传输，但是这样的会话要求一个建立时间以及会话双方由于监控带来的额外开销。

2）应答式面向连接服务。在这种服务中，分组传输是需要应答的。

3）非应答式无连接服务。在这种服务中不用建立会话，分组只是发往目的地。高层协议负责请求重发丢失的分组。由于LAN的高可靠性，这种服务因此成为LAN上的通常服务。LLC帧格式及其控制字段定义如图1-37所示。

图1-36 IEEE 802标准系列

图1-37 LLC帧格式及其控制字段

LLC帧分为信息帧、监控帧和无编号帧3类。信息帧主要用于信息数据传输。监控帧主要用于流量控制。无编号帧用于在LLC子层传输控制信号，以对逻辑链路进行建立与释放。LLC帧的类型取决于控制字段的第1、2位，信息帧和监控帧的控制字段均为2字节长，无编号帧的控制字段为1字节。监控帧控制字段中的第5～8位为保留位，一般设置为0。控制字段中的其他位的含义与EELC控制字段中的含义相同。

3.IEEE802.3（ISO 802.3）

它定义了争抢式总线网络，其基础是XEROX公司研制的以太网（Ethernet）。所定义的体系结构包括MAC子层和物理层。物理层又分为物理信令PLS和物理媒体连接件PMA两个子层。其体系结构示意图如图1-38所示。

图1-38 10Mbit/s以太网体系结构

PLS子层向MAC子层提供服务，它规定了MAC子层与物理层的界面，是与传输媒体无关的物理层规范。在发送比特流时，PLS子层负责对比特流进行曼彻斯特编码。在接收时，负责对曼彻斯特解码。另外，PLS子层还负责完成载波监听功能。PMA子层向PLS子层提供服务，它负责向媒体上发送比特信号和从媒体上接收比特信号，并完成冲突检测功能。IEEE802.3标准规定，PLS子层和PMA子层可以在，也可以不在同一个设备中实现。比如标准以太网10Base-5是在网卡中实现PLS功能，在外部接收器中实现PMA功能的。所以在10Base-5以太网中，需要使用收发器电缆将外部收发器和网络站点连接起来，于是出现了两种IEEE802.3体系结构。

MAC子层的核心协议是CSMA/CD，它的帧结构如图1-39所示。

图1-39 IEEE802.3帧结构

其中，7个字节的先导字段是接收方与发送方时钟同步用的，它的每个字节的内容都是10101010。一个字节的帧开始标志，表示一个帧的开始，内容为10101011。随后是两个地址段：源地址和目的地址，目的地址可以是单个的物理地址，也可以是一组地址（多点广播），当地址的最高位为0时，是普通地址，为1时，是组地址。2字节的数据字段长度标志，指明数据段中的字节数。数据字段就是LLC数据帧，如果帧的数据部分少于46字节，则用填充字段，使之达到要求的最短长度，其原因见后续叙述。

在IEEE 802.3标准中，定义目的地址和源地址长度是2字节或者6字节。因此帧的长度范围是64～1518个字节。需要注意的是在实际应用中，目的地址和源地址长度都是6字节，因此帧的实际最小长度为72字节。

IEEE802.3支持的物理层介质和配置方式有多种，是由一组协议组成的。每一种实现方案都有一个名称代号，由以下3部分组成：

<数据传输率（Mbit/s）><信号方式><最大段长度（百米）或介质类型>

如10BASE-5、10BASE-2、100BASE-T等。这里，最前面的数字指传输速率，如10为10Mbit/s，100为100Mbit/s。中间的BASE指基带传输，BROAD指宽带传输。最后若是数字的话，表示最大传输距离，如5是指最大传输距离500m，2指最大传输距离200m。若是字母则第一个表示介质类型，如T表示采用双绞线，F表示采用光纤介质，第二个字母表示工作方式，如X表示全双工方式工作。

IEEE802.3定义的争抢式总线含义是，多个站点连接在一根总线上，共享广播式的传输总线。每个站都是平等的采用竞争方式争得数据发送权。取得发送权的站点可向所有站点广播发送数据（报文）。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，否则不予处理。但由于这里没有专门的控制站，两个或多个站可能因同时发送数据而发生冲突，会造成报文作废，因此必须采取措施来防止冲突。

为此，简单的办法是，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，称之为“先听后讲”。但是这样做仍然有发生冲突的可能，因为报文在总线上传输到所有站点需一段时间，在这一段时间内，另一个站通过监听也可能会认为总线空闲而也发送报文，这样就会因两站同时发送而发生冲突。

为了防止这样的冲突，采取的措施是，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办法，把接收到的信息和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，则说明有冲突，应立即停止发送，并发送一段简短的冲突标志（Jam），以表明总线不能再使用。通常把这种“先听后讲”和“边听边讲”相结合的方法称为CSMA/CD（Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection）。

尽管有了这个“听”的检测，但如果有多个站点一检测到总线空闲，就都立即发送，肯定又都会检测到冲突，又都退出。进而，又是重复上述过程。这样长此下去的结果是，哪个站点也发送不了数据。所以，不能检测到总线空闲，就立即发送数据，而是要有退避机制，即检测到空闲时，都要随机延时一段时间后再发送。图1-40显示了采用CSMA/CD方法的流程图。

这个随机时间计算可用不同的算法。常用是称为二进制数退避算法（Binary Exponential Back off）。其工作原理如下：

•如果一个站点发生了第一次冲突，就等待0或1个时隙（随机选择），然后重试。

•如果它发生了第二次冲突，就等待0、1、2或3个时隙（仍是随机选择）。

•在第三次冲突后，等待时间从0～7个时隙不等。

•一般来说，在第n次冲突以后，如果n≤10，等待时间从0～2^n-1个时隙。如果n>10，等待时间从0～1024个时隙。

•在发生第16次冲突以后放弃。这时网络可能出了问题，要人工诊断解决。

很明显，这种方法试图通过控制可能的时隙数来使过长的等待减到最小。毕竟，如果两个站点冲突了，它们有50%的机会在第二次尝试中获得成功（假设没有别的站点要发送数据）。但如果有很多个站点发生了冲突，即使是仅有一个站点在第二次尝试中成功的机会也是很小的。成功的站点必须选择0或1个时隙，而其他的所有站点选剩下的另一个。通过在每次冲突后增加可能的时隙数，再次冲突的机会将按指数规律下降。只有当前面所有的尝试都失败了以后，才有可能出现大的时隙数。这时，让某些站点长时间地等待也许是唯一的解决方案。

此外，如何保证“边听边讲”是否有效也是要考虑的。如果发送帧（报文）太小，到发送完毕虽没能检测到冲突，但也不能确认发送的帧没有冲突。因为有这样可能，信号传播的前端快到，但还没有到最远的目的站，对方由于没有检测到这个信号，而发送自己的帧，结果这两个帧产生冲突，而这个冲突信号返回到发送站点还要时间，但如果发送帧太小，这时此帧已发送完毕，就没能检测到这个冲突。

当然，帧的最大长度也要有所限制。这可使其他站点也能得到发送权，以确保使网络正常工作。对于10Mbit/s的基带CSMA/CD网，MAC帧的总长度为64～1518B。如果帧太长，可进行分组；而帧太短，则须填充字段必要的字节。

CSMA/CD这种争用协议最大的优点是算法较简单，技术上易实现。每一站点处于平等地位，无需知道其他站点的细节。站点添加与站点退出对网络都无关紧要。所以，得到了越来越广泛的应用与快速的发展。很适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格和通信负荷较轻的应用环境中。

图1-40 CSMA/CD流程图

4.IEEE802.4

它定义了令牌总线网络。是由GM公司支持的制造自动化协议（Manufacturing Automa-tion Protocol，MAP）派生而来的。从物理上看，它属于一种总线结构的局域网，但从逻辑上看，它又属于一种环形结构的局域网。它用令牌（实际是一个带有地址字段的短帧）授予站点的数据发送权，只有获得令牌的站点才能发送数据。它的每一站点都设定有一个本身逻辑地址及上一个站点地址和下一个站点地址，如图1-41所示。

从图中可以看出，在物理结构上它是一个总线结构局域网，但是在逻辑结构上，又成了一种环形结构的局域网。如图所示，该网络共有5个站点，但只有4个加入逻辑环。令牌在逻辑环上依次（A→D→B→C→A）循环传递，与物理位置无关。

图1-41 令牌总线网

在网络空闲时，从逻辑上看，令牌是按上述设定的顺序传递；而从物理上看，令牌广播到总线上的所有站点，只有站点地址和令牌帧的目的地址相符的站点才有权获得令牌。

获得令牌的站点，如果有数据要发送，则可立即传送数据，完成发送后再将令牌传送给下一个站点；如果没有数据要发送，则应立即将令牌传送给下一个站点。由于总线上传递令牌是按顺序依次进行的，因此所有站点都有数据发送权。

为了使站点等待令牌的时间确定，需要对每一站点发送数据帧的最大长度有所限制。如果所有站点都有数据发送，在最坏的情况下，则等待获得令牌的时间应该等于网络所有令牌传送时间和最大长度数据帧发送时间的总和。如果只有一个站点有数据要发送，在最坏的情况下，等待时间只是令牌传送时间的总和。上述两者情况，平均等待时间都是它的一半，而实际等待时间则是在这一区间范围内，比较确定。

图1-42 令牌总线MAC帧格式

令牌总线还提供了不同的优先级机制。优先级机制的功能是将待发送的帧分成不同的访问类别，赋予不同的优先级，并把网络带宽分配给优先级较高的帧，而当有足够的带宽时，才发送优先级较低的帧。令牌总线MAC帧格式如图1-42所示。

帧校验序列FCS使用32位CRC码，校验范围为SD与ED之间的帧内容。数据字段有3类，即LLC协议数据单元，MAC管理数据和用于MAC控制帧的数据。在SD和ED之间的字节数应少于8191。另外还有异常终止序列格式，仅由SD和ED两个字节组成。

令牌总线的主要操作如下：

1）环初始化，即生成一个顺序访问的次序。网络开始启动时，或由于某种原因，在运行中所有站点不激活的时间超过规定的时间，都需要进行逻辑环的初始化。初始化的过程是一个争用的过程，争用结果只有一个站能取得令牌，其他的站点用站插入的算法插入。

2）令牌传递算法。逻辑环按递减的站地址次序组成，刚发完帧的站点将令牌传递给后继站，后继站应立即发送数据或令牌帧，原先释放令牌的站监听到总线上的信号，便可确认后继站已获得令牌。

3）站插入环算法。必须周期性地给未加入环的站点以机会，将它们插入到逻辑环的适当位置中。如果同时有几个站要插入时，可采用带有响应窗口的争用处理算法。

4）站退出环算法。可以通过将其前趋站和后继站连接到一起的办法，使不活动的站退出逻辑环，并修正逻辑环递减的站地址次序。

5）故障处理。网络可能出现错误，这包括令牌丢失引起断环，重复地址、产生多个令牌等。网络需对这些故障做出相应的处理。

令牌总线网络通过总线拓扑结构使用的是75Ω CATV同轴电缆构造。IEEE802.4标准的宽带特性，支持在不同的信道上同时进行传输。宽带电缆有较强的传输能力，传输率可达10Mbit/s。

令牌总线网络的令牌传递顺序不是根据站的物理位置确定，因此必须有一个有效的MAC子层协议来管理。从IEEE802.4标准的原文超过200页之多可看出，它的MAC子层协议多么复杂。所以，目前计算机网络已不用它了。但PLC网络由于通信的确定性要求很高，所以还常用它。

5.IEEE802.5(www.xing528.com)

它定义了令牌环（TokenRing）网络。在物理上，令牌环网络是一个由一系列环接口和这些接口间的点到点链路构成的闭合环路。而各站点则通过环接口连接到网上。原来是由IBM公司于20世纪70年代开发的，现在也仍是IBM主要的局域网技术。而IEEE802.5和IBM公司的令牌环网标准基本兼容。

IEEE802.5令牌环的MAC帧有两种基本格式：令牌帧和数据帧。

令牌帧只有3个字节长，数据帧则可能很长。这两种帧都有一对起始定界符SD和结束定界符ED用于确定帧的边界。

访问控制字段AC的格式如下：

其中T为令牌/数据帧标志位，为“0”表示令牌，为“1”表示数据帧。M为监控位，用于检测环路上是否存在持续循环的数据帧。PPP（3bit）为优先级编码，RRR（3bit）为预约编码。

帧控制字段FC中的前两位标志帧的类型。“01”表示一般信息帧，即其中的数据字段为上层提交的LLC帧；“00”表示MAC控制帧，此时其后的6位用以区分控制帧的类型。信息帧只发送给地址字段所指的目的站点，控制帧则发送给所有站点。控制帧中不含数据字段。

数据字段的长度没有下限，但其上限受站点令牌持有时间的限制。

帧状态字段FS的格式如下：

字段中设置了两位A和两位C，其中4位未定义。A为地址识别位，发送站发送数据帧时将该位置“0”，接收站确认目的地址与本站相符后将该位置“1”。C为帧复制位，发送站发送数据帧时将该位置“0”，接收站接收数据帧后将该位置“1”。重复的A、C是为了提高可靠性。

结束定界符ED除了用于指示帧的结束边界外，其最后一位还用做差错位，发送站发送数据帧时将该位置“0”。任何一个站点转发该数据帧时发现有错，都可以将该位置“1”。

令牌环网的工作过程为

1）网络空闲时，只有一个空闲令牌（帧）在环路上绕行。

2）当一个站点要发送数据时，必须获得一个空闲令牌。获得后先将令牌的相应标志位置为“1”，随后发送置“1”后的令牌（帧）及数据（帧）。

3）环路中的每个站点边转发数据，边检查数据帧中的目的地址，若为本站点的地址，便读取其中所携带的数据。并对数据帧置上已读取标志及相关信息。

4）数据帧绕环一周返回时，发送站将其从环路上撤销。同时根据返回的有关信息确定所传数据有无出错。若有错则重发存于缓冲区中的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧。

5）发送站点完成数据发送后，重新产生一个空闲令牌传至下一个站点，为其他站点提供获得令牌的机会。

当令牌在环路上绕行时，可能会产生令牌的丢失，此时，应在环路中插入一个空令牌，以确保环路的利用率。而令牌的重复也会破坏网络的正常运行，也要将多余的予以撤销。为此，必须设置一个监控站点，以保证环路中只有一个令牌绕行。

令牌环的主要优点在于其访问方式具有可调整性和确定性，且每个站点具有同等的介质访问权。同时，还提供优先权服务，具有很强的适用性。同时，它发送的数据量较大，可达4500字节。它的主要缺点是要有监控站点，维护复杂，实现较困难。同时，在轻载时，网络利用率较低。

要强调的是，令牌环网的各站点不是收到全部数据后再转传，而是边收边传。这里就存在一个问题，是否发送站没有把发送帧全部发完，就有先发出去的位已返回？如真是这样当然是不允许了。但在实际上信号在网络上传播是有时延的。同时，每经过一个接口也都会有时延。只要这些延时足够长，足以把要发送帧全部发出去就没有问题了。

这里，这个延时用环路比特长度来表示。它反映环上可容纳的最大帧的长度。环路比特长度可由下式计算：

环路比特长度=信号传播时延×数据传输速率+接口延迟位数（接口的延时也折算为位）

=环路媒体长度×5（μs/km）×数据传输速率+接口延迟位数

式中，5μs/km即为信号传播速度200m/μs的倒数。

例如，某令牌环媒体长度为10km，数据传输速率为4Mbit/s，环路上共有50个站点，每个站点的接口引入1位延迟，则可计算得

环路比特长度=10km×5μs/km×4Mbit/s+1bit×50

=250bit

说明这个环路最大可传送的帧为250bit。

如果由于环路媒体长度太短或站点数太少，以至于环路的比特长度不能满足数据帧长度的要求，可以在每个环接口引入额外的延迟，如使用移位寄存器等。以确保环路能容纳下最大的帧长度。

此外，光纤分布式数据接口（FDDI）也是基于802.5令牌环协议的，它是由Accredited标准委员会（ASC）X3T9开发的。FDDI数据传输速率达100Mbit/s，采用4B/5B编码，要求信道媒体的信号传输率达到125Mbaud。

光纤分布数据接口（FDDI）是目前成熟的LAN技术中传输速率最高的一种。使用光纤作为传输媒体具有以下优点：较长的传输距离，相邻站间的最大长度可达2km，最大站间距离为200km；具有较大的带宽，FDDI的设计带宽为100Mbit/s；具有对电磁和射频干扰抑制能力，在传输过程中不受电磁和射频噪声的影响，也不影响其设备；光纤可防止传输过程中被分接偷听，也杜绝了辐射波的窃听，因而是最安全的传输媒体。

由光纤构成的FDDI，其基本结构为双环的。一个环为主环，另一个环为备用环。当主环上的设备失效或光缆发生故障时，主环可向备用环切换，以维持FDDI的正常工作。这种故障容错能力是其他网络所没有的。

令牌环网络的令牌也比较复杂，目前计算机网络也已不用它了。但它的通信确定好，所以，有的PLC网络还用它，如OMRON的SYSMAC NET就采用这种方式。不过在OMRON新的机型中这个SYSMAC NET也已不用了。

6.IEEE802.6

城域网标准，定义了一个高速协议，协议规定网上的每个站点都使用一种叫分布式队列双总线（DQDB）的访问方法共享一条双光纤总线。双总线提供了容错特性，当总线发生故障时，它能保持连接的正常工作。MAN标准是为一个大约50km的城域范围内提供数据、声音和视频服务而设计的，MAN标准规定的数据传输率是1.5Mbit/s、45Mbit/s和155Mbit/s。DQDB是交换式多兆位数据服务（SMDS）的基本访问协议，SMDS是许多公共电信局提供的一种在城域范围内建立专用网的方法。DQDB是一个信元中继网，交换固定长度为53字节的信元；因此它与宽带ISDN（B—ISDN）和异步传输模式（ATM）兼容。信元的交换发生802.2的逻辑链路控制层。

MAN服务有无连接服务，面向连接服务和实时视频服务。总线上有许多定长槽，这些槽是放置那些在总线上传递的数据的。任何一个想传输的站点只需简单地把数据放在一个或多个槽中。但是，为了适应时间敏感的同步数据，固定间隔的定长槽必须保留以担保数据按时按序到达。

7.IEEE802.7

宽带技术咨询组。向其他分委员会提供有关宽带连网技术的技术咨询。

8.IEEE802.8

光纤技术咨询组。当用光纤来代替现有的基于铜缆的网络时，该组会向其他分委员会提供有关光纤网方面的技术咨询。

9.IEEE802.9

综合数据声音网IEEE802.9工作组。其工作是把声音、数据和视频信号集成到802局域网（LAN）和综合业务数字网（ISDN）上传输。规范中定义的站点包括电话、计算机和视频编码/解码器。该规范已经被称为综合的声音和数据规范，或IVD。这项服务在使用铜质双绞线的两个站点之间的通道连接中提供能携带数据和声音信息的多路复用流。标准中定义了几种不同类型的通道，包括全双工64Kbit/s无交换、电路交换或分组交换通道。

10.IEEE802.10

网络安全技术咨询组。这个组的主要工作是定义在多个网络上进行互操作时的标准安全模型，在这个模型中加入鉴别和加密方法。

11.IEEE802.11

IEEE802.11是第一代无线局域网标准之一。该标准定义了物理层和媒体访问控制（MAC）协议的规范，允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。与802.3相比，802.11有如下新特点：在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法，定义了两个射频（RF）传输方法和一个红外线传输方法。RF传输标准是直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）。由于在无线网络中冲突检测较困难，媒体访问控制（MAC）层采用避免冲突（CA）协议，而不是冲突检测（CD），具有独特的媒体访问控制机制，以CSMA/CA的方式共享无线媒体。

IEEE 802.11是1997年制定的是原始标准（2Mbit/s，工作在2.4GHz）。后续还有很多有关改进标准如：

IEEE 802.11a，1999年，物理层补充（54Mbit/s，工作在5GHz）。

IEEE 802.11b，1999年，物理层补充（11Mbit/s，工作在2.4GHz）。

IEEE 802.11c，符合802.1D的媒体接入控制 层桥接（MAC Layer Bridging）。

IEEE 802.11d，根据各国无线电规定做的调整。

IEEE 802.11e，对服务质量（Quality of Service，QoS）的支持。

IEEE 802.11g，2003年，物理层补充（54Mbit/s，工作在2.4GHz）。

IEEE 802.11h，2004年，无线覆盖半径的调整，室内（indoor）和室外（outdoor）信道（5GHz频段）。

IEEE 802.11i，2004年，无线网络的安全方面的补充。

IEEE 802.11j，2004年，根据日本规定做的升级。

IEEE 802.11m，维护标准；互斥及极限。

IEEE 802.11n，更高传输速率的改善，支持多输入多输出技术（Multi-Input Multi-Out-put，MIMO）。

IEEE 802.11k，该协议规范规定了无线局域网络频谱测量规范。该规范的制定体现了无线局域网络对频谱资源智能化使用的需求。

IEEE 802.11p，这个通信协定主要用在车用电子的无线通信上。它在设定上是从IEEE802.11来扩充延伸，从而符合智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）的相关应用。等等。

12.IEEE802.12

需求优先（100VG-AnyLAN）委员会。正用由惠普公司和其他供应商共同提出的需求优先访问方法来制定100Mbit/s的以太网标准。规定的电缆是4线铜质双绞线，需求优先访问方法是通过一台中心Hub来控制对电缆的访问。优先级方法可有效地支持实时多媒体信息的发送。

以上只是对IEEE802的一些标准做点儿简要说明。对PLC，除IEEE802.2外，目前采用的主要标准是IEEE802.3、IEEE802.4及IEEE802.5。