工业网络基础知识&物理层简述
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1工业网络概述
1.1网络的性能指标
速率（speed）：指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，即比特率（bit rate)，单位b/s（bps)。速率往往指额定速率。
与波特率（baud rate)不同，波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数。
波特率与比特率的关系为：比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数（I=S*log2（N））
带宽（bandwidth):表示网络通信线路传送数据的能力，即单位时间内通过某个网络的最大数据量,单位b/s。
虽然教科书中速率和带宽描述相近，但二者有本质上的不同。通俗来讲：
速率更多涉及物理概念，描述的是一个网络线路中硬件所能承载的最大传送数据的速率。
带宽更多涉及逻辑概念，描述的是接收方在一秒里面能接收到多少bit的数据。
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吞吐量（throughput）：单位时间内通过内通过某个网络的数据量，单位b/s
带宽是说的是单位时间内通过最大值数据量，吞吐量说的是某个单位时间内通过的数据量（属于实时数据，每个单位时间内通过数据量可能不等）。但吞吐量不能超过带宽。
时延：时延是指一个报文或分组从网络的一端传送到另一端所需要的时间。发送时延、传播时延、处理时延、排队时延构成总时延
往返时间/往返时延（Round-Trip Time,RTT)：是指从发送方发送数据开始到收到接收方确认为止共经历的时间，包括传播时延、排队时延和处理时延
利用率：分为信道利用率和网络利用率。
信道利用率指某信道有百分之几的时间是被利用的
网络利用率指全网络的信道利用率的加权平均值
信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过，同时又给信号加以限制和损害。
1.2网络的体系结构
常用的网络协议有OSI的七层协议（过于复杂而不实用），TCP/IP的四层协议（应用广泛）和用于教学的五层协议。工业网络和民用网络架构相似。
下图摘自《计算机网络》李春阳 计算机网络体系结构
TCP/IP的发展比OSI模型早几年，二者都是为了实现异构计算机网络之间的协同工作而设计的。
OSI模型及协议从诞生起便是作为国际标准设计的，但由于其过于庞大和复杂而难以实现。TCP/IP并没有特意设计为分层结构，只是后来为了和OSI模型进行比较才参照其相应层的定义建立了TCP/IP参考模型。其最下面的网络接口层并非通常意义上的层，仅仅是网络层和底层的接口。TCP/IP协议本身并无数据链路层和物理层，实际应用时，它借用了其它通信网络上的数据链路层和物理层，TCP/IP协议通过它的网络接口和这些通信网络连接起来，正因如此，TCP/IP才能作为因特网的基础。
1.3工业网络和民用网络的区别
- 工业网络实时性要求高于民用网络
- 工业网络相比民用网络可以在更恶劣的环境中工作
因此民用网络不能直接应用在工业环境中代替工业网络，需要有新的适合工业环境和工厂需求的工业网络标准提出。目前主流的工业以太网协议为profinet。
1.4工业网络类型
- 直连通讯网络
- 冗余通讯网络
- 虚拟局域网络
- 无线通讯网络
- 控制器间通讯网络
1.5工业网络组件
- 工业有线通讯系统
- 工业无线通信系统
- 工业控制器
2物理层
2.1物理层的任务
物理层位于OSI参考模型的最底层，它利用传输介质为数据链路层提供物理连接，主要任务是确定链路的机械、电气、功能、规程特性。
机械特性：接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等
电气特性：接口电缆各条线出现的电压范围
功能特性：物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义
规程特性：对不同功能的各种可能时间的出现顺序进行描述
2.2数据通信系统的模型
一个数据通信系统由源系统、传输系统、目的系统3部分组成。
源系统由源点（或称源站或信源）和发送器组成。源点设备产生要传输的数据；通常源点产生的数字比特流要通过发送器编码后采能够在传输系统中进行传输。
传输系统在源系统和目的系统之间，可以是简单传输线或复杂网络。
目的系统由接收器和终点（或称目的站或信宿）组成。接收器就是接受传输系统传送过来的信号，并把它转换成能够被终点设备处理的信息。终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流，然后把信息输出。
2.3传输媒体
即传输介质，分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
导引型传输媒体：电磁波被导引着沿固体媒体传播。
常见导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光缆
其中双绞线更具有无屏蔽层分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线；
光纤根据模数（是指光纤中的光通路）分为单模光纤和多模光纤
非导引型传输媒体：电磁波在自由空间传播。
常见非导引型传输媒体：微波通信、卫星通信、红外线通信、激光通信
西门子快速以太网电缆
属于双绞线。
以太网帧传输速度可高达 1 千兆/每秒，使用光纤电缆 (1000BASE-X) 或者铜轴双绞线电缆(1000BASE-T)，可连接高速以太骨干网络。
2.4信道复用技术
复用技术是指一种在传输路径上综合多路信道，然后恢复原机制或解除终端各信道复用技术的过程。这种技术的好处在于提高信道利用率、共享信道资源、降低网络成本。
在复用系统中，N个设备共享一条链路。**复用器（MUX）**在 发送端将多路传输流量组合成一个单独的传输流（多合一）；**解复用器（DEMUX）**在接收端再把它分解成原来的几个独立传输流 （一分多）并将它们导向所期望的接收设备。
常用的复用技术有：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用。
2.5差错控制
传输中的误码是无法避免的，除了改善传输介质和通信环境，还可通过差错控制来降低误码率。
2.6有线宽带接入技术
非对称数字用户线路（ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line）
ADSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
ADSL的上行带宽和下行带宽是不对称的，上行指从用户到ISP，下行指从ISP到用户。ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器来使用户线的数据率尽可能高，我国目前采用的方案使DMT调制解调技术。
2.6硬件设备
集线器（hub)
集线器是计算机网络中连接多个计算机或其它设备的连接设备，其实质为中继器，主要提供信号放大和中转的功能，把一个端口接受的全部信号向所有端口分发出去。集线器和其所有接口所接的主机共同构成了一个冲突域和一个广播域。
冲突域是指在同一个网络上两个设备同时进行传输则会产生冲突；所有的共享介质环境都是一个冲突域。
广播域是指网络中的某一设备同时向网络中所有的其它设备发送数据，这个数据所能广播到的范围。
在物理层扩展以太网
用多个集线器可连成更大的局域网。
调制解调器（modem）
调制解调器是调制器和解调器的简称。
调制指把数字信号转换成模拟信号；解调指把模拟信号转换成数字信号。