第3章物聯網網絡層3.1物聯網網絡層概述3.2互聯網技術3.3短距離無線通信技術3.4移動通信技術3.5NB-IoT技術3.6工業互聯網通信技術3.7本章小結第3章本章內容什么是物聯網網絡層？物聯網的網絡層基本包含了目前所有的網絡形式。網絡接入技術、網絡傳輸技術、網絡安全技術。感知技術采集的數據需要傳輸給應用層，或將數據向感知層傳輸，需要利用物聯網通信技術完成傳輸操作。網絡層關鍵技術有互聯網技術、移動通信技術、短距離無線通信技術（藍牙、NFC、IEEE802.11、IEEE802.15.4、ZigBee、衛星通信網等）、光通信網絡技術、VPN虛擬網絡技術、WSN技術、總線技術（如CAN等技術）3.1概述計算機網絡自從以互聯網為代表的計算機網絡技術飛速發展，網絡已深深地植入人們的生活中。從最初的簡單局域網到互聯網和物聯網，從固定網到移動網，這其中滲透著人類的智慧。計算機網絡給用戶提供的最基本且重要的功能是連通性和共享性。計算機網絡的發展規模及速度遠遠超過人們最初的預期。隨著各個領域新需求不斷被提出和新應用不斷被推廣，計算機網絡的發展具有顯著的階段性特征。3.2互聯網技術第一階段的計算機網絡可從20世紀50年代算起，人們在電子數字計算機問世后，自然會產生將計算機與通信技術結合的想法，加之當時美國軍方的需要，促進了計算機網絡技術的研究，并形成相關的理論基礎。

第二階段以20世紀60年代美國的ARPANET與分組交換技術為代表，同時奠定了互聯網發展的基礎。3.2互聯網技術第三階段可從20世紀70年代中期開始，國際各計算機廠商紛紛研發和推廣自己的計算機網絡系統。

第四階段為計算機網絡發展和應用最活躍階段，它可從20世紀90年代算起，很多我們所熟悉的技術名詞都是這個階段的，如互聯網、三網融合、P2P網絡技術、移動互聯網等。3.2互聯網技術計算機網絡的定義計算機網絡是指將分布在不同地理位置的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統、網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳輸的計算機系統。3.2互聯網技術計算機網絡的分類人們根據不同角度將計算機網絡分成不同的類別，如根據范圍的不同，可將計算機網絡分為個人區域網（PersonalAreaNetwork，PAN）、局域網（LocalAreaNetwork，LAN）、城域網（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和廣域網（WideAreaNetwork，WAN）；根據使用者的不同，可將計算機網絡分為公用網（PublicNetwork）和專用網（PrivateNetwork）；根據傳輸介質的不同，可將計算機網絡分為有線網和無線網等。3.2互聯網技術計算機網絡性能（1）速率速率是指計算機在數字信道上每秒鐘傳輸的比特數，也稱為數據率或比特率。

（2）帶寬帶寬是指某個信號具有的頻帶寬度。在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡的通信線路在單位時間內從某一點到另一點所能傳輸的最高數據率。3.2互聯網技術計算機網絡性能（3）吞吐量吞吐量是指在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的實際數據通信量。（4）時延時延也叫作延遲或遲延，是描述計算機網絡性能的重要指標。計算機網絡體系結構由于計算機網絡是個非常復雜的系統，為便于設計和實現計算機網絡，其體系結構的劃分多以分層次為基本思路進行。1974年，美國的IBM推出著名的網絡標準——系統網絡體系結構（SystemNetworkArchitecture，SNA）。1977年，國際標準化組織成立了專門機構來研究計算機網絡體系結構的標準化問題，提出了著名的開放系統互連參考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI-RM），簡稱OSI。OSI參考模型如圖3-1所示。3.2互聯網技術圖3-1OSI參考模型3.2互聯網技術OSI的七層協議體系結構在理論方面比較完整，概念比較清晰且邏輯性強，但其過于復雜的設計反而在應用上不方便。因此，有人提出了TCP/IP參考模型。TCP/IP體系的四層結構分別為網絡接口層、網絡層、傳輸層和應用層；其五層結構分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，上述兩種體系結構模型及其與OSI參考模型的對應關系如圖3-2所示。3.2互聯網技術圖3-2OSI參考模型和TCP/IP參考模型

(a)OSI參考模型

(b)TCP/IP四層結構模型

(c)TCP/IP五層結構模型3.2互聯網技術層次功能由低到高的層次順序簡要介紹各層功能：（1）物理層物理層（PhysicalLayer）所傳輸的數據單位是比特（1或0），也就是說物理層的功能就是透明地傳輸比特流。（2）數據鏈路層數據鏈路層（DataLinkLayer）介于物理層和網絡層之間，它在物理層提供的服務的基礎上向網絡層提供相鄰節點間透明、可靠的信息傳輸服務。3.2互聯網技術（3）網絡層網絡層（NetworkLayer）的主要作用是將數據分成一定長度的分組，將分組從發送數據的源節點傳送到接收數據的目的節點。（4）傳輸層傳輸層（TransportLayer）提供了主機應用程序進程之間的端到端的服務，為上層用戶提供不依賴于具體網絡的高效的數據傳輸服務。3.2互聯網技術（5）應用層應用層（ApplicationLayer）在OSI參考模型與TCP/IP參考模型中的最高層，為應用程序提供服務以保證通信，但不是進行通信的應用程序本身。3.2互聯網技術TCP/IP協議TCP/IP協議是互聯網上應用的基礎協議，它由TCP（屬于傳輸層）協議和IP（屬于網絡層）協議共同組成，協調工作。3.2互聯網技術IP協議IP是工作于OSI參考模型中的網絡層，為計算機網絡相互連接進行通信而設計的協議。事實上，區別互聯網中不同的計算機主要依靠IP地址。3.2互聯網技術IP地址有兩個標準：IPv4（InternetProtocolversion4）標準和IPv6（InternetProtocolversion6）標準。（1）IPv4標準已為我們所熟悉，而IPv6標準被稱作下一代互聯網協議，解決互聯網中IP地址緊缺的問題。（2）IPv6地址由128個二進制位（16字節）組成，表示寫成8組十六進制形式的無符號整數，每組整數間用冒號（:）分開，如一個合法的IPv6地址形式上應為ACB2:0EC1:745B:35d0:10FF:7EDB:02AE:2CAF。3.2互聯網技術TCP協議TCP是工作在傳輸層的重要協議，它能夠駐留在用戶計算機中并提供用戶進程之間的可靠數據傳輸服務。（1）TCP報文結構TCP實體間交換的協議數據單元稱為段（Segment），每個段由報文段頭部（簡稱報頭或報首）和數據兩部分組成，其中數據的長度受限于最大段的長度。TCP的報頭由一個20字節的固定頭部及可變長度的選項（若選用）組成，如圖3-3所示。3.2互聯網技術圖3-3TCP段的頭（首）部結構3.2互聯網技術

1）源端口號/目的端口號：源端口號和目的端口號分別用于識別發送進程和接收進程。

2）TCP段的首字節序號：該序號指出TCP段的首字節序號。TCP提供的是字節流服務，故TCP段中的每字節都有一個序號。

3）確認號：用于對收到的數據進行確認，表示接收方期待接收下一字節，并證明該序號之前的字節已全部正確收到。3.2互聯網技術

4）TCP報頭長度：指示TCP報頭的長度（以32bit為單位）。該字段的最大值為15，因此限制了TCP報頭最大長度為60字節，即選項最多為40字節。5）接收窗口大小：指示接收窗口大小。該字段用于流量控制，表示發送方從“確認號”開始可以發送的字節數。6）檢查和：該字段與UDP中的檢查和字段用法相同，通過對TCP偽頭及TCP數據計算檢查和得到。2）TCP連接的建立。3.2互聯網技術

（2）TCP連接的建立為了能夠順利完成數據在網絡中的傳輸，TCP在發送數據前需要在發送端和接收端之間建立一個可靠連接，其連接建立過程如圖3-4（a）所示。3.2互聯網技術圖3-4（a）TCP連接建立過程 3.2互聯網技術這個連接是通過“三次握手”來建立的，建立過程如下。

1）主機A發送SYN=1且ACK=0的TCP段，給出自己的起始連接序號x。

2）主機B返回一個SYN=1且ACK=1的TCP段，給出自己的起始連接序號y并放入TCP段的首字節序號域中，對x進行確認。3.2互聯網技術

3）主機A發送SYN=0且ACK=1的TCP段，對y進行確認。

4）在以上的三次握手過程中，前兩個TCP段都使用了定時器，并在定時器超時后重發。當數據發送完成后，需要對所建立的連接進行釋放，以節省資源。TCP采用對稱釋放法來釋放連接，在釋放時，任何一方想要釋放連接，需要先行發送TCP段，這里以主機A發起釋放連接為例，具體過程如圖3-4（b）所示，過程如下。3.2互聯網技術圖3-4（b）釋放TCP連接3.2互聯網技術

1）主機A發送FIN=1的TCP段（稱為FIN報文段）；當這個段被確認后，這個方向的連接就釋放了。

2）主機B發送確認信號，一個方向的連接釋放。

3）主機B發送FIN=1的TCP段。

4）主機A發送確認信號，另一個方向的連接釋放。從上述過程中可以看出，TCP連接的釋放需要經過4個階段。3.2互聯網技術

3）TCP流量控制TCP協議使用可變長度的滑動窗口進行流量控制，在網絡層和傳輸層上進行擁塞控制。4）套接字接口為了允許應用程序訪問傳輸層的服務，傳輸層必須向應用程序提供應用程序接口（ApplicationProgramInterface，API）。3.2互聯網技術

Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，是一組獨立于具體協議的網絡編程接口。在TCP/IP參考模型中，Socket主要位于傳輸層和應用層之間，把復雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口后面，如圖3-5所示。3.2互聯網技術圖3-5Socket在TCP/IP參考模型中的位置關系3.2互聯網技術一個完整的網絡通信需要一個五元組來標識：協議、本地地址、本地端口號、遠端地址、遠端端口號。在C/S（客戶端/服務器）模式中，一個完整的網絡應用程序包括客戶端（Client）和服務器（Server）兩部分，其中請求服務的一方稱為客戶，而提供某種服務的一方則稱為服務器。一個服務程序通常在一個眾所周知的地址監聽對服務的請求，也就是說服務進程一直處于休眠狀態，直到一個客戶對這個服務的地址提出了連接請求。在這個時刻，服務程序被“驚醒”并且為客戶提供服務，對客戶的請求做出適當的反應，客戶端/服務器的請求及響應過程如圖3-6所示。3.2互聯網技術圖3-6客戶端/服務器的請求及響應過程3.2互聯網技術套接字是一個通信終節點，是Socket應用程序用來在網絡上發送或接收數據包的對象。套接字的類型，與正在運行的進程相關聯，并且可以有名稱，套接字一般只與使用IP協議組的同一“通信域”中的其他套接字交換數據。套接字通信模型如圖3-7所示。圖3-7套接字通信模型3.2互聯網技術1）流式套接字。流式套接字（SOCK_STREAM）是基于TCP協議并提供沒有記錄邊界的數據流（字節流）。

2）數據報套接字。數據報套接字（SOCK_DGRAM）是基于UDP協議并支持面向記錄的數據流，但不能確保被送達，也無法確保數據包按發送的順序送達，但是可以保證一個特定的數據包只能被獲取一次。數據報套接字（無連接通信）的程序執行過程如圖3-9所示。3.2互聯網技術圖3-9數據報套接字（無連接通信）的程序執行過程3.2互聯網技術對于上述兩種套接字模式的使用，應根據實際需求來選用。3.2互聯網技術藍牙藍牙（Bluetooth）是一種常用的短距離無線通信技術，支持設備短距離、高數據率的無線數據與語音通信的開放性全球無線規范。截止到2023年1月，藍牙共有版本為V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/5.2/5.3。3.3短距無線通信技術藍牙3.0技術藍牙3.0的核心采用一種全新的交替射頻技術（AMP）。該技術能夠根據不同任務動態選擇射頻。藍牙3.0通過集成的“802.11PAL”（協議適應層）使其數據傳輸速率達到24Mbit/s（兆比特/秒）（實際是根據需要調用802.11Wi-Fi來實現高速數據傳輸的）。這一速率是藍牙2.0的8倍，更加拓寬了藍牙3.0的應用面。藍牙4.0技術與前面版本相比，藍牙4.0的改進之處主要體現在3方面：電池續航時間、節能和設備種類。3.3短距無線通信技術藍牙5.2技術

該標準與前面版本相比信息更穩定、抗干擾能力更強，同時安全性更高。目前，藍牙5.2主要應用于共享單車、智能手機、平板電腦中。3.3短距無線通信技術ZigBee技術

ZigBee協議層從下到上分別為物理層（PHY）、介質訪問控制層（MAC）、數據鏈路層（DLL）、網絡層（NWK）、應用層規范（API）、應用層（APL），如圖3-11所示。3.3短距無線通信技術圖3-11ZigBee協議框架3.3短距無線通信技術ZigBee的技術優勢

（1）低速率ZigBee工作于2.4GHz的頻段，盡管速率能夠達到250Kbit/s，但真正速率不足100Kbit/s，不適合做傳輸視頻之類事情，但適合傳感和控制領域。

（2）短距離ZigBee相鄰節點之間傳輸距離一般為10～100m，在增加發射功率后也可增加到1km～3km。3.3短距無線通信技術

（3）低功耗ZigBee的優勢之一就是低功耗，在節點不需要工作時能夠進入休眠狀態，此時功耗可以低至正常工作狀態下的千分之一，兩節普通電池可以用到6個月到2年時間。

（4）低成本ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，且免收專利費，成本低，適合大量部署。3.3短距無線通信技術（5）低時延ZigBee響應快，一般從休眠狀態轉入工作狀態只需15ms，連接進入網絡只需30ms，而藍牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s，節省了電能。

（6）高安全性ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法。3.3短距無線通信技術（7）網絡規模大ZigBee采用星狀、樹狀和網狀拓撲結構，每個ZigBee網絡最多可支持254個節點，再通過協調器實現互相連接，一個區域最多可同時容納100個ZigBee網絡，理論上可容納65535個節點。3.3短距無線通信技術ZigBee技術的應用ZigBee技術主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中。具體如下。（1）工業、農業和商業方面的信息監視、傳感器、自動化控制等。（2）智能家居方面的電視、各類播放機、智能空調、智能衛浴、門禁等。（3）個人健康監護方面的患者監護、醫生呼號等。（4）益智玩具和游戲等。（5）PC外圍設備方面的操作桿、鍵盤、鼠標等。3.3短距無線通信技術IEEE802.15.4標準2000年12月，電氣電子工程師學會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）成立了IEEE802.15.4工作組，專門從事開發一套稱為無線個人局域網（WPAN）的短程無線通信標準。WPAN是一種與無線廣域網（WWAN）、無線城域網（WMAN）、無線局域網（WLAN）并列的個人局域網，但是它的覆蓋范圍相對較小（一般在10m半徑以內），用于整個網絡末端或計算機周邊附屬設備之間的無線連接。3.3短距無線通信技術WPAN類型支持WPAN的技術包括藍牙、ZigBee、超頻波段（UWB）、IrDA等，其中藍牙技術在WPAN中使用得最廣泛。IEEE802.15工作組是對WPAN做出定義說明的機構，它推薦了3種類型。

（1）基于藍牙技術的WPAN藍牙技術也是一種無線通信技術，用藍牙來連接設備形成個人局域網具有許多優勢，如免費、連接終端設備多、使用廣泛等。3.3短距無線通信技術

（2）基于高頻率的802.15.3標準的WPAN高頻率的802.15.3標準也稱為超頻波段或UWB，支持用于多媒體的介于20Mbit/s和1Gbit/s之間的數據傳輸速率。

（3）基于低頻率的802.15.4標準的WPAN低頻率的802.15.4標準也稱為ZigBee，是針對低電壓和低成本家庭控制方案提供的低速率傳輸技術，同時具有低復雜度、低成本、低功耗等特點。3.3短距無線通信技術IEEE802.15.4標準及其技術特點IEEE802.15.4標準協議結構如圖3-12所示。3.3短距無線通信技術圖3-12IEEE802.15.4模型3.3短距無線通信技術

（1）IEEE802.15.4的物理層IEEE802.15.4的物理層提供兩種無線通信頻率：868/915MHz和2.4GHz。

1）868/915MHz。868/915MHz物理層的數據傳輸速率分別為20Kbit/s和40Kbit/s。因為868/915MHz物理層使用簡單的DSSS技術，用低速率換取了較高的靈敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了監測區域部署的節點數。3.3短距無線通信技術

（2）2.4GHz。與868/915MHz物理層的數據傳輸速率相比，2.4GHz物理層具有較高的數據傳輸速率，能夠達到250Kbit/s。2）IEEE802.15.4的介質訪問控制層IEEE802.15.4的介質訪問控制層（MAC）負責實現可靠性數據的發送、接收和轉發，以及避免沖突等功能。3）IEEE802.15.4的網絡層網絡層的功能是負責網絡拓撲結構的建立、維護、命名、綁定等服務，協同完成尋址、路由及網絡安全等，并能夠實現網絡的自組織和自維護。3.3短距無線通信技術4）IEEE802.15.4的應用層應用層主要完成某一應用領域中的具體功能或業務，主要由最終制造商、應用服務供應商來完成。3.3短距無線通信技術IEEE802.15.4技術的應用

IEEE802.15.4早期應用于高端工業用戶中的工業控制、遠程監控和樓宇自動化領域；隨著該技術低成本、低功耗和便于使用等技術優勢而快速成長，后期轉向普通消費者和家庭用戶，如家庭自動化、安全和交互式玩具等。3.3短距無線通信技術什么是移動通信？移動通信（MobileCommunication）是指通信中的一方或雙方處于運動中的通信，即通信對象中至少有一方處于移動狀態中并進行數據通信。第一代至第四代移動通信技術歷史性較強，本書暫略，現從第五代移動通信技術開始介紹。3.4移動通信技術第五代移動通信技術第五代移動通信技術被人們稱為5G技術，是目前我國正在商用的主流技術，具有高傳輸速率、低時延、海量連接等特點，屬于目前的新一代技術。它主要具有如下特點。3.4移動通信技術高速傳輸速率5G傳輸速率可達到10Gbit/s～20Gbit/s，能夠完全滿足許多大數據量的傳輸，如高清視頻、各類大數據業務等。低時延5G時延可低至1ms，完全滿足對實時性需求非常高的領域，如工業互聯網、自動駕駛、遠程醫療手術等。3.4移動通信技術高連接數量級可每平方千米建立百萬個連接數量，尤其滿足萬物互聯時代的物聯網連接需求。強移動性5G技術可滿足每小時500km高速移動狀態下的通信，因此可應用于中國高鐵，提高人們的生活指數。（中國5G、中國高鐵已成中國標志，是中國人民的自豪。）高體驗速率用戶體驗速率達到100Mbit/s。3.4移動通信技術第六代移動通信技術當5G技術正在如火如荼在社會應用時，科技人員已經開始第六代移動通信（6G）的研發，其傳輸速率將達到5G的100倍，理論速率約為每秒1TB。3.4移動通信技術衡量6G的關鍵指標如下：（1）傳輸速率：達到100Gbit/s～1Tbit/s，約是5G的100倍。（2）定位精度：室內達到10cm，室外達到1m，約是5G的10倍。（3）通信時延：0.1ms，約是5G的1/10。（4）連接數量：設備密度達到每立方米過百個，約每平方千米100億個連接，約是5G的10萬倍，密度驚人。（5）中斷率：小于百萬分之一，可靠性極高。3.4移動通信技術第六代移動通信技術低功耗廣域網（LPWAN）技術是為物聯網需求應運而“生”的。該技術設計在實現遠程通信功能的同時還能夠以低功耗、低速率方式運行，大大延長該物聯網系統的使用壽命。低功耗廣域網應用非常廣泛。

窄帶物聯網（NB-IoT）也被稱為低功耗廣域網，是物聯網領域新興的一項技術，支持低功耗設備在廣域網中以蜂窩方式完成數據連接，可直接用于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡向其他網絡的平滑升級，同時還能夠降低部署成本。3.5NB-IoT技術第六代移動通信技術目前，NB-IoT已經成為萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT受到用戶歡迎，是與它的特點分不開的。NB-IoT的特點如下。3.5NB-IoT技術低功耗

NB-IoT的功耗很低，如果使用AA（5000mAh）電池，那么NB-IoT終端模塊待機時間可以長達10年，完全可以滿足絕大多數應用領域系統生存時間的需求。低成本NB-IoT模塊成本更低，國內模塊價格十幾元到幾十元不等（NB-IoT芯片價格更低），企業部署時完全可以根據模組功能、性能與品牌來選用。NB-IoT模塊如圖3-13所示。3.5NB-IoT技術圖3-13NB-IoT模塊3.5NB-IoT技術大連續

NB-IoT具備非常強的連接支撐能力，在一個200kHz扇區內可容納10萬個連接，因此，其對低時延并不敏感。廣覆蓋在覆蓋能力方面，NB-IoT較GPRS增加20dB的信號增益，具備覆蓋面積廣、節點可移動等特性，能夠用于多種應用領域。（如共享單車、野外跟蹤、室外設備監控等）3.5NB-IoT技術什么是工業互聯網？工業互聯網是將互聯網技術、工業系統技術深度融合且應用于工業領域的基礎設施。本節將工業互聯網作為一個應用背景，簡單介紹工業互聯網中用于網絡互聯的通信技術。3.6工業互聯網通信技術工業現場總線概念與類型

工業現場總線是指能夠將現場設備、工業過程控制單元等連接起來，實現工業控制網絡的現場技術。星型現場總線星型現場總線用短距離、廉價、低速率電纜取代模擬信號傳輸線，星型現場總線結構如圖3-14所示。3.6工業互聯網通信技術圖3-14星型現場總線結構3.6工業互聯網通信技術總線型現場總線總線型現場總線數據傳輸距離長、速率高，采用點-點、點-多點和廣播式通信方式，總線型現場總線結構如圖3-15所示。3.6工業互聯網通信技術圖3-15總線型現場總線結構3.6工業互聯網通信技術EIA-RS-485總線標準

EIA-RS-485總線是工業領域中被廣泛采用的標準之一，它定義于OSI參考模型中的物理層。

EIA-RS-485總線采用多點互連，可以省掉許多信號線，非常方便地構成分布式系統；網絡介質采用雙絞線、同軸電纜或光纖，其布線簡單、穩定可靠，并且網絡成本低廉。3.6工業互聯網通信技術Modbus協議

它工作在OSI網絡體系結構中的應用層，可以實現控制器、網絡及其他設備之間的數據通信，支持RS-232、RS-485通信標準和以太網上的TCP/IP協議，該協議標準及開放性使其支持更多的產品，具有實時性好、速率高、協議格式簡單等特點，已經成為通用的工業總線標準之一。3.6工業互聯網通信技術CAN總線介紹

CAN總線通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，通信速率可達1Mbit/s，符合ISO11898CAN標準，收發器、CAN控制器和微控制器3種器件分別對應OSI參考模型的物理層、數據鏈路層和應用層。CAN總線比較容易加進一些新節點而無須在硬件或軟件上進行修改。CAN總線具有如下特點。3.6工業互聯網通信技術（1）采用多主機工作方式，網絡上任意節點均可以在任意時刻主動向網絡上的其他節點發送信息，而不分主從關系，通信方式比較靈活。（2）網絡上的節點（信息）可分成不同的優先級，可以滿足不同的實時需求。（3）采用非破壞性位仲裁總線結構機制，當兩個節點發生沖突時，優先級低的節點要避讓優先級高的節點，優先級高者優先發送數據。（4）采用點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數據。3.6工業互聯網通信技術（5）直接通信距離最遠可達6km（速率在10Kbit/s以下）。（6）通信速率最高可達1MB/s（此時距離最長30m）。（7）節點數實際可達110個。（8）采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個。（9）每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數據出錯率極低。（10）通信介質可采用雙絞線、同軸電纜和光導纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。3.6工業互聯網通信技術（11）節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。3.6工業互聯網通信技術PROFIBUS過程現場總線（PROFIBUS）是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。PROFIBUS由3個兼容部分組成。3.6工業互聯網通信技術（1）PROFIBUS-DP分布式外圍設備過程現場總線（PROFIBUSDecentralizedPeriphery，PROFIBUS-DP）應用于現場級。它是一種高速低成本通信技術（速率為9.6Kbit/s～12Mbit/s），用于設備級控制系統與分散式I/O之間的通信。（2）PROFIBUS-PA過程自動化過程現場總線（PROFIBUSProcessAutomation，PROFIBUS-PA）適用于過程自動化，可使傳感器和執行器接在一根共用的總線上。3.6工業互聯網通信技術（3）PROFIBUS-FMS過程現場總線信息規范（PROFIBUSFieldbusMessageSpecification，PROFIBUS-FMS）主要解決車間級通信問題，完成中等傳輸速率的循環或非循環數據交換任務，是令牌結構的實時多主網絡，可用來完成控制器和智能現場設備之間的通信，以及控制器之間的信息交換。3.6工業互聯網通信技術工業控制系統工業控制系統是指由計算機與工業過程控制部件組成的自動控制系統，除控制器、傳感器、傳送器、執行器和I/O接口等部分外，還涉及控制軟件及各類協議，不同設備廠商、不同設備、不同需求及功能使得各協議之間的差別很大，加之各工業系統之間的“孤島”現象嚴重，使協議在類別、數量及兼容性等方面的表現差距更大。現根據協議的使用領域列舉部分典型協議如下。3.6工業互聯網通信技術（1）自動化通信類協議自動化發展歷史相對較悠久，協議數量巨大，如CC-Link、CAN、CANopen、ControlNet、DeviceNet、EtherCAT、EthernetPowerlink、EtherNet/IP、HoneywellSDS、HostLink、Modbus、Optomux、PieP、Profibus、PROFINETIO、SERCOSinterface等。3.6工業互聯網通信技術（2）工業控制類協議

工業控制系統是工業系統中的重要部分，典型協議有OPC（OLEforProcessControl）協議（別名OPCDA、OPCUA），以及用于過程控制的OLE（ObjectLinkingandEmbedding）。協議設計的基本原理是相同的，差異性在于不同場景下協議功能需求、協議性能需求、協議實時性需求及兼容性等不同。3.6工業互聯網通信技術轉換器轉換器是將一種信號轉換成另一種信號的裝置。轉換器從原理上可分為協議轉換器、接口轉換器兩大類；從應用上又可以分光纖轉換器、光電轉換器、視頻轉換器等。目前，市場中已有多種相關產品面市，種類繁多，如圖3-16所示。3.6工業互聯網通信技術圖3-16轉換器（a）RS-232轉CAN總線轉換器 （b）RS-422轉RS-485轉換器3.6工業互聯網通信技術典型現場總線應用目前，國際上具有代表性的現場總線技術標準為PROFIBUS、EIA-RS-485總線、CAN總線與LONWORKS等。PROFIBUS可使分散式數字化控制器從現場底層到車間級實現網絡化，它應用于智能制造、工業互聯網、數字自動化等領域，并可同時實現集中控制、分散控制和混合控制3種方式。3.6工業互聯網通信技術（1）現場設備層現場設備層的主要功能是連接現場設備，如分散式I/O、傳感器、驅動器、執行機構、開關設備等，能夠完成現場設備控制及設備間聯鎖控制。（2）車間監控層對于車間級監控通常需要設立車間監控室，采用PROFIBUS-FMS傳輸大量信息。3.6工業互聯網通信技術（3）工廠管理層工廠管理層利用內部網絡將車間生產數據集中起來管理，相關操作員可通過網絡實現調度，也可將管理數據通過企業網絡送到其他服務器上。3.6工業互聯網通信技術可編程邏輯控制器PLC主要應用在工業生產的環境中。但隨著物聯網技術的興起，PLC已成為一種典型的物聯網環境中的控制設備，并且它也可以獨立設置IP地址，可以當成局域網中一個設備來使用。3.6工業互聯網通信技術PLC的定義PLC是一種數字運算操作的電子系統。國際電工委員會（IEC）對PLC的定義為：PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。3.6工業互聯網通信技術PLC的發展和特點（1）可靠性高，抗干擾能力強PLC在電路設計、器件生產、抗干擾、故障自診斷等方面表現優異，可靠性高，能夠適應惡劣的工業應用環境（2）產品市場發展完善PLC經過多年發展，其上下游市場發展非常完善，適用性極強，幾乎能夠滿足所有的控制要求，可以靈活使用。3.6工業互聯網通信技術（3）簡單易學PLC作為面向工礦企業的設備，其接口和編程語言都非常簡單，方便操作人員學習和使用。設備維護也很方便，只需