總線通訊協(xié)議的多層模型你了解多少

從這幾年工業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢看，以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和普及，已經(jīng)是一個毋庸置疑的事實了，正如之前一文中所說，其驅(qū)動力源自于網(wǎng)絡(luò)連接的通用性和一致性所帶來的系統(tǒng)成本優(yōu)化。

然而，工業(yè)設(shè)備通訊技術(shù)從早期的現(xiàn)場總線邁入工業(yè)以太網(wǎng)時代，帶給廣大制造業(yè)用戶的，卻不僅僅是因使用新技術(shù)而獲得的各種價值和益處，同時還有多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間相互激烈競爭而引發(fā)的“選擇障礙”。

要知道，對于我們這些傳統(tǒng)的制造業(yè)從業(yè)人員來說，每當(dāng)聽到“專業(yè)人士”們運用各種專業(yè)的 IT 術(shù)語，來解釋不同以太網(wǎng)協(xié)議之間的差異、評價各自技術(shù)優(yōu)劣的時候，基本上絕對是一臉懵逼的表情。

可是話說，如何能夠在不具備強大 IT 技術(shù)知識背景的情況下，理解各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間的差異和不同呢？

個人覺得，首先還是需要搞明白，信息網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間數(shù)據(jù)通訊的基本流程。

我們可以把設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，想象成社會活動中人與人之間的信息交流，需要基于一定的規(guī)則進(jìn)行相互溝通，人的言談需要遵循特定的禮儀，設(shè)備通訊同樣也需要有協(xié)議的約定。

而無論是人與人之間的社交禮儀，還是設(shè)備間的通訊協(xié)議，都必定是建立在信息交互事件的流程框架上的。

打個比方：當(dāng)我們要和某人交談時，先得在人群中找到 ta，確認(rèn)其此時有空才能夠開始交流，經(jīng)過一頓簡單的寒暄和握手以后，就可以直接說出要交流的內(nèi)容了；而如果對方此時正忙，那么就需要等待，或者另行約定時間...；此外，雙方交談時，只有交替輪流發(fā)言，才能確保溝通的效率；以及，交流完成后還需要互相致意告別...等等。這，就是一套信息交互的基本流程。

而在這個過程中的每一步，雙方具體采用什么樣的交流方式，例如：怎樣找到對方、雙方交談用哪種語言、以什么樣的方式寒暄、如何反饋繁忙狀態(tài)、忙時是否繼續(xù)等待、怎樣告別結(jié)束交談…等等，這些，就是通訊協(xié)議所需要涉及的內(nèi)容了。

在通訊網(wǎng)絡(luò)上多臺設(shè)備間的信息交互也需要有一套流程，它不僅取決于雙方數(shù)據(jù)接口的約定，還必須依靠通訊線路中各節(jié)點（如：以太網(wǎng)端口、交換機、路由器...等等）在數(shù)據(jù)接力中的相互配合才能實現(xiàn)，這就需要在網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)中所涉及的各個層面，對各節(jié)點組件的職責(zé)以及相互之間的數(shù)據(jù)交互方式，有一整套極為明確的定義。

這就是所謂的通訊協(xié)議組。

就好像郵政快遞公司在管理郵件的遞送流程時，也需要為各職能部門以及它們之間的協(xié)作分工制定明確的規(guī)則一樣。

具體來說，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備 A 要向設(shè)備 B 發(fā)送一組數(shù)據(jù)，那么其通訊流程大致就會是這樣的：

i. 用戶發(fā)送

設(shè)備 A 需要先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號，按照約定的格式將其打包，并加上目標(biāo)設(shè)備 B 的網(wǎng)絡(luò)地址和應(yīng)用類型標(biāo)識，傳送到通訊端口（緩存）；

這就好比我們在投遞郵件前，需要將寫好的信件內(nèi)容放到信封里，然后按照規(guī)定的格式，填上收件人的詳細(xì)信息（地址、郵編、部門、姓名、主題...等等）；

ii. 傳輸服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)通訊的需求，提供不同類型的傳輸服務(wù)，如：傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）…等等，根據(jù)通訊內(nèi)容的需要，用戶可以選擇使用不同的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；

這就好像我們在寄出郵件的時候，會根據(jù)需要（如：重要性和緊急程度...），選擇不同類型的投遞服務(wù)，如：普通信函、是否需要保價、是否需要回執(zhí)、是否需要分批發(fā)送...等等；

iii. 包裹分揀

接下來，數(shù)據(jù)包會由設(shè)備 A 的端口就近被傳送到與之相連的網(wǎng)絡(luò)交換機。

交換機的作用就好像是快遞公司在各個社區(qū)附近的分揀站，會根據(jù)郵包上的地址信息以及所選擇的服務(wù)類型，決定其之后的走向；

iv. 遠(yuǎn)程路由

如果目標(biāo)設(shè)備 B 與數(shù)據(jù)源設(shè)備 A 不在同一個局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）內(nèi)，此時交換機會將數(shù)據(jù)傳送至其上層網(wǎng)絡(luò)，由路由器根據(jù)目標(biāo)地址為其尋找數(shù)據(jù)傳輸路徑。

數(shù)據(jù)會經(jīng)過多個路由器之間的傳輸接力，最終到達(dá)目標(biāo)設(shè)備 B 所在局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)交換機，然后由該交換機將數(shù)據(jù)最終傳輸至設(shè)備 B 的網(wǎng)絡(luò)端口；

而這里的路由器，就像是快遞公司在各個交通樞紐（機場、車站、轉(zhuǎn)運站...）的物流中心，負(fù)責(zé)包裹的跨區(qū)轉(zhuǎn)運；

v. 本地鏈路

如果目標(biāo)設(shè)備 B 與數(shù)據(jù)源設(shè)備 A 處在同一個局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）內(nèi)，此時交換機就會將數(shù)據(jù)直接傳送到設(shè)備 B 的網(wǎng)絡(luò)端口；

就像快遞公司處理市內(nèi)（區(qū)內(nèi)）快遞一樣，直接走地面運輸，由快遞小哥遞送了。

vi. 用戶接收

設(shè)備 B 收到來自設(shè)備 A 的數(shù)據(jù)后，會根據(jù)數(shù)據(jù)包上的端口信息，將其交給相關(guān)應(yīng)用程序打開并解析處理；

就像我們收到快遞后將其交給信封上標(biāo)注的部門和收件人一樣。

vii. 物理介質(zhì)

快遞公司所有的郵件運輸，都必須借助各類交通工具和轉(zhuǎn)運、分揀站才能完成。

網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€過程，則是基于通訊線路上的高低電平信號的轉(zhuǎn)換而完成的。

事實上，我們目前使用的各類以太網(wǎng)通訊協(xié)議，基本上都遵循著這樣一個系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)傳輸流程。

只不過為了方便協(xié)議設(shè)計和實施的一致性，協(xié)議框架被抽象的表述為一個多層的參考模型，每一層協(xié)議分別對應(yīng)上述通訊流程中的不同階段（i./vi. 應(yīng)用層；ii.傳輸層；iv.網(wǎng)絡(luò)路由層；iii./v.數(shù)據(jù)鏈路層；vii.物理層）。

不過，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的參考模型僅僅是定義了設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過哪些步驟；而有關(guān)網(wǎng)絡(luò)通訊過程中各個階段（層）的數(shù)據(jù)交互規(guī)則，如：不同類型數(shù)據(jù)的優(yōu)先級、不同設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的“發(fā)言”權(quán)限、出現(xiàn)錯誤時的故障處理機制…等等，就需要基于特定的行業(yè)應(yīng)用特點，在通訊協(xié)議中具體約定了。

就好像大部分快遞公司都有著非常類似的郵件分揀流程，但在處理具體郵件時，卻很可能會采取一些不同的方法，用戶體驗上也會因此而產(chǎn)生一定的差異。

經(jīng)過上面的討論，我們就不難理解，為什么各家在介紹其工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)時，都會拿多層協(xié)議模型來說事兒了，因為它們基本上都有著類似的數(shù)據(jù)通訊流程，只是在協(xié)議的每一層約定了一些不同的規(guī)則，也就是說，在數(shù)據(jù)通訊過程中的各個階段，采用了不同的方法而已。