2.6　SCADA系统中的网络技术

SCADA技术的快速发展及其广泛的应用与网络和通信技术密切相关，没有现代的网络和通信技术，很难想象如何实现分布范围极广、极其分散的众多设备的远程监控。可以毫不夸张地说，现代的主要通信与网络技术在各种类型的SCADA系统中几乎都得到了应用，这也是SCADA系统的重要特色，即通信手段的多样性、先进性与复杂性。本节主要对SCADA系统相关的网络技术做介绍。

2.6.1　通信网络概述

通信网络是用各种通信手段和一定的连接方式，将终端设备、传输系统、交换系统等连接起来的通信整体，或由一些彼此关联的分系统组成的完整的通信系统。通信网络的基本构成要素是终端设备、传输链路、转接交换设备及接入部分。除了这些硬件设备外，为了保证网络能正确合理的运行，用户间快速接续，并有效地相互交换信息，达到通信质量一致，运转可靠性和信息透明性等要求，还必须有管理网络运行的软件，如标准、信令、协议等。

通信网络的分类方法很多，根据不同的划分标准，同一个通信网络可以划分为不同的类。如按照能实现的业务种类不同，通信网可以划分为电话通信网、计算机通信网、数据通信网、广播电视网以及综合业务数字网；按照网络所服务的范围不同，通信网可以分为本地网、长途网及国际网；按照传输介质的不同，通信网可以分为微波通信网、光纤通信网及无线通信网；按照拓扑结构形式，通信网可以分为总线形、环形、星形、网形和复合形等基本结构形式。

2.6.2　计算机网络拓扑结构与分类

1.网络的拓扑结构

从拓扑学的观点看计算机系统，抽象出网络系统的具体结构，即成为计算机网络的拓扑结构，网络的拓扑结构就是网络中节点的互连形式。基本的网络拓扑结构有四种，分别是星形、环形、总线形和树形。当然，在实际应用中，可以根据需要，把基本的拓扑结构组合成更为复杂网络。

1）星形拓扑结构

星形拓扑结构中，所有节点通过传输介质与中心节点相连，全网由中心节点执行交换和控制功能，任意两个节点之间通信都要通过中心节点转发，典型的星形拓扑结构如图2.17所示。星形拓扑结构简单，便于集中控制和管理，建网容易，故障容易隔离和定位，网络延迟较小；但网络的中心节点负荷过重，而其他节点通信负荷较轻，如果中心节点故障，则整个网络失效。星形拓扑结构适合用于终端密集的地方。交换式以太网和双绞线以太网都是星形拓扑结构。

2）环形拓扑结构

与星形结构不同，环形拓扑结构属非集中控制方式。网络上每个节点无主、从关系，各个节点由通信线路首尾相连成一个闭合的环路，如图2.18所示。环形拓扑中，数据通常单向流动，每个节点按位转发的数据可用令牌来协调各个节点的发送，任意两个节点都可实现通信。IBM公司的Token Ring（令牌环）及现代的高速FDDI网络都是环形结构的网络。

由于环形网络信息通常单向流动，当网络中一个设备或传输介质出现故障时，整个网络会瘫痪，因此，在对可靠性要求较高的场合常采用双环。

3）总线形拓扑结构

总线形拓扑结构是将若干个节点设备连接到一条总线上，共享一条传输介质，如图2.19所示。总线形拓扑结构采用广播通信方式，所有节点都可通过总线发送或接收数据，但一段时间内只允许一个节点利用总线发送数据。总线形拓扑结构简单灵活，便于扩展，易于布线。总线网络可靠性较高，局部的节点出现故障不会导致整个网络瘫痪。因为总线上的所有节点都可以接收到总线上的信息，因此易于控制信息流动。但由于采用一条公用的总线通信，因此若总线上的任一点出现故障，会造成整个网络瘫痪。

4）树形拓扑结构

树形拓扑结构将节点按层次来连接，是一种具有顶点的分层或分级结构，如图2.20所示。一般来讲，越靠近根的节点，其处理能力越强，数据处理、命令控制等都由顶部节点完成。树形拓扑是总线形拓扑的扩展形式，可以在一条总线的终端通过接线盒扩展成树形拓扑。树形拓扑是适应性很强的一种拓扑，适用范围广，例如对网络设备的数量、传输速率和数据类型等没有太多的限制，可以达到很高的带宽。

2.计算机网络的分类

对网络的分类可以按照不同的标准，从不同的角度来划分。对于SCADA系统来说，按照网络覆盖范围的大小来分类比较合适，通常可以分为局域网、城域网和广域网三大类。

1）局域网

局域网指在有限地理范围内构成的覆盖面积相对较小的计算机网络，传输距离在数百米左右，节点位置通常在室内。网络拓扑结构通常用简单的总线形、环形或星形，传输距离短，传输延迟低，传输速率可达到10～1000Mbps。对一个较大规模的SCADA系统来说，上位机所在的监控中心网络系统就属于典型的局域网，网络中主要包括SCADA服务器、I/O服务器、数据服务器、Web服务器、操作站等设备。当然，若下位机现场测控任务复杂，也可以将多个下位机组成局域网来协同完成现场测控任务。

2）城域网

城域网覆盖范围是一个城市，传输距离在10～150km之间，目前多数使用光纤、微波等作为传输介质，采用树形拓扑结构，传输速率在56Kbps～45Mbps。城市泵站、煤气、自来水等公共设施的监控系统的通信网络就属于城域网。这些系统中，现场监控设备分布在城市的各个角落，分布范围较广，而监控中心会设在城市中心。

3）广域网

广域网是一种跨城市、甚至跨国家的网络，其主要特点是进行远距离（几十到几千公里）的通信。广域网通常含有复杂的分组交换系统，涉及电信通信等方式。广域网传输延迟较大，信道容量较低，数据传输速率在9.6Kbps～45Mbps之间。如中国教育网和Internet都是广域网。在大型SCADA系统中，如我国的西气东输、南水北调等特大型工程的通信系统就属于广域网。若SCADA系统配置了Web服务器，远程客户可以通过浏览器来实现远程的监控，则该系统又具有了广域网的特性。

2.6.3　网络传输介质

传输介质是数据通信的物理通路，是信号从发送设备到接收设备传递所经过的媒介，是通信系统中传送信息的载体，也是通信系统重要的硬件设备之一。

SCADA系统中，通常采用多种类型的传输介质，既有有线介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等，也有无线传输介质，如电磁波、红外线、微波。

1.有线传输介质

1）双绞线

双绞线（Twisted Pair，TP）是模拟数据及数字数据信号传输最通用的传输介质。双绞线采用了一对互相绝缘的导体以螺旋形式相互缠绕而成的，线芯一般是铜线。将两根导线缠绕在一起，可以使它们发射和接收的电磁干扰相互抵消。双绞线既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，其带宽取决于线芯的粗细和传输的距离。当传输模拟信号时，最大传输距离为15km；传输数字信号时，最大传输距离为1～2km。双绞线的截面直径在0.38～1.42mm之间，典型的直径是1mm。图2.21所示为一段双绞线及其颜色对应关系。

双绞线按其电气特性而进行分级或分类，一般分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）与非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）。屏蔽双绞线在双绞线与外层绝缘封套之间有一个金属屏蔽层。屏蔽层可减少辐射，防止信息被窃听，也可阻止外部电磁干扰的进入，使屏蔽双绞线比同类的非屏蔽双绞线具有更高的传输速率。但由于成本、标准等原因，屏蔽双绞线使用的比较少。

常用的双绞线包括3类线和5类线。3类线是由两根拧在一起的线构成，一般在塑料外壳里有4对这样的线，外壳起到保护和约束的作用；5类双绞线比3类双绞线拧得更密、更绝缘，这使得它传输信号的距离更长，传输质量更好。局域网中最常用的双绞线一般都是非屏蔽的5类4对（8根导线）的电缆线，这种电缆线的传输速率可达到100Mbps。超5类双绞线也是非屏蔽双绞线，与5类双绞线相比，具有衰减小、串扰少、时延误差小等特点，超5类线主要用于千兆位以太网。

与其他传输介质相比，双绞线在传输距离，信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。

2）光纤

光纤是一种光传输介质，是光导纤维的简称。它是一种能够传导光信号的极细而柔软的传输介质。光纤由光纤芯和包层两部分组成，如图2.22所示。纤芯与包层是两种光学性质不同的物质。其中纤芯是光的通路，包层由折射率比纤芯低的玻璃纤维组成，其作用是将光线反射到纤芯上。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，因此需要外加一保护层，这种在外层加了保护套的光纤就成为实际使用的光缆。光缆和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。

光纤的传输原理是：在两种折射率不同的界面上，当光从折射率高的界面射入折射率低的界面时，只要入射角大于临界值，就会发生全反射现象，能量将不受损失，其中包层起到了防止光线在传输过程中衰减的作用。

光纤传输原理如图2.23所示。由于光纤只能传输光信号。因此光纤通信系统包括光发射机、光纤和光接收机。在发送端，先将电信号转换为光信号后才能通过光纤来传输；在接收端，由光检测器把接收到的光信号还原为电信号。光源采用两种不同的发光管：多模光纤对使用较为便宜的发光二极管LED，而单模光纤多使用较为昂贵的是半导体激光二极管ILD。光检测器是一个光电二极管，目前使用的是两种固态器件：发光二极管PIN检测器和雪崩光电二极管APD检测器。发送端与接收端之间的光信号在光纤中传输。由于光纤具有单向传输性，因此，要实现双向通信，光纤必须是成对使用，一根用于发送数据，另一根用于接收数据。

根据传输点模数分类，可以把光纤分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。单模光纤的纤芯直径小于光波波长（10μm），此时光纤就如同一个波导，光在其中没有反射，而沿直线传播。单模光纤传输频带宽，传输容量大，传输距离更远。多模光纤能容纳多条满足全反射条件的光线同时在光纤中传播，光束以波浪式前进。多模光纤芯径大多在50μm以上，包层直径在100～600μm之间。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。单模光纤与多模光纤的传输原理如图2.24所示。

根据折射率分类可把光纤分为跳变式光纤和渐变式光纤。跳变式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。在纤芯和保护层的交界面，折射率呈阶梯型变化。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。纤芯折射率的变化近似于抛物线。

光纤传输信号的距离要比同轴电缆或双绞线远得多，它可以在30km的距离内不用中继器而传输，因而它适合长距离通信，且室外布线不需要防雷措施。由于光纤频带很宽，传送速率极高，因而十分适合传输大量的数据。光纤不漏光且难于拼接，这使得它们很难被窃听，安全性很高。光纤十分轻便，架设较容易，且占用空间少。光信号不受电磁干扰或噪声的影响，光波也不互相干扰，因此理论上不存在信号衰减问题。当然，实际使用中，由于弯曲、挤压、杂质、不均匀和对接等原因会造成光纤信号衰减。光纤的主要缺点是价格较高，特别是安装困难。在各种传输介质中，光纤是最难安装的，安装中的任何微小的误差，都可能造成很大的信号衰减，影响通信的正常进行。

随着光纤使用成本的不断降低，其在SCADA系统等各种工控系统的运用也快速增加。如不少企业主干网络会采用环行冗余光纤网络，而SCADA服务器也以光纤接入该网络，以保证较高的数据传输能力和可靠性。专家预计，在下一个10年，光纤将逐步取代双绞线成为将数据传输到桌面计算机的主要传输介质。这也意味着，光纤将会成为SCADA系统主要的有线传输介质之一。

2.无线传输介质

有线传输介质的一个共同特点是必须铺设电缆或光缆，并且对用户来说必须是固定的，不能随意移动。然而，在很多情况下，很难或不可能铺设有线信道，在SCADA系统中情况更是如此。例如油田采油机的监控，这些机器会在荒无人烟的地方，为了监控这些设备而铺设有线介质是不现实的。此外，还有无线通信机站的监控，这些机站会在高山或丛林中，很难通过有线通信的方式实现对它们的监控。因此，在SCADA系统中，特别是人烟稀少、难于到达、测控点极为分散的系统中，无线通信是常用的通信解决方案。无线通信的优点在于信号通过大气传输，不需要铺设任何有线的介质，只要在需要的地方安装信号收发装置即可。

所谓无线传输是指利用在自由空间中传播的电磁波来进行数据传播。当电子运动时，它们产生可以自由传播（甚至在真空中）的电磁波。它是由英国科学家麦克斯韦尔于1865年提出，1887年由德国物理学家赫兹发现的。电磁波每秒振动的次数称为频率，常用f作标记，单位为赫兹（Hz）。两相邻的波峰或波谷间的距离称为波长，用λ表示。在真空中，电磁波的传播速度是恒定的光速（用c表示），与它的频率无关，大约是3×10 ⁸ m/s ，没有任何物体或信号能比光传播得更快。根据式（2-1），即

可以知道：频率越高，波长越短。

由于各波段的传播性能各异，因此可以用于不同的通信系统中。根据如图2.25所示的电磁波谱，中波主要沿地面传播，绕射能力较强，适用于广播和海上通信；短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信；超短波和微波绕射能力差，可作视距（两个没有障碍的点间，也就是视线距离内）、超视距中继通信。无线电波、微波、红外线和可见光部分都可以通过调节振幅、频率或波的相位来传输信息。紫外线、X射线和伽马射线更好一些，因为其频率更高，但是很难生成和调制，且穿透建筑物的性能不好，对生物也有害。

电磁波可以运载的信息量与它的带宽有关。在目前的技术条件下，可以在较低的频率下以每赫兹编码几个比特来实现，但是在高频下，有些时候可以达到每赫兹40比特。因此，有500MHz带宽的电缆可以获得几Gb/s。

如果式（2-1）对λ求导，可以得到

以有限微分代替微分，并且取绝对值，则有

因此，如果给出了波段的带宽Δλ，就可以计算相应的频段Δf，接下来就可以计算该波段的数据传输速率了。波段越宽，数据传输速率越高。

1）无线电传播

国际电信联盟将无线电的频率划分为以下若干波段：低频（LF）、中频（MF）、高频（HF）、甚高频（VHF）、超高频（UHF）、特高频（SHF）、极高频（EHF）等。无线电波容易产生，而且容易绕过建筑物，因此被广泛用于无线通信。

2）微波传输

微波的工作频率在100MHz以上，沿着直线传播，而不是各个方向扩散，因此通过抛物状的天线可以将能量集中在一小束上，以获得极高的信噪比，并能传输很长的距离，但是发射天线与接收天线在位置上必须准确地对准。微波传输的方向性使许多发射设备可以和成排的多个接收设备一对一地通信而不会发生相互干扰。

由于微波沿直线传播，但地球表面是曲面，再加上建筑物和气候的影响，微波在地面上的传输距离一般在40～60km范围内。此外，微波不能绕过建筑物。因此，如果要实现长距离通信，需要设置中继站。

微波通信具有通信容量大、传输质量高、灵活性好、易于通过恶劣地区，而且微波通信投资相对较小，在通信中得到了广泛的应用。微波通信缺点是相邻两个站点之间不能有任何的阻挡物，容易受天气的干扰，保密性差。

3）卫星通信

卫星通信是另一种微波传输介质，可以看出是一种特殊的微波通信，与一般地面微波通信不同的是，它使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号。卫星通信在传统上都是作为远程通信的干线出现的，通常都是由一个大型的地面卫星基站收发信号，然后通过地面有线或无线网络到达用户的通信终端。

卫星通信系统具有覆盖面积大、传输距离远、通信频带宽、信道容量大、可多址通信、成网快、通信质量好和信道特性比较稳定等优点。其不足之处是传输延迟大，空间传播损耗比较严重，保密性差，制造和发射成本很高。在SCADA系统中，若采用卫星通信，多使用甚小口径终端系统或中低轨道通信卫星。

3.传输介质的选择

传输介质的选择取决于如下多方面的因素：

（1）网络拓扑结构。

（2）通信的容量需求：支持所期望的网络通信量。

（3）可靠性要求：满足SCADA系统对通信质量的要求。

（4）使用的环境：在所要求的环境范围（温度、湿度、粉尘、振动等）内使用。

（5）成本要求：同轴电缆的费用介于双绞线和光缆之间，当通信容量较大且需要连接较多设备时，选择同轴电缆较合适。双绞线对于低通信容量的局域网来说，性价比最好，特别是对于室内非主干网布线。光缆的费用最高。

（6）速度要求：双绞线的传输速度最低，其次是同轴电缆和微波，光缆速度最快，对于高质量、高速度或者要求长距离数据传输时，光缆是最合适的传输介质。

（7）安全性：双绞线和同轴电缆是铜导线，因而容易被窃听，而从光缆上窃取数据十分困难。无线电或微波传输是不安全的，任何人使用一根天线就能接收数据。

2.6.4　网络体系结构与参考模型

1.网络体系结构

网络体系结构（Network Architecture）就是为了完成计算机间的通信，把计算机互联的功能层次化，并明确规定同层实体通信的协议及相邻层之间的接口服务。因此网络体系结构是计算机网络分层、各层协议、功能和层间接口的集合。不同的计算机网络在层的数量、各层的名称、内容和功能以及各相邻层之间的接口方面都是不一样的，然而，它们的共性就是每一层都是为它的邻接上层提供一定的服务而设置的，而且各层之间是相互独立的，高层不必知道低层的实现细节。这样，网络体系结构就能做到与具体的物理实现无关，只要它们遵守相同的协议就可以实现互联和操作。

TCP/IP模型和OSI模型是目前最典型的网络体系结构。TCP/IP的发展比OSI模型还要早几年，两者的设计目标都是为了实现异构计算机网络之间的协同工作。OSI模型和协议一开始就是作为国际标准来设计的，但其过于巨大和复杂，实现起来比较麻烦。相反，作为美国国防部的一个研究计划的TCP/IP，起先没有预计要成为一个国际标准，但令人始料不及的是它却成了实际中网络互连事实上的标准，其协议被广泛采用。实质上TCP/IP也没有什么模型，只是后来人们要把它和OSI模型进行比较，才比照着OSI的相应层的定义建立了TCP/IP参考模型。

2. 开放式系统互联参考模型

国际标准化组织开发了开放式系统互联参考模型以促进计算机系统的开放互联，开放式互联就是可在多个厂家的环境中支持互联。该模型为计算机间开放式通信所需要定义的功能层次建立了全球标准。

OSI模型将通信会话需要的各种进程划分成7个相对独立的功能层次，这些层次的组织是以在一个通信会话中事件发生的自然顺序为基础的，如图2.26所示。OSI参考模型中的7个层是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。参考模型的下3层主要负责通信功能，一般称为通信子层，常以硬件和软件相结合的方式来实现；上3层属于资源子网的功能范畴，称为资源子网层，通常以软件方式来实现。传输层取衔接上下3层的作用。具体的网络分层关系如下。

（1）物理层（Physical Layer）：OSI参考模型的第1层。物理层定义了电气、机械、有关程序的和功能的技术规范，目的是为了激活、维护和去激活终端系统之间的物理链接。

（2）数据链路层（Data Link Layer）：OSI参考模型的第2层。这一层提供物理链路上的可靠的数据传输。数据链路层关系物理寻址、网络拓扑结构、线路规程、错误通告、帧的顺序传递和流量控制。

（3）网络层（Network Layer）：OSI参考模型的第3层。本层提供两个终端系统之间的连接和路径选择。路由选择是在网络层发生的。

（4）传输层（Transport Layer ）：OSI参考模型的第4层。本层负责两个端节点之间的可靠网络通信。传输层提供机制来建立、维护和终止虚电路，并传输错误检测和恢复，以及信息流量控制。

（5）会话层（Session Layer）：OSI参考模型的第5层。此层负责建立、管理和停止应用程序会话和管理表示层实体之间的数据交换。

（6）表示层（Presentation Layer）：OSI参考模型的第6层。此层保证某系统应用层发出的信息能被另一系统的应用层读懂。表示层与程序使用的数据结构有关，从而作为应用层处理数据传输语法。

（7）应用层（Application Layer）：OSI参考模型的第7层。此层为处于OSI模型之外的应用程序（如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。应用层识别并确认欲通信合作伙伴的有效性（和连接它们所需要的资源），以及同步合作的应用程序，并建立关于差错恢复和数据完整性控制步骤的协议。

OSI参考模型定义了开放系统的层次结构和各层提供的服务，其成功之处在于清晰地分开了服务、接口和协议这3个容易混淆的概念。当然，由于种种原因，目前还没有一个完全遵循7层OSI模型的网络体系。

3.TCP/IP模型

传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）是用于计算机和其他设备在网络上通信的一个协议簇，其名字是由这些协议中两个重要协议组成的，即传输控制协议TCP和网络互联协议IP。TCP/IP协议是一个开放的协议标准，独立于特定的计算机硬件与操作系统，特别是它具有通用的网络地址分配方案，使得在网络中的地址都具有唯一性，同时还提供了多种可靠的用户服务，使得TCP/IP广泛应用于各种网络，成为Internet的通信协议。

TCP/IP协议使用多层体系结构，可以分为4个层次：

（1）网络接口层：网络接口层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层相对应。事实上，TCP/IP本身并未定义该层的协议，而由参与互连的各网络使用自己的物理层和数据链路层协议，然后与TCP/IP的网络接口层进行连接。

（2）网际互联层：网际互联层对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。该层有四个主要协议：网际协议（IP）、地址解析协议（ARP）、反向地址解析协议（RARP）和互联网控制报文协议（ICMP）。IP协议是网际互联层最重要的协议，它提供的是一个不可靠、无连接的数据报传递服务。

（3）传输层：传输层对应于OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能。该层定义了两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。TCP协议提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务；而UDP协议供的是不可靠的、无连接的数据传输服务。

（4）应用层：应用层对应于OSI参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务，例如，FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

OSI参考模型和TCP/IP参考模型都是局域独立的协议栈的概念，它们的功能大体相似，它们的传输层及其以上的层都以应用为主导。两者的不同主要表现在虽然两者都采用了层次结构的概念，但前者是7层模型，后者是4层结构，如图2.27所示。此外，TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互联问题，而ISO模型最初只考虑到使用一种标准的公共数据网将各种不同的系统互联在一起。TCP/IP一开始就对面向连接和无连接并重，而OSI开始时只强调面向连接服务。