如何理解總線通訊協議的多層模型
從這幾年工業技術的發展趨勢看，以太網在工業領域的廣泛應用和普及，已經是一個毋庸置疑的事實了，正如之前「工業總線向以太網的演進」一文中所說，其驅動力源自于網絡連接的通用性和一致性所帶來的系統成本優化。
圖1 主流總線模型
然而，工業設備通訊技術從早期的現場總線邁入工業以太網時代，帶給廣大制造業用戶的，卻不僅僅是因使用新技術而獲得的各種價值和益處，同時還有多種工業以太網協議之間相互激烈競爭而引發的“選擇障礙”。
圖2 框架
要知道，對于我們這些傳統的制造業從業人員來說，每當聽到各種專業的 IT 術語，來解釋不同以太網協議之間的差異、評價各自技術優劣的時候，基本上絕對是一臉懵逼的表情。
圖3 框架層次
可是話說，如何能夠在不具備強大 IT 技術知識背景的情況下，理解各種工業以太網協議之間的差異和不同呢?
個人覺得，首先還是需要搞明白，信息網絡中設備間數據通訊的基本流程。我們可以把設備間的數據交換，想象成社會活動中人與人之間的信息交流，需要基于一定的規則進行相互溝通，人的言談需要遵循特定的禮儀，設備通訊同樣也需要有協議的約定。而無論是人與人之間的社交禮儀，還是設備間的通訊協議，都必定是建立在信息交互事件的流程框架上的。
打個比方：當我們要和某人交談時，先得在人群中找到 ta，確認其此時有空才能夠開始交流，經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、忙時是否繼續等待、怎樣告別結束交談…等等，這些，就是通訊協議所需要涉及的內容了。
圖4 萬物互聯
在通訊網絡上多臺設備間的信息交互也需要有一套流程，它不僅取決于雙方數據接口的約定，還必須依靠通訊線路中各節點(如：以太網端口、路由器、交換機...等等)在數據接力中的相互配合才能實現，這就需要在網絡通訊服務中所涉及的各個層面，對各節點組件的職責以及相互之間的數據交互方式，有一整套極為明確的定義。
這就是所謂的通訊協議組。
圖5
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作分工制定明確的規則一樣。
具體來說，假設網絡中的設備 A 要向設備 B 發送一組數據，那么其通訊流程大致就會是這樣的：
i. 用戶發送
設備 A 需要先將數據轉換成網絡系統能夠傳輸的數字信號，按照約定的格式將其打包，并加上目標設備 B 的網絡地址和應用類型標識，傳送到通訊端口(緩存);
圖6
這就好比我們在投遞郵件前，需要將寫好的信件內容放到信封里，然后按照規定的格式，填上收件人的詳細信息(地址、郵編、部門、姓名、主題...等等);
ii. 傳輸服務
圖7
網絡系統會根據數據通訊的需求，提供不同類型的傳輸服務，如：傳輸控制協議(TCP)和用戶數據報協議(UDP)…等等，根據通訊內容的需要，用戶可以選擇使用不同的數據傳輸服務;
圖8
這就好像我們在寄出郵件的時候，會根據需要(如：重要性和緊急程度...)，選擇不同類型的投遞服務，如：普通信函、是否需要保價、是否需要回執、是否需要分批發送...等等;
iii. 包裹分揀
圖9
接下來，數據包會由設備 A 的端口就近被傳送到與之相連的網絡交換機。
圖10
交換機的作用就好像是快遞公司在各個社區附近的分揀站，會根據郵包上的地址信息以及所選擇的服務類型，決定其之后的走向;
iv. 遠程路由
圖11
如果目標設備 B 與數據源設備 A 不在同一個局域網絡(LAN)內，此時交換機會將數據傳送至其上層網絡，由路由器根據目標地址為其尋找數據傳輸路徑。
圖12
數據會經過多個路由器之間的傳輸接力，最終到達目標設備 B 所在局域網的網絡交換機，然后由該交換機將數據最終傳輸至設備 B 的網絡端口;
圖13
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、轉運站...)的物流中心，負責包裹的跨區轉運;
v. 本地鏈路
圖14
如果目標設備 B 與數據源設備 A 處在同一個局域網絡(LAN)內，此時交換機就會將數據直接傳送到設備 B 的網絡端口;
圖15
就像快遞公司處理市內(區內)快遞一樣，直接走地面運輸，由快遞小哥遞送了。
vi. 用戶接收
設備 B 收到來自設備 A 的數據后，會根據數據包上的端口信息，將其交給相關應用程序打開并解析處理;
圖16
就像我們收到快遞后將其交給信封上標注的部門和收件人一樣。
vii. 物理介質
圖17
快遞公司所有的郵件運輸，都必須借助各類交通工具和轉運、分揀站才能完成。
圖18
網絡中設備間數據傳輸的整個過程，則是基于通訊線路上的高低電平信號的轉換而完成的。
圖19
事實上，我們目前使用的各類以太網通訊協議，基本上都遵循著這樣一個系統化的數據傳輸流程。
圖20
只不過為了方便協議設計和實施的一致性，協議框架被抽象的表述為一個多層的參考模型，每一層協議分別對應上述通訊流程中的不同階段(i./vi. 應用層;ii.傳輸層;iv.網絡路由層;iii./v.數據鏈路層;vii.物理層)。
圖21
不過，網絡協議的參考模型僅僅是定義了設備間的數據傳輸需要經過哪些步驟;而有關網絡通訊過程中各個階段(層)的數據交互規則，如：不同類型數據的優先級、不同設備在網絡中的“發言”權限、出現錯誤時的故障處理機制…等等，就需要基于特定的行業應用特點，在通訊協議中具體約定了。
圖22
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生一定的差異。
圖23
經過上面的討論，我們就不難理解，為什么各家在介紹其工業以太網技術時，都會拿多層協議模型來說事兒了，因為它們基本上都有著類似的數據通訊流程，只是在協議的每一層約定了一些不同的規則，也就是說，在數據通訊過程中的各個階段，采用了不同的方法而已。
圖24
