物联网数据接入篇-物联网硬件(9)

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这篇文章,我们来了解下物联网中的一些网络设备的分类和含义。每一层的硬件都有不同,负责的事情也不一样。

物联网的网络设备分类:

物联网需要连接设备,传输数据。依赖特定的设备和线缆。网络设备按照 OSI 七层模型分类,每一层有每一层的设备/线缆/插头。

物理层主要有线缆、插头、调制解调器、中继器、集线器。数据链路层有无线接入点、网卡、网桥、二层交换机。网络层有路由器也叫三层交换机。传输层有四层交换机。会话层有五层交换机。表示层有六层交换机。应用层有七层交换机、RTU、DTU、网关、防火墙。其中网关、防火墙可以工作在传输层及以上模型层。

物联网的网络每一层硬件作用(每一层有每层的作用):

  • 物理层负责传输电波或者光波。
  • 数据链路层负责找 MAC 地址、传输数据帧、控制数据帧传输,可以组成局域网。
  • 网络层负责报文封装、IP 寻址、数据传输、传输控制。
  • 传输层主要负责端口建立会话,发送数据段、传输控制、差错校验、流量控制。
  • 会话层转发会话数据包,会话管理、高级流量控制、安全性。
  • 表示层是处理数据的表示、加密、转换。
  • 应用层的硬件负责数据深度处理和转发,负载均衡、内容过滤、安全控制、优化和缓存。

网络相关硬件:

一、物理层

1. 链路

链路:将各个节点进行连接的线路,可以使用有线线缆或者无线电波。

1)双绞线(网线)

双绞线(网线):由两根具有绝缘保护层的铜导线组成,是目前局域网中最常用的一种传输介质,分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)。由两根具有绝缘保护层的铜导线相互绞合而成。线缆是两根细导线一组,共 4 组。传输速度 10kb/s 到 10Gb/s。传输距离 100 米左右。

2)同轴电缆

同轴电缆:由内导体、绝缘层、外导体以及外部的护套组成,曾经在早期网络中广泛应用。

一般是由四层物料造成:最内里是一条导电铜线,线的外面有一层塑胶(作绝缘体、电介质之用)围拢,绝缘体外面又有一层薄的网状导电体(一般为铜或合金),然后导电体外面是最外层的绝缘物料作为外皮。有线电视传播、长途电话传输、计算机系统之间的短距离连接以及局域网等。

3)光纤

光纤:以光导纤维为传输介质,传输速度快、带宽大、抗干扰性强。光纤利用光在这些纤维中以全反射原理传输光信号,具有频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠等诸多优点。单根光纤的传输速率可以达到几十甚至上百吉比特每秒(Gbps)。

随着技术的不断发展和进步,其传输速度还在持续提升。10~100Gbps。

4)电力线

电力线:利用电力线来传输网络信号,较为方便,但可能存在信号不稳定等问题。

2. 接头

1)DB9/25针脚头

DB9/25针脚头:一种 9/25 针的 D 型连接器,在串口通信等场景中使用。

2)RJ45 网线水晶头

RJ45 接口,网线水晶头,这是以太网中最常用的接口类型,用于连接双绞线网线,广泛应用于各种网络设备。

3)USB 头

USB 头,USB Type-A 、USB Type-B、USB Type-C 头。下面少个了苹果公司的 lighting 口,不过慢慢都变成 Type-C 头了,赶紧统一掉。

4)BNC 接口

BNC 接口,主要用于同轴电缆的连接,在早期的视频监控等领域较为常用。

5)RJ11 接口

RJ11,用于电话线连接,常用于传统电话通信,但也可在一些特殊网络应用中见到(电话线的线数量比网线少多了)。

6)光纤接口

光纤接口:常见的光纤接口类型有 FC 、ST 、SC 和 LC 。

3. 设备

1)调制解调器/猫/Modem

调制解调器,能使数字数据在模拟信号传输线上进行传输的设备。调制是将数字信号转换为模拟信号。解调讲模拟信号转为数字信号。

调制解调器通常与电话线或有线电视线等传输介质连接,用于连接计算机与互联网或其他远程设备之间进行数据传输。

想起来之前电话线插猫上,路由器插猫上,然后拨号上网的场景。

2)光猫/ONT

Ontical Network Terminal, 光猫是一种网络终端设备,主要用于光纤网络的接入和转换。它将光信号转换成电信号,使得用户可以通过光纤网络接入互联网。光猫一般由光接收模块、光发射模块和电子信号处理单元组成。它通常被安装在用户家中或办公室,作为光纤宽带接入的终端设备。

光猫提供了以太网接口,用户可以通过有线或无线方式将计算机、路由器或其他设备连接到光猫上,实现网络通信。有时候光猫也具备路由功能,有多个 LAN 口,可以直连多个设备(一般不提供无线功能)。

3)中继器

中继器,物理层延长数据传输距离,调整放大波形。一般分为无线的 Wi-Fi 放大器、有线的放大器、分路拓展中继器。

4)集线器/Hub

集线器(Ethernet hub)是指将多条以太网双绞线或光纤集合连接在同一段物理介质下的装置。

集线器是运作在OSI模型中的物理层,可以让其连结的设备工作在同一网段。集线器上有多个I/O端口,信号从任意一个端口进入后,会从其他端口出现。集线器:物理层,广播,半双工,单个冲突域,单个广播域,用于小型局域网。物理层延长传输距离,无目的的广播收到的bit 位。

集线器向所有接口转发。按比特转发,不识别帧,也不执行CSMA/CD协议。不能互连不同速率的网段。会产生网络风暴,就产生了网桥。有网线集线器、光纤集线器、USB 集线器。

二、数据链路层

1. 网卡

网卡,唯一 MAC 地址。将设备与网络物理连接,进行数据处理、地址识别、通信协调功能。以太网网卡、无线网卡。你的台式机没有无线网卡,都连不上无线 WiFi,要买一个接收器。

2. 无线接入点/AP

无线接入点,将有线网络信号转换为无线信号,从而创建一个可供无线设备连接的无线网络区域。热点是一个常见的公用的无线接入点,其中无线客户端可以连接到互联网。路由器也集成了无线接入点。移动的 Wi-Fi 热点也是 AP 设备。

3. 网桥

网桥,数据链路层,MAC 目标转发,全双工,支持网络分段,每个端口一个冲突域,单个广播域,有网络基本管理功能,连接不同网段。

数据链路层延长数据传输距离,连接局域网,转发数据帧,连接相同类型的设备,就是 LLC 逻辑链路控制协议一样,MAC 协议可以不一样(数据链路层的包头是 MAC+LLC)。向特定 MAC 转发帧。在向以太网网段转发帧时必须执行CSMA/CD协议。连不同速率的网段。一个插口(也叫端口)对应一个局域网就是对应一批 MAC 地址,有张表存起来。有数据缓存。

4. 交换机

交换机,数据链路层,MAC 目标转发,全双工,支持网络分段,每个端口一个冲突域,单个广播域 VLAN 除外,VLAN 高级管理,用在局域网高效连接与浏览管理。数据链路层,向特定 MAC 地址转发数据帧,是网桥的升级版本,插口变多。一个端口号对应一个 MAC 地址,有张表存起来。有数据缓存。

三、网络层

1. 路由器

路由器,俗称三层交换机,网络层,基于 IP 的确定目标转发数据报,全双工,每个端口一个冲突域,每个接口一个广播域,有高级管理功能 ACL、防火墙。用于互联网接入与跨网络连接。其实他就是有路由功能的交换机。路由器和交换机不同点在于,它的每个网口下,都有一个 MAC 地址和 IP 地址。正因为路由器具有MAC地址,因此它能够成为数据链路层的的发送方和接收方。

四、传输层

1. 四层交换机

四层交换机,传输层,根据 TCP/UDP 端口号进行数据转发和流量控制。比路由器更高级。用在数据中心和服务器的负载均衡、流量管理。

五、会话层

1. 五层交换机

五层交换机,会话层,转发会话数据包,会话管理、高级流量控制、安全性。会用在 VoIP (Voice over Internet Protocol)网络语音的应用会话管理。

六、表示层

1. 六层交换机

六层交换机,表示层,处理数据的表示、加密、转换。用在 SSL 加密解密、数据的压缩和格式转换。

七、应用层

1. 七层交换机

七层交换机,应用层,数据深度处理和转发,负载均衡、内容过滤、安全控制、优化和缓存。应用在对 Web 浏览的负载均衡和优化。还有对数据进行深度检测和过滤。

2. RTU

RTU,远程终端单元,专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据。负责对现场信号、工业设备的监测和控制。数据链路层和应用层。用于现场数据采集和基本控制。具备数据处理能力,使用专用的串口或通信协议(Modbus),用于与传感器和执行器通信。

与PLC相比,RTU通常需要具有优良的通讯能力和更大的存储容量,适用于极端恶劣的环境,并且可提供更多的计算功能。RTU通常用于监控和控制远程设备,如管道、变电站、水处理厂等。需要插入一张 SIM 卡或者物联网卡。

3. DTU

DTU,数据传输单元,专门将串口数据转换为IP数据或将 IP 数据转换为串口数据,通过无线通信网络( 3G、4G、5G、WiF、NB、LoRa),走 HTTP、TCP、UDP、MQTT 等协议将数据传输到远端的服务器的无线终端设备,完成数据监控、本地逻辑控制、远程升级、故障报警等功能。传数据,不带控制功能。

数据链路层和应用层。用于将采集数据通过网络传输到远程。负责数据传输和安全性,不具备数据处理能力, 通过无线、以太网与服务器连接。

需要插入一张 SIM 卡或者物联网卡。

DTU硬件组成部分主要包括CPU控制模块、无线通讯模块以及电源模块。

DTU优点包括:组网迅速灵活,建设周期短、成本低;网络覆盖范围广;安全保密性能好;链路支持永远在线、按流量计费、用户使用成本低。广泛应用于 智慧城市、智慧农业、智能制造、电力、气象、水利、地质等各行各业中。

RTU就是主要负责数据采集和控制,DTU主要负责数据通信,而工业网关则负责将不同设备和通信协议连接在一起。

DTU是串口数据与IP数据相互转化的装置。RTU是在DTU的基础上,具备控制功能,能够采集模拟量和开关量的输入与输出入的远程终端控制系统, 物联网工业网关是在RTU基础上,支持多协议,实时和多任务,更安全的远传终端。

4. 网关

网关,转换协议的设备。网关是将从传输层到应用层的数据进行转换和转发的设备。它与4~7层交换机一样都是处理传输层及以上的数据,但是网关不仅转发数据还负责对数据进行转换,它通常会使用一个表示层或应用层网关,在两个不能进行直接通信的协议之间进行翻译,最终实现两者之间的通信。网关就记住,他可以转换数据。

通常会使用一个表示层或应用层网关,在两个不能进行直接通信的协议之间进行翻译,最终实现两者之间的通信。网关通常支持多种通信协议,如Modbus、Ethernet/IP等。它可以将不同类型、不同协议的设备连接在一起,实现数据的无缝集成和传输。

5. 防火墙

防火墙,这里只说硬件网关防火墙,位于内部网络与外部网络之间的网络安全系统。会话管理、报文结构解析、安全区域、安全策略、NAT 、VPN 、DoS 防御、报文攻击防御、内容扫描、监控和报告、报文抓包。

总结一下:

  • 物理层负责传输电波或者光波。
  • 数据链路层负责找 MAC 地址、传输数据帧、控制数据帧传输,可以组成局域网。
  • 网络层负责报文封装、IP 寻址、数据传输、传输控制。
  • 传输层主要负责端口建立会话,发送数据段、传输控制、差错校验、流量控制。
  • 会话层转发会话数据包,会话管理、高级流量控制、安全性。
  • 表示层是处理数据的表示、加密、转换。
  • 应用层的硬件负责数据深度处理和转发,负载均衡、内容过滤、安全控制、优化和缓存。

参考资料

网桥(计算机网络)-CSDN博客

https://zhuanlan.zhihu.com/p/440970417

什么是DTU、RTU、FTU和TTU?它们有什么区别?_控制_监控_的设备

百度安全验证

学习网络技术的方法和路径

123 张图详解 177 个计算机网络名词

53 张图详解防火墙的 55 个知识点

25 张图详解交换机:秒懂二层交换机的 16 个问题

网络设备的 38 个知识点

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