现场总线技术及其应用专项培训(ppt 84页)
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设备网桥 每一个网络段上存在唯一的特殊主设备LAS (Link Active
Scheduler)，即链路活动调度器 总线上所有设备发送数据必须得到LAS许可 数据的存取分调度传输(Schedule transfer)和非调度传输
(Unscheduled transfer)
2020/11/27
31
2020/11/27
18
LAS
➢ 每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS , 它的功能是：
➢ 认知新设备，并将新设备加入到链路中去； ➢ 从链路中除去没有响应的设备； ➢ 在链路上发布数据链路时间和调度时间； ➢ 在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备； ➢ 在调度时间之间，发送优先级驱动的令牌给某设备。
数据链路层为系统管理内核协议和总线访问子层访问总线媒体提供服务。 访问通过链路活动调度器进行，访问可以是周期性的，也可是非周期的。
数据链路层的操作被分成两层，一层提供对总线的访问，一层用于控制数 据链路用户之间的数据传输。
2020/11/27
16
系统管理和网络管理
物理层是传输数据信号的物理媒体与现场设备之间的接口。它为数据 链路层提供了独立于物理媒体种类的接收与发送能力。
现场总线 FF-HSE
LAS 网关
基本设备 BD
现场总线 (i)
LAS
基本设备
基本设备
网桥
LM
BD
BD
LAS
现场总线 (i+2)
例如：31.25kbps
LM = 链路主设备 LAS = 现行的链路活动调度器 LAS = 备份的链路活动调度器 BD = 基本设备
基本设备 BD
基本设备 BD
2020/11/27
物理层由媒体连接单元、媒体相关子层、媒体无关子层组成。各层协 议、各层管理实体和网络管理代理所组成的通信实体协同工作，共同 承担网络通信任务。
2020/11/27
17
3.1.3 基金会现场总线网络拓扑
1. 单网段拓扑 2.桥接网络拓扑
PID（链路主 设备）
模拟量输入（基 本设备）
单网段拓扑图
模拟量输出（基 本设备）
2020/11/27
23
现场总线协议数据的生成
2020/11/27
24
3.1.4.1 物理层
低速现场总线H1—31.25Kbps 高速现场总线H2 采用曼彻斯特编码 3种传输介质：双绞线、光纤和射频 H1标准下，使用双绞线，现场设备供电方式可以是总线供
电，也可以是自供电
2020/11/27
➢链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。 ➢任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器
LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。
现场总线仪表与LAS
2020/11/27
32
基金会现场总线设备的类型
33
数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问(数据链路 层低层功能)；另一个是在数据链路使用者之间控制数据传输(数 据链路层高层功能)。
FF提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方 式。无连接方式用于支持报告分发VCR；一种面向连接方式用于 支持发布/订阅VCR，另一种面向连接方式用于支持客户/服务器 VCR。
31.25Kbps 电压
总线/菊花链/树型 1900m 120m
总线供电 支持 2～6
来自百度文库2020/11/27
28
2020/11/27
HSE现场设备
HSE I/O网关
HSE总线
HSE链接设备
路由器
HI HSE
HI
HI网桥
HI设备 总 线
HSE设备
HI设备
HSE现场设备
HSE链路设备
HSE现场设备 HSE I/O网关
FMS的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据；
FMS和FAS的任务是完成一个应用进程到另一个应用进程的描述，实 现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开 放性。
2020/11/27
22
➢ 如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成 用户数据，并把它们送往总线报文规范层（FMS）处理，每帧最多可 发送251个8位字节的用户数据信息；
2020/11/27
19
网桥的功能
转发（Forwarding）
– 置于转发表中，按优先级排队
DLL
重发（Republishing）
– 置于重发表中，缓冲型
–
重发以转发代替，以支持非调度式的传输
系统管
数据链路时间重分布
理
应用时钟时间重分布
2020/11/27
20
3.1.4 基金会现场总线通信模型
链路活动调度器LAS(Link Active Scheduler)发起周期和非周期通信。
– DLL高层（数据传输）功能：
无连接数据传输；发布/索取数据定向连接传输
；请求/响应数据定向连接传输。
2020/11/27
30
FF协议数据链路层
FF通信采用多主站令牌传递的主从结构 现场总线设备包括Basic Device和Link Master Device和特殊
2020/11/27
7
3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成
系统管理内核
（SMK）
对象 系统管理 字典 信息库
（OD） （SMIB）
设备描述 功
（OD）
能
对象字典
（OD）
块 对 象
系统管 理内核 协议
（SMKP）
现场总线报文规范子（FMS） 现场总线访问子层(FAS)
数据链路层（DLL） 物理层（PHY）
2020/11/27
34
➢ 总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总 线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。
➢ 每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS，它具备 链路活动调度能力，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类 链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。
现场总线技术及其应用 第3讲
2020/11/27
1
第3章 几种流行的现场总线
3.1基金会现场总线 3.2Profibus现场总线 3.3 LonWorks 3.4CAN总线 3.5 小节
2020/11/27
2
3.1 基金会现场总线
3.1.1基金会现场总线概述 3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成 3.1.3 基金会现场总线网络拓扑 3.1.4 基金会现场总线通信模型 3.1.5 基金会现场总线的功能块 3.1.6 基金会现场总线通信控制器FB3050 3.1.7基金会现场总线的组态 3.1.8一致性与互操作性测试 3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例
2020/11/27
14
系统管理和网络管理
现场总线通信实体示意图
2020/11/27
15
系统管理和网络管理
系统管理内核除采用FMS服务外，还可在经过系统管理内核协议直接访问 数据链路层。
FAS对FMS和应用进程提供VCR报文传送服务，把这些服务映射到数据链 路层。FAS提供VCR端点对数据链路层的访问，为运用数据链路层提供了一 种辅助方式。在FAS中还规定了VCR端点的数据联络能力。
– FF基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备和DCS制造厂商，研 究机构和最终用户。现有基金会成员120余家，以及诸多最终用户 组成的顾问委员会。FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总 线标准。
2020/11/27
5
FF标准系列
用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接 的H1（31.25K）
I/O
总 线
总 线
HI设备 HI设备
图3-6 FF总线的网络拓扑结构
29
3.1.4.2数据链路层
数据链路层DLL(Data Link Layer)
– DLL低层（介质访问）功能：
基本设备BD(Basic Device)不能主动发起通 信，只能接收查询；
链路主设备LMD(Link Master Device)在得 到令牌时可以发起一次通信；
2020/11/27
3
3.1.1基金会现场总线概述
FF发展的简单回顾 FF的技术特点
2020/11/27
4
FF基金会和FF总线协议的起源
在工业自动化领域，ISP北美分会和World FIP合并成立了现场总线基 金会FF（Fieldbus Foundation） – ISP 包括Fisher-Rosemount，Smar，E+H，Siemens，Yokogawa等 100多家，以德国标准PROFIBUS为基础制定现场总线。 – World FIP 包括Honeywell，Allen-Bradley，Elsag Bailey等120多家 ，以法国标准FIP（Factory Instrumentation Protocol）为基础制定现 场总线。
➢ 然后依次送往现场总线访问子层（FAS）和数据链路层（DLL）； ➢ 用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息
，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为CRC校验码）后，送往物 理层将数据打包； ➢ 信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网 络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。
25
FF协议物理层H1标准
低速总线H1已完成标准制定(IEC1158-2) 用于过程自动化 直流电压供电范围为9-32VDC 不考虑本安时一条总线上可以连接32台仪表 两线制传输，最远传输距离1900米 最多可以加四个中继器 拓扑结构：总线型或树型
2020/11/27
26
FF总线拓扑结构
功能 块应 用进
程
（AP S）
网络管理代理（NMA）
对象 字典
（OD）
FMS管理 FMS 实体
（LME）
FAS LME
DLL LME PHY LME
系统管 理信息
库
(NMIB )
2020/11/27
8
通信系统的主要构成部分
功能块应用进程 对象字典（OD）和设备描述（DD） 网络通信 网络管理 系统管理
OSI模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
FF现场总线模型
用户层（程序） 现场总线信息规范子层
FMS 现场总线访问子层FAS
用户层 通
信
数据链路层 物理层
栈 物理层
2020/11/27
21
FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求， 采用不同的数据访问工作模式；
NMA是一个设备应用进程，它由一个FMS VFD模型表示。在NMA VFD中的对象是 关于通信栈整体或各层管理实体(LME)的信息。这些网络管理对象集合在网络管理信息 库(NMIB)中，可由NMgr使用一些FMS服务，通过与NMA建立VCR进行访问。
网络管理者、被管理对象、网络管理代理 之间的相互作用关系、
2020/11/27
27
H1总线网段的主要特性参数
传输速率 信号类型 拓扑结构 通信距离 分支长度 供电方式 本质安全 设备数／段
31.25Kbps 电压
总线/菊花链/树型 1900m 120m
非总线供电 不支持 2～32
31.25Kbps 电压
总线/菊花链/树型 1900m 120m
总线供电 不支持 1～12
用于高速，制造业自动化或者车间自动化的以快速以太网 为基础的FF-HSE
2020/11/27
6
FF的技术特点
适用于过程自动化的低速部分FF-H1
– 支持总线供电 – 支持本质安全 – 令牌总线访问机制 – 内容广泛的用户层
基于以太网的高速部分HSE
– 支持H1 – 可实现冗余 – 支持标准的基本功能模块
2020/11/27
13
系统管理和网络管理
（4）通信实体
➢通信实体包含自物理层、数据链路层、现场总线访问子层和现场总线信息规范层直 至用户层。 ➢设备的通信实体由各层的协议和网络管理代理共同组成，通信栈是其中的核心。 ➢层管理实体LMEs提供对一层协议的管理能力，它向网络管理代理提供对协议被管 理对象的本地接口。 ➢PH-SAP为物理层服务访问点；DL-SAP为数据链路服务访问点；DL-CEP为数据链 路连接端点。它们是构成层间虚拟通信关系的接口端点。 ➢层协议的基本目标是提供虚拟通信关系。 ➢FMS提供VCR应用报文服务，如变量读、写。不过，有些设备可以不用FMS，而 直接访问FAS。
2020/11/27
9
2020/11/27
10
2020/11/27
11
系统管理和网络管理
网络管理者与网络管理代理 网络管理负责以下工作：
·下载虚拟通信关系表VCRL或表中某个单一条目； ·对通信栈组态； ·下载链路活动调度表LAS； ·运行性能监视； ·差错判断监视。
2020/11/27
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系统管理和网络管理
Scheduler)，即链路活动调度器 总线上所有设备发送数据必须得到LAS许可 数据的存取分调度传输(Schedule transfer)和非调度传输
(Unscheduled transfer)
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LAS
➢ 每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS , 它的功能是：
➢ 认知新设备，并将新设备加入到链路中去； ➢ 从链路中除去没有响应的设备； ➢ 在链路上发布数据链路时间和调度时间； ➢ 在调度时间内，轮询那些以缓冲区存储数据的设备； ➢ 在调度时间之间，发送优先级驱动的令牌给某设备。
数据链路层为系统管理内核协议和总线访问子层访问总线媒体提供服务。 访问通过链路活动调度器进行，访问可以是周期性的，也可是非周期的。
数据链路层的操作被分成两层，一层提供对总线的访问，一层用于控制数 据链路用户之间的数据传输。
2020/11/27
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系统管理和网络管理
物理层是传输数据信号的物理媒体与现场设备之间的接口。它为数据 链路层提供了独立于物理媒体种类的接收与发送能力。
现场总线 FF-HSE
LAS 网关
基本设备 BD
现场总线 (i)
LAS
基本设备
基本设备
网桥
LM
BD
BD
LAS
现场总线 (i+2)
例如：31.25kbps
LM = 链路主设备 LAS = 现行的链路活动调度器 LAS = 备份的链路活动调度器 BD = 基本设备
基本设备 BD
基本设备 BD
2020/11/27
物理层由媒体连接单元、媒体相关子层、媒体无关子层组成。各层协 议、各层管理实体和网络管理代理所组成的通信实体协同工作，共同 承担网络通信任务。
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3.1.3 基金会现场总线网络拓扑
1. 单网段拓扑 2.桥接网络拓扑
PID（链路主 设备）
模拟量输入（基 本设备）
单网段拓扑图
模拟量输出（基 本设备）
2020/11/27
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现场总线协议数据的生成
2020/11/27
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3.1.4.1 物理层
低速现场总线H1—31.25Kbps 高速现场总线H2 采用曼彻斯特编码 3种传输介质：双绞线、光纤和射频 H1标准下，使用双绞线，现场设备供电方式可以是总线供
电，也可以是自供电
2020/11/27
➢链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的清单，由它来掌管总线段上各设备对总线的操作。 ➢任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到链路活动调度器
LAS的许可，才能向总线上传输数据。因此LAS是总线的通信活动中心。
现场总线仪表与LAS
2020/11/27
32
基金会现场总线设备的类型
33
数据链路层被分为两个工作层：一个提供对总线的访问(数据链路 层低层功能)；另一个是在数据链路使用者之间控制数据传输(数 据链路层高层功能)。
FF提供三种传送数据的机制：一种无连接方式；两种面向连接方 式。无连接方式用于支持报告分发VCR；一种面向连接方式用于 支持发布/订阅VCR，另一种面向连接方式用于支持客户/服务器 VCR。
31.25Kbps 电压
总线/菊花链/树型 1900m 120m
总线供电 支持 2～6
来自百度文库2020/11/27
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HSE现场设备
HSE I/O网关
HSE总线
HSE链接设备
路由器
HI HSE
HI
HI网桥
HI设备 总 线
HSE设备
HI设备
HSE现场设备
HSE链路设备
HSE现场设备 HSE I/O网关
FMS的基本功能是面向应用服务，生成规范的应用协议数据；
FMS和FAS的任务是完成一个应用进程到另一个应用进程的描述，实 现应用进程之间的通信，提供应用接口的标准操作，实现应用层的开 放性。
2020/11/27
22
➢ 如某个用户要将数据通过现场总线发往其他设备，首先在用户层形成 用户数据，并把它们送往总线报文规范层（FMS）处理，每帧最多可 发送251个8位字节的用户数据信息；
2020/11/27
19
网桥的功能
转发（Forwarding）
– 置于转发表中，按优先级排队
DLL
重发（Republishing）
– 置于重发表中，缓冲型
–
重发以转发代替，以支持非调度式的传输
系统管
数据链路时间重分布
理
应用时钟时间重分布
2020/11/27
20
3.1.4 基金会现场总线通信模型
链路活动调度器LAS(Link Active Scheduler)发起周期和非周期通信。
– DLL高层（数据传输）功能：
无连接数据传输；发布/索取数据定向连接传输
；请求/响应数据定向连接传输。
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FF协议数据链路层
FF通信采用多主站令牌传递的主从结构 现场总线设备包括Basic Device和Link Master Device和特殊
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3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成
系统管理内核
（SMK）
对象 系统管理 字典 信息库
（OD） （SMIB）
设备描述 功
（OD）
能
对象字典
（OD）
块 对 象
系统管 理内核 协议
（SMKP）
现场总线报文规范子（FMS） 现场总线访问子层(FAS)
数据链路层（DLL） 物理层（PHY）
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➢ 总线通信中的链路活动调度，数据的接收发送，活动状态的探测、响应，总 线上各设备间的链路时间同步，都是通过数据链路层实现的。
➢ 每个总线段上有一个媒体访问控制中心，称为链路活动调度器LAS，它具备 链路活动调度能力，能形成链路活动调度表，并按照调度表的内容形成各类 链路协议数据，链路活动调度是该设备中数据链路层的重要任务。
现场总线技术及其应用 第3讲
2020/11/27
1
第3章 几种流行的现场总线
3.1基金会现场总线 3.2Profibus现场总线 3.3 LonWorks 3.4CAN总线 3.5 小节
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2
3.1 基金会现场总线
3.1.1基金会现场总线概述 3.1.2 基金会现场总线通信系统的构成 3.1.3 基金会现场总线网络拓扑 3.1.4 基金会现场总线通信模型 3.1.5 基金会现场总线的功能块 3.1.6 基金会现场总线通信控制器FB3050 3.1.7基金会现场总线的组态 3.1.8一致性与互操作性测试 3.1.9基金会现场总线的应用设计与实例
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系统管理和网络管理
现场总线通信实体示意图
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15
系统管理和网络管理
系统管理内核除采用FMS服务外，还可在经过系统管理内核协议直接访问 数据链路层。
FAS对FMS和应用进程提供VCR报文传送服务，把这些服务映射到数据链 路层。FAS提供VCR端点对数据链路层的访问，为运用数据链路层提供了一 种辅助方式。在FAS中还规定了VCR端点的数据联络能力。
– FF基金会汇集了世界著名仪表、自动化设备和DCS制造厂商，研 究机构和最终用户。现有基金会成员120余家，以及诸多最终用户 组成的顾问委员会。FF的宗旨是促进产生一个单一的国际现场总 线标准。
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FF标准系列
用于低速，过程自动化中现场设备和控制设备之间的联接 的H1（31.25K）
I/O
总 线
总 线
HI设备 HI设备
图3-6 FF总线的网络拓扑结构
29
3.1.4.2数据链路层
数据链路层DLL(Data Link Layer)
– DLL低层（介质访问）功能：
基本设备BD(Basic Device)不能主动发起通 信，只能接收查询；
链路主设备LMD(Link Master Device)在得 到令牌时可以发起一次通信；
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3.1.1基金会现场总线概述
FF发展的简单回顾 FF的技术特点
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4
FF基金会和FF总线协议的起源
在工业自动化领域，ISP北美分会和World FIP合并成立了现场总线基 金会FF（Fieldbus Foundation） – ISP 包括Fisher-Rosemount，Smar，E+H，Siemens，Yokogawa等 100多家，以德国标准PROFIBUS为基础制定现场总线。 – World FIP 包括Honeywell，Allen-Bradley，Elsag Bailey等120多家 ，以法国标准FIP（Factory Instrumentation Protocol）为基础制定现 场总线。
➢ 然后依次送往现场总线访问子层（FAS）和数据链路层（DLL）； ➢ 用户数据信息在FAS，FMS，DLL各层分别加上各层的协议控制信息
，在数据链路层还加上帧校验信息（一般为CRC校验码）后，送往物 理层将数据打包； ➢ 信息帧形成之后，还要通过物理层转换为符合规范的物理信号，在网 络系统的管理控制下，发送到现场总线网段上。
25
FF协议物理层H1标准
低速总线H1已完成标准制定(IEC1158-2) 用于过程自动化 直流电压供电范围为9-32VDC 不考虑本安时一条总线上可以连接32台仪表 两线制传输，最远传输距离1900米 最多可以加四个中继器 拓扑结构：总线型或树型
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FF总线拓扑结构
功能 块应 用进
程
（AP S）
网络管理代理（NMA）
对象 字典
（OD）
FMS管理 FMS 实体
（LME）
FAS LME
DLL LME PHY LME
系统管 理信息
库
(NMIB )
2020/11/27
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通信系统的主要构成部分
功能块应用进程 对象字典（OD）和设备描述（DD） 网络通信 网络管理 系统管理
OSI模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
FF现场总线模型
用户层（程序） 现场总线信息规范子层
FMS 现场总线访问子层FAS
用户层 通
信
数据链路层 物理层
栈 物理层
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FAS的基本功能是确定数据访问的关系模型和规范，根据不同要求， 采用不同的数据访问工作模式；
NMA是一个设备应用进程，它由一个FMS VFD模型表示。在NMA VFD中的对象是 关于通信栈整体或各层管理实体(LME)的信息。这些网络管理对象集合在网络管理信息 库(NMIB)中，可由NMgr使用一些FMS服务，通过与NMA建立VCR进行访问。
网络管理者、被管理对象、网络管理代理 之间的相互作用关系、
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H1总线网段的主要特性参数
传输速率 信号类型 拓扑结构 通信距离 分支长度 供电方式 本质安全 设备数／段
31.25Kbps 电压
总线/菊花链/树型 1900m 120m
非总线供电 不支持 2～32
31.25Kbps 电压
总线/菊花链/树型 1900m 120m
总线供电 不支持 1～12
用于高速，制造业自动化或者车间自动化的以快速以太网 为基础的FF-HSE
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6
FF的技术特点
适用于过程自动化的低速部分FF-H1
– 支持总线供电 – 支持本质安全 – 令牌总线访问机制 – 内容广泛的用户层
基于以太网的高速部分HSE
– 支持H1 – 可实现冗余 – 支持标准的基本功能模块
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系统管理和网络管理
（4）通信实体
➢通信实体包含自物理层、数据链路层、现场总线访问子层和现场总线信息规范层直 至用户层。 ➢设备的通信实体由各层的协议和网络管理代理共同组成，通信栈是其中的核心。 ➢层管理实体LMEs提供对一层协议的管理能力，它向网络管理代理提供对协议被管 理对象的本地接口。 ➢PH-SAP为物理层服务访问点；DL-SAP为数据链路服务访问点；DL-CEP为数据链 路连接端点。它们是构成层间虚拟通信关系的接口端点。 ➢层协议的基本目标是提供虚拟通信关系。 ➢FMS提供VCR应用报文服务，如变量读、写。不过，有些设备可以不用FMS，而 直接访问FAS。
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系统管理和网络管理
网络管理者与网络管理代理 网络管理负责以下工作：
·下载虚拟通信关系表VCRL或表中某个单一条目； ·对通信栈组态； ·下载链路活动调度表LAS； ·运行性能监视； ·差错判断监视。
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系统管理和网络管理