第二章数据通信基础与网络互连课件

第一讲总结第一讲总结1.现场总线的定义现场总线的定义o现场总线现场总线现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。互联、多变量、多点、多站的通信网络。oIEC对现场总线的定义对现场总线的定义现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。行、多节点数字通信的技术。2024/7/161传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统系统2024/7/162基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统成系统2024/7/163第一讲总结第一讲总结2.现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点o系统的开放性系统的开放性通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换互连并实现信息交换o互可操作性与互用性互可操作性与互用性o现场设备的智能化与功能自治性现场设备的智能化与功能自治性o系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性o对现场环境的适应性对现场环境的适应性2024/7/164第一讲总结第一讲总结2.现场总线的特点和优点现场总线的特点和优点o节省硬件数量与投资节省硬件数量与投资o节省安装费用节省安装费用o节约维护开销节约维护开销o用户具有高度的系统集成主动权用户具有高度的系统集成主动权o提高了系统的准确性与可靠性提高了系统的准确性与可靠性2024/7/165第一讲总结第一讲总结3.现场总线与管理信息网络的特点比较现场总线与管理信息网络的特点比较特性特性现场总线现场总线管理信息网络管理信息网络监视与控制能力监视与控制能力强强弱弱可靠性与故障容限可靠性与故障容限高高高高实时响应实时响应快快中中信息报文长度信息报文长度短短长长OSI相容性相容性低低中、高中、高体系结构与协议复杂性体系结构与协议复杂性低低中、高中、高通信功能级别通信功能级别中级中级大范围大范围通信速率通信速率低、中低、中高高抗干扰能力抗干扰能力强强中中2024/7/166第一讲总结第一讲总结4.企业网络信息集成系统的基本层次结构企业网络信息集成系统的基本层次结构现场总线现场总线控制网络现场总线控制网络工业局域网工业局域网企业网企业网Internet过程控制层过程控制层PCS制造执行层制造执行层MES企业资源规划层企业资源规划层ERP2024/7/167第一讲总结第一讲总结5.几种主要的现场总线标准几种主要的现场总线标准o基金会现场总线基金会现场总线(FF)oPROFIBUSoLonWorksoCANoHARToDeviceNet2024/7/168第二讲 数据通信基础 与网络互联2.1 数据通信基础数据通信基础2.1.1 基本概念基本概念2.1.2 通信系统的组成通信系统的组成2.1.3 数据编码数据编码2.1.4 通信系统的性能指标通信系统的性能指标2.1.5 信号的传输模式信号的传输模式2.1.6 通信方式通信方式2.1.7 同步方式同步方式2.1.8 局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构2.1.9 网络传输介质网络传输介质2.1.10 介质访问控制方式介质访问控制方式2.1.11 差错控制方式差错控制方式2024/7/16102.1.1 基本概念基本概念-总线的基本术语总线的基本术语o总线与总线段总线与总线段总线是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规总线是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式范的连接与操作方式一组设备通过总线连接在一起称为总线段一组设备通过总线连接在一起称为总线段2024/7/1611o总线主设备总线主设备可在总线上发起信息传输的设备可在总线上发起信息传输的设备 o总线从设备总线从设备不能在总线上主动发起通信，只能挂在总线上，对总线不能在总线上主动发起通信，只能挂在总线上，对总线信息进行接收查询信息进行接收查询o总线协议总线协议管理主、从设备使用总线的规则管理主、从设备使用总线的规则2.1.1 基本概念基本概念-总线的基本术语总线的基本术语2024/7/1612o控制信号控制信号总线上的控制信号通常有三种类型。一类控制连接在总总线上的控制信号通常有三种类型。一类控制连接在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。另一类用于改变总线操作的方式，始化、启动和停止等。另一类用于改变总线操作的方式，例如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。例如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。还有一些控制信号表明地址和数据的含义，如对于地址，还有一些控制信号表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。2.1.1 基本概念基本概念-总线的基本术语总线的基本术语2024/7/16132.1.1 基本概念基本概念-总线操作的基本内容总线操作的基本内容o总线操作总线操作总线上命令者与响应者之间的总线上命令者与响应者之间的“连接连接-数据传送数据传送-脱脱开开”这一操作序列称为一次总线操作。这一操作序列称为一次总线操作。o总线传送总线传送o通信请求通信请求o寻址寻址物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者；从设备作为响应者；逻辑寻址：选择从设备与位置无关；逻辑寻址：选择从设备与位置无关；广播寻址：用于选择多个响应者广播寻址：用于选择多个响应者2024/7/16142.1.1 基本概念基本概念-总线操作的基本内容总线操作的基本内容o总线仲裁总线仲裁用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。某一时刻只允许某一主设备占有总线，等到它完成某一时刻只允许某一主设备占有总线，等到它完成总线操作，释放总线占有权后才允许其他总线主设总线操作，释放总线占有权后才允许其他总线主设备使用总线。备使用总线。o总线定时总线定时总线通过定时信号进行同步。定时信号用于指明总总线通过定时信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。线上的数据和地址在什么时刻是有效的。o出错检测出错检测o容错容错2024/7/1615三线三线“菊花链菊花链”：总线请求：总线请求BRBR、总线允许、总线允许BGBG、总线忙、总线忙BBBB“菊花链菊花链”总线仲裁方式总线仲裁方式2024/7/1616o任一主控器Ci发出总线请求时，使BR1o任一主控器Ci占用总线，使BB1，禁止BG输出o主控器Ci没发请求(BRi=0)，却收到BG(BGINil)，则将BG向后传递(BGOUTil)o当BRl，BB0时，仲裁器发出BG信号。此时，BGl，如果仲裁器本身也是一个主控器，如微处理器，则在发出BG之前BB0时，它可以占用一个或几个总线周期o若Ci同时满足：本地请求(BRi=1)；BB=0；检测到BGINi端出现了上升沿。接管总线。oCi接管总线后，BG信号不再后传，即BGOUTi0 三线菊花链仲裁原理三线菊花链仲裁原理2024/7/16172.1.2 通信系统的组成通信系统的组成信信息息源源编编 码码调调 制制解解 调调译译 码码接接收收者者传输传输介质介质发送设备接收设备噪声干扰2024/7/16182.1.3 数据编码数据编码o数据编码：数据编码：是指通信系统中以何种物理信号是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。的形式来表达数据。o模拟数据编码：模拟数据编码：分别用模拟信号的不同幅度、分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的不同频率、不同相位来表达数据的0,1状态状态的编码方式。的编码方式。o数字数据编码：数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的来表达数据的0,1状态的编码方式。状态的编码方式。o基带传输：基带传输：采用数字数据编码，在基本不改采用数字数据编码，在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输信号的变数据信号频率的情况下，直接传输信号的传输方式。传输方式。2024/7/16192.1.3 数据编码数据编码o单极性码：单极性码：逻辑逻辑1为高电平，为高电平，0为低电平；为低电平；o双极性码：双极性码：逻辑逻辑0为负电平；为负电平；o归零码归零码(RZ)：每一位传输后均返回每一位传输后均返回0电平；电平；o非归零码非归零码(NRZ)：整个码元时间内维持有效电平。整个码元时间内维持有效电平。2024/7/16202.1.3 数据编码数据编码o曼彻斯特编码曼彻斯特编码n常用的基带编码，具有内在时钟信息，因而能使常用的基带编码，具有内在时钟信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步。网络上的每一个系统保持同步。n时间被划分为等间隔的小段，每小段代表一个位。时间被划分为等间隔的小段，每小段代表一个位。每小段又分为两半，前半段传送位的反码，后半段传送每小段又分为两半，前半段传送位的反码，后半段传送位本身。位本身。2024/7/16212.1.3 数据编码数据编码o模拟数据编码模拟数据编码采用模拟信号来表达数据采用模拟信号来表达数据0和和1。按照改变幅度、频率和相位。按照改变幅度、频率和相位三个参数可分为幅度键控三个参数可分为幅度键控ASK，频移键控，频移键控FSK和相移键控和相移键控PSK三种方法。三种方法。2024/7/16222.1.4 通信性能指标通信性能指标o传输速率传输速率是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传送的数据量：是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传送的数据量：T为发送一位代码的最小单位时间，为发送一位代码的最小单位时间，n为信号的有效状态。对为信号的有效状态。对二进制信号来说，二进制信号来说，n=2。常称为比特率。常称为比特率工业数据通信中常用的标准数据信号速率为：工业数据通信中常用的标准数据信号速率为：9600bps,500Kbps,1Mbps,2.5Mbps,10Mbps,100Mbps2024/7/16232.1.4 通信性能指标通信性能指标o传输速率传输速率是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传送的是衡量数据传输有效性的指标。指通信系统每秒传送的数据量：数据量：T为发送一位代码的最小单位时间，为发送一位代码的最小单位时间，n为信号的有效状为信号的有效状态。对二进制信号来说，态。对二进制信号来说，n=2。常称为比特率。常称为比特率工业数据通信中常用的标准数据信号速率为：工业数据通信中常用的标准数据信号速率为：9600bps,500Kbps,1Mbps,2.5Mbps,10Mbps,100Mbps2024/7/16242.1.4 通信性能指标通信性能指标o误码率误码率是衡量数字通信系统可靠性的指标，指二进制码元在数是衡量数字通信系统可靠性的指标，指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率：据传输系统中被传错的概率：其中其中N为传输的二进制码元总数，为传输的二进制码元总数，Ne为被传输错的码为被传输错的码元数，理论上元数，理论上N趋尽无穷，实际应用中，趋尽无穷，实际应用中，N应足够大才应足够大才能把能把Pe近似为误码率。近似为误码率。2024/7/16252.1.4 通信性能指标通信性能指标o通信信道的频率特性通信信道的频率特性描述通信信道在不同频率的信号通过以后，其波形发生变描述通信信道在不同频率的信号通过以后，其波形发生变化的特性。分为化的特性。分为幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性。n幅频特性幅频特性指不同频率信号通过以后，其幅值受到不同衰指不同频率信号通过以后，其幅值受到不同衰减的特性；减的特性；n相频特性相频特性指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不指不同频率的信号通过信道后，其相角发生不同程度改变的特性同程度改变的特性2024/7/16262.1.4 通信性能指标通信性能指标1.理想的频率特性是对不同频率产生均匀的幅频特性和理想的频率特性是对不同频率产生均匀的幅频特性和相频特性。相频特性。2.信号的频率在信道带宽范围内，则传输的信号基本不信号的频率在信道带宽范围内，则传输的信号基本不失真，否则信号的失真将较严重。失真，否则信号的失真将较严重。3.传输线路上存在的电阻电感和电容会造成信道的频率传输线路上存在的电阻电感和电容会造成信道的频率特性不理想。特性不理想。2024/7/16272.1.4 通信性能指标通信性能指标o介质带宽介质带宽n频谱：通信系统中所传输的数字信号可以分解为无频谱：通信系统中所传输的数字信号可以分解为无穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。信号穷多个频率、幅度、相位各不相同的正弦波。信号所含频率分量的集合称为频谱。所含频率分量的集合称为频谱。n带宽：频谱所占的频率宽度称为带宽。带宽：频谱所占的频率宽度称为带宽。n有效带宽：有效频谱的频带宽度。有效带宽：有效频谱的频带宽度。2024/7/1628基带传输信号的傅立叶分析基带传输信号的傅立叶分析单个矩形脉冲的频谱覆盖了整个频率范围，所以矩单个矩形脉冲的频谱覆盖了整个频率范围，所以矩形信号的绝对无失真传输是不可能的形信号的绝对无失真传输是不可能的2024/7/16292.1.4 通信性能指标通信性能指标1.如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真而使接收端如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真而使接收端难以正确辨认。难以正确辨认。2.当传输速率升高时，信号的有效带宽会随之增加，因而需要传输介质当传输速率升高时，信号的有效带宽会随之增加，因而需要传输介质具有更大的介质带宽。即传输介质的带宽会限制传输速率的增高。具有更大的介质带宽。即传输介质的带宽会限制传输速率的增高。2024/7/1630信道带宽对数字信号的影响信道带宽对数字信号的影响2024/7/16312.1.4 通信性能指标通信性能指标o信道容量信道容量指在某种传输介质中单位时间内可能传送的最大比特率，即指在某种传输介质中单位时间内可能传送的最大比特率，即该传输介质容许的最大数据传输速率该传输介质容许的最大数据传输速率(bps)。按照按照Nyquist定理，若信号由定理，若信号由V级离散值组成，级离散值组成，L为为信号所含比特数，信号所含比特数，W为带宽，则信道容量为带宽，则信道容量C为：为：n一般电话线带宽一般电话线带宽3000Hz，L=8时，即使无噪声，信道容量也不会时，即使无噪声，信道容量也不会超过超过48kbps.n数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内。只要信号速率低数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内。只要信号速率低于信道容量，总可以找到一个编码方式，实现低误码率传输。若实于信道容量，总可以找到一个编码方式，实现低误码率传输。若实际传输速率超过信道容量，则无法进行正确传输。际传输速率超过信道容量，则无法进行正确传输。2024/7/16322.1.4 通信性能指标通信性能指标o信噪比信噪比信号功率信号功率S与噪声功率与噪声功率N的比值称为信噪比。一般采用如的比值称为信噪比。一般采用如下方法表示，单位为分贝下方法表示，单位为分贝dB 信道容量信道容量C跟信道带宽跟信道带宽W和信噪比和信噪比S/N之间的香农计算公之间的香农计算公式为：式为：由香农公式，提高信噪比可以增加信道容量。在信道容量由香农公式，提高信噪比可以增加信道容量。在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。2024/7/16332.1.4 通信性能指标通信性能指标o若介质带宽W为3000Hz，当信噪比为10dB时，S/N=10，信道容量为：o若信噪比提高到20dB，即S/N=100时，可见，信道容量随信噪比的提高增加了许多。2024/7/16342.1.5 信号的传输模式信号的传输模式o基带传输基带传输 指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号。即按数据波的原样进行中直接传送数据的基带信号。即按数据波的原样进行传输，不包含任何调制。是目前广泛使用的最基本的传输，不包含任何调制。是目前广泛使用的最基本的传输方式。传输方式。n信号按数据位流的基本形式传输，整个系统不需调信号按数据位流的基本形式传输，整个系统不需调制解调器，使得系统价格低廉；制解调器，使得系统价格低廉；n可采用双绞线或同轴电缆、光缆作为传输介质，传可采用双绞线或同轴电缆、光缆作为传输介质，传输介质相对宽带较为便宜；输介质相对宽带较为便宜；n可达到较高的传输速率可达到较高的传输速率(一般为一般为1-10Mbps)，但，但传输距离一般不超过传输距离一般不超过25公里。公里。2024/7/16352.1.5 信号的传输模式信号的传输模式o载波传输载波传输指先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传指先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。输模式。n最基本的调制方式有：幅值键控，频移键控和相移最基本的调制方式有：幅值键控，频移键控和相移键控。键控。n在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号做为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波号做为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率称为载波频率。然后按上述三种方信号，基波频率称为载波频率。然后按上述三种方式改变载波信号的幅值、频率、相位行程调制信号式改变载波信号的幅值、频率、相位行程调制信号后发送。后发送。2024/7/16362.1.5 信号的传输模式信号的传输模式o宽带传输宽带传输应用于传输图像文字语音等大数据量信号。与基带传应用于传输图像文字语音等大数据量信号。与基带传输的主要区别为：输的主要区别为：1.数据传输速率不同，基带网的传输速率范围为数据传输速率不同，基带网的传输速率范围为0-10Mbps，宽带可达，宽带可达0-400Mbps；2.宽带可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。宽带可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。2024/7/16372.1.6 通信方式通信方式o单工通信单工通信o半双工通信半双工通信o全双工通信全双工通信2024/7/16382.1.7 同步方式同步方式o同步同步接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率以接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据。在通信时，接收端要校准自及起止时间来接收数据。在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程。过程称为同步过程。信息传输的同步方式分为异步式信息传输的同步方式分为异步式(asynchronous)和同步式和同步式(synchronous)。2024/7/16392.1.7 同步方式同步方式o同步式同步式分为位同步、字符同步和帧同步。分为位同步、字符同步和帧同步。n位同步：每个位必须在收发两端保持同步。一般在接收位同步：每个位必须在收发两端保持同步。一般在接收端从接受信号中提取位同步信息。因为在接收信号码元端从接受信号中提取位同步信息。因为在接收信号码元1和和0的极性变化中包含了同步信息。在同步方式中一般的极性变化中包含了同步信息。在同步方式中一般采用奇校验方法以保证每个字符中至少出现一个代码转采用奇校验方法以保证每个字符中至少出现一个代码转换点。换点。n字符同步：将字符组织成组后连续发送，每个字符内不字符同步：将字符组织成组后连续发送，每个字符内不加位，每组字符之前必须加上一个或多个同步字符加位，每组字符之前必须加上一个或多个同步字符SYN。接收端根据接收到的同步字符接收端根据接收到的同步字符SYN来确定字符的起始位。来确定字符的起始位。2024/7/16402.1.7 同步方式同步方式o异步式异步式又称起止又称起止(start-stop)同步方式。它在传送的字符之前设置一个起同步方式。它在传送的字符之前设置一个起始位，在信息代码结束后设置始位，在信息代码结束后设置1-2位的终止位。位的终止位。n在起始位和停止位之间，形成一个需要传送的字符；在起始位和停止位之间，形成一个需要传送的字符；n起始位起到了使该字符内各比特同步的作用；起始位起到了使该字符内各比特同步的作用；n各字符互不同步，字符的间隔是任意的；各字符互不同步，字符的间隔是任意的；n一个字符的传送时间由起始位和终止位之间的时间来决定一个字符的传送时间由起始位和终止位之间的时间来决定2024/7/16412.1.7 同步方式同步方式o同步式优点：同步式优点：效率高，一般在高速传输数据的系统中效率高，一般在高速传输数据的系统中采用同步式采用同步式o异步式优点：异步式优点：实现简单，频率漂移不会积累。但缺点实现简单，频率漂移不会积累。但缺点是线路效率低，每个字符都占用是线路效率低，每个字符都占用2-3各位的开销。各位的开销。2024/7/16422.1.8 局域网及其拓扑结构局域网及其拓扑结构o指网络中节点的互连方式指网络中节点的互连方式o星形拓扑星形拓扑o环形拓扑环形拓扑o总线形拓扑总线形拓扑o树形拓扑树形拓扑2024/7/16432.1.9 网络传输介质网络传输介质o指网络中连接收发双方的物理通道，常用的传输介质指网络中连接收发双方的物理通道，常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线和卫星通信等。和卫星通信等。o传输介质的主要特性包括：传输介质的主要特性包括：n物理特性物理特性n传输特性传输特性n连通特性连通特性n地理范围地理范围n抗干扰性抗干扰性2024/7/16442.1.9 网络传输介质网络传输介质o双绞线双绞线n物理特性物理特性n传输特性：传输特性：可以通过使用频分多路复用技术进行多路复用。可以通过使用频分多路复用技术进行多路复用。使用双绞线或调制解调器传输模拟数据信号时，数据传输速率可使用双绞线或调制解调器传输模拟数据信号时，数据传输速率可达达9600bps，24条音频通道总的传输速率可达条音频通道总的传输速率可达230kbps。n连通性：连通性：可以用于点可以用于点-点连接和多点连接点连接和多点连接n地理范围：地理范围：在在10Mbps局域网中，与集线器之间大最大距离局域网中，与集线器之间大最大距离100mn抗干扰性：抗干扰性：取决于相邻线对的扭曲长度和适当的屏蔽。低频时取决于相邻线对的扭曲长度和适当的屏蔽。低频时抗干扰能力相当于同轴电缆抗干扰能力相当于同轴电缆2024/7/16452.1.9 网络传输介质网络传输介质o同轴电缆同轴电缆n物理特性物理特性n传输特性：传输特性：分为基带和宽带同轴电缆。基带同轴电缆一分为基带和宽带同轴电缆。基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号，宽带同轴电缆可以使用频分多般仅用于数字数据信号，宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法划分成多条通信通道。路复用方法划分成多条通信通道。特征阻抗分为特征阻抗分为50欧的以太网电缆欧的以太网电缆(传输速率传输速率10Mbps)和和75欧的欧的CATV电缆电缆(带宽达带宽达400MHz)。n连通性：连通性：可以用于点可以用于点-点连接和多点连接；点连接和多点连接；n地理范围：地理范围：基带电缆最大几公里，宽带同轴电缆最大几基带电缆最大几公里，宽带同轴电缆最大几十公里；十公里；n抗干扰性：抗干扰性：高于双绞线。高于双绞线。2024/7/16462.1.9 网络传输介质网络传输介质o光纤光纤n物理特性：物理特性：光纤位直径光纤位直径50-100um的导光介质；的导光介质；n传输特性：传输特性：传输速率可达几千传输速率可达几千Mbps。分为单模和多模两类。分为单模和多模两类。单模性能优于多模光纤；单模性能优于多模光纤；n连通性：连通性：可以用于点可以用于点-点连接和多点连接；点连接和多点连接；n地理范围：地理范围：衰减极小，可在衰减极小，可在6-8公里内不使用中继器；公里内不使用中继器；n抗干扰性：抗干扰性：不受外界电磁干扰，误码率极低。不受外界电磁干扰，误码率极低。2024/7/16472.1.9 网络传输介质网络传输介质2024/7/16482.1.10 介质访问控制方式介质访问控制方式o通过对介质访问的控制可以解决在同一时间上多通过对介质访问的控制可以解决在同一时间上多个设备同时争用传输介质。个设备同时争用传输介质。o在随机访问方式中常用的争用总线技术为在随机访问方式中常用的争用总线技术为CSMA/CD;o在控制访问方式中常采用令牌总线、令牌环方式。在控制访问方式中常采用令牌总线、令牌环方式。2024/7/16492.1.10 介质访问控制方式介质访问控制方式oCSMA/CD(载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测冲突检测)需要发送数据时，首先需监听总线，以判断总线上是否存需要发送数据时，首先需监听总线，以判断总线上是否存在其他站发送的信号。如果介质是空闲的，则可以发送；在其他站发送的信号。如果介质是空闲的，则可以发送；否则以某种算法等待一定时间间隔后重试。否则以某种算法等待一定时间间隔后重试。三种三种CSMA/CD坚持退避算法：坚持退避算法：n不坚持不坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则等待一段随：若介质是空闲的，则发送；否则等待一段随机时间再重复检测；机时间再重复检测；n1-坚持坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则继续监听，：若介质是空闲的，则发送；否则继续监听，直到介质空闲为止；直到介质空闲为止；np-坚持坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则以概率：若介质是空闲的，则发送；否则以概率p发发送或以送或以(1-p)概率延迟一段时间后重新检测概率延迟一段时间后重新检测2024/7/16502.1.10 介质访问控制方式介质访问控制方式o令牌访问控制方式令牌访问控制方式按一定顺序在各站点之间传递令牌，谁得到令牌谁按一定顺序在各站点之间传递令牌，谁得到令牌谁有权发送数据。有权发送数据。n令牌环方式令牌环方式EDCBA2024/7/1651n令牌总线方式令牌总线方式2.1.10 介质访问控制方式介质访问控制方式FHCEDBAG2024/7/16522.1.11 差错控制技术差错控制技术o差错产生的原因差错产生的原因噪声噪声传输失真：信号传输时的幅度衰减、波形畸变传输失真：信号传输时的幅度衰减、波形畸变及收发端失步等；及收发端失步等；载波干扰：由于载波的振幅、相位和频率发生载波干扰：由于载波的振幅、相位和频率发生抖动；抖动；传输反射干扰传输反射干扰线间串扰：相邻信号线间电磁感应引入干扰；线间串扰：相邻信号线间电磁感应引入干扰；静电干扰静电干扰2024/7/16532.1.11 差错控制技术差错控制技术o错误检测错误检测奇偶校验码奇偶校验码编码规则：将所要传输的数据码元分组，每编码规则：将所要传输的数据码元分组，每一数据分组后添加一位奇偶校验位，使该分一数据分组后添加一位奇偶校验位，使该分组数据码元和添加的奇偶校验位组成的码元组数据码元和添加的奇偶校验位组成的码元中中”1”的个数为偶数的个数为偶数(偶校验偶校验)或奇数或奇数(奇校验奇校验)海明码海明码循环冗余校验码循环冗余校验码(CRC)2024/7/1654海明码海明码o一一个错误校验码码集，其码组长度、冗余校验，其码组长度、冗余校验位长度和码组中的最大数据位长度满足：位长度和码组中的最大数据位长度满足：n：码组位长度：码组位长度r：冗余校验位长度：冗余校验位长度k：码组中的最大数据位长度：码组中的最大数据位长度2024/7/1655海明码海明码o冗余码填充位置：冗余码填充位置：o满足关系：满足关系：o举例：举例：给出数据给出数据1101的海明码编码、译码和纠错过程的海明码编码、译码和纠错过程2024/7/16561.根据k=4可得：r=3,n=72.根据冗余码填充位置，可得编码后数据形式：(P1 P2 1 P3 1 0 1)3.根据矩阵等式可解得4.所求海明编码为(1 0 1 0 1 0 1)海明码海明码:数据数据1101的海明码编码、译码和纠错过程的海明码编码、译码和纠错过程2024/7/16575.译码过程：假设接收到的数据为(1 0 1 0 1 1 1),根据矩阵可计算出出错位：6.由(1 1 0)可得第6位出错，将第6位取反即可得正确数据。海明码海明码:数据数据1101的海明码编码、译码和纠错过程的海明码编码、译码和纠错过程2024/7/1658CRC(循环冗余编码循环冗余编码)校验校验oCRC校验的工作原理校验的工作原理n将要发送的数据比特序列当作一个多项式将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x)的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式多项式G(x)去除，求得一个余数多项式。将余数多去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。项式加到数据多项式之后发送到接收端。n接收端用同样的生成多项式接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收数去除接收数据多项式据多项式f(x),得到余数多项式。得到余数多项式。n若计算出的余数为若计算出的余数为0，则数据传输正确。，则数据传输正确。2024/7/1659发送方发送方接收方接收方发送数据发送数据 f(x)生成多项式生成多项式 G(x)实际发送实际发送数据字段数据字段校验字段校验字段接收数据接收数据 f1(x)生成多项式生成多项式 G(x)R1(x)=0 接收正确接收正确R1(x)!=0 接收错误接收错误2024/7/1660o数据为，生成多项式G(x)的系数为11001，求发送方发出的比特序列。1.G(x)的系数为11001，说明多项式阶数为4；2.数据码后添加4个0，新多项式系数为110011100003.多项式相除，求余数多项式系数(加减运算相当于异或)：1 0 0 0 0 1 01 1 0 0 1/1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 04.余数多项式系数为0010，因此发送方的比特序列为11001110010循环冗余编码循环冗余编码:举例举例2024/7/1661oCRC生成多项式生成多项式nCRC-12nCRC-16nCRC-CCITTnCRC-32对二进制乘法来说，对二进制乘法来说，x22024/7/16622.1.11 差错控制技术差错控制技术o差错控制和纠正差错控制和纠正超时重发超时重发拒绝接收拒绝接收选择接收选择接收探询探询2024/7/1663流量控制流量控制o当通信流量超过网络最大传输能力时，网络当通信流量超过网络最大传输能力时，网络吞吐量会下降，数据包丢失。流量控制是一吞吐量会下降，数据包丢失。流量控制是一种限制网络访问的机制。种限制网络访问的机制。o流量控制的基本原则是发送端的发送帧速率流量控制的基本原则是发送端的发送帧速率应不超过接收端接收帧的速率。应不超过接收端接收帧的速率。o滑动窗口流量控制滑动窗口流量控制2024/7/1664总结总结o数据通信的基本概念数据通信的基本概念n信号带宽：信号电磁波的频率范围n信道带宽：信道上能够传输的信号的最大频率范围n信道容量：传输介质容许的最大数据传输速率(bps)n基带传输：在数字通信中直接传送数据基带信号的传输方法n传输速率：单位时间内传送的信息量n误码率：传送中数据被传错的概率，近似等于大量数据传输中传错的数据占整个数据量的比例2024/7/1665总结总结o数据的编码技术数据的编码技术n模拟编码方法模拟编码方法振幅键控移频键控移相键控n数字编码方法数字编码方法归零码（RZ）和非归零码（NRZ）曼彻斯特编码：优点是传输过程中没有直流成分且提供了同步信息o数据的基带传输和频带传输数据的基带传输和频带传输2024/7/1666o数据通信方式数据通信方式n串行和并行n异步传输和同步传输n单工、半双工和全双工o传输介质传输介质n双绞线n同轴电缆n光纤n无线通信总结总结2024/7/1667o信道共享信道共享n竞争的介质访问方法竞争的介质访问方法CSMA/CDn确定型介质访问方法确定型介质访问方法令牌总线令牌环总结总结2024/7/1668o差错控制技术差错控制技术n差错控制中的编码技术差错控制中的编码技术海明码循环冗余编码n流量控制流量控制停止等待流量控制滑动窗口流量控制总结总结2024/7/16692.2 现场控制网络现场控制网络o现场控制网络的节点现场控制网络的节点具有通信能力的以下现场设备都可以成为现场控制网络的节点一员：具有通信能力的以下现场设备都可以成为现场控制网络的节点一员：n限位开关、感应开关等各类开关；限位开关、感应开关等各类开关；n条形码阅读器；条形码阅读器；n光电传感器；光电传感器；n温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器；温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器；n可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器PLC；nPID等数字控制器；等数字控制器；n各种数据采集装置；各种数据采集装置；n作为监视操作的监控计算机、工作站及其外设；作为监视操作的监控计算机、工作站及其外设；n各种调节阀；各种调节阀；n电动机控制设备；电动机控制设备；n变频器；变频器；n机器人；机器人；n作为现场控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等。作为现场控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等。2024/7/1670远程IOPLC传感器变送器变频器阀门。HMI人机接口现场总线适配器PC计算机现场控制网络节点示意图现场控制网络节点示意图2024/7/16712.2 现场控制网络现场控制网络o现场控制网络的任务和特点现场控制网络的任务和特点将传感器、执行器、测控仪表等做为网络节点，并连将传感器、执行器、测控仪表等做为网络节点，并连接成开放式、数字化的网络，以完成测控任务。接成开放式、数字化的网络，以完成测控任务。网络面临生产现场的强电磁干扰以及野外的恶劣环境，网络面临生产现场的强电磁干扰以及野外的恶劣环境，要求适应性和抗干扰性非常强。要求适应性和抗干扰性非常强。o现场控制网络的实时性现场控制网络的实时性现场控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它现场控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足对现场控制的必须满足对现场控制的实时性实时性要求。要求。2024/7/16722.3 网络硬件网络硬件o网络传输技术网络传输技术n广播式网络广播式网络n点到点网络点到点网络一般来讲，小的、地理上处于本地的网络采用广播方式，而一般来讲，小的、地理上处于本地的网络采用广播方式，而大的网络则采用点到点方式。大的网络则采用点到点方式。2024/7/16732.3 网络硬件网络硬件o网络分类网络分类同一电路板同一系统同一房间同一建筑物同一园区同一城市同一国家同一洲内同一星球0.1m1m10m100m1km10km100km1000km10000km处理器间距离各处理器的位置例子数据流计算机多计算机局域网局域网局域网城域网广域网广域网互联网2024/7/16742.4 网络互联网络互联o基本概念基本概念n即将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，即将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构成更大规模的网络，以实现网络的数据共享。构成更大规模的网络，以实现网络的数据共享。n要求不改变原有子网内的网络协议、通信速率、硬件和要求不改变原有子网内的网络协议、通信速率、硬件和软件配置等，要求将因连接对原有网络的影响减至最小。软件配置等，要求将因连接对原有网络的影响减至最小。o网络互联规范网络互联规范 IEEE 802标准标准o网络互联和操作系统网络互联和操作系统2024/7/16752.4 网络互联网络互联o网络互联规范网络互联规范 IEEE 802标准标准802.3CSMA/CD物理层物理层802.4Token_bus物理层物理层802.5Token_ring物理层物理层802.6MAN物理层物理层802.1逻辑链路控制逻辑链路控制802.1B网际互联网际互联802.1A综述和综述和体系结体系结构构网网络络管管理理802.10可互操作的局域网安全规范可互操作的局域网安全规范网际互联网际互联逻辑链路逻辑链路介质访问介质访问物理层物理层2024/7/16762.5 通信参考模型通信参考模型2.5.1 OSI参考模型参考模型2.5.2 TCP/IP参考模型参考模型2.5.3 OSI和和TCP/IP参考模型的比较参考模型的比较2.5.4 现场总线的通信模型现场总线的通信模型2024/7/16772.5.1 OSI参考模型参考模型oOpen system interconnectiono为异种计算机互联提供的一个共同基础和标准框为异种计算机互联提供的一个共同基础和标准框架架oOSI参考模型提供了概念性和功能性结构，将开参考模型提供了概念性和功能性结构，将开放系统的通信划分为放系统的通信划分为7个层次，各层次的协议细节个层次，各层次的协议细节由各层次独立进行；由各层次独立进行；o分层原则为将相似的功能集中在同一层中，功能分层原则为将相似的功能集中在同一层中，功能差别较大时分层处理，每层只对相邻的上下层定差别较大时分层处理，每层只对相邻的上下层定义接口。义接口。2024/7/16782.5.1 OSI参考模型参考模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层应用协议应用协议表示协议表示协议会话协议会话协议传输协议传输协议通信子网边界通信子网边界主机主机A主机主机B路由器路由器内部子网协议内部子网协议 路由器路由器比特比特帧帧分组分组TPDUSPDUPPDUAPDU交换单元的名字交换单元的名字2024/7/16792.5.1 OSI参考模型参考模型o物理层物理层主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题；介质等问题；这里，OSI物理层的作用是：在明确与调制解调器相连的接插头形状和插脚排列的基础上，对调制解调器的信号进行控制，以保证将比特传送到对方。实际所使用的物理媒体是光纤还是双绞线不在OSI范畴。2024/7/16802024/7/1681引脚引脚信号名称信号名称信号流向信号流向简称称信号功能信号功能1保保护地地接接设备外壳，安全地外壳，安全地2(3)发送数据送数据DTE-DCETxDDTE发送串行数据送串行数据3(2)接收数据接收数据DTEDCERTSDTE请求切求切换到到发送方式送方式5(8)清除清除发送送DTE-DCECTSDCE已切已切换到准到准备接收接收6(6)数据数据设备就就绪DTE-DCEDSRDCE准准备就就绪，可以接收，可以接收7(5)信号地信号地公共信号地公共信号地8(1)载波波检测（接收（接收线路信号路信号检测）DTEDCEDTRDTE准准备就就绪，可以接收，可以接收22(9)振振铃指示指示DTE-DCERI通知通知DTE，通信，通信线路已接通路已接通23数据信号速率数据信号速率选择DTEDCEDSRD选择较高的速率，双向通知高的速率，双向通知RS232接口接口2024/7/1682RS232接口接口2024/7/1683RS232接口接口2024/7/1684RS-232C串行通信接口串行通信接口o串行异步通信数据格式串行异步通信数据格式分分界界位位或或前前一一个个字字符符的的停停止止位位110DDD0/1DDDDD111112345678奇奇偶偶校校验验位位停停止止位位停停止止位位分分界界位位起起始始位位选择位选择位8位数据位位数据位122024/7/1685RS-232C串行通信接口串行通信接口o串行异步通信数据格式串行异步通信数据格式n起始位起始位:逻辑逻辑0电平。发送方在任何时刻将传号变成空号（即电平。发送方在任何时刻将传号变成空号（即1跳至跳至0），并持续），并持续1位时间表明发送方开始传输数位时间表明发送方开始传输数据。与此同时，接收方收到空号后，开始与发送方同步，并据。与此同时，接收方收到空号后，开始与发送方同步，并期望收到随后的数据；期望收到随后的数据；n数据位数据位:5-8位，紧跟在起始位后，是要被传送的数据。传位，紧跟在起始位后，是要被传送的数据。传送时，先传送低位，后传送高位；送时，先传送低位，后传送高位；n 奇偶校验位奇偶校验位:占占1位，奇效验或偶效验；位，奇效验或偶效验；n 停止位停止位:可以是可以是1位、位、1.5位或位或2位，它一定是逻辑位，它一定是逻辑1电平。电平。，2024/7/16862.5.1 OSI参考模型参考模型o数据链路层数据链路层利用物理层提供的利用物理层提供的“比特序列传送功能比特序列传送功能”在邻接的节点之间实现透明在邻接的节点之间实现透明的、高可靠性的数据传送。所谓透明的数据传送是指无论什么样类型的、高可靠性的数据传送。所谓透明的数据传送是指无论什么样类型的数据都按其原样传送。即将一条原始的、有差错的物理链路变为无的数据都按其原样传送。即将一条原始的、有差错的物理链路变为无差错的逻辑数据链路。差错的逻辑数据链路。基本功能包括：链路管理、帧同步、寻址、访问控制、差错控制和流基本功能包括：链路管理、帧同步、寻址、访问控制、差错控制和流量控制、透明传输。量控制、透明传输。2024/7/1687OSI参考模型与使用参考模型与使用CSMA/CD LAN的阶层模型关系的阶层模型关系2024/7/16882.5.1 OSI参考模型参考模型o网络层网络层 数据链路层解决了相邻两直接连接节点之间的通信问数据链路层解决了相邻两直接连接节点之间的通信问题，不涉及数据经过通信子网中多个转接节点的通信问题。题，不涉及数据经过通信子网中多个转接节点的通信问题。设立网络层的目的是要使报文分组以最佳路径通过子网到设立网络层的目的是要使报文分组以最佳路径通过子网到达目的主机，网络用户不必关心网络拓扑结构及所使用的达目的主机，网络用户不必关心网络拓扑结构及所使用的通信介质，通过网络层的控制作用，实现不同网络之间的通信介质，通过网络层的控制作用，实现不同网络之间的数据交换。主要功能有：数据交换。主要功能有：n寻址寻址 n路由选择与中继路由选择与中继n流量控制：流量控制：n网络建立连接与管理网络建立连接与管理 2024/7/16892.5.1 OSI参考模型参考模型o网络层网络层n寻址：当传输信息的信源和信宿分别属于不同的网络，就需要网络寻址：当传输信息的信源和信宿分别属于不同的网络，就需要网络层参与解决寻址问题。层参与解决寻址问题。n路由选择与中继：当传输的数据单元经过通信子网时，各个中继节路由选择与中继：当传输的数据单元经过通信子网时，各个中继节点在存储转发数据的过程中，采用合适的路由选择算法，保证数据点在存储转发数据的过程中，采用合适的路由选择算法，保证数据单元以某些指标最优的方式通过子网，路由选择是网络层的最主要单元以某些指标最优的方式通过子网，路由选择是网络层的最主要功能之一。功能之一。n流量控制：对进入分组交换网的通信量加以控制，使通信子网稳定运行，流量控制：对进入分组交换网的通信量加以控制，使通信子网稳定运行，尽量防止通信量过大造成通信子网性能下降。尽量防止通信量过大造成通信子网性能下降。n网络建立连接与管理：在面向连接的服务中，网络连接是传输实体之间传网络建立连接与管理：在面向连接的服务中，网络连接是传输实体之间传递数据逻辑的、贯通通信子网的端递数据逻辑的、贯通通信子网的端-端通信信道。端通信信道。2024/7/16902.5.1 OSI参考模型参考模型o网络层网络层路由选择算法路由选择算法算法应具有如下特点：正确、简单、适应通信与拓扑的变算法应具有如下特点：正确、简单、适应通信与拓扑的变化、稳定、对用户是公平性、对某一性能指标（如链路长化、稳定、对用户是公平性、对某一性能指标（如链路长度、链路容量、传输速率、传输时延等）最佳。度、链路容量、传输速率、传输时延等）最佳。n静态策略静态策略固定路选算法固定路选算法分散路选算法分散路选算法扩散路选算法扩散路选算法n动态策略动态策略孤立自适应路选算法孤立自适应路选算法反向感知法反向感知法分布式路选法分布式路选法集中式路选法集中式路选法2024/7/16912.5.1 OSI参考模型参考模型o网络层网络层流量控制流量控制 2024/7/16922.5.1 OSI参考模型参考模型o传输层传输层用于实现两个终端计算机系统内进程之间的高质量、高效用于实现两个终端计算机系统内进程之间的高质量、高效率数据传送。率数据传送。系统间通信系统间通信进程间间通信进程间间通信2024/7/16932.5.1 OSI参考模型参考模型o传输层传输层从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误；传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误；也要决定向会话层，最终向网络用户提供什么样的服务；也要决定向会话层，最终向网络用户提供什么样的服务；是真正的从源到目标是真正的从源到目标“端到端端到端”的层的层2024/7/16942.5.1 OSI参考模型参考模型o会话层会话层允许不同机器上的用户建立会话关系；允许不同机器上的用户建立会话关系；o表示层表示层完成某些特定的功能。表示层以下的各层只关心完成某些特定的功能。表示层以下的各层只关心可靠的传输比特流，而表示层关心的是所传输的可靠的传输比特流，而表示层关心的是所传输的信息的语法和语义信息的语法和语义o应用层应用层包含大量人们普遍需要的协议。包含大量人们普遍需要的协议。2024/7/16952.5.1 TCP/IP参考模型参考模型应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层OSITCP/IP应用层应用层传输层传输层互联网层互联网层主机至主机至网络层网络层o模型结构模型结构2024/7/16962.5.1 TCP/IP参考模型参考模型o主机至网络层主机至网络层o互联网层互联网层主要功能是使主机可以把分组发往任何网络并使主要功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标分组独立地传向目标o传输层传输层功能是使源端和目标端主机上地对等实体可以进行会话，功能是使源端和目标端主机上地对等实体可以进行会话，包含包含TCP和和UDP两个协议两个协议TCP：传输控制协议，面向连接的协议；：传输控制协议，面向连接的协议；UDP：用户数据报协议，是不可靠的，无连接协议。：用户数据报协议，是不可靠的，无连接协议。o应用层应用层2024/7/1697TCP/IP模型中的协议与网络模型中的协议与网络TELNET应用层应用层FTPSMTPDNSARPANETSATNET分组无线网分组无线网LANTCPUDPIP传输层传输层物理层物理层物理物理+数据链路层数据链路层协议协议网络网络2024/7/1698socket()bind()listen()accept()read()connect()Socket()write()write()read()服务器阻塞，等待客户连接请求处理服务请求服务响应服务请求建立连接时间客户面向连接的客户面向连接的客户-服务器模型时序图服务器模型时序图 2024/7/1699用socket()建立流式套接口s客户服务器用socket()建立流式套接口s用bind()将套接口s与本地地址相连用bind()将套接口s与本地地址相连用listen()通知TCP/IP，机器已准备好接受连接用connect()将套接口s与异地主机连用ac