工业控制网络02-李中伟

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工 业 控 制 网 络（现场总线）,主讲教师：李中伟,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题：,通信线网络的传输介质,通信设备/装置节点/站点,通信的快慢通信速率,通信距离总线长度,网络能连多少个节点？,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题：,允许数据传输方向通信方式,数据如何描述数据编码,节点识别寻址方式,节点地址有重复的怎么办？重复,MAC ID,检测,节点之间如何连接网络拓扑结构,节点优先级，冲突如何解决介质访问控制方式,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题：,每位数据时间的长短位定时,不同节点的位时间有误差怎么办？同步,出错了怎么办？检错和纠错,节点出故障了怎么办？自检、故障诊断和自动脱离,如何表达不同的数据数据的格式和意义帧的组成协议,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题：,复杂协议如何实现协议分层,一次要发送的数据比较多，一帧发不完怎么办？分段/重组,如何保证数据接收节点知道发送节点何时开始发送数据、何时结束数据发送？帧起始、帧结束,如何保证通信数据的保密性、完整性、可用性和不可否认性保密通信,拥塞控制、流量控制、带宽、时分复用和频分复用等,第2章 数据通信与计算机网络基础,2.1 数据编码,2.2 通信方式,2.3 网络拓扑结构,2.4 网络的传输介质,2.5 介质访问控制方式,2.6 计算机网络硬件,2.7 网络分类,2.8 网络软件,2.9 参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1 数据编码,数据编码,通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。,模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示和传输。除模拟数据模拟信号传输以外，其它都需要进行数据编码。,数据编码：,（,1,）数字数据的数字信号编码,（,2,）数字数据的模拟信号编码,（,3,）模拟数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1 数据编码,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1 数据编码,哈工大网络与电气智能化研究所,数字数据的数字信号编码,数字数据的数字信号编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的,0,、,1,状态。,单极性码：,信号电平是单极性的。,双极性编码：,信号电平为正、负两种极性的。,归零码：每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。,非归零码：在整个码元时间内维持有效电平。,差分码：,用电平的变化与否来代表逻辑“,1”,和“,0”,。变化为“,1”,，不变化为“,0”,。,哈工大网络与电气智能化研究所,数字数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能化研究所,数字数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能化研究所,数字数据的数字信号编码,曼彻斯特编码：,码元本身分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。（这种定义的典型应用是使用,协议的基带同轴电缆和,CSMA/CD,机制的双绞线中）,ControlNet,等现场总线中使用的曼彻斯特编码的定义与上述定义正好相反。其中：,L,，,H=0,，,H,，,L=1,。,曼码的优点：自带同步,曼码的缺点：同步与数据同时发生,哈工大网络与电气智能化研究所,数字数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能化研究所,差分曼彻斯特编码：数据在开始表示，有变化为,1,，无变化为,0,，同步在码元中间表示。（这种定义使用在,令牌环双绞线网络中）,数字数据的数字信号编码,2.1.2 数字数据的模拟信号编码,数字数据的模拟信号编码：用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的,0,、,1,状态。,幅度键控,ASK,（,amplitude-shift keying,）,频移键控,FSK,（,frequency-shift keying,）,相移键控,PSK,（,phase-shift keying,）,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1.2 模拟数据编码,哈工大网络与电气智能化研究所,串行传输与并行传输,串行传输的数据是一位一位在设备间进行传输的。,串行速度慢、但费用低，一般用于远距离传输。,并行传输：多个位在设备间是同时传输的。,并行速度快，但费用高，适用于近距离。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,单工、半双工、全双工通信,单工通信：信息流只能沿一个方向传输，不能反向；,半双工通信：可以双向传输，但同一时间内只能单向传输；,全双工通信：允许在同一时刻两个方向同时进行数据传输。,单工通信一般用于无线广播、有线广播及电视广播，数据通信中很少使用；全双工和半双工比：全双工效率高，但结构复杂，成本也比较高。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,同步传输与异步传输,同步传输：以同步的时钟节拍来发送数据信号，在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的。接收端为正确地区分收到的数据流中每个码元，必须首先建立准确的时钟信号，实现比特同步。,异步传输：也称为开始,/,停止传输。要一起传输的位流由一个开始位开始，并由一个停止位做结束。当接收端取得开始信号时，它会设定好时间机制，以便正确接收数据。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,基带传输、载波传输和宽带传输,基带传输：是指将数字设备发生的数字信号按数据波的原样进行传输，不包含任何调制。,载波传输：采用数字信号对载波进行调制后实行传输，如,ASK,、,FSK,、,PSK,。,宽带传输：将基带信号、音频信号和视频信号经调制后放到同一条电缆的不同频段进行传输。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,1.星形拓扑,由中央站点及通过点到点链路连到中央节点的各个站点组成。星形拓扑的交换方式主要有报文交换和线路交换。,优点：方便服务；每个连接只接一个设备，单点失败不会影响全网；可以进行集中控制及故障诊断；访问协议简单。,缺点：需要的电缆较多、安装复杂；受中央节点限制，扩展较困难；过分依赖于中央节点。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,2.环形拓扑,由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭合环路的网络拓扑结构。每个工作站通过中继器再连至网络。数据沿一个方向在网上环行。,优点：电缆长度短。,缺点：单点故障影响全网；故障诊断比较困难；不易重新配置网络；通信调度复杂。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,3.总线拓扑,传输介质是一根总线，工作站通过相应的硬件接口接至总线上。一个站发送数据，所有其它站都能接收。,优点：电缆长度短、布线容易；可靠性高；易于扩充。,缺点：故障诊断困难；在总线的干线基础上扩充需要中继器，系统应重新配置，包括电缆长度的裁剪、终端器的调整等；因为接在总线上的站点要有介质访问控制能力，所以终端必须是智能的。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,4.树形拓扑,由总线拓扑演变而来，形状像一颗倒置的树，顶端有一个带分支的根，每一个分支还可包括更多的分支，这样的网络拓扑叫树形拓扑。,优点：易于扩展；故障隔离容易。,缺点：对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4 网络的传输介质,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4 网络的传输介质,架空明线,同轴电缆,双绞线,光导纤维电缆,无线（红外、微波、卫星等）,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.1 双绞线的主要特性,无论对于模拟数据还是对于数字数据，双绞线都是最通用的传输介质。 线路就是一种双绞线。,哈工大网络与电气智能化研究所,双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。两根绝缘的导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号的干扰程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。可分为,2,种：,非屏蔽双绞线（,UTP,）,屏蔽双绞线（,STP,）,（,1,）,传输特性,既能传输模拟信号，也能传输数字信号，适用于较短距离的信息传输（因为其中的信号衰减比较大，会产生波形畸变）。只要精心设计、选择和安装，可在有限距离内（,100,米）达到,100M,，,甚至,155Mbps,的通信速率。,2.4.1 双绞线的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,（2）连通性,可以是点对点的，也可以是多点的。,（,3,）地理范围,使用中继器时,15,公里。在,10M,局域网与,HUB,相连时，距离最大,100,米。,（,4,）抗干扰性,取决于相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。误码率：,10,-5,-10,-6,。,（,5,）价格,价格低、易于安装。,2.4.1 双绞线的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.2 同轴电缆的主要特性,同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一。有线电视线。,哈工大网络与电气智能化研究所,内部是导体，外有屏蔽层、绝缘层和保护层。,（,1,）传输特性,具有,50,特征阻抗的基带同轴电缆传输速度可达,10Mbps,；,具有,75,特征阻抗的宽带同轴电缆传输速度可达,400Mbps,。,（,2,）,连通性,基带同轴电缆可以挂上百台设备；,宽带同轴电缆可以挂上千台设备。,2.4.2 同轴电缆的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,（3）地理范围,基带同轴电缆的传输距离可达几公里；,宽带同轴电缆的传输距离可达上百公里。,（4）抗干扰性,抗干扰能力较强；,误码率：基带10,-7,，宽带10,-9,。,（5）价格,中等。,2.4.2 同轴电缆的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.3 光缆的主要特性,光缆是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。,哈工大网络与电气智能化研究所,直径,50-100,m,，,能传导光波，由玻璃、塑料或石英玻璃纤维制成。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的薄层包裹。,（,1,）传输特性,利用全反射原理进行传输。采用亮度调制，即,ASK,。,用的是频率为,10,14,-10,15,的可见光以及部分红外波段，速度达几千兆。,可分为：,单模光纤：光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度；,多模光纤：光信号与光纤轴成多个可分辨角度。,单模光纤性能优于多模光纤。,2.4.3 光缆的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,（2）连通性,一般是点到点连接，这是最普遍的接法，个别情况下也有多点连接的形式。,（3）地理范围,不使用中继器：6-8公里。,（4）抗干扰性,误码率最小：10,-10,。,（5）价格,价格高。,2.4.3 光缆的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.4 无线通信信道的主要特性,微波通信,红外通信,激光通信,卫星通信（特殊的微波通信系统）,哈工大网络与电气智能化研究所,微波通信：使用频率为,10,9,-10,10,Hz,。,由于微波能穿透电离层而不反射到地面，所以只能使微波沿地球表面由源向目标直接发射。由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到一定限制，一般为,50,公里。为实现远距离传输，每隔几十公里便需要建立中继站。,红外通信：使用频率为,10,11,-10,14,Hz,。,具有很强的方向性，沿直线传播。,激光通信：使用频率为,10,14,-10,15,Hz,。,如果气候条件好，可以在几十至上百公里间的两点直接通信。,卫星通信：是微波通信的一个特例。,2.4.4 无线通信信道的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4 网络的传输介质,构建一个网络（系统），选择传输介质时应考虑：,网络拓扑,网络连接方式,网络通信量,系统的可靠性要求,要传输的数据类型,网络覆盖的地理范围,节点间的距离,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5 介质访问控制方式,在总线和环形拓扑中，网上设备必须共享传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时争用传输介质，需有某种介质访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5 介质访问控制方式,通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5 介质访问控制方式,在,随机,访问方式中，常用的争用总线技术为,CSMA/CD,（,Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection,载波监听多路访问,/,冲突检测）。,在,控制,访问方式中常用,令牌,总线、令牌环或称之为标记总线、标记环。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。,若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为“,冲突,”。,为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“,载波监听,”。,载波监听,CSMA,的控制方案是,先听再讲,。一个站要发送，首先需,监听总线,，以决定介质上是否存在其它站的发送信号。如果介质是,空闲,的，则可以,发送,。如果介质是,忙,的，则,等待一定间隔后重试,。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,三种CSMA坚持退避算法：,不坚持,CSMA,（,也叫,0,坚持,CSMA,）,1-,坚持,CSMA,P-,坚持,CSMA,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,不坚持,CSMA,介质空闲就发送，介质忙就等待一段随机时间再发送。利用随机的重传时间来减少冲突的概率，,缺点是：即使有几个站有数据要发送，介质仍然可能处于空闲状态，介质的利用率较低。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,1-,坚持,CSMA,。介质空闲就发送，介质忙则继续监听，等到总线空闲，立即发送。如果发生冲突，则等待一段随机时间，重复第一步。,缺点是：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免,。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,P-,坚持,CSMA,。,假如介质是空闲的，则以,P,的概率发送，或以（,1P,）,的概率延迟一个时间单位后重复处理。该时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙，继续监听直到介质空闲，重复第一步。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,P-,坚持,CSMA,。,如果选择,P,过大，使,NP,1,，,则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为,0,。所以必须选择,P,值使,NP,1,，,如果,P,值选得过于小，则通道利用率又会大大降低。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）,冲突检测：如果有多个站同时监听到总线空闲并开始发送数据，就会产生冲突。因此，每个站在发送数据之后，还要继续监听线路，判定是否有其它站也正在向总线上发送数据，一旦发现，便中止发送。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.2 令牌（标记）访问控制方式,CSMA,的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式。,令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递,令牌（,token,）,的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。,令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.2 令牌（标记）访问控制方式,令牌环（,token-ring,）,方式,令牌在网络环路上不断地传送，拥有此令牌的站点，有权向环路上发送报文，其它站点仅允许接受报文。不会发生访问冲突。,对轻、重负载不敏感。,单环故障，整个瘫痪，可靠性低。,信息传输具有确定性，能比较准确估计信息传输的延迟时间。,哈工大网络与电气智能化研究所,令牌（标记）访问控制方式,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.2 令牌（标记）访问控制方式,令牌传递总线（,token-passing bus,）,方式,采用总线拓扑，网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定逻辑位置，末站的后站就是首站。总线上各站的物理位置与逻辑位置无关 。,像令牌环方式那样，令牌传递总线方式也具备称为令牌的控制帧，调整访问的权利。收到令牌的站点在一段规定时间内被授予对介质的控制权，因而该站可以发送一帧或多帧信息。当该站传输已经完成或时间已到时，它就将令牌传递到逻辑环中的下一工作站，因此，传输过程就是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成。网上站也可以退出环成为非活动站点，这些站点仅能响应询问或请求应答。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.2 令牌（标记）访问控制方式,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.2 令牌（标记）访问控制方式,令牌传递总线介质访问控制应具备以下几项功能：,令牌传递算法,逻辑环的初始化,站插入算法,退出环路,恢复,哈工大网络与电气智能化研究所,计算机网络硬件主要由可独立工作的计算机、网络设备和传输介质组成。,1.,计算机：是计算机网络的核心，用户主要的网络资源。,服务器：向网络用户提供服务，并负责对网络资源进行管理。可分为文件服务器、通信服务器、备份服务器、打印服务器等。一般由功能强大的计算机担任，如：小型机、专用,PC,服务器、高档,PC,。,2.6 计算机网络硬件,哈工大网络与电气智能化研究所,网络工作站：是一台供用户使用网络的本地计算机，为用户服务，同时被授予一定权限访问服务器，或与其它工作站通信及共享网络资源。,2.,网络设备,网卡：又称网络接口适配器（,NIC,），是计算机与传输介质的接口，负责网络上数据包的接收和发送。,调制解调器：用来实现通信信道上数字信号与模拟信号的相互转换。,中继器：物理层互连设备，通过放大和再生信号扩大介质的传输距离。应用目的是为了解决电缆长度问题。,2.6 计算机网络硬件,哈工大网络与电气智能化研究所,集线器：物理层互连设备，作为网络传输介质的中央节点，可以看成是一种特殊的中继器，除了具有信号再生功能外，有的还具有在共享信道上分配带宽的功能。一般不能识别,MAC,地址，以广播方式转发数据包。,交换机：数据链路层互连设备，是一种基于,MAC,地址识别，完成封装、转发数据包功能的网络设备。,网桥：数据链路层互连设备，用于连接使用相同通信协议，但传输介质可以不相同的两个网络。,2.6 计算机网络硬件,哈工大网络与电气智能化研究所,路由器：网络层互连设备，作用是连接局域网和广域网，有判断网络地址和选择路径的功能。其主要作用是为经由路由器的报文寻找一条最佳路径，并将数据传送到目的站点。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。,网关：应用层互连设备，实现不同网络协议之间的转换，并具有路由功能，将数据重新分组后传送。,3.,传输介质,2.6 计算机网络硬件,哈工大网络与电气智能化研究所,2.7 网络分类,0.1 m,同一电路板,数据流机器,1 m,同一系统,多计算机,10 m,同一房间,局域网,100m,同一建筑物,1 km,同一园区,10 km,同一城市,城域网,100 km,同一国家,广域网,1 000 km,同一洲内,10 000 km,同一行星上,互联网,哈工大网络与电气智能化研究所,1.按网络的地理范围分类,局域网（,LAN,）：是一种限定在较小范围内的网络，一般小于,10,公里。,城域网（,MAN,）：规模局限在一座城市的范围内，,10-100,公里的区域。,广域网（,WAN,）：是一种跨越大的地域的网络，可能跨越国界、洲界，甚至全球范围。一般又划分成资源子网和通信子网：,资源子网：由计算机网络中提供资源的终端（称为主机）和申请资源的终端共同组成。,2.7 网络分类,哈工大网络与电气智能化研究所,通信子网：由通信节点和通信链路组成，承担计算机网络中的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作。通信节点由通信设备或具有通信功能的计算机组成，通信链路由一段一段的通信线路构成。,2.,按网络的拓扑结构分类,可分为星形、环形、总线形、树形、不规则形、完整性等。,3.,按传输介质分类,2.7 网络分类,哈工大网络与电气智能化研究所,2.7.2 城域网,哈工大网络与电气智能化研究所,2.7.3 广域网,哈工大网络与电气智能化研究所,4.按通信方式分类,1）点对点传输网络,每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接的线路，那么它们之间的分组就要通过中间节点的接收、存储、转发，直到目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此从源节点到目点节点可能存在多条路由，决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要有路由选择算法。,2.7 网络分类,哈工大网络与电气智能化研究所,2）广播式网络传输,所有连网计算机共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其它的计算机都会收听到这个分组。由于发送的分组中带有目的地址和源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本节点地址相同。若被接收的报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。,2.7 网络分类,哈工大网络与电气智能化研究所,5.按网络的使用目的分类,共享资源网：使用者可共享网络中的各种资源，如：文件、扫描仪、打印机以及各种服务。Internet网是典型的共享资源网。,数据处理网：用于数据处理的网络，如：科学计算网络、企业经营管理用网络等。,数据传输网：用来收集、交换、传输数据的网络，如：情报检索网络等。,注：目前网络使用的目的都不是单一的。,2.7 网络分类,哈工大网络与电气智能化研究所,6.按服务方式分类,客户机服务器网络：客户机向服务器发出请求并获得服务的一种网络形式。多台客户机可以共享服务器提供的各种资源。,对等网：每台计算机都可以与其它每台计算机对话，共享彼此的信息资源和硬件资源，组网的计算机一般类型相同。,7.按传输速率划分,低速网络：,10kbps,中速网络：,10kbps100Mbps,高速网络：,100Mbps10Gbps,2.7 网络分类,哈工大网络与电气智能化研究所,8.按交换方式划分,电路交换网：如 系统。,报文交换网：如电报系统。,分组交换网：如因特网，ATM网（交换的是信元）。,9.按适用范围划分,公用网：如：CHINAPAC（中国分组交换网）。,专用网：如：微软公司内部网。,2.7 网络分类,哈工大网络与电气智能化研究所,一、网络软件,1.网络协议和协议软件,它们是通过协议程序实现网络协议功能。,2.网络通信软件,通过网络通信软件实现网络工作站之间的通信。,3.网络操作系统,网络操作系统是用以实现系统资源共享、管理用户对不同资源访问的应用程序，它是最主要的网络软件。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,4.网络管理与网络应用软件,网络管理软件：是用来对网络资源进行管理和对网络进行维护的软件；,网络应用软件：是为网络用户提供服务并为用户解决实际问题的软件。,二、计算机网络的体系结构,为了易于设计、分析、实现和测试网络及其部件的功能，计算机网络按功能划分成多层结构。同层之间采用协议进行通信；相邻层之间通信使用接口。层次和协议的集合称为计算机网络的体系结构。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都按层或级的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不同的网络，其层的数量、各层的名字、内容和功能都不尽相同。,一台机器上的第,n,层与另一台机器上的第,n,层进行对话。通话的规则就是第,n,层协议。协议基本上是通信双方关于通信如何进行达成的一致。,不同机器里包含的对应层的实体叫对等进程。正是对等进程利用协议进行通信。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,实际上，,每一层都把数据和控制信息交给它的下一层，直到最下层,。,每一对相邻层之间都有一个接口。接口定义下层向上层提供的原语操作和服务。,抽象出对等进程这一概念，对网络设计是至关重要的。有了这种技术，就可以把设计完整的网络这种难以处理的问题划分为,n,个小的、易于处理的问题，即各层的设计。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,它仅仅定义了网络及其部件应完成的功能，而不涉及其实现细节。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,1.几个基本概念,协议：为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。由语法、语义和时序三大要素组成。,协议栈：某一系统内的各层协议集。,接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的原语操作及下层对上层的服务。,服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻的上层。,原语：是不可再分的操作，分请求、指示、响应、证实,4,种。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,实体：任何可以发送或接收信息的硬件软件进程，是每一层的活跃因素。,对等实体：位于不同系统中同一个层次上的两个实体。由于实体可能为一个软件进程，因而也有对等进程之说。,虚拟通信：数据并不是从一台机器的第,n,层直接传送到另一台机器的第,n,层，而是每一层都把数据和控制信息通过相邻两层之间接口上的服务接入点交给自己的下一层，直到最下层的物理介质，再通过实际通信送达目的机器。目的机器再通过逐层向上提供服务将源机器传送的数据还原给自己的第,n,层。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,2.几个英文缩写,ICI,：接口控制信息,SDU,：服务数据单元,IDU,：接口数据单元,PDU,：协议数据单元,SAP,：服务接入点,哈工大网络与电气智能化研究所,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,3.应该弄懂的几个问题,虚拟通信与实际通信之间的关系。,协议与接口之间的区别：计算机网络中同层通信采用协议，相邻层通信使用接口。,服务与协议的关系和区别：服务通过协议完成，协议通过服务体现；服务代表功能、能力，协议代表标准化；用户只能见到服务；协议控制同层实体间的通信，服务由下层向上层提供。（另见,P41P42,之,前两段）。,2.8 网络软件,哈工大网络与电气智能化研究所,表2-3 服务原语分类,原语类别,含 义,对于连接,请求,一个实体希望得到完成某些操作的服务,请求方使用,指示,通知一个实体，有某个事件发生,接收方使用,响应,一个实体对一个请求的回复,接收方使用,证实,返回对先前请求的响应,请求方使用,哈工大网络与电气智能化研究所,4.服务原语,有证实服务：包括,请求、指示、响应和证实,4,个原语。,无证实服务：只有,请求和指示,2,个原语。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.8 网络软件,CONNECTrequest：请求建立连接。,CONNECTindication：指示有人请求建立连接。,CONNECTresponse：被呼叫方用来表示接收拒绝建立连接的请求。,CONNECTconfirm：通知呼叫方建立连接的请求是否被接受。,DATArequest：请求发送数据。,DATAindication：表示数据的到达。,DISCONNECTrequest：请求释放连接。,DISCONNECTindication：指示有释放连接的请求。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.8 网络软件,CONNECTrequest：拨姑妈家的 号码。,CONNECIindication：她家的 铃响了。,CONNECTresponse：她拿起 。,CONNECTconfirm：你听到了 铃停止。,DATArequest：你邀请她来喝茶。,DATAindication：她听到了你的邀请。,DATArequest：她说她很高兴来。,DATAindication：你听到她接受了邀请。,DISCONNECTrequest：你挂断 。,DISCONNECTindication：她听到了挂断声，也挂断了 。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.8 网络软件,5.有连接服务和无连接服务,面向连接的服务,无连接服务,服务质量,哈工大网络与电气智能化研究所,2.8 网络软件,各层的设计问题：,识别发送方和接收方,数据传送的规则 （如：单工、双工）,信息编号,差错控制,流量控制,报文分割、传输和重新组装,多路复用和解多路复用,路由选择,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9 参考模型,2.9.1 OSI参考模型,OSI模型有7层，其分层原则如下：,根据不同层次的抽象分层。,每层应当实现一个定义明确的功能。,每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。,各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。,层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会过于庞大。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.1 OSI参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,4,传输层,为源和目的主机提供透明数据传输,。连接建立与删除，多路复用，报文分段与重组，流量控制。,3,网络层,支持网络连接的实现。路由选择，拥塞控制，记账，异种网络互连。,2,数据链路层,建立、维护、释放数据链路连接，以帧为单位传输数据。,1,物理层,物理连接的建立、拆除，物理层管理等，实现透明比特流传输。处理机械的、电气的和过程的接口。,2.9.1 OSI参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,7,应用层,完成业务处理所需的服务功能，如文件传输、电子邮件等。,6,表示层,提供应用数据的信息表示，数据编码。,5,会话层,组织、管理和同步用户间的对话，令牌管理。,2.9.1 OSI参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,数据链路层：,（1）,产生和识别帧边界,。,（2）数据链路层要解决由于帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。,（3）流量调节机制。,（4）控制对共享信道的访问。,（5）分为LLC和MAC。,OSI参考模型中：,1层3层是链接起来的，4层7层是端到端的。,2.9.1 OSI参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.1 OSI参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.2 TCPIP参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,应用层,包含所有高层协议，如：Telnet、FTP、SMTP、DNS、NNTP、HTTP等。,传输层,(TCP协议簇),使源和目的主机之间可以进行会话。定义了2个端到端协议：面向连接的TCP（排序和流量控制）；无连接的UDP。,互联网层,(IP协议簇),无连接的分组交换网络，此层中主机可把报文发往任何网络，报文独立传向目标。分组路由、避免阻塞,主机至网络层,没有详细定义。,2.9.2 TCPIP参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.2 TCPIP参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.3 OSI参考模型和TCPIP参考模型的比较,它们都是基于独立的协议栈的概念。而且，层的功能也大体相似。传输层及传输层以上的层都为希望通信的进程提供端到端的、与网络无关的传输服务。,OSI,模型有,3,个主要概念：（,1,）服务；（,2,）接口；（,3,）协议。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.3 OSI参考模型和TCPIP参考模型的比较,TCP/IP,参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议，例如，互联网层提供的真正服务只是发送,IP,分组（,SEND IP PACKET,）,和接收,IP,分组（,RECEIVE IP PACKET,）。,OSI,模型中的协议比,TCP,IP,参考模型的协议具有更好的隐藏性，在技术发生变化时能相对比较容易地替换掉。最初把协议分层的主要目的之一就是能做这样的替换。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.3 OSI参考模型和TCPIP参考模型的比较,OSI,参考模型产生在协议发明之前。这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。,不利的方面是设计者在协议方面没有太多的经验，因此不知道该把哪些功能放到哪一层最好。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.3 OSI参考模型和TCPIP参考模型的比较,TCP,IP,却正好相反。首先出现的是协议，模型实际上是对已有协议的描述。,不会出现协议不能匹配模型的情况。,唯一的问题是该模型不适合于任何其它协议栈。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.9.3 OSI参考模型和TCPIP参考模型的比较,OSI,模型有,7,层，而,TCP/IP,模型只有,4,层。,OSI,模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。,TCP,IP,模型在网络层仅有一种通信模式（无连接），但在传输层支持两种模式，给了用户选择的机会。,哈工大网络与电气智能化研究所,思考题,请列举4种数据编码方式。,给出一个字节的绝对码，请画出其对应的一种差分码。,给出一个字节的原始数据编码和时钟信息，请画出其对应的曼彻斯特编码。,请说明数据通信方式都有哪几种，并简单说明其不同之处。,请列举4种常用的网络拓扑结构，并说明各自的优缺点。,请列举4种常用的传输介质。,哈工大网络与电气智能化研究所,思考题,介质访问控制方式主要分为哪两大类？CSMA/CD采用的三种CSMA坚持退避算法具体是哪三种？令牌访问控制方式分为令牌环方式和令牌传递总线方式，这两种方式都有哪些相同之处和不同之处？,从传输技术上讲可以把计算机网络分为哪两种网络？广播式网络是否可以实现广播式和多点传送？,从网络的规模和连接距离上又可以把网络分为哪几种？,哈工大网络与电气智能化研究所,思考题,请简单说明协议之所以要分层的原因，理解并记忆接口、服务和协议的定义及其区别。,如果给出书38页图2-15左面的图，请写出图中英文简称对应的中文全称。,面向连接的服务和无连接的服务都可提供哪几种服务类型，这两种服务那种更可靠？,服务原语可以分为哪4类？有证实服务又包括哪几个原语？无证实服务又包括哪几个原语？,哈工大网络与电气智能化研究所,思考题,OSI参考模型包括哪7层？,TCP/IP参考模型包括哪4层？,请分别列举几条OSI参考模型和TCP/IP参考模型的相似之处和不同之处？,请给出TCP、IP、UDP、FTP、OSI、ISO对应的中文全称？,哈工大网络与电气智能化研究所,