02 數(shù)據通信基礎與網絡互聯(lián)

單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,網絡與數(shù)據通信基礎,第二章,1,主要內容：,第一節(jié) 總線的基本概念與操作,,第二節(jié) 通信系統(tǒng)簡介,,第三節(jié),網絡結構及傳輸介質,,第四節(jié) 網絡互聯(lián),,第五節(jié) 通信參考模型,,第六節(jié) 差錯控制,,第七節(jié) 現(xiàn)場控制網絡,2,,第一節(jié) 總線的基本概念與操作,一、總線的基本術語,,（,1,）總線與總線段,(bus segment),,從廣義說，,總線,就是傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術規(guī)范的連接與操作方式一組設備通過總線連在一起稱為“,總線段,”可以通過總線段相互連接把多個總線段連接成一個,網絡系統(tǒng),3,,（,2,）總線主設備,,可在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O備叫做“,總線主設備,”,(bus master),，又稱命令者3,）總線從主設備,,不能在總線上主動發(fā)起通信、只能掛接在總線上、對總線信息進行接收查詢的設備稱為,總線從設備,(bus slaver),，也稱基本設備在總線上可能有多個主設備，某一設備既可以是主設備，也可以是從設備，但不能同時既是主設備又是從設備4,,（,4,）控制信號（三種類型）,,（,a,）,控制連在總線上的設備,，讓它進行所規(guī)定的操作，如設備清零、初始化、啟動和停止等。

b,）用于,改變總線操作的方式,，如改變數(shù)據流的方向，選擇數(shù)據字段的寬度和字節(jié)等c,）,表明地址和數(shù)據的含義,，如對于地址，可用于指定某一地址空間，或表示出現(xiàn)了廣播操作；對于數(shù)據，可用于指定它能否轉譯成輔助地址或命令5,）總線協(xié)議,,管理主、從設備使用總線的一套規(guī)則稱為“,總線協(xié)議,”,(bus protocol),這是一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約5,,二、總線操作的基本內容,,（,1,）總線操作,,總線上命令者與響應者之間的連結,→,數(shù)據傳送,→,脫開這一操作序列稱為一次總線“交易”,(transaction),，或者叫做一次,總線操作,脫開”,(disconnect),是指完成數(shù)據傳送操作以后，命令者斷開與響應者的連接6,,（,2,）總線傳送,,“,讀,”,(read),數(shù)據操作是讀來自響應者的數(shù)據；“,寫,”,(write),數(shù)據操作是向響應者寫數(shù)據讀寫操作都需要在命令者和響應者之間傳遞數(shù)據3,）通信請求,,通信請求,是由總線上某一設備向另一設備發(fā)出的請求信號，要求后者給予注意并進行某種服務它們有可能要求傳送數(shù)據，也有可能要求完成某種動作7,,（,4,）尋址,,尋址,過程是命令者與一個或多個從設備建立起聯(lián)系的一種總線操作。

通常有以下三種尋址方式,:,,（,a,）物理尋址 用于選擇某一總線段上某一特定位置的從設備作為響應者b,）邏輯尋址 用于指定存儲單元的某一個通用區(qū)，而并不顧及這些存儲單元在設備中的物理分布c,）廣播尋址 廣播尋址用于選擇多個響應者8,,（,5,）總線仲裁,,總線在傳送信息的操作過程中有可能會發(fā)生“,沖突,”,(contention),為解決這種沖突，就需進行總線占有權的“,仲裁,”（,arbitration),總線仲裁,是用于裁決哪一個主設備是下一個占有總線的設備總線仲裁操作和數(shù)據傳送操作是完全分開且并行工作的，因此總線占有權的交接過程不會耽誤總線操作9,,（,6,）總線定時,,總線操作用“,定時,”,(timing),信號進行同步定時信號用于指明總線上的數(shù)據和地址在什么時刻是有效的定時信號有,異步,和,同步,兩種7,）出錯檢測,,在總線上傳送信息時會因噪聲和干擾而出錯，因此在高性能的總線中一般設有出錯碼產生和校驗機構，以實現(xiàn)傳送過程的,出錯檢測,10,,（,8,）容錯,,設備在總線上傳送信息出錯時，如何減少故障對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的重配置能力是十分重要的故障對分布式仲裁的影響就比菊花鏈式仲裁小。

后者在設備出故障時，會直接影響它后面設備的工作總線系統(tǒng)應能支持軟件利用一些新技術，如動態(tài)重新分配地址，把故障隔離開來，關閉或更換故障單元11,,一、通信系統(tǒng)的組成第二節(jié) 通信系統(tǒng)簡介,12,,1.,信息源和接收者,,信息源和接收者是信息的,產生者,和,使用者,在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)?信息,是數(shù)據，是數(shù)字化了的信息這些信息可能是原始數(shù)據，也可能是經計算機處理后的結果，還可能是某些指令或標志信息源可根據輸出信號的性質不同分為,模擬信息源,和,離散信息源,13,,2.,發(fā)送設備,,發(fā)送設備的,基本功能,是將信息源和傳輸媒介匹配起來，即將信息源產生的消息信號經過,編碼,，并變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介信,源,編碼：把連續(xù)消息變換為數(shù)字信號；,,信,道,編碼：使數(shù)字信號與傳輸介質匹配，提高傳輸?shù)目煽啃曰蛴行园l(fā)送設備還要包括為達到某些特殊要求所進行的,各種處理,，如多路復用、保密處理、糾錯編碼處理等14,,3.,傳輸介質,,傳輸介質,指發(fā)送設備到接收設備之間信號傳遞所經媒介它可以是無線的，也可以是有線的,(,包括光纖,),有線和無線均有多種傳輸媒介，如電磁波、紅外線為,無線,傳輸介質，各種電纜、光纜、雙絞線等為,有線,傳輸介質。

介質在傳輸過程中必然會引入某些,干擾,，如熱噪聲、脈沖干擾、衰減等媒介的固有特性和干擾特性直接關系到變換方式的,選取,15,,4.接收設備,,接收設備的,基本功能,是完成發(fā)送設備的,反變換,，即進行解調、譯碼、解密等它的任務是從帶有干擾的信號中正確恢復出原始信息來，對于多路復用信號，還包括解除多路復用，實現(xiàn)正確分路以上所述是,單向通信系統(tǒng),，但在大多數(shù)場合下，信源兼為收信者，通信的雙方需要隨時交流信息，因此,要求雙向通信,16,,二、數(shù)據通信原理,,計算機網絡的通信任務就是傳送數(shù)據或數(shù)據化的信息這些數(shù)據通常以離散的二進制,0,、,1,序列的方式表示碼元,,二元碼,,模擬數(shù)據編碼,,數(shù)字數(shù)據編碼,17,,（一）傳輸方式,,,通信方式按照信息的,傳輸方向,分為 ：,,(1),單工,(,simplex),方式 信息只能沿單方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為單工方式；2),半雙工,(,Half duplex),方式 信息可以沿著兩個方向傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為半雙工方式；,,(3),全雙工,(,Full duplex),方式 信息可以同時沿著兩個方向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為全雙工方式。

18,,單工、半雙工和全雙工通信方式,,19,,（二）傳輸模式,,基帶傳輸,、,載波（帶）傳輸與寬帶傳輸,,,異步傳輸與同步傳輸,,串行傳輸與并行傳輸,20,,基帶傳輸,,,基帶傳輸是指在基本不改變數(shù)據信號頻率的情況下，在數(shù)字通信中直接傳送數(shù)據的基帶信號，即按數(shù)據波的原樣進行傳輸，,不采用任何調制措施,它是目前廣泛應用的最基本的數(shù)據傳輸方式局域網、控制局域網,21,,載波（帶）傳輸,,載波傳輸是先用數(shù)字信號對載波,進行調制,，然后進行傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ阶罨镜恼{制方式有幅值鍵控 (,ASK)，,頻移鍵控 (,FSK),和相移鍵控 (,PSK)3,種在載波傳輸中，發(fā)送設備首先要產生某個頻率的信號作為基波來承載信息信號，這個基波就稱為,載波信號,，基波頻率就稱為載波頻率；然后按幅值鍵控、頻移鍵控、相移鍵控等不同方式改變載波信號的幅值、頻率、相位，形成調制信號后發(fā)送22,,寬帶傳輸,,,由于基帶網不適于傳輸語言、圖像等信息，隨著多媒體技術的發(fā)展，計算機網絡傳輸數(shù)據、文字、語音、圖像等多種信號的任務愈來愈重，因此提出了,寬帶傳輸,的要求寬帶傳輸與基帶傳輸?shù)闹饕?區(qū)別,:一是數(shù)據傳輸速率不同，基帶網的數(shù)據傳輸速率范圍為0~,l0Mbit/s，,寬帶網可達0~40,0Mbit/s,；二是寬帶網可劃分為多條基帶信道，能提供良,好的通信路徑。

一般寬帶局域網可與有線電視系統(tǒng),共建,，以節(jié)省投資23,,異步傳輸與同步傳輸,,在,異步傳輸,中，信息以字符為單位進行傳輸，每個信息字符都具有自己的起始位與停止位，一個字符的各個位是同步的，但字符與字符之間的時間間隔是不確定的在,同步傳輸,中，信息不是以字符而是以數(shù)據塊為單位進行傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中有專門用來使發(fā)送裝置和接收裝置保持同步的時鐘脈沖，使兩者以同一頻率連續(xù)工作，并且保持一定的相位關系在這一組數(shù)據或一個報文之內不需要啟停標志，所以可以獲得較高的傳輸速度24,,串行傳輸與并行傳輸,,串行傳輸,是把構成數(shù)據的各個二進制位依次在信道上進行傳輸?shù)姆绞剑?并行傳輸,是把構成數(shù)據的各個二進制位同時在信道上進行傳輸?shù)姆绞皆诜稚⒖刂葡到y(tǒng)中，數(shù)據通信網絡幾乎全部采用串行傳輸方式，因此本章主要討論串行通信方式25,,（三）二進制表示方法,,1．基帶傳輸中數(shù)據的表示方法,,(1)信息傳輸有,平衡傳輸和非平衡傳輸,2)根據對零電平的關系，信息傳輸可以分為,歸零傳輸和不歸零傳輸,3)根據信號的極性，信息傳輸分為,單極性傳輸和雙極性傳輸,單極性碼,,雙極性碼,26,,常用的數(shù)據表示方法,:,,1)平衡、歸零、雙極性,,2)平衡、歸零、單極性,,3)平衡、不歸零、單極性,,4)非平衡、歸零、雙極性,,5)非平衡、歸零、單極性,,6)非平衡、不歸零、單極性,27,,數(shù)據表示方法,,28,,2,.,載帶傳輸中的數(shù)據表示方法,,(1),調幅方式,AM(Amplitude Modulation),又稱為幅移鍵控法,ASK(Amplitude-Shift Keying),,(2),調頻方式,FM(Frequency Modulation),又稱為頻移鍵控法,FSK(Frequency-Shift Keying),,(3),調相方式,PM(Phase Modulation),又稱為相移鍵控法,PSK(Phase-Shift Keying),29,,,數(shù)據調制方式,,（,a）,調幅 （,b）,調頻 （,c）,調相,30,,三、數(shù)據交換方式,31,,一、通信網絡的拓撲結構,,在分布控制系統(tǒng)中應用較多的拓撲結構是星型、環(huán)型和總線型。

a),星形結構； (,b),環(huán)型結構； (,c),總線型結構,,第三節(jié) 網絡結構及傳輸介質,32,,星型結構,,在星型結構中，每一個節(jié)點都通過一條鏈路連接到一個,中央節(jié)點,上去任何兩個節(jié)點之間的通信都要經過中央節(jié)點中央節(jié)點有一個開關裝置來接通兩個節(jié)點之間的通信路徑因此，中央節(jié)點的構造是比較復雜的，一旦發(fā)生故障，整個通信系統(tǒng)就要癱瘓因此，這種,系統(tǒng)的可靠性是比較低,的，在分散控制系統(tǒng)中應用得較少33,,環(huán)型結構,,在環(huán)型結構中，所有的節(jié)點通過鏈路組成一個,環(huán)形,需要發(fā)送信息的節(jié)點將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定的方向傳輸當信息到達接收節(jié)點時，該節(jié)點識別信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認標記，以便由發(fā)送節(jié)點清除34,,總線型結構,,所有的站都通過相應的硬件接口直接接到總線上由于所有的節(jié)點都,共享,一條公用的傳輸線路，所以,每次只能由一個節(jié)點發(fā)送信息,，信息由發(fā)送它的節(jié)點向兩端擴散這種結構的網絡又稱為廣播式網絡某節(jié)點發(fā)送信息之前，必須保證總線上沒有其他信息正在傳輸當這一條件滿足時，它才能把信息送上總線35,,二、,網絡傳輸介質,,網絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，實際傳送信息的,載體,。

網絡中常用的傳輸介質有電話線、同軸電纜、雙絞線、光導纖維、無線與衛(wèi)星通信1）,物理特性：傳輸介質物理結構的描述,,2）,傳輸特性：傳輸介質允許傳送數(shù)字或模擬信號以及調制技術、傳輸容量、傳輸?shù)念l率范圍,,3）連通特性：允許點,—,點或多點連接,,4）,地理范圍：傳輸介質最大傳輸距離,,5）,抗干擾性：,傳輸介質防止噪聲與電磁干擾對傳輸數(shù)據影響的能力,36,,1.,雙絞線,的主要特性：,,(1)物理特性,,雙絞線由按規(guī)則,螺旋結構,排列的2根絕緣線組成一對線可以作為一條通信線路,，各個線對螺旋排列的目的是使各線對之間的電磁干擾最小2)傳輸特性,,雙絞線最普遍的應用是語音信號的模擬傳輸在一條雙絞線上使用頻分多路復用技術可以進行多個音頻通道的多路復用數(shù)據,傳輸速率,可達960,0bit,，24條音頻通道總的數(shù)據傳輸速率可達23,0Kbit37,,(3)連通特性,,,用于點,-點連接，也可用于多點連接4)地理范圍,,,雙絞線用作遠程中繼線時，最大距離可達15,km,；用于,l0Mbit/s,局域網時，與集線器的距離最大為,1,00m,5),抗干擾性,,,雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對的扭曲長度及適當?shù)钠帘巍?/p>

在,低頻傳輸時，其抗干擾能力相當于同軸電纜,在10,-100kHz,時，其抗干擾能力低于同軸電纜38,,2,.,同軸電纜,的主要特性：,,(1)物理特性,,它由內導體、外屏蔽層、絕緣層及外部保護層,組成,同軸介質的特性參數(shù)由內、外導體及絕緣層的電參數(shù)和機械尺寸決定2)傳輸特性,,根據同軸電纜通頻帶，同軸電纜可以分為,基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜,兩類基帶同軸電纜一般僅用于數(shù)字數(shù)據信號傳輸寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復用方法39,,(3)連通特性,,同軸電纜支持點,-,點連接，也支持多點連接寬帶同軸電纜可支持數(shù)千臺設備的連接;,,基帶同軸電纜可支持數(shù)百臺設備的連接4)地理范圍,,,基帶同軸電纜最大距離限制在幾,km,范圍內，而寬帶同軸電纜最大距離可達幾十,km5),抗干擾性,,,同軸電纜的結構使得它的抗干擾能力較強40,,3.,光纜,的主要特性：,,光纜是網絡傳輸介質中性能最好的一種1)物理特性,,光纖是一種直徑為,10-100μm,的柔軟、能傳導光波的介質，各種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中用,超高純度石英玻璃纖維,制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的包層包裹起來，就可以構成一條光纖通道，,多條光纖組成一束就構成光纖電纜,。

41,,(2)傳輸特性,,,光纖通過內部的,全反射來傳輸,一束經過編碼的光信號它的內芯是由二氧化硅拉制成的光導纖維，外面敷有一層玻璃或聚丙烯材料制成的覆層，內芯和覆層的折射率不同，以一定角度進入內芯的光線能夠通過覆層折射前進光纖傳輸分為,單模與多模,兩類所謂單模光纖是指光纖的光信號僅與光纖軸成,單個可分辨角度,的單光纖傳輸而多模光纖的光信號與光纖軸成,多個可分辨角度,的多光纖傳輸單模光纖性能優(yōu)于多模光纖光纖是一種很有前途的傳輸介質，其,主要缺點,是分支比較困難42,,(3)連通特性,,光纖最普遍的連接方法是點,-,點方式，在某些實驗系統(tǒng)中也可采用多點連接方式4)地理范圍,,光纖,信號衰減極小,，它,可以在6,-8km,距離內不使用中繼器，實現(xiàn)高速率數(shù)據傳輸5)抗干擾性,,光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響，能在長距離、高速度傳輸中保持低誤碼率光纖傳輸?shù)陌踩耘c保密性極好43,,第四節(jié) 網絡互聯(lián),一、基本概念,,,網絡互聯(lián),是,將分布在不同地理位置的網絡、網絡設備連接起來，構成更大規(guī)模的網絡系統(tǒng)，以實現(xiàn)網絡的數(shù)據資源共享,相互連接的網絡可以是,同種類型的網絡,，也可以是運行,不同網絡協(xié)議的異型系統(tǒng),。

44,,網絡互聯(lián),要求,：,,,不改變,原有,子網,內的,網絡協(xié)議、通信速率、硬件和軟件配置,等，通過網絡互聯(lián)技術使原先不能相互通信和共享資源的網絡間,有條件實現(xiàn)相互通信和信息共享,45,,二、網絡互聯(lián)規(guī)范,,網絡互聯(lián)必須遵循一定的規(guī)范，,局域網標準委員會,(,IEEE802,委員會),，建立了802課題，制定了開放式系統(tǒng)互聯(lián)(,OSI),模型的,物理層、數(shù)據鏈路層的局域網標準,46,,三、網絡互聯(lián)和操作系統(tǒng),,局域網操作系統(tǒng),是實現(xiàn)計算機網絡連接的重要軟件局域網操作系統(tǒng)通過,網卡,驅動程序與網卡通信實現(xiàn)介質訪問控制和物理層協(xié)議對不同傳輸介質、不同拓撲結構、不同介質訪問控制協(xié)議的異型網，要求,計算機操作系統(tǒng),能很好地,解決異型網絡互聯(lián),的問題Netware，Windows NT Server,LAN Manager,都是局域網操作系統(tǒng)的范例47,,四、網絡互聯(lián)設備,,不同層次,采用,不同,的網絡,互聯(lián)設備,：,,物理層,使用,中繼器,(,Repeater)，,通過復制位信號延伸網段長度,,數(shù)據鏈路層,使用,網橋,(,bridge)，,在局域網之間存儲或轉發(fā)數(shù)據幀,,網絡層,使用,路由器,(,Router),在不同網絡間存儲轉發(fā)分組信號,,傳輸層及傳輸層以上,，使用,網關,(,gateway),進行協(xié)議轉換，提供更高層次的接口,48,,中繼器,,中繼器,(,repeater),又稱,重發(fā)器,。

由于,網絡節(jié)點間,存在一定的,傳輸距離,，網絡中攜帶信息的信號在通過一個固定長度的距離后，會因,衰減或噪聲干擾,而影響數(shù)據的,完整性,，影響接收節(jié)點正確的接收和辨認，因而經常需要運用中繼器中繼器接受一個線路中的報文信號，將其進行整形放大、重新復制，并將新生成的復制信號轉發(fā)至下一網段或轉發(fā)到其他介質段49,,中繼器不同于放大器,：,,放大器,從輸人端讀入舊信號，然后輸出一個形狀相同、,放大,的新信號；,,而,中繼器,則不同，它并不是放大信號，而是,重新生成,它；,,中繼器是一個,再生器,，而不是一個放大器中繼器放置在傳輸線路上的,位置,是很重要的，中繼器必須放置在,任一位信號的含義受到噪聲影響之前,50,,網橋,,網橋,是,存儲轉發(fā)設備，用來連接同一類型的局域網,網橋將數(shù)據幀,送到數(shù)據鏈路層進行差錯校驗，再送到物理層,，通過物理傳輸介質送到另一個子網或網段它具有尋址與路徑選擇的功能，在接收到幀之后，要決定正確的路徑將幀送到相應的目的站點網橋能夠互聯(lián)兩個采用不同數(shù)據鏈路層協(xié)議、不同傳輸速率、不同傳輸介質的網絡,它要求兩個互聯(lián)網絡在數(shù)據鏈路層以上采用相同或兼容的協(xié)議51,,網橋比中繼器多一些,智能,。

中繼器不處理報文，它沒有理解報文中任何東西的智能，它們只是簡單地復制報文而網橋有一些簡單的智能，它可以,知道兩個相鄰網段的地址,網橋與中繼器的,區(qū)別,在于：,網橋具有使不同網段之間的通信相互隔離的邏輯,，或者說網橋是一種聰明的中繼器它,只對包含預期接收者網段的信號包進行中繼,這樣，網橋起到了,過濾信號包的作用，利用它可以控制網絡擁塞，同時隔離出現(xiàn)了問題的鏈路,52,,路由器,,路由器,中的路由協(xié)議,工作在網絡層，在路由器所包含的地址之間，可能存在若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的,路徑,路由器如同網絡中的一個節(jié)點那樣工作，同時連接到兩個或更多的網絡中，并同時擁有它們所有的地址路由器從所連接的節(jié)點上接收包，同時將它們傳送到第二個連接的網絡中53,,網關,,網關,又被稱為,網間協(xié)議變換器,，用以,實現(xiàn)不同通信協(xié)議的網絡之間、包括使用不同網絡操作系統(tǒng)的網絡之間的互聯(lián),由于它在技術上與它所連接的兩個網絡的具體協(xié)議有關，因而用于不同網絡間轉換連接的網關是不相同的網關允許在具有不同協(xié)議和報文組的兩個網絡之間傳輸數(shù)據在報文從一個網段到另一個網段的傳送中，網關提供了一種,把報文重新封裝形成新的報文組的方式,。

54,,網關需要完成報文的,接收、翻譯與發(fā)送,它使用,兩個微處理器,和兩套各自獨立的芯片組每個微處理器都知道自己本地的總線語言，在兩個微處理器之間設置一個基本的,翻譯器,I/O,數(shù)據通過微處理器，在網段之間來回傳遞數(shù)據在,工業(yè)數(shù)據通信中,網關的應用：把一個現(xiàn)場設備的信號送往另一類不同協(xié)議或更高一層的網絡例如，把,ASI,網段的數(shù)據通過網關送往,PROFIBUS-DP,網段55,,第五節(jié) 通信參考模型,一、,OSI,參考模型,,為了實現(xiàn)不同廠家生產的設備之間的互聯(lián)操作與數(shù)據交換，國際標準化組織,ISO/TC97,于1,978,年建立了 “開放系統(tǒng)互聯(lián)”分技術委員會，起草了,開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型,OSI,(open system interconnection),的建議草案，形成,OSI,參考模型開放”并不是指對特定系統(tǒng)實現(xiàn)具體的互聯(lián)技術或手段，而是,對標準的認同,一個系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任一遵守相同標準的其他系統(tǒng)互聯(lián)通信56,,OSI,參考模型,57,,1.,物理層,,物理層 (,physical layer),涉及到通信在信道上傳輸?shù)?原始比特流,設計上必須保證一方發(fā)出二進制 “1”時，另一方收到的也是 “1”而不是 “0”。

典型問題,:,（1）,用多少伏特電壓表示 “1”，多少伏特電壓表示 “0”；（2）一個比特持續(xù)多少微秒；（3）傳輸是否在兩個方向上同時進行；（4）最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止；（5）網絡接插件有多少針以及各針的用途主要是處理機械的、電氣的和過程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質等問題58,,2.,數(shù)據鏈路層,,數(shù)據鏈路層 (,data link layer),的主要任務是,加強物理層傳輸原始比特的功能,，使之對網絡層顯現(xiàn)為一條無錯線路其主要完成的兩個功能：,,（1）對鏈路的使用進行控制；,,（2）組成具有確定格式的信息幀59,,介質訪問控制方式：,,在,總線和環(huán)形,拓撲中，網上設備必須,共享傳輸線路,為解決在同一時間有幾個設備同時,爭用傳輸介質,，需有某種,介質訪問控制方式,，以便協(xié)調各設備訪問介質的順序，在設備之間交換數(shù)據通信中對介質的訪問可以是,隨機的,，即各工作站可在任何時刻，任意地點訪問介質；也可以是,受控的,，即各工作站可用一定的算法調整各站訪問介質順序和時間在,隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為,CSMA/CD,；,在控制訪問方式中則常用令牌總線、令牌環(huán)，或稱之為標記總線、標記環(huán)。

60,,(1),TDMA,(,時分多路訪問法,),,,這種方法,用于總線型網絡,在網絡中有一個,總線控制器,，它負責把時鐘脈沖送到網絡中的每個節(jié)點上每個節(jié)點有一個預先分配好的時間槽，在給定的時間槽里它可以發(fā)送信息在某些系統(tǒng)中，時間槽的分配不是固定不變而是動態(tài)進行的盡管,這種方法很,簡單,，,但它不能實現(xiàn),節(jié)點對網絡的,快速訪問,，也不能有效地處理在短時間內涌出的大量信息另外，這種方法需要總線控制器如果不采取一定的冗余控制，總線控制器的故障就會造成整個通信系統(tǒng)的癱瘓61,,(2),查詢法,,,查詢法既可用于,總線型,網絡，也可以用于,環(huán)形,網絡查詢法與,TDMA,法一樣，也要有一個,網絡控制器,網絡控制器按照一定的次序查詢網絡中的每個節(jié)點，看,它們是否要求發(fā)送信息如果節(jié)點不需要發(fā)送信息，網絡控制器就轉向下一個節(jié)點由于不發(fā)送信息的節(jié)點基本上不占用時間，所以這種方法,比,TDMA,法的通信效率高,然而，它也存在著與,TDMA,方法,同樣的,缺點：訪問速度慢、可靠性差等,62,,(3),令牌法,,,令牌法用于,總線型或環(huán)形網絡,令牌,是一個特定的信息，例如用二進制序列,來,表示令牌按照預先確定的次序，從網絡中的一個節(jié)點傳到下一個節(jié)點，并且循環(huán)進行。

只有,獲得令牌的節(jié)點才能發(fā)送信息,同前兩種方法相比，令牌法的,最大優(yōu)點,在于它不需要網絡控制器,，因此可靠性比較高這種方法的,主要問題,是，某一個節(jié)點故障或受到干擾，會造成令牌丟失所以必須采用一定的措施來及時發(fā)現(xiàn)令牌丟失，并且及時產生一個新的令牌，以保證通信系統(tǒng)的正常工作63,,(4),CSMA/CD(,載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測) *,,工作站的發(fā)送是,隨機,的，為盡量避免由于競爭引起的沖突，每個工作站在發(fā)送信息之前，都要監(jiān)聽傳輸線上是否有信息在發(fā)送，這就是 ",載波監(jiān)聽,"載波監(jiān)聽,CSMA,的控制方案是,先聽再講,一個站要發(fā)送，首先需監(jiān)聽總線，以決定介質上是否存在其他站的發(fā)送信號如果介質是空閑的，則可以發(fā)送如果介質是忙的，則等待,一定間隔,后重試由于傳輸線上不可避免的有,傳輸延遲,，有可能多個站同時監(jiān)聽到線上空閑并開始發(fā)送，從而導致,沖突,故每個工作站發(fā)送信息之后，還要繼續(xù)監(jiān)聽線路，判定是否有其他站正與本站同時向傳輸線發(fā)送一旦發(fā)現(xiàn)，便中止當前發(fā)送，這就是 ",沖突檢測,"64,,三種,CSMA,堅持退避算法:,,1）,不,堅持,CSMA假如介質是空閑的，則發(fā)送;假如介質是忙的，則等待一段隨機時間，重復第一步。

2）,1,-堅持,CSMA假如介質是空閑的，則發(fā)送;假如介質是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽，直到介質空閑，立即發(fā)送;假如沖突發(fā)生，則等待一段隨機時間，重復第一步3）,P,-堅持,CSMA假如介質是空閑的，則以,P,的概率,發(fā)送;假如介質是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽，直到介質空閑，重復,第一步65,,(5),,擴展環(huán)形法,,,擴展環(huán)形法,僅用于環(huán)形網絡,當采用這種方法時，準備發(fā)送信息的節(jié)點不斷監(jiān)視著通過它的信息流，,一旦發(fā)現(xiàn)信息流通過完畢，它就把要發(fā)送的信息送上網絡，同時把隨后進入該節(jié)點的信息存入緩沖器,當信息發(fā)送完畢之后，再把緩沖器中暫存的信息發(fā)送出去這種方法的,特點,是允許環(huán)形網絡中的多個節(jié)點同時發(fā)送信息，因此提高了通信網絡的利用率66,,3.網絡層,,網絡層(,network layer),協(xié)議主要處理通信網絡中的,路徑選擇,問題，另外還負責子網之間的,地址變換,；,,過多分組，相互阻塞通路,——,擁塞控制,；,,網絡層設有,記賬功能,，軟件必須對每一個顧客究竟發(fā)送了多少分組、多少字符或多少比特進行記數(shù)，以便于生成賬單在廣播網絡中，選擇路由的問題很簡單，因此網絡層很弱，甚至不存在67,,4.傳輸層,,傳輸,層(,transport layer),的,基本功能,是,從會話層接收數(shù)據，并且在必要時把它分成較小的單元，傳遞給網絡層,，并確保到達對方的各段信息正確無誤。

會話層每請求建立一個傳輸連接，傳輸層就為其創(chuàng)建一個獨立的,網絡連接,如果需要較高的信息吞吐量，傳輸層也可以為之創(chuàng)建多個網絡連接最流行的傳輸連接是一條,無錯的、按發(fā)送順序傳輸報文或字節(jié)的點到點的信道,傳輸層是真正的,從源到目標 ",端到端,"的層,68,,5.會話層,,會話層,(,Session layer),允許不同機器上的用戶建立,會話 (,session),關系會話層提供的,服務,：,,（1）,管理對話,：允許信息同時,雙向,傳輸，或任一時刻只能,單向,傳輸2）,令牌管理,,(,token management)：,令牌可以在會話,雙方,之間,交換,，只有,持有令牌,的一方可以,執(zhí)行,某種,關鍵操作,3）,同步,(,synchronization)：,在數(shù)據流中插人檢查點,，每次網絡崩潰后，僅需要重傳最后一個檢查點以后的數(shù)據69,,6.表示層,,表示層以下的各層只關心可靠地傳輸比特流，而表示層關心的是所,傳輸?shù)男畔⒌恼Z法和語義,為了讓采用不同表示法的計算機之間能進行通信，交換中使用的數(shù)據結構可以用抽象的方式來定義，并且使用,標準的編碼方式,表示層管理這些抽象數(shù)據結構，并且在,計算機內部表示法和網絡的標準表示法,之間進行,轉換,。

70,,7.應用層,,應用層,(,application layer),是,網絡服務與使用者應用程序間的一個接口,，包含大量人們普遍需要的協(xié)議解決不同的,系統(tǒng)之間傳輸文件,所需處理的各種,不兼容,問題嚴格說這一層不是通信協(xié)議結構中的內容，而是應用軟件的一部分，它的作用是召喚底層協(xié)議為其服務71,,總結：,,OSI,七層模型并不是系統(tǒng)本身就存在七層，而是為了區(qū)分各部分的功能、使對各部分的開發(fā)更有針對性把它們人為地定義出,7,層72,,二、現(xiàn)場總線的通信模型,,具有7層結構的,OSI,參考模型可支持的通信功能是相當強大的工業(yè)數(shù)據通信的底層控制網絡構成開放互聯(lián)系統(tǒng)，制定和選擇通信模型：7層0,SI,參考模型,是否適應,工業(yè)現(xiàn)場的通信環(huán)境，,簡化型,是否更適合于控制網絡的應用需要？,,工業(yè)生產現(xiàn)場存在大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等，零散地分布在一個,較大范圍,內，構成控制網絡，其,單個節(jié)點,面向控制的,信息量不大,，信息傳輸?shù)?任務,相對也比較,簡單,，但對,實時性、快速性,的要求較高73,,幾種典型現(xiàn)場總線的通信參考模型,,與,OSI,模型的對照,OSI,模型,H1 HSE PROFIBUS,74,,LonWorks、CAN,與0,SI,模型分層比較,75,,一、傳輸錯誤及其可靠性指標,,在通信網絡上傳輸?shù)男畔⑹?二進制,信息，它只有,0,和,1,兩種狀態(tài)，因此，傳輸錯誤是把,0,誤傳為,1,，或者是把,1,誤傳為,0,。

分布控制系統(tǒng)的通信網絡是在條件比較,惡劣,的工業(yè)環(huán)境下工作的，因此，在信息傳輸過程中，各種各樣的,干擾,可能造成傳輸錯誤這些錯誤輕則會使數(shù)據發(fā)生變化，重則會導致生產過程,事故,因此必須采取一定的措施來檢測錯誤并糾正錯誤，檢錯和糾錯統(tǒng)稱為,差錯控制,第六節(jié) 差錯控制,76,,錯誤分為兩類：,,突發(fā)錯誤：由突發(fā)噪聲引起的，誤碼連續(xù)成片出現(xiàn)；,,隨機錯誤：由隨機噪聲引起的，誤碼與其前后的代碼是否出錯無關在分散控制系統(tǒng)中，為了滿足控制要求和充分利用信道傳輸能力，傳輸速率一般為,0.5,～,100Mbit/s,左右傳輸速率越大，每一位二進制代碼（碼元）所占用的時間就越短，波形就越窄，抗干擾能力就越差，可靠性就越低傳輸可靠性用誤碼率表示，其定義式如下：,,P,e,=,出錯的碼元數(shù),/,傳輸?shù)目偞a元數(shù),77,,二、差錯控制方法：,,兩類：在傳輸,信息,中附加冗余度,,在傳輸,方法,中附加冗余度,,78,,1.,奇偶校驗,,所謂奇偶校驗就是在每個碼組之間附加一個校驗位，使得整個碼組中,1,的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)垂直奇偶校驗,,水平奇偶校驗,,矩陣奇偶校驗,,2.,漢明校驗,,3.,循環(huán)冗余校驗,79,,第七節(jié) 現(xiàn)場控制網絡,現(xiàn)場總線,又稱,現(xiàn)場控制網絡,，它屬于一種,特殊,類型的,計算機網絡,，是用于完成自動化任務的網絡系統(tǒng)。

從現(xiàn)場控制網絡節(jié)點的,設備類型、傳輸信息的種類、網絡所執(zhí)行的任務、網絡所處的工作環(huán)境,等方面，現(xiàn)場控制網絡都有別于由普通,PC,機或其他計算機構成的數(shù)據網絡80,,一、現(xiàn)場控制網絡的節(jié)點,,,現(xiàn)場控制網絡的節(jié)點大都是具有,計算與通信,能力的測量控制設備包括,：限位開關、感應開關等各類,開關,；條形碼閱讀器；光電,傳感器,；溫度、壓力、流量、物位等各種,傳感器、變送器,；可編程邏輯控制器,PLC,；,PID,等,數(shù)字控制器,；各種,數(shù)據采集裝置,；作為監(jiān)視操作設備的,監(jiān)控計算機、工作站,及其外設；各種,調節(jié)閥,；,電動機控制設備,；,變頻器,；,機器人,；作為現(xiàn)場控制網絡連接設備的,中繼器、網橋、網關,等81,,把單個分散的有通信能力的測量控制設備作為網絡節(jié)點，連接成網絡系統(tǒng)，使它們之間可以相互溝通信息，由它們共同完成自控任務，這就是,現(xiàn)場控制網絡,現(xiàn)場控制網絡節(jié)點示意圖,,82,,二、現(xiàn)場控制網絡的任務,,主要,：,,現(xiàn)場控制網絡要將現(xiàn)場運行的各種信息,(,現(xiàn)場設備的,運行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息,等,),傳送到遠離現(xiàn)場的控制室；,,將各種,控制、維護、組態(tài)命令,等送往位于現(xiàn)場的測量控制現(xiàn)場設備中；,,現(xiàn)場控制網絡還要在,與操作終端、上層管理網絡,的數(shù)據連接和信息共享中發(fā)揮作用。

其它,：,,參數(shù)的網絡瀏覽和遠程監(jiān)控；,,總線供電83,,控制網絡必須解決的問題,：,,適應惡劣的工作環(huán)境；各種自控設備的互聯(lián)與互操作不同于普通計算機網絡的特點,：,,數(shù)據傳輸量相對較小，傳輸速率相對較低，多為短幀傳送，但它要求通信傳輸?shù)膶崟r性強，可靠性高現(xiàn)場控制網絡的特定需求,：,,滿足控制的實時性要求、工業(yè)環(huán)境下的抗干擾、總線供,電等84,,三、現(xiàn)場控制網絡的實時性,,現(xiàn)場控制網絡不同于普通數(shù)據網絡的,最大特點,：它必須滿足對現(xiàn)場控制的,實時性,要求實時控制往往要求對某些變量的數(shù)據準確,定時刷新,這種對動作時間有實時要求的系統(tǒng)稱為,實時系統(tǒng),實時系統(tǒng)的運行不僅要求系統(tǒng)動作在邏輯上的,正確性,，同時要求滿足,時限性,實時系統(tǒng)又可分為,硬實時,和,軟實時,兩類硬實時系統(tǒng)要求實時任務必須在,規(guī)定的時限,完成，否則會產生嚴重的后果；而軟實時系統(tǒng)中的實時任務在超過了截止期后的,一定時限內,，系統(tǒng)仍可以執(zhí)行處理85,,第二章 復習題,,1.,何謂現(xiàn)場總線的豬設備、從設備？,,2.,通信系統(tǒng)由哪幾部分組成,?,各自具有什么功能,?,,3.,通信方式按照信息的傳輸方向分為哪幾種,?,,4.,通信的傳輸模式分為哪幾種,?,,5.,載帶傳輸中數(shù)據的表示方法有哪幾種,?,,6.,數(shù)據交換方式有那幾種,?,,7.,介質訪問控制方式主要有哪兩種,?,說明各自的含義。

86,,8.,什么樣的現(xiàn)場設備可以作為現(xiàn)場控制網絡節(jié)點？舉出幾個例子9.,現(xiàn)場控制網絡完成哪些通信任務？,,10.,現(xiàn)場控制網絡與普通計算機網絡有哪些不同？其特點是什么？,,11.ISO,的,OSI,參考模型為哪,7,層？各層的主要功能是什么？,,12.,常用的網絡互聯(lián)設備有哪些？各自對應,OSI,參考模型的哪一層？,,13.,中繼器與放大器有何區(qū)別？,,14.,列出三種以上,CSMA,堅持退避算法，并分別簡述之87,,。