网络与数据通信基础课件

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1、第第2 2章章网络与数据通信基础网络与数据通信基础 1网络与数据通信基础课件第一节第一节 总线的基本概念与操作总线的基本概念与操作 第二节第二节 通信系统简介通信系统简介第三节第三节 网络结构及传输介质网络结构及传输介质第四节第四节 通信系统的协议模型通信系统的协议模型第五节第五节 差错控制差错控制第六节第六节 现场控制网络现场控制网络第七节第七节 网络硬件网络硬件第八节第八节 网络互联网络互联2网络与数据通信基础课件一、总线的基本概念一、总线的基本概念（1 1）总线与总线段）总线与总线段(bus segment)(bus segment)。广义说，广义说，总线总线是传输信号或信息的公共路径，

2、是遵循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。同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连在一起称一组设备通过总线连在一起称“总线段总线段”(bus(bus segment)segment)。通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。统。第一节第一节 总线的基本概念与操作总线的基本概念与操作3网络与数据通信基础课件（2 2）总线主设备）总线主设备可在总线上发起信息传输的设备叫做可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备总线主设备”(bus master)(bus master)，又称命令者。，又称命令者。（3

3、3）总线从主设备）总线从主设备不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)(bus slaver)，也称基本设备。，也称基本设备。在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是主在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。是从设备。4网络与数据通信基础课件（4 4）控制信号（三种类型）控制信号（三种类型）控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，控制

4、连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。如设备清零、初始化、启动和停止等。用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。选择数据字段的宽度和字节等。表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定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；对于数据，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。可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。5网络与数据通信基础课件（5）总线协议）总线协议管理主、从设备使用总线的一套规则称为管理主、

5、从设备使用总线的一套规则称为“总线协总线协议议”(bus protocol)(bus protocol)。这是一套事先规定的、必须共。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。同遵守的规约。6网络与数据通信基础课件二、总线操作的基本内容二、总线操作的基本内容（1）总线操作）总线操作总线上命令者与响应者之间的连结总线上命令者与响应者之间的连结数据传送数据传送脱开脱开这一操作序列称为一次总线这一操作序列称为一次总线“交易交易”(transaction)(transaction)，或者叫做一次总线操作。或者叫做一次总线操作。“脱开脱开”(disconnect)(disconnect)是指完成数据传送操

6、作以后，是指完成数据传送操作以后，命令者断开与响应者的连接。命令者断开与响应者的连接。7网络与数据通信基础课件（2 2）总线传送）总线传送n“读读”(read)(read)数据操作数据操作:读来自响应者的数据；读来自响应者的数据；n写写”(write)(write)数据操作数据操作:向响应者写数据。向响应者写数据。n读写操作都需要在命令者和响应者之间传递数据。读写操作都需要在命令者和响应者之间传递数据。（3 3）请求通信）请求通信n通信请求通信请求:由总线上某一设备向另一设备发出的请求由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。它们有信号，要求后者给予注意并进行某

7、种服务。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。8网络与数据通信基础课件（4 4）寻址）寻址 寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。的一种总线操作。通常有以下三种寻址方式通常有以下三种寻址方式:（a a）物理寻址）物理寻址 用于选择某一总线段上某一特定位置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。的从设备作为响应者。（b b）逻辑寻址）逻辑寻址 用于指定存储单元的某一个通用区，用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。而并不顾及这些存

8、储单元在设备中的物理分布。（c c）广播寻址）广播寻址 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。9网络与数据通信基础课件（5 5）总线仲裁）总线仲裁总线在传送信息的操作过程中有可能会发生总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突冲突”(contention)(contention)。为解决这种冲突，就需。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的进行总线占有权的“仲裁仲裁”（arbitration)arbitration)。总线仲裁总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。有总线的设备。总线仲裁操作和数据传送操作是完全分开且并总线仲裁操作

9、和数据传送操作是完全分开且并行工作的，因此总线占有权的交接过程不会耽行工作的，因此总线占有权的交接过程不会耽误总线操作。误总线操作。10网络与数据通信基础课件（6 6）总线定时）总线定时n总线操作用总线操作用“定时定时”(timing)(timing)信号进行同步。信号进行同步。n定时信号定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。是有效的。n定时信号有异步和同步两种。定时信号有异步和同步两种。（7 7）出错检测）出错检测n在总线上传送信息时会因噪声和干扰而出错，因此在总线上传送信息时会因噪声和干扰而出错，因此在高性能的总线中一般设有出错码产生和校

10、验机构，在高性能的总线中一般设有出错码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。以实现传送过程的出错检测。11网络与数据通信基础课件（8 8）容错）容错n设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系统的影响，提高系统的重配置能力是十分重要的。统的影响，提高系统的重配置能力是十分重要的。n故障对分布式仲裁的影响就比菊花链式仲裁小。后故障对分布式仲裁的影响就比菊花链式仲裁小。后者在设备出故障时，会直接影响它后面设备的工作。者在设备出故障时，会直接影响它后面设备的工作。总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重

11、新分配地址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单新分配地址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单元。元。12网络与数据通信基础课件一、通信系统的组成一、通信系统的组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。媒介几部分组成。第二节第二节 通信系统简介通信系统简介13网络与数据通信基础课件 1.1.信息源和接收者信息源和接收者信息源和接收者是信息的产生者和使用者。信息源和接收者是信息的产生者和使用者。在数字通信系统中传输的信息是数据，是数字化在数字通信

12、系统中传输的信息是数据，是数字化了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是了的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。志。信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。源和离散信息源。14网络与数据通信基础课件2.2.发送设备发送设备n发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。变换为便于传送的

13、信号形式，送往传输媒介。n信源编码信源编码：把连续消息变换为数字信号；：把连续消息变换为数字信号；n信道编码信道编码：使数字信号与传输介质匹配，提高传：使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。输的可靠性或有效性。n发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。理等。15网络与数据通信基础课件3.3.传输介质传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。可以是无线的，也可以是有线的可以是无线的，也可以是有线的(包

14、括光纤包括光纤)。有线和。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取关系到变换方式的选取。16网络与数据通信基础课件4.4.接收设备接收设备n基基本本功功能能:完完成成发发送送设设备备的的反反变变换换，即即进进行行解解调调、译码、解密等。译码、

15、解密等。n任任务务:从从带带有有干干扰扰的的信信号号中中正正确确恢恢复复出出原原始始信信息息来来，对对于于多多路路复复用用信信号号，还还包包括括解解除除多多路路复复用用，实实现现正正确分路。确分路。n 以以上上所所述述是是单单向向通通信信系系统统，但但在在大大多多数数场场合合下下，信信源源兼兼为为收收信信者者，通通信信的的双双方方需需要要随随时时交交流流信信息息，因此要求双向通信。因此要求双向通信。17网络与数据通信基础课件通信方式按照信息的通信方式按照信息的传输方向传输方向分为分为 ：(1)(1)单单工工 (simplex)simplex)方方式式 信信息息只只能能沿沿单单方方向向传传输输的

16、的通信方式称为单工方式；通信方式称为单工方式；(2)(2)半半双双工工(Half Half duplex)duplex)方方式式 信信息息可可以以沿沿着着两两个个方方向向传传输输，但但在在某某一一时时刻刻只只能能沿沿一一个个方方向向传传输输的通信方式称为半双工方式；的通信方式称为半双工方式；(3)(3)全双工全双工(Full duplex)Full duplex)方式方式 信息可以同时沿着信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式。两个方向传输的通信方式称为全双工方式。二、传输方式二、传输方式18网络与数据通信基础课件单工、半双工和全双工通信方式单工、半双工和全双工通信方式19网络与

17、数据通信基础课件n基带传输基带传输 n载波（带）传输载波（带）传输 n宽带传输宽带传输 n异步转移模式异步转移模式ATM三、传输模式三、传输模式20网络与数据通信基础课件1.1.基带传输基带传输 基带传输：在基本不改变数据信号频率的情况下，基带传输：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传输，不采用任何调制措施。据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。局域网、控制局域网局域网、控制局域网特点特点21网络与数据通信基础课件2.2

18、.载波（带）传输载波（带）传输载波传输：先用数字信号对载波进行调制，然后进载波传输：先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。行传输的传输模式。最基本的最基本的调制方式调制方式：幅值键控：幅值键控(ASK)，频移键控频移键控(FSK)和相移键控和相移键控(PSK)3种。种。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作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率信号，基波频率就称为载波频率;然后按幅值键控、然后按幅值键控、频移键控、相移键控等不频移键控、相移键控等不同方式

19、改变载波信号的幅同方式改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号后发送。值、频率、相位，形成调制信号后发送。22网络与数据通信基础课件3.3.宽带传输宽带传输 n宽带传输与基带传输的主要区别宽带传输与基带传输的主要区别:一是数据传输速率不同，基带网的数据传输速率范一是数据传输速率不同，基带网的数据传输速率范围为围为0 l0Mbit/s，宽带网可达宽带网可达0400Mbit/s;二是宽带网可划分为多条基带信道，能提供良好的通二是宽带网可划分为多条基带信道，能提供良好的通信路径。信路径。n一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投资。资。23网络与数

20、据通信基础课件4.4.异步转移模式异步转移模式ATMATMnATM(AsynchronousTransferMode)是一种新的传输是一种新的传输与交换数字信息的技术，也是实现高速网络的主要与交换数字信息的技术，也是实现高速网络的主要技术，被规定为宽带综合业务数字网技术，被规定为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的的传输模式。传输模式。n转移转移包含传输与交换两方面的内容。包含传输与交换两方面的内容。nATM是一种在用户接入是一种在用户接入、传输和交换级综合处理传输和交换级综合处理各种通信问题的技术。它支持多媒体通信，包括数各种通信问题的技术。它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频信号，按需分

21、配频带，具有低延迟据、语音和视频信号，按需分配频带，具有低延迟特性，速度可达特性，速度可达155Mbit/s一一24Gbit/s,也有也有25Mbit/s和和50Mbil/s的的ATM技术。技术。24网络与数据通信基础课件异步传输与同步传输异步传输与同步传输串行传输与并行传输串行传输与并行传输25网络与数据通信基础课件 1 1基带传输中数据的表示方法基带传输中数据的表示方法 (1)(1)信息传输有平衡传输和非平衡传输。信息传输有平衡传输和非平衡传输。(2)(2)根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。输和不归零传输。(3)(3)根据信

22、号的极性，信息传输分为单极性传输和双根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。极性传输。单极性码单极性码 双极性码双极性码四、二进制表示方法四、二进制表示方法26网络与数据通信基础课件 常用的数据表示方法常用的数据表示方法a)a)平衡、归零、双极性平衡、归零、双极性b)b)平衡、归零、单极性平衡、归零、单极性c)c)平衡、不归零、单极性平衡、不归零、单极性d)d)非平衡非平衡、归零、双极性、归零、双极性e)e)非平衡、归零、单极性非平衡、归零、单极性f)f)非平衡、不归零、单极性非平衡、不归零、单极性27网络与数据通信基础课件2 2载带传输中的数据表示方法载带传输中的数据表示方法(1

23、)(1)调幅方式调幅方式 AM(Amplitude Modulation)又称为幅移键控法又称为幅移键控法 ASK(Amplitude-Shift Keying)(2)调频方式调频方式 FM(Frequency Modulation)又称为频移键控法又称为频移键控法FSK(Frequency-Shift Keying)(3)调相方式调相方式 PM(Phase Modulation)又称为相移键控法又称为相移键控法PSK(Phase-Shift Keying)28网络与数据通信基础课件 数据调制方式数据调制方式（a）调幅调幅（b）调频调频（c）调相调相29网络与数据通信基础课件 数据通信系统中通

24、常采用三种数据交换方式：数据通信系统中通常采用三种数据交换方式：n 线路交换方式线路交换方式n 报文交换方式报文交换方式n 报文分组交换方式报文分组交换方式 报文分组交换方式包含：报文分组交换方式包含：虚电路虚电路 数据报数据报五、数据交换方式五、数据交换方式30网络与数据通信基础课件一、通信网络的拓扑结构一、通信网络的拓扑结构 n在分布控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环在分布控制系统中应用较多的拓扑结构是星型、环型和总线型。型和总线型。通信网络的拓扑结构通信网络的拓扑结构(a)星形结构；星形结构；(b)环型结构；环型结构；(c)总线型结总线型结构构第三节第三节 网络结构及传输介质网络结构

25、及传输介质31网络与数据通信基础课件1星型结构在星型结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。中央节点有一个开关装置来接通两个节点之间的通信路径。因此，中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。因此，这种系统的可靠性是比较低的，在分散控制系统中应用得较少。32网络与数据通信基础课件2环型结构在环型结构中，所有的节点通过链路组成一个环形。需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定的方向传输。当信息到达接收节点时，该节点识别信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。

26、33网络与数据通信基础课件3总线型结构所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。由于所有的节点都共享一条公用的传输线路，所以每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。这种结构的网络又称为广播式网络。某节点发送信息之前，必须保证总线上没有其他信息正在传输。当这一条件满足时，它才能把信息送上总线。34网络与数据通信基础课件二、网络传输介质二、网络传输介质n网络中连接收发双方的物理通路，实际传送信息网络中连接收发双方的物理通路，实际传送信息的载体。的载体。n常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。光导纤维、无线与

27、卫星通信。n主要特性主要特性：1）物理特性物理特性:传输介质物理结构的描述传输介质物理结构的描述;2）传传输输特特性性:传传输输介介质质允允许许传传送送数数字字或或模模拟拟信信号号以以及调制技术、传输容量、传输的频率范围及调制技术、传输容量、传输的频率范围;3）连通特性连通特性:允许点允许点-点或多点连接点或多点连接 4）地理范围地理范围:传输介质最大传输距离传输介质最大传输距离 5）抗抗干干扰扰性性:传传输输介介质质防防止止噪噪声声与与电电磁磁干干扰扰对对传传输输数据影响的能力。数据影响的能力。35网络与数据通信基础课件1.1.双绞线的主要特性双绞线的主要特性(1)(1)物理特性物理特性n双

28、双绞绞线线由由按按规规则则螺螺旋旋结结构构排排列列的的2根根或或4根根绝绝缘缘线线组组成成。一一对对线线可可以以作作为为一一条条通通信信线线路路，各各个个线线对对螺螺旋旋排排列列的的目目的的是是使使各各线对之间的电磁干扰最小。线对之间的电磁干扰最小。36网络与数据通信基础课件(2)(2)传输特性传输特性n双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。n数数据据传传输输速速率率可可达达9600bit/s，24条条音音频频通通道道总总的的数数据据传输速率可达传输速率可达230Kbit/s。(3)(3)连通特性连通特性用于点用于点-点连接，也可用于多点连接。点连接，

29、也可用于多点连接。(4)(4)地理范围地理范围双绞线用作远程中继线时，最大距离可达双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km;用于用于l0Mbit/s局域网时，与集线器的距离最大为局域网时，与集线器的距离最大为100m。(5)(5)抗干扰性抗干扰性双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。在低频传输时，及适当的屏蔽。在低频传输时，其抗干扰能力相当于同其抗干扰能力相当于同轴电缆。在轴电缆。在1010010100kHzkHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆。时，其抗干扰能力低于同轴电缆。37网络与数据通信基础课件2.2.同轴电缆的主

30、要特性同轴电缆的主要特性(1)(1)物理特性物理特性 它它由由内内导导体体、外外屏屏蔽蔽层层、绝绝缘缘层层及及外外部部保保护护层层组组成成。同同轴轴介介质质的的特特性性参参数数由由内内、外外导导体体及及绝绝缘缘层层的的电电参参数和机械尺寸决定数和机械尺寸决定。38网络与数据通信基础课件(2)(2)传输特性传输特性 根根据据同同轴轴电电缆缆通通频频带带，同同轴轴电电缆缆可可以以分分为为基基带带同同轴轴电电缆缆和和宽宽带同轴电缆两类。带同轴电缆两类。n基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号传输。基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号传输。n宽宽带带同同轴轴电电缆缆可可以以使使用用频频分分多多路路复复用用方

31、方法法，将将一一条条宽宽带带同同轴轴电电缆缆的的频频带带划划分分成成多多条条通通信信信信道道，使使用用各各种种调调制制方方案案，支支持持多多路路传传输输。宽宽带带同同轴轴电电缆缆也也可可以以只只用用于于一一条条通通信信信信道道的高速数字通信，此时称之为单通道宽带。的高速数字通信，此时称之为单通道宽带。(3)(3)连通特性连通特性n同轴电缆支持点同轴电缆支持点-点连接，也支持多点连接。点连接，也支持多点连接。(4)(4)地理范围地理范围n基带同轴电缆最大距离限制在几基带同轴电缆最大距离限制在几km范围内。范围内。n宽带同轴电缆最大距离可达几十宽带同轴电缆最大距离可达几十km。(5)(5)抗干扰性

32、抗干扰性n同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。39网络与数据通信基础课件3.3.光缆的主要特性光缆的主要特性n光光缆缆是是网网络络传传输输介介质质中中性性能能最最好好、应应用用最最广广泛的一种。泛的一种。n光光纤纤是是一一种种直直径径为为50一一100m的的柔柔软软、能能传传导光波的介质。导光波的介质。40网络与数据通信基础课件n光光纤纤最最普普遍遍的的连连接接方方法法是是点点-点点方方式式，在在某某些实验系统中也可采用多点连接方式。些实验系统中也可采用多点连接方式。n光光纤纤信信号号衰衰减减极极小小，可可以以在在68km距距离离内内不不使用中继器，实现

33、高速率数据传输。使用中继器，实现高速率数据传输。n光光纤纤不不受受外外界界电电磁磁干干扰扰与与噪噪声声的的影影响响，能能在在长长距距离离、高高速速度度传传输输中中保保持持低低误误码码率率。光光纤纤传输的安全性与保密性极好。传输的安全性与保密性极好。41网络与数据通信基础课件三、介质访问控制方式三、介质访问控制方式 1.CSMA/CD(1.CSMA/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)n载载波波监监听听CSMA的的控控制制方方案案是是先先听听再再讲讲。一一个个站站要要发发送送，首首先先需需监监听听总总线线，以以决决定定介介质质上上是是否否存存在在其其他他站站的的发发送送信信

34、号号。如如果果介介质质是是空空闲闲的的，则则可可以以发发送送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。2.2.令牌令牌(标记标记)访问控制方式访问控制方式n令令牌牌方方式式是是一一种种按按一一定定顺顺序序在在各各站站点点传传递递令令牌牌(Token)的的方方法法。谁谁得得到到令令牌牌，谁谁才才有有发发报报权权。令令牌牌访访间间原原理理可可用用于于环环形形网网络络，构构成成令令牌牌环环形形网网;也也可用于总线网，构成令牌总线网络。可用于总线网，构成令牌总线网络。42网络与数据通信基础课件一、一、OSIOSI参考模型参考模型n为为了了实实现现不不同同厂厂家家生生

35、产产的的设设备备之之间间的的互互联联操操作作与与数数据据交交换换，国国际际标标准准化化组组织织ISO/TC97于于1978年年建建立立了了“开开放放系系统统互互联联”分分技技术术委委员员会会，起起草草了了开开放放系系统统互互联联参参考考模模型型OSI(open system interconnection)的的建建议议草草案案，形成形成OSI参考模型。参考模型。n开开放放并并不不是是指指对对特特定定系系统统实实现现具具体体的的互互联联技技术术或或手手段段，而而是是对对标标准准的的认认同同。一一个个系系统统是是开开放放系系统统，是是指指它它可可以以与与世世界界上上任任一一遵遵守守相相同同标标准准

36、的的其其他他系系统统互互联联通通信。信。第四节第四节 通信系统的协议模型通信系统的协议模型43网络与数据通信基础课件44网络与数据通信基础课件1.1.物理层物理层(physical layer)n涉涉及及到到通通信信在在信信道道上上传传输输的的原原始始比比特特流流。设设计计上上必必须须保保证证一一方方发发出出二二进进制制“1”时时，另另一一方方收到的也是收到的也是“1”而不是而不是“0”。n典典型型问问题题（1）用用多多少少伏伏特特电电压压表表示示“1”，多多少少伏伏特特电电压压表表示示“0”（2）一一个个比比特特持持续续多多少少微微秒秒（3）传传输输是是否否在在两两个个方方向向上上同同时时进

37、进行行（4）最最初初的的连连接接如如何何建建立立和和完完成成通通信信后后连连接接如如何何终终止止（5）网网络络接接插插件件有有多多少少针针以以及及各各针针的用途。的用途。n主主要要是是处处理理机机械械的的、电电气气的的和和过过程程的的接接口口，以以及物理层下的物理传输介质等问题及物理层下的物理传输介质等问题。45网络与数据通信基础课件2.2.数据链路层数据链路层(data link layer)n主要任务是主要任务是加强物理层传输原始比特的功能加强物理层传输原始比特的功能，使，使之对网络层显现为一条无错线路。之对网络层显现为一条无错线路。（1）通过在帧的前面和后面）通过在帧的前面和后面附加上特

38、殊的二进制编附加上特殊的二进制编码码模式来产生和识别帧边界。模式来产生和识别帧边界。（2）解决由于）解决由于帧的破坏、丢失和重复帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。所出现的问题。46网络与数据通信基础课件（3）防止高速发送方的数据把低速的接收方防止高速发送方的数据把低速的接收方“淹没淹没”。采用某种流量调节机制，使发送方知道当前接收方采用某种流量调节机制，使发送方知道当前接收方还有多少缓存空间。还有多少缓存空间。（4）双向传输数据双向传输数据：从：从A到到B数据帧的确认帧将同从数据帧的确认帧将同从B到到A的数据帧的数据帧竞争线路的使用权竞争线路的使用权。（5）广播式网络广播式网络：控制对：控制对

39、共享信道共享信道的访问，数据链路的访问，数据链路层的一个特殊的层的一个特殊的子层介质访问子层子层介质访问子层。47网络与数据通信基础课件3.3.网络层网络层(network layer)n关系到子网的运行控制，其中一个关系到子网的运行控制，其中一个关键问题关键问题是是确确定分组从源端到目的端如何选择路由定分组从源端到目的端如何选择路由。n过多分组过多分组，相互阻塞通路，相互阻塞通路拥塞控制拥塞控制n网络层设有网络层设有记账功能记账功能，软件必须对每一个顾客究，软件必须对每一个顾客究竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记数，以便于生成账单。数，以便于

40、生成账单。n分组跨越网络：寻址方法完全不同，网络协议也分组跨越网络：寻址方法完全不同，网络协议也不同，不同，异种网络互联异种网络互联。48网络与数据通信基础课件4.4.传输层传输层(transport layer)n基本功能是基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把它从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方，并确保到达对方的各段信息正确无误。的各段信息正确无误。n会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创创建一个独立的网络连接建一个独立的网络连接。n最流行的传输连接是一条最流行的传输

41、连接是一条无错的、按发送顺序传输无错的、按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道报文或字节的点到点的信道。n传输层是真正的传输层是真正的从源到目标从源到目标 端到端端到端的层的层。49网络与数据通信基础课件5.5.会话层会话层(Session layer)n允许允许不同机器上的用户建立会话不同机器上的用户建立会话(session)关系关系。n管理对话管理对话：（1）方式方式：会话层允许信息：会话层允许信息同时双向同时双向传输，或传输，或任一时刻任一时刻只能只能单向单向传输。传输。（2）令牌管理令牌管理(token management)：令牌可以在会话令牌可以在会话双双方方之间之间交换交换，只有

42、，只有持有令牌持有令牌的一方可以的一方可以执行执行某种某种关键关键操作操作。（3）同步同步(synchronization)：在数据流中插人检查点在数据流中插人检查点，每次网络崩溃后，仅需要重传最后一个检查点以后的每次网络崩溃后，仅需要重传最后一个检查点以后的数据。数据。50网络与数据通信基础课件6.6.表示层表示层(presentation layer)n完成某些完成某些特定功能特定功能：所传输的：所传输的信息的语法和语义信息的语法和语义。n为为了了让让采采用用不不同同表表示示法法的的计计算算机机之之间间能能进进行行通通信信，交交换换中中使使用用的的数数据据结结构构可可以以用用抽抽象象的的方

43、方式式来来定定义义，并并且且使使用用标标准准的的编编码码方方式式。表表示示层层管管理理这这些些抽抽象象数数据据结结构构，并并且且在在计计算算机机内内部部表表示示法法和和网网络络的的标标准表示法之间进行准表示法之间进行转换转换。51网络与数据通信基础课件7.7.应用层应用层(application layer)n包含大量人们包含大量人们普遍需要的协议普遍需要的协议。n虚拟终端软件虚拟终端软件都位于应用层。都位于应用层。n解决不同的解决不同的系统之间传输文件系统之间传输文件所需处理的各种所需处理的各种不兼不兼容容问题。问题。n文件传输、电子邮件、远程作业输入、名录查询和文件传输、电子邮件、远程作业

44、输入、名录查询和其他各种通用和专用的功能。其他各种通用和专用的功能。52网络与数据通信基础课件二、二、TCP/IPTCP/IP参考模型参考模型n计计算算机机网网络络的的祖祖父父ARPANET和和其其后后继继的的因因特特网网使使用用 的的 参参 考考 模模 型型 TCP/IP参参 考考 模模 型型 (TCP/IP reference model)。nARPANET是是由由美美国国国国防防部部DoD(USDepartment of Defense)赞助的研究网络。赞助的研究网络。n主要设计目标：主要设计目标：n 无缝隙地连接多个网络无缝隙地连接多个网络n 网络不受子网硬件损失的影响网络不受子网硬件

45、损失的影响53网络与数据通信基础课件54网络与数据通信基础课件1.1.互联网层互联网层n基于无连接互联网络层的分组交换网络基于无连接互联网络层的分组交换网络。n功能是功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组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独立地传向目标(可能经由不同的网络可能经由不同的网络)。这些。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如果需要按顺序发送及接收时，高层必须对分组排果需要按顺序发送及接收时，高层必须对分组排序。序。n互联网层定义了正式的互联网层定义了正式的分组格式和协议分组格式和协议，即，即IP协协议议(inte

46、rnet protocol)。55网络与数据通信基础课件2.2.传输层传输层n功功能能：使使源源端端和和目目标标端端主主机机上上的的对对等等实实体体可可以以进进行行会话和会话和OSI的传输层一样。的传输层一样。n定义了定义了两个端到端的协议两个端到端的协议：n传输控制协议传输控制协议TCP(transmission control protocol)：面面向向连连接接的的协协议议，允允许许从从一一台台机机器器发发出出的的字字节节流流无无差差错错地地发发往往互互联联网网上上的的其其他他机机器器。它它把把输输人人的的字字节节流流分分成成报报文文段段并并传传给给互互联联网网层层。在在接接收收端端，T

47、CP接接收收进进程程把把收收到到的的报报文文再再组组装装成成输输出出流流。TCP还还要要处理流量控制。处理流量控制。56网络与数据通信基础课件用户数据报协议用户数据报协议UDP(user datagram protocol)UDP(user datagram protocol)：一一个个不不可可靠靠的的、无无连连接接协协议议，用用于于不不需需要要TCPTCP的的排排序序和和流流量量控控制制能能力力而而是是自自己己完完成成这这些些功功能能的的应应用用程程序序。它它也也被被广广泛泛地地应应用用于于只只有有一一次次的的、客客户户-服服务务器器模模式式的的请请求求-应应答答查查询询，以以及及快快速速递

48、递交交比比准准确确递递交交更重要的应用程序，如传输语音或影像。更重要的应用程序，如传输语音或影像。57网络与数据通信基础课件TCPIPTCPIP协议与网络协议与网络58网络与数据通信基础课件3.3.应用层应用层nTCP/IP模模型型没没有有会会话话层层和和表表示示层层。来来自自OSI模模型型的的经经验验已已经经证证明明，它它们们对对大大多多数数应应用用程程序序都都没没有有用处。用处。n包包含含所所有有的的高高层层协协议议。最最早早引引人人的的是是虚虚拟拟终终端端协协议议(TELNET)、文文件件传传输输协协议议(FTP)和和电电子子邮邮件件协协议议(SMTP)。59网络与数据通信基础课件4.4

49、.主机至网络层主机至网络层n互互联联网网层层的的下下面面什什么么都都没没有有，TCP/IP参参考考模模型型没没有有真真正正描描述述这这一一部部分分，只只是是指指出出主主机机必必须须使使用用某某种种协协议议与与网网络络连连接接，以以便便能能在在其其上上传传递递IP分分组组。这这个个协协议议末末被被定定义义，并并且且随随主主机机和和网网络络的的不不同同而而不同不同。60网络与数据通信基础课件三、三、0 0SISI参考模型和参考模型和TCP/IPTCP/IP参考模型的比较参考模型的比较n很多相似之处，层的功能也大体相似。很多相似之处，层的功能也大体相似。n传输层及传输层以上的层都为希望通信的进程提供

50、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。端到端的、与网络无关的传输服务。（1）三个概念三个概念：nOSI模型模型有三个主要概念有三个主要概念:n 服务、服务、接口、接口、协议协议nTCP/IP参考模型参考模型最初没有明确区分服务、接口和协最初没有明确区分服务、接口和协议，后来改进：互联网层提供的真正服务只是议，后来改进：互联网层提供的真正服务只是发送发送IP分组分组(SEND IP PACKET)和和接收接收IP分组分组(RECElVE IP PACKET)。61网络与数据通信基础课件（2）OSI模型中的协议比模型中的协议比TCP/IP参考模型的协议参考模型

51、的协议具有更好的隐藏性具有更好的隐藏性，在，在技术发生变化技术发生变化时能相对比时能相对比较容易地较容易地替换掉替换掉。nOSI参考模型产生在协议发表之前。这意味着该参考模型产生在协议发表之前。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。模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。n而而TCP/IP却正好相反。首先出现的是协议，模却正好相反。首先出现的是协议，模型实际上是对己有协议的描述。因此，不会出现型实际上是对己有协议的描述。因此，不会出现协议不能匹配模型的情况，它们配合得相当好。协议不能匹配模型的情况，它们配合得相当好。惟一的问题是该模型不适合于任何其他协议栈。惟一的问题是该模

52、型不适合于任何其他协议栈。62网络与数据通信基础课件（3）面向连接的和无连接的通信面向连接的和无连接的通信nOSI模型模型在在网络层支持无连接和面向连接网络层支持无连接和面向连接的通的通信，但在信，但在传输层仅有面向连接传输层仅有面向连接的通信。的通信。nTCP/IP模型模型在网络层仅有一种通信模式，但在网络层仅有一种通信模式，但在传输层支持两种模式在传输层支持两种模式，给了用户选择的机，给了用户选择的机会。会。63网络与数据通信基础课件四、现场总线的通信模型四、现场总线的通信模型n具有具有7 7层结构的层结构的OSlOSl参考模型可支持的通信功能是参考模型可支持的通信功能是相当强大的。相当强

53、大的。n工业数据通信的底层控制网络构成开放互联系统，工业数据通信的底层控制网络构成开放互联系统，制定和选择通信模型：制定和选择通信模型：7 7层层0 0SISI参考模型是否适应参考模型是否适应工业现场的通信环境，工业现场的通信环境，简化型简化型是否更适合于控制是否更适合于控制网络的应用需要？网络的应用需要？n工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，零散地分布在一个器等，零散地分布在一个较大范围较大范围内，构成控制内，构成控制网络，其网络，其单个节点单个节点面向控制的面向控制的信息量不大信息量不大，信息，信息传输的传输的任务任务相对也比较相对也比

54、较简单简单，但对，但对实时性、快速实时性、快速性性的要求较高。的要求较高。64网络与数据通信基础课件几种典型现场总线的通信参考模型几种典型现场总线的通信参考模型与与OSIOSI模型的对照模型的对照65网络与数据通信基础课件LonWorksLonWorks、CANCAN与与0 0SISI模型分层比较模型分层比较66网络与数据通信基础课件 第五节第五节 差错控制差错控制n差错控制：有效地检测错误并进行纠正的方法称差错差错控制：有效地检测错误并进行纠正的方法称差错控制。控制。n分布控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误。这些错误轻

55、则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制。n突发错误；由突发噪声引起的，误码连续成片出现；n随机错误：由随机噪声引起的，误码与其前后的代码是否出错无关。67网络与数据通信基础课件差错控制方法：在传输信息中附加冗余度在传输方法中附加冗余度 68网络与数据通信基础课件n奇偶校验奇偶校验n编码规则：在原信息后附加一位校验位编码规则：在原信息后附加一位校验位(垂直校验垂直校验)，或在原信息后附加一行校验行，或在原信息后附加一行校验行(水平校验水平校验)，使得，使得整个码字或码组中的代码整个码字或码组中的代码“1”的个数成为偶数或的

56、个数成为偶数或奇数。奇数。n“1”的个数为偶数的称为的个数为偶数的称为“偶数校验偶数校验”;n“1”的个数为奇数的称为的个数为奇数的称为“奇数校验奇数校验”。n特点：校验能力很低，只能校验出：特点：校验能力很低，只能校验出：“1”或或”0“有奇数错误，但不能确定是一个还是三个或有奇数错误，但不能确定是一个还是三个或更多个奇数的错误。也不能发现偶数个错误及出更多个奇数的错误。也不能发现偶数个错误及出现现“1”错与错与“0”错次数和为偶数的错误。错次数和为偶数的错误。69网络与数据通信基础课件n循环冗余校验循环冗余校验n循环冗余校验（循环冗余校验（cyclic redundancy check,C

57、RC)对传输序列进行一次规定的除法对传输序列进行一次规定的除法操作，将除法操作的余数附加在传输信息的操作，将除法操作的余数附加在传输信息的后边。在接收端，也对收到的数据做相同的后边。在接收端，也对收到的数据做相同的除法。如果接收端除法得到的结果其余数不除法。如果接收端除法得到的结果其余数不是零，就表明发生了错误。是零，就表明发生了错误。n基于除法的循环冗余检验，其计算量大于奇基于除法的循环冗余检验，其计算量大于奇偶校验与求和校验，它能够检测出大约偶校验与求和校验，它能够检测出大约99.95%的错误。的错误。70网络与数据通信基础课件数据通信基础n循环冗余校验原理图循环冗余校验原理图发送方接收方

58、发送的数据发送的数据f(x)实际发送数据字段校验字段接收的数据接收的数据f(x)生成多项式生成多项式G(x)如果接收正确如果接收正确如果接收出错如果接收出错f(x)：比特序列作为多相式的系数比特序列作为多相式的系数G(x)：生成多项式生成多项式k：为：为生成多项式的最高次幂生成多项式的最高次幂71网络与数据通信基础课件数据通信基础CRC-12:CRC-12:CRC-16:CRC-16:CRC-CCITT:CRC-CCITT:CRC-32:CRC-32:n解：待校验数据为110011（6比特）n 生成多相式为比特序列为：1101（4比特，k=3）n 将待校验数据比特序列乘以23，则产生的乘积为1

59、10011000n 将乘积用生成多项式比特序列去除，按模二算法应得到余数为：001n 将余数比特序列加到乘积中:001+110011000=110011001n n 如果在数据传输中没有错误,那么接收端收到的带有CRC校验码的接收数据比特序列一定能被相同的多项式整除,如不能被整除则表明有错误。例：待校验数据为例：待校验数据为110011110011。CRCCRC多项式为，写多项式为，写出循环冗余码的计算和校验过程。出循环冗余码的计算和校验过程。模二算法与算数算法类似，但减法不借位，加法不进位，相当于异或。72网络与数据通信基础课件n现现场场总总线线又又称称现现场场控控制制网网络络，属属于于一一

60、种种特特殊殊类类型型的的计计算算机机网网络络，是是用用于于完完成成自自动动化化任任务务的的网网络系统。络系统。n从从现现场场控控制制网网络络节节点点的的设设备备类类型型、传传输输信信息息的的种种类类、网网络络所所执执行行的的任任务务、网网络络所所处处的的工工作作环环境境等等方方面面，现现场场控控制制网网络络都都有有别别于于由由普普通通PCPC机机或其他计算机构成的数据网络。或其他计算机构成的数据网络。第六节第六节 现场控制网络现场控制网络73网络与数据通信基础课件一、现场控制网络的节点一、现场控制网络的节点n现场控制网络的节点大都是具有计算与通信能力现场控制网络的节点大都是具有计算与通信能力的

61、测量控制设备。的测量控制设备。n限限位位开开关关、感感应应开开关关等等各各类类开开关关;条条形形码码阅阅读读器器;光光电电传传感感器器;温温度度、压压力力、流流量量、物物位位等等各各种种传传感感器器、变变送送器器;可可编编程程逻逻辑辑控控制制器器PLC;PID等等数数字字控控制制器器;各各种种数数据据采采集集装装置置;作作为为监监视视操操作作设设备备的的监监控控计计算算机机、工工作作站站及及其其外外设设;各各种种调调节节阀阀;电电动动机机控控制制设设备备;变变频频器器;机机器器人人;作作为为现现场场控控制制网络连接设备的网络连接设备的中继器、网桥、网关中继器、网桥、网关等。等。74网络与数据通

62、信基础课件n把单个分散的有通信能力的测量控制设备作为网络把单个分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成网络系统节点，连接成网络系统，使它们之间可以相互沟通，使它们之间可以相互沟通信息，由它们共同完成自控任务，这就是信息，由它们共同完成自控任务，这就是现场控制现场控制网络网络。75网络与数据通信基础课件二、现场控制网络的任务二、现场控制网络的任务n将将现现场场运运行行的的各各种种信信息息传传送送到到远远离离现现场场的的控控制制室室(把把生生产产现现场场设设备备的的运运行行参参数数、状状态态以以及及故故障障信信息息等等送送往往控控制室制室)；n将将各各种种控控制制、维维护护、组组态态命命

63、令令等等送送往往位位于于现现场场的的测测量量控控制制现现场场设设备备中中；现现场场级级控控制制设设备备之之间间数数据据联联系系与与沟沟通的作用；通的作用；n还还要要在在与与操操作作终终端端、上上层层管管理理网网络络的的数数据据连连接接和和信信息息共享共享中发挥作用。中发挥作用。n参数的网络测览和远程监控参数的网络测览和远程监控76网络与数据通信基础课件n控制网络必须解决的问题控制网络必须解决的问题：恶劣的工作环境、控制网络的互联与互操作。恶劣的工作环境、控制网络的互联与互操作。n不同于普通计算机网络的特点不同于普通计算机网络的特点：数数据据传传输输量量相相对对较较小小，传传输输速速率率相相对对

64、较较低低，多多为为短短帧帧传传送送，但但它它要要求求通通信信传传输输的的实实时时性性强强，可靠性高。可靠性高。n现场控制网络的特定需求现场控制网络的特定需求：满足控制的实时性要求、工业环境下的抗干扰、满足控制的实时性要求、工业环境下的抗干扰、总线供电等。总线供电等。77网络与数据通信基础课件三、现场控制网络的实时性三、现场控制网络的实时性n现现场场控控制制网网络络不不同同于于普普通通数数据据网网络络的的最最大大特特点点:它它必必须须满满足足对对现现场场控控制制的的实实时时性性要要求求。实实时时控控制制往往往往要要求求对对某某些些变变量量的的数数据据准准确确定定时时刷刷新新。这这种种对对动动作作

65、时时间有实时要求的系统称为实时系统。间有实时要求的系统称为实时系统。n实实时时系系统统的的运运行行不不仅仅要要求求系系统统动动作作在在逻逻辑辑上上的的正正确确性性，同同时时要要求求满满足足时时限限性性。实实时时系系统统又又可可分分为为硬硬实实时时和和软软实实时时两两类类。硬硬实实时时系系统统要要求求实实时时任任务务必必须须在在规规定定的的时时限限完完成成，否否则则会会产产生生严严重重的的后后果果;而而软软实实时时系系统统中中的的实实时时任任务务在在超超过过了了截截止止期期后后的的一一定定时时限限内，系统仍可以执行处理。内，系统仍可以执行处理。78网络与数据通信基础课件一、网络传输技术一、网络传

66、输技术1.1.广播式网络广播式网络(broadcast network)(broadcast network)n广播式网络仅有广播式网络仅有一条通信信道一条通信信道，由网络上的所，由网络上的所有机器有机器共享共享，按某种语法组织的，按某种语法组织的分组或包分组或包 (packet)(packet)，可以，可以被任何机器发送被任何机器发送并被其他所有并被其他所有的机器的机器接收接收。分组的。分组的地址字段地址字段指明此分组应被指明此分组应被哪台机器接收。一旦收到分组，各机器将检查哪台机器接收。一旦收到分组，各机器将检查它的地址字段。如果是发送给它的，则处理该它的地址字段。如果是发送给它的，则处理该分组，否则将它丢弃。（一对一）分组，否则将它丢弃。（一对一）第七节第七节 网络硬件网络硬件79网络与数据通信基础课件n一对多一对多n广播广播(broadcasting)(broadcasting)：广播系统也允许广播系统也允许在地址字在地址字段中使用一段特殊代码段中使用一段特殊代码，以便，以便将分组发送到所有将分组发送到所有目标目标。使用此代码的分组发出以后，网络上的每。使用此代码的分组发出以后