02 数据通信基础与网络互联

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1、,*,,,,,,,,,,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,,,网络与数据通信基础,第二章,1,主要内容：,第一节 总线的基本概念与操作,,第二节 通信系统简介,,第三节,网络结构及传输介质,,第四节 网络互联,,第五节 通信参考模型,,第六节 差错控制,,第七节 现场控制网络,2,,第一节 总线的基本概念与操作,一、总线的基本术语,,（,1,）总线与总线段,(bus segment),,从广义说，,总线,就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。,,一组设备通过总线连在一起称为“,总线段,”。,,可

2、以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个,网络系统,。,3,,（,2,）总线主设备,,可在总线上发起信息传输的设备叫做“,总线主设备,”,(bus master),，又称命令者。,,（,3,）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、对总线信息进行接收查询的设备称为,总线从设备,(bus slaver),，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设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。,4,,（,4,）控制信号（三种类型）,,（,a,）,控制连在总线上的设备,，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。,,（,b,）用于,改

3、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。,,（,c,）,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，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。,,（,5,）总线协议,,管理主、从设备使用总线的一套规则称为“,总线协议,”,(bus protocol),。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。,5,,二、总线操作的基本内容,,（,1,）总线操作,,总线上命令者与响应者之间的连结,→,数据传送,→,脱开这一操作序列称为一次总线“交易”,(transaction),，或者叫做一次,总线操作,。“,脱开”,(disconnect

4、),是指完成数据传送操作以后，命令者断开与响应者的连接。,6,,（,2,）总线传送,,“,读,”,(read),数据操作是读来自响应者的数据；“,写,”,(write),数据操作是向响应者写数据。读写操作都需要在命令者和响应者之间传递数据。,,（,3,）通信请求,,通信请求,是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。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。,7,,（,4,）寻址,,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。通常有以下三种寻址方式,:,,（,a,）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。,,（

5、,b,）逻辑寻址 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。,,（,c,）广播寻址 广播寻址用于选择多个响应者。,8,,（,5,）总线仲裁,,总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“,冲突,”,(contention),。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“,仲裁,”（,arbitration),。,总线仲裁,是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。,,总线仲裁操作和数据传送操作是完全分开且并行工作的，因此总线占有权的交接过程不会耽误总线操作。,9,,（,6,）总线定时,,总线操作用“,定时,”,(timing),信号进行同步。定时信号用于指明总线上

6、的数据和地址在什么时刻是有效的。,,定时信号有,异步,和,同步,两种。,,（,7,）出错检测,,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验机构，以实现传送过程的,出错检测,。,10,,（,8,）容错,,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。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。总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重新分配地址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单元。,11,,一、通信系统的组成。,,第二节 通信系统简介,12,,1.,信息源和接收者,

7、,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志。,,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,。,13,,2.,发送设备,,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,，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。,,信,源,编码：把连续消息变换为数字信号；,,信,道,编码：使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。,,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

8、、保密处理、纠错编码处理等。,14,,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。它可以是无线的，也可以是有线的,(,包括光纤,),。有线和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。,,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关系到变换方式的,选取,。,15,,4.接收设备,,接收设备的,基本功能,是完成发送设备的,反变换,，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。,

9、,以上所述是,单向通信系统,，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此,要求双向通信,。,16,,二、数据通信原理,,计算机网络的通信任务就是传送数据或数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制,0,、,1,序列的方式表示。,,码元,,二元码,,模拟数据编码,,数字数据编码,17,,（一）传输方式,,,通信方式按照信息的,传输方向,分为 ：,,(1),单工,(,simplex),方式 信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式；。,,(2),半双工,(,Half duplex),方式 信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式

10、；,,(3),全双工,(,Full duplex),方式 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。,18,,单工、半双工和全双工通信方式,,19,,（二）传输模式,,基带传输,、,载波（带）传输与宽带传输,,,异步传输与同步传输,,串行传输与并行传输,20,,基带传输,,,基带传输是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传输，,不采用任何调制措施,。它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,21,,载波（带）传输,,载波传输是先用数字信号对载波,进行调制,，然后进行传输的传输模式。最基本的调制方式有幅值

11、键控 (,ASK)，,频移键控 (,FSK),和相移键控 (,PSK)3,种。,,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,载波信号,，基波频率就称为载波频率；然后按幅值键控、频移键控、相移键控等不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。,22,,宽带传输,,,由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，因此提出了,宽带传输,的要求。,,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围为0~,l0Mbit/s，,宽带网可达0

12、~40,0Mbit/s,；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。一般宽带局域网可与有线电视系统,共建,，以节省投资。,,23,,异步传输与同步传输,,在,异步传输,中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位与停止位，一个字符的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。,,在,同步传输,中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。在这一组数据或一个报文之内不需要启停标志，所以可以获得较高的传输速度。,24,,串行传输与并行传输,,串行传

13、输,是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式；,并行传输,是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。,,在分散控制系统中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方式，因此本章主要讨论串行通信方式。,25,,（三）二进制表示方法,,1．基带传输中数据的表示方法,,(1)信息传输有,平衡传输和非平衡传输,。,,(2)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,。,,(3)根据信号的极性，信息传输分为,单极性传输和双极性传输,。,,单极性码,,双极性码,26,,常用的数据表示方法,:,,1)平衡、归零、双极性,,2)平衡、归零、单极性,,3)平衡、不归零、单极性,,

14、4)非平衡、归零、双极性,,5)非平衡、归零、单极性,,6)非平衡、不归零、单极性,27,,数据表示方法,,28,,2,.,载带传输中的数据表示方法,,(1),调幅方式,AM(Amplitude Modulation),又称为幅移键控法,ASK(Amplitude-Shift Keying),,(2),调频方式,FM(Frequency Modulation),又称为频移键控法,FSK(Frequency-Shift Keying),,(3),调相方式,PM(Phase Modulation),又称为相移键控法,PSK(Phase-Shift Keying),29,,,数据调制方式,,（,a）

15、,调幅 （,b）,调频 （,c）,调相,30,,三、数据交换方式,31,,一、通信网络的拓扑结构,,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。,,(,a),星形结构； (,b),环型结构； (,c),总线型结构,,第三节 网络结构及传输介质,32,,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。,,33,,

16、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。,34,,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。,35,,二、,网络传输介质,,网络中连接

17、收发双方的物理通路，实际传送信息的,载体,。网络中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。,,1）,物理特性：传输介质物理结构的描述,,2）,传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围,,3）连通特性：允许点,—,点或多点连接,,4）,地理范围：传输介质最大传输距离,,5）,抗干扰性：,传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力,36,,1.,双绞线,的主要特性：,,(1)物理特性,,双绞线由按规则,螺旋结构,排列的2根绝缘线组成。,一对线可以作为一条通信线路,，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。,,(2)传

18、输特性,,双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。在一条双绞线上使用频分多路复用技术可以进行多个音频通道的多路复用。,,数据,传输速率,可达960,0bit,，24条音频通道总的数据传输速率可达23,0Kbit。,37,,(3)连通特性,,,用于点,-点连接，也可用于多点连接。,,(4)地理范围,,,双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15,km,；用于,l0Mbit/s,局域网时，与集线器的距离最大为,1,00m,。,,(5),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及适当的屏蔽。在,低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆,。在10,-100kHz,时，其抗干扰能力低于

19、同轴电缆。,38,,2,.,同轴电缆,的主要特性：,,(1)物理特性,,它由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层,组成,。同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数和机械尺寸决定。,,(2)传输特性,,根据同轴电缆通频带，同轴电缆可以分为,基带同轴电缆和宽带同轴电缆,两类。基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号传输。宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法。,39,,(3)连通特性,,同轴电缆支持点,-,点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接;,,基带同轴电缆可支持数百台设备的连接。,,(4)地理范围,,,基带同轴电缆最大距离限制在几,km,范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几

20、十,km。,,(5),抗干扰性,,,同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。,40,,3.,光缆,的主要特性：,,光缆是网络传输介质中性能最好的一种。,,(1)物理特性,,光纤是一种直径为,10-100μm,的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用,超高纯度石英玻璃纤维,制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，,多条光纤组成一束就构成光纤电缆,。,41,,(2)传输特性,,,光纤通过内部的,全反射来传输,一束经过编码的光信号。它的内芯是由二氧化硅拉制成的光导纤维，外面敷有一层玻璃或聚丙烯材料制成的覆层

21、，内芯和覆层的折射率不同，以一定角度进入内芯的光线能够通过覆层折射前进。,,光纤传输分为,单模与多模,两类。所谓单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成,单个可分辨角度,的单光纤传输。而多模光纤的光信号与光纤轴成,多个可分辨角度,的多光纤传输。单模光纤性能优于多模光纤。,,光纤是一种很有前途的传输介质，其,主要缺点,是分支比较困难。,42,,(3)连通特性,,光纤最普遍的连接方法是点,-,点方式，在某些实验系统中也可采用多点连接方式。,,(4)地理范围,,光纤,信号衰减极小,，它,可以在6,-8km,距离内不使用中继器，实现高速率数据传输。,,(5)抗干扰性,,光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能

22、在长距离、高速度传输中保持低误码率。光纤传输的安全性与保密性极好。,43,,第四节 网络互联,一、基本概念,,,网络互联,是,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系统，以实现网络的数据资源共享,。相互连接的网络可以是,同种类型的网络,，也可以是运行,不同网络协议的异型系统,。,44,,网络互联,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，通过网络互联技术使原先不能相互通信和共享资源的网络间,有条件实现相互通信和信息共享,。,45,,二、网络互联规范,,网络互联必须遵循一定的规范，,局域网标准委员会,(,IEEE802,委员会),

23、，建立了802课题，制定了开放式系统互联(,OSI),模型的,物理层、数据链路层的局域网标准,。,46,,三、网络互联和操作系统,,局域网操作系统,是实现计算机网络连接的重要软件。,局域网操作系统通过,网卡,驱动程序与网卡通信实现介质访问控制和物理层协议。,对不同传输介质、不同拓扑结构、不同介质访问控制协议的异型网，要求,计算机操作系统,能很好地,解决异型网络互联,的问题。,,Netware，Windows NT Server,LAN Manager,都是局域网操作系统的范例。,47,,四、网络互联设备,,不同层次,采用,不同,的网络,互联设备,：,,物理层,使用,中继器,(,Repeater

24、)，,通过复制位信号延伸网段长度,,数据链路层,使用,网桥,(,bridge)，,在局域网之间存储或转发数据帧,,网络层,使用,路由器,(,Router),在不同网络间存储转发分组信号,,传输层及传输层以上,，使用,网关,(,gateway),进行协议转换，提供更高层次的接口,48,,中继器,,中继器,(,repeater),又称,重发器,。由于,网络节点间,存在一定的,传输距离,，网络中携带信息的信号在通过一个固定长度的距离后，会因,衰减或噪声干扰,而影响数据的,完整性,，影响接收节点正确的接收和辨认，因而经常需要运用中继器。,,中继器接受一个线路中的报文信号，将其进行整形放大、重新复制，并

25、将新生成的复制信号转发至下一网段或转发到其他介质段。,49,,中继器不同于放大器,：,,放大器,从输人端读入旧信号，然后输出一个形状相同、,放大,的新信号；,,而,中继器,则不同，它并不是放大信号，而是,重新生成,它；,,中继器是一个,再生器,，而不是一个放大器。,,中继器放置在传输线路上的,位置,是很重要的，中继器必须放置在,任一位信号的含义受到噪声影响之前,。,50,,网桥,,网桥,是,存储转发设备，用来连接同一类型的局域网,。网桥将数据帧,送到数据链路层进行差错校验，再送到物理层,，通过物理传输介质送到另一个子网或网段。它具有寻址与路径选择的功能，在接收到帧之后，要决定正确的路径将帧送到

26、相应的目的站点。,,网桥能够互联两个采用不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络,。它要求两个互联网络在数据链路层以上采用相同或兼容的协议。,51,,网桥比中继器多一些,智能,。中继器不处理报文，它没有理解报文中任何东西的智能，它们只是简单地复制报文。而网桥有一些简单的智能，它可以,知道两个相邻网段的地址,。,,网桥与中继器的,区别,在于：,网桥具有使不同网段之间的通信相互隔离的逻辑,，或者说网桥是一种聪明的中继器。它,只对包含预期接收者网段的信号包进行中继,。这样，网桥起到了,过滤信号包的作用，利用它可以控制网络拥塞，同时隔离出现了问题的链路,。,52,,路由器,,路由器,中的路

27、由协议,工作在网络层，在路由器所包含的地址之间，可能存在若干路径，路由器可以为某次特定的传输选择一条最好的,路径,。,,路由器如同网络中的一个节点那样工作，同时连接到两个或更多的网络中，并同时拥有它们所有的地址。路由器从所连接的节点上接收包，同时将它们传送到第二个连接的网络中。,53,,网关,,网关,又被称为,网间协议变换器,，用以,实现不同通信协议的网络之间、包括使用不同网络操作系统的网络之间的互联,。由于它在技术上与它所连接的两个网络的具体协议有关，因而用于不同网络间转换连接的网关是不相同的。,,网关允许在具有不同协议和报文组的两个网络之间传输数据。在报文从一个网段到另一个网段的传送中，网

28、关提供了一种,把报文重新封装形成新的报文组的方式,。,54,,网关需要完成报文的,接收、翻译与发送,。,,它使用,两个微处理器,和两套各自独立的芯片组。每个微处理器都知道自己本地的总线语言，在两个微处理器之间设置一个基本的,翻译器,。,I/O,数据通过微处理器，在网段之间来回传递数据。,,在,工业数据通信中,网关的应用：把一个现场设备的信号送往另一类不同协议或更高一层的网络。例如，把,ASI,网段的数据通过网关送往,PROFIBUS-DP,网段。,,55,,第五节 通信参考模型,一、,OSI,参考模型,,为了实现不同厂家生产的设备之间的互联操作与数据交换，国际标准化组织,ISO/TC97,于1

29、,978,年建立了 “开放系统互联”分技术委员会，起草了,开放系统互联参考模型,OSI,(open system interconnection),的建议草案，形成,OSI,参考模型。,,“开放”并不是指对特定系统实现具体的互联技术或手段，而是,对标准的认同,。一个系统是开放系统，是指它可以与世界上任一遵守相同标准的其他系统互联通信。,56,,OSI,参考模型,57,,1.,物理层,,物理层 (,physical layer),涉及到通信在信道上传输的,原始比特流,。设计上必须保证一方发出二进制 “1”时，另一方收到的也是 “1”而不是 “0”。,,典型问题,:,（1）,用多少伏特电压表示 “

30、1”，多少伏特电压表示 “0”；（2）一个比特持续多少微秒；（3）传输是否在两个方向上同时进行；（4）最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止；（5）网络接插件有多少针以及各针的用途。,,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。,58,,2.,数据链路层,,数据链路层 (,data link layer),的主要任务是,加强物理层传输原始比特的功能,，使之对网络层显现为一条无错线路。其主要完成的两个功能：,,（1）对链路的使用进行控制；,,（2）组成具有确定格式的信息帧。,59,,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

31、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。,,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，任意地点访问介质；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。在,随机访问方式中，常用的争用总线技术为,CSMA/CD,；,在控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环，或称之为标记总线、标记环。,60,,(1),TDMA,(,时分多路访问法,),,,这种方法,用于总线型网络,。在网络中有一个,总线控制器,，它负责把时钟脉冲送到网络中的每个节点上。每个节点有一个预先分配好的时间槽，在给定

32、的时间槽里它可以发送信息。在某些系统中，时间槽的分配不是固定不变而是动态进行的。尽管,这种方法很,简单,，,但它不能实现,节点对网络的,快速访问,，也不能有效地处理在短时间内涌出的大量信息。另外，这种方法需要总线控制器。如果不采取一定的冗余控制，总线控制器的故障就会造成整个通信系统的瘫痪。,61,,(2),查询法,,,查询法既可用于,总线型,网络，也可以用于,环形,网络。查询法与,TDMA,法一样，也要有一个,网络控制器,。网络控制器按照一定的次序查询网络中的每个节点，看,它们是否要求发送信息。如果节点不需要发送信息，网络控制器就转向下一个节点。由于不发送信息的节点基本上不占用时间，所以这种方

33、法,比,TDMA,法的通信效率高,。然而，它也存在着与,TDMA,方法,同样的,缺点：访问速度慢、可靠性差等,。,62,,(3),令牌法,,,令牌法用于,总线型或环形网络,。,令牌,是一个特定的信息，例如用二进制序列,来,表示。令牌按照预先确定的次序，从网络中的一个节点传到下一个节点，并且循环进行。只有,获得令牌的节点才能发送信息,。同前两种方法相比，令牌法的,最大优点,在于它不需要网络控制器,，因此可靠性比较高。这种方法的,主要问题,是，某一个节点故障或受到干扰，会造成令牌丢失。所以必须采用一定的措施来及时发现令牌丢失，并且及时产生一个新的令牌，以保证通信系统的正常工作。,63,,(4),C

34、SMA/CD(,载波监听多路访问/冲突检测) *,,工作站的发送是,随机,的，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他站的发送信号。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。,,由于传输线上不可避免的有,传输延迟,，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致,冲突,。故每个工作站发送信息之后，还要继续监听线路，判定是否有其他站正与本站同时向传输线发送。一旦发现，便中止当前发送，这

35、就是 ",冲突检测,"。,64,,三种,CSMA,坚持退避算法:,,1）,不,坚持,CSMA。,假如介质是空闲的，则发送;假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。,,2）,1,-坚持,CSMA。,假如介质是空闲的，则发送;假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送;假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。,,3）,P,-坚持,CSMA。,假如介质是空闲的，则以,P,的概率,发送;假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复,第一步。,65,,(5),,扩展环形法,,,扩展环形法,仅用于环形网络,。当采用这种方法时，准备发送信息的节点不断监视着通过它的信息流，,一旦发现信息流

36、通过完毕，它就把要发送的信息送上网络，同时把随后进入该节点的信息存入缓冲器,。当信息发送完毕之后，再把缓冲器中暂存的信息发送出去。这种方法的,特点,是允许环形网络中的多个节点同时发送信息，因此提高了通信网络的利用率。,,66,,3.网络层,,网络层(,network layer),协议主要处理通信网络中的,路径选择,问题，另外还负责子网之间的,地址变换,；,,过多分组，相互阻塞通路,——,拥塞控制,；,,网络层设有,记账功能,，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数，以便于生成账单。,,在广播网络中，选择路由的问题很简单，因此网络层很弱，甚至不存在。,67,,4.传

37、输层,,传输,层(,transport layer),的,基本功能,是,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。,,会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创建一个独立的,网络连接,。如果需要较高的信息吞吐量，传输层也可以为之创建多个网络连接。,,最流行的传输连接是一条,无错的、按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道,。,,传输层是真正的,从源到目标 ",端到端,"的层,。,68,,5.会话层,,会话层,(,Session layer),允许不同机器上的用户建立,会话 (,session),关系。,,会话层提供的,服务,：,,（1）

38、,管理对话,：允许信息同时,双向,传输，或任一时刻只能,单向,传输。,,（2）,令牌管理,,(,token management)：,令牌可以在会话,双方,之间,交换,，只有,持有令牌,的一方可以,执行,某种,关键操作,。,,（3）,同步,(,synchronization)：,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数据。,69,,6.表示层,,表示层以下的各层只关心可靠地传输比特流，而表示层关心的是所,传输的信息的语法和语义,。,,为了让采用不同表示法的计算机之间能进行通信，交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用,标准的编码方式,。表示层管理这些

39、抽象数据结构，并且在,计算机内部表示法和网络的标准表示法,之间进行,转换,。,70,,7.应用层,,应用层,(,application layer),是,网络服务与使用者应用程序间的一个接口,，包含大量人们普遍需要的协议。,,解决不同的,系统之间传输文件,所需处理的各种,不兼容,问题。,,严格说这一层不是通信协议结构中的内容，而是应用软件的一部分，它的作用是召唤底层协议为其服务。,71,,总结：,,OSI,七层模型并不是系统本身就存在七层，而是为了区分各部分的功能、使对各部分的开发更有针对性把它们人为地定义出,7,层。,72,,二、现场总线的通信模型,,具有7层结构的,OSI,参考模型可支持的

40、通信功能是相当强大的。,,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：7层0,SI,参考模型,是否适应,工业现场的通信环境，,简化型,是否更适合于控制网络的应用需要？,,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,较大范围,内，构成控制网络，其,单个节点,面向控制的,信息量不大,，信息传输的,任务,相对也比较,简单,，但对,实时性、快速性,的要求较高。,73,,几种典型现场总线的通信参考模型,,与,OSI,模型的对照,OSI,模型,H1 HSE PROFIBUS,74,,LonWorks、CAN,与0,SI,模型分

41、层比较,75,,一、传输错误及其可靠性指标,,在通信网络上传输的信息是,二进制,信息，它只有,0,和,1,两种状态，因此，传输错误是把,0,误传为,1,，或者是把,1,误传为,0,。,,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,。,第六节 差错控制,76,,错误分为两类：,,突发错误：由突发噪声引起的，误码连续成片出现；,,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。,,

42、在分散控制系统中，为了满足控制要求和充分利用信道传输能力，传输速率一般为,0.5,～,100Mbit/s,左右。传输速率越大，每一位二进制代码（码元）所占用的时间就越短，波形就越窄，抗干扰能力就越差，可靠性就越低。传输可靠性用误码率表示，其定义式如下：,,P,e,=,出错的码元数,/,传输的总码元数,77,,二、差错控制方法：,,两类：在传输,信息,中附加冗余度,,在传输,方法,中附加冗余度,,78,,1.,奇偶校验,,所谓奇偶校验就是在每个码组之间附加一个校验位，使得整个码组中,1,的个数为奇数或偶数。,,垂直奇偶校验,,水平奇偶校验,,矩阵奇偶校验,,2.,汉明校验,,3.,循环冗余校验,

43、79,,第七节 现场控制网络,现场总线,又称,现场控制网络,，它属于一种,特殊,类型的,计算机网络,，是用于完成自动化任务的网络系统。从现场控制网络节点的,设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境,等方面，现场控制网络都有别于由普通,PC,机或其他计算机构成的数据网络。,80,,一、现场控制网络的节点,,,现场控制网络的节点大都是具有,计算与通信,能力的测量控制设备。,,包括,：限位开关、感应开关等各类,开关,；条形码阅读器；光电,传感器,；温度、压力、流量、物位等各种,传感器、变送器,；可编程逻辑控制器,PLC,；,PID,等,数字控制器,；各种,数据采集装置,；作为

44、监视操作设备的,监控计算机、工作站,及其外设；各种,调节阀,；,电动机控制设备,；,变频器,；,机器人,；作为现场控制网络连接设备的,中继器、网桥、网关,等。,81,,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，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,现场控制网络,。,,现场控制网络节点示意图,,82,,二、现场控制网络的任务,,主要,：,,现场控制网络要将现场运行的各种信息,(,现场设备的,运行参数、状态以及故障信息,等,),传送到远离现场的控制室；,,将各种,控制、维护、组态命令,等送往位于现场的测量控制现场设备中；,,现场控制网络还要在,与操作终

45、端、上层管理网络,的数据连接和信息共享中发挥作用。,,其它,：,,参数的网络浏览和远程监控；,,总线供电。,83,,控制网络必须解决的问题,：,,适应恶劣的工作环境；各种自控设备的互联与互操作。,,不同于普通计算机网络的特点,：,,数据传输量相对较小，传输速率相对较低，多为短帧传送，但它要求通信传输的实时性强，可靠性高。,,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、总线供,电等。,84,,三、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,：它必须满足对现场控制的,实时性,要求。实时控制往往要求对某些变量的数据准确,定时刷新,。这种对动作时间有

46、实时要求的系统称为,实时系统,。,,实时系统的运行不仅要求系统动作在逻辑上的,正确性,，同时要求满足,时限性,。实时系统又可分为,硬实时,和,软实时,两类。硬实时系统要求实时任务必须在,规定的时限,完成，否则会产生严重的后果；而软实时系统中的实时任务在超过了截止期后的,一定时限内,，系统仍可以执行处理。,,85,,第二章 复习题,,1.,何谓现场总线的猪设备、从设备？,,2.,通信系统由哪几部分组成,?,各自具有什么功能,?,,3.,通信方式按照信息的传输方向分为哪几种,?,,4.,通信的传输模式分为哪几种,?,,5.,载带传输中数据的表示方法有哪几种,?,,6.,数据交换方式有那几种,?,,7.,介质访问控制方式主要有哪两种,?,说明各自的含义。,86,,8.,什么样的现场设备可以作为现场控制网络节点？举出几个例子。,,9.,现场控制网络完成哪些通信任务？,,10.,现场控制网络与普通计算机网络有哪些不同？其特点是什么？,,11.ISO,的,OSI,参考模型为哪,7,层？各层的主要功能是什么？,,12.,常用的网络互联设备有哪些？各自对应,OSI,参考模型的哪一层？,,13.,中继器与放大器有何区别？,,14.,列出三种以上,CSMA,坚持退避算法，并分别简述之。,87,,