第6章

計算機控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡與通信技術

NetworkandCommunicationTechnologyofComputerControlSystem本章主要內容計算機網(wǎng)絡概述數(shù)據(jù)通信技術工業(yè)控制計算機網(wǎng)絡與通訊1/13/20232.6.1Unit1

計算機網(wǎng)絡概述

IntroductionofComputerNetwork本節(jié)主要內容計算機網(wǎng)絡的定義計算機網(wǎng)絡的分類計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型計算機局域網(wǎng)計算機網(wǎng)絡互聯(lián)設備1/13/20234.6.1.1計算機網(wǎng)絡的定義

計算機網(wǎng)絡是指把若干臺地理位置不同且具有獨立功能的計算機或設備，通過通訊設備和線路相互連接起來，以實現(xiàn)信息的傳輸和資源共享的一種計算機系統(tǒng)。網(wǎng)絡中的各臺計算機或設備（或稱為節(jié)點）之間相互通信，并能實現(xiàn)資源共享。資源包括硬件資源、軟件資源和數(shù)據(jù)庫資源。1/13/20235.6.1.2計算機網(wǎng)絡的分類（1）局域網(wǎng)LAN（LocalAreaNetwork)計算機硬件設備不大、通信線路不長、采用單一的傳輸介質、覆蓋范圍小。區(qū)域網(wǎng)MAN(MetropolitanAreaNetWork)通常覆蓋一個區(qū)域城市，又稱城域網(wǎng)。廣域網(wǎng)WAN（WideAreaNetwork)不僅可以把多個局域網(wǎng)連在一起，，也可以把世界各地的局域網(wǎng)連在一起，傳輸裝置和媒體由電信部門提供。1.按網(wǎng)絡的跨度分類計算機控制系統(tǒng)中一般采用局域網(wǎng)或局域網(wǎng)的互連。1/13/20236.6.1.2計算機網(wǎng)絡的分類（2）2.按網(wǎng)絡的拓樸結構分類網(wǎng)絡拓撲結構定義：

在計算機通信網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的拓撲(Topology)結構是指網(wǎng)絡中的各臺計算機、設備之間相互連接的方式。

1/13/20237.6.1.2計算機網(wǎng)絡的分類（3）按網(wǎng)絡的拓樸結構分類：星形網(wǎng):

以一臺中心處理機為主而構成的網(wǎng)絡，其他入網(wǎng)的計算機僅與該中心處理機之間有直接的物理鏈路，中心處理機采用分時的方法為入網(wǎng)機器服務。

總線型網(wǎng):所有入網(wǎng)機器共用一條傳輸線路，機器通過專用的分接頭接入線路。由于線路對信號的衰減作用，總線形網(wǎng)僅用于有限的區(qū)域，常用于組建局域網(wǎng)。1/13/20238.6.1.2計算機網(wǎng)絡的分類（4）按網(wǎng)絡的拓樸結構分類：環(huán)形網(wǎng):入網(wǎng)機器通過中繼器接入網(wǎng)絡，每個中繼器僅與兩個相鄰的中繼器有直接的物理線路，所有的中繼器及其物理線路構成了一個環(huán)狀的網(wǎng)絡系統(tǒng)，環(huán)形網(wǎng)也是局域網(wǎng)的一種主要形式。網(wǎng)狀網(wǎng)絡:利用專門負責數(shù)據(jù)通信和傳輸?shù)墓?jié)點機構成的網(wǎng)絡，入網(wǎng)機器直接接入節(jié)點機進行通信，網(wǎng)狀網(wǎng)絡主要用于地理范圍大、入網(wǎng)機器多的環(huán)境，例如構造廣域網(wǎng)。

1/13/20239.6.1.2計算機網(wǎng)絡的分類（5）3.按管理性質分類專用網(wǎng)：公用網(wǎng)：由電信部門組建、管理和控制，網(wǎng)絡內的傳輸和轉換可供任何部門和個人使用；公用網(wǎng)常用于遠程網(wǎng)絡的構建，支持用戶的遠程通信

。由用戶部門組建經(jīng)營的網(wǎng)絡，不允許其它用戶和部門使用；由于投資因素，專用網(wǎng)常為局域網(wǎng)或者是通過租借電信部門的線路而組建的廣域網(wǎng)。1/13/202310.6.1.2計算機網(wǎng)絡的分類（6）4.按信息交換方式分類報文交換網(wǎng)：分組交換網(wǎng)：電路交換網(wǎng)：類同報文交換技術，但規(guī)定了交換機處理和傳輸數(shù)據(jù)的長度（稱之為分組），不同用戶的數(shù)據(jù)分組可以交織出現(xiàn)在網(wǎng)絡中的物理鏈路上傳輸。

類同電話方式，具有建立鏈路、數(shù)據(jù)傳輸和釋放鏈路三個階段；通信過程中，自始至終占用該鏈路。且不允許其它用戶共享其信道資源。

交換機采用具有“存儲—轉發(fā)”能力的計算機，用戶數(shù)據(jù)可以暫時保存在交換機內，等待線路空閑時，再進行用戶數(shù)據(jù)的一次傳輸。1/13/202311.6.1.2計算機網(wǎng)絡的分類（7）5.按邏輯功能分類通信子網(wǎng)網(wǎng)絡中面向數(shù)據(jù)通信的資源集合，主要支持用戶數(shù)據(jù)的傳輸；該子網(wǎng)包括傳輸線路、交換機和網(wǎng)絡控制中心等硬件設施。

資源子網(wǎng)網(wǎng)絡中面向數(shù)據(jù)處理的資源集合，主要支持用戶的應用；該子網(wǎng)由用戶的主機資源組成，包括接入網(wǎng)絡的用戶主機，以及面向應用的外設（例如終端）、軟件和可共享的數(shù)據(jù)（例如公共數(shù)據(jù)庫）等。1/13/202312.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（1）計算機網(wǎng)絡體系結構的實質定義和描述一組用于計算機及其通訊設施之間互連的標準和規(guī)范的集合，遵循這組規(guī)范可以很方便的實現(xiàn)計算機設備之間的通訊。

制定標準和協(xié)議的目的能夠支持異種計算機間的互連與通信能夠支持多種通信媒體能夠支持多種處理業(yè)務能夠支持高級的人機接口具有可擴充能力1/13/202313.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（2）應用層表示層會話層傳輸層網(wǎng)絡層物理層數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路控制層（LLC）介質存取控制層（MAC）七層模型示意圖1/13/202314.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（3）1.OSI(開放系統(tǒng)互連)模型物理層（PhysicalLayer）提供了建立網(wǎng)絡的物理及電氣連接特性，如雙絞線電纜、光纜、同軸電纜、連接器等等。可以認為這一層是一個硬件層，通常做成芯片，印刷電路板（網(wǎng)絡適配器）和電纜等。

1/13/202315.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（4）數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）介質存取控制（MAC）層：MAC子層負責網(wǎng)絡訪問（無論是令牌傳遞還是帶沖突的邏輯鏈路控制檢測）和網(wǎng)絡控制。邏輯鏈路控制（LLC）層。

LLC子層工作于MAC子層之上，主要負責發(fā)送和接收用戶的數(shù)據(jù)信息。這一層的大部分或全部內容由網(wǎng)絡適配器上的芯片實現(xiàn)，而再往上的各層則是由軟件（網(wǎng)絡驅動器）來實現(xiàn)的。1/13/202316.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（5）網(wǎng)絡層（NetworkLayer）這一層切換路由信息包，使之到達它們的目的地。網(wǎng)絡層負責尋址及傳送信息包。

傳輸層（TransportLayer）當同一時刻有多個信息包在傳送時，傳輸層將控制信息報文組成部件的順序并規(guī)范輸入的信息流。如果來了一個重復的信息包，傳輸層將識別出它是重復的并將其丟棄。1/13/202317.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（6）會話層（SessionLayer）這一層的功能是使運行于兩個工作站上的應用程序能夠協(xié)調其間的通信使之成為一個獨立的會話，可以把它當作是一個高度結構化的對話。會話層負責會話的建立，支持會話期間對信息包的發(fā)送與接收的管理及結束會話。

1/13/202318.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（7）表示層（PresentationLayer）當各種計算機打算彼此傳送信息時，表示層可將數(shù)據(jù)轉換為機器內部的數(shù)字格式或者完成其逆過程。應用層（ApplicationLayer）OSI模型中的這一層可以被應用程序使用。一條將要通過網(wǎng)絡傳輸?shù)男畔笪脑谶@一層進入OSI模型向下一層傳送，最后傳輸至物理層，并在打包后傳輸至其它工作站。之后由目的工作站的物理層向上傳送，經(jīng)過那個工作站中的應用層直至到達需要這份信息報文的應用程序。1/13/202319.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（8）2.層間協(xié)議OSI中的層間通信具有兩種含義相鄰層之間的通信發(fā)生在相鄰的上下層之間，屬于局部問題。標準中定義了通信的內容，未規(guī)定這些內容的具體表現(xiàn)形式和層間通信實現(xiàn)的具體方法對等層之間的通信發(fā)生在不同開放系統(tǒng)的相同層次之間，屬于對等層實體之間的信息交換，以保證相應層次功能的實現(xiàn)和服務的提供。標準中利用定義協(xié)議來規(guī)定對等層之間的交換信息格式和交換時序1/13/202320.6.1.3計算機網(wǎng)絡的協(xié)議層次模型（9）在OSI環(huán)境中，對等層之間的通信是目的，相鄰層之間的通信是手段NNN-1N-1物理層物理層OSI環(huán)境下的層間通信1/13/202321.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（1）LAN的定義是允許中等地域的眾多獨立設備通過中等速率的物理信道直接互連可進行通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。描述和比較LAN的因素傳輸媒體：即用于附接網(wǎng)絡設備的電纜類型傳輸技術：使用傳輸媒體進行通信的技術網(wǎng)絡拓補：指組網(wǎng)時的電纜鋪設形式訪問控制方法：網(wǎng)絡設備訪問傳輸媒體的控制方法1/13/202322.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（2）1.局域網(wǎng)的拓撲結構星形結構星形結構由中央結點和分支結點所構成，各個分支結點均與中央結點具有點到點的物理連接，分支結點之間沒有直接的物理通路。分支結點中央結點星形結構示意圖1/13/202323.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（3）星形結構通信方式：任何兩個分支結點之間的通信都要通過主結點，該主結點集中來自各分支結點的信息，按照一種集中式的通信控制策略，把集中到主結點的信息轉發(fā)給相應的分支結點。主結點的信息存儲容量大，通信處理量大，硬、軟件較復雜。

各分支結點的通信處理負擔卻較小，只需具備簡單的點到點的通迅功能。1/13/202324.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（4）星形結構典型的網(wǎng)絡系統(tǒng)是基于電路交換的電話交換網(wǎng)。優(yōu)點：星形拓撲結構屬于集中型網(wǎng)絡，易于將信息流匯集起來，從而提高全網(wǎng)絡的信息處理效率，適用于各站之間信息流量較大的場合。

缺點：可靠性較低，如果主結點發(fā)生故障，那么將影響全網(wǎng)絡的通信。1/13/202325.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（5）總線結構采用無源傳輸媒體作為廣播總線，利用電纜抽頭將各種入網(wǎng)設備接入總線；為了防止傳輸信號的反射，總線兩端使用終接器（也稱終端適配器）。計算機終接器總線結構示意圖1/13/202326.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（6）總線結構通信方式：各個結點將依據(jù)一定的規(guī)則分時地使用總線來傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送結點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀沿著總線向兩端傳播，總線上的各個結點都能接收到這個數(shù)據(jù)幀，并判斷是否發(fā)送給本結點，如果是，則該數(shù)據(jù)幀保留下來，否則丟棄該數(shù)據(jù)幀。總線形網(wǎng)絡的“廣播式”傳輸是依賴于數(shù)據(jù)信號沿總線向兩端傳播的特性來實現(xiàn)的。總線形結構屬于分散型網(wǎng)絡，其結構靈活，易于擴展。一個站發(fā)生故障不會影響其它站的工作，可靠性高。

但傳送距離短。1/13/202327.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（7）環(huán)形結構環(huán)接口設備通過傳輸媒體串接形成閉合環(huán)路，它們之間具有點到點的連接，入網(wǎng)設備通過環(huán)接口設備接入環(huán)路閉合回路計算機環(huán)形結構示意圖1/13/202328.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（8）環(huán)形結構所有分散結點用通信線路連接成環(huán)形網(wǎng)，通過逐個結點傳遞來達到線路共用，網(wǎng)上信息沿單方向圍繞著線路進行循環(huán)(順時針或逆時針)。

優(yōu)點：環(huán)形拓撲結構屬于分散型網(wǎng)絡，環(huán)形網(wǎng)的信號經(jīng)每個中繼器整形、放大后再傳送，不但傳送距離遠。而且能保證信號的質量。缺點：一旦有一個中繼器出現(xiàn)故障，就會導致環(huán)路的斷路，使全網(wǎng)限于癱瘓，另外因為它是共用通信線路，所以不適用于信息流量大的場合。

1/13/202329.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（9）混合形結構混合形結構是將上述各種拓補混合起來的結構，常見的有樹形、環(huán)星形等。閉合回路計算機環(huán)星形結構示意圖1/13/202330.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（10）選擇拓補結構的考慮費用除傳播媒體和所需設備本身的費用之外，還應包括安裝費用等靈活性設備的更新、移動和增刪結點的方便性可靠性主要包括媒體接觸以及個別結點故障對整個網(wǎng)絡的影響，應使故障檢測和故障隔離較為方便1/13/202331.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（11）2.局域網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議根據(jù)IEEE802標準，LAN協(xié)議參照了OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并沒有涉及到第三層至第七層。

從應用層到網(wǎng)絡層的高層功能完全由軟件來實現(xiàn)，它提供了兩個站之間的端—端服務。而最低兩層（物理層和鏈路層）功能上基本上有硬件來完成。LAN協(xié)議把鏈路層又分成邏輯鏈路控制層LLC和介質訪問控制層MAC。

1/13/202332.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（12）(1).物理層：在發(fā)送和接收時，對數(shù)據(jù)（信息）位流進行編碼或解碼。根據(jù)IEEE802標準，基帶傳輸采用曼徹斯特編碼或差動曼徹斯特編碼，傳輸介質為雙絞線或同軸電纜，對于采用CSMA/CD技術的網(wǎng)絡進行載體監(jiān)聽和沖突檢測。

(2)邏輯鏈路控制層邏輯鏈路控制層(LLC)采用IEEE802標準。LLC為高層服務，向上提供高層接口。在發(fā)送時，把數(shù)據(jù)裝配成帶有站地址段、控制段、信息段和CRC段的幀。在接受時，拆卸幀，執(zhí)行站地址識別，CRC校驗，并把接收數(shù)據(jù)傳送給上層。LLC向下提供介質訪問控制層的接口。

1/13/202333.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（13）(3).介質訪問控制層功能：合理解決信道的分配。常用的介質訪問控制方式有三種：沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）令牌環(huán)（TokenRing）；令牌總線（TokenBus）。

1/13/202334.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（14）①沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CMSA/CD)

CSMA/CD又稱隨機訪問技術或爭用技術。主要用于總線形網(wǎng)絡。工作原理是：當某一結點要發(fā)送信息時，首先要偵聽網(wǎng)絡中有無其它結點正發(fā)送信息，若沒有則立即發(fā)送；否則，即網(wǎng)絡中已有某結點發(fā)送信息（信道被占用），該結點就需要等待一段時間，直至信道空閑，開始發(fā)送。多個結點共同使用同一條線路，任何結點發(fā)送信息前都必須先檢查網(wǎng)絡的線路是否有信息傳輸。

1/13/202335.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（15）CSMA/CD技術中，需解決信道被占用時和兩個問題。確定等待時間的方法：當某結點檢測到信道被占用后，繼續(xù)檢測下去，待發(fā)現(xiàn)信道空閑時，立即發(fā)送。當某點檢測到信道被占用后就延遲一個隨機時間，然后再檢測。重復這一過程，直到信道空閑，開始發(fā)送。

等待占用的時間信息沖突1/13/202336.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（16）沖突檢測的解決辦法：當某結點開始占用網(wǎng)絡信道發(fā)送信息時，該點再繼續(xù)對網(wǎng)絡檢測一段時間，也就是說該點一邊發(fā)送一邊接收，且把收到的信息和自己發(fā)送的信息進行比較，若比較結果相同，說明發(fā)送正常進行，可以繼續(xù)發(fā)送；若比較結果不同，說明網(wǎng)絡上還有其它結點發(fā)送信息，引起數(shù)據(jù)混亂，發(fā)生沖突，此時應立即停止發(fā)送，等待一個隨機時間后，再重復以上過程。1/13/202337.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（17）CMSA/CD方式特點：原理較簡單，且技術上較易實現(xiàn)。網(wǎng)絡中各結點處于同等地位，無需集中控制。不能提供優(yōu)先級控制，所有結點都有平等競爭的能力，在網(wǎng)絡負載不重的情況下，有較高的效率，但當網(wǎng)絡負載增大時，發(fā)送信息的等待時間加長，效率顯著降低。1/13/202338.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（18）②令牌環(huán)（TokenRing）令牌環(huán)（TokenRing）全稱是令牌通行環(huán)（TokenPassingRing），僅適用于環(huán)形網(wǎng)絡結構。在這種方式中，令牌是控制標志，網(wǎng)中只設一張令牌，只有獲得令牌的結點才能發(fā)送信息，發(fā)送完后，令牌又傳給相鄰的另一個結點。

1/13/202339.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（19）令牌傳遞的方法：令牌依次沿每個結點傳送，使每個結點都有平等發(fā)送信息的機會。令牌有“空”和“忙”兩個狀態(tài)。“空”表示令牌沒有被占用，“忙”表示令牌正在攜帶信息發(fā)送。當“空”的令牌傳送至正待發(fā)送信息的結點時，該結點立即發(fā)送信息并置令牌為“忙”狀態(tài)。在一個結點占令牌期間；其它結點只能處于接收狀態(tài)。當所發(fā)信息繞環(huán)一周，并由發(fā)送結點清除，“忙”令牌又被置為“空”狀態(tài)，繞環(huán)傳送令牌。當下一個結點要發(fā)送信息時，則下一個結點便得到這一令牌，并可發(fā)送信息。1/13/202340.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（20）令牌環(huán)的優(yōu)缺點：優(yōu)點：能提供可調整的訪問控制方式，能提供優(yōu)先權服務，有較強的實時性。缺點：需要對令牌進行維護，且空閑令牌的丟失將會降低環(huán)路的利用率；控制電路復雜。1/13/202341.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（21）②令牌總線（TokenBus）令牌總線方式主要用于總線形式中。工作原理：它把總線傳輸介質上的各個結點形成一個邏輯環(huán)，即人為地給各結點規(guī)定一個順序(例如，可按各結點號的大小排列)。邏輯環(huán)中的控制方式類同于令牌環(huán)。1/13/202342.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（22）令牌總線優(yōu)缺點：優(yōu)點：吞吐能力大，吞吐量隨數(shù)據(jù)傳輸速率的提高而增加；控制功能不隨電纜線長度的增加而減弱；不需沖突檢測，故信號電壓可以有較大的動態(tài)范圍；具有一定的實時性。采用總線方式網(wǎng)絡的連網(wǎng)距離較CSMA/CD及TokenRing方式的網(wǎng)絡遠。缺點:結點獲得令牌的時間開銷較大，一般一個結點都需要等待多次無效的令牌傳送后才能獲得令牌。

1/13/202343.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（23）（4）LAN網(wǎng)絡適配器LAN網(wǎng)絡適配器是實現(xiàn)LAN物理層和鏈路層的硬件接口板。只需選用幾片LAN協(xié)議專用的集成電路芯片，再外加一部分輔助電路或存儲器，就可以設計一塊符合IEEE802標準的LAN網(wǎng)絡接口板。1/13/202344.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（24）3.傳輸媒體用于局域網(wǎng)的傳輸媒體主要有有線傳輸和無線傳輸兩類有線傳輸雙絞線同軸電纜光導纖維（光纖）無線傳輸微波、紅外線和激光1/13/202345.6.1.4計算機局域網(wǎng)絡（25）4.傳輸技術基帶傳輸保持數(shù)據(jù)波的原樣進行傳輸稱為基帶傳輸，此時的數(shù)據(jù)信號為電子或者光脈沖基帶傳輸不適合于高速和遠距離傳輸，除非傳輸媒體的性能很好（如光纖）寬帶傳輸采用調制的方法，以連續(xù)不斷的電磁波信號來傳輸數(shù)據(jù)信號的方法稱為寬帶傳輸寬帶傳輸可以提供較高的傳輸速率和抗干擾能力1/13/202346.6.1.5計算機網(wǎng)絡互聯(lián)設備（1）1.中繼器負責兩個結點的物理層按位傳遞信息，完成信號的復制、調整和放大功能，以此來延長網(wǎng)絡的長度。

2.集線器一種特殊的中繼器，作為網(wǎng)絡傳輸介質的中央結點，它克服了介質單一通道的缺陷。以集線器為中心的優(yōu)點是：當網(wǎng)絡系統(tǒng)中的某條線路或節(jié)點出現(xiàn)問題時，不會影響網(wǎng)上其它結點的正常工作。

1/13/202347.6.1.5計算機網(wǎng)絡互聯(lián)設備（2）3.網(wǎng)橋網(wǎng)橋是連接兩個局域網(wǎng)的設備，工作在數(shù)據(jù)鏈路層，用它可以完成具有相同或相似體系結構網(wǎng)絡系統(tǒng)的連接。網(wǎng)橋是為各種局域網(wǎng)存儲轉發(fā)數(shù)據(jù)而設計的，網(wǎng)橋可以將不同的局域網(wǎng)連在一起，組成一個擴展的局域網(wǎng)。

1/13/202348.6.1.5計算機網(wǎng)絡互聯(lián)設備（3）4.交換機交換機是一種具有使用簡單、價格低、性能高等特點的交換產品，體現(xiàn)了橋接技術的復雜交換技術，和網(wǎng)橋一樣也是工作在數(shù)據(jù)鏈路層。與網(wǎng)橋相比不同點是：交換機存儲轉發(fā)延遲小，遠遠超過了網(wǎng)橋互聯(lián)網(wǎng)絡之間的轉發(fā)性能。

1/13/202349.6.1.5計算機網(wǎng)絡互聯(lián)設備（4）5.路由器路由器是一種典型的網(wǎng)絡層設備，它在兩個局域網(wǎng)之間轉發(fā)數(shù)據(jù)包，完成網(wǎng)絡層的中繼任務，路由器負責在兩個局域網(wǎng)的網(wǎng)絡層間按包傳輸數(shù)據(jù)。路由器的主要工作是為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)包尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)包有效地傳送到目的站點。

1/13/202350.6.1.5計算機網(wǎng)絡互聯(lián)設備（5）6.網(wǎng)關網(wǎng)關是連接兩個協(xié)議差別很大的計算機網(wǎng)絡時使用的設備。它可以將具有不同體系結構的計算機網(wǎng)絡連接在一起，網(wǎng)關屬于最高層（應用層）的設備。有些網(wǎng)關可以通過軟件來實現(xiàn)協(xié)議的轉換，并起到與硬件類似的作用，但這是以消耗機器的資源為代價來實現(xiàn)的。1/13/202351.6.2Unit2

數(shù)據(jù)通信技術

DataCommunicationTechnology本節(jié)主要內容數(shù)據(jù)通訊的基礎知識數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯1/13/202353.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(1)1.數(shù)據(jù)通信概述計算機與計算機之間、計算機與儀器設備之間的數(shù)據(jù)交換稱為數(shù)據(jù)通信。

需要一個通信網(wǎng)絡(如電話交換網(wǎng)、用戶電報網(wǎng)及專用通信網(wǎng)絡)來傳輸數(shù)據(jù)信號，并且與數(shù)據(jù)處理相關。1/13/202354.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(2)(1)通信系統(tǒng)模型任何一個通信系統(tǒng)都可以借助如圖所示的通信系統(tǒng)模型來抽象地進行描述。噪聲N(t)輸出數(shù)據(jù)d’或信號d’(t)

信息源發(fā)信機傳輸媒介噪聲源收信機受信者通信系統(tǒng)模型示意框圖輸入數(shù)據(jù)d或信號d(t)發(fā)送信號s(t)接收信號

r(t)1/13/202355.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(3)(2)模擬通信、數(shù)字通信和數(shù)據(jù)通信通信傳輸?shù)男畔⒄Z音、圖像、文字、數(shù)據(jù)等信息的類別連續(xù)信息信息的狀態(tài)隨時間而連續(xù)變化離散信息信息的狀態(tài)是可列的或是離散的通信中的兩種基本傳輸信號模擬信號和數(shù)字信號1/13/202356.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(4)模擬通信以模擬信號作為載體來傳輸信息數(shù)字通信以數(shù)字信號作為載體來傳輸信息稱為數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信若信息源產生的是數(shù)據(jù)，則整個通信過程稱為數(shù)據(jù)通信。（a）模擬信號

t

u01001（b）數(shù)字信號

t

u傳輸信號示意圖1/13/202357.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(5)(3)數(shù)據(jù)編碼或調制數(shù)據(jù)編碼在通信系統(tǒng)中，為實現(xiàn)正常通信，要對二進制碼和字符的對應關系作一個統(tǒng)一的規(guī)定，這種規(guī)定即稱為編碼。控制字符美國信息交換標準碼ASCII碼擴展ASCII碼1/13/202358.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(6)調制將數(shù)據(jù)信號轉換成能在模擬信道上傳輸?shù)哪M信號振幅調制ASK(AmplitudeShiftKeying）用原始脈沖信號去控制載波的振幅變化頻率調制FSK(FrequencyShiftKeying)用原始脈沖信號去控制載波的頻率變化相位調制PSK(PhaseShiftKeying）用原始脈沖信號去控制載波的相位變化1/13/202359.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(7)三種調制信號示意圖11110000原始信號（a）調幅（b）調頻（c）調頻（d）調相（e）調相1/13/202360.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(8)2.數(shù)據(jù)傳輸方式(1)基帶傳輸與頻帶傳輸基帶是指電信號所固有的頻帶，直接將這些電脈沖信號進行傳輸，就稱為基帶傳輸，它不適合遠距離傳輸先進行調制使其頻率變窄，再傳輸，則稱為頻帶傳輸(2)串行傳輸與并行傳輸數(shù)據(jù)在一個信道上按位依次傳輸?shù)姆绞椒Q為串行傳輸數(shù)據(jù)在多個信道上同時傳輸?shù)姆绞椒Q為并行傳輸1/13/202361.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(9)(3)同步技術同步是指接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的起止時間來接收數(shù)據(jù)，也就是接收端和發(fā)送端要在時間上取得一致。常用的同步方式有兩種：起停同步技術，與其相對應的傳輸方式稱異步通信方式自同步方式，與其相對應的傳輸方式稱為同步通信方式。

1/13/202362.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(10)①異步通信方式異步通信方式ASYNC（AsynchronousDataCommunication）每次傳送一個字符的數(shù)據(jù)。用一個起始位表示傳輸字符的開始，用1至2個停止位表示字符的結束，一個字符構成一幀信息，如圖所示。發(fā)送端發(fā)送時，從低位到高位逐位順序發(fā)送。

1/13/202363.圖6.10異步通信信息幀格式6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(11)異步通信信息幀格式1/13/202364.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(12)發(fā)送時鐘和接收時鐘圖6.11發(fā)送、接收時鐘和信息位1/13/202365.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(13)接收端同步接收信息的方法

圖6.12接收端同步采樣（n=16）1/13/202366.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(14)異步通信存在的問題在異步通信中，每個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志，因而數(shù)據(jù)傳送效率低。為了保證收、發(fā)同步，克服Rc與Tc之間的微小偏差，信息位寬度Td=nTc，一般取n為16、32、64等，這樣降低了信息傳送速率。1/13/202367.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(15)②同步通信方式同步通信SYNC（SynchronousDataCommunication）每次傳送n個字符的數(shù)據(jù)塊。用一個或兩個同步字符表示傳送數(shù)據(jù)塊的開始，接著就是n個字符的數(shù)據(jù)塊，字符之間不允許有空隙，當沒有字符可發(fā)送時，則連續(xù)發(fā)送同步字符，如圖所示。

1/13/202368.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(16)同步字符單同步選擇一個特殊的8位二進制碼（如01111110）作為同步字符，稱單同步字符雙同步選擇兩個連續(xù)的8位二進制碼作為同步字符，稱雙同步字符為了保證收、發(fā)同步，收、發(fā)雙方必須使用相同的同步字符。1/13/202369.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(17)工作過程圖6.14同步通信的編碼、解碼示意圖1/13/202370.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(18)與異步通信相比：同步通信的信息幀包括同步字符和數(shù)據(jù)塊，而同步字符只有8位或16位，數(shù)據(jù)塊可以任意字節(jié)長，所以數(shù)據(jù)傳送效率高于異步通信。發(fā)送時鐘周期Tc等于傳送數(shù)據(jù)位的寬度(相當于異步通信的n=1)，故信息傳送速率也高于異步通信。傳送的編碼數(shù)據(jù)中自帶時鐘信息，保證了收、發(fā)雙方的絕對同步造成了同步通信的硬件比異步通信復雜。1/13/202371.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(19)（4）通信線路的通信方式

全雙工由兩根不同的傳輸線傳送，通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作

半雙工用同一根傳輸線既作接收又作發(fā)送，雖然數(shù)據(jù)可在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時發(fā)送和接收。單工數(shù)據(jù)只能從一方發(fā)送的另一方，數(shù)據(jù)流向固定

1/13/202372.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(20)（5）傳輸速率在并行通信中，傳輸速率是以每秒多少字節(jié)(B/s)來表示的。在串行通信中，傳輸速率是用波特率來表示的。波特率是指單位時間內傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，其單位是位/秒(b/s)。1/13/202373.6.2.1數(shù)據(jù)通信的基礎知識(21)多路復用技術把多路信號用一條信道進行傳輸，以提高效率頻分多路復用把信道的頻譜分割成若干個互不重疊的小頻段，每條小頻段都可以看作是一條子信道時分多路復用信道的傳輸時間分割成許多時間段，這種方法接收端與發(fā)送端的時序必須嚴格同步1/13/202374.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(1)差錯檢測技術的原理發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)的基礎上，生成某些校驗編碼，然后將該校驗編碼附加在數(shù)據(jù)后面一起發(fā)送接收方收到數(shù)據(jù)和校驗碼后，用校驗碼對收到的數(shù)據(jù)進行檢驗，以確立本次傳輸是否正確差錯檢測技術的核心是校驗編碼1/13/202375.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(2)1．檢驗編碼方法奇/偶校驗編碼循環(huán)冗余校驗編碼恒比校驗編碼1/13/202376.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(3)（1）.奇/偶校驗奇校驗報文加上校驗位后應保證“1”碼元個數(shù)為奇數(shù)偶校驗報文加上校驗位后應保證“1”碼元個數(shù)為偶數(shù)奇偶校驗方法只有在出錯碼元個數(shù)是奇數(shù)的情況下才有效，當出錯碼元個數(shù)成偶數(shù)時，此法無能為力1/13/202377.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(4)(2)循環(huán)冗余校驗CRC(CyclicRedundancyCheck)圖6.15CRC校驗示意圖1/13/202378.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(5)循環(huán)冗余校驗的檢驗能力與生成多項式有關。目前人們已經(jīng)設計了許多生成多項式，下面三個多項式已成為國際標準：CRC-12：G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CITT：G(x)=x16+x12+x5+11/13/202379.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(6)（3）恒比碼恒比碼通訊時不是原碼傳送，而是對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼，使編碼后的每一個字節(jié)（或每一碼組）中，“1”和“0”的個數(shù)之比保持恒定檢測能力當碼組中任何位置上出現(xiàn)奇數(shù)個差錯時，因為破壞了1和0的恒比關系，所以能被檢測出來比一般的奇偶校驗有較強的檢錯能力1/13/202380.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(7)2．糾錯方式重發(fā)糾錯方式發(fā)送端發(fā)送能夠檢錯的信息碼（如奇偶校驗碼），接收端根據(jù)該碼的編碼規(guī)則，判斷傳輸中有無錯誤，并把判斷結果反饋給發(fā)送端。如果傳輸錯，則再次發(fā)送，直到接收端認為正確為止。

1/13/202381.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(8)自動糾錯方式發(fā)送端發(fā)送能夠糾錯的信息碼，而不僅僅是檢錯的信息碼。接收端收到該碼后，通過譯碼不僅能發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能自動地糾正傳輸中的錯誤。但是，糾錯位數(shù)有限，如果為了糾正比較多的錯誤，則要求附加的冗余碼比基本信息碼多，因而傳輸效率低，譯碼設備也比較復雜。

1/13/202382.6.2.2數(shù)據(jù)通信中的檢錯與糾錯(9)混合糾錯方式發(fā)送端發(fā)送的信息碼不僅能發(fā)現(xiàn)錯誤，而且還具有一定的糾錯能力。接收端收到該碼后，如果錯誤位數(shù)在糾錯能力以內，則自動地進行糾錯；如果錯誤多，超出了糾錯能力，則接收端要求發(fā)送端重發(fā)，直到正確為止。

1/13/202383.6.3Unit3

工業(yè)控制計算機網(wǎng)絡與通信

ComputerNetworkandDataCommunicationofIndustryControl本節(jié)主要內容現(xiàn)場總線技術工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)控制網(wǎng)絡現(xiàn)狀1/13/202385.6.3工業(yè)控制網(wǎng)絡與通信在功能上，工業(yè)網(wǎng)絡的結構可分為：信息網(wǎng)位于工業(yè)網(wǎng)的上層，是企業(yè)數(shù)據(jù)共享和傳輸?shù)妮d體主要采用以太網(wǎng)技術；控制網(wǎng)位于工業(yè)網(wǎng)的下層，與信息網(wǎng)緊密地集成在一起，具有獨立性和完整性主要采用現(xiàn)場總線。

1/13/202386.6.3.1現(xiàn)場總線（1）現(xiàn)場總線是應用在生產現(xiàn)場，在微機化測量控制設備間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點的數(shù)字通訊系統(tǒng)，又稱為開放式、數(shù)字化、多點通訊的低層控制網(wǎng)絡，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它把各個分散的測量控制設備轉換為網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，連接成為可以互相通信、溝通信息、共同完成自控任務的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)。1/13/202387.6.3.1現(xiàn)場總線（2）現(xiàn)場總線的特征：現(xiàn)場設備已成為以微處理器為核心的數(shù)字化設備，彼此通過傳輸媒體（雙絞線、同軸電纜或光纖）以總線拓撲相連。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信采用基帶傳輸（即數(shù)字信號傳輸），數(shù)據(jù)傳輸速率高（為Mbit/s或10Mbit/s級），實