工业控制网络02.pptx

2 1基本术语2 8介质访问控制方式2 2数据编码2 9计算机网络硬件2 3信号的传输方式2 10网络软件2 4通信方式2 11网络互连设备2 5差错检测与控制2 12网络参考模型2 6网络拓扑结构2 13现场总线的网络通信模型2 7网络的传输介质2 14控制网络与计算机网络 第2章数据通信与计算机网络基础 2 1基本术语 总线 网络上各节点共享的传输媒体 是信号传输的公共路径 总线协议 总线上的设备如何使用总线的一套规则 这套规约是事先规定 必须共同遵守的 总线操作 总线上数据发送者与接收者之间的连接 数据传送 断开连接的一个操作序列 现场设备 作为网络节点连接在现场总线上的物理实体 具备测量控制功能和数据通信能力 2 1基本术语 发送与接收设备 数据通信系统中 具有通信信号发送电路的设备称为发送器或发送设备 具有通信信号接收电路的设备称为接收器或接收设备 总线仲裁 对总线冲突的处理过程 根据某种裁决规则确定下一个时刻具有总线占有权的设备 传输介质 指在两点或多点之间连接收发双方的物理通路 是发送设备与接收设备之间信号传递所经过的媒介 数据报文 通过网络传输的数据的基本单元 包含一个报头 header 和数据本身 其中报头描述了数据的目的地以及和其它数据之间的关系 一般把需要传送的信息 包括文本 命令 参数值 图片 声音等称为报文 2 1基本术语 2 1基本术语 数据通信过程 两个或多个节点之间借助传输媒体以二进制形式进行数据交换的过程 数据通信过程与打电话的对比建立物理连接拨号 拨通对方建立逻辑连接互相确认身份数据传送互相通话断开逻辑连接互相确认要结束通话断开物理连接双方挂机 2 1基本术语 数据在计算机中用二进制数表示 而1或0以电压的高低或电流的有无来反映 传输媒体是网络中数据传输的物理通路 要通过传输媒体传输数据 必须把数据转换成能在传输媒体中传输的信号 1 信号 指数据的电磁或电子编码 信号分为模拟信号与数字信号 数字信号 一系列的脉冲模拟信号 连续变化的量 2 2数据编码 2 数据编码 通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据 1 用数字信号表示数据单 双极性码 归零码 不归零码 NRZ 差分码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码等2 用模拟信号表示数据幅移键控法 ASK 频移键控法 FSK 相移键控法 PSK 用模拟信号承载数字或模拟数据的技术称为调制技术 2 2数据编码 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况 2 2数据编码 数据 模拟数据 数字数据信号 模拟信号 数字信号信道 模拟信道 数字信道 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 2 2 1数字数据编码 数字数据编码 用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0 1状态 归零码 RZ 归零码在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 NRZ 非归零码在整个码元时间内维持有效电平 2 2 1数字数据编码 差分码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 差分码按按初始信号为高电平或低电平 有相位截然相反的两种波形 2 2 1数字数据编码 2 2 1数字数据编码 曼彻斯特编码 ManchesterEncoding 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 2 2 1数字数据编码 2 2 1数字数据编码 2 2 2模拟数据编码 模拟数据编码 用模拟信号的不同幅度 频率 相位来表达数据的0 1状态 有以下三种编码方法 幅度键控ASK amplitude shiftkeying 频移键控FSK frequency shiftkeying 相移键控PSK phase shiftkeying 2 2 2模拟数据编码 利用载波的不同振幅来表示二进制数的0或1 效率低 易受到干扰 利用载波频率附近的两个不同频率来表示二进制数据的0或1 不易受干扰 广泛用于高频 3MHz 30MHz 的无线电传输 2 2 2模拟数据编码 利用载波信号的相位移动表示二进制数0或1 具有较强的抗干扰能力 效率较高 2 2 2模拟数据编码 2 3 1传输顺序2 3 2同步方式2 3 3传输模式 2 3数据传输方式和信号的传输模式 串行传输 数据流以串行方式逐位的在一条信道上传输 特点 易于实现 适合长距离传输 收发双方需要采取同步措施 2 3 1传输顺序 并行传输 将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输 特点 不需特殊同步措施 适合于近距离数字通信 2 3 1传输顺序 串行传输与并行传输的区别 串行传输在传输一个字符或字节的各数据位时是依顺序逐位传输 并行传输在传输一个字符或字节的各数据位时采用同时并行传输 2 3 1传输顺序 同步传输和异步传输是指通信处理中使用时钟信号的方式不同 同步传输 发送方和接收方的时钟统一 字符与字符间的传输同步无间隔 异步传输 不要求发送方和接收方的时钟完全相同 字符与字符间的传输异步 2 3 2同步方式 2 3 2同步方式 异步传输 指将比特分成小组进行传送 小组可以是8位的1个字符或更长 发送方可以在任何时刻发送这些比特组 而接收方从不知道它们会在什么时候到达 每次异步传输的信息都以一个起始位开头 它通知接收方数据已经到达了 这就给了接收方响应 接收和缓存数据比特的时间 在传输结束时 一个停止位表示该次传输信息的终止 异步传输方式 空闲的线路实际携带着一个代表二进制1的信号 异步传输的开始位使信号变成0 其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化 最后 停止位使信号重新变回1 该信号一直保持到下一个开始位到达 2 3 2同步方式 异步传输的实现比较容易 由于每个信息都加上了 同步 信息 因此计时的漂移不会产生大的积累 但却产生了较多的开销 异步传输常用于低速设备 开销较大 2 3 2同步方式 同步传输 一种以数据块为传输单位的数据传输方式 数据块与数据块之间的间隔是固定的 间隔时间关系被严格规定 同步传输的比特分组要大得多 不是独立地发送每个字符 每个字符也不是都有自己的开始位和停止位 而是把它们组合起来一起发送 将这些组合称为数据帧 或简称为帧 数据帧 数据链路层的协议数据单元 它包括三部分 帧头 数据部分 帧尾 同步传输方式 数据帧的第一部分包含一组同步字符 它是一个独特的比特组合 类似于前面提到的起始位 用于通知接收方一个帧已经到达 但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致 使收发双方进入同步 2 3 2同步方式 帧的最后一部分是一个帧结束标记 与同步字符一样 它也是一个独特的比特串 类似于前面提到的停止位 用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了 同步传输通常要比异步传输快速得多 接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作 一旦检测到帧同步字符 它就在接下来的数据到达时接收它们 2 3 2同步方式 同步传输的开销比较少 并且随着数据帧中实际数据比特位的增加 开销比特所占的百分比将相应地减少 但是 数据比特位越长 缓存数据所需要的缓冲区也越大 这就限制了一个帧的大小 另外 帧越大 它占据传输媒体的连续时间也越长 在极端的情况下 这将导致其他用户等得太久 2 3 2同步方式 同步与异步传输的区别 异步传输是面向字符的传输 而同步传输是面向比特的传输 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会 而同步传输则是以数据中抽取同步信息 异步传输对时序的要求较低 同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序 异步传输相对于同步传输效率较低 基带 在数字信号频谱中 把直流 零频 开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带 简称为基带 基带传输 在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号 即将计算机产生的数字信号按照数据波的原样进行传输 不包含有任何调制 它是最基本的数据传输方式 2 3 3传输模式 基带传输特点 不用调制解调器系统价格低廉较高的数据传输速率 一般为1Mb s 10Mb s 传输距离一般不超过25km半双工方式或单工方式 2 3 3传输模式 载波传输 采用数字信号对载波进行调制后实行传输 调制方式 幅度键控ASK 频移键控FSK 相移键控PSK 2 3 3传输模式 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越来越重 因此提出了宽带传输的要求 宽带传输 在同一介质上可传输多个频带的信号 2 3 3传输模式 宽带网与基带网的主要区别 数据传输速率不同 基带网的数据速率范围为0 10Mb s 宽带网可达0 400Mb s 宽带网可划分为多条基带信道 提供良好的通信路径 2 3 3传输模式 2 4通信方式 单工通信 simplexcommunication 指传送的信息始终是一个方向 而不进行与此相反方向的传送 2 4通信方式 半双工通信 half duplexcommunication 指信息流可在两个方向上传输 但同一时刻只限于一个方向传输 2 4通信方式 全双工通信 fullDuplexcommunication 指收发设备能同时作双向通信 通信效率高 控制简单 但结构较复杂 成本较高 2 5差错检测与控制 差错控制 为了提高通信系统的传输质量 提出的有效检测 并运行纠正错误的方法叫做差错检测和校正 简称为差错控制 差错控制的目的 减少通信信道的传输错误 目前还不可能做到检测和校正所有的错误 2 5差错检测与控制 2 5 1传输差错的类型2 5 2传输差错的检测2 5 3差错传输的校正 2 5 1传输差错的类型 分类原则 单位数据域内发生差错的数据位个数及其分布单位数据域 一个字符 一个字节或一个数据包类型 单比特错误 多比特错误 突发错误 2 5 1传输差错的类型 单比特错误 单位数据域内只有一个数据位出错的情况工业数据通信过程中比较容易发生 也容易被检测和校正 2 5 1传输差错的类型 多比特错误 单位数据域内1个以上不连续的数据位出错多比特错误 离散错误 2 5 1传输差错的类型 突发错误 单位数据域内两个或两个以上连续的数据位出错主要特征 发生错误的多个数据位连续 2 5 2传输差错的检测 差错检测 让报文中包含能发现传输错误的冗余信息 接收端通过接收到的冗余信息的特征 判断报文在传输中是否出错的过程方法 奇偶校验求和校验纵向冗余校验循环冗余校验 2 5 2传输差错的检测 奇偶校验 一个单一的校验位被加在每个单位数据域上 使得包括该校验位在内的各单位数据域内1的个数是偶数或奇数 在接收端采用同一校验方式检查收到的数据和校验位 并判断该传输过程是否出错 优点 方法简单 可检测所有单比特错误缺点 只有当出错的次数是奇数时 才能检测出多比特错误和突发错误 2 5 2传输差错的检测 循环冗余校验 cyclicredundancycheck CRC 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后面 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为零 则表明发生了错误 优点 原理简单 易于实现 有效性较高 能够检测大约99 95 的错误 缺点 计算量大于奇偶校验 2 5 2传输差错的检测 循环冗余校验步骤 1 循环冗余校验将将要发送的数据位序列当做一个多项式f x 的系数 f x 的系数只能为0或1 2 接收双方事先约定一个生成多项式G x G x 的结构及检验效果要经过严格的数学分析和实验后才能确定 3 在发送端 将发送的数据多项式f x 左移k位得到f x xk 其中k为生成多项式G x 的最高幂值 4 将f x xk除以生成多项式 得式中 R x 是余数多项式 循环冗余校验步骤 1 循环冗余校验将将要发送的数据位序列当做一个多项式f x 的系数 f x 的系数只能为0或1 2 接收双方事先约定一个生成多项式G x G x 的结构及检验效果要经过严格的数学分析和实验后才能确定 3 在发送端 将发送的数据多项式f x 左移k位得到f x xk 其中k为生成多项式G x 的最高幂值 4 将f x xk除以生成多项式 得式中 R x 是余数多项式 2 5 2传输差错的检测 循环冗余校验步骤 5 将f x xk R x 作为整体 从发送端通过通信信道传送到接收端 6 接收端对接收数据多项式f x 采用同样的除法运算 即 7 根据上述除法运算得到的结果判断传输过程是否出错 如果通过除法得到的结果不为零 则认为传输过程出现了差错 余数多项式为零 则认为传输过程无差错 2 5 3传输差错的校正 传输差错的校正 在接收端发现并自动纠正传输错误的过程方法 自动重传 前向差错校正自动重传 当系统检测到一个错误时 接收端自动的请求发送方重新发送传输该数据帧 用重新传输过来的数据代替出错的数据前向差错校正 将额外数据位加入传输数据域中 在接收端检测额外数据位 并纠正差错 计算机网络 有多台可相互连接 可共享数据资源的计算机构成的集合 是采用传输线路将计算机连接起来的计算集群 控制网络 由现场总线把具备数字计算 处理与通信能力的自控设备连接组成的系统 2 6网络拓扑结构 星形环形总线形 树形不规则形 网形 完整形 混合型 网络拓扑结构是指网络中节点的物理连接形式 2 6网络拓扑结构 在星形拓扑中 每个节点通过点 点连接到中央节点 任何两站之间通信都通过中央节点进行 中央节点的结构显得比较复杂 对其要求较高 2 6 1星形拓扑 环形拓扑通过中继器进行点 点连接 构成一个封闭的环路 中继器接收前驱站发来的数据 发往后继站 链路是单向的 工作站需有较复杂的网路处理功能 2 6 2环形拓扑 在总线拓扑中 传输介质是一条总线 工作站通过相应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 2 6 3总线拓扑 树形是总线形的扩展 传输介质是不封闭的分支电缆 和总线拓扑一样 一个站发送数据 其它站都能接收 树形结构适合于分主次 分等级的层次型管理系统 2 6 4树形拓扑 不规则形拓扑中 每个节点都通过多条线路与网中的其他节点连接 这种结构具有很高的可靠性 一旦一个节点出现故障 传输的数据可以绕过该节点 选择其他路径到达目的节点 因此在广域网中得到了广泛的应用 缺点 结构复杂 成本较高 节点必须具有路由选择算法和流量控制 要求较高 2 6 5不规则形拓扑 前面几种网络拓扑结构都是基本形式 在具体的网络拓扑结构设计中 往往要根据具体情况综合选择 组合应用 于是就出现了灵活多样的完整形 混合型 拓扑结构 2 6 6完整形拓扑 2 7网络传输介质 传输介质的特性对网络中数据通信质量影响较大 这些特性主要包括 物理特性 传输介质物理结构的描述 传输特性 允许传输数字或模拟信号以及调制技术 传输容量 传输的频率范围连通特性 允许点 点或多点连接 地理范围 传输介质最大传输距离 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 相对价格 器件 安装与维护费用 2 7 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 电话线路就是一种双绞线 2 7 1双绞线的主要特性 物理特性 双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成 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 传输特性 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 multiplexing 技术可以进行多个音频通道的多路复用 2 7 1双绞线的主要特性 2 7 1双绞线的主要特性 连通性 双绞线可以用于点 点连接 也可用于多点连接 地理范围 双绞线用作远程中继线时 最大距离可达15km 用于10Mb s局域网时 与集线器的距离最大为100m 单网段 2 7 1双绞线的主要特性 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 其抗干扰能力低于同轴电缆 价格 价格低 并且安装 维护方便 网线的两种标准接法 568A标准 绿白 绿 橙白 蓝 蓝白 橙 棕白 棕568B标准 橙白 橙 绿白 蓝 蓝白 绿 棕白 棕 2 7 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 通常作为有线电视线 基带同轴电缆宽带同轴电缆 2 7 2同轴电缆的主要特性 传输特性 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 支持多路传输 只用于一条通信信道的高速数字通信 此时称之为单通道宽带 物理特性 同轴电缆由内导体 电缆铜芯 绝缘层 外导体 铜网 及外部保护层 外绝缘层 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 7 2同轴电缆的主要特性 传输特性 特征阻抗 50 Ethernet使用 基带传输 10Mb s 75 CATV使用 模拟信号传输 400MHz 使用频分多路复用FDM frequency divisionmultiplexing 技术 也可以传输数字信号 连通性 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 抗干扰性 抗干扰能力较强 2 7 2同轴电缆的主要特性 地理范围 基带同轴电缆最大距离限制在几公里范围内 而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里 价格 同轴电缆造价介于双绞线与光缆之间 维护方便 2 7 2同轴电缆的主要特性 2 7 3光纤的主要特性 光纤之父 高锟1966年 光频率介质纤维表面波导 2009年 诺内尔物理学奖 2 7 3光纤的主要特性 物理特性 光纤是一种直径为50 100 m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 光纤是网络传输介质中性能最好 应用前途广泛的一种 2 7 3光纤的主要特性 2 7 3光纤的主要特性 传输特性 光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号 光纤传输速率可达几千Mb s 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线传输 单模光纤性能优于多模光纤 2 7 3光纤的主要特性 连通性 普遍采用点 点方式 在某些实验系统中也采用多点连接方式 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 抗干扰性 光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响 能在长距离 高速率传输中保持低误码率 双绞线典型的误码率在10 5 10 6之间 基带同轴电缆为10 7 宽带同轴电缆为10 9 而光纤误码率可以低于10 10 光纤传输的安全性与保密性极好 2 7 3光纤的主要特性 价格 光纤价格高于同轴电缆与双绞线 由于光纤具有低损耗 宽频带 高数据传输速率 低误码率 安全保密性好等特点 因此 它是一种最有前途的传输介质 2 7 3光纤的主要特性 2 7 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 微波通信 工作频率为109 1010Hz 局域网络可直接利用微波收发机进行通信 或作中继接力 扩大传输距离 2 7 4无线通信信道的主要特性 红外线 工作频率为1011 1014Hz 通过发送或接收信号调制的非相干红外线 即可形成一条通信链路 只要收发机处在视线内 就可以准确地进行通信 方向性很强 几乎不受干扰 激光 工作频率为1014 1015Hz 用调制解调的相干激光 实现激光通信 2 7 4无线通信信道的主要特性 在构建一个网络 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 2 7网络传输介质 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 2 8介质访问控制方式 通信中 各设备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 计算机网络 在随机访问方式中 常用的技术为CSMA CD CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection载波监听多路访问 冲突检测 工业控制网络 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 2 8介质访问控制方式 2 8 1CSMA CD2 8 2令牌访问控制方式 2 8介质访问控制方式 2 8 1CSMA CD 载波监听多路访问 冲突检测 基本概念采用该方式时 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 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 CSMA 三种CSMA坚持退避算法 不坚持CSMA 也叫0坚持CSMA 1 坚持CSMAP 坚持CSMA 2 8 1CSMA CD 载波监听多路访问 冲突检测 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 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 2 8 1CSMA 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 2 8 1CSMA 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 则以一定的概率P发送 或以 1 P 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 再以一定的概率P发送 2 8 1CSMA 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 2 8 1CSMA CD 载波监听多路访问 冲突检测 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 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 2 8 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 特点 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 2 8 2令牌 标记 访问控制方式 2 8 2令牌 标记 访问控制方式 令牌传递总线 token passingbus 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 2 8 2令牌 标记 访问控制方式 令牌传递总线方式利用令牌的控制帧 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 传输过程是由交替进行的数据传输阶段和令牌传送阶段组成 网上站点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 2 8 2令牌 标记 访问控制方式 2 8 2令牌 标记 访问控制方式 图2 10令牌总线与逻辑环 令牌传递总线的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点插入算法退出环路恢复 2 8 2令牌 标记 访问控制方式 计算机网络的分类按照网络覆盖地地理范围 可分为 互联网 广域网 局域网和城域网四种 按照网络使用的交换方式 可分为 电路交换网 报文交换网和报文分组交换网 按照传输技术 可分为 广播式网络和点到点网络按照不同用途 可分为 公共网 科研网 企业网 商业网等 还可以按照不同的传输介质 不同网络信道带宽及不同的网络技术等对计算机网络进行分类 2 9计算机网络硬件 2 9计算机网络硬件 广播式网络 broadcastnetwork 仅有一条信道 由网络上所有机器共享 按某种语法组织的分组或包 packet 可被任何机器发送并被其它所有机器接收 地址字段指明此分组应被哪台机器接收 一旦收到分组 各机器将检查地址字段 如是发送给它的 则处理该分组 否则丢弃 点到点网络 point to pointnetwork 与之相反 由一对对机器之间的多条连接构成 为了能从源到达目的地 这种网络上的分组可能必须通过一台或多台中间机器 通常是多条路径 并且可能长度不一样 因此在点到点网络中路由算法十分重要 2 9计算机网络硬件 局域网 1ocalareanetwork 简称LAN 是处于同一建筑 同一大学或方圆几千米远地域内的专用网络 局域网常被用于连接公司办公室或工厂里的个人计算机和工作站 以便共享资源 如打印机 和交换信息 LAN有和其它网络不同的三个特征 范围 传输技术 拓扑结构 令牌环 令牌总线和以太网为国际局域网标准 2 9 1局域网 工业控制网络大多工作在生产现场 因此一般为局域网 作用范围通常在几千米之内 将分布在生产装置周围的测控设备连接为功能各异的自动化系统 2 9 1局域网 城域网 metropolitanareanetwork 简称MAN 基本上是一种大型的LAN 通常使用与LAN相似的技术 它可能覆盖一组邻近的公司办公室和一个城市 支持数据和声音 不包含交换单元 MAN有一个分布式队列双总线DQDB distributedqueuedualbus 标准 2 9 2城域网 2 9 2城域网 广域网 wideareanetwork 称为WAN 是一种跨越大的地域的网络 通常包含一个国家或州 该网络中的计算机被称为主机 host 连接这些计算机的通讯网络 称为子网 communicationsubnet 2 9 3广域网 2 9 3广域网 无线网络有很多用处 较常见的一种是移动式办公室 无线网络对于卡车 出租车 公共汽车和维修人员与基地保持联系极其有用 可以给灾难地区 火灾 水灾 地震等 的营救人员使用 因为电话系统可能已经无法使用了 最后 无线网络对军方也很重要 2 9 4无线网 互联的网络集合就称为互联网 internetwork或internet 常见的互联网是通过WAN连接起来的LAN集合 互联网 internet 只代表一般的网络互联意思 Internet 大写的I译为 因特网 是指特定的世界范围的互联网 它被广泛地用于连接大学 政府机关 公司和个人用户 2 9 5互联网 2 10网络软件 2 10 1协议分层2 10 2各层的设计问题2 10 3接口和服务2 10 4面向连接的服务和无连接的服务2 10 5服务原语2 10 6服务与协议的关系 2 10 1协议分层 为了减少协议设计的复杂性 大多数网络都按层 1ayer 或级 1evel 的方式来组织 每一层都建立在它的下层之上 在所有的网络中 每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务 而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽 2 10 1协议分层 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 protocol 不同机器里包含对应层的实体叫对等进程 peer 对等进程利用协议进行通信 2 10 1协议分层 图中 点线表示虚拟通信 实线表示物理通信 2 10 1协议分层 接口定义下层向上层提供的原语操作和服务 一个清晰的接口可以使同一层能轻易地用一种实现来替换另一种完全不同的实现 层和协议的集合被称为网络体系结构 networkarchitecture 某一系统所使用的协议列表 每层一个协议 被称为协议栈 protocolstack 2 10 2各层的设计问题 每一层都需要识别发送方和接收方的机制数据传送的规则 如 单工 双工 差错控制避免出现高速发送方发送数据过快 使低速接收方难以应付的局面 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 demultiplexing 路由选择 2 10 3接口和服务 实体 entity 每一层中的活动元素 对等实体 peerentity 不同机器上同一层的实体 服务提供者 serviceprovider 服务用户 serviceuser 服务访问点SAP serviceaccesspoint 服务是在其上提供给上层使用的 每个SAP都有一个唯一地标明它的地址 接口数据单元IDU interfacedataunit 服务数据单元SDU servicedataunit 协议数据单元PDU protocoldataunit 2 10 3接口和服务 2 10 3接口和服务 2 10 4面向连接的服务和无连接的服务 面向连接的服务 通信双方在通信时 要事先建立一条通信线路 其过程有建立连接 使用连接和释放连接三个过程 2 10 4面向连接的服务和无连接的服务 无连接服务 通信双方不需要事先建立一条通信线路 而是把每个带有目的地址的包 报文分组 送到线路上 由系统选定路线进行传输 文件传输比较适合于面向连接的服务 有两种面向连接的可靠性服务 即报文序列和字节流 报文序列 区分报文界限字节流 不区分报文界限 2 10 4面向连接的服务和无连接的服务 不是所有的应用程序都需要连接 不可靠的 无确认 无连接的服务通常被称作数据报服务 datagramservice 无连接的服务分为数据报服务和问答服务 2 10 4面向连接的服务和无连接的服务 2 10 4面向连接的服务和无连接的服务 2 10 5服务原语 原语 primitive 服务在形式上是由一组原语 或操作 来描述的 功能 1 原语供用户和其它实体访问该服务 2 原语通知服务提供者采取某些行动或报告某个对等实体的活动 2 10 5服务原语 有证实 confirmed 包括请求 指示 响应和证实4个原语 无证实 unconfirmed 只有请求和指示2个原语 2 10 5服务原语 CONNECT request 拨姑妈家的电话号码 CONNECI indication 她家的电话铃响了 CONNECT response 她拿起电话 CONNECT confirm 你听到了电话铃停止 DATA request 你邀请她来喝茶 DATA indication 她听到了你的邀请 DATA request 她说她很高兴来 DATA indication 你听到她接受了邀请 DISCONNECT request 你挂断电话 DISCONNECT indication 她听到了挂断声 也挂断了电话 2 10 5服务原语 服务 是各层向它上层提供的一组原语 操作 服务定义了该层能够代表它的上层完成的操作 并不涉及这些操作是如何完成的 服务定义了两层之间的接口 上层是服务用户 下层是服务提供者 2 10 6服务与协议的关系 协议 是定义同层对等实体之间交换的帧 分组和报文的格式及意义的一组规则 实体利用协议来实现它们的服务定义 只要不改变提供给用户的服务 实体可以任意地改变它们的协议 2 10 6服务与协议的关系 2 11网络互连设备 网络互连 指将分布在不同地理位置的网络 设备相连接 以构成更大规模的网络系统 实现网络资源的共享 网络互连类型主要 局域网与局域网互连 局域网与广域网互连 局域网通过广域网与局域网互连及广域网与广域网的互连等 常见的网络互连设备 中继器 repeater 网桥 bridge 路由器 router 和网关 gateway 2 11 1中继器 属于物理层的网络互连设备 作用 延长电缆或光缆的传输距离 也可用于增加网段上挂接的节点数量 类型 电信号中继器 光信号中继器 2 11 1中继器 特点 仅在网络的物理层起作用 不以任何方式改变网络的功能 网段上的中继器两侧具有相同的通信速率 协议和地址 对所通过的数据不作任何处理 不能理解报文中的任何东西 只是简单地复制信号 2 11 2网桥 属于作用在物理层和数据链路层的存储转发设备 在两个相同类型的网段之间进行帧中继 在局域网之间进行存储或转发数据帧 用于在局域网中连接同一类型的不同网段 互连不同传输速率 不同传输介质的网络 具备寻址与路径选择功能 为接收到的数据帧决定正确的传输路径 并将数据帧送到目的地 2 11 2网桥 当网桥从一个局域网接收到一个数据帧后 对帧头进行检验修改 然后转发到另一个局域网或丢弃该帧 网桥与中继器区别在于 网桥具有使不同网段之间的通信相互隔离的逻辑 工作在物理层 数据链路层和网络层 为两个或两个以上网络之间的数据传输提供最佳路径选择 可以在多个互连设备之间转发数据包 当报文进入时 路由器读取报文中的目的地址 然后把这个报文转发到相应的网段中或丢弃没有目的地的报文 在具有独立地址控制 不同传输速率和传输媒体的网段间存储转发信号 要求节点网络层以上的各层使用相同或兼容的协议 2 11 3路由器 与网桥的主要区别 网桥独立于高层协议 向用户提供一个大的逻辑网络 路由器则是从路径选择角度为不同独立的子网用户之间的数据传输提供传输路线 并且比网桥有更大的流量控制能力和更强的异种网互连能力 2 11 3路由器 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的互连 网关在技术上与它所连接的两个网络的具体协议有关 用于不同网络间转换连接的网关是不相同的 允许在具有不同协议和报文组的两个网络之间传输数据 在工业数据通信中 最常见的应用就是把一个现场总线网络的信号送往另一个不同类型的现场总线网络 2 11 4网关 2 12网络参考模型 2 12 1ISO RM参考模型2 12 2TCP IP参考模型 国际标准化组织 ISO 提出的开放式系统互连 OSI OpenSystemInterconnect 参考模型 是基于国际标准化组织 ISO 的建议 作为各种层上使用的协议国际标准化的第一步而发展起来的 OSI参考模型采用了将异构系统互连的一种标准分层的结构 是一个概念上和功能上的框架标准 OSI参考模型是研究如何把开放式系统与其它系统通信 且将相互开放的系统连接起来的标准 根本目的就是 允许任意一支持某种可用标准的计算机的应用进程 自由地与任何支持统一标准的计算机的应用进程进行通信 2 12 1开放式系统互联 OSI 参考模型 OSI模型有7层 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 2 12 1OSI参考模型 应用层是OSI参考模型中的最高层 直接面向用户以满足用户不同需求的层次 是运用网络资源向应用程序直接提供服务的层次 应用层传输的基本单位是用户数据报文 2 12 1OSI参考模型 表示层用于处理两个网络系统中交换数据的表示方式 包括数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与解压缩等功能 表示层服务的主要内容是用人们能够一致同意的标准方法进行数据编码 表示层使用的规则是ISO8822 8823 8824 8825 其传输数据的基本单位是会话报文 2 12 1OSI参考模型 会话层建立 管理和终止应用程序之间的会话 为表示层服务 管理表示层之间的数据交换 会话间的同步 报告会话层 表示层和应用层中产生的错误 会话层的服务之一是管理对话 另一种会话服务是同步会话层传输数据的基本单位称为会话报文 2 12 1OSI参考模型 传输层 transportlayer 的基本功能是从会话层接收数据 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 传输层所传输数据的基本单位是会话报文 传输层采用近年来标准化的ISO8072 8073 如TCP UDP和SPX等协议 2 12 1OSI参考模型 主要功能 路由选择与中继 网络层的关键是路由选择 流量控制 网络连接与管理 网络层地址管理 网络层的地址有两种 逻辑地址和服务地址 网络层在OSI参考模型中是最复杂的一层 任务是完成网络中主机之间的报文传输 通过执行路由算法 为报文分组通过通信子网选择最佳路径 2 12 1OSI参考模型 数据链路层在物理层之上 通信实体之间建立数据链路连接 数据传送以帧为单位 2 12 1OSI参考模型 物理层是OSI参考模型的最底层 主要功能是定义终端之间的电压 频率 数据速率 最大传输距离 物理连接器等等电气 机械特性和标准 利用物理传输媒体为数据链路层提供物理连接 保证比特流的透明传输 物理层传输的基本单位是比特 也称为位 物理层典型的协议有RS232 RS449 RS423 RS422 RS485等 2 12 1OSI参考模型 OSI参考模型特点OSI标准的应用协议有 文件传送 访问与管理协议 FTAM 公共管理信息协议 CMIP 虚拟终端协议 VTP 远程数据库访问 RDA 协议等 层次结构将数据传输与数据处理分 第1 4层是面向通信的协议 而第5 7层是面向处理的协议 OSI参考模型本身不是网络体系结构的全部内容 因为它并没有确切地描述出用于各层的协议和实现方法 仅仅告诉我们每层应用完成的功能 OSI参考模型不仅适用于数据网 同样也适用于局域网 城域网和因特网 2 12 1OSI参考模型 OSI参考模型的数据传输 层次越靠上 其与信息处理的关系越密切 越靠下 其与通信的关系越密切 资源子网的节点 端节点 具有七层的全部功能 通信子网中节点 交换节点 可以简化为只有下面的三层 两个端节点通信时 上层使用下层提供的服务 同一层次通过对应的协议通信 所以同一层次通信时 并不关心下层的具体实现 这就是网络通信中 透明 的概念 2 12 1ISO参考模型 发送进程发送数据时 每一层都把从上层收到的报文看做要发送的数据 在该数据上加上该层的报头和必要的报尾 接收进程接收数据时 每一层去掉属于该层的报头和报尾后再把报文传给上一层 整个过程中最关键的概念是 虽然数据的实际传输方向是垂直的 但每一层在编程时却好像数据一直是水平传输的 数据单元在不同的层次中名称也不相同 物理层以比特流方式传输 数据链路层的数据单元称为帧 网络层的数据单元称为数据报文分组 传输层的数据单元称为报文 会话层 表示层 应用层的数据单元都统称为数据包 小结 OSI模型有3个主要概念 1 服务 2 接口 3 协议 OSI模型的最大贡献是使这3个概念之间的区别明确 每一层都为它上面的层提供一些服务 服务定义该层做什么 而不管上面的层如何访问它或该层如何工作 某一层的接口告诉上面的进程如何访问它 它定义需要什么参数以及预期结果