计算机控制技术 课程第06章 计算机控制中的网络与通信技术

1、2021-12-10计算机控制技术12021-12-10计算机控制技术22021-12-10计算机控制技术32021-12-10计算机控制技术42021-12-10计算机控制技术52021-12-10计算机控制技术62021-12-10计算机控制技术7采用局域网，传输采用局域网，传输速率较高，误码率速率较高，误码率较低。组网方便，较低。组网方便，技术简单。技术简单。传输距离远，传输传输距离远，传输速率较低，误码率速率较低，误码率较高。机制复杂。较高。机制复杂。局域网局域网 指几公里的地理范指几公里的地理范围内将计算机、外设和通围内将计算机、外设和通信设备互连在一起的网络信设备互连在一起的网络系

2、统。系统。广域网广域网 涉及的范围较涉及的范围较大，通常可以达到几十大，通常可以达到几十公里、几百公里，甚至公里、几百公里，甚至更远。更远。2021-12-10计算机控制技术8 2021-12-10计算机控制技术9 2021-12-10计算机控制技术10 2021-12-10计算机控制技术11 2021-12-10计算机控制技术122021-12-10计算机控制技术132021-12-10计算机控制技术142021-12-10计算机控制技术15 。2021-12-10计算机控制技术16DataDataData主机终端终端终端主机终端终端通信处理机主机终端通信子网通信子网资源子网资源子网通信处理

3、机2021-12-10计算机控制技术17 2021-12-10计算机控制技术18应应 用用 层层表表 示示 层层会会 话话 层层传传 输输 层层网网 络络 层层物物 理理 层层 数据链路层数据链路层逻辑链路控制层（逻辑链路控制层（LLC）介质存取控制层（介质存取控制层（MAC）2021-12-10计算机控制技术19 2021-12-10计算机控制技术20 2021-12-10计算机控制技术212021-12-10计算机控制技术22 2021-12-10计算机控制技术23 2021-12-10计算机控制技术242021-12-10计算机控制技术252021-12-10计算机控制技术26NNN-1

4、N-1物理层物理层物理层物理层OSI环境下的层间通信环境下的层间通信2021-12-10计算机控制技术272021-12-10计算机控制技术28分支结点分支结点中央结点中央结点星形结构示意图星形结构示意图2021-12-10计算机控制技术29 2021-12-10计算机控制技术30 2021-12-10计算机控制技术31计算机计算机终接器终接器 总线结构示意图总线结构示意图2021-12-10计算机控制技术32 2021-12-10计算机控制技术33闭合回路闭合回路计算机计算机 环形结构示意图环形结构示意图2021-12-10计算机控制技术34 2021-12-10计算机控制技术35闭合回路闭

5、合回路计算机计算机环星形结构示意图环星形结构示意图2021-12-10计算机控制技术362021-12-10计算机控制技术37 2021-12-10计算机控制技术38IEEE802标准标准网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC媒体访问控制媒体访问控制 MAC高层高层 OSI IEEE 802物理层物理层PHY由由NOS来实现来实现2021-12-10计算机控制技术39IEEE 802.3的体系结构与功能实现 物理层物理层站接口站接口数据封装数据封装/解封（解封（MAC 帧）帧）链路管理（链路管理（CSMA/CD协议）协议）曼彻斯特编码曼彻斯特编码/译码译码

6、发送发送/接收接收MACLLC2021-12-10计算机控制技术40 2021-12-10计算机控制技术41 2021-12-10计算机控制技术42 CSMA/CD又称随机访问技术或争用技术。主要用于总线形网络。 工作原理是：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中已有某结点发送信息（信道被占用），该结点就需要等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。 多个结点共同使用同一条线路，任何结点发送信息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输。 2021-12-10计算机控制技术432021-12-10计算机控制技术44 CSMA/CD技术中，需解决

7、信道被占用 时 和 两个问题。 当某结点检测到信道被占用后，继续检测下去，待发现信道空闲时，立即发送。 当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。 等待占用的时间等待占用的时间信息冲突信息冲突2021-12-10计算机控制技术45当某结点开始占用网络信道发送信息时，该点再继续对网络检测一段时间，也就是说该点一边发送一边接收，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若比较结果相同，说明发送正常进行，可以继续发送；若比较结果不同，说明网络上还有其它结点发送信息，引起数据混乱，发生冲突，此时应立即停止发送，等待一个随机时间后，再重复以上过程。202

8、1-12-10计算机控制技术46 原理较简单，且技术上较易实现。 网络中各结点处于同等地位，无需集中控制。 不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重的情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。CSMA/CD可归结为四句话：可归结为四句话： 发前先侦听，空闲即发送，发前先侦听，空闲即发送， 边发边检测，冲突时退避。边发边检测，冲突时退避。2021-12-10计算机控制技术47 2021-12-10计算机控制技术48 令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。 令牌有“空”和“忙”两个状态。“空”表示令牌没有被占用，“忙”

9、表示令牌正在携带信息发送。 当“空”的令牌传送至正待发送信息的结点时，该结点立即发送信息并置令牌为“忙”状态。在一个结点占令牌期间；其它结点只能处于接收状态。 当所发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。 当下一个结点要发送信息时，则下一个结点便得到这一令牌，并可发送信息。 2021-12-10计算机控制技术49Token Ring/802.5的操作举例ATATATDataCTDataCTDataCTDataCData（a）（b）（c）帧循环一圈后帧循环一圈后A将数据帧回收将数据帧回收并放出空令牌并放出空令牌A有数据要发有数据要发送，它抓住空送，它抓住空令

10、牌令牌A将令牌修改将令牌修改为数据帧，并为数据帧，并加挂数据加挂数据2021-12-10计算机控制技术50能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路的利用率；控制电路复杂。2021-12-10计算机控制技术512021-12-10计算机控制技术52 2021-12-10计算机控制技术53 LAN网络适配器是实现LAN物理层和链路层的硬件接口板。只需选用几片LAN协议专用的集成电路芯片，再外加一部分辅助电路或存储器，就可以设计一块符合IEEE802标准的LAN网络接口板。2021-12-10计算机控制技术542021-12-10

11、计算机控制技术55内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线， 1mm-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点： 成本低成本低 密度高、节省空间密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离较短连接距离较短l双绞线2021-12-10计算机控制技术56 双绞线制作标准：双绞线制作标准： （1）EIA/TIA 568A 标准：白绿绿白橙蓝白标准：白绿绿白橙蓝白

12、蓝橙白棕棕蓝橙白棕棕 （从左起）（从左起） （2）EIA/TIA 568B 标准：白橙橙白绿蓝白标准：白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕蓝绿白棕棕 （从左起）（从左起） 连接方法有两种：连接方法有两种： （1） 直通线：双绞线两边都按照直通线：双绞线两边都按照EIAT/TIA 568B 标标准连接。准连接。 （2） 交叉线：双绞线一边是按照交叉线：双绞线一边是按照EIAT/TIA 568A 标标准连接，另一边按照准连接，另一边按照EIT/TIA 568B 标准连接。标准连接。2021-12-10计算机控制技术57制作双绞线 EIATIA 568B的标准(白橙-橙-白绿-蓝-白蓝-绿-白棕-棕）测线仪测线

13、仪压线钳压线钳RJ-45水晶头水晶头2021-12-10计算机控制技术582021-12-10计算机控制技术592021-12-10计算机控制技术60l地面微波接力两个地面站之间传送两个地面站之间传送距离：距离：50 -100 km2021-12-10计算机控制技术61与地面站相对固定位置与地面站相对固定位置使用使用3个卫星覆盖全球个卫星覆盖全球传输延迟时间长传输延迟时间长2021-12-10计算机控制技术62l（Global Positioning System）。一个由覆盖全球的24颗卫星 组成的卫星系统。系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该

14、观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地lGPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。目的是为陆海空提供实时、 全天候和全球性导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。l GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分GPS星座;地面控制部分地面监控系统; 用户设备部分GPS 信号接收机2021-12-10计算机控制

15、技术63 固定终端点（基站）和固定终端点（基站）和终端之间是无线链路终端之间是无线链路BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端BSF1, F2, F3 = 使用的频率2021-12-10计算机控制技术64 传输媒体传输媒体 速率速率 传输距离传输距离 性能性能(抗抗干扰性干扰性) 价格价格 应用应用 双绞线双绞线 10-1000Mb/s 几十几十 kM 可以可以 低低 模拟模拟/数字传输数字传输 50 同轴电缆同轴电缆 10Mb/s 3kM 内内 较好较好 略 高 于略 高 于双绞线双绞线 基带数字信号基带数字信号 75 同轴电缆同轴电缆 300-450MHz 100kM 较好较好 较高

16、较高 模拟传输电视、模拟传输电视、数据及音频数据及音频 光纤光纤 几十几十 Gbps 30kM up 很好很好 较高较高 远距离传输远距离传输 短波短波 50MHz 全球全球 较差较差 较低较低 远程低速通信远程低速通信 地面微波接力地面微波接力 4-6GHz 几百几百 kM 好好 中等中等 远程通信远程通信 卫星卫星 500MHz 18000kM 很好很好 与 距 离与 距 离无关无关 远程通信远程通信 2021-12-10计算机控制技术652021-12-10计算机控制技术66LAN互连的必要性：互连的必要性： 地域限制、负载问题、互通问题、安全问题地域限制、负载问题、互通问题、安全问题L

17、AN互连互连的困难的困难： 帧格式不同、帧格式不同、传输速传输速率不同、最大帧长不同率不同、最大帧长不同LAN互连互连的实现：的实现： 中继器中继器/HUB 在物理层上实现互联在物理层上实现互联 网桥网桥 在数据链路层上实现互联在数据链路层上实现互联 路由器路由器 在网络层上实现互联在网络层上实现互联2021-12-10计算机控制技术67 2021-12-10计算机控制技术68 2021-12-10计算机控制技术69 2021-12-10计算机控制技术70 2021-12-10计算机控制技术71 2021-12-10计算机控制技术722021-12-10计算机控制技术736.1.6 传统以太网

18、2021-12-10计算机控制技术742021-12-10计算机控制技术753. 802.3布线介质标准10Base5 粗同轴粗同轴10Base2 细同轴细同轴10BaseT 双绞线双绞线 100BaseT 双绞线双绞线100BaseF MMF/SMF1000BaseX 屏蔽短双绞线屏蔽短双绞线/MMF/SMF1000BaseT 双绞线双绞线10 Base 52021-12-10计算机控制技术7610Base52021-12-10计算机控制技术7710Base22021-12-10计算机控制技术7810BaseT2021-12-10计算机控制技术796.1.7 快速以太网1. 100Mbps

19、快速以太网快速以太网又称快速以太网又称快速以太网(Fast Ethernet，FE)，包括，包括100Base-TX和和100Base-FX。与与10Mbps网络的比较：网络的比较：拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样；拓扑结构和媒体布线方法几乎完全一样；传输率快传输率快10倍；倍；帧结构和介质访问控制方式沿用帧结构和介质访问控制方式沿用IEEE802.3。 3种不同的物理层标准：种不同的物理层标准：MAC子层子层100BaseFX100BaseTX2对对5类类 UTP光纤光纤4对对3、4、5类类 UTP100BaseT42021-12-10计算机控制技术802. 千兆以太网千兆以太网(Giga

20、bit Ethernet，GE)两种标准：两种标准：802.3z和和802.3ab802.3z 1000BaseX 屏蔽短双绞线屏蔽短双绞线/MMF/SMF802.3ab 1000BaseT 无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线(5类，类，6类类)连接距离较短：连接距离较短：1000BaseX:双绞线双绞线 - 25米；米；MMF - 550米；米；SMF - 3km1000BaseT: 5类双绞线类双绞线 100米米 拓扑结构和媒体布线方法同拓扑结构和媒体布线方法同10/100BaseT相同；相同； 传输速率比传输速率比100BaseT快快10倍；倍； 帧结构和介质访问控制方式仍沿用帧结构和介质访问控制

21、方式仍沿用IEEE802.3。 允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。允许网络平滑升级到千兆主干，具有较好的兼容性。2021-12-10计算机控制技术81以网络交换机为主干的以太网以网络交换机为主干的以太网拓扑仍为星形结构拓扑仍为星形结构总线网络或基于集线器的网络：总线网络或基于集线器的网络：网络总带宽网络总带宽=10Mbps，n个站点共享，每站点平均带宽个站点共享，每站点平均带宽10/n Mbps；基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受基于网络交换机的网络：允许多个信道同时传输信息，不受CSMA/CD的限制，的限制， 网络总带宽网络总带宽=（n/2n）*10Mbps，每

22、个连接的带宽为，每个连接的带宽为10Mbps ；2021-12-10计算机控制技术82使用交换机后，可建立多个并发使用交换机后，可建立多个并发的通信。例如：的通信。例如：8个端口可建立个端口可建立4个并发通信，个并发通信，总带宽总带宽 = (8/2)*10Mbps = 40 Mbps在访问服务器的流量非常大的网在访问服务器的流量非常大的网络中，可在交换机上设置络中，可在交换机上设置1-2个高个高速端口速端口(100Mbps/1Gbps)，把服，把服务器与该高速端口相连，便可大务器与该高速端口相连，便可大大提高服务器访问的速度。这种大提高服务器访问的速度。这种连接服务器的方法又称为连接服务器的方

23、法又称为Big-Pipe。10Mbps 网络交换机网络交换机2021-12-10计算机控制技术83交换机的两种用法交换机的两种用法(以以10Mbps网络交换机为例网络交换机为例)： (1) 端口下接站点：站点独占端口下接站点：站点独占10Mbps带宽带宽 (2) 端口下接网段：网段中所有站点共享端口下接网段：网段中所有站点共享10Mbps带宽带宽共享共享10M独享独享10M共享共享10M独享独享10M网络交换机网络交换机SwitchHUBHUB2021-12-10计算机控制技术844. 万兆以太网 随着网络应用的快速发展，高分辨率图象、视频随着网络应用的快速发展，高分辨率图象、视频和其他大数据

24、量的数据类型都需要在网上传输，和其他大数据量的数据类型都需要在网上传输，促使对带宽的要求日益增长，并对计算机、服务促使对带宽的要求日益增长，并对计算机、服务器、集线器、交换机造成越来越大的压力。器、集线器、交换机造成越来越大的压力。 10G10G以太网由此诞生，以太网由此诞生，10G10G以太网标准定名为以太网标准定名为IEEE802.3aeIEEE802.3ae。有以下三类网络：。有以下三类网络： 局域网中的局域网中的10G10G以太网、以太网、 城域网中的城域网中的10G10G以太网、以太网、广域网中的广域网中的10G10G以太网。以太网。2021-12-10计算机控制技术852021-1

25、2-10计算机控制技术862021-12-10计算机控制技术872021-12-10计算机控制技术88 2021-12-10计算机控制技术89 任何一个通信系统都可以借助如图所示的通信系统模型来抽象地进行描述。 噪声噪声N ( t )输出数据输出数据d或信或信号号d ( t ) 信息源信息源发信机发信机传输媒介传输媒介噪声源噪声源收信机收信机受信者受信者通信系统模型示意框图通信系统模型示意框图输入数据输入数据d或或信号信号d(t)发送信号发送信号 s(t)接收信号接收信号 r(t)2021-12-10计算机控制技术902021-12-10计算机控制技术91。 （a）模拟信号）模拟信号 t u

26、0 1 0 0 1 （b）数字信号）数字信号 t u传输信号示意图传输信号示意图2021-12-10计算机控制技术922021-12-10计算机控制技术932021-12-10计算机控制技术9411110000原始信号原始信号（a）调幅）调幅（b）调频）调频（c）调频）调频（d）调相）调相（e）调相）调相相位连续相位连续相位不连续相位不连续绝对相位绝对相位相对相位相对相位2021-12-10计算机控制技术952021-12-10计算机控制技术96 2021-12-10计算机控制技术97 2021-12-10计算机控制技术98图6.10 异步通信信息帧格式数据位奇偶校验位空闲位起始位停止位第n个字符第n+1个字符0/10/10/10/10/10/10/10/1111002021-12-10计算机控制技术99图 6.11发送、接收时钟和信息位发 送 时 钟信 息 位接 收 时 钟通 信