工业通信基础ppt课件

1、第二章内容第二章内容2.1工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 2. 数据编码数据编码 3. 数据传输数据传输 4. 差错控制差错控制2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1. 网络的传输媒介网络的传输媒介 2.工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 3.介质访问控制方式介质访问控制方式 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1. OSI参考模型参考模型 2. 网络互连网络互连 3. 现场总线通信协议模型现场总线通信协议模型 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 1Copyright by Wang Yonghua（

2、）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n基础知识基础知识l基本任务基本任务计算机技术和通信技术相结合，应用于工业自动化领域中，将工业计算机技术和通信技术相结合，应用于工业自动化领域中，将工业数据安全准确地传送到上层网络中，从而为实现真正的企业数据安全准确地传送到上层网络中，从而为实现真正的企业ERP提提供全生命周期的设备和现场数据。供全生命周期的设备和现场数据。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 2Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通

3、讯的基本概念 n基础知识基础知识l相关知识相关知识主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制和软硬件平台等。和软硬件平台等。l系统的基本组成系统的基本组成主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等组成。信协议等组成。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 3Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 基本术语基本术语l数据数据(D

4、ata)(Data)：数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字：数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。也可以说数据是传递（携带）信息的实体，信息母和符号。也可以说数据是传递（携带）信息的实体，信息(Information)(Information)则是数据的内容或解释则是数据的内容或解释模拟模拟(Analog)(Analog)数据数据；数字数字( (Digital)Digital)数据数据。l信号信号(Signal)(Signal)：数据的物理量编码（数据的物理量编码（通常为电编码）通常为电编码），数据以信号的形，数据以信号的形式传播式传播模拟信号模拟信号；数字

5、信号数字信号 。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 4Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 基本术语基本术语l信道信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。：传送信息的线路（或通路）。数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 5Copyright by Wang Yongh

6、ua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 基本术语基本术语l信道带宽信道带宽（Band Width）：数据通信系统的信道传输的是波信：数据通信系统的信道传输的是波信号号( (包括无线电、微波、光波等包括无线电、微波、光波等) )，带宽就是它所能传输波的最大，带宽就是它所能传输波的最大有效频率与最小有效有效频率与最小有效频率之差频率之差。l信道容量信道容量(Channel capacity) ：信道的传输能力是有一定限制的，：信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道

7、的最大传输速率，信道的最大传输速率，即信道容量即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 6Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 基本术语基本术语l码元码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。：时间轴上的一个信号编码单元。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 7Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.

8、工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 基本术语基本术语l数据传输速率数据传输速率 比特率比特率(Bit Rate)：每秒传递的：每秒传递的bit数数(bps，b/s)。 波特率（波特率（Baud Rate）：每秒传送的码元数。）：每秒传送的码元数。 Rbit = Rbaud log2M式中：式中：M为信号的有效状态数，即码元数。当为信号的有效状态数，即码元数。当M2时（二进制数时（二进制数表示信号波形），两者相等。一般来说波特率小于比特率。表示信号波形），两者相等。一般来说波特率小于比特率。l误码率误码率(Bit error rate)：信道传输的可靠性指标：信道传输的可靠性指标

9、P= 错误的位数错误的位数 / 传输的总位数传输的总位数工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 8Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础2. 数据编码数据编码 n为什么要进行数据编码？为什么要进行数据编码？l工业数据通信的任务是传送数据或指令等信息，而这些信息通常工业数据通信的任务是传送数据或指令等信息，而这些信息通常用离散的二进制用离散的二进制0、1序列的方式来表示，即用序列的方式来表示，即用0、1的不同组合来的不同组合来表示不同的信息内容。例如用表示不同的信息内容。例如用00、01、10、11来分别表示电动来分别表示电动机的停止

10、、运行、错误和不确定等四个状态。机的停止、运行、错误和不确定等四个状态。l通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通信各方的认同。信各方的认同。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 9Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础2. 数据编码数据编码 n编码和调制编码和调制l用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码l用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 10Copyrig

11、ht by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础2. 数据编码数据编码 n数据传输种类数据传输种类l不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种组种组合，每一种组合相应地需要进行不同的处理。合相应地需要进行不同的处理。 数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据 信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 11Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础2.数据

12、编码数据编码 n数字数据的数字数据的数字编码数字编码l定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。状态。l数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码、Manchester编码等。工业通信中常用的是非归零码和编码等。工业通信中常用的是非归零码和Manchester编码。编码。l非归零码：逻辑非归零码：逻辑1表示高电平，逻辑表示高电平，逻辑0表示低电平，在整个码元期间都维表示低电平，在整个码元期间都维持有效电平的编码。持有效电平的编码。优点：能够比较有效地利用信道

13、的带宽，这是最常用的编码之一。优点：能够比较有效地利用信道的带宽，这是最常用的编码之一。缺点：不具备缺点：不具备自同步机制自同步机制，必须使用外同步。，必须使用外同步。l曼彻斯特编码：曼彻斯特编码：在每个码元的中间都要发生跳变在每个码元的中间都要发生跳变。接收端可将此变化提。接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。是取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。是工业数据通信中最常用的一种基带信号编码工业数据通信中最常用的一种基带信号编码优点：不需要外同步信号。优点：不需要外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的缺点：需要

14、双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。倍）。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 12Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 13Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础2.数据编码数据编码 n数字数据的调制编码数字数据的调制编码l定义：定义：用模拟信号来表示数据的用模拟信号来表示数据的0、1状态。状态。l基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波载波 S(t) = A

15、cos ( t+ ) S(t)的参量包括：的参量包括： 幅度幅度A、频率频率 、相位相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化l常用技术常用技术 幅移键控幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅，调幅频移键控频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频。，调频。相移键控相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相，调相 举例说明：举例说明：PSK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两

16、个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)。现场总线的。现场总线的HART通信信号采用这种编码方式。通信信号采用这种编码方式。PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 (同相同相)和和1(反相反相)工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 14Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 15Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础3. 数据传输数据传输 n 数据通信方式（数据流动方向）数据通信方式（数据流动

17、方向）l 单工：单工：数据单向传输。例如无线电广播、计算机与键数据单向传输。例如无线电广播、计算机与键盘之间；盘之间；l 半双工：半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输。例数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输。例如对讲机。这种方式具有控制简单可靠、通信成本低等优点。工如对讲机。这种方式具有控制简单可靠、通信成本低等优点。工业数据通信中常用这种方式。业数据通信中常用这种方式。l全双工：全双工：数据可同时双向传输。例如电话，计算机与计算机之间。数据可同时双向传输。例如电话，计算机与计算机之间。这种方式控制相对复杂，系统成本高，但通信效率高。这种方式控制相对复杂，系统成本高，但通信

18、效率高。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 16Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础3. 数据传输数据传输 n 数据传输方式数据传输方式l 串行传输（串行传输（Serial Transmission）：）：数据流以串行方式逐数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是位地在一条信道上传输。每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是先发数据的高位还是低位；同理，接收方也必须知道所收到字节的第一先发数据的高位还是低位；同理，接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该在什么位置。个数据位应该在什么

19、位置。这种方式适合距离较远的数据通信，但需要这种方式适合距离较远的数据通信，但需要在收发双方采取同步措施。在收发双方采取同步措施。l 并行传输（并行传输（Parallel Transmission)：数据以成组的方式数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。每个数据位使用单独的一条在两条以上的并行通道上同时传输。每个数据位使用单独的一条导线，所以它可以同时传输一组数据位。因为它有一条导线，所以它可以同时传输一组数据位。因为它有一条“选通选通”线通知接收方接收数据，所以不需要特别的措施实现收发双方的线通知接收方接收数据，所以不需要特别的措施实现收发双方的同步。显然，这种方式成本高，不适合远

20、距离的通信。同步。显然，这种方式成本高，不适合远距离的通信。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 17Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0b0b1b2b3b4b5b6b7串行信道并行信道(a)并行数据传输(b)串行数据传输18Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础3.数据传输数据传输 n数据传输方式数据

21、传输方式l异步传输：异步传输：每个每个字符字符作为一个单元独立传输，字符之间的传输间隔任意。作为一个单元独立传输，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1 1位、位、1.51.5位或位或2 2位停止位，构成一个个的位停止位，构成一个个的“字符字符”。这里的。这里的“字符字符”指指异步传输的数据单元，不同于异步传输的数据单元，不同于“字节字节”，一般略大于一个字节。，一般略大于一个字节。l异步传输使用的是字符同步方式。异步传输使用的是字符同步方式。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基

22、础知识 起始位数据位0数据位1数据位2数据位3数据位4数据位5数据位6校验位停止位停止位字符2字符1字符3字符4任意间隔任意间隔任意间隔19Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础3.数据传输数据传输 n数据传输方式数据传输方式l同步传输：同步传输：同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位起始位，而是在数据符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位起始位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合块前面加特殊模式的位组合( (如如01111

23、110)01111110)或同步字符或同步字符(SYN)(SYN)，并且通过，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 0111111001111110BAX. .01111110SYNSYNBAX. .SYN同步字符(一个或多个)同步位模式(一个或多个)可变长度的位数据块可变长度的字符数据块20Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础3.数据传输数据传输 n数据同步方式数据同步方式l位同步（位同步（bit sy

24、nchronous）：）：目的是使接收端接收的每一位信目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。息都与发送端保持同步。面向位块的同步传输面向位块的同步传输外同步外同步发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时发送端发送同步时钟信号，接收方用它来锁定自己的时钟脉冲频率。钟脉冲频率。自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 l面向字符块的同步传输面向字符块的同步传输工业网络与通信工业网络与通信基础知

25、识基础知识 21Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础4. 差错控制差错控制n产生差错的原因：产生差错的原因：l信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；l信号反射；信号反射；l串扰串扰(是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声线上的噪声 )；l闪电、大功率电机的启停等。闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。n如何提高通信质量？如何提高通信质

26、量？l采用高质量的通信线路采用高质量的通信线路l在外部采取抗干扰措施在外部采取抗干扰措施工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 22Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础4. 差错控制差错控制n如何提高通信质量？如何提高通信质量？l采用差错控制方法采用差错控制方法一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。原理：对所传输的数据进行抗干扰编码，即按一定的规则给被传送原理：对所传输的数据

27、进行抗干扰编码，即按一定的规则给被传送的数据增加一定的冗余码。冗余码与被传送的信息码一起发送，经的数据增加一定的冗余码。冗余码与被传送的信息码一起发送，经信道传输后，接收端按照与发送端约定的译码规则进行译码，从而信道传输后，接收端按照与发送端约定的译码规则进行译码，从而发现错误或纠正错误。发现错误或纠正错误。检测码检测码：能够发现错误的编码称为检测码。检测码实现容易，代价：能够发现错误的编码称为检测码。检测码实现容易，代价小，所以在通信系统中使用得较多。小，所以在通信系统中使用得较多。纠错码纠错码：能够发现错误并能纠正错误的编码称为纠错码。：能够发现错误并能纠正错误的编码称为纠错码。工业网络与

28、通信工业网络与通信基础知识基础知识 23Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础4. 差错控制差错控制n奇偶校验（奇偶校验（Parity Checking）l原理：在原始数据字节中增加一个附加比特位，使结果中原理：在原始数据字节中增加一个附加比特位，使结果中1的个的个数为奇数数为奇数(奇校验奇校验)或偶数或偶数(偶校验偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。增加的位称为奇偶校验位。l举例：举例：原始数据原始数据=1100010，采用偶校验。，采用偶校验。 则增加校验位后的数据为则增加校验位后的数据为11000101 若接收方收到的字节奇偶结果不正

29、确，就可以知道传输中发生了错若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。误。l检错能力：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特检错能力：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。位错则无能为力。 11000101 11011101工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 24Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础4. 差错控制差错控制n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） 一种通过一种通过多项式除法多项式除法检测错误的方法。检测错误的方法。l

30、检错思想：收发双方约定一个检错思想：收发双方约定一个生成多项式生成多项式G(x)，发送方在帧的末，发送方在帧的末尾加上尾加上校验和校验和，使带校验和的帧的多项式能被，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除整除。接收方。接收方收到后，用收到后，用G(x)除多项式，若除多项式，若有余数，则传输有错有余数，则传输有错。l校验和计算方法校验和计算方法 若若G(x)为为r阶，则在原帧后面添加阶，则在原帧后面添加r个个0 按模按模2除法得出余数除法得出余数 形成要传送的带校验和的帧的多项式形成要传送的带校验和的帧的多项式T(x)工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 25Copyright by W

31、ang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础4. 差错控制差错控制n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l举例举例工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 26Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础4. 差错控制差错控制n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l其实其实CRC中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经过严格的数学分析与实验。目前有多种生

32、成多项式被列为国际标准，如：过严格的数学分析与实验。目前有多种生成多项式被列为国际标准，如：CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 lCRC错误检测方法大约能检查出错误检测方法大约能检查出99.95%以上的错误。以上的错误。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 27Copyright by Wang Yonghua（）2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础4. 差错控制差错控制n海明码海明码 l海明距离：一个有效编码集中，任意两个码字的对应位取值不同的个数海明距离：一个有效编码集中，任意两个码字的对应位取值不同的

33、个数的最小值称为该编码集的海明距离。的最小值称为该编码集的海明距离。如：有效编码集如：有效编码集10110、11010的海明距离为的海明距离为2；有效编码集有效编码集10101、01111的海明距离为的海明距离为3；有效编码集有效编码集10110、11010、10101、01111的海明距离为的海明距离为2。l海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。如果需检测出如果需检测出d个错误，则海明距离至少应为个错误，则海明距离至少应

34、为d+1；如果要能纠正如果要能纠正d个错误，则编码集中的海明距离至少应为个错误，则编码集中的海明距离至少应为2d+1。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 28Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介 有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星等各种通信介质。无线传输介质：包括无线电、微波、卫星等各种通信介质。 工业通信中常用的是有线传输介质。工业通信中常用的是有线传输介质。n双绞线（双绞线（twisted pair)tw

35、isted pair)l每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约径大约1mm1mm。双绞线绞在一起的目的就是减少电磁干扰，提高传输质量。双绞线绞在一起的目的就是减少电磁干扰，提高传输质量。l双绞线可以用于传输模拟信号或数字信号。双绞线可以用于传输模拟信号或数字信号。l计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP(STP，Shielded Twisted Pair)Shielded Twisted Pair)：抗干扰性好，性

36、能高，：抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，但工业通信系统中广泛使用但工业通信系统中广泛使用STPSTP。非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP(UTP，Unshielded Twisted Pair)Unshielded Twisted Pair)：非屏蔽双绞线的：非屏蔽双绞线的传输距离一般为传输距离一般为100100米。米。非屏蔽双绞线有非屏蔽双绞线有1 1、2 2、3 3、4 4、5 5五类，常用的是五类，常用的是3 3类线和类线和5 5类线，类线，5 5类线既可支持类线既可支持100Mbps1

37、00Mbps的快速以太网连接，又可支持到的快速以太网连接，又可支持到150Mbps150Mbps的的ATMATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 29Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 30Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 内芯31Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业

38、网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介n光缆：即光导纤维。根据材料的不同，分为玻璃光纤、塑料光纤等。光纤通信的原理光缆：即光导纤维。根据材料的不同，分为玻璃光纤、塑料光纤等。光纤通信的原理是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射全反射，光，光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 入射光1122折射光折射光反射光3光密介质光疏介质32Copyright by Wa

39、ng Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构1.网络的传输媒介网络的传输媒介l光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器光源光源: 850nm/1300nm/1500nm: 850nm/1300nm/1500nm， 发光二极管发光二极管 / / 激光二极管激光二极管介质介质: : 光纤光纤光检测器光检测器: : 光电二极管光电二极管n无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际上或安装上有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使用的不多。

40、工业通信网络的底层使用的不多。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 33Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构2. 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和树形等。树形等。n总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工业通信网络中最常用的一种拓扑形式。业通信网络中最常用的一种拓扑形式。l特点：特点：通

41、信可以是点对点方式，也可以是广播方式；通信可以是点对点方式，也可以是广播方式；接入容易，扩展方便；接入容易，扩展方便；节省电缆。节省电缆。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 34Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构2. 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 n星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点中央节点，任何节，任何节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变化。常用于节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变化。常用于节

42、点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。n特点特点维护、管理简单；维护、管理简单；每个结点的通信负担很小，所以冲突小。每个结点的通信负担很小，所以冲突小。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 35Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构2. 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 n环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。一个设备到另一个设

43、备单向传输，直到信号到达目的地为止。l特点特点各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制；各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；一个设备故障会导致整个网络瘫痪，因此在一些重要的场合需要采一个设备故障会导致整个网络瘫痪，因此在一些重要的场合需要采用双环。用双环。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 36Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3. 介质访问控制方式介质访问控制方式 n定义：定义： 在计算机网络中，将传输介质的频带有效地分配给网

44、络上各站点的在计算机网络中，将传输介质的频带有效地分配给网络上各站点的用户的方法称为用户的方法称为介质访问控制方法或协议介质访问控制方法或协议。介质访问控制方法对网络的响应。介质访问控制方法对网络的响应时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度上时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度上取决于所选用的介质访问控制协议。取决于所选用的介质访问控制协议。 n多路复用技术多路复用技术l定义：定义：在实际的计算机网络系统中，在实际的计算机网络系统中，为了有效地利用通信电路为了有效地利用通信电路，总是利用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路总是利

45、用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。在信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。在远距离传输时，多路复用技术可以大大节省电缆的安装和维护费远距离传输时，多路复用技术可以大大节省电缆的安装和维护费用。用。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 37Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3. 介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术多路复用技术l多路复用技术种类：频分多路复用和时分多路复用多路复用技术种类：频分多路复用和时分多路复用 。工业网络与通信

46、工业网络与通信基础知识基础知识 38Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3.介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术（频分多路复用多路复用技术（频分多路复用Frequency Division Multiplexing）工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 39Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3.介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术（时分多路复用多路复用技术（时分多路复用Time Division Multiplexing） 工业网络与通信工业网络

47、与通信基础知识基础知识 40Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3.介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术多路复用技术l时分多路复用（时分多路复用（ Time Division Multiplexing）同步时分同步时分：同步时分多路复用是指时分方案中的：同步时分多路复用是指时分方案中的时间片是分配好的时间片是分配好的，而且是固定不变地轮流占用而且是固定不变地轮流占用，而不管某个信息源是否真的有信息要，而不管某个信息源是否真的有信息要发送。这样，时间片与信息源是固定对应的，或者说，各种信息源发送。这样，时间片与信息源是固定对应

48、的，或者说，各种信息源的传输与定时是同步的。的传输与定时是同步的。异步时分异步时分（统计时分）：异步时分多路复用（统计时分）：异步时分多路复用允许动态地分配传输媒允许动态地分配传输媒介的时间片介的时间片，这样可以大大地减少时间片的浪费。，这样可以大大地减少时间片的浪费。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 41Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 42Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3.介质访问控制方式介质访问控制方式 n多

49、路复用技术多路复用技术l时分多路复用（时分多路复用（ Time Division Multiplexing）异步时分（统计时分）异步时分（统计时分）轮转轮转 每个站轮流地获得发送机会，这种技术适合于交互式的终每个站轮流地获得发送机会，这种技术适合于交互式的终端对主机通信。端对主机通信。 预约预约 介质上的时间被分割成时间片，网上的站点要发送信息，介质上的时间被分割成时间片，网上的站点要发送信息，必须必须事先预约可以占用的时间片事先预约可以占用的时间片，这种技术适合于数据流的通，这种技术适合于数据流的通信。信。 争用争用 所有站点都能争用介质的使用权，这种技术实现起来简所有站点都能争用介质的使用

50、权，这种技术实现起来简单，对轻负载或中等负载的系统比较有效，单，对轻负载或中等负载的系统比较有效，适合于突发式的通适合于突发式的通信。信。工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 43Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3.介质访问控制方式介质访问控制方式 n带冲突检测的载波监听多路访问带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CDl载波监听多路访问（载波监听多路访问（CSMA，Carrier Sense Multiple Access）网络站网络站点监听载波是否存在，即判断信道是否被占用，并采取相应的措施，它点监听载波是否存在，即判断

51、信道是否被占用，并采取相应的措施，它是是一种争用协议一种争用协议。原则：发前监听，空闲即发，忙时等待。原则：发前监听，空闲即发，忙时等待。不足：由于信道的传播延迟，当总线上两个站点监听到总线没有信号而发送不足：由于信道的传播延迟，当总线上两个站点监听到总线没有信号而发送帧时，仍会产生冲突。由于帧时，仍会产生冲突。由于CSMA中没有检测冲突的功能，所以即使冲突已中没有检测冲突的功能，所以即使冲突已经发生，仍然要把已破坏的帧发送完，结果造成了总线的利用率降低。经发生，仍然要把已破坏的帧发送完，结果造成了总线的利用率降低。 l带冲突检测的载波监听多路访问（带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD

52、，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection） 该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为IEC802.3，就是以，就是以太网标准，已在局域网中广泛使用。太网标准，已在局域网中广泛使用。原则：原则：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 44Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3.介质访问控制方式介质访问控制方式 n

53、令牌环（令牌环（Token Ring）介质访问方式）介质访问方式l工作过程举例工作过程举例工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 45Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3. 介质访问控制方式介质访问控制方式 n令牌总线（令牌总线（Token Bus）介质访问方式）介质访问方式l定义：定义：从物理上看，这是一种总线结构的局域网，共享的传输介质。从从物理上看，这是一种总线结构的局域网，共享的传输介质。从逻辑上看，这是一种环形结构的局域网，每个站点被赋予一个顺序的逻逻辑上看，这是一种环形结构的局域网，每个站点被赋予一个顺序的逻辑位置。

54、在这个逻辑环中，令牌依次传递，站点只有取得令牌才能发送辑位置。在这个逻辑环中，令牌依次传递，站点只有取得令牌才能发送帧。帧。工作过程：工作过程：在正常运行时，当某站点完成了它的发送，就将令牌送在正常运行时，当某站点完成了它的发送，就将令牌送给下一个站点。带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有的站点，给下一个站点。带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有的站点，当目的站点识别出符合它的地址后，就接收该令牌帧。当目的站点识别出符合它的地址后，就接收该令牌帧。特点特点因为只有拥有令牌的站点才能发送数据帧到总线，所以就避免因为只有拥有令牌的站点才能发送数据帧到总线，所以就避免了冲突；了冲突；令牌总线的帧可以

55、设置得很短，和令牌总线的帧可以设置得很短，和CSMA/CD相比，这样减少了相比，这样减少了开销，相当于增加了网络的容量。开销，相当于增加了网络的容量。l令牌总线是现场总线中最常用的介质控制方式，比如令牌总线是现场总线中最常用的介质控制方式，比如PROFIBUS。 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 46Copyright by Wang Yonghua（）2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构3. 介质访问控制方式介质访问控制方式 l举例举例 工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 47Copyright by Wang Yonghua（）2.3 开放系统互连参考模型开放系统

56、互连参考模型7应用应用7应用应用6表示表示6表示表示5会话会话5会话会话4传送传送4传送传送3网络网络3网络网络2链路链路2链路链路1物理物理1物理物理通信线路通信线路H2H3H4H5H6H7数据 T2H2H3H4H5H6H7数据 T2H3H4H5H6H7数据H4H5H6H7数据H5H6H7数据H6H7数据H7数据数据H2H3H4H5H6H7数据 T2H2H3H4H5H6H7数据 T2H3H4H5H6H7数据H4H5H6H7数据H5H6H7数据H6H7数据H7数据数据S2S11、OSI模型模型48Copyright by Wang Yonghua（）2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型n 协议数据单元协议数据单元 l OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元据单元(PDU,Protocol Data Unit)。l 传输层及以下各层的传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：另外还有各自特定的名称： 传输层传输层数据段（数据段（Segment） 网络层网络层分组（数据报）（分组（数据报）（Packet） 数据链路层数据链路层数据帧（数据帧（Frame） 物理层物理层比特（比特（Bit）工业网络与通信工业网络与通信基础知识基础知识 49Copyright by Wang Yonghua（）