第七章_测控系统中的网络与通信技术(概述)

1、第七章第七章计算机测控系统中的网络与通信技术计算机测控系统中的网络与通信技术计算机网络的定义计算机网络的定义计算机网络的分类计算机网络的分类计算机网络的协议层次模型计算机网络的协议层次模型计算机局域网计算机局域网计算机网络互联设备计算机网络互联设备以太网以太网1 1 计算机网络概述计算机网络概述1 .11 .1计算机网络的定义计算机网络的定义计算机网络是指把若干台地理位置不同且具有计算机网络是指把若干台地理位置不同且具有独立功能的计算机或设备，通过通讯设备和线路独立功能的计算机或设备，通过通讯设备和线路相互连接起来，以实现相互连接起来，以实现信息传输信息传输和和资源共享资源共享的一的一种计算机

2、系统。种计算机系统。 网络中的各台计算机或设备（或称为节点）之网络中的各台计算机或设备（或称为节点）之间相互通信间相互通信 ，并能实现，并能实现资源共享资源共享。 资源包括硬件资源、软件资源和数据库资源资源包括硬件资源、软件资源和数据库资源1.2 1.2 计算机网络的分类计算机网络的分类局域网局域网LAN（Local Area Network)：计算机硬件设备计算机硬件设备不大、通信线路不长、采用单一的传输介质、覆盖范不大、通信线路不长、采用单一的传输介质、覆盖范围小。围小。区域网区域网MAN (Metropolitan Area NetWork)：通常覆盖通常覆盖一个区域城市，又称城域网。一

3、个区域城市，又称城域网。广域网广域网WAN（Wide Area Network)：不仅可以把多个不仅可以把多个局域网连在一起，也可以把世界各地的局域网连在局域网连在一起，也可以把世界各地的局域网连在一起，传输装置和媒体由电信部门提供。一起，传输装置和媒体由电信部门提供。n按网络的跨度分类按网络的跨度分类采用局域网，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

4、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。星形网星形网: : 以一台中心处理机为主而构成的网络，其以一台中心处理机为主而构成的网络，其他入网的计算机仅与该中心处理机之间有直接的物他入网的计算机仅与该中心处理机之间有直接的物理链路，中心处理机采用分时的方法为入网机器服理链路，中心处理机采用分时的方法为入网机器服务。务。总线型网总线型网: : 所有入网机器共用一条传输线路，机器所有入网机器共用一条传输线路，机器通过专用的分接头接入线路。由于线路对信号

5、的衰通过专用的分接头接入线路。由于线路对信号的衰减作用，总线形网仅用于有限的区域，常用于组建减作用，总线形网仅用于有限的区域，常用于组建局域网。局域网。n按网络的拓朴结构分类按网络的拓朴结构分类环形网：环形网：入网机器通过中继器接入网络，每个中入网机器通过中继器接入网络，每个中继器仅与两个相邻的中继器有直接的物理线路，继器仅与两个相邻的中继器有直接的物理线路，所有的中继器及其物理线路构成了一个环状的网所有的中继器及其物理线路构成了一个环状的网络系统，环形网也是局域网的一种主要形式。络系统，环形网也是局域网的一种主要形式。网状网络：网状网络：利用专门负责数据通信和传输的节点利用专门负责数据通信和

6、传输的节点机构成的网络，入网机器直接接入节点机进行通机构成的网络，入网机器直接接入节点机进行通信，网状网络主要用于地理范围大、入网机器多信，网状网络主要用于地理范围大、入网机器多的环境，例如构造广域网。的环境，例如构造广域网。电路交换网：电路交换网：类同电话方式，通信过程中，自始类同电话方式，通信过程中，自始至终占用该链路。其它用户不能共享信道资源。至终占用该链路。其它用户不能共享信道资源。 报文交换网：报文交换网：交换机采用具有交换机采用具有“存储存储转发转发”能能力的计算机，用户数据可以暂时保存在交换机内，力的计算机，用户数据可以暂时保存在交换机内，等待线路空闲时，再进行用户数据的一次传输

7、。等待线路空闲时，再进行用户数据的一次传输。分组交换网：分组交换网：类同报文交换技术，但规定了交换类同报文交换技术，但规定了交换机处理和传输数据的长度（称之为分组），不同机处理和传输数据的长度（称之为分组），不同用户的数据分组可以交织出现在网络中的物理链用户的数据分组可以交织出现在网络中的物理链路上传输。路上传输。n按信息交换方式分类按信息交换方式分类n按功能分类按功能分类通信子网：通信子网：网络中面向数据通信的资源集合，主要网络中面向数据通信的资源集合，主要支持用户数据的传输；该子网包括传输线路、交换支持用户数据的传输；该子网包括传输线路、交换机和网络控制中心等硬件设施。机和网络控制中心等硬

8、件设施。 资源子网：资源子网：网络中面向数据处理的资源集合，主要网络中面向数据处理的资源集合，主要支持用户的应用；该子网由用户的主机资源组成，支持用户的应用；该子网由用户的主机资源组成，包括接入网络的用户主机，以及面向应用的外设包括接入网络的用户主机，以及面向应用的外设（例如终端）、软件和可共享的数据（例如公共数（例如终端）、软件和可共享的数据（例如公共数据库）等据库）等 。DataDataData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机1.3 1.3 计算机网络的协议层次模型计算机网络的协议层次模型计算机网络体系结构的实质：计算机网络体系结构的

9、实质：定义和描述一组用定义和描述一组用于计算机及其通讯设施之间互连的标准和规范的于计算机及其通讯设施之间互连的标准和规范的集合，遵循这组规范可以方便的实现计算机设备集合，遵循这组规范可以方便的实现计算机设备之间的通讯。之间的通讯。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）nOSI模型ISOISO组织提出，开放系统互连基本参考模式，描组织提出，开放系统互连基本参考模式，描述了计算机之间的通信应如何发生，划分了述了计算机之间的通信应如何发生，划

10、分了7 7个个层次层次1.4 1.4 计算机局域网络计算机局域网络LANLAN的定义：的定义：是允许中等地域的众多独立设备通过中是允许中等地域的众多独立设备通过中等速率的物理信道直接互连可进行通信的数据通信等速率的物理信道直接互连可进行通信的数据通信系统。系统。描述和比较描述和比较LANLAN的因素：的因素：（1 1）传输媒体：即用于附接网络设备的电缆类型）传输媒体：即用于附接网络设备的电缆类型（2 2）传输技术：使用传输媒体进行通信的技术）传输技术：使用传输媒体进行通信的技术（3 3）网络拓补：指组网时的电缆铺设形式）网络拓补：指组网时的电缆铺设形式（4 4）访问控制方法：网络设备访问传输媒

11、体的控制）访问控制方法：网络设备访问传输媒体的控制方法方法星形结构由星形结构由中央结点中央结点和和分支结点分支结点所构成，各个分支所构成，各个分支结点均与中央结点具有点到点的物理连接，分支结结点均与中央结点具有点到点的物理连接，分支结点之间没有直接的物理通路。点之间没有直接的物理通路。n局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构(1)星形结构星形结构通信方式通信方式 任何两个分支结点之间的通信都要通过主结点，任何两个分支结点之间的通信都要通过主结点，该主结点集中来自各分支结点的信息，按照一种集该主结点集中来自各分支结点的信息，按照一种集中式的通信控制策略，把集中到主结点的信息转发中式的通信控制策略，把集

12、中到主结点的信息转发给相应的分支结点给相应的分支结点 。 主结点主结点的信息存储容量大，通信处理量大，硬、的信息存储容量大，通信处理量大，硬、软件较复杂。软件较复杂。各分支结点各分支结点的通信处理负担却较小，的通信处理负担却较小，只需具备简单的点到点的通迅功能只需具备简单的点到点的通迅功能 。优缺点优缺点典型的网络系统是基于电路交换的电话交换网。典型的网络系统是基于电路交换的电话交换网。优点：优点：星形拓扑结构属于集中型网络，易于将信息星形拓扑结构属于集中型网络，易于将信息流汇集起来，从而提高全网络的信息处理效率，适流汇集起来，从而提高全网络的信息处理效率，适用于各站之间信息流量较大的场合。用

13、于各站之间信息流量较大的场合。缺点：缺点：可靠性较低，如果主结点发生故障，那么将可靠性较低，如果主结点发生故障，那么将影响全网络的通信。影响全网络的通信。采用无源传输媒体作为广播总线，利用电缆抽头采用无源传输媒体作为广播总线，利用电缆抽头将各种入网设备接入总线；为了防止传输信号的将各种入网设备接入总线；为了防止传输信号的反射，总线两端使用终接器（称终端适配器）。反射，总线两端使用终接器（称终端适配器）。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(2)总线结构总线结构通信方式通信方式 各个结点将依据一定的规则分时地使用总线来各个结点将依据一定的规则分时地使用总线来传输数据，发送结点发

14、送的数据帧沿着总线向两端传输数据，发送结点发送的数据帧沿着总线向两端传播，总线上的各个结点都能接收到这个数据帧，传播，总线上的各个结点都能接收到这个数据帧，并判断是否发送给本结点，如果是，则该数据帧保并判断是否发送给本结点，如果是，则该数据帧保留下来，否则丢弃该数据帧。留下来，否则丢弃该数据帧。优缺点优缺点 总线形网络的总线形网络的“广播式广播式”传输是依赖于数据信传输是依赖于数据信号沿总线向两端传播的特性来实现的。总线形结构号沿总线向两端传播的特性来实现的。总线形结构属于属于分散型网络分散型网络，其结构灵活，易于扩展。一个站，其结构灵活，易于扩展。一个站发生故障不会影响其它站的工作，可靠性高

15、。发生故障不会影响其它站的工作，可靠性高。 但但传送距离短。传送距离短。环接口设备通过传输媒体串接形成闭合环路，它环接口设备通过传输媒体串接形成闭合环路，它们之间具有点到点的连接，入网设备通过环接口们之间具有点到点的连接，入网设备通过环接口设备接入环路。设备接入环路。(3)环形结构环形结构所有分散结点用通信线路连接成环形网，通过逐所有分散结点用通信线路连接成环形网，通过逐个结点传递来达到线路共用，网上信息沿单方向个结点传递来达到线路共用，网上信息沿单方向围绕着线路进行循环围绕着线路进行循环( (顺时针或逆时针顺时针或逆时针) )。优点：优点：环形拓扑结构属于分散型网络，环形网的环形拓扑结构属于

16、分散型网络，环形网的信号经每个中继器整形、放大后再传送，不但传信号经每个中继器整形、放大后再传送，不但传送距离远。而且能保证信号的质量。送距离远。而且能保证信号的质量。缺点：缺点：一旦有一个中继器出现故障，就会导致环一旦有一个中继器出现故障，就会导致环路的断路，使全网限于瘫痪，另外因为它是共用路的断路，使全网限于瘫痪，另外因为它是共用通信线路，所以不适用于信息流量大的场合。通信线路，所以不适用于信息流量大的场合。混合形结构是将上述各种拓补混合起来的结构，常混合形结构是将上述各种拓补混合起来的结构，常见的有树形、环星形等。见的有树形、环星形等。闭合回路闭合回路计算机计算机环星形结构示意图环星形结

17、构示意图(4)混合形结构混合形结构 根据根据IEEE802标准，标准，LAN协议参照了协议参照了OSI模型模型的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层至的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层至第七层。从应用层到网络层的高层功能完全由软第七层。从应用层到网络层的高层功能完全由软件来实现，它提供了两个站之间的端件来实现，它提供了两个站之间的端端服务。端服务。而最低两层（物理层和链路层）功能上基本上由而最低两层（物理层和链路层）功能上基本上由硬件来完成。硬件来完成。LAN协议把链路层又分成逻辑链路协议把链路层又分成逻辑链路控制层控制层LLC和介质访问控制层和介质访问控制层MAC。1.41.4局域网

18、网络协议局域网网络协议IEEE802IEEE802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 OSI IEEE 802物理层物理层PHY由由NOS来实现来实现IEEE 802.3IEEE 802.3的体系结构与功能实现的体系结构与功能实现 物理层物理层电缆电缆连接器连接器收发器收发器AUI电缆电缆网卡网卡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/译码译码发送发送/接收接收MACLLC在发送和接收时，对数据（信息）位流进

19、行编码在发送和接收时，对数据（信息）位流进行编码或解码。根据或解码。根据IEEE802IEEE802标准，基带传输采用曼彻斯标准，基带传输采用曼彻斯特编码或差动曼彻斯特编码，传输介质为双绞线特编码或差动曼彻斯特编码，传输介质为双绞线或同轴电缆，对于采用或同轴电缆，对于采用CSMA/CDCSMA/CD技术的网络进行载技术的网络进行载体监听和冲突检测。体监听和冲突检测。n物理层物理层逻辑链路控制层逻辑链路控制层(LLC)采用采用IEEE802标准。标准。LLC为高层服务，向上提供高层接口。在发送时，把为高层服务，向上提供高层接口。在发送时，把数据装配成带有站地址段、控制段、信息段和数据装配成带有站

20、地址段、控制段、信息段和CRC段的帧。在接受时，拆卸帧，执行站地址识段的帧。在接受时，拆卸帧，执行站地址识别，别，CRC校验，并把接收数据传送给上层。校验，并把接收数据传送给上层。LLC向下提供介质访问控制层的接口。向下提供介质访问控制层的接口。n逻辑链路控制层逻辑链路控制层功能：合理解决信道的分配。常用的介质访问控制功能：合理解决信道的分配。常用的介质访问控制方式有三种：方式有三种：(a)冲突检测的载波侦听多路访问（冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）(b)令牌环（令牌环（Token Ring）；）；(c)令牌总线（令牌总线（Token Bus）。）。n介质访问控制层（介质访问控制层

21、（MACMAC）CSMA/CDCSMA/CD又称随机访问技术或争用技术。用于总线又称随机访问技术或争用技术。用于总线形网络。其原理是：当某一结点要发送信息时，形网络。其原理是：当某一结点要发送信息时，首先要首先要侦听侦听网络中有无其它结点正发送信息，若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。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，任何结点发送信多个结点共同使用同一条线路，任何结点发送信息前

22、都必须先检查网络的线路是否有信息传输。息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输。 (1)冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测的载波侦听多路访问(CMSA/CD)CSMA/CD技术中，需解决信道被占用时技术中，需解决信道被占用时等待占用等待占用的时间的时间和和信息冲突信息冲突两个问题。两个问题。确定等待时间的方法确定等待时间的方法 当某结点检测到信道被占用后，继续检测下去，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。重复被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，

23、直到信道空闲，开始发送。这一过程，直到信道空闲，开始发送。 冲突检测的解决办法冲突检测的解决办法 当某结点开始占用网络信道发送信息时，该点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，发生上还有其它结点发送信息，引起数据混乱，发生冲

24、突，此时应立即停止发送，等待一个随机时间冲突，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。后，再重复以上过程。CSMA/CDCSMA/CD方式特点方式特点 网络中各结点处于同等地位，无需集中控制。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制。 非优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，非优先级控制，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，效率显络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。著降低。CSMA/CDCSMA/CD可归结为：发前先侦听，空闲即发送，边可归结为：

25、发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。发边检测，冲突时退避。 令牌环（令牌环（Token RingToken Ring）全称是令牌通行环）全称是令牌通行环（Token Passing RingToken Passing Ring），仅适用于环形网络结构。），仅适用于环形网络结构。在这种方式中，令牌是控制标志，网中只设一张令在这种方式中，令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得令牌的结点才能发送信息，发送完后，牌，只有获得令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传给相邻的另一个结点。令牌又传给相邻的另一个结点。(2)(2)令牌环（令牌环（Token RingToken Ring）令牌

26、传递的方法令牌传递的方法 令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发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。送信息的机会。 令牌有令牌有“空空”和和“忙忙”两个状态。两个状态。“空空”表示令牌表示令牌没有被占用，没有被占用，“忙忙”表示令牌正在携带信息发送。当表示令牌正在携带信息发送。当“空空”的令牌传送至正待发送信息的结点时，该结点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立即发送信息并置令牌为“忙忙”状态。在一个结点占状态。在一个结点占令牌期间；其它结点只能处于接收状态。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，当所

27、发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙忙”令牌又被置为令牌又被置为“空空”状态，绕环传送令牌。状态，绕环传送令牌。令牌环的优缺点令牌环的优缺点优点：优点：能提供可调整的访问控制方式，能提供优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。先权服务，有较强的实时性。缺点：缺点：需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失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。将会降低环路的利用率；控制电路复杂。LAN互连的必要性：地域限制、负载问题、互通互连的必要性：地域限制、负载问题、互通问题、安全问题问题、安全问题LAN互连的困难：帧格式不同、传输速率不同、互连的困难：帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同最大帧长不同LAN互连的实现：互连的实现： 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 网桥在数据链路层上实现互联网桥在数据链路层上实现互联 路由器在网络层上实现互联路由器在网络层上实现互联1.5 1.5 计算机网络互联设备计算机网络互联设备负责两个结点的物理层按位传递信息，