工业网络技术第2课

1、2011年05月03日 东北大学秦皇岛分校第二章第二章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2011年05月03日 计算机网络基础知识 网络通信基础知识2011年05月03日拓扑结构拓扑结构 将网络单元抽象为结点，通信线路抽将网络单元抽象为结点，通信线路抽象为链路。计算机网络是由一组结点和连象为链路。计算机网络是由一组结点和连接结点的链路组成的，拓扑结构指计算机接结点的链路组成的，拓扑结构指计算机网络的几何形状。网络的几何形状。2011年05月03日 所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上线上 信息的传输以信息的传输以“共享介质共享介质”方式进行方

2、式进行2011年05月03日 一个节点失效不影响其他节点的工作 节点的增删不影响全网的运行 结构简单 接入灵活 扩展容易 可靠性高2011年05月03日 特点：以共享介质方式进行数据传输 每个节点都与两个相邻的节点相连 节点之间采用点到点的链路 网络中的所有节点构成一个闭合的环 环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输2011年05月03日 环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪2011年05月03日 特点特点 存在一个中心节点存在一个中心节点 每个节点通过点到点的链路与中心节点连接每个节点通过点到点的链路与中心节点连接 所有通信都通过中心节点进行所有通信都通过中心节点进行 交换局域网是一种典型的星型

3、拓扑结构交换局域网是一种典型的星型拓扑结构2011年05月03日工作站工作站工作站工作站工作站工作站2011年05月03日2011年05月03日 物理拓扑指网络的几何形状，即通常意义上的拓物理拓扑指网络的几何形状，即通常意义上的拓扑；而逻辑拓扑（逻辑总线、逻辑环）则指信息在通扑；而逻辑拓扑（逻辑总线、逻辑环）则指信息在通信介质中传输的机制。信介质中传输的机制。 对特定网络而言，其逻辑拓扑与物理拓扑不一定对特定网络而言，其逻辑拓扑与物理拓扑不一定相同。相同。返回返回1 2 34 5 67 8 910 11 12AB12x6x8x2x9x3x10 x4x11x5x7x1xEthernetA12x6

4、x8x2x9x3x10 x4x11x5x7x1xC2011年05月03日 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。语言语言语言语言2011年05月03日 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 同步 事件实现顺序的详细说明。2011年05月03日2011年05月03日 层次划分的目的 将网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干较小的、简单的问题 层次划分的原则 层内功能内聚 层间耦合松散2011年05月03日 层次结构的优越性 各层之间相互独立 灵活性好 每层都可以采用最合适

5、的实现技术 易于实现和维护 有利于网络标准化2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层 PDU2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层 PDU 再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2IP 数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧20

6、11年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体2011年05月03日 应用层(application layer) 5432154321物理传输媒体计算机 1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层计算机 22011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2物理层接收到比特流，上交给数据链路层2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层2011年05月03日5432

7、154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应 用 程 序 数 据应用层首部H510100110100101 比 特 流 110101110

8、101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部2011年05月03日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 210100110100101 比 特 流 110101110101计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据2011年05月03日H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层

9、H2T2H3H4H5应 用 程 序 数 据2011年05月03日H4H5应 用 程 序 数 据H3H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层2011年05月03日H5应 用 程 序 数 据H4H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层2011年05月03日应 用 程 序 数 据H5应 用 程 序 数 据5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程2011年05月0

10、3日5432154321计算机 1AP2AP1计算机 2我收到了 AP1 发来的应用程序数据！2011年05月03日 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。 2011年05月03日 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交

11、互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。 2011年05月03日协 议交换原语交换原语服 务 用 户提 供 服 务服 务 提 供 者第 n 层第 n + 1 层服 务 用 户SAPSAP2011年05月03日 面向连接服务(connection-oriented) 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。 无连接服务(connectionless) 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。 是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。 2011年05月03日2011年0

12、5月03日 信件内容信件内容：n 收收/发信件人发信件人n 信件内容信件内容信封内容信封内容：n收收/发信人的地址发信人的地址n邮票邮票n信件内容包在里面信件内容包在里面n书写格式严格书写格式严格 信箱信箱：n 保存信封保存信封n 地地址址并并标识标识运送信件运送信件：物物 理理层层数数 据据 链链 路路 层层应应用用层层 网络管理网络管理传输介质传输介质网网络络管管理理127省略省略36层层2011年05月03日应用层传输层网际层主机至网络层主机A主机B路由器网络 2网络 1应用层传输层网际层主机至网络层网际层网络接口层43212011年05月03日应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物

13、理层7654321OSI 的体系结构应用层网络接口层网际层 IP (各种应用层协议如TELNET, FTP, SMTP 等)运输层(TCP 或 UDP)TCP/IP 的体系结构无连接分组交付服务运输服务 (可靠或不可靠)各种应用服务TCP/IP 的三个服务层次2011年05月03日 传输介质 传输信号经过的各种物理环境 物理上将计算机相互连接起来的介质 传输介质的种类 同轴电缆 非屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 光缆2011年05月03日2011年05月03日 连接形式 支持点-点连接和多点连接 连接距离 基带同轴电缆最大传输距离限制在几公里范围内 宽带同轴电缆最大距离可达几十公里基带同轴

14、电缆 抗干扰性 具有较强的抗干扰能力 价格 居中2011年05月03日2011年05月03日2011年05月03日 优点 传输距离较远，覆盖的地域范围较大 技术非常成熟 缺点 电缆硬，折曲困难，重量重 局域网常用同轴电缆 粗同轴电缆：特征阻抗50 ，直径1cm 细同轴电缆：特征阻抗50，直径0.5cm。 同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线2011年05月03日一对线作为一条通信线路使用：差分信号传输，增强抗干扰能力双绞线对采用规则螺旋结构排列：使各线对之间的电磁干扰最小连接形式：通常用于点-点连接连接距离：与速率成反比，即传输速率越高，传输距离越短。局域网中的典型线段距离为100米抗干扰性：

15、取决于单位长度内扭曲个数及适当的屏蔽。低频传输时与同轴电缆相当，10100KHz时低于同轴电缆价格：低2011年05月03日2011年05月03日 优点 尺寸小、重量轻、容易弯曲 价格便宜 容易安装和维护 RJ-45连接器牢固、可靠 缺点 抗干扰能力较弱 传输距离比较短 UTP分为：3类线、4类线、5类线和超5类线 UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线2011年05月03日 UTP 3 带宽为16MHz 适用于语音及10Mbps以下的数据传输 UTP 4 带宽为20MHz 适用于语音及16Mbps以下的数据传输 UTP 5 带宽为100MHz 适用于语音及100Mbps的高速数据传输，也可以支

16、持155Mbps的ATM网络传输传输2011年05月03日 优点 传输质量较高 电缆尺寸和重量与UTP相当 缺点 安装不合适有可能引入外界干扰2011年05月03日 DB9连接器与DC连接器2011年05月03日 连接形式 通常用于点-点连接，有时也用于多点连接 连接距离 光纤的传输损耗很小，可以支持长距离传输 多模光纤的最大传输距离通常为2公里 单模光纤的最大传输距离可达几十、乃至上百公里 距离与所用的光源（LD）、光纤芯直径（小）、光波波长（长）有密切关系 抗干扰性 光信号不受电磁干扰，具有很强的抗干扰能力 价格：高2011年05月03日2011年05月03日2011年05月03日2011

17、年05月03日 物理层是指在物理媒体之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接。 物理层的传输单位为比特。2011年05月03日 物理层规定了用于建立、保持和断开物理连接的机械、电气、功能和规程条件。如信号电平标准等。 典型的有EIA-232、EIA-485。2011年05月03日 DB25连接器 DB9连接器连接器2011年05月03日 EIA-232-D电气特性采用负逻辑。 515V，表示逻辑“1”； 515V，表示逻辑“0”。 2011年05月03日传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号

18、模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机2011年05月03日 各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像等统称为数据。像等统称为数据。 信号是数据的电子或电磁编码。信号是数据的电子或电磁编码。 信息（信息（Information）是对数据（）是对数据（Data）的解释，）的解释，数据是信息的载体，信号（数据是信息的载体，信号（Signal）是数据的）是数据的电子编码。电子编码。2011年05月03日2011年05月03日 通过各种传输介质将信息从一个地点、一个人或一台设备传送到另一个地点、另一个人或设备的过程。 通信的目的是

19、交换信息。2011年05月03日 数据通信是两点或多点之间借助某种传数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制代码形式进行信息交换输介质以二进制代码形式进行信息交换的过程。的过程。 数据通信技术主要涉及通信协议、信号数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、同步等问题。编码、同步等问题。2011年05月03日 工业数据是指与生产过程密切相关的数值、状态、指令等的表达。 通过计算机、PLC和现场测量控制设备之间的工业数据通信来实现测量、控制、监视、操作等功能。2011年05月03日控制器 变频器传感器数据采集ALLEN-BRADLEY789456123.0- F1F6F2F7F3F8F4F9

20、F5F10P Pa an ne el lV Vi ie ew w 5 55 50 0v监视界面模拟量I/O变频器变频器2011年05月03日 通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。 数字数据的数字信号编码 数字数据的模拟信号 编码 模拟数据的数字信号编码2011年05月03日 将二进制数字数据使用两个电平来表示，形成矩形脉冲信号。 分为不归零码、归零码、差分码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。2011年05月03日 全宽单极性码：全宽单极码以高电平（或者有电流）表示数据“1”，以低电平（或者没有电流）表示数据“0”。CAN总线和DeviceNet采用这种方式。2011年05月03日 优点：

21、（1）便于逐位仲裁。 缺点：（1）积累直流分量；（2）各位之间的界限不易确定。2011年05月03日 全宽双极性码：全宽双极码以正电平（或者正向电流）表示数据“1”，以负电平（或者反向电流）表示数据“0”。2011年05月03日 优点：（1）积累直流分量。 缺点：（1）各位之间的界限不易确定。2011年05月03日 不归零码都是在一个码元的全部时间内发出信号电平。如果两个码元数据相同（例如都是1），则电平保持不变。 而这种情况下要求区分每个码元的电平就要求区分每个码元的电平就必须对每个码元的占用时间做精确确定。必须对每个码元的占用时间做精确确定。2011年05月03日 归零码编码方式中，信号电

22、平在一个码元之内都要恢复到零。 可以很方便地确定每个码元的界限和信号电平。2011年05月03日单极性归零码：2011年05月03日双极性归零码：2011年05月03日 每位的中间有一跳变，位中间的跳变既做时钟信号，又作数据信号。 从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。 跳变既作为数据信号标志，也是时钟信号的标志。2011年05月03日 它的每一位中间的跳变仅用来提供时钟信息； 二进制数据的取值由每一位开始的边界是否存在跳变而定； 每一位的开始边界有变化代表逻辑“0”，无变化代表逻辑“1”。2011年05月03日2011年05月03日 采用模拟信号来表达数据的0，1状态，用于调制后进

23、行载波传输； 通过改变信号的幅度、频率、相位来改变模拟数据编码。2011年05月03日 将一个模拟物理量（如电流、电压、温度、长度等等）转换为二进制信号的方式。 典型方法是脉冲编码调制法（PCM，Pulse Code Modulation）。2011年05月03日 脉冲编码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用大于等于有效信号最高频率的倍的采样频率，从这些采样中重新构造出原始信号。 2011年05月03日 采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出； 量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值； 编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。 2011年05月03日采样量化编码2

24、011年05月03日 并行传输 串行传输2011年05月03日 将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输； 可以同时传输一组数据位，每个数据位使用单独一条导线。2011年05月03日 串行数据传输时，数据一位一位在通信线上传输。 发送端将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输介质到达接收端，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式。 2011年05月03日 串行传输速度要比并行传输慢得多，但易于实现，适合远距离的数据通信。现场总线均采用串行通信的方式。 并行传输速度快，且无需变换，但它需要的传输通道多，主要用于近距离通信。计算机内部的总线结构就是并行通信的例子。

25、2011年05月03日 画出010011的所对应的不归零码、归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。 （设初始为低电平） 2011年05月03日 同步：接收端要按照发送端所发送的每个位的重复频率和起止时间来接收数据。 位同步和群同步2011年05月03日2011年05月03日 使接收端对每一位数据都要和发送端保持准确同步。 外同步和自同步法2011年05月03日 在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率。2011年05月03日 自同步法是能从数据信号波形中提取同步信号的方法。 典型例子就是著名的曼彻斯特编码，每一位的中间有一跳变

26、，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。 2011年05月03日 所有设备都使用同一时钟。 多用于电路板元件之间的数据传输，适合高速传输的要求。2011年05月03日 又称起止同步，异步。 靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的。 在起始位和停止位间，形成一个需传送的字符。 起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位标志该字符传输结束。 2011年05月03日 每个通信节点都有自己的时钟信号； 实现简单，频率的漂移不会积累，对收发器要求较低； PC机的232串口通信方式。2011年05月03日 单工通信 半双工通信 全双工通信2011年05月03日 单工数据传输只

27、支持数据在一个方向上传输 ，而不进行与此相反方向的传送。2011年05月03日 半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输。 2011年05月03日 全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。 2011年05月03日 基带传输 载波传输 宽带传输2011年05月03日 不采用任何调制措施。 传输速率为010MHz，距离在25km内。2011年05月03日 又称频带传输，将基带信号进行调制后形成的模拟信号送到线路上进行传输的方式。 在发送端和接收端都要设置调制解调器。 适合于长距离的数据传输，如电话网。201

28、1年05月03日 将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一个物理信道的不同频段进行传输的方式。 数据传输速率可达0400Mbps。 宽带网可划分为多条基带信道。2011年05月03日 链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。2011年05月03日 实现数据链路的建立、数据传输和数据链路的释放，以及信息帧发送过程中的流量控制与差错控制功能，保证信息帧在数据链路上的正确传

29、输。2011年05月03日 成帧：把比特流分成离散的帧。 流量控制：限制发送方所发出的数据流量，使发送速率不能超过接收方能处理的速率。 差错控制：保证接收到的信息帧正确。2011年05月03日2011年05月03日物理链路与数据链路的区别2011年05月03日2011年05月03日2011年05月03日2011年05月03日传输出错的原因是数据中的一位或几位因噪声干扰而出错。2011年05月03日 纠错码：利用附加的信息在接收端能够检测和校正一定位数的差错。如海明码。 检错码：利用附加的信息在接收端能够检测出所有的或者是绝大部分的差错。如奇偶校验码和CRC校验码。 2011年05月03日 发送方在发送数据时，首先要将数据中“1”的个数进行统计，确定是奇或偶，并将统计的结果连同数据一同发送给接收方。接收方对收到的数据统计其中的“1”的个数以确定奇偶。 检验方法简单，但检错能力差，一般只用于通信要求较低的场合。2011年05月03日 在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端也按照同样的方法产生循环冗余码