工业控制网络2-1

工业控制网络

（现场总线）

第2章数据通信与计算机网络基础2.1数据编码2.2信号的传输方式2.3通信方式2.4网络拓扑结构2.5网络的传输介质2.6介质访问控制方式

2.7计算机网络硬件2.8网络软件

2.9参考模型2.1数据编码

码元——所传输数据的基本单位。数据编码——通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。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。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。

2.1.1数字数据编码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。

2.1.1数字数据编码归零码（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。2.1.1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”。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。2.1.1数字数据编码2.1.1数字数据编码2.1.1数字数据编码2.1.2模拟数据编码

模拟数据编码的三种编码方法：幅度键控ASK（amplitude-shiftkeying）频移键控FSK（frequency-shiftkeying）相移键控PSK（phase-shiftkeying）2.1.2模拟数据编码2.2信号的传输方式2.2.1基带传输2.2.2载波传输2.2.3宽带网2.2.4异步传输模式ATM2.2.1基带传输

基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按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。

2.2.1基带传输

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2.2.2载波传输载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。最基本的调制方式有上述的幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK三种。2.2.3宽带网

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。2.2.4异步传输模式ATM

ATM（asynchronoustransfermode）是实现高速网络的主要技术。速率可达155Mb/s到2.4Gb/s，也有25Mb/s和50Mb/s的ATM技术，可适用于局域网和广域网。2.3通信方式

2.3.1单工通信（simplexcommunication）2.3.2半双工通信（half-duplexcommunication）2.3.3全双工通信（full-duplexcommunication）2.3通信方式

单工通信（simplexcommunication）单工，就是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。单工通信线路一般采用二线制。2.3通信方式

半双工通信（half-duplexcommunication）半双工通信是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。2.3通信方式全双工通信（fullDuplexcommunication）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。2.3通信方式2.4网络拓扑结构

星形环形总线形树形不规则形完整形网络拓扑结构是指网络中节点的物理连接形式。2.4网络拓扑结构2.4.1星形拓扑

在星形拓扑中，每个站通过点-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。2.4.2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。2.4.3总线拓扑

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。2.4.4树形拓扑

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。树形结构非常适合于分主次、分等级的层次型管理系统。2.4网络拓扑结构2.5网络的传输介质

传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。2.5网络的传输介质电话线同轴电缆双绞线光导纤维电缆无线卫星通信2.5网络的传输介质

传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大，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：传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；2.5网络的传输介质

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。2.5.1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。2.5.1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。2.5.1双绞线的主要特性

传输特性：双绞线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。2.5.1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）。2.5.1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。2.5.2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。有线电视线。2.5.2同轴电缆的主要特性

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。2.5.2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。2.5.2同轴电缆的主要特性

传输特性：特征阻抗，50Ω，Ethernet使用，基带传输，10Mb/s；75Ω，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。2.5.2同轴电缆的主要特性

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：它的结构使得它的抗干扰能力较强。2.5.2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。2.5.3光缆的主要特性

光缆是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。2.5.3光缆的主要特性

物理特性：光纤是一种直径为50～100μm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。2.5.3光缆的主要特性

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。2.5.3光缆的主要特性

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。2.5.3光缆的主要特性

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。2.5.3光缆的主要特性

价格：目前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。

2.5.4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）2.5.4无线通信信道的主要特性

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。2.5.4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。2.5.4无线通信信道的主要特性

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。2.5网络的传输介质

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2.6介质访问控制方式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。2.6介质访问控制方式通信中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。2.6介质访问控制方式在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD（CarrierSenseMultiple

AccesswithCollisionDetection载波监听多路访问/冲突检测）。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。2.6.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

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，故称之为争用技术。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”。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。2.6.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

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CSMA2.6.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

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。2.6.1CSMA/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。2.6.1CSMA/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P的概率发送，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，重复第一步。2.6.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）

P-坚持CSMA。如果选择P过大，使NP>1，则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0。所以必须选择P值使NP<1，如果P值选得过于小，则通道利用率又会大大降低。2.6.1CSMA/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。2.6.2令牌（标记）访问控制方式

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。令牌方式是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。2.6.2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。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。2.6.2令牌（标记）访问控制方式2.6.2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。像令牌环方式那样，令牌传递总线方式也具备称为令牌的控制帧，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，因此，传输过程就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。2.6.2令牌（标记）访问控制方式2.6.2令牌（标记）访问控制方式

令牌传递总线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插入算法退出环路恢复2.7计算机网络硬件

按传输传输技术分类：广播式网络点到点网络2.7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。2.7计算机网络硬件

广播系统通常也允许在地址字段中使用一段特殊代码，以便将分组发送到所有目标。使用此代码的分组发出以后，网络上的每一台机器都会接收和处理它。这种操作被称作广播（broadcasting）。某些广播系统还支持向机器的一个子集发送的功能，即多点播送（multicasting）。2.7计算机网络硬件

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。2.7计算机网络硬件0.1m同一电路板数据流机器1m同一系统多计算机10m同一房间局域网100m同一建筑物1km同一园区10km同一城市城域网100km同一国家广域网1000km同一洲内10000km同一行星上互联网2.7.1局域网

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。2.7.1局域网

LAN的覆盖范围比较小，这意味着即使是在最坏情况下其传输时间也是有限的，并且可以预先知道传输时间。知道了传输的最大时间，就可以使用某些设计方法，而在其它情况下是不能这样做的。这同样也简化了网络的管理。以太网（Ethernet）是一种基于总线的广播式网络2.7.2城域网城域网（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