工业网络技术第2课

东北大学秦皇岛分校第二章计算机网络体系结构主要内容计算机网络基础知识网络通信基础知识计算机网络基础知识拓扑结构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接结点的链路组成的，拓扑结构指计算机网络的几何形状。总线型拓扑结构所有节点都连接到一条作为公共传输介质的总线上信息的传输以“共享介质”方式进行总线型的优越性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环型拓扑结构特点：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环型的主要问题环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪星型拓扑结构特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拓扑结构树型网络拓朴结构工作站工作站工作站混合型网络拓朴结构物理拓扑和逻辑拓扑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相同。返回计算机网络的体系结构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(networkprotocol)，简称为协议。语言语言网络协议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。划分层次的概念举例网络的层次结构（1）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网络的层次结构（2）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的实现技术易于实现和维护有利于网络标准化计算机

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向计算机

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发送数据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

PDU计算机

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向计算机

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发送数据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，成为运输层报文计算机

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向计算机

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发送数据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）计算机

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向计算机

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发送数据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，成为数据链路层帧计算机

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向计算机

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发送数据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计算机

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向计算机

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发送数据应用层(applicationlayer)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

2计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层计算机

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向计算机

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发送数据5432154321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计算机

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向计算机

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发送数据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计算机

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向计算机

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发送数据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计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101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链路层尾部计算机

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向计算机

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发送数据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H3H4H5应用程序数据计算机

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向计算机

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发送数据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H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据计算机

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向计算机

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发送数据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H5应用程序数据H4H5应用程序数据计算机

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向计算机

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发送数据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应用程序数据H5应用程序数据计算机

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向计算机

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发送数据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计算机

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向计算机

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发送数据5432154321计算机

1AP2AP1计算机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！实体、协议、服务和服务访问点实体(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。实体、协议、服务和服务访问点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互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。实体、协议、服务和服务访问点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SAPSAP面向连接服务与无连接服务面向连接服务(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”(besteffortdelivery)或“尽力而为”。开放系统互联参考模型（OSI/RM）现场总线模型

信件内容：n

收/发信件人n

信件内容信封内容：n收/发信人的地址n邮票n信件内容包在里面n书写格式严格

信箱：n

保存信封n

地址并标识运送信件：物

理层数据链路层应用层

网络管理传输介质网络管理127省略3~6层TCP/IP四层协议的表示方法举例

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4321OSI与TCP/IP体系结构的比较

应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层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

的三个服务层次传输介质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光缆传输介质的种类同轴电缆的主要特性连接形式支持点-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电缆抗干扰性具有较强的抗干扰能力价格居中同轴电缆同轴电缆连接器类型同轴电缆的特点优点传输距离较远，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50Ω，直径1cm细同轴电缆：特征阻抗50Ω，直径0.5cm。同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线双绞线的主要特性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：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，10~100KHz时低于同轴电缆价格：低非屏蔽双绞线和RJ-45连接器非屏蔽双绞线的特点优点尺寸小、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非屏蔽双绞线的带宽UTP3带宽为16MHz适用于语音及10Mbps以下的数据传输UTP4带宽为20MHz适用于语音及16Mbps以下的数据传输UTP5带宽为100MHz适用于语音及100Mbps的高速数据传输，也可以支持155Mbps的ATM网络传输传输屏蔽双绞线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屏蔽双绞线连接器类型DB9连接器与DC连接器光缆的主要特性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：高光缆光缆连接器类型－MIC与ST光缆连接器类型－ST与SCOSI模型各层功能——物理层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。物理层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。EIA-232-D机械特性DB25连接器DB9连接器EIA-232-D电气特性EIA-232-D电气特性采用负逻辑。－5～－15V，表示逻辑“1”；＋5～＋15V，表示逻辑“0”。

数据通信的基础知识

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机数据通信系统的模型什么是数据？（重要）各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像等统称为数据。信号是数据的电子或电磁编码。信息（Information）是对数据（Data）的解释，数据是信息的载体，信号（Signal）是数据的电子编码。什么是数据?ext什么是通信？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。通信的目的是交换信息。什么是数据通信?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的过程。数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、同步等问题。工业数据通信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。工业数据通信示例控制器变频器传感器数据采集监视界面模拟量I/O变频器变频器数据编码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数字数据编码（重点）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。不归零码全宽单极性码：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。全宽单极性码优点：（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。不归零码ext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”。全宽双极性码优点：（1）积累直流分量。缺点：（1）各位之间的界限不易确定。归零码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必须对每个码元的占用时间做精确确定。归零码ext归零码编码方式中，信号电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。归零码ext单极性归零码：归零码ext双极性归零码：曼彻斯特编码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。差分曼彻斯特编码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”。差分曼彻斯特编码ext

数字数据的模拟信号编码

采用模拟信号来表达数据的0，1状态，用于调制后进行载波传输；通过改变信号的幅度、频率、相位来改变模拟数据编码。

模拟数据的数字信号编码

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，PulseCodeModulation）。脉冲编码调制方法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２倍的采样频率，从这些采样中重新构造出原始信号。

模拟信号数字化的三步骤

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。

模拟信号数字化的三步骤ext采样量化编码数据传输方式并行传输串行传输并行传输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。串行传输串行数据传输时，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。

两者比较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。练习画出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）同步（重点）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。位同步和群同步同步ext位同步使接收端对每一位数据都要和发送端保持准确同步。外同步和自同步法位同步－外同步法在发送数据之前，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。位同步－自同步法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，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。位同步ext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。

群同步又称起止同步，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。

异步传输ext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。通信线路的工作方式单工通信半双工通信全双工通信单工通信单工数据传输只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。半双工通信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。全双工通信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。信号的传输模式基带传输载波传输宽带传输基带传输不采用任何调制措施。传输速率为0~10MHz，距离在25km内。载波传输又称频带传输，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。宽带传输将多路基带信号、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0~400Mbps。宽带网可划分为多条基带信道。数据链路层的基本概念

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(datalink)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。数据链路层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输。数据链路层ext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。CAN的数据帧物理链路与数据链路的区别物理链路与数据链路的区别可靠性传输（重点）差错控制确认差错控制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。差错控制编码纠错码：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。

奇偶校验码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。循环冗余校验（CRC校验）在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面