数据通信基础与计算机网络

变电站综合自动化原理第三章数据通信基础与计算机网络河南理工大学电气学院2第三章数据通信基础与计算机网络3.1数据通信基础3.2数据交换技术3.3计算机网络基础知识3.4网络体系结构及OSI基本参考模型3.5计算机局域网络3.6现场总线技术河南理工大学电气学院31、信息：用于描述客观世界的事实、概念和指令，有多种存在形式，如文字、声音、图像等。2、信道：传输信息的通道，分为物理信道和逻辑信道。3.1数据通信基础物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输介质及相关控制设备组成，真实存在。网络中两个节点之间的物理通路称为通信链路。逻辑信道是在物理信道的基础上想象出来的一种通路，实质上是将物理信道传输的信息人为的分类。一条物理信道可对应多个逻辑信道3、数据：是信息的表现形式，分为模拟数据与数字数据两种。4、信号：数据的电磁形式，对应有模拟信号和数字信号。一、数据通信的基本概念：河南理工大学电气学院45、码元：指承载信息量的基本信号单位，一个码元就是一个单位电脉冲。6、带宽：指信道能传送信号的频率宽带，即可传送信号的最高频率与最低频率之差；由传输介质、接口部件、传输协议以及传输信息的特征等多种因素决定，是衡量传输系统的一个重要性能指标。7、数据传输速率：指通信线上传输信息的速度，有数据速率S和调制速率B两种表示方法。3.1数据通信基础8、信道容量：表示一个信道的最大数据传输速率，bps。S－单位时间内所传送的二进制位的有效位数，bps；B－单位时间内所传送码元个数，Baud。S＝B×log2NN—一个码元所能表示的有效离散值的个数河南理工大学电气学院59、调制解调器（Modem）：3.1数据通信基础计算机利用模拟电话线路进行数字通讯：计算机内的信息是数字信号，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号。当两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数模的转换。计算机在发送数据时，需要把数字信号转换为相应的模拟信号，这个过程称为“调制（Modulation）”，也称D/A转换。经过调制的信号通过电话载波传送到另一计算机之前，还要把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号，这个过程为“解调（Demodulation）”，也称A/D转换。正是通过这样一个“调制”与“解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通讯。河南理工大学电气学院69、调制解调器（Modem）：3.1数据通信基础载波通信（有线、无线）：语音信号频率是在100～7500Hz的范围之，要用无线电波把话音信号直接传播出去，需要功率很大的发射机，而且还必须要用巨型发射天线(发射天线的长度至少要有波长的四分之一)。若要传送频率为5000Hz的信息，要用长度为15千米的天线。如果用导线来传送低频信号，线路利用率太低，远距离传输成本太高。都需要利用高频的载波，即把低频的有用信号叠加到载波上，使载波的频率、幅度或相位发生相应的变化(“调制”)；由于经调制后的信号中包含有原始信号的信息，传输到对方后，经解调、滤波等一系列过程后，可使原信号得以恢复。利用载波技术还可实现“频分复用”（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）。即在同一条线路上，利用各种不同频率的高频载波来“载送”多路信号，使它们在同一条线路上同时传送而互不干扰，信号传到对方后再进行还原和各路分离。传统的载波电话通信是把低频话音信号叠加到高频的载波上,使载波的幅度随着话音信号幅度的变化而变化。FM频道广播属于调频广播，采用频率调制的方式进行广播播出。它的特点是音质清晰，可以双声道立体声传输，但传播距离比较短，在没有中继转播站的情况下，其传输距离一般不超过100公里。一般城市广播会选择调频频率播出。电力载波通信河南理工大学电气学院73.1数据通信基础11、频带传输：10、基带传输：基带信号：信源发出的没有经过调制（频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低。根据原始电信号的特征，可分为数字基带信号和模拟基带信号。通俗的说,基带信号就是信源发出的直接表达了要传输的有用信息的信号声波(模拟基带信号)，计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号(数字基带信号)基带传输：在信道中直接传送基带信号应用：基带传输不需要调制解调器，设备花费小；由于在近距离范围内基带信号衰减不大。适合100m以内的短距离数据传输。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如常见的10BaseT网络使用的就是基带信号（10Mbps）。在远距离通信时，先将基带信号调制成较高频率范围的频带信号，再将这种频带信号在信道中传输。载波传输能实现多路复用的目的河南理工大学电气学院812、宽带传输：3.1数据通信基础使用宽频带进行传输的系统就称为宽带传输系统，本质上是频带传输技术。一般进行子频带分割，实现“多路复用技术”。

将链路容量分解成两个或更多的信道（逻辑信道），每个信道可以携带不同的信号。这样就能把声音、图像和数据信息的传输综合在一个物理信道中进行，以满足高速、大容量数据通信的需求。13、串行传输：指一位一位的传送数据，从发送端到接收端只要一根传输线即可。缺点是传输速度较慢。14、并行传输：一次可传送一个字节（8位），发送端到接收端用多根线。传输速度快，传输距离短。计算机内部总线多为并行传输。河南理工大学电气学院9二、数据通信系统的结构3.1数据通信基础数据通信的任务就是把信息以数据的形式从一处传送到另外一处或多处。数据通信系统中，需要将终端设备和计算机之间需要利用通信媒介实现互联，称为物理信道。物理信道有3种连接方式：1、点对点连接终端和计算机之间直接连接或通过Modem用线路进行连接应用于数据通信量较大的场合河南理工大学电气学院10二、数据通信系统的结构3.1数据通信基础几个终端通过一条公用线路与计算机相连为了提高物理信道的利用率，通信量不大时采用在该方式下，计算机作为主站，终端作为从站。计算机控制信息的接收和发送，终端不能随意发送信息，否则将引起信号冲突。2、多点式连接河南理工大学电气学院11二、数据通信系统的结构3.1数据通信基础为了节约信道，将多个终端连接到多路复用器或集中器上，集中器与计算机相连3、集中式连接河南理工大学电气学院12二、数据通信系统的结构根据数据所允许的传输方向，可分为三种：1、单工通信－数据只能沿一个固定方向传输，即传输是单向的；2、半双工通信－允许数据沿两个方向传输，但在同一时刻信息只能在一个方向传输；3、双工通信－允许信息同时沿两个方向传输。3.1数据通信基础河南理工大学电气学院13三、传输介质常用的网络传输媒介可分为两类：一类是有线的，主要有同轴电缆、双绞线及光缆；另一类是无线的，主要有微波、无线电、激光和红外线等。

1、同轴电缆及相关设备3.1数据通信基础圆筒式的外导体(屏蔽层，接地)套在内导体（一根细芯）外面两个导体间用绝缘材料互相隔离屏蔽层防止外部电磁波干扰异常信号的传递（静电屏蔽原理）河南理工大学电气学院14三、传输介质1、同轴电缆及相关设备：用途：有线电视网(RG-59)、局域网(RG-8粗缆10BASE-5、RG-58细缆10BASE-2)分类：粗缆、细缆细缆连接设备及技术参数：电缆、BNC头、T型头及终端匹配设备等。

.最大的干线段长度：184m；

.最大网络干线电缆长度：925m；

.每条干线段支持的最大结点数：30；3.1数据通信基础河南理工大学电气学院15粗缆连接设备及技术参数：包括转换器、DIX连接器及电缆、N－系列插头、N系列匹配器等。采用粗缆组网的技术参数有：

.最大的干线段长度：500m；

.最大网络干线电缆长度：2500m；3.1数据通信基础河南理工大学电气学院162、双绞线(Twisted-pair)：由两根导线按一定扭距相互绞合在一起的传输介质，每根线加绝缘层并有颜色标记。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。一般由两根22-26号绝缘铜导线相互缠绕而成实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的，典型的双绞线有四对的。3.1数据通信基础河南理工大学电气学院172、双绞线：双绞线按其电气特性分级或分类。EIA/TIA第一、二类双绞线在LAN中很少使用EIA/TIA第三类双绞线符合EIA/TIA568标准中确定的100Ω水平布线电缆的要求，可用来进行10Mbps和IEEE802.310Base-T的语音和数据传输；EIA/TIA第四类双绞线适用于包括16Mbps令牌环局域网在内的数据传输速率；可以是UTP，也可以是STP。EIA/TIA第五类双绞线适用于16Mbps以上的速率，最高可达100Mbps。3.1数据通信基础使用双绞线组网，网卡必须带有RJ45接口，还需要集线器HUB，总共需要4根导线通信，两根用于发送数据，两根用于接收数据。河南理工大学电气学院18双绞线（10BASE－T）以太网技术规范可归结为：允许5个网段，每网段最大长度100m；在同一信道上允许连接4个中继器或集线器(Hub)；在其中的三个网段上可以增加节点；在另外两个网段上，除做中继器链路外，不能接任何节点；最大站点数1024，网络直径不超过2500m。利用双绞线组网，具有造价低、速率高、稳定性好等优点。在实际应用中，双绞线已成为最主流的末端传输介质。3.1数据通信基础河南理工大学电气学院193、光纤：由许多细如发丝的玻璃纤维外加绝缘护套组成。光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，适用于高速网络和骨干网，是组成快速网络的最好选择。三、传输介质3.1数据通信基础河南理工大学电气学院203、光纤：3.1数据通信基础河南理工大学电气学院213、光纤：3.1数据通信基础河南理工大学电气学院22光纤的组网规则为：

.最大段长：2000m；

.每段最大节点（NODE）数2；

.每网络最大节点（NODE）数1024；

.每链的最大HUB数4。三、传输介质3.1数据通信基础河南理工大学电气学院23三、传输介质3.1数据通信基础河南理工大学电气学院244、无线媒体：不使用电子或光学导体，通常大气便是数据的物理通路；无线媒体有：无线电、微波及红外线等三种主要类型。

3.1数据通信基础三、传输介质902~925MHz2.4GHz（各国共同的ISM频段：WiFi，Bluetooth，ZigBee）5.72~5.85GHz需要考虑的重要问题是：电磁波频率的范围（频谱）是相当有限的。未受管制的频率：ISM(IndustrialScientificMedical)频段，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W)，并且不要对其它频段造成干扰即可。河南理工大学电气学院25四、数字传输与模拟传输1、根据信道上传输的是数字信号还是模拟信号，相应的传输方式分别称为数字传输和模拟传输。如果一个传输系统的输入与输出信号都是模拟信号，则它是一个模拟传输系统；如果一个传输系统的输入与输出信号都是数字信号，则它是一个数字传输系统。3.1数据通信基础与传输信号所代表的现实世界的数据到底是模拟信号还是数字信号无关河南理工大学电气学院26四、数字传输与模拟传输2、数字信号通过模拟传输系统传输实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器（Modem）。3.1数据通信基础模拟信号传输的基础是载波，载波具有幅度、频率和相位三大要素。调制是让基带信号去控制载波的某个（或某些）参数，控制其中的任何一个都会实现调制，使之成为携带信息的信号。数字调制的三种基本形式是幅移键控法ASK、频移键控法FSK、相移键控法PSK。河南理工大学电气学院27四、数字传输与模拟传输2、数字信号通过模拟传输系统传输数字调制的三种基本形式是幅移键控法ASK、频移键控法FSK、相移键控法PSK。3.1数据通信基础ASK—用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。FSK—用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。PSK—用载波信号相位移动来表示数据。

河南理工大学电气学院28四、数字传输与模拟传输3、数字信号通过数字传输系统传输。⑴、数字数据的数字信号表示。3.1数据通信基础数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，常用于近距离通信的局域网，其在传输时需解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。河南理工大学电气学院293.1数据通信基础河南理工大学电气学院30四、数字传输与模拟传输3、数字信号通过数字传输系统传输。（2）归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点：不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层。双极性码的直流分量大大减小，这对数据传输很有利的。3.1数据通信基础河南理工大学电气学院31（3）同步过程：四、数字传输与模拟传输3、数字信号通过数字传输系统传输。3.1数据通信基础只有最初级的逻辑电路才使用单一的时钟。大多数与数据传输相关的应用都需要进行跨越多个时钟域的数据移动，例如磁盘控制器、CDROM/DVD控制器、调制解调器、网卡以及网络处理器等。当信号从一个时钟域传送到另一个时钟域时，出现在新时钟域的信号是异步信号。接收该信号的电路需要对其进行同步。为了使整个数据通信系统有序、准确、可靠的工作，收、发双方必须有一个统一的时间标准，这个时间标准就是同步。位同步和群同步两种方法河南理工大学电气学院32（3）同步过程：

1）位同步－又称同步传输（比特同步、码元同步），是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步；实现的方法有外同步法和自同步法。四、数字传输与模拟传输3、数字信号通过数字传输系统传输。3.1数据通信基础外同步法：发送数据之前，发送端先向接收端发出一段同步时钟脉冲；接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收频率，以便在接收数据的过程中与发送端保持同步。外同步法：同步信号是由发送端送来的。自同步法：接收端能从接受的数据中提取同步信号。自同步法：能从数据信号波形中提取同步信号的方法。曼彻斯特编码河南理工大学电气学院33（3）同步过程：

2）群同步－又称异步传输，是指传输的信息被分成若干“群”，数据传输过程中，字符可顺序出现在比特流中，字符间的间隔时间是任意的，但字符内各个比特用固定的时钟频率传输；字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时，是群同步的特征。四、数字传输与模拟传输3、数字信号通过数字传输系统传输。3.1数据通信基础河南理工大学电气学院34绝大多数情况下，不可能在任何两个节点都存在一个专用的通路。如何在两个没有直接连接的节点之间传送数据呢？—数据交换按数据传送的实现手段分，交换可分为：电路交换、报文交换和分组交换三种基本技术。一、电路交换的工作原理电路交换是指在传送数据时，先在网络中建立一个从源节点到目标节点的专用电路。

1、电路交换的三个过程（1）电路的建立－在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。（2）数据传输：在数据传输过程中，所建立的电路必须时刻保持连接状态。（3）电路的拆除：数据传输结束后，由某一方发出拆除请求，逐个节点拆除连接到对方的通路。3.2数据交换技术(DataSwitching)河南理工大学电气学院35一、电路交换的工作原理

2、电路交换技术的特点：3.2数据交换技术主要缺点：（1）电路接续时间长：网络比较繁忙时，可能无法接续，即“呼叫阻塞”现象。（2）线路利用率低：即使通信双方之间暂时不传送数据时，其占用的电路也不能为其它通信所用。电路交换在整个通信过程中通信双方一直独占该电路，因此其实时性强，数据传输时延小。电路交换比较适用于一次传送的信息量大和通信过程中实时性要求高的业务河南理工大学电气学院36二、报文交换的工作原理当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法会造成信道容量和有效时间的浪费。3.2数据交换技术1、报文交换原理：报文交换时端与端之间无需先通过呼叫建立连接某一站点需要发送报文时，首先将一个目的地址附加到报文上。每个节点在接收到报文并检查无误后，就暂存这个报文；然后根据目标地址的路由信息找出下一个节点的地址，并根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个节点。可见，报文在网络中一站一站地向前传送。报文经过多次的存储-转发，最后到达目标节点。报文交换的本质就是存储转发报文交换的数据传输单位是报文，报文(Message)就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。河南理工大学电气学院37二、报文交换的工作原理3.2数据交换技术河南理工大学电气学院38二、报文交换的工作原理

2、报文交换的特点：（1）报文从源点传送到目的地采用“存储－转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道；（2）在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。3.2数据交换技术（1）电路利用效率高：多个报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量，对电路的传输能力要求较低。（2）在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加；电路交换网络上则不能接受新的呼叫（呼叫阻塞）。（3）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点；3、报文交换的优点：河南理工大学电气学院39二、报文交换的工作原理

4、报文交换的缺点：（1）不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定；（2）有时节点收到过多的数据而无存储空间或不能及时转发时，就不得不丢弃报文。（3）报文交换对网络要求太高。由于对报文的长度没有限制（长报文），中间节点的存储容量就必须无限大。因此实际网络不采用报文交换方式。3.2数据交换技术河南理工大学电气学院40三、分组交换的工作原理3.2数据交换技术分组交换时是报文交换的一种改进它将报文分成若干分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高交换速度计算机网络中使用最为广泛的一种交换技术。分组交换有虚电路交换和数据报分组交换两种。河南理工大学电气学院41三、分组交换的工作原理1、虚电路分组交换原理和特点：3.2数据交换技术在虚电路交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路（规划但未占用）。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。

在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择来判定。

之所以称为“虚电路”，是因为这条电路不是专用的，仍然需要缓冲和排队。主要特点：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。并非电路交换那样的专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出河南理工大学电气学院42三、分组交换的工作原理2、数据报分组交换原理与特点：3.2数据交换技术每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样的发送到下一节点。河南理工大学电气学院43一、计算机网络的定义：3.3计算机网络基础知识利用通信设备和线路，将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息交换的系统。网络的主要作用是资源共享和信息交换。计算机网络由以下三个部分组成：（1）具有独立功能的多台计算机；（2）通信设备与线路；（3）功能完善的网络软件。河南理工大学电气学院443.3计算机网络基础知识河南理工大学电气学院45二、网络拓扑结构：3.3计算机网络基础知识指网络中节点在物理上的连接形式。网络的拓扑结构主要有：星形结构、总线结构、环形结构、树形结构、混合结构及网形结构。在实际应用中，主要是将星型拓扑结构，总线型拓扑结构和环型网络拓扑结构综合应用。河南理工大学电气学院46三、网络拓扑结构：3.3计算机网络基础知识1、星形结构：以中央节点为中心，节点间的数据传输必须通过中央节点，任意两个节点间的通信最多只需两步中心节点通常由集线器(Hub)或交换机充当，是目前局域网最常见的方式。

要求中央节点的可靠性很高。优点：结构简单、网络控制容易、便于扩充；缺点：对中央节点依赖性较高河南理工大学电气学院47三、网络拓扑结构：3.3计算机网络基础知识2、总线结构：采用一条称为公共总线的传输介质，将各计算机直接与总线连接。主机对于从设备的控制是利用广播方式发送下去的，而从设备只对含有自己地址码的指令做相关的回应；在从设备做回应的情况下，其他的从设备和主机保持沉默。会出现多个设备同时发起通信，竞争总线的现象。要通过主机进行相应的调度来协调各个设备访问传输介质的顺序。主机对整个总线必须具有绝对的控制权。优点：安装简单、易于扩充、可靠性高缺点：由于共用一条总线，对实时性要求较高的场合不太适用；传输距离有限，故障诊断和隔离也比较困难。河南理工大学电气学院48三、网络拓扑结构：3.3计算机网络基础知识3、环形结构：各节点通过接口连接在一条闭合的环形通信线路中环形结构的特点是：每个端用户都与相临的两个端用户相连，因而存在着点到点链路，但总是以单向方式操作，即每台计算机按位置不同有一个顺序编号，信号按计算机编号顺序以“接力”方式传输。例如：若计算机A欲将数据传输给计算机D时，必须先传送给B，B收到信号后发现不是给自己的，于是再传给C，直到传送到计算机D。河南理工大学电气学院49三、网络拓扑结构：3.3计算机网络基础知识3、环形结构：环形网络的一个例子是令牌环网(Tokenringnetwork

)

。在老式的令牌环网中，数据传输速度可达16Mbps，新型的快速令牌环网速度可达100Mbps。如果多个计算机节点要同时往外发送数据包，就会形成冲突。在令牌环网中有一个令牌(Token)，沿着环形总线在入网节点计算机间依次传递。令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。令牌在工作中有“闲”和“忙”两种状态。“闲”表示令牌没有被占用，即网中没有计算机在传送信息；“忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。所有的站点都可以俘获令牌。希望传送数据的节点计算机只有取得“闲”令牌后才能发送数据帧，并在发送之前将其置为“忙”状态。当所传数据被目的节点接收后，令牌被重新置为“闲”。令牌环网需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，所以需要选择专门的节点监视和管理令牌。解决方法：河南理工大学电气学院50三、网络拓扑结构：3.3计算机网络基础知识3、环形结构：优点：实时性好，信息吞吐量大，网的周长可达200km，节点可达几百个；网络实现简单，组成这个只需节点计算机、网络传输介质，以及连接器，没有价格昂贵的节点集中设备，如集线器和交换机。缺点：由于环路是封闭的，所以扩充不便。如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。环上传输的任何信息都必须穿过所有端点，因此，如果环的某一点断开，环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱，采用双环或多环结构：每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上，当主环故障时，自动转到备用环上。

基于光纤双环网的变电站监控系统河南理工大学电气学院51一、协议及体系结构3.4网络体系结构及OSI参考模型通信者活动邮局服务业务邮局转送业务发信方通信者活动邮局服务业务邮局转送业务收信方运输部门的邮政运输业务写信、发信收集、分拣送运输部门运输阅读信件分拣、投递分发邮件转送邮局邮政系统的体系结构图体系结构协议：文字、语言、书写规范层次：复杂问题分解处理接口：邮箱、信箱、邮局网络协议（Protocol）：为进行网络中的数据交换而制定的规则、标准或约定的集合层次结构：将复杂的数据交换任务分解为若干易处理且相对独立的子任务，每个子任务均由相应的某个网络层次来完成。并且，每个层次功能的实现都需要遵循与该层对应的网络协议。接口：相邻层之间交换信息的连接点体系结构3.4网络体系结构及OSI参考模型协议：文字、语言、书写规范层次：复杂问题分解处理接口：邮箱、信箱、邮局计算机网络体系结构是网络各层次及其协议的集合1、计算机网络的体系结构(Architecture)：河南理工大学电气学院533.4网络体系结构及OSI参考模型2、层次结构分层是对复杂问题处理的方法。首先对计算机网络按照功能进行分层。—功能分层按照功能层次模型来编制实现各层功能所需的软件协议。—协议分层

3.4网络体系结构及OSI参考模型把通信系统的功能划分为几个基本功能层次结构。最外层：应用层，直接面向用户的层次。中间层：功能管理层，负责两端节点应用层之间的连接以执行应用层要求的各种服务。最低层：传输管理层，也叫通信处理层，对在物理介质上进行信息传输的控制和管理部分。功能分层网络的基本功能：是为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路。下述功能是必须提供的：

1.连接源结点和目的节点的物理传输线路，可经过中间结点2.每条线路两端的节点利用波形进行二进制通信3.无差错的信息传送4.多个用户共享一条物理线路5.按照地址信息，进行路由选择6.信息缓冲和流量控制7.满足各种用户的访问要求河南理工大学电气学院553.4网络体系结构及OSI参考模型层次结构的划分原则：以功能作为划分层次的基础；每层的功能应是明确的，并且是相互独立的，当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响；层间接口必须清晰，跨越接口的信息量尽量少；层数适中：层数太少，会造成每一层的协议太复杂；层数太多，则体系结构过于复杂，各层描述和实现独立的功能变得困难。网络体系结构的特点：每层功能的实现需借助下层的服务来完成，同时向上层提供更高级的服务通信只在相邻层之间进行，不允许跨层调用，因此仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。例如第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n－1层提供的服务。河南理工大学电气学院56二、OSI基本参考模型

3.4网络体系结构及OSI参考模型随着网络技术的进步和各种的网络产品的出现，需要解决不同网络系统的互连问题。开放系统互连OSI（OpenSystemInterconnection）基本参考模型是由国际标准化组织ISO制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型。“开放”的含义是能使任何两个遵循该参考模型及其相关标准的系统实现互连。OSI七层模型从下到上分别为：物理层(PhysicalLayer,PH)、数据链路层(DataLinkLayer,DL)、网络层(NetworkLayer,N)、传输层(TransportLayer,T)、会话层(SessionLayer,S)、表示层(PresentationLayer,P)和应用层(ApplicationLayer,A)。河南理工大学电气学院57二、OSI基本参考模型

3.4网络体系结构及OSI参考模型七层协议中，上面4层为用户层，属于高层功能，主要完成通信处理功能，通常需要由资源子网中的终端计算机提供。下面3层是通信子网，属于低层功能，主要完成数据传送功能，是网络与终端均需具备的功能。河南理工大学电气学院58二、OSI基本参考模型

3.4网络体系结构及OSI参考模型OSI最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来服务说明某一层为上一层提供一些什么功能；接口说明上一层如何使用下层的服务；协议涉及如何实现本层的服务。这样各层之间具有很强的独立性，互连网络中各实体采用什么样的协议是没有限制的，只要向上提供相同的服务并且不改变相邻层的接口就可以了。河南理工大学电气学院591、OSI模型中的数据传输过程

3.4网络体系结构及OSI参考模型发送进程送给接收进程的数据，并不是从一台计算机的第n层直接传送到另一台计算机的第n层（水平方向）实际上是经过发送方各层从上到下的传递到物理媒体，通过物理媒体传输到接收方后，再经过接收方各层从下到上的传递，最后到达接收进程。（垂直方向）河南理工大学电气学院603.4网络体系结构及OSI参考模型为了保证数据在网络各节点之间的准确传输，发送方数据从上到下逐层传递的过程中，每层都要对其加上适当的控制信息H7、H6、…、H1（报头，包含数据长度、标识符（表征数据身份的ID信息）、源地址、目的地址等字段）到最底层数据成为由“0”或“1”组成的数据比特流，然后再转换成相应的电平信号在物理媒体上传输至接收方。1、OSI模型中的数据传输过程

河南理工大学电气学院613.4网络体系结构及OSI参考模型接收方在向上传递数据时，过程恰恰相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息；1、OSI模型中的数据传输过程

河南理工大学电气学院623.4网络体系结构及OSI参考模型因此，接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息，它只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作；发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息直接给了对方一样（虚通信）。1、OSI模型中的数据传输过程

河南理工大学电气学院632、OSI基本参考模型各层功能

3.4网络体系结构及OSI参考模型(1)、物理层(传输数据单位—比特）建立在通信介质基础上，是网络物理设备之间的接口。主要设备

HUB、电缆、连接器（RS-232C/422/485接口、RJ45）和收发器等。具体功能能在DTE（数据终端设备）/DCE（数据电路终端设备或数据通信设备）之间传送原始的二进制数据位（比特流）

。提供为在DTE、DCE之间建立、保持和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。河南理工大学电气学院643.4网络体系结构及OSI参考模型(2)、数据链路层(传输数据单位—帧）比特流被组织成包含地址、控制、数据及校验码等信息的数据帧，并以此为单位进行传输。通过校验、确认和反馈重发等手段，在不可靠的物理线路上提供无差错的数据传输。同时还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制。主要设备网卡、网桥具体功能

帧同步及差错控制：将物理链路提供的非结构化比特流分割成帧并进行差错监测和校正。通常采用奇偶校验码和循环冗余码（CRC）校验方法。流量控制：对数据流量进行控制，以处理好发方的发送能力和收方的接收能力间的协调问题。链路管理：包括建立、维护和释放数据链路以及服务质量管理。河南理工大学电气学院653.4网络体系结构及OSI参考模型(3)、网络层(传输数据单位—分组）网络层又称通信子网层，它主要负责控制通信子网的操作，解决如何使数据分组跨越通信子网从信源传送到目的地的问题。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点A到另一个网络中节点B的最佳路径。主要设备路由器、网关、交换机、硬件防火墙等。具体功能为传输层提供数据交换，完成路径选择、阻塞控制、网络互联等功能。河南理工大学电气学院663.4网络体系结构及OSI参考模型(4)、传输层(传输数据单位—报文)传输层与数据链路层的关系相似数据链路层负责（节）点到（节）点之间的数据通信传输层负责扩大了的点到点之间的通信，即（信源）端-（信宿）端之间的通信。区别对数据链路层来说，点与点之间的信道是一条物理链路对传输层来说，端与端之间的信道是一通信子网传输层是第一个端-端，也即主机-主机的层次，只存在于通信子网以外的端主机中。传输层提供端-端的透明数据服务，使高层用户不必关心通信子网的存在。传输层使高层用户看见的就是好像在两个实体之间有一条端到端的、可靠的、全双工通信通路（数字管道）。河南理工大学电气学院673.4网络体系结构及OSI参考模型(5)、会话层(传输数据单位—报文）

会话层是进程－进程的层次，主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信（对话）．(6)、表示层(传输数据单位—报文）1-3层属于通讯子网——底层协议4-7层属于用户层——高层协议表示层的功能是为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换．由于各种计算机都可能采用各自的数据描述方法，所以不同类型计算机之间交换的数据需经过格式转换才能保证其意义不变。表示层要解决的问题是如何描述数据结构并使之与具体的机器无关，其作用是对源站内部的数据结构进行编码，使之成为适合于传输的比特流，到了目的站再进行解码，转换成用户所要求的格式。(7)、应用层(传输数据单位—报文）

应用层主要是为特定类型的网络应用提供访问．具体功能包括：文件传输，访问和管理、电子邮件、远程作业录入等。现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统（FCS）。现场总线既是通信网，又是控制系统。3.6现场总线技术现场总线技术是多方面因素共同作用的结果。

1、现场总线首先反映了仪器仪表本身发展的需要

仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。(1).全模拟式仪表将传感器信号进行调理放大后，经过V/I电路转换，输出4-20mA或0-5V的模拟信号。一、现场总线发展背景

(2).智能仪表

微处理器嵌套在仪器仪表中，过程变量经调理放大、A/D采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等处理后，再通过D/A、V/I等电路，仍然以4-20mA或0-5V的模拟信号输出。相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。(3).具有通信功能的智能仪表，在仪器仪表中增加了通信接口（如RS232），以数字通信的方式代替模拟信号传输。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。(4).现场总线仪表必须使网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。3.6现场总线技术2、现场总线技术发展反映企业管控一体化信息集成的要求企业管控一体化概念把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作要统一考虑，并采用计算机、自动控制、网络通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加工、管理决策等。为实现这个目标，必须要将企业内现场控制、过程监控、经营管理、市场管理等各层次智能设备互联成综合自动化网络，实现各层次的汇通和数据共享，即实现工业企业的“管控一体化”。现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。3.6现场总线技术3.6现场总线技术全数字化

在采用FCS的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。

全分布式

在FCS中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。

双向传输

传统的4~20mA电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。

二、现场总线的优点

自诊断

现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。

节省布线及控制室空间

传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在FCS系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，降低了造价。

多功能仪表

数字化、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。

开放性

1999年底现场总线协议已被IEC

批准正式成为国际标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。

3.6现场总线技术互操作性

现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。

智能化与自治性

现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。

3.6现场总线技术现场总线仪表、控制器

现场总线线路

监控、组态计算机

仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。三、现场总线控制系统的组成

1、现场总线与RS232、RS485的本质区别3.6现场总线技术主要体现在接口规范方面。RS232与RS485只能代表通信的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，多数都不符合ISO/OSI规范，不具备通用性。如果设备数量超过2台，就必须使用RS485组成设备网。RS485网络中的设备之间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全是“从（Slave）”设备。现场总线接口符合ISO/OSI规范、具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突监测、链路维护等问题。网络中设备无主从之分或允许多主存在。四、现场总线与其他通信技术的区别

2、现场总线系统与计算机网络的区别

3.6现场总线技术现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，传输速率低，但实时性高。现场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。局域网是一种高速信息网络。环境不同。现场总线位于生产现场，环境条件差，而计算机网络一般位于办公场所，环境好。五、现场总线的参考模型六、媒体访问控制（MAC）方法3.6现场总线技术现场总线通讯协议的结构是根据国际标准化组织提供的ISO/OSI模型来制定的。标准ISO/OSI模型有七层框架，但根据工业控制的特点，多数数据总线协议都是采用了其中的物理层、数据链路层和应用层。因此，典型的现场总线协议模型是OSI模型的简化形式，其流量与差错控制在数据链路层中进行。OSI/RM是现场总线技术的基础。主要CSMA/CD和令牌两种方式。CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）带冲突检测的载波侦听多路访问方法主要用于总线型网络总线型网络由多个节点共享一条总线来传送数据，因此其MAC协议的主要任务就是防止两个或两个以上的节点同时占用总线IEEE802.3标准CSMA/CD工作原理：3.6现场总线技术发送数据前，先侦听信道是否空闲（载波侦听）,若空闲则立即发送数据.在发送数据时,边发送边继续侦听（冲突检测）.若侦听到冲突,则立即停止发送数据.根据一定策略延时后再重新尝试发送.先听后发，边发边听，冲突停发，延迟后重发将CSMA/CD的工作过程形象的比喻成很多人在一间黑屋子中举行讨论会.原理比较简单，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。现场总线是自动化领域中计算机通信最底层的控制网络，它可将变电站保护测量、控制、远传集为一体，实现变电站内数据的采集、处理和共享。国际上约有40种现场总线，但多数以低速总线为主大型变电站的高压及主变压器所配备的保护非常复杂，事故状态下的各种信息量异常大，要求站内信息记录具备实时性，低速总线不能满足要求，所以现有国内综合自动化生产商大部分采用以太网、CAN网、LonWorks网、RS－485网。3.6现场总线技术七、现场总线实例CAN通信技术概述CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网络，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。CAN最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的。现代汽车越来越多地采用电子装置控制，如发动机的转速控制、燃油喷射控制，加速、刹车控制(ASC)及防抱死刹车系统(ABS)等。由于这些控制需检测及交换大量数据，传统电器设备多为点到点通信导致了庞大的线束。通过CAN总线将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，既减少了线束，又可更好地控制和协调汽车的各个系统，减少冗余的传感器，使汽车性能达到最佳。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，在汽车领域的应用最为广泛，如BENZ、BMW、Volkswagen等都采用了CAN来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。带有中央控制单元的汽车带有三个中央控制单元的车带有三个中央控制单元和总线系统的车带有三个中央控制单元的CAN驱动网络CAN总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN总线特点CAN总线特点如下：（1）可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。（2）报文以标识符分为不同的优先级,可以满足不同的实时要求，优先级最高的报文可保证在134us内得到传输。

（3）采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。（4）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。（5）直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。（6）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。（7）节点数实际可达110个。（8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。（9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。（10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。（11）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。（12）性价比高，器件容易购置，节点价格低。（13）开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。◆1986年，Bosch在SAE（汽车工程人员协会）大会上提出了CAN◆19