现场总线第二章教材

第二章网络与通信技术基础

第一节总线的基本概念与操作一、

总线的基本术语与基本操作二、

总线操作的基本内容第二节数据通信系统概述一、数据通信系统的组成及分类现代数据通信系统实际上是一个计算机网络，由数据传输系统和数据处理系统两部分组成。通信系统模型：信息源发信机传输介质收信机受信者噪声源信息源发信机传输介质收信机受信者噪声源二、数据编码1、编码的目的2、常见的编码形式三、通信系统的性能

通信系统的主要性能指标有两大类： 有效性指标和可靠性指标。1、有效性指标用来衡量系统传输能力的指标，主要有三种。(1)调制速率：调制速率的定义是每秒传输信号码元的个数，又称波特率，单位为波特(Bd)。如信号码元持续时间(时间长度)为T(秒)，调制速率NBd为

例：设有如下三种信号，求它们的调制速率(2)数据传信速率每秒钟传输二进制码元的个数，又称比特率。单位为比特／秒(bit／s，或bps)有时用千比特／秒(kbit／s)，兆比特／秒(Mbit／s)。

如果一个数据通信系统，每秒钟内传输2400个代码，则它的数据传信速率记作R，且R＝2400bit／s。数据传信速率与数据调制速率之间的关系：

上例中图(b)与(a)相比，四进制中一个信号码元(T)包含2个代码。这样对于图(b)来说，它的：调制速率NBd＝1200波特传信速率R＝2·1/T＝2400bit／s。当数据信号是二进制脉冲(码元)，即二状态时，两者相同数据信号有时采用多状态制，或称多电平制、多进制，则两者的速率是不相同的。当数据信号为M电平，即M进制时，传信速率与调制速率关系为：

(3)数据传送速率数据传送速率的定义：单位时间内在数据传输系统中的相应设备之间传送的比特、字符或码组平均数。定义中的相应设备常指调制解调器、中间设备或数据源与数据宿。单位为比特／秒(bit／s)、字符／秒或码组／秒。数据传信速率与数据传送速率不同数据传信速率是传输数据的速率。数据传送速率是相应设备之间实际能达到的平均数据转移速率。它不仅与发送的比特率有关，而且与差错控制方式、通信规程以及信道差错率有关。即与传输的效率有关。数据传送速率总是小于数据传信速率。上述三个定义的关系在实际应用上既有联系又有侧重在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时通常使用调制速率在研究传输数据速率时，采用数据传信率在涉及系统实际的数据传送能力时，则使用数据传送速率。2、可靠性指标(1)差错率衡量数据传输质量的最终指标是差错率差错率可以有多种定义在数据传输中，一般采用误码(比特)率、误字符率、误码组率它们分别定义为：

差错率是一个统计平均值，因此在测量或统计时，总的比特(字符、码组)数应达到一定的数量，否则得出的结果将失去意义。3、数据传输信道(1)分类信道可按不同方式来分类。按传输媒体可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括对称电缆、同轴电缆、光缆等无线信道包括地面微波、卫星、短波等

按信息复用形式，一般又可分为频分制信道、时分制信道和码分制信道。按信道参数的时间特性分为恒参信道和变参信道等。(2)信道容量

信道容量是指信道在单位时间内所能传送的最大信息量。信道容量的单价是比特/秒，即信道的最大传信速率。①模拟信道的信道容量模拟信道的信道容量可根据香农(shannon)定律计算。香农定律指出：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率(信道容量)为：

其中:S／N是平均信号噪声功率比（噪声为正态分布的加性白噪声）

B为信道带宽

C为信道容量。例:若信道带宽为3000Hz，信道上只存在加性白噪声、信噪比为20dB，求信道容量。

②数字信道的信道容量

数字信道是一种离散信道，它只能传送离散取值的数字信号。典型的数字信道是平稳、对称、无记忆的离散信道。这种信道可以是二进制的也可以是多进制的。下图给出了平稳、对称、无记忆的二进制信道的数学模型。图中Pe表示错误传输的概率，即误码率，q表示正确传输的概率。则q=1-Pe奈奎斯特(Nyquist)准则指出：带宽为BHz的信道，所能传送的信号的最高码元速率(即调制速率)为2B波特因此，离散、无噪声数字信道的信道容量C可表示为：

C＝2Blog2Mbit／s其中，M为码元符号所能取的离散值的个数，即指M进制。

例:设数字信道的带宽为3000Hz，采用四进制传输，计算无噪声时该数字信道的通信容量。四、信号的传输方式

信号的传输方式是指信息在介质上传输时的物理形式。分为1、基带传输2、载波传输3、宽带网4、异步传输模式ATM五、通信方式1、单工通信方式2、半双工通信方式3、全双工通信方式第三节计算机局域网及其拓扑结构

一、计算机局域网络与拓扑结构

1、计算机局域网络将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路而连接起来且以功能完善的网络软件(网络协议、信息交换方式及网络操作系统等)实现网络资源共享的系统，可称为计算机网络系统。2、计算机局域网络拓扑结构

计算机局域网络的拓扑结构是指网络中的通信线路和节点间的几何排序，并用以表示网络的整体结构外貌，同时也反映了各组成模块之间的结构关系。主要有环形、星形、树形、总线形、网状和任意形等。如下图所示。

二、几种计算机网络拓扑结构的介绍1、环形拓扑结构环形结构为一封闭环形，各结点通过中继器连入网内，各中继器间由点到点链路首尾连接，信息单向沿环路逐点传送。环形网的特点是：信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有唯一通路，大大简化了路径选择的控制，某个结点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高；由于信息是串行穿过多个结点环路接口。当结点过多时，影响传输效率，使网络响应时间变长。但当网络确定时，其延时固定，实时性强；由于环路封闭故扩充不方便。

2、星形拓扑结构3、树形拓扑结构4、总线形拓扑结构5、网状拓扑结构6、任意形拓扑结构

第四节网络传输介质

一、双绞线双绞线又称双纽线。可传输模拟、数据信号。一对线作为一条通信链路。通常还把若干对双绞线，捆成一条电缆并以坚韧的护套包裹。

双绞线内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套双绞线(TP)一般分为:非屏蔽双绞线(UTP)屏蔽双绞线(STP)两种。

双绞线的主要特点是单位长度的价格最低主要缺点是抗高频干扰能力较低。

屏蔽双绞线(STP)以箔屏蔽以减少干扰和串音3类、5类双绞线外没有任何附加屏蔽非屏蔽双绞线(UTP)在传输模拟信号时大约每隔5km-6km，需要加一个放大器在传输数字信号时，每隔2km一3km需加—个中继器。随着技术的发展．双绞线已不再是低速传输介质当前被广泛采用的10BASE-T以太网所采用的双绞线传输速率为10Mbps令牌网中的双续线传输速率为4MbPs或16Mbps应该注意。目前我国采用的电话线大都不是双绞线，而是平行线。不可能有很高的传输速率。双绞线的分类：

目前常用的双绞线有五类：

1类

:速率1～2Mbps；

2类

:速率1～2Mbps，用于语音

；

3类

:速率16Mbps，用于10BaseT及4MbpsTokenRing；

4类

:速率20Mbps，用于10BaseT及16MbpsTokenRing；

5类:速率100Mbps，用于100BaseTX。

超5类(a)3类非屏蔽（CAT-3UTP）(b)5类非屏蔽（CAT-5UTP）二、同轴电缆同轴电缆由内外两个导体组成。内导体是芯线，外导体是一系列以内导体为轴的金属细丝组成圆柱纺织面。内外导体之间由填充支持物以保持同轴。同轴电缆同轴电缆

铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套计算机网络中使用的同轴电缆有三种：公用天线电视CATV系统标准的75欧姆同轴电缆、50欧姆同轴电缆和93欧姆同轴电缆。75欧姆同抽电缆又叫宽带同轴电缆，常用于传输频分多路复用FDM方式产生的模拟信号(称为宽带信号)。当然也适用于直接传输数字信号，传送速率通常为1Mbps-40Mbps。50欧姆同轴电缆只适用于直接传输数字信号(即所谓基带信号)，又称基带电缆。50欧姆同轴电缆又分为粗缆和细缆两种。粗缆抗干扰性能好，传输距离远；细缆便宜，传输距离较近。传输速率通常为10Mbps。93欧姆电缆是ARCnet网络结构中的同轴电缆，通常也只用于基带传输，传输速率为2Mbps一20Mbps。

三、光缆光纤是一种能够传导光线的，极细而又柔软的通信媒质光导纤维的横截面为圆形，分纤芯(又称芯子)和包层两部分。一根或多根光导纤维组合在一起形成光缆。光缆还包括一层能吸引光线的外壳。光导纤维的优点是：频带宽、传输容量比电缆大10倍-10000倍、传输速率极高、误码率小、传输距离远(若不需转发器可传送6km一8km)、抗干扰性能好、数据保密性最高、损耗和误码率低、传输速率为10Mbps一1000Mbps。其缺点是：光纤衔接困难，分支也困难，且分支时信号能量损失很大、价格昂贵、牢度低于金属线等，主要用作点对点连接。

光纤一束光线以三种不同的角度穿过空气与光纤的边界

光线在光纤中的全反射典型的光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束光接收器光信号检测器前置放大器均衡器后置放大器滤波判决电路时钟恢复数据第五节介质访问控制方式 网络上的设备共享传输线路，为解决设备同时争用传输线路的问题，需要设置介质访问控制方式。一、CSMA/CD访问控制方式

CSMA/CD－即载波侦听多路访问技术就是一种带有监听的多路访问系统，也称先听后说，希望传输的站首先对介质进行监听，以确定是否有别的站在传输。如果介质空闲，该站可以传输；否则。该站将避让一段时间后再尝试。CSMA/CD需要有一种退避算法来决定退让时间，常用有三种算法。坚持型CSMA。又称1—坚持CSMA。特点：当某个站点要传送一批数据时，它首先必须监听信道。看其是否正被其他站点占用。如果信道忙则站就等待，直到信道空闲为止。当站点监听到信道空闲时，就立即发送一帧数据。如果发生冲突则等待一随机时间再重新开始。此协议之所以称之为1—坚持，是因为只要侦听到信道空闲就立即发送帧，也即发送帧的概率为1。

P坚持型CSMA。特点：当某个站准备发送信息时，它便开始侦听信道。若信道空闲，便以概率P传送信息，而以概率(1－P)把发送信息的机会推迟到下一时槽。若下一时槽仍然空闲，便再次以概率P发送或以概率(1—P)推迟发送。如果该站侦听到信道为忙，就等到下一时槽，再应用上述算法。

非坚持CSMA。特点：发送信息前先侦听信道。如果信道未被其他站点占用就开始发送信息。如果信道正在使用，该站就不再继续侦听正在发送的信息何时结束，而是等待一个随机时间，再重复上述过程。

二、令牌环介质访问控制方式令牌环是环型网中普遍采用的介质访问控制。环中只有一个令牌在循环传送。任何一站要发送数据，必须等待循环的令牌通过该站，随后将令牌从空的标志改为满的标志，紧接着将数据送入环中。它分为两种形式。1、令牌环方式2、令牌传递总线方式

第六节数据交换

通常使用的数据交换技术有三种：线路交换;报文交换；分组交换。

一、线路交换方式线路交换方式，是通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的通信线路。最普通的线路交换例子是电话系统。通过线路交换进行通信，指的是在两个站之间有一个实际的物理连接。这种连接是结点之间的连接序列。在每条线路上，通道专用于连接。线路交换方式的通信包括三种状态。

1、线路建立：在传输任何数据之前，都必须建立端到端(站到站)的线路。例如，A站发送一个请求到结点4，请求与E站建立一个连接。典型的做法是，从A站到结点4的线路是一条专用线路。结点4必须在通向结点6的路径中找到下一个支路。根据路径选择信息，结点4选择到结点5的线路，在此线路上分配一个专用的通道(TDM或FDM)，并且发送一个报文请求连接到E站。至此已经建立了一条从A站经过结点4到结点5的专用通路。因为可能有许多站连接到结点4，所以必须能建立从多个站到多个结点的内部通路。结点5专用一条到结点6的通道，并且在内部把此通道与从结点4来的通道连接起来。结点6完成到E站的连接。在完成这个连接的过程中，要进行测试以测定E站是否忙或者是否准备接收本次连接。2、数据传送：连接后可以通过网络把信号从A站传送到E站。所传输的数据可以是数字的(例如从终端传输到计算机)，或者是模拟的(例如声音)。一般来说。这种连接是全双工的．可以在两个方向传输数据。

3、线路拆除：在某个数据传送周期结束以后，就要结束连接，通常由两个站中的一个来完成这个动作。线路交换可能效率很低。通道容量在连接期间是专用的，即使没有数据传送。别人也不能用。在数据传送以前，为了呼叫建立，有一个延迟。然而一旦建立了线路。网络对于用户实际上是透明的。用户可以用固定的数据传输速率来传输数据。除了通过传输链路时的传输延迟外。不再有别的延迟。在每个结点上的延迟是很小的。

二、数据报文方式报文交换中不需要在两个站之间建立一条专用通路。相反，如果一个站想要发送一个报文(信息的一个逻辑单位)，它把一个目的地址附加在报文上。然后把报文通过网络从结点到结点。在每个结点中，接收整个报文，暂存这个报文，然后发送到下一个结点。

例：一个从A站到E站的报文。A站把E站的地址附加到报文上，然后把它发送到结点4。结点4存储这个报文并且决定下一个路径的支路(假定到结点5)。为了在结点4到结点5的线路上传送这个报文，要进行报文排队。当链路可用时，就把报文发送到结点5。结点5将继续把报文发送到结点6，最后到达E站。这种系统通常也称为存储转发报文系统。某些情况下，连接到各站的结点或某些中间结点也生成报文，用来建立参数记录。

与比线路交换方式相比有以下优点：线路效率较高，这是因为许多报文可以分时共享一条结点到结点的通道。不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。在线路交换网上，当通信量变得很大时，就不能接受某些呼叫，而在报文交换网上仍然可以接收报文，但是传送延迟会增加。报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。能够建立报文的优先权。

三、报文分组交换方式分组交换的设置目的是要兼有报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少。分组交换非常象报文交换。形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度。典型的最大长度是1千位至几千位。报文交换系统却适应更长的报文。从一个站的观点来看，超过最大长度的报文必须分成较小单位，然后依次发送。为了区分这两种技术，分组交换系统中的数据单位通常称为分组。

分组报文交换的两种方式：数据报方式和虚电路方式。

第七节网络互连一、网络互连的基本概念1、什么是网络互连将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构成更大规模的网络系统，以进一步实现资源的共享。2、子网互连网络中被连接的网络叫子网。3、网络连接设备中继器网桥路由器网关

二、网络互连规范

网络互连必须遵循一定的规则，这种规则叫网络互连规范。

目前，国际上通行的是国际标准化组织(ISO)于l977年制定的相互连接的标准，即IOS/OSIRM参考模型，它为网络设计者提供一个参考规范。第八节开放系统互连参考模型

1977年国际标准化组织（ISO)专门建立了一个委员会。在分析和消化已有网络的基础上，考虑到联网方便相灵活性等的要求，提出了一种不基于待定机型、操作系统或公司的网络体系结构，即开放系统互连参考模型IOS/OSIRM.定义了异种机连网的标准框架，为连接分散的“开放”系统提供基础。

ISO/OS