現場總線技術02數據通信基礎與網絡互聯

1、第二章 數據通信基礎與網絡互聯第2章 數據通信基礎與網絡互聯n2.1 數據通信基礎n2.2 現場控制網絡n2.3 網絡硬件n2.4 網絡互聯n2.5 網絡互聯設備n2.6 通信參考模型2.1 數據通信基礎n2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念n1.1.總線的基本術語總線的基本術語n（1）總線與總線段(bus segment)。n從廣義說，總線就是傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術規(guī)范的連接與操作方式。n一組設備通過總線連在一起稱為“總線段”。n 可以通過總線段相互連接把多個總線段連接成一個網絡系統(tǒng)。n（2）總線主設備n可在總線上發(fā)起信息傳輸的設備叫做“總線主設備”(bus maste

2、r) ，又稱命令者。n（3）總線從主設備n不能在總線上主動發(fā)起通信、只能掛接在總線上、對總線信息進行接收查詢的設備稱為總線從設備(bus slaver)，也稱基本設備。n在總線上可能有多個主設備，某一設備既可以是主設備，也可以是從設備，但不能同時既是主設備又是從設備。n（4 4）控制信號（三種類型）控制信號（三種類型）n（a）控制連在總線上的設備，讓它進行所規(guī)定的操作，如設備清零、初始化、啟動和停止等。n（b）用于改變總線操作的方式，如改變數據流的方向，選擇數據字段的寬度和字節(jié)等。n（c）表明地址和數據的含義，如對于地址，可用于指定某一地址空間，或表示出現了廣播操作；對于數據，可用于指定它能否

3、轉譯成輔助地址或命令。n（5 5）總線協議）總線協議n管理主、從設備使用總線的一套規(guī)則稱為“總線協議”(bus protocol)。這是一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約。n2.2.總線操作的基本內容總線操作的基本內容n （1 1）總線操作）總線操作n總線上命令者與響應者之間的連結數據傳送脫開這一操作序列稱為一次總線“交易”(transaction)，或者叫做一次總線操作。“脫開”(disconnect)是指完成數據傳送操作以后，命令者斷開與響應者的連接。n（2 2）總線傳送）總線傳送n“讀”(read)數據操作是讀來自響應者的數據；“寫”(write)數據操作是向響應者寫數據。讀寫操作都需要

4、在命令者和響應者之間傳遞數據。n（3 3）請求通信）請求通信n通信請求是由總線上某一設備向另一設備發(fā)出的請求信號，要求后者給予注意并進行某種服務。它們有可能要求傳送數據，也有可能要求完成某種動作。n（4 4）尋址）尋址n尋址過程是命令者與一個或多個從設備建立起聯系的一種總線操作。通常有以下三種尋址方式:n（a）物理尋址 用于選擇某一總線段上某一特定位置的從設備作為響應者。n（b）邏輯尋址 用于指定存儲單元的某一個通用區(qū)，而并不顧及這些存儲單元在設備中的物理分布。n（c）廣播尋址 廣播尋址用于選擇多個響應者。n（5 5）總線仲裁）總線仲裁n總線在傳送信息的操作過程中有可能會發(fā)生“沖突”(cont

5、ention)。為解決這種沖突，就需進行總線占有權的“仲裁”（arbitration)。總線仲裁是用于裁決哪一個主設備是下一個占有總線的設備。n總線仲裁操作和數據傳送操作是完全分開且并行工作的，因此總線占有權的交接過程不會耽誤總線操作。n（6 6）總線定時）總線定時n總線操作用“定時”(timing)信號進行同步。定時信號用于指明總線上的數據和地址在什么時刻是有效的。n定時信號有異步和同步兩種。n（7 7）出錯檢測）出錯檢測n在總線上傳送信息時會因噪聲和干擾而出錯，因此在高性能的總線中一般設有出錯碼產生和校驗機構，以實現傳送過程的出錯檢測。n（8 8）容錯）容錯n設備在總線上傳送信息出錯時，如

6、何減少故障對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的重配置能力是十分重要的。故障對分布式仲裁的影響就比菊花鏈式仲裁小。后者在設備出故障時，會直接影響它后面設備的工作?？偩€系統(tǒng)應能支持軟件利用一些新技術，如動態(tài)重新分配地址，把故障隔離開來，關閉或更換故障單元。n2.1.2 2.1.2 通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成n通信系統(tǒng)是傳遞信息所需的一切技術設備的總和。它一般由信息源和信息接收者，發(fā)送、接收設備，傳輸媒介幾部分組成。n1.1.信息源和接收者信息源和接收者n信息源和接收者是信息的產生者和使用者。n在數字通信系統(tǒng)中傳輸的信息是數據，是數字化了的信息。這些信息可能是原始數據，也可能是經計算機處理后的結果，還可能是某

7、些指令或標志。n信息源可根據輸出信號的性質不同分為模擬信息源和離散信息源。n2.發(fā)送設備n發(fā)送設備的基本功能是將信息源和傳輸媒介匹配起來，即將信息源產生的消息信號經過編碼，并變換為便于傳送的信號形式，送往傳輸媒介。n信源編碼：把連續(xù)消息變換為數字信號；n信道編碼：使數字信號與傳輸介質匹配，提高傳輸的可靠性或有效性。n發(fā)送設備還要包括為達到某些特殊要求所進行的各種處理，如多路復用、保密處理、糾錯編碼處理等。n3.傳輸介質n傳輸介質指發(fā)送設備到接收設備之間信號傳遞所經媒介。它可以是無線的，也可以是有線的(包括光纖)。有線和無線均有多種傳輸媒介，如電磁波、紅外線為無線傳輸介質，各種電纜、光纜、雙絞線

8、等為有線傳輸介質。n介質在傳輸過程中必然會引入某些干擾，如熱噪聲、脈沖干擾、衰減等。媒介的固有特性和干擾特性直接關系到變換方式的選取。n4.接收設備n接收設備的基本功能是完成發(fā)送設備的反變換，即進行解調、譯碼、解密等。它的任務是從帶有干擾的信號中正確恢復出原始信息來，對于多路復用信號，還包括解除多路復用，實現正確分路。n以上所述是單向通信系統(tǒng)，但在大多數場合下，信源兼為收信者，通信的雙方需要隨時交流信息，因此要求雙向通信。n2.1.3 傳輸方式 n通信方式按照信息的傳輸方向分為 ：n(1)單工 (simplex)方式 信息只能沿單方向傳輸的通信方式稱為單工方式；。n(2)半雙工(Half du

9、plex)方式 信息可以沿著兩個方向傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸的通信方式稱為半雙工方式；n(3)全雙工 (Full duplex)方式 信息可以同時沿著兩個方向傳輸的通信方式稱為全雙工方式。單工、半雙工和全雙工通信方式 n2.1.4 傳輸模式n基帶傳輸 n載波（帶）傳輸 n寬帶傳輸 n異步轉移模式ATMn1.基帶傳輸 n基帶傳輸是指在基本不改變數據信號頻率的情況下，在數字通信中直接傳送數據的基帶信號，即按數據波的原樣進行傳輸，不采用任何調制措施。它是目前廣泛應用的最基本的數據傳輸方式。n局域網、控制局域網n特點n2.載波（帶）傳輸n載波傳輸是先用數字信號對載波進行調制，然后進行傳輸的

10、傳輸模式。最基本的調制方式有幅值鍵控 (ASK)，頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)3種。n在載波傳輸中，發(fā)送設備首先要產生某個頻率的信號作為基波來承載信息信號，這個基波就稱為載波信號，基波頻率就稱為載波頻率;然后按幅值鍵控、頻移鍵控、相移鍵控等不同方式改變載波信號的幅值、頻率、相位，形成調制信號后發(fā)送。n3.寬帶傳輸 n由于基帶網不適于傳輸語言、圖像等信息，隨著多媒體技術的發(fā)展，計算機網絡傳輸數據、文字、語音、圖像等多種信號的任務愈來愈重，因此提出了寬帶傳輸的要求。n寬帶傳輸與基帶傳輸的主要區(qū)別:一是數據傳輸速率不同，基帶網的數據傳輸速率范圍為0一l0Mbit/s，寬帶網可達0400

11、Mbit/s;二是寬帶網可劃分為多條基帶信道，能提供良好的通信路徑。一般寬帶局域網可與有線電視系統(tǒng)共建，以節(jié)省投資。 n4.異步轉移模式ATMnATM(Asynchronous Transfer Mode)是一種新的傳輸與交換數字信息的技術，也是實現高速網絡的主要技術，被規(guī)定為寬帶綜合業(yè)務數字網 (B-ISDN)的傳輸模式。這里的轉移包含傳輸與交換兩方面的內容。ATM是一種在用戶接入、傳輸和交換級綜合處理各種通信問題的技術。它支持多媒體通信，包括數據、語音和視頻信號，按需分配頻帶，具有低延遲特性，速度可達155Mbit/s一2.4Gbit/s,也有25Mbit/s和50Mbit/s的ATM技術

12、。n2.1.5 二進制表示方法n1基帶傳輸中數據的表示方法 n(1)信息傳輸有平衡傳輸和非平衡傳輸。n(2)根據對零電平的關系，信息傳輸可以分為歸零傳輸和不歸零傳輸。n(3)根據信號的極性，信息傳輸分為單極性傳輸和雙極性傳輸。n 單極性碼n 雙極性碼n常用的數據表示方法常用的數據表示方法n1)平衡、歸零、雙極性n2)平衡、歸零、單極性n3)平衡、不歸零、單極性n4)非平衡、歸零、雙極性n5)非平衡、歸零、單極性n6)非平衡、不歸零、單極性數據表示方法數據表示方法 n2載帶傳輸中的數據表示方法n(1)調幅方式 調幅方式AM (Amplitude M o d u l a t i o n ) 又 稱

13、 為 幅 移 鍵 控 法 A S K (Amplitude-Shift Keying)n(2)調頻方式 調頻方式FM (Frequency M o d u l a t i o n ) 又 稱 為 頻 移 鍵 控 法 F S K (Frequency-Shift Keying)n( 3 ) 調 相 方 式 調 相 方 式 P M ( P h a s e Modulation)又稱為相移鍵控法PSK (Phase-Shift Keying) 數據調制方式數據調制方式（a）調幅調幅 （b）調頻調頻 （c）調相調相n2.1.6通信網鉻的拓撲結構通信網鉻的拓撲結構 n在分布控制系統(tǒng)中應用較多的拓撲結構是

14、星型、環(huán)型和總線型。 通信網絡的拓撲結構通信網絡的拓撲結構(a)星形結構；星形結構； (b)環(huán)型結構；環(huán)型結構； (c)總線型結構總線型結構 n1星型結構n在星型結構中，每一個節(jié)點都通過一條鏈路連接到一個中央節(jié)點上去。任何兩個節(jié)點之間的通信都要經過中央節(jié)點。中央節(jié)點有一個開關裝置來接通兩個節(jié)點之間的通信路徑。因此，中央節(jié)點的構造是比較復雜的，一旦發(fā)生故障，整個通信系統(tǒng)就要癱瘓。因此，這種系統(tǒng)的可靠性是比較低的，在分散控制系統(tǒng)中應用得較少。 n2環(huán)型結構n在環(huán)型結構中，所有的節(jié)點通過鏈路組成一個環(huán)形。需要發(fā)送信息的節(jié)點將信息送到環(huán)上，信息在環(huán)上只能按某一確定的方向傳輸。當信息到達接收節(jié)點時，該節(jié)

15、點識別信息中的目的地址與自己的地址相同，就將信息取出，并加上確認標記，以便由發(fā)送節(jié)點清除。n3總線型結構n所有的站都通過相應的硬件接口直接接到總線上。由于所有的節(jié)點都共享一條公用的傳輸線路，所以每次只能由一個節(jié)點發(fā)送信息，信息由發(fā)送它的節(jié)點向兩端擴散。n這種結構的網絡又稱為廣播式網絡。某節(jié)點發(fā)送信息之前，必須保證總線上沒有其他信息正在傳輸。當這一條件滿足時，它才能把信息送上總線。n2.1.7網絡傳輸介質n網絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，實際傳送信息的載體。網絡中常用的傳輸介質有電話線、同軸電纜、雙絞線、光導纖維、無線與衛(wèi)星通信。n1） 物理特性:傳輸介質物理結構的描述;n2） 傳輸特性:傳輸介質

16、允許傳送數字或模擬信號以及調制技術、傳輸容量、傳輸的頻率范圍;n3）連通特性:允許點-點或多點連接n4） 地理范圍:傳輸介質最大傳輸距離n5） 抗干擾性:傳輸介質防止噪聲與電磁干擾對傳輸數據影響的能力。n1.雙絞線的主要特性n(1)物理特性n雙絞線由按規(guī)則螺旋結構排列的2根或4根絕緣線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對螺旋排列的目的是使各線對之間的電磁干擾最小。n(2)傳輸特性n雙絞線最普遍的應用是語音信號的模擬傳輸。在一條雙絞線上使用頻分多路復用技術可以進行多個音頻通道的多路復用。n數據傳輸速率可達9600bit，24條音頻通道總的數據傳輸速率可達230Kbit。n(3)連通特性n用

17、于點-點連接，也可用于多點連接。n(4)地理范圍n雙絞線用作遠程中繼線時，最大距離可達15km;用于l0Mbit/s局域網時，與集線器的距離最大為100m。n(5)抗干擾性n雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對的扭曲長度及適當的屏蔽。在低頻傳輸時，其抗干擾能力相當于同軸電纜。在10100kHz時，其抗干擾能力低于同軸電纜。n2同軸電纜的主要特性n(1)物理特性n它由內導體、外屏蔽層、絕緣層及外部保護層組成。同軸介質的特性參數由內、外導體及絕緣層的電參數和機械尺寸決定。n(2)傳輸特性n根據同軸電纜通頻帶，同軸電纜可以分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜兩類?；鶐S電纜一般僅用于數字數據信號傳輸。

18、寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復用方法，將一條寬帶同軸電纜的頻帶劃分成多條通信信道，使用各種調制方案，支持多路傳輸。寬帶同軸電纜也可以只用于一條通信信道的高速數字通信，此時稱之為單通道寬帶。n(3)連通特性n同軸電纜支持點-點連接，也支持多點連接。寬帶同軸電纜可支持數千臺設備的連接;n基帶同軸電纜可支持數百臺設備的連接。n(4)地理范圍n基帶同軸電纜最大距離限制在幾km范圍內，而寬帶同軸電纜最大距離可達幾十km。n(5)抗干擾性n同軸電纜的結構使得它的抗干擾能力較強。n3.光纜的主要特性n光纜是網絡傳輸介質中性能最好、應用最廣泛的一種。n(1)物理特性n光纖是一種直徑為50一100件m的柔軟、能

19、傳導光波的介質，各種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的包層包裹起來，就可以構成一條光纖通道，多條光纖組成一束就構成光纖電纜。n(2)傳輸特性n光導纖維通過內部的全反射來傳輸一束經過編碼的光信號。由于光纖的折射系數高于外部包層的折射系數，因此可以形成光波在光纖與包層界面上的全反射。光纖可以看作頻率從10。一1OHz的光波導線，這一范圍覆蓋了可見光譜與部分紅外光譜。以小角度迸人的光波沿光纖按全反射方式向前傳播。n光纖傳輸分為單模與多模兩類。所謂單模光纖是指光纖的光信號僅與光纖軸成單個可分辨角度的單光纖傳輸

20、。而多模光纖的光信號與光纖軸成多個可分辨角度的多光纖傳輸。單模光纖性能優(yōu)于多模光纖。n(3)連通特性n光纖最普遍的連接方法是點-點方式，在某些實驗系統(tǒng)中也可采用多點連接方式。n(4)地理范圍n光纖信號衰減極小，它可以在68km距離內不使用中繼器，實現高速率數據傳輸。n(5)抗干擾性n光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響，能在長距離、高速度傳輸中保持低誤碼率。雙絞線典型的誤碼率在10一10。之間，基帶同軸電纜為10，寬帶同軸電纜為10-。而光纖誤碼率可以低于10。光纖傳輸的安全性與保密性極好。n2.1.8數據交換方式數據交換方式n數據通信系統(tǒng)中通常采用三種數據交換方式：n 線路交換方式n 報文交換方

21、式n 報文分組交換方式n 報文分組交換方式包含：n 虛電路n 數據報n1線路交換方式n在需要通信的兩個節(jié)點之間事先建立起一條實際的物理連接，然后再在這條實際的物理連接上交換數據，數據交換完成之后再拆除物理連接。因此，線路交換方式將通信過程分為三個階段:即線路建立、數據通信和線路拆除階段。n2報文交換方式n報文交換以及報文分組交換方式不需要事先建立實際的物理連接，而是經由中間節(jié)點的存儲轉發(fā)功能來實現數據交換，有時又將其稱為存儲轉發(fā)方式。n3報文分組交換方式n報文分組交換方式交換的基本數據單位是一個報文分組。報文分組是一個完整的報文按順序分割開來的比較短的數據組。由于報文分組比報文短的多，傳輸時比

22、較靈活。特別是當傳輸出錯需要重發(fā)時，它只需重發(fā)出錯的報文分組，而不必像報文交換方式那樣重發(fā)整個報文。n(1)虛電路方法n(2)數據報方法n2.1.9介質訪問控制方式n在總線和環(huán)形拓撲中，網上設備必須共享傳輸線路。為解決在同一時間有幾個設備同時爭用傳輸介質，需有某種介質訪問控制方式，以便協調各設備訪問介質的順序，在設備之間交換數據。n通信中對介質的訪問可以是隨機的，即各工作站可在任何時刻，任意地點訪問介質;也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法調整各站訪問介質順序和時間。在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為CSMA/CD；在控制訪問方式中則常用令牌總線、令牌環(huán)，或稱之為標記總線、標記環(huán)。n1

23、.CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測) n工作站的發(fā)送是隨機的，必須在網絡上爭用傳輸介質，故稱之為爭用技術。若同一時刻有多個工作站向傳輸線路發(fā)送信息，則這些信息會在傳輸線上相互混淆而遭破壞，稱為 沖突。為盡量避免由于競爭引起的沖突，每個工作站在發(fā)送信息之前，都要監(jiān)聽傳輸線上是否有信息在發(fā)送，這就是 載波監(jiān)聽。n載波監(jiān)聽CSMA的控制方案是先聽再講。一個站要發(fā)送，首先需監(jiān)聽總線，以決定介質上是否存在其他站的發(fā)送信號。如果介質是空閑的，則可以發(fā)送。如果介質是忙的，則等待一定間隔后重試。 n三種CSMA堅持退避算法:n1）不堅持CSMA。假如介質是空閑的，則發(fā)送;假如介質是忙的，則等待一段隨

24、機時間，重復第一步。n2） 1-堅持CSMA。假如介質是空閑的，則發(fā)送;假如介質是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽，直到介質空閑，立即發(fā)送;假如沖突發(fā)生，則等待一段隨機時間，重復第一步。n3）P-堅持CSMA。假如介質是空閑的，則以P的概率發(fā)送;假如介質是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽，直到介質空閑，重復第一步。n2.令牌 (標記)訪問控制方式nCSMA的訪問存在發(fā)報沖突問題，產生沖突的原因是由于各站點發(fā)報是隨機的。為了解決沖突問題，可采用有控制的發(fā)報方式，令牌方式是一種按一定順序在各站點傳遞令牌(Token)的方法。誰得到令牌，誰才有發(fā)報權。令牌訪問原理可用于環(huán)形網絡，構成令牌環(huán)形網;也可用于總線網，構成令牌總線網絡。n(1

25、)令牌環(huán) (Token-Ring)方式 n某一瞬間可以允許發(fā)送報文的站點只有一個，令牌在網絡環(huán)路上不斷地傳送，只有擁有此令牌的站點，才有權向環(huán)路上發(fā)送報文，而其他站點僅允許接收報文。站點在發(fā)送完畢后，便將令牌交給網上下一個站點，如果該站點沒有報文需要發(fā)送，便把令牌順次傳給下一個站點。因此，表示發(fā)送權的令牌在環(huán)形信道上不斷循環(huán)。環(huán)上每個相應站點都可獲得發(fā)報權，而任何時刻只會有一個站點利用環(huán)路傳送報文，因而在環(huán)路上保證不會發(fā)生訪問沖突。n(2)令牌傳遞總線 (Token-PassingBus)方式n這種方式和CSMA/CD方式一樣，采用總線網絡拓撲，但不同的是在網上各工作站按一定順序形成一個邏輯環(huán)

26、。每個工作站在環(huán)中均有一個指定的邏輯位置，末站的后站就是首站，即首尾相連。每站都了解先行站 (PS)和后繼站 (NS)的地址，總線上各站的物理位置與邏輯位置無關。n2.1.10差錯控制n分布控制系統(tǒng)的通信網絡是在條件比較惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作的，因此，在信息傳輸過程中，各種各樣的干擾可能造成傳輸錯誤。這些錯誤輕則會使數據發(fā)生變化，重則會導致生產過程事故。因此必須采取一定的措施來檢測錯誤并糾正錯誤，檢錯和糾錯統(tǒng)稱為差錯控制。n突發(fā)錯誤；由突發(fā)噪聲引起的，誤碼連續(xù)成片出現；n隨機錯誤：由隨機噪聲引起的，誤碼與其前后的代碼是否出錯無關。n差錯控制方法：n在傳輸信息中附加冗余度n在傳輸方法中附加冗余度

27、2.2 現場控制網絡n現場總線又稱現場控制網絡，它屬于一種特殊類型的計算機網絡，是用于完成自動化任務的網絡系統(tǒng)。從現場控制網絡節(jié)點的設備類型、傳輸信息的種類、網絡所執(zhí)行的任務、網絡所處的工作環(huán)境等方面，現場控制網絡都有別于由普通PC機或其他計算機構成的數據網絡。n2 2.2.1 .2.1 現場控制網絡的節(jié)點現場控制網絡的節(jié)點n現場控制網絡的節(jié)點大都是具有計算與通信能力的測量控制設備。n限位開關、感應開關等各類開關; 條形碼閱讀器; 光電傳感器; 溫度、壓力、流量、物位等各種傳感器、變送器; 可編程邏輯控制器PLC; PID等數字控制器; 各種數據采集裝置; 作為監(jiān)視操作設備的監(jiān)控計算機、工作站

28、及其外設; 各種調節(jié)閥; 電動機控制設備; 變頻器; 機器人; 作為現場控制網絡連接設備的中繼器、網橋、網關等。n把單個分散的有通信能力的測量控制設備作為網絡節(jié)點，連接成網絡系統(tǒng)，使它們之間可以相互溝通信息，由它們共同完成自控任務，這就是現場控制網絡。 n2 2.2.2 .2.2 現場控制網絡的任務現場控制網絡的任務n現場控制網絡要將現場運行的各種信息傳送到遠離現場的控制室(把生產現場設備的運行參數、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室)；又將各種控制、維護、組態(tài)命令等送往位于現場的測量控制現場設備中；現場級控制設備之間數據聯系與溝通的作用；現場控制網絡還要在與操作終端、上層管理網絡的數據連接和信息共

29、享中發(fā)揮作用。n參數的網絡測覽和遠程監(jiān)控n控制網絡必須解決的問題控制網絡必須解決的問題：n類惡劣的工作環(huán)境、控制網絡的互聯與互操作。n不同于普通計算機網絡的特點不同于普通計算機網絡的特點：n數據傳輸量相對較小，傳輸速率相對較低，多為短幀傳送，但它要求通信傳輸的實時性強，可靠性高。n現場控制網絡的特定需求現場控制網絡的特定需求：n滿足控制的實時性要求、工業(yè)環(huán)境下的抗干擾、總線供電等。n2 2.2.3 .2.3 現場控制網絡的實時性現場控制網絡的實時性n現場控制網絡不同于普通數據網絡的最大特點:它必須滿足對現場控制的實時性要求。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新。這種對動作時間有實時要求

30、的系統(tǒng)稱為實時系統(tǒng)。n實時系統(tǒng)的運行不僅要求系統(tǒng)動作在邏輯上的正確性，同時要求滿足時限性。實時系統(tǒng)又可分為硬實時和軟實時兩類。硬實時系統(tǒng)要求實時任務必須在規(guī)定的時限完成，否則會產生嚴重的后果;而軟實時系統(tǒng)中的實時任務在超過了截止期后的一定時限內，系統(tǒng)仍可以執(zhí)行處理。 2.3 網絡硬件n2.3.1 2.3.1 網絡傳輸技術網絡傳輸技術n1.1.廣播式網絡廣播式網絡(broadcast network)(broadcast network)n廣播式網絡僅有一條通信信道，由網絡上的所有機器共享，按某種語法組織的分組或包 (packet)，可以被任何機器發(fā)送并被其他所有的機器接收。分組的地址字段指明此

31、分組應被哪臺機器接收。一旦收到分組，各機器將檢查它的地址字段。如果是發(fā)送給它的，則處理該分組，否則將它丟棄。（一對一）n一對多一對多n廣播(broadcasting)：廣播系統(tǒng)也允許在地址字段中使用一段特殊代碼，以便將分組發(fā)送到所有目標。使用此代碼的分組發(fā)出以后，網絡上的每一臺機器都會接收和處理它。n某些廣播系統(tǒng)還支持向機器的一個子集發(fā)送的功能，即多點播送(muIticasting)。n2.2.點到點網絡點到點網絡(point-to-point network)n由一對對機器之間的多條連接構成。為了能從源到達目的地，這種網絡上的分組可能必須通過一臺或多臺中間機器。通常是多條路徑，并且可能長度不

32、一樣，因此在點到點網絡中路由算法十分重要。n網絡類型的選擇：小的、地理上處于本地的網絡采用廣播方式，而大的網絡則采用點到點方式。n另一個網絡分類的標準連接距離。n數據流機器 (data fIow machine)n多計算機 (muItiComputers)n網絡：n 局域網n 城域網n 廣域網n 互聯網n距離是重要的分類尺度，因為在不同的連接距離下所使用的技術是不一樣的。按連接距離分類的多處理器系統(tǒng)按連接距離分類的多處理器系統(tǒng)2.3.2 局域網n局域網(Local Area Network)，簡稱LAN，是處于同一建筑、同一大學或方圓幾公里遠地域內的專用網絡。局域網常被用于連接公司辦公室或工廠

33、里的個人計算機和工作站，以便共享資源 (如打印機)和交換信息。nLAN有和其他網絡不同的三個特征:范圍、傳輸技術和拓撲結構。LAN的覆蓋范圍比較小，即使是在最壞情況下其傳輸時間也是有限的，簡化了網絡的管理。LAN的傳輸技術：用用一條電纜連接所有的機器。傳統(tǒng)的LAN速度為10-1OOMbit/s，傳輸延遲低 (幾十個ms)，并且出錯率低。新的LAN運行速度更高，可達到每秒數百兆位。廣播式LAN可以有多種拓撲結構，例如總線形、環(huán)形。2.3.3 城域網n城域網(Metropolitan Area Network)，簡稱MAN，基本上是一種大型的LAN，通常使用與LAN相似的技術。它可能覆蓋一組鄰近的

34、公司辦公室和一個城市，既可能是私有的也可能是公用的。MAN可以支持數據和聲音，并且可能涉及到當地的有線電視網。MAN僅使用一條或兩條電纜，并且不包含交換單元，即把分組分流到幾條可能的引出電纜的設備。2.3.4 廣域網n廣域網 (Wide Area Network)，或者稱WAN，是一種跨越大的地域的網絡，通常包含一個國家或州。它包含想要運行用戶 (即應用)程序的機器的集合。2.3.5 無線網n移動計算機，例如筆記本計算機和個人數字助理PDA( Personal Digital Assistant)，是計算機工業(yè)增長最快的一部分。許多擁有這種計算機的人在他們的辦公室里都有連接到LAN上的桌面計算

35、機，并且希望當他們不在辦公室或在路途中時，仍然能連接到自己的大本營。顯然在汽車或飛機中不可能使用有線連接，這時，無線網絡可滿足用戶的需要。n無線網絡有很多用處：n移動式辦公室，旅途中的人通常希望使用他們的便攜式電子設備來發(fā)送和接收電話、傳真和電子郵件，閱讀遠程文件，登錄到遠程計算機上等，并且不論是在陸地、海上和天空中都可以工作。n無線網絡對于卡車、出租車、公共汽車和維修人員與基地保持聯系極其有用。2.3.6 互聯網n世界上有許多網絡，而且常常使用不同的硬件和軟件。在一個網絡上的用戶經常需要和另一個網絡上的用戶通信。這就需要連接不同的、而且往往是不兼容的網絡。使用網關 (gateway) 來完成

36、連接，并提供硬件和軟件的轉換?；ヂ摰木W絡集合就稱為互聯網(internetwrork或internet)。n常見的互聯網是通過WAN連接起來的LAN集合。2.4 網絡互聯n2.4.1 2.4.1 基本概念基本概念n 網絡互聯是將分布在不同地理位置的網絡、網絡設備連接起來，構成更大規(guī)模的網絡系統(tǒng)，以實現網絡的數據資源共享。相互連接的網絡可以是同種類型的網絡，也可以是運行不同網絡協議的異型系統(tǒng)。n網絡互聯要求：n不改變原有子網內的網絡協議、通信速率、硬件和軟件配置等，通過網絡互聯技術使原先不能相互通信和共享資源的網絡間有條件實現相互通信和信息共享。n每個子網：整個網絡的共享資源，屏蔽各子網在網絡協

37、議、服務類型、網絡管理等方面的差異。n2.4.2 2.4.2 網絡互聯規(guī)范網絡互聯規(guī)范n網絡互聯必須遵循一定的規(guī)范，局域網標準委員會(IEEE802委員會)，建立了802課題，制定了開放式系統(tǒng)互聯(OSI)模型的物理層、數據鏈路層的局域網標準。n2.4.3 2.4.3 網絡互聯和操作系統(tǒng)網絡互聯和操作系統(tǒng)n局域網操作系統(tǒng)是實現計算機與網絡連接的重要軟件。局域網操作系統(tǒng)通過網卡驅動程序與網卡通信實現介質訪問控制和物理層協議。對不同傳輸介質、不同拓撲結構、不同介質訪問控制協議的異型網，要求計算機操作系統(tǒng)能很好地解決異型網絡互聯的問題。nNetware，Windows NT Server,LAN M

38、anager都是局域網操作系統(tǒng)的范例。n2.4.4 2.4.4 現場控制網絡互聯現場控制網絡互聯n現場控制網絡通過網絡互聯實現不同網段之間的網絡連接與數據交換，包括在不同傳輸介質、不同速率、不同通信協議的網絡之間實現互聯。n現場控制網絡的相關規(guī)范對一條總線段上容許掛接的自控設備節(jié)點數有嚴格的限制。n同種總線的網段采用中繼器或網橋n不同類型的現場總線網段之間采用網關n采用中繼器、網橋、網關、路由器等將不同網段、子網連接成企業(yè)應用系統(tǒng)。n2.5 2.5 網絡互聯設備網絡互聯設備n不同層次采用不同的網絡互聯設備：n物理層使用中繼器 (Repeater)，通過復制位信號延伸網段長度n數據鏈路層使用網橋

39、 (bridge)，在局域網之間存儲或轉發(fā)數據幀n網絡層使用路由器 (Router)在不同網絡間存儲轉發(fā)分組信號n傳輸層及傳輸層以上，使用網關 (gateway)進行協議轉換，提供更高層次的接口n2.5.1 2.5.1 中繼器中繼器n中繼器 (repeater)又稱重發(fā)器。由于網絡節(jié)點間存在一定的傳輸距離，網絡中攜帶信息的信號在通過一個固定長度的距離后，會因衰減或噪聲干擾而影響數據的完整性，影響接收節(jié)點正確的接收和辨認，因而經常需要運用中繼器。n中繼器接受一個線路中的報文信號，將其進行整形放大、重新復制，并將新生成的復制信號轉發(fā)至下一網段或轉發(fā)到其他介質段。n中繼器不同于放大器：n放大器從輸人

40、端讀入舊信號，然后輸出一個形狀相同、放大的新信號；n而中繼器則不同，它并不是放大信號，而是重新生成它；n中繼器是一個再生器，而不是一個放大器。n中繼器放置在傳輸線路上的位置是很重要的，中繼器必須放置在任一位信號的含義受到噪聲影響之前。n2.5.2 2.5.2 網橋網橋n 網橋是存儲轉發(fā)設備，用來連接同一類型的局域網。網橋將數據幀送到數據鏈路層進行差錯校驗，再送到物理層，通過物理傳輸介質送到另一個子網或網段。它具有尋址與路徑選擇的功能，在接收到幀之后，要決定正確的路徑將幀送到相應的目的站點。n網橋能夠互聯兩個采用不同數據鏈路層協議、不同傳輸速率、不同傳輸介質的網絡。它要求兩個互聯網絡在數據鏈路層

41、以上采用相同或兼容的協議。網橋同時作用在物理層和數據鏈路層。n網橋比中繼器多了一點智能。中繼器不處理報文，它沒有理解報文中任何東西的智能，它們只是簡單地復制報文。而網橋有一些小小的智能，它可以知道兩個相鄰網段的地址。n 網橋與中繼器的區(qū)別在于:網橋具有使不同網段之間的通信相互隔離的邏輯，或者說網橋是一種聰明的中繼器。它只對包含預期接收者網段的信號包進行中繼。這樣，網橋起到了過濾信號包的作用，利用它可以控制網絡擁塞，同時隔離出現了問題的鏈路。n2.5.3 路由器n路由器工作在物理層、數據鏈路層和網絡層，在路由器所包含的地址之間，可能存在若干路徑，路由器可以為某次特定的傳輸選擇一條最好的路徑。n路

42、由器如同網絡中的一個節(jié)點那樣工作，同時連接到兩個或更多的網絡中，并同時擁有它們所有的地址。路由器從所連接的節(jié)點上接收包，同時將它們傳送到第二個連接的網絡中。n2.5.4 網關n網關又被稱為網間協議變換器，用以實現不同通信協議的網絡之間、包括使用不同網絡操作系統(tǒng)的網絡之間的互聯。由于它在技術上與它所連接的兩個網絡的具體協議有關，因而用于不同網絡間轉換連接的網關是不相同的。n網關允許在具有不同協議和報文組的兩個網絡之間傳輸數據。在報文從一個網段到另一個網段的傳送中，網關提供了一種把報文重新封裝形成新的報文組的方式。n網關需要完成報文的接收、翻譯與發(fā)送。n它使用兩個微處理器和兩套各自獨立的芯片組。每

43、個微處理器都知道自己本地的總線語言，在兩個微處理器之間設置一個基本的翻譯器。I/O數據通過微處理器，在網段之間來回傳遞數據。n在工業(yè)數據通信中網關的應用：把一個現場設備的信號送往另一類不同協議或更高一層的網絡。例如，把ASI網段的數據通過網關送往PROFIBUS-DP網段。 2.6 通信參考模型n2.6.1 2.6.1 OSIOSI參考模型參考模型n為了實現不同廠家生產的設備之間的互聯操作與數據交換，國際標準化組織ISO/TC97于1978年建立了 “開放系統(tǒng)互聯”分技術委員會，起草了開放系統(tǒng)互聯參考模型OSI(open system interconnection)的建議草案，形成OSI參考

44、模型。n開放并不是指對特定系統(tǒng)實現具體的互聯技術或手段，而是對標準的認同。一個系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任一遵守相同標準的其他系統(tǒng)互聯通信。OSIOSI參考模型參考模型n1.1.物理層物理層n物理層 (physical layer)涉及到通信在信道上傳輸的原始比特流。設計上必須保證一方發(fā)出二進制 “1”時，另一方收到的也是 “1”而不是 “0”。n典型問題（1）用多少伏特電壓表示 “1”，多少伏特電壓表示 “0”（2）一個比特持續(xù)多少微秒（3）傳輸是否在兩個方向上同時進行（4）最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止（5）網絡接插件有多少針以及各針的用途。n主要是處理機械的、電氣的和

45、過程的接口，以及物理層下的物理傳輸介質等問題。n2.2.數據鏈路層數據鏈路層n數據鏈路層 (data link layer)的主要任務是加強物理層傳輸原始比特的功能，使之對網絡層顯現為一條無錯線路。n（1）通過在幀的前面和后面附加上特殊的二進制編碼模式來產生和識別幀邊界。n（2）解決由于幀的破壞、丟失和重復所出現的問題。n（3）防止高速發(fā)送方的數據把低速的接收方 “淹沒”。采用某種流量調節(jié)機制，使發(fā)送方知道當前接收方還有多少緩存空間。n（4）雙向傳輸數據：從A到B數據幀的確認幀將同從B到A的數據幀競爭線路的使用權。n（5）廣播式網絡：控制對共享信道的訪問，數據鏈路層的一個特殊的子層介質訪問子層

46、。n3.3.網絡層網絡層n網絡層 (network layer)關系到子網的運行控制，其中一個關鍵問題是確定分組從源端到目的端如何選擇路由。n過多分組，相互阻塞通路擁塞控制n網絡層設有記賬功能，軟件必須對每一個顧客究竟發(fā)送了多少分組、多少字符或多少比特進行記數，以便于生成賬單。n分組跨越網絡：尋址方法完全不同，網絡協議也不同，異種網絡互聯。n4.4.傳輸層傳輸層n傳輸層 (transport layer)的基本功能是從會話層接收數據，并且在必要時把它分成較小的單元，傳遞給網絡層，并確保到達對方的各段信息正確無誤。n會話層每請求建立一個傳輸連接，傳輸層就為其創(chuàng)建一個獨立的網絡連接。n最流行的傳輸

47、連接是一條無錯的、按發(fā)送順序傳輸報文或字節(jié)的點到點的信道。n傳輸層是真正的從源到目標 端到端的層。n5.5.會話層會話層n會話層 (Session layer)允許不同機器上的用戶建立會話 (session)關系。n管理對話：n（1）方式：會話層允許信息同時雙向傳輸，或任一時刻只能單向傳輸。n（2）令牌管理 (token management)：令牌可以在會話雙方之間交換，只有持有令牌的一方可以執(zhí)行某種關鍵操作。n（3）同步 (synchronization)：在數據流中插人檢查點，每次網絡崩潰后，僅需要重傳最后一個檢查點以后的數據。 n6.6.表示層表示層n表示層 (presentation

48、 layer)完成某些特定功能：所傳輸的信息的語法和語義。n為了讓采用不同表示法的計算機之間能進行通信，交換中使用的數據結構可以用抽象的方式來定義，并且使用標準的編碼方式。表示層管理這些抽象數據結構，并且在計算機內部表示法和網絡的標準表示法之間進行轉換。n7.7.應用層應用層n應用層 (application layer)包含大量人們普遍需要的協議。n虛擬終端軟件都位于應用層。n解決不同的系統(tǒng)之間傳輸文件所需處理的各種不兼容問題。n文件傳輸、電子郵件、遠程作業(yè)輸入、名錄查詢和其他各種通用和專用的功能。 n2.6.2 2.6.2 TCP/IPTCP/IP參考模型參考模型n計算機網絡的祖父ARPA

49、NET和其后繼的因特網使用的參考模型TCP/IP參考模型 (TCP/IP reference model) 。nARPANET是由美國國防部DoD(USDepartment of Defense)贊助的研究網絡。n主要設計目標：n 無縫隙地連接多個網絡n 網絡不受子網硬件損失的影響TCP/IP參考模型n1.1.互聯網層互聯網層n基于無連接互聯網絡層的分組交換網絡。n功能是使主機可以把分組發(fā)往任何網絡并使分組獨立地傳向目標 (可能經由不同的網絡)。這些分組到達的順序和發(fā)送的順序可能不同，因此如果需要按順序發(fā)送及接收時，高層必須對分組排序。n互聯網層定義了正式的分組格式和協議，即IP協議 (internet protocol)。n2.2.傳輸層傳輸層n功能：使源端和目標端主機上的對等實體可以進行會話和OSI的傳輸層一樣。n定義了兩個端到端的協議：n傳輸控制協議TC