數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與計算機網(wǎng)絡

變電站綜合自動化原理第三章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與計算機網(wǎng)絡河南理工大學電氣學院2第三章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與計算機網(wǎng)絡3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI基本參考模型3.5計算機局域網(wǎng)絡3.6現(xiàn)場總線技術(shù)河南理工大學電氣學院31、信息：用于描述客觀世界的事實、概念和指令，有多種存在形式，如文字、聲音、圖像等。2、信道：傳輸信息的通道，分為物理信道和邏輯信道。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)物理信道是指用來傳送信號或數(shù)據(jù)的物理通路，由傳輸介質(zhì)及相關(guān)控制設備組成，真實存在。網(wǎng)絡中兩個節(jié)點之間的物理通路稱為通信鏈路。邏輯信道是在物理信道的基礎(chǔ)上想象出來的一種通路，實質(zhì)上是將物理信道傳輸?shù)男畔⑷藶榈姆诸?。一條物理信道可對應多個邏輯信道3、數(shù)據(jù)：是信息的表現(xiàn)形式，分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)兩種。4、信號：數(shù)據(jù)的電磁形式，對應有模擬信號和數(shù)字信號。一、數(shù)據(jù)通信的基本概念：河南理工大學電氣學院45、碼元：指承載信息量的基本信號單位，一個碼元就是一個單位電脈沖。6、帶寬：指信道能傳送信號的頻率寬帶，即可傳送信號的最高頻率與最低頻率之差；由傳輸介質(zhì)、接口部件、傳輸協(xié)議以及傳輸信息的特征等多種因素決定，是衡量傳輸系統(tǒng)的一個重要性能指標。7、數(shù)據(jù)傳輸速率：指通信線上傳輸信息的速度，有數(shù)據(jù)速率S和調(diào)制速率B兩種表示方法。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)8、信道容量：表示一個信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，bps。S－單位時間內(nèi)所傳送的二進制位的有效位數(shù)，bps；B－單位時間內(nèi)所傳送碼元個數(shù)，Baud。S＝B×log2NN—一個碼元所能表示的有效離散值的個數(shù)河南理工大學電氣學院59、調(diào)制解調(diào)器（Modem）：3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計算機利用模擬電話線路進行數(shù)字通訊：計算機內(nèi)的信息是數(shù)字信號，而在電話線上傳遞的卻只能是模擬電信號。當兩臺計算機要通過電話線進行數(shù)據(jù)傳輸時，就需要一個設備負責數(shù)模的轉(zhuǎn)換。計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應的模擬信號，這個過程稱為“調(diào)制（Modulation）”，也稱D/A轉(zhuǎn)換。經(jīng)過調(diào)制的信號通過電話載波傳送到另一計算機之前，還要把模擬信號還原為計算機能識別的數(shù)字信號，這個過程為“解調(diào)（Demodulation）”，也稱A/D轉(zhuǎn)換。正是通過這樣一個“調(diào)制”與“解調(diào)”的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)了兩臺計算機之間的遠程通訊。河南理工大學電氣學院69、調(diào)制解調(diào)器（Modem）：3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)載波通信（有線、無線）：語音信號頻率是在100～7500Hz的范圍之，要用無線電波把話音信號直接傳播出去，需要功率很大的發(fā)射機，而且還必須要用巨型發(fā)射天線(發(fā)射天線的長度至少要有波長的四分之一)。若要傳送頻率為5000Hz的信息，要用長度為15千米的天線。如果用導線來傳送低頻信號，線路利用率太低，遠距離傳輸成本太高。都需要利用高頻的載波，即把低頻的有用信號疊加到載波上，使載波的頻率、幅度或相位發(fā)生相應的變化(“調(diào)制”)；由于經(jīng)調(diào)制后的信號中包含有原始信號的信息，傳輸?shù)綄Ψ胶?，?jīng)解調(diào)、濾波等一系列過程后，可使原信號得以恢復。利用載波技術(shù)還可實現(xiàn)“頻分復用”（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing）。即在同一條線路上，利用各種不同頻率的高頻載波來“載送”多路信號，使它們在同一條線路上同時傳送而互不干擾，信號傳到對方后再進行還原和各路分離。傳統(tǒng)的載波電話通信是把低頻話音信號疊加到高頻的載波上,使載波的幅度隨著話音信號幅度的變化而變化。FM頻道廣播屬于調(diào)頻廣播，采用頻率調(diào)制的方式進行廣播播出。它的特點是音質(zhì)清晰，可以雙聲道立體聲傳輸，但傳播距離比較短，在沒有中繼轉(zhuǎn)播站的情況下，其傳輸距離一般不超過100公里。一般城市廣播會選擇調(diào)頻頻率播出。電力載波通信河南理工大學電氣學院73.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)11、頻帶傳輸：10、基帶傳輸：基帶信號：信源發(fā)出的沒有經(jīng)過調(diào)制（頻譜搬移和變換）的原始電信號，其特點是頻率較低。根據(jù)原始電信號的特征，可分為數(shù)字基帶信號和模擬基帶信號。通俗的說,基帶信號就是信源發(fā)出的直接表達了要傳輸?shù)挠杏眯畔⒌男盘柭暡?模擬基帶信號)，計算機或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號(數(shù)字基帶信號)基帶傳輸：在信道中直接傳送基帶信號應用：基帶傳輸不需要調(diào)制解調(diào)器，設備花費小；由于在近距離范圍內(nèi)基帶信號衰減不大。適合100m以內(nèi)的短距離數(shù)據(jù)傳輸。如從計算機到監(jiān)視器、打印機等外設的信號就是基帶傳輸?shù)?。大多?shù)的局域網(wǎng)使用基帶傳輸，如常見的10BaseT網(wǎng)絡使用的就是基帶信號（10Mbps）。在遠距離通信時，先將基帶信號調(diào)制成較高頻率范圍的頻帶信號，再將這種頻帶信號在信道中傳輸。載波傳輸能實現(xiàn)多路復用的目的河南理工大學電氣學院812、寬帶傳輸：3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)使用寬頻帶進行傳輸?shù)南到y(tǒng)就稱為寬帶傳輸系統(tǒng)，本質(zhì)上是頻帶傳輸技術(shù)。一般進行子頻帶分割，實現(xiàn)“多路復用技術(shù)”。

將鏈路容量分解成兩個或更多的信道（邏輯信道），每個信道可以攜帶不同的信號。這樣就能把聲音、圖像和數(shù)據(jù)信息的傳輸綜合在一個物理信道中進行，以滿足高速、大容量數(shù)據(jù)通信的需求。13、串行傳輸：指一位一位的傳送數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線即可。缺點是傳輸速度較慢。14、并行傳輸：一次可傳送一個字節(jié)（8位），發(fā)送端到接收端用多根線。傳輸速度快，傳輸距離短。計算機內(nèi)部總線多為并行傳輸。河南理工大學電氣學院9二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信的任務就是把信息以數(shù)據(jù)的形式從一處傳送到另外一處或多處。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，需要將終端設備和計算機之間需要利用通信媒介實現(xiàn)互聯(lián)，稱為物理信道。物理信道有3種連接方式：1、點對點連接終端和計算機之間直接連接或通過Modem用線路進行連接應用于數(shù)據(jù)通信量較大的場合河南理工大學電氣學院10二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)幾個終端通過一條公用線路與計算機相連為了提高物理信道的利用率，通信量不大時采用在該方式下，計算機作為主站，終端作為從站。計算機控制信息的接收和發(fā)送，終端不能隨意發(fā)送信息，否則將引起信號沖突。2、多點式連接河南理工大學電氣學院11二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)為了節(jié)約信道，將多個終端連接到多路復用器或集中器上，集中器與計算機相連3、集中式連接河南理工大學電氣學院12二、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)所允許的傳輸方向，可分為三種：1、單工通信－數(shù)據(jù)只能沿一個固定方向傳輸，即傳輸是單向的；2、半雙工通信－允許數(shù)據(jù)沿兩個方向傳輸，但在同一時刻信息只能在一個方向傳輸；3、雙工通信－允許信息同時沿兩個方向傳輸。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院13三、傳輸介質(zhì)常用的網(wǎng)絡傳輸媒介可分為兩類：一類是有線的，主要有同軸電纜、雙絞線及光纜；另一類是無線的，主要有微波、無線電、激光和紅外線等。

1、同軸電纜及相關(guān)設備3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)圓筒式的外導體(屏蔽層，接地)套在內(nèi)導體（一根細芯）外面兩個導體間用絕緣材料互相隔離屏蔽層防止外部電磁波干擾異常信號的傳遞（靜電屏蔽原理）河南理工大學電氣學院14三、傳輸介質(zhì)1、同軸電纜及相關(guān)設備：用途：有線電視網(wǎng)(RG-59)、局域網(wǎng)(RG-8粗纜10BASE-5、RG-58細纜10BASE-2)分類：粗纜、細纜細纜連接設備及技術(shù)參數(shù)：電纜、BNC頭、T型頭及終端匹配設備等。

.最大的干線段長度：184m；

.最大網(wǎng)絡干線電纜長度：925m；

.每條干線段支持的最大結(jié)點數(shù)：30；3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院15粗纜連接設備及技術(shù)參數(shù)：包括轉(zhuǎn)換器、DIX連接器及電纜、N－系列插頭、N系列匹配器等。采用粗纜組網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)有：

.最大的干線段長度：500m；

.最大網(wǎng)絡干線電纜長度：2500m；3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院162、雙絞線(Twisted-pair)：由兩根導線按一定扭距相互絞合在一起的傳輸介質(zhì)，每根線加絕緣層并有顏色標記。成對線的扭絞旨在使電磁輻射和外部電磁干擾減到最小。一般由兩根22-26號絕緣銅導線相互纏繞而成實際使用時，雙絞線是由多對雙絞線一起包在一個絕緣電纜套管里的，典型的雙絞線有四對的。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院172、雙絞線：雙絞線按其電氣特性分級或分類。EIA/TIA第一、二類雙絞線在LAN中很少使用EIA/TIA第三類雙絞線符合EIA/TIA568標準中確定的100Ω水平布線電纜的要求，可用來進行10Mbps和IEEE802.310Base-T的語音和數(shù)據(jù)傳輸；EIA/TIA第四類雙絞線適用于包括16Mbps令牌環(huán)局域網(wǎng)在內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸速率；可以是UTP，也可以是STP。EIA/TIA第五類雙絞線適用于16Mbps以上的速率，最高可達100Mbps。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)使用雙絞線組網(wǎng)，網(wǎng)卡必須帶有RJ45接口，還需要集線器HUB，總共需要4根導線通信，兩根用于發(fā)送數(shù)據(jù)，兩根用于接收數(shù)據(jù)。河南理工大學電氣學院18雙絞線（10BASE－T）以太網(wǎng)技術(shù)規(guī)范可歸結(jié)為：允許5個網(wǎng)段，每網(wǎng)段最大長度100m；在同一信道上允許連接4個中繼器或集線器(Hub)；在其中的三個網(wǎng)段上可以增加節(jié)點；在另外兩個網(wǎng)段上，除做中繼器鏈路外，不能接任何節(jié)點；最大站點數(shù)1024，網(wǎng)絡直徑不超過2500m。利用雙絞線組網(wǎng)，具有造價低、速率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在實際應用中，雙絞線已成為最主流的末端傳輸介質(zhì)。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院193、光纖：由許多細如發(fā)絲的玻璃纖維外加絕緣護套組成。光束在玻璃纖維內(nèi)傳輸，防磁防電，傳輸穩(wěn)定，適用于高速網(wǎng)絡和骨干網(wǎng)，是組成快速網(wǎng)絡的最好選擇。三、傳輸介質(zhì)3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院203、光纖：3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院213、光纖：3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院22光纖的組網(wǎng)規(guī)則為：

.最大段長：2000m；

.每段最大節(jié)點（NODE）數(shù)2；

.每網(wǎng)絡最大節(jié)點（NODE）數(shù)1024；

.每鏈的最大HUB數(shù)4。三、傳輸介質(zhì)3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院23三、傳輸介質(zhì)3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院244、無線媒體：不使用電子或光學導體，通常大氣便是數(shù)據(jù)的物理通路；無線媒體有：無線電、微波及紅外線等三種主要類型。

3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)三、傳輸介質(zhì)902~925MHz2.4GHz（各國共同的ISM頻段：WiFi，Bluetooth，ZigBee）5.72~5.85GHz需要考慮的重要問題是：電磁波頻率的范圍（頻譜）是相當有限的。未受管制的頻率：ISM(IndustrialScientificMedical)頻段，無需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對其它頻段造成干擾即可。河南理工大學電氣學院25四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸1、根據(jù)信道上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號還是模擬信號，相應的傳輸方式分別稱為數(shù)字傳輸和模擬傳輸。如果一個傳輸系統(tǒng)的輸入與輸出信號都是模擬信號，則它是一個模擬傳輸系統(tǒng)；如果一個傳輸系統(tǒng)的輸入與輸出信號都是數(shù)字信號，則它是一個數(shù)字傳輸系統(tǒng)。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與傳輸信號所代表的現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)到底是模擬信號還是數(shù)字信號無關(guān)河南理工大學電氣學院26四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸2、數(shù)字信號通過模擬傳輸系統(tǒng)傳輸實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號互換的設備稱作調(diào)制解調(diào)器（Modem）。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，載波具有幅度、頻率和相位三大要素。調(diào)制是讓基帶信號去控制載波的某個（或某些）參數(shù)，控制其中的任何一個都會實現(xiàn)調(diào)制，使之成為攜帶信息的信號。數(shù)字調(diào)制的三種基本形式是幅移鍵控法ASK、頻移鍵控法FSK、相移鍵控法PSK。河南理工大學電氣學院27四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸2、數(shù)字信號通過模擬傳輸系統(tǒng)傳輸數(shù)字調(diào)制的三種基本形式是幅移鍵控法ASK、頻移鍵控法FSK、相移鍵控法PSK。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)ASK—用載波的兩種不同幅度來表示二進制的兩種狀態(tài)。FSK—用載波頻率附近的兩種不同頻率來表示二進制的兩種狀態(tài)。PSK—用載波信號相位移動來表示數(shù)據(jù)。

河南理工大學電氣學院28四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸3、數(shù)字信號通過數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳輸。⑴、數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)字信號可以直接采用基帶傳輸?；鶐鬏斁褪窃诰€路中直接傳送數(shù)字信號的電脈沖，常用于近距離通信的局域網(wǎng)，其在傳輸時需解決的問題是數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號表示及收發(fā)兩端之間的信號同步兩個方面。用不同的電壓電平來表示兩個二進制數(shù)字，即數(shù)字信號由矩形脈沖組成。河南理工大學電氣學院293.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院30四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸3、數(shù)字信號通過數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳輸。（2）歸零碼和不歸零碼、單極性碼和雙極性碼的特點：不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始，需要用某種方法使發(fā)送器和接收器之間進行定時或同步；歸零碼的脈沖較窄，根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關(guān)系，因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬。單極性碼會積累直流分量，這樣就不能使變壓器在數(shù)據(jù)通信設備和所處環(huán)境之間提供良好的交流耦合，直流分量還會損壞連接點的表面電鍍層。雙極性碼的直流分量大大減小，這對數(shù)據(jù)傳輸很有利的。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院31（3）同步過程：四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸3、數(shù)字信號通過數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳輸。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)只有最初級的邏輯電路才使用單一的時鐘。大多數(shù)與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的應用都需要進行跨越多個時鐘域的數(shù)據(jù)移動，例如磁盤控制器、CDROM/DVD控制器、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡以及網(wǎng)絡處理器等。當信號從一個時鐘域傳送到另一個時鐘域時，出現(xiàn)在新時鐘域的信號是異步信號。接收該信號的電路需要對其進行同步。為了使整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有序、準確、可靠的工作，收、發(fā)雙方必須有一個統(tǒng)一的時間標準，這個時間標準就是同步。位同步和群同步兩種方法河南理工大學電氣學院32（3）同步過程：

1）位同步－又稱同步傳輸（比特同步、碼元同步），是使接收端對每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步；實現(xiàn)的方法有外同步法和自同步法。四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸3、數(shù)字信號通過數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳輸。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)外同步法：發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)出一段同步時鐘脈沖；接收端按照這一時鐘脈沖頻率和時序鎖定接收頻率，以便在接收數(shù)據(jù)的過程中與發(fā)送端保持同步。外同步法：同步信號是由發(fā)送端送來的。自同步法：接收端能從接受的數(shù)據(jù)中提取同步信號。自同步法：能從數(shù)據(jù)信號波形中提取同步信號的方法。曼徹斯特編碼河南理工大學電氣學院33（3）同步過程：

2）群同步－又稱異步傳輸，是指傳輸?shù)男畔⒈环殖扇舾伞叭骸保瑪?shù)據(jù)傳輸過程中，字符可順序出現(xiàn)在比特流中，字符間的間隔時間是任意的，但字符內(nèi)各個比特用固定的時鐘頻率傳輸；字符間的異步定時與字符內(nèi)各個比特間的同步定時，是群同步的特征。四、數(shù)字傳輸與模擬傳輸3、數(shù)字信號通過數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳輸。3.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)河南理工大學電氣學院34絕大多數(shù)情況下，不可能在任何兩個節(jié)點都存在一個專用的通路。如何在兩個沒有直接連接的節(jié)點之間傳送數(shù)據(jù)呢？—數(shù)據(jù)交換按數(shù)據(jù)傳送的實現(xiàn)手段分，交換可分為：電路交換、報文交換和分組交換三種基本技術(shù)。一、電路交換的工作原理電路交換是指在傳送數(shù)據(jù)時，先在網(wǎng)絡中建立一個從源節(jié)點到目標節(jié)點的專用電路。

1、電路交換的三個過程（1）電路的建立－在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過呼叫過程建立一條端到端的電路。（2）數(shù)據(jù)傳輸：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，所建立的電路必須時刻保持連接狀態(tài)。（3）電路的拆除：數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，由某一方發(fā)出拆除請求，逐個節(jié)點拆除連接到對方的通路。3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)(DataSwitching)河南理工大學電氣學院35一、電路交換的工作原理

2、電路交換技術(shù)的特點：3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)主要缺點：（1）電路接續(xù)時間長：網(wǎng)絡比較繁忙時，可能無法接續(xù)，即“呼叫阻塞”現(xiàn)象。（2）線路利用率低：即使通信雙方之間暫時不傳送數(shù)據(jù)時，其占用的電路也不能為其它通信所用。電路交換在整個通信過程中通信雙方一直獨占該電路，因此其實時性強，數(shù)據(jù)傳輸時延小。電路交換比較適用于一次傳送的信息量大和通信過程中實時性要求高的業(yè)務河南理工大學電氣學院36二、報文交換的工作原理當端點間交換的數(shù)據(jù)具有隨機性和突發(fā)性時，采用電路交換方法會造成信道容量和有效時間的浪費。3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)1、報文交換原理：報文交換時端與端之間無需先通過呼叫建立連接某一站點需要發(fā)送報文時，首先將一個目的地址附加到報文上。每個節(jié)點在接收到報文并檢查無誤后，就暫存這個報文；然后根據(jù)目標地址的路由信息找出下一個節(jié)點的地址，并根據(jù)網(wǎng)絡中的交通情況在適當?shù)臅r候轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點?？梢?，報文在網(wǎng)絡中一站一站地向前傳送。報文經(jīng)過多次的存儲-轉(zhuǎn)發(fā)，最后到達目標節(jié)點。報文交換的本質(zhì)就是存儲轉(zhuǎn)發(fā)報文交換的數(shù)據(jù)傳輸單位是報文，報文(Message)就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。河南理工大學電氣學院37二、報文交換的工作原理3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)河南理工大學電氣學院38二、報文交換的工作原理

2、報文交換的特點：（1）報文從源點傳送到目的地采用“存儲－轉(zhuǎn)發(fā)”方式，在傳送報文時，一個時刻僅占用一段通道；（2）在交換節(jié)點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，故報文交換不能滿足實時通信的要求。3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)（1）電路利用效率高：多個報文可以分時共享兩個節(jié)點之間的通道，所以對于同樣的通信量，對電路的傳輸能力要求較低。（2）在報文交換網(wǎng)絡上，通信量大時仍然可以接收報文，不過傳送延遲會增加；電路交換網(wǎng)絡上則不能接受新的呼叫（呼叫阻塞）。（3）報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網(wǎng)絡很難做到這一點；3、報文交換的優(yōu)點：河南理工大學電氣學院39二、報文交換的工作原理

4、報文交換的缺點：（1）不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經(jīng)過網(wǎng)絡的延遲時間長且不定；（2）有時節(jié)點收到過多的數(shù)據(jù)而無存儲空間或不能及時轉(zhuǎn)發(fā)時，就不得不丟棄報文。（3）報文交換對網(wǎng)絡要求太高。由于對報文的長度沒有限制（長報文），中間節(jié)點的存儲容量就必須無限大。因此實際網(wǎng)絡不采用報文交換方式。3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)河南理工大學電氣學院40三、分組交換的工作原理3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)分組交換時是報文交換的一種改進它將報文分成若干分組，每個分組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內(nèi)存中，提高交換速度計算機網(wǎng)絡中使用最為廣泛的一種交換技術(shù)。分組交換有虛電路交換和數(shù)據(jù)報分組交換兩種。河南理工大學電氣學院41三、分組交換的工作原理1、虛電路分組交換原理和特點：3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)在虛電路交換中，為了進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡的源節(jié)點和目的節(jié)點之間要先建一條邏輯通路（規(guī)劃但未占用）。每個分組除了包含數(shù)據(jù)之外還包含一個虛電路標識符。

在預先建好的路徑上的每個節(jié)點都知道把這些分組引導到哪里去，不再需要路由選擇來判定。

之所以稱為“虛電路”，是因為這條電路不是專用的，仍然需要緩沖和排隊。主要特點：在數(shù)據(jù)傳送之前必須通過虛呼叫設置一條虛電路。并非電路交換那樣的專用通路，分組在每個節(jié)點上仍然需要緩沖，并在線路上進行排隊等待輸出河南理工大學電氣學院42三、分組交換的工作原理2、數(shù)據(jù)報分組交換原理與特點：3.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)每個分組的傳送是被單獨處理的。每個分組稱為一個數(shù)據(jù)報，每個數(shù)據(jù)報自身攜帶足夠的地址信息。一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)報后，根據(jù)數(shù)據(jù)報中的地址信息和節(jié)點所存儲的路由信息，找出一個合適的出路，把數(shù)據(jù)報原樣的發(fā)送到下一節(jié)點。河南理工大學電氣學院43一、計算機網(wǎng)絡的定義：3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識利用通信設備和線路，將地理位置不同的、功能獨立的多個計算機系統(tǒng)互連起來，以功能完善的網(wǎng)絡軟件（即網(wǎng)絡通信協(xié)議、信息交換方式、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)等）實現(xiàn)網(wǎng)絡中資源共享和信息交換的系統(tǒng)。網(wǎng)絡的主要作用是資源共享和信息交換。計算機網(wǎng)絡由以下三個部分組成：（1）具有獨立功能的多臺計算機；（2）通信設備與線路；（3）功能完善的網(wǎng)絡軟件。河南理工大學電氣學院443.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識河南理工大學電氣學院45二、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識指網(wǎng)絡中節(jié)點在物理上的連接形式。網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)主要有：星形結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)及網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。在實際應用中，主要是將星型拓撲結(jié)構(gòu)，總線型拓撲結(jié)構(gòu)和環(huán)型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)綜合應用。河南理工大學電氣學院46三、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識1、星形結(jié)構(gòu)：以中央節(jié)點為中心，節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸必須通過中央節(jié)點，任意兩個節(jié)點間的通信最多只需兩步中心節(jié)點通常由集線器(Hub)或交換機充當，是目前局域網(wǎng)最常見的方式。

要求中央節(jié)點的可靠性很高。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡控制容易、便于擴充；缺點：對中央節(jié)點依賴性較高河南理工大學電氣學院47三、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識2、總線結(jié)構(gòu)：采用一條稱為公共總線的傳輸介質(zhì)，將各計算機直接與總線連接。主機對于從設備的控制是利用廣播方式發(fā)送下去的，而從設備只對含有自己地址碼的指令做相關(guān)的回應；在從設備做回應的情況下，其他的從設備和主機保持沉默。會出現(xiàn)多個設備同時發(fā)起通信，競爭總線的現(xiàn)象。要通過主機進行相應的調(diào)度來協(xié)調(diào)各個設備訪問傳輸介質(zhì)的順序。主機對整個總線必須具有絕對的控制權(quán)。優(yōu)點：安裝簡單、易于擴充、可靠性高缺點：由于共用一條總線，對實時性要求較高的場合不太適用；傳輸距離有限，故障診斷和隔離也比較困難。河南理工大學電氣學院48三、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識3、環(huán)形結(jié)構(gòu)：各節(jié)點通過接口連接在一條閉合的環(huán)形通信線路中環(huán)形結(jié)構(gòu)的特點是：每個端用戶都與相臨的兩個端用戶相連，因而存在著點到點鏈路，但總是以單向方式操作，即每臺計算機按位置不同有一個順序編號，信號按計算機編號順序以“接力”方式傳輸。例如：若計算機A欲將數(shù)據(jù)傳輸給計算機D時，必須先傳送給B，B收到信號后發(fā)現(xiàn)不是給自己的，于是再傳給C，直到傳送到計算機D。河南理工大學電氣學院49三、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識3、環(huán)形結(jié)構(gòu)：環(huán)形網(wǎng)絡的一個例子是令牌環(huán)網(wǎng)(Tokenringnetwork

)

。在老式的令牌環(huán)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)傳輸速度可達16Mbps，新型的快速令牌環(huán)網(wǎng)速度可達100Mbps。如果多個計算機節(jié)點要同時往外發(fā)送數(shù)據(jù)包，就會形成沖突。在令牌環(huán)網(wǎng)中有一個令牌(Token)，沿著環(huán)形總線在入網(wǎng)節(jié)點計算機間依次傳遞。令牌實際上是一個特殊格式的幀，本身并不包含信息，僅控制信道的使用，確保在同一時刻只有一個節(jié)點能夠獨占信道。令牌在工作中有“閑”和“忙”兩種狀態(tài)?！伴e”表示令牌沒有被占用，即網(wǎng)中沒有計算機在傳送信息；“忙”表示令牌已被占用，即網(wǎng)中有信息正在傳送。所有的站點都可以俘獲令牌。希望傳送數(shù)據(jù)的節(jié)點計算機只有取得“閑”令牌后才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀，并在發(fā)送之前將其置為“忙”狀態(tài)。當所傳數(shù)據(jù)被目的節(jié)點接收后，令牌被重新置為“閑”。令牌環(huán)網(wǎng)需要維護令牌，一旦失去令牌就無法工作，所以需要選擇專門的節(jié)點監(jiān)視和管理令牌。解決方法：河南理工大學電氣學院50三、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：3.3計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識3、環(huán)形結(jié)構(gòu)：優(yōu)點：實時性好，信息吞吐量大，網(wǎng)的周長可達200km，節(jié)點可達幾百個；網(wǎng)絡實現(xiàn)簡單，組成這個只需節(jié)點計算機、網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)，以及連接器，沒有價格昂貴的節(jié)點集中設備，如集線器和交換機。缺點：由于環(huán)路是封閉的，所以擴充不便。如果要新添加或移動節(jié)點，就必須中斷整個網(wǎng)絡，在環(huán)的兩端作好連接器才能連接。環(huán)上傳輸?shù)娜魏涡畔⒍急仨毚┻^所有端點，因此，如果環(huán)的某一點斷開，環(huán)上所有端間的通信便會終止。為克服這種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的脆弱，采用雙環(huán)或多環(huán)結(jié)構(gòu)：每個端點除與一個環(huán)相連外，還連接到備用環(huán)上，當主環(huán)故障時，自動轉(zhuǎn)到備用環(huán)上。

基于光纖雙環(huán)網(wǎng)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)河南理工大學電氣學院51一、協(xié)議及體系結(jié)構(gòu)3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型通信者活動郵局服務業(yè)務郵局轉(zhuǎn)送業(yè)務發(fā)信方通信者活動郵局服務業(yè)務郵局轉(zhuǎn)送業(yè)務收信方運輸部門的郵政運輸業(yè)務寫信、發(fā)信收集、分揀送運輸部門運輸閱讀信件分揀、投遞分發(fā)郵件轉(zhuǎn)送郵局郵政系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖體系結(jié)構(gòu)協(xié)議：文字、語言、書寫規(guī)范層次：復雜問題分解處理接口：郵箱、信箱、郵局網(wǎng)絡協(xié)議（Protocol）：為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、標準或約定的集合層次結(jié)構(gòu)：將復雜的數(shù)據(jù)交換任務分解為若干易處理且相對獨立的子任務，每個子任務均由相應的某個網(wǎng)絡層次來完成。并且，每個層次功能的實現(xiàn)都需要遵循與該層對應的網(wǎng)絡協(xié)議。接口：相鄰層之間交換信息的連接點體系結(jié)構(gòu)3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型協(xié)議：文字、語言、書寫規(guī)范層次：復雜問題分解處理接口：郵箱、信箱、郵局計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡各層次及其協(xié)議的集合1、計算機網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)(Architecture)：河南理工大學電氣學院533.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型2、層次結(jié)構(gòu)分層是對復雜問題處理的方法。首先對計算機網(wǎng)絡按照功能進行分層?！δ芊謱影凑展δ軐哟文Ｐ蛠砭幹茖崿F(xiàn)各層功能所需的軟件協(xié)議?！獏f(xié)議分層

3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型把通信系統(tǒng)的功能劃分為幾個基本功能層次結(jié)構(gòu)。最外層：應用層，直接面向用戶的層次。中間層：功能管理層，負責兩端節(jié)點應用層之間的連接以執(zhí)行應用層要求的各種服務。最低層：傳輸管理層，也叫通信處理層，對在物理介質(zhì)上進行信息傳輸?shù)目刂坪凸芾聿糠帧９δ芊謱泳W(wǎng)絡的基本功能：是為地理位置不同的計算機用戶之間提供訪問通路。下述功能是必須提供的：

1.連接源結(jié)點和目的節(jié)點的物理傳輸線路，可經(jīng)過中間結(jié)點2.每條線路兩端的節(jié)點利用波形進行二進制通信3.無差錯的信息傳送4.多個用戶共享一條物理線路5.按照地址信息，進行路由選擇6.信息緩沖和流量控制7.滿足各種用戶的訪問要求河南理工大學電氣學院553.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型層次結(jié)構(gòu)的劃分原則：以功能作為劃分層次的基礎(chǔ)；每層的功能應是明確的，并且是相互獨立的，當某一層的具體實現(xiàn)方法更新時，只要保持上、下層的接口不變，便不會對鄰居產(chǎn)生影響；層間接口必須清晰，跨越接口的信息量盡量少；層數(shù)適中：層數(shù)太少，會造成每一層的協(xié)議太復雜；層數(shù)太多，則體系結(jié)構(gòu)過于復雜，各層描述和實現(xiàn)獨立的功能變得困難。網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的特點：每層功能的實現(xiàn)需借助下層的服務來完成，同時向上層提供更高級的服務通信只在相鄰層之間進行，不允許跨層調(diào)用，因此僅在相鄰層間有接口，且所提供服務的具體實現(xiàn)細節(jié)對上一層完全屏蔽。例如第n層的實體在實現(xiàn)自身定義的功能時，只能使用第n－1層提供的服務。河南理工大學電氣學院56二、OSI基本參考模型

3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型隨著網(wǎng)絡技術(shù)的進步和各種的網(wǎng)絡產(chǎn)品的出現(xiàn)，需要解決不同網(wǎng)絡系統(tǒng)的互連問題。開放系統(tǒng)互連OSI（OpenSystemInterconnection）基本參考模型是由國際標準化組織ISO制定的標準化開放式計算機網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)模型?！伴_放”的含義是能使任何兩個遵循該參考模型及其相關(guān)標準的系統(tǒng)實現(xiàn)互連。OSI七層模型從下到上分別為：物理層(PhysicalLayer,PH)、數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer,DL)、網(wǎng)絡層(NetworkLayer,N)、傳輸層(TransportLayer,T)、會話層(SessionLayer,S)、表示層(PresentationLayer,P)和應用層(ApplicationLayer,A)。河南理工大學電氣學院57二、OSI基本參考模型

3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型七層協(xié)議中，上面4層為用戶層，屬于高層功能，主要完成通信處理功能，通常需要由資源子網(wǎng)中的終端計算機提供。下面3層是通信子網(wǎng)，屬于低層功能，主要完成數(shù)據(jù)傳送功能，是網(wǎng)絡與終端均需具備的功能。河南理工大學電氣學院58二、OSI基本參考模型

3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型OSI最大優(yōu)點是將服務、接口和協(xié)議這三個概念明確地區(qū)分開來服務說明某一層為上一層提供一些什么功能；接口說明上一層如何使用下層的服務；協(xié)議涉及如何實現(xiàn)本層的服務。這樣各層之間具有很強的獨立性，互連網(wǎng)絡中各實體采用什么樣的協(xié)議是沒有限制的，只要向上提供相同的服務并且不改變相鄰層的接口就可以了。河南理工大學電氣學院591、OSI模型中的數(shù)據(jù)傳輸過程

3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型發(fā)送進程送給接收進程的數(shù)據(jù)，并不是從一臺計算機的第n層直接傳送到另一臺計算機的第n層（水平方向）實際上是經(jīng)過發(fā)送方各層從上到下的傳遞到物理媒體，通過物理媒體傳輸?shù)浇邮辗胶?，再?jīng)過接收方各層從下到上的傳遞，最后到達接收進程。（垂直方向）河南理工大學電氣學院603.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型為了保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡各節(jié)點之間的準確傳輸，發(fā)送方數(shù)據(jù)從上到下逐層傳遞的過程中，每層都要對其加上適當?shù)目刂菩畔7、H6、…、H1（報頭，包含數(shù)據(jù)長度、標識符（表征數(shù)據(jù)身份的ID信息）、源地址、目的地址等字段）到最底層數(shù)據(jù)成為由“0”或“1”組成的數(shù)據(jù)比特流，然后再轉(zhuǎn)換成相應的電平信號在物理媒體上傳輸至接收方。1、OSI模型中的數(shù)據(jù)傳輸過程

河南理工大學電氣學院613.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型接收方在向上傳遞數(shù)據(jù)時，過程恰恰相反，要逐層剝?nèi)グl(fā)送方相應層加上的控制信息；1、OSI模型中的數(shù)據(jù)傳輸過程

河南理工大學電氣學院623.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型因此，接收方的某一層不會收到底下各層的控制信息，它只閱讀和去除本層的控制信息，并進行相應的協(xié)議操作；發(fā)送方和接收方的對等實體看到的信息是相同的，就好像這些信息直接給了對方一樣（虛通信）。1、OSI模型中的數(shù)據(jù)傳輸過程

河南理工大學電氣學院632、OSI基本參考模型各層功能

3.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型(1)、物理層(傳輸數(shù)據(jù)單位—比特）建立在通信介質(zhì)基礎(chǔ)上，是網(wǎng)絡物理設備之間的接口。主要設備

HUB、電纜、連接器（RS-232C/422/485接口、RJ45）和收發(fā)器等。具體功能能在DTE（數(shù)據(jù)終端設備）/DCE（數(shù)據(jù)電路終端設備或數(shù)據(jù)通信設備）之間傳送原始的二進制數(shù)據(jù)位（比特流）

。提供為在DTE、DCE之間建立、保持和拆除物理鏈路所需的機械、電氣、功能和規(guī)程特性。河南理工大學電氣學院643.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型(2)、數(shù)據(jù)鏈路層(傳輸數(shù)據(jù)單位—幀）比特流被組織成包含地址、控制、數(shù)據(jù)及校驗碼等信息的數(shù)據(jù)幀，并以此為單位進行傳輸。通過校驗、確認和反饋重發(fā)等手段，在不可靠的物理線路上提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸。同時還要協(xié)調(diào)收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)傳輸速率，即進行流量控制。主要設備網(wǎng)卡、網(wǎng)橋具體功能

幀同步及差錯控制：將物理鏈路提供的非結(jié)構(gòu)化比特流分割成幀并進行差錯監(jiān)測和校正。通常采用奇偶校驗碼和循環(huán)冗余碼（CRC）校驗方法。流量控制：對數(shù)據(jù)流量進行控制，以處理好發(fā)方的發(fā)送能力和收方的接收能力間的協(xié)調(diào)問題。鏈路管理：包括建立、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路以及服務質(zhì)量管理。河南理工大學電氣學院653.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型(3)、網(wǎng)絡層(傳輸數(shù)據(jù)單位—分組）網(wǎng)絡層又稱通信子網(wǎng)層，它主要負責控制通信子網(wǎng)的操作，解決如何使數(shù)據(jù)分組跨越通信子網(wǎng)從信源傳送到目的地的問題。網(wǎng)絡層通過綜合考慮發(fā)送優(yōu)先權(quán)、網(wǎng)絡擁塞程度、服務質(zhì)量以及可選路由的花費來決定從一個網(wǎng)絡中節(jié)點A到另一個網(wǎng)絡中節(jié)點B的最佳路徑。主要設備路由器、網(wǎng)關(guān)、交換機、硬件防火墻等。具體功能為傳輸層提供數(shù)據(jù)交換，完成路徑選擇、阻塞控制、網(wǎng)絡互聯(lián)等功能。河南理工大學電氣學院663.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型(4)、傳輸層(傳輸數(shù)據(jù)單位—報文)傳輸層與數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)系相似數(shù)據(jù)鏈路層負責（節(jié)）點到（節(jié)）點之間的數(shù)據(jù)通信傳輸層負責擴大了的點到點之間的通信，即（信源）端-（信宿）端之間的通信。區(qū)別對數(shù)據(jù)鏈路層來說，點與點之間的信道是一條物理鏈路對傳輸層來說，端與端之間的信道是一通信子網(wǎng)傳輸層是第一個端-端，也即主機-主機的層次，只存在于通信子網(wǎng)以外的端主機中。傳輸層提供端-端的透明數(shù)據(jù)服務，使高層用戶不必關(guān)心通信子網(wǎng)的存在。傳輸層使高層用戶看見的就是好像在兩個實體之間有一條端到端的、可靠的、全雙工通信通路（數(shù)字管道）。河南理工大學電氣學院673.4網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)及OSI參考模型(5)、會話層(傳輸數(shù)據(jù)單位—報文）

會話層是進程－進程的層次，主要功能是組織和同步不同的主機上各種進程間的通信（對話）．(6)、表示層(傳輸數(shù)據(jù)單位—報文）1-3層屬于通訊子網(wǎng)——底層協(xié)議4-7層屬于用戶層——高層協(xié)議表示層的功能是為上層用戶提供共同的數(shù)據(jù)或信息的語法表示變換．由于各種計算機都可能采用各自的數(shù)據(jù)描述方法，所以不同類型計算機之間交換的數(shù)據(jù)需經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換才能保證其意義不變。表示層要解決的問題是如何描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并使之與具體的機器無關(guān)，其作用是對源站內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行編碼，使之成為適合于傳輸?shù)谋忍亓鳎搅四康恼驹龠M行解碼，轉(zhuǎn)換成用戶所要求的格式。(7)、應用層(傳輸數(shù)據(jù)單位—報文）

應用層主要是為特定類型的網(wǎng)絡應用提供訪問．具體功能包括：文件傳輸，訪問和管理、電子郵件、遠程作業(yè)錄入等。現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通信的數(shù)據(jù)總線。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場控制系統(tǒng)（FCS）?，F(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)，又是控制系統(tǒng)。3.6現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)是多方面因素共同作用的結(jié)果。

1、現(xiàn)場總線首先反映了儀器儀表本身發(fā)展的需要

儀器儀表的發(fā)展經(jīng)歷了全模擬式儀表、智能儀表、具有通信功能的智能儀表、現(xiàn)場總線儀表等幾個階段。(1).全模擬式儀表將傳感器信號進行調(diào)理放大后，經(jīng)過V/I電路轉(zhuǎn)換，輸出4-20mA或0-5V的模擬信號。一、現(xiàn)場總線發(fā)展背景

(2).智能儀表

微處理器嵌套在儀器儀表中，過程變量經(jīng)調(diào)理放大、A/D采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并經(jīng)過微處理器的運算、補償?shù)忍幚砗螅偻ㄟ^D/A、V/I等電路，仍然以4-20mA或0-5V的模擬信號輸出。相對于全模擬儀表來講，測量精度得到大大提高，但信號傳輸過程仍然容易受到外界電磁干擾，傳輸精度和可靠性都不高。(3).具有通信功能的智能儀表，在儀器儀表中增加了通信接口（如RS232），以數(shù)字通信的方式代替模擬信號傳輸。但由于這些通信標準只規(guī)定了物理層上的電氣特性，而對于數(shù)據(jù)鏈路層及其以上各高層協(xié)議規(guī)范，則沒有統(tǒng)一定義，致使不同生產(chǎn)廠家的儀器儀表由于通信協(xié)議的專有與不兼容而無法實現(xiàn)相互之間的信息互訪。(4).現(xiàn)場總線儀表必須使網(wǎng)絡的通信標準進行統(tǒng)一，組成開放互連系統(tǒng)，于是就產(chǎn)生了現(xiàn)場總線。3.6現(xiàn)場總線技術(shù)2、現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展反映企業(yè)管控一體化信息集成的要求企業(yè)管控一體化概念把市場、生產(chǎn)計劃、制造過程、企業(yè)管理、售后服務看作要統(tǒng)一考慮，并采用計算機、自動控制、網(wǎng)絡通信等技術(shù)來實現(xiàn)整個過程的綜合自動化，以改善生產(chǎn)加工、管理決策等。為實現(xiàn)這個目標，必須要將企業(yè)內(nèi)現(xiàn)場控制、過程監(jiān)控、經(jīng)營管理、市場管理等各層次智能設備互聯(lián)成綜合自動化網(wǎng)絡，實現(xiàn)各層次的匯通和數(shù)據(jù)共享，即實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的“管控一體化”?，F(xiàn)場總線使自控系統(tǒng)與設備加入工廠信息網(wǎng)絡，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡底層。使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。3.6現(xiàn)場總線技術(shù)3.6現(xiàn)場總線技術(shù)全數(shù)字化

在采用FCS的企業(yè)中，用于生產(chǎn)管理的局域網(wǎng)能夠與用于自動控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡緊密銜接。此外，數(shù)字化信號固有的高精度、抗干擾特性也能提高控制系統(tǒng)的可靠性。

全分布式

在FCS中各現(xiàn)場設備有足夠的自主性，它們彼此之間相互通信，完全可以把各種控制功能分散到各種設備中，而不再需要一個中央控制計算機，實現(xiàn)真正的分布式控制。

雙向傳輸

傳統(tǒng)的4~20mA電流信號，一條線只能傳遞一路信號?，F(xiàn)場總線設備則在一條線上既可以向上傳遞傳感器信號，也可以向下傳遞控制信息。

二、現(xiàn)場總線的優(yōu)點

自診斷

現(xiàn)場總線儀表本身具有自診斷功能，而且這種診斷信息可以送到中央控制室，以便于維護，而這在只能傳遞一路信號的傳統(tǒng)儀表中是做不到的。

節(jié)省布線及控制室空間

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)每個儀表都需要一條線連到中央控制室，在中央控制室裝備一個大配線架。而在FCS系統(tǒng)中多臺現(xiàn)場設備可串行連接在一條總線上，這樣只需極少的線進入中央控制室，大量節(jié)省了布線費用，降低了造價。

多功能儀表

數(shù)字化、雙向傳輸方式使得現(xiàn)場總線儀表可以擺脫傳統(tǒng)儀表功能單一的制約，可以在一個儀表中集成多種功能，做成多變量變送器，甚至集檢測、運算、控制與一體的變送控制器。

開放性

1999年底現(xiàn)場總線協(xié)議已被IEC

批準正式成為國際標準，從而使現(xiàn)場總線成為一種開放的技術(shù)。

3.6現(xiàn)場總線技術(shù)互操作性

現(xiàn)場總線標準保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作，這樣就避免了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中必須選用同一廠家的產(chǎn)品限制，促進了有效的競爭，降低了控制系統(tǒng)的成本。

智能化與自治性

現(xiàn)場總線設備能處理各種參數(shù)、運行狀態(tài)信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至網(wǎng)絡故障的情況下獨立工作，大大提高了整個控制系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。

3.6現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線儀表、控制器

現(xiàn)場總線線路

監(jiān)控、組態(tài)計算機

儀表、控制器、計算機都需要通過現(xiàn)場總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件連接到網(wǎng)上。因此，現(xiàn)場總線網(wǎng)卡、通信協(xié)議軟件是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和神經(jīng)中樞。三、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成

1、現(xiàn)場總線與RS232、RS485的本質(zhì)區(qū)別3.6現(xiàn)場總線技術(shù)主要體現(xiàn)在接口規(guī)范方面。RS232與RS485只能代表通信的物理介質(zhì)層和鏈路層，如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問，就必須自己編寫通訊應用程序，多數(shù)都不符合ISO/OSI規(guī)范，不具備通用性。如果設備數(shù)量超過2臺，就必須使用RS485組成設備網(wǎng)。RS485網(wǎng)絡中的設備之間要想互通信息只有通過“主（Master）”設備中轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)，這種設備網(wǎng)中只允許存在一個主設備，其余全是“從（Slave）”設備。現(xiàn)場總線接口符合ISO/OSI規(guī)范、具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突監(jiān)測、鏈路維護等問題。網(wǎng)絡中設備無主從之分或允許多主存在。四、現(xiàn)場總線與其他通信技術(shù)的區(qū)別

2、現(xiàn)場總線系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡的區(qū)別

3.6現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，傳輸速率低，但實時性高?，F(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不要求實時性。局域網(wǎng)是一種高速信息網(wǎng)絡。環(huán)境不同?，F(xiàn)場總線位于生產(chǎn)現(xiàn)場，環(huán)境條件差，而計算機網(wǎng)絡一般位于辦公場所，環(huán)境好。五、現(xiàn)場總線的參考模型六、媒體訪問控制（MAC）方法3.6現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的結(jié)構(gòu)是根據(jù)國際標準化組織提供的ISO/OSI模型來制定的。標準ISO/OSI模型有七層框架，但根據(jù)工業(yè)控制的特點，多數(shù)數(shù)據(jù)總線協(xié)議都是采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。因此，典型的現(xiàn)場總線協(xié)議模型是OSI模型的簡化形式，其流量與差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層中進行。OSI/RM是現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)。主要CSMA/CD和令牌兩種方式。CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問方法主要用于總線型網(wǎng)絡總線型網(wǎng)絡由多個節(jié)點共享一條總線來傳送數(shù)據(jù)，因此其MAC協(xié)議的主要任務就是防止兩個或兩個以上的節(jié)點同時占用總線IEEE802.3標準CSMA/CD工作原理：3.6現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)前，先偵聽信道是否空閑（載波偵聽）,若空閑則立即發(fā)送數(shù)據(jù).在發(fā)送數(shù)據(jù)時,邊發(fā)送邊繼續(xù)偵聽（沖突檢測）.若偵聽到?jīng)_突,則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù).根據(jù)一定策略延時后再重新嘗試發(fā)送.先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停發(fā)，延遲后重發(fā)將CSMA/CD的工作過程形象的比喻成很多人在一間黑屋子中舉行討論會.原理比較簡單，技術(shù)上易實現(xiàn)，網(wǎng)絡中各工作站處于平等地位，不需集中控制，不提供優(yōu)先級控制。但在網(wǎng)絡負載增大時，發(fā)送時間增長，發(fā)送效率急劇下降。現(xiàn)場總線是自動化領(lǐng)域中計算機通信最底層的控制網(wǎng)絡，它可將變電站保護測量、控制、遠傳集為一體，實現(xiàn)變電站內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理和共享。國際上約有40種現(xiàn)場總線，但多數(shù)以低速總線為主大型變電站的高壓及主變壓器所配備的保護非常復雜，事故狀態(tài)下的各種信息量異常大，要求站內(nèi)信息記錄具備實時性，低速總線不能滿足要求，所以現(xiàn)有國內(nèi)綜合自動化生產(chǎn)商大部分采用以太網(wǎng)、CAN網(wǎng)、LonWorks網(wǎng)、RS－485網(wǎng)。3.6現(xiàn)場總線技術(shù)七、現(xiàn)場總線實例CAN通信技術(shù)概述CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)絡，是目前國際上應用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN最初是由德國的BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的?，F(xiàn)代汽車越來越多地采用電子裝置控制，如發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制、燃油噴射控制，加速、剎車控制(ASC)及防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)等。由于這些控制需檢測及交換大量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)電器設備多為點到點通信導致了龐大的線束。通過CAN總線將汽車上的各種電子裝置與設備連成一個網(wǎng)絡，實現(xiàn)相互之間的信息共享，既減少了線束，又可更好地控制和協(xié)調(diào)汽車的各個系統(tǒng)，減少冗余的傳感器，使汽車性能達到最佳。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，在汽車領(lǐng)域的應用最為廣泛，如BENZ、BMW、Volkswagen等都采用了CAN來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。帶有中央控制單元的汽車帶有三個中央控制單元的車帶有三個中央控制單元和總線系統(tǒng)的車帶有三個中央控制單元的CAN驅(qū)動網(wǎng)絡CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN總線特點CAN總線特點如下：（1）可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。（2）報文以標識符分為不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實時要求，優(yōu)先級最高的報文可保證在134us內(nèi)得到傳輸。

（3）采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。（4）可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。（5）直接通信距離最遠可達10km（速率5Kbps以下）。（6）通信速率最高可達1MB/s（此時距離最長40m）。（7）節(jié)點數(shù)實際可達110個。（8）采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個。（9）每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。（10）通信介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。（11）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。（12）性價比高，器件容易購置，節(jié)點價格低。（13）開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機開發(fā)工具?！?986年，Bosch在SAE（汽車工程人員協(xié)會）大會上提出了CAN◆19