第06章 計算機控制中的網絡與通信技術

第6章

計算機控制系統中的網絡與通信技術

NetworkandCommunicationTechnologyofComputerControlSystem2/6/20231計算機控制技術本章主要內容計算機網絡概述數據通信技術工業(yè)控制計算機網絡與通訊2/6/20232計算機控制技術6.1Unit1

計算機網絡概述

IntroductionofComputerNetwork2/6/20233計算機控制技術本節(jié)主要內容計算機網絡的定義計算機網絡的分類計算機網絡的協議層次模型計算機局域網計算機網絡互聯設備傳統以太網快速以太網2/6/20234計算機控制技術6.1.1計算機網絡的定義

計算機網絡是指把若干臺地理位置不同且具有獨立功能的計算機或設備，通過通訊設備和線路相互連接起來，以實現信息傳輸和資源共享的一種計算機系統。網絡中的各臺計算機或設備（或稱為節(jié)點）之間相互通信，并能實現資源共享。資源包括硬件資源、軟件資源和數據庫資源。2/6/20235計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（1）局域網LAN（LocalAreaNetwork)計算機硬件設備不大、通信線路不長、采用單一的傳輸介質、覆蓋范圍小。區(qū)域網MAN(MetropolitanAreaNetWork)通常覆蓋一個區(qū)域城市，又稱城域網。廣域網WAN（WideAreaNetwork)不僅可以把多個局域網連在一起，，也可以把世界各地的局域網連在一起，傳輸裝置和媒體由電信部門提供。1.按網絡的跨度分類計算機控制系統中一般采用局域網或局域網的互連。2/6/20236計算機控制技術采用局域網，傳輸速率較高，誤碼率較低。組網方便，技術簡單。傳輸距離遠，傳輸速率較低，誤碼率較高。機制復雜。局域網指幾公里的地理范圍內將計算機、外設和通信設備互連在一起的網絡系統。廣域網

涉及的范圍較大，通?？梢赃_到幾十公里、幾百公里，甚至更遠。2/6/20237計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（2）2.按網絡的拓樸結構分類網絡拓撲結構定義：

在計算機通信網絡中，網絡的拓撲(Topology)結構是指網絡中的各臺計算機、設備之間相互連接的方式。

2/6/20238計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（3）按網絡的拓樸結構分類：星形網:

以一臺中心處理機為主而構成的網絡，其他入網的計算機僅與該中心處理機之間有直接的物理鏈路，中心處理機采用分時的方法為入網機器服務。

總線型網:所有入網機器共用一條傳輸線路，機器通過專用的分接頭接入線路。由于線路對信號的衰減作用，總線形網僅用于有限的區(qū)域，常用于組建局域網。2/6/20239計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（4）按網絡的拓樸結構分類：環(huán)形網:入網機器通過中繼器接入網絡，每個中繼器僅與兩個相鄰的中繼器有直接的物理線路，所有的中繼器及其物理線路構成了一個環(huán)狀的網絡系統，環(huán)形網也是局域網的一種主要形式。網狀網絡:利用專門負責數據通信和傳輸的節(jié)點機構成的網絡，入網機器直接接入節(jié)點機進行通信，網狀網絡主要用于地理范圍大、入網機器多的環(huán)境，例如構造廣域網。

計算機控制系統網絡拓撲結構以總線形式為多。2/6/202310計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（5）3.按管理性質分類專用網：公用網：由電信部門組建、管理和控制，網絡內的傳輸和轉換可供任何部門和個人使用；公用網常用于遠程網絡的構建，支持用戶的遠程通信

。由用戶部門組建經營的網絡，不允許其它用戶和部門使用；由于投資因素，專用網常為局域網或者是通過租借電信部門的線路而組建的廣域網。2/6/202311計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（5）3.按管理性質分類過程計算機控制系統中的網絡常為專用網，由于近年來系統需求變化，特別是對于遠程監(jiān)控需求的增加，使用專用網互聯公用網的方式來組建各種計算機控制網絡也開始增多。2/6/202312計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（6）4.按信息交換方式分類電路交換網：類同電話方式，具有建立鏈路、數據傳輸和釋放鏈路三個階段；通信過程中，自始至終占用該鏈路。且不允許其它用戶共享其信道資源。報文交換網：交換機采用具有“存儲—轉發(fā)”能力的計算機，用戶數據可以暫時保存在交換機內，等待線路空閑時，再進行用戶數據的一次傳輸。分組交換網：類同報文交換技術，但規(guī)定了交換機處理和傳輸數據的長度（稱之為分組），不同用戶的數據分組可以交織出現在網絡中的物理鏈路上傳輸。2/6/202313計算機控制技術2/6/202314計算機控制技術6.1.2計算機網絡的分類（7）5.按功能分類通信子網網絡中面向數據通信的資源集合，主要支持用戶數據的傳輸；該子網包括傳輸線路、交換機和網絡控制中心等硬件設施。

資源子網網絡中面向數據處理的資源集合，主要支持用戶的應用；該子網由用戶的主機資源組成，包括接入網絡的用戶主機，以及面向應用的外設（例如終端）、軟件和可共享的數據（例如公共數據庫）等。2/6/202315計算機控制技術DataDataData主機終端終端終端主機終端終端通信處理機主機終端通信子網資源子網通信處理機2/6/202316計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（1）計算機網絡體系結構的實質定義和描述一組用于計算機及其通訊設施之間互連的標準和規(guī)范的集合，遵循這組規(guī)范可以方便的實現計算機設備之間的通訊。

OSI模型ISO組織提出OSI/RM開放系統互連基本參考模式描述了計算機之間的通信應如何發(fā)生劃分了7個層次2/6/202317計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（2）應用層表示層會話層傳輸層網絡層物理層數據鏈路層邏輯鏈路控制層（LLC）介質存取控制層（MAC）OSI/RM七層模型示意圖2/6/202318計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（3）1.OSI(開放系統互連)模型物理層（PhysicalLayer）提供了建立網絡的物理及電氣連接特性，如雙絞線電纜、光纜、同軸電纜、連接器等等?？梢哉J為這一層是一個硬件層，通常做成芯片，印刷電路板（網絡適配器）和電纜等。功能：在物理媒體上傳輸原始數據的比特流

2/6/202319計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（4）數據鏈路層（DataLinkLayer）介質存取控制（MAC）層：MAC子層負責網絡訪問（無論是令牌傳遞還是帶沖突的邏輯鏈路控制檢測）和網絡控制。邏輯鏈路控制（LLC）層。

LLC子層工作于MAC子層之上，主要負責發(fā)送和接收用戶的數據信息。這一層的大部分或全部內容由網絡適配器上的芯片實現，而再往上的各層則是由軟件（網絡驅動器）來實現的。功能：差錯校驗、流量控制、鏈路管理2/6/202320計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（5）網絡層（NetworkLayer）這一層切換路由信息包，使之到達它們的目的地。主要功能：尋址及傳送信息包、阻塞控制、網際互連、虛電路2/6/202321計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（5）傳輸層（TransportLayer）當同一時刻有多個信息包在傳送時，傳輸層將控制信息報文組成部件的順序并規(guī)范輸入的信息流（分段、合并等）。如果來了一個重復的信息包，傳輸層將識別出它是重復的并將其丟棄。功能：流量控制、差錯控制前三層（物理層、數據鏈路層、網絡層）主要面向數據通訊

傳輸層承上啟下，是前后三層的橋梁后三層（會話層、表示層、應用層）主要面向信息處理2/6/202322計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（6）會話層（SessionLayer）這一層的功能是使運行于兩個工作站上的應用程序能夠協調其間的通信使之成為一個獨立的會話，可以把它當作是一個高度結構化的對話。會話層負責會話的建立，支持會話期間對信息包的發(fā)送與接收的管理及結束會話。

2/6/202323計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（7）表示層（PresentationLayer）當各種計算機打算彼此傳送信息時，表示層可將數據轉換為機器內部的數字格式或者完成其逆過程。應用層（ApplicationLayer）OSI模型中的這一層可以被應用程序使用。一條將要通過網絡傳輸的信息報文在這一層進入OSI模型向下一層傳送，最后傳輸至物理層，并在打包后傳輸至其它工作站。之后由目的工作站的物理層向上傳送，經過那個工作站中的應用層直至到達需要這份信息報文的應用程序。2/6/202324計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（8）2.層間協議OSI中的層間通信具有兩種含義相鄰層之間的通信發(fā)生在相鄰的上下層之間，屬于局部問題。標準中定義了通信的內容，未規(guī)定這些內容的具體表現形式和層間通信實現的具體方法對等層之間的通信發(fā)生在不同開放系統的相同層次之間，屬于對等層實體之間的信息交換，以保證相應層次功能的實現和服務的提供。標準中利用定義協議來規(guī)定對等層之間的交換信息格式和交換時序2/6/202325計算機控制技術6.1.3計算機網絡的協議層次模型（9）在OSI環(huán)境中，對等層之間的通信是目的，相鄰層之間的通信是手段NNN-1N-1物理層物理層OSI環(huán)境下的層間通信2/6/202326計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（1）LAN的定義是允許中等地域的眾多獨立設備通過中等速率的物理信道直接互連可進行通信的數據通信系統。1980年2月IEEE成立局域網標準化委員會（802委員會）描述和比較LAN的因素傳輸媒體：即用于附接網絡設備的電纜類型傳輸技術：使用傳輸媒體進行通信的技術網絡拓補：指組網時的電纜鋪設形式訪問控制方法：網絡設備訪問傳輸媒體的控制方法2/6/202327計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（2）1.局域網的拓撲結構星形結構星形結構由中央結點和分支結點所構成，各個分支結點均與中央結點具有點到點的物理連接，分支結點之間沒有直接的物理通路。分支結點中央結點星形結構示意圖2/6/202328計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（3）星形結構通信方式：任何兩個分支結點之間的通信都要通過主結點，該主結點集中來自各分支結點的信息，按照一種集中式的通信控制策略，把集中到主結點的信息轉發(fā)給相應的分支結點。主結點的信息存儲容量大，通信處理量大，硬、軟件較復雜。

各分支結點的通信處理負擔卻較小，只需具備簡單的點到點的通迅功能。2/6/202329計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（4）星形結構典型的網絡系統是基于電路交換的電話交換網。優(yōu)點：星形拓撲結構屬于集中型網絡，易于將信息流匯集起來，從而提高全網絡的信息處理效率，適用于各站之間信息流量較大的場合。

缺點：可靠性較低，如果主結點發(fā)生故障，那么將影響全網絡的通信。2/6/202330計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（5）總線結構采用無源傳輸媒體作為廣播總線，利用電纜抽頭將各種入網設備接入總線；為了防止傳輸信號的反射，總線兩端使用終接器（也稱終端適配器）。計算機終接器總線結構示意圖2/6/202331計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（6）總線結構通信方式：各個結點將依據一定的規(guī)則分時地使用總線來傳輸數據，發(fā)送結點發(fā)送的數據幀沿著總線向兩端傳播，總線上的各個結點都能接收到這個數據幀，并判斷是否發(fā)送給本結點，如果是，則該數據幀保留下來，否則丟棄該數據幀?？偩€形網絡的“廣播式”傳輸是依賴于數據信號沿總線向兩端傳播的特性來實現的?？偩€形結構屬于分散型網絡，其結構靈活，易于擴展。一個站發(fā)生故障不會影響其它站的工作，可靠性高。

但傳送距離短。2/6/202332計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（7）環(huán)形結構環(huán)接口設備通過傳輸媒體串接形成閉合環(huán)路，它們之間具有點到點的連接，入網設備通過環(huán)接口設備接入環(huán)路閉合回路計算機環(huán)形結構示意圖2/6/202333計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（8）環(huán)形結構所有分散結點用通信線路連接成環(huán)形網，通過逐個結點傳遞來達到線路共用，網上信息沿單方向圍繞著線路進行循環(huán)(順時針或逆時針)。

優(yōu)點：環(huán)形拓撲結構屬于分散型網絡，環(huán)形網的信號經每個中繼器整形、放大后再傳送，不但傳送距離遠。而且能保證信號的質量。缺點：一旦有一個中繼器出現故障，就會導致環(huán)路的斷路，使全網限于癱瘓，另外因為它是共用通信線路，所以不適用于信息流量大的場合。

2/6/202334計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（9）混合形結構混合形結構是將上述各種拓補混合起來的結構，常見的有樹形、環(huán)星形等。閉合回路計算機環(huán)星形結構示意圖2/6/202335計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（10）選擇拓補結構的考慮費用傳播媒體費用、所需設備費用、安裝費用等靈活性設備的更新、移動和增刪結點的方便性可靠性主要包括媒體接觸以及個別結點故障對整個網絡的影響，應使故障檢測和故障隔離較為方便2/6/202336計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（11）2.局域網網絡協議根據IEEE802標準，LAN協議參照了OSI模型的物理層和數據鏈路層，并沒有涉及到第三層至第七層。

從應用層到網絡層的高層功能完全由軟件來實現，它提供了兩個站之間的端—端服務。而最低兩層（物理層和鏈路層）功能上基本上由硬件來完成。LAN協議把鏈路層又分成邏輯鏈路控制層LLC和介質訪問控制層MAC。

2/6/202337計算機控制技術IEEE802標準網絡層數據鏈路層物理層邏輯鏈路控制LLC媒體訪問控制MAC

高層OSIIEEE802物理層PHY由NOS來實現2/6/202338計算機控制技術IEEE802.3的體系結構與功能實現物理層電纜連接器收發(fā)器AUI電纜網卡站接口數據封裝/解封（MAC幀）鏈路管理（CSMA/CD協議）曼徹斯特編碼/譯碼發(fā)送/接收MACLLC2/6/202339計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（12）(1).物理層：在發(fā)送和接收時，對數據（信息）位流進行編碼或解碼。根據IEEE802標準，基帶傳輸采用曼徹斯特編碼或差動曼徹斯特編碼，傳輸介質為雙絞線或同軸電纜，對于采用CSMA/CD技術的網絡進行載體監(jiān)聽和沖突檢測。

(2)邏輯鏈路控制層邏輯鏈路控制層(LLC)采用IEEE802標準。LLC為高層服務，向上提供高層接口。在發(fā)送時，把數據裝配成帶有站地址段、控制段、信息段和CRC段的幀。在接受時，拆卸幀，執(zhí)行站地址識別，CRC校驗，并把接收數據傳送給上層。LLC向下提供介質訪問控制層的接口。

2/6/202340計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（13）(3)介質訪問控制層（MAC）功能：合理解決信道的分配。常用的介質訪問控制方式有三種：沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）令牌環(huán)（TokenRing）；令牌總線（TokenBus）。

2/6/202341計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（14）①沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CMSA/CD)

CSMA/CD又稱隨機訪問技術或爭用技術。主要用于總線形網絡。工作原理是：當某一結點要發(fā)送信息時，首先要偵聽網絡中有無其它結點正發(fā)送信息，若沒有則立即發(fā)送；否則，即網絡中已有某結點發(fā)送信息（信道被占用），該結點就需要等待一段時間，直至信道空閑，開始發(fā)送。多個結點共同使用同一條線路，任何結點發(fā)送信息前都必須先檢查網絡的線路是否有信息傳輸。

2/6/202342計算機控制技術2/6/202343計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（15）

CSMA/CD技術中，需解決信道被占用時和兩個問題。確定等待時間的方法：當某結點檢測到信道被占用后，繼續(xù)檢測下去，待發(fā)現信道空閑時，立即發(fā)送。當某點檢測到信道被占用后就延遲一個隨機時間，然后再檢測。重復這一過程，直到信道空閑，開始發(fā)送。

等待占用的時間信息沖突2/6/202344計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（16）沖突檢測的解決辦法：當某結點開始占用網絡信道發(fā)送信息時，該點再繼續(xù)對網絡檢測一段時間，也就是說該點一邊發(fā)送一邊接收，且把收到的信息和自己發(fā)送的信息進行比較，若比較結果相同，說明發(fā)送正常進行，可以繼續(xù)發(fā)送；若比較結果不同，說明網絡上還有其它結點發(fā)送信息，引起數據混亂，發(fā)生沖突，此時應立即停止發(fā)送，等待一個隨機時間后，再重復以上過程。2/6/202345計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（17）CSMA/CD方式特點：原理較簡單，且技術上較易實現。網絡中各結點處于同等地位，無需集中控制。不能提供優(yōu)先級控制，所有結點都有平等競爭的能力，在網絡負載不重的情況下，有較高的效率，但當網絡負載增大時，發(fā)送信息的等待時間加長，效率顯著降低。CSMA/CD可歸結為四句話：

發(fā)前先偵聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊檢測，沖突時退避。2/6/202346計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（18）②令牌環(huán)（TokenRing）令牌環(huán)（TokenRing）全稱是令牌通行環(huán)（TokenPassingRing），僅適用于環(huán)形網絡結構。在這種方式中，令牌是控制標志，網中只設一張令牌，只有獲得令牌的結點才能發(fā)送信息，發(fā)送完后，令牌又傳給相鄰的另一個結點。

2/6/202347計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（19）令牌傳遞的方法：令牌依次沿每個結點傳送，使每個結點都有平等發(fā)送信息的機會。令牌有“空”和“忙”兩個狀態(tài)?！翱铡北硎玖钆茮]有被占用，“忙”表示令牌正在攜帶信息發(fā)送。當“空”的令牌傳送至正待發(fā)送信息的結點時，該結點立即發(fā)送信息并置令牌為“忙”狀態(tài)。在一個結點占令牌期間；其它結點只能處于接收狀態(tài)。當所發(fā)信息繞環(huán)一周，并由發(fā)送結點清除，“忙”令牌又被置為“空”狀態(tài)，繞環(huán)傳送令牌。當下一個結點要發(fā)送信息時，則下一個結點便得到這一令牌，并可發(fā)送信息。2/6/202348計算機控制技術TokenRing/802.5的操作舉例AT=0TAT=0TAT=1TDataCTDataCTDataCTDataCData（a）（b）（c）幀循環(huán)一圈后A將數據幀回收并放出空令牌A有數據要發(fā)送，它抓住空令牌A將令牌修改為數據幀，并加掛數據2/6/202349計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（20）令牌環(huán)的優(yōu)缺點：優(yōu)點：能提供可調整的訪問控制方式，能提供優(yōu)先權服務，有較強的實時性。缺點：需要對令牌進行維護，且空閑令牌的丟失將會降低環(huán)路的利用率；控制電路復雜。2/6/202350計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（21）②令牌總線（TokenBus）令牌總線方式主要用于總線形式中。工作原理：它把總線傳輸介質上的各個結點形成一個邏輯環(huán)，即人為地給各結點規(guī)定一個順序(例如，可按各結點號的大小排列)。邏輯環(huán)中的控制方式類同于令牌環(huán)。2/6/202351計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（22）令牌總線優(yōu)缺點：優(yōu)點：吞吐能力大，吞吐量隨數據傳輸速率的提高而增加；控制功能不隨電纜線長度的增加而減弱；不需沖突檢測，故信號電壓可以有較大的動態(tài)范圍；具有一定的實時性。采用總線方式網絡的連網距離較CSMA/CD及TokenRing方式的網絡遠。缺點:結點獲得令牌的時間開銷較大，一般一個結點都需要等待多次無效的令牌傳送后才能獲得令牌。

2/6/202352計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（23）（4）LAN網絡適配器LAN網絡適配器是實現LAN物理層和鏈路層的硬件接口板。只需選用幾片LAN協議專用的集成電路芯片，再外加一部分輔助電路或存儲器，就可以設計一塊符合IEEE802標準的LAN網絡接口板。2/6/202353計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（24）3.傳輸媒體用于局域網的傳輸媒體主要有有線傳輸和無線傳輸兩類有線傳輸雙絞線同軸電纜光導纖維（光纖）無線傳輸微波、紅外線和激光2/6/202354計算機控制技術雙絞線內導體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套--螺旋絞合的雙導線，≈1mm--每根4對、25對、1800對--典型連接距離100m（LAN）--RJ45插座、插頭--優(yōu)缺點：成本低密度高、節(jié)省空間安裝容易（綜合布線系統）平衡傳輸（高速率）抗干擾性一般連接距離較短雙絞線2/6/202355計算機控制技術雙絞線制作標準：（1）EIA/TIA568A標準：白綠／綠／白橙／藍／白藍／橙／白棕／棕

（從左起）（2）EIA/TIA568B標準：白橙／橙／白綠／藍／白藍／綠／白棕／棕

（從左起）連接方法有兩種：（1）直通線：雙絞線兩邊都按照EIAT/TIA568B標準連接。（2）交叉線：雙絞線一邊是按照EIAT/TIA568A標準連接，另一邊按照EIT/TIA568B標準連接。2/6/202356計算機控制技術制作雙絞線

EIA／TIA568B的標準

(白橙-橙-白綠-藍-白藍-綠-白棕-棕）測線儀壓線鉗RJ-45水晶頭2/6/202357計算機控制技術2/6/202358計算機控制技術2/6/202359計算機控制技術地面微波接力地球地面站之間的直視線路

微波傳送塔兩個地面站之間傳送距離：50-100km無線傳輸---微波2/6/202360計算機控制技術無線傳輸---微波地球同步衛(wèi)星與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時間長22,300公里地球2/6/202361計算機控制技術（GlobalPositioningSystem）。一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統。系統可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可同時觀測到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經緯度和高度，以便實現導航、定位、授時等功能?？梢杂脕硪龑эw機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地GPS是20世紀70年代由美國陸?？杖娐摵涎兄频男乱淮臻g衛(wèi)星導航定位系統。目的是為陸?？仗峁崟r、全天候和全球性導航服務，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等軍事目的，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經過20余年研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設完成。

GPS全球衛(wèi)星定位系統由三部分組成:空間部分—GPS星座;地面控制部分—地面監(jiān)控系統;用戶設備部分—GPS信號接收機

無線傳輸---GPS2/6/202362計算機控制技術無線傳輸---微波固定終端點（基站）和終端之間是無線鏈路BS基站用戶計算機和終端BS基站覆蓋的無線電區(qū)域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的頻率2/6/202363計算機控制技術2/6/202364計算機控制技術6.1.4計算機局域網絡（25）4.傳輸技術基帶傳輸保持數據波的原樣進行傳輸稱為基帶傳輸，此時的數據信號為電子或者光脈沖基帶傳輸不適合于高速和遠距離傳輸，除非傳輸媒體的性能很好（如光纖）寬帶傳輸采用調制的方法，以連續(xù)不斷的電磁波信號來傳輸數據信號的方法稱為寬帶傳輸寬帶傳輸可以提供較高的傳輸速率和抗干擾能力2/6/202365計算機控制技術LAN互連的必要性：地域限制、負載問題、互通問題、安全問題LAN互連的困難：幀格式不同、傳輸速率不同、最大幀長不同LAN互連的實現：中繼器/HUB－在物理層上實現互聯網橋－在數據鏈路層上實現互聯路由器－在網絡層上實現互聯6.1.5計算機網絡互聯設備2/6/202366計算機控制技術6.1.5計算機網絡互聯設備（1）1.中繼器負責兩個結點的物理層按位傳遞信息，完成信號的復制、調整和放大功能，以此來延長網絡的長度。

2/6/202367計算機控制技術6.1.5計算機網絡互聯設備（1）2.集線器一種特殊的中繼器，作為網絡傳輸介質的中央結點，它克服了介質單一通道的缺陷。以集線器為中心的優(yōu)點是：當網絡系統中的某條線路或節(jié)點出現問題時，不會影響網上其它結點的正常工作。

2/6/202368計算機控制技術6.1.5計算機網絡互聯設備（2）3.網橋網橋是連接兩個局域網的設備，工作在數據鏈路層，用它可以完成具有相同或相似體系結構網絡系統的連接。網橋是為各種局域網存儲轉發(fā)數據而設計的，網橋可以將不同的局域網連在一起，組成一個擴展的局域網。

2/6/202369計算機控制技術6.1.5計算機網絡互聯設備（3）4.交換機交換機是一種具有使用簡單、價格低、性能高等特點的交換產品，體現了橋接技術的復雜交換技術，和網橋一樣也是工作在數據鏈路層。與網橋相比不同點是：交換機存儲轉發(fā)延遲小，遠遠超過了網橋互聯網絡之間的轉發(fā)性能。

2/6/202370計算機控制技術6.1.5計算機網絡互聯設備（4）5.路由器路由器是一種典型的網絡層設備，它在兩個局域網之間轉發(fā)數據包，完成網絡層的中繼任務，路由器負責在兩個局域網的網絡層間按包傳輸數據。路由器的主要工作是為經過路由器的每個數據包尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據包有效地傳送到目的站點。

2/6/202371計算機控制技術6.1.5計算機網絡互聯設備（5）6.網關網關是連接兩個協議差別很大的計算機網絡時使用的設備。它可以將具有不同體系結構的計算機網絡連接在一起，網關屬于最高層（應用層）的設備。有些網關可以通過軟件來實現協議的轉換，并起到與硬件類似的作用，但這是以消耗機器的資源為代價來實現的。2/6/202372計算機控制技術6.1.6傳統以太網70年代中期由XeroxPaloAltoResearchCenter提出，將他們建立的局域網稱為Ethernet（以太網）。1980年,經DEC、Intel和Xerox公司改進為DIX版以太網1.0規(guī)范IEEE802.3分委員會促進了以太網標準，最初以IEEE10Base-5出現，接著出現10Base-2。10Base-T的出現大大促進了以太網的發(fā)展。Ethernet是指基帶總線LAN。今天的以太網和IEEE802.3可以認為是同義詞。

1以太網的產生和發(fā)展2/6/202373計算機控制技術2IEEE802.3規(guī)范傳統以太網

802.3——同軸電纜Ethernet802.3a——細纜Ethernet802.3i——雙絞線

802.3j——光纖快速以太網FE802.3u——雙絞線，光纖千兆以太網GEIEEE802.3z——屏蔽短雙絞線、光纖

IEEE802.3ab——雙絞線2/6/202374計算機控制技術3.802.3布線介質標準10Base5粗同軸10Base2細同軸10BaseT雙絞線

100BaseT雙絞線100BaseFMMF/SMF1000BaseX屏蔽短雙絞線/MMF/SMF1000BaseT雙絞線數據率（Mbps）基帶或寬帶Base，Broad段最大長度（百米）或介質類型（T，F，X）10

Base

52/6/202375計算機控制技術10Base5粗同軸電纜，可靠性好，抗干擾能力強收發(fā)器

:發(fā)送/接收,沖突檢測,電氣隔離AUI:連接件單元接口總線型拓撲用于網絡骨干連接最大段長度500米每段最多站點數100兩站點間最小距離2.5米

粗纜VampiretapBNC端子收發(fā)器AUI電纜NIC網絡最大跨度

2.5公里

2/6/202376計算機控制技術10Base2細同軸電纜，可靠性稍差

BNCT型接頭連接

總線型拓撲用于辦公室LAN細纜BNC接頭NIC每段最大長度185m每段最多站點數30兩站點間最短距離

0.5m網絡最大跨度

925m網絡最多5個段

2/6/202377計算機控制技術10BaseT雙絞線介質（UTP）以Hub（集線器）為中心節(jié)點。Hub－多端口轉發(fā)器。

拓撲結構為星形，邏輯上仍然是總線形。

轉發(fā)器/中繼器的作用：將信號放大并整形后再轉發(fā)，消除信號傳輸的失真和衰減。轉發(fā)器/中繼器/HUB——物理層設備(工作在物理層)。用于小型LAN。NICHUB段最大長度100m2/6/202378計算機控制技術6.1.7快速以太網1.100Mbps快速以太網又稱快速以太網(FastEthernet，FE)，包括100Base-TX和100Base-FX。與10Mbps網絡的比較：拓撲結構和媒體布線方法幾乎完全一樣；傳輸率快10倍；幀結構和介質訪問控制方式沿用IEEE802.3。

3種不同的物理層標準：MAC子層100BaseFX100BaseTX2對5類

UTP光纖4對3、4、5類

UTP100BaseT42/6/202379計算機控制技術2.千兆以太網(GigabitEthernet，GE)兩種標準：802.3z和802.3ab802.3z1000BaseX屏蔽短雙絞線/MMF/SMF802.3ab1000BaseT無屏蔽雙絞線(5類，6類)連接距離較短：1000BaseX:雙絞線-25米；MMF-550米；SMF-3km1000BaseT:5類雙絞線－100米

拓撲結構和媒體布線方法同10/100BaseT相同；傳輸速率比100BaseT快10倍；

幀結構和介質訪問控制方式仍沿用IEEE802.3。允許網絡平滑升級到千兆主干，具有較好的兼容性。2/6/202380計算機控制技術以網絡交換機為主干的以太網拓撲仍為星形結構◆總線網絡或基于集線器的網絡：網絡總帶寬=10Mbps，n個站點共享，每站點平均帶寬10/nMbps；◆基于網絡交換機的網絡：允許多個信道同時傳輸信息，不受CSMA/CD的限制，網絡總帶寬=（n/2～n）*10Mbps，每個連接的帶寬為10Mbps；3.

交換式以太網2/6/202381計算機控制技術使用交換機后，可建立多個并發(fā)的通信。例如：8個端口可建立4個并發(fā)通信，總帶寬=(8/2)*10Mbps=40Mbps在訪問服務器的流量非常大的網絡中，可在交換機上設置1-2個高速端口(100Mbps/1Gbps)，把服務器與該高速端口相連，便可大大提高服務器訪問的速度。這種連接服務器的方法又稱為Big-Pipe。10Mbps網絡交換機2/6/202382計算機控制技術交換機的兩種用法(以10Mbps網絡交換機為例)：

(1)

端口下接站點：站點獨占10Mbps帶寬

(2)

端口下接網段：網段中所有站點共享10Mbps帶寬共享10M獨享10M共享10M獨享10M網絡交換機SwitchHUBHUB2/6/202383計算機控制技術4.萬兆以太網隨著網絡應用的快速發(fā)展，高分辨率圖象、視頻和其他大數據量的數據類型都需要在網上傳輸，促使對帶寬的要求日益增長，并對計算機、服務器、集線器、交換機造成越來越大的壓力。10G以太網由此誕生，10G以太網標準定名為IEEE802.3ae。有以下三類網絡：局域網中的10G以太網、城域網中的10G以太網、廣域網中的10G以太網。2/6/202384計算機控制技術6.2Unit2

數據通信技術

DataCommunicationTechnology2/6/202385計算機控制技術本節(jié)主要內容數據通訊的基礎知識數據通信中的檢錯與糾錯2/6/202386計算機控制技術2/6/202387計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(1)1.數據通信概述計算機與計算機之間、計算機與儀器設備之間的數據交換稱為數據通信。

需要一個通信網絡(如電話交換網、用戶電報網及專用通信網絡)來傳輸數據信號，并且與數據處理相關。2/6/202388計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(2)(1)通信系統模型任何一個通信系統都可以借助如圖所示的通信系統模型來抽象地進行描述。噪聲N(t)輸出數據d’或信號d’(t)

信息源發(fā)信機傳輸媒介噪聲源收信機受信者通信系統模型示意框圖輸入數據d或信號d(t)發(fā)送信號

s(t)接收信號

r(t)2/6/202389計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(3)(2)模擬通信、數字通信和數據通信通信傳輸的信息語音、圖像、文字、數據等信息的類別連續(xù)信息：信息的狀態(tài)隨時間而連續(xù)變化離散信息：信息的狀態(tài)是可列的或是離散的通信中的兩種基本傳輸信號模擬信號：信號波形可表示成時間的連續(xù)函數數字信號：信號幅度是不連續(xù)的離散值2/6/202390計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(4)模擬通信以模擬信號作為載體來傳輸信息數字通信以數字信號作為載體來傳輸信息稱為數字通信數據通信若信息源產生的是數據，則整個通信過程稱為數據通信。（a）模擬信號

t

u

01001（b）數字信號

t

u傳輸信號示意圖2/6/202391計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(5)(3)數據編碼或調制數據編碼在通信系統中，為實現正常通信，要對二進制碼和字符的對應關系作一個統一的規(guī)定，這種規(guī)定即稱為編碼。除傳輸信息內容以外，還要傳輸控制信息，以控制設備的協調及識別報文格式目前廣泛使用美國信息交換標準碼ASCII碼，每個字符用7位2進制數表示，可表示128個不同字符擴展ASCII碼2/6/202392計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(6)調制將數據信號轉換成能在模擬信道上傳輸的模擬信號振幅調制ASK(AmplitudeShiftKeying）用原始脈沖信號去控制載波的振幅變化頻率調制FSK(FrequencyShiftKeying)用原始脈沖信號去控制載波的頻率變化相位調制PSK(PhaseShiftKeying）用原始脈沖信號去控制載波的相位變化2/6/202393計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(7)三種調制信號示意圖11110000原始信號（a）調幅（b）調頻（c）調頻（d）調相（e）調相相位連續(xù)相位不連續(xù)絕對相位相對相位2/6/202394計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(8)2.數據傳輸方式(1)基帶傳輸與頻帶傳輸基帶是指電信號所固有的頻帶，直接將這些電脈沖信號進行傳輸，就稱為基帶傳輸，它不適合遠距離傳輸先進行調制使其頻率變窄，再傳輸，則稱為頻帶傳輸(2)串行傳輸與并行傳輸數據在一個信道上按位依次傳輸的方式稱為串行傳輸數據在多個信道上同時傳輸的方式稱為并行傳輸2/6/202395計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(9)(3)同步技術同步是指接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的起止時間來接收數據，也就是接收端和發(fā)送端要在時間上取得一致。常用的同步方式有兩種：起停同步技術，與其相對應的傳輸方式稱異步通信方式自同步方式，與其相對應的傳輸方式稱為同步通信方式。

2/6/202396計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(10)①異步通信方式異步通信方式ASYNC（AsynchronousDataCommunication）每次傳送一個字符的數據。用一個起始位表示傳輸字符的開始，用1至2個停止位表示字符的結束，一個字符構成一幀信息，如圖所示。發(fā)送端發(fā)送時，從低位到高位逐位順序發(fā)送。

2/6/202397計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(11)異步通信信息幀格式圖6.10異步通信信息幀格式2/6/202398計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(12)發(fā)送時鐘和接收時鐘圖6.11發(fā)送、接收時鐘和信息位2/6/202399計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(13)接收端同步接收信息的方法

圖6.12接收端同步采樣(n=16)2/6/2023100計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(14)異步通信存在的問題在異步通信中，每個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志，因而數據傳送效率低。為了保證收、發(fā)同步，克服Rc與Tc之間的微小偏差，信息位寬度Td=nTc，一般取n為16、32、64等，這樣降低了信息傳送速率。2/6/2023101計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(15)②同步通信方式同步通信SYNC（SynchronousDataCommunication）每次傳送n個字符的數據塊。用一個或兩個同步字符表示傳送數據塊的開始，接著就是n個字符的數據塊，字符之間不允許有空隙，當沒有字符可發(fā)送時，則連續(xù)發(fā)送同步字符，如圖所示。2/6/2023102計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(16)同步字符單同步選擇一個特殊的8位二進制碼（如01111110）作為同步字符，稱單同步字符雙同步選擇兩個連續(xù)的8位二進制碼作為同步字符，稱雙同步字符為了保證收、發(fā)同步，收、發(fā)雙方必須使用相同的同步字符。2/6/2023103計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(17)工作過程同步通信的編碼、解碼示意圖發(fā)送時鐘原始數據編碼數據解碼時鐘解碼數據2/6/2023104計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(18)與異步通信相比：同步通信的信息幀包括同步字符和數據塊，而同步字符只有8位或16位，數據塊可以任意字節(jié)長，所以數據傳送效率高于異步通信。發(fā)送時鐘周期Tc等于傳送數據位的寬度(相當于異步通信的n=1)，故信息傳送速率也高于異步通信。傳送的編碼數據中自帶時鐘信息，保證了收、發(fā)雙方的絕對同步造成了同步通信的硬件比異步通信復雜。2/6/2023105計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(19)（4）通信線路的通信方式

全雙工由兩根不同的傳輸線傳送，通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作

半雙工用同一根傳輸線既作接收又作發(fā)送，雖然數據可在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時發(fā)送和接收。單工數據只能從一方發(fā)送的另一方，數據流向固定

2/6/2023106計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(20)（5）傳輸速率在并行通信中，傳輸速率是以每秒多少字節(jié)(B/s)來表示的。在串行通信中，傳輸速率是用波特率來表示的。波特率是指單位時間內傳送二進制數據的位數，其單位是位/秒(b/s)。2/6/2023107計算機控制技術6.2.1數據通信的基礎知識

(21)多路復用技術把多路信號用一條信道進行傳輸，以提高效率頻分多路復用把信道的頻譜分割成若干個互不重疊的小頻段，每條小頻段都可以看作是一條子信道時分多路復用信道的傳輸時間分割成許多時間段，這種方法接收端與發(fā)送端的時序必須嚴格同步2/6/2023108計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(1)差錯檢測技術的原理發(fā)送方在發(fā)送數據的基礎上，生成某些校驗編碼，然后將該校驗編碼附加在數據后面一起發(fā)送接收方收到數據和校驗碼后，用校驗碼對收到的數據進行檢驗，以確立本次傳輸是否正確差錯檢測技術的核心是校驗編碼2/6/2023109計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(2)1．檢驗編碼方法奇/偶校驗編碼循環(huán)冗余校驗編碼恒比校驗編碼2/6/2023110計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(3)（1）.奇/偶校驗奇校驗報文加上校驗位后應保證“1”碼元個數為奇數偶校驗報文加上校驗位后應保證“1”碼元個數為偶數奇偶校驗方法只有在出錯碼元個數是奇數的情況下才有效，當出錯碼元個數成偶數時，此法無能為力2/6/2023111計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(4)(2)循環(huán)冗余校驗

CRC(CyclicRedundancyCheck)CRC校驗示意圖2/6/2023112計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(5)循環(huán)冗余校驗的檢驗能力與生成多項式有關。目前人們已經設計了許多生成多項式，下面三個多項式已成為國際標準：CRC-12：G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CITT：G(x)=x16+x12+x5+12/6/2023113計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(6)（3）恒比碼恒比碼通訊時不是原碼傳送，而是對待發(fā)送的數據進行編碼，使編碼后的每一個字節(jié)（或每一碼組）中，“1”和“0”的個數之比保持恒定檢測能力當碼組中任何位置上出現奇數個差錯時，因為破壞了1和0的恒比關系，所以能被檢測出來比一般的奇偶校驗有較強的檢錯能力2/6/2023114計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(7)2．糾錯方式重發(fā)糾錯方式發(fā)送端發(fā)送能夠檢錯的信息碼（如奇偶校驗碼），接收端根據該碼的編碼規(guī)則，判斷傳輸中有無錯誤，并把判斷結果反饋給發(fā)送端。如果傳輸錯，則再次發(fā)送，直到接收端認為正確為止。

2/6/2023115計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(8)自動糾錯方式發(fā)送端發(fā)送能夠糾錯的信息碼，而不僅僅是檢錯的信息碼。接收端收到該碼后，通過譯碼不僅能發(fā)現錯誤，而且能自動地糾正傳輸中的錯誤。但是，糾錯位數有限，如果為了糾正比較多的錯誤，則要求附加的冗余碼比基本信息碼多，因而傳輸效率低，譯碼設備也比較復雜。

2/6/2023116計算機控制技術6.2.2數據通信中的檢錯與糾錯

(9)混合糾錯方式發(fā)送端發(fā)送的信息碼不僅能發(fā)現錯誤，而且還具有一定的糾錯能力。接收端收到該碼后，如果錯誤位數在糾錯能力以內，則自動地進行糾錯；如果錯誤多，超出了糾錯能力，則接收端要求發(fā)送端重發(fā)，直到正確為止。

2/6/2023117計算機控制技術6.3Unit3

工業(yè)控制計算機網絡與通信

ComputerNetworkandDataCommunicationofIndustryControl2/6/2023118計算機控制技術本節(jié)主要內容現場總線技術工業(yè)以太網工業(yè)控制網絡現狀2/6/2023119計算機控制技術6.3工業(yè)控制網絡與通信在功能上，工業(yè)網絡的結構可分為：信息網位于工業(yè)網的上層，是企業(yè)數據共享和傳輸的載體主要采用以太網技術；控制網位于工業(yè)網的下層，與信息網緊密地集成在一起，具有獨立性和完整性主要采用現場總線。

2/6/2023120計算機控制技術6.3.1現場總線（1）現場總線是應用在生產現場，在微機測量控制設備間實現雙向多節(jié)點的數字通訊系統，又稱為開放式、數字化、多點通訊的低層控制網絡，被譽為自動化領域的計算機局域網。它把各個分散的測量控制設備轉換為網絡節(jié)點，以現場總線為紐帶，連接成為可以互相通信、溝通信息、共同完成自控任務的網絡化控制系統。2/6/2023121計算機控制技術6.3.1現場總線（2）現場總線的特