工業(yè)控制網(wǎng)絡2-1

工業(yè)控制網(wǎng)絡

（現(xiàn)場總線）

第2章數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡基礎2.1數(shù)據(jù)編碼2.2信號的傳輸方式2.3通信方式2.4網(wǎng)絡拓撲結構2.5網(wǎng)絡的傳輸介質2.6介質訪問控制方式

2.7計算機網(wǎng)絡硬件2.8網(wǎng)絡軟件

2.9參考模型2.1數(shù)據(jù)編碼

碼元——所傳輸數(shù)據(jù)的基本單位。數(shù)據(jù)編碼——通信系統(tǒng)中以何種物理信號的形式來表達數(shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)編碼：用模擬信號的不同幅度、頻率、相位來表達數(shù)據(jù)的0、1狀態(tài)。數(shù)字數(shù)據(jù)編碼：用高低電平的矩形脈沖信號來表達數(shù)據(jù)的0、1狀態(tài)。

2.1.1數(shù)字數(shù)據(jù)編碼單極性碼信號電平是單極性的。

雙極性編碼信號電平為正、負兩種極性的。

2.1.1數(shù)字數(shù)據(jù)編碼歸零碼（RZ）歸零碼在每一位二進制信息傳輸之后均返回零電平的編碼。非歸零碼（NRZ）非歸零碼在整個碼元時間內維持有效電平。2.1.1數(shù)字數(shù)據(jù)編碼差分碼差分碼用電平的變化與否來代表邏輯“1”和“0”。變化為“1”，不變化為“0”。曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding）碼元本身分為兩半，前半個時間段所傳信號是該時間段傳送比特值的反碼，后半個時間段傳送的是比特值本身。2.1.1數(shù)字數(shù)據(jù)編碼2.1.1數(shù)字數(shù)據(jù)編碼2.1.1數(shù)字數(shù)據(jù)編碼2.1.2模擬數(shù)據(jù)編碼

模擬數(shù)據(jù)編碼的三種編碼方法：幅度鍵控ASK（amplitude-shiftkeying）頻移鍵控FSK（frequency-shiftkeying）相移鍵控PSK（phase-shiftkeying）2.1.2模擬數(shù)據(jù)編碼2.2信號的傳輸方式2.2.1基帶傳輸2.2.2載波傳輸2.2.3寬帶網(wǎng)2.2.4異步傳輸模式ATM2.2.1基帶傳輸

基帶傳輸就是在數(shù)字通信的信道上直接傳送數(shù)據(jù)的基帶信號，即按數(shù)據(jù)波的原樣進行傳輸，不包含有任何調制，它是最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。

2.2.1基帶傳輸

基帶傳輸特點：不用調制解調器系統(tǒng)價格低廉較高的數(shù)據(jù)傳輸速率（一般為1Mb/s～10Mb/s）傳輸距離一般不超過25km半雙工方式或單工方式2.2.2載波傳輸載波傳輸采用數(shù)字信號對載波進行調制后實行傳輸。最基本的調制方式有上述的幅度鍵控ASK、頻移鍵控FSK、相移鍵控PSK三種。2.2.3寬帶網(wǎng)

寬帶網(wǎng)與基帶網(wǎng)的主要區(qū)別：數(shù)據(jù)傳輸速率不同，基帶網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率范圍為0～10Mb/s，寬帶網(wǎng)可達0～400Mb/s；寬帶網(wǎng)可劃分為多條基帶信道，提供良好的通信路徑。2.2.4異步傳輸模式ATM

ATM（asynchronoustransfermode）是實現(xiàn)高速網(wǎng)絡的主要技術。速率可達155Mb/s到2.4Gb/s，也有25Mb/s和50Mb/s的ATM技術，可適用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。2.3通信方式

2.3.1單工通信（simplexcommunication）2.3.2半雙工通信（half-duplexcommunication）2.3.3全雙工通信（full-duplexcommunication）2.3通信方式

單工通信（simplexcommunication）單工，就是指傳送的信息始終是一個方向，而不進行與此相反方向的傳送。單工通信線路一般采用二線制。2.3通信方式

半雙工通信（half-duplexcommunication）半雙工通信是指信息流可在兩個方向上傳輸，但同一時刻只限于一個方向傳輸。2.3通信方式全雙工通信（fullDuplexcommunication）能同時作雙向通信。通信效率高，控制簡單，但結構較復雜，成本較高。2.3通信方式2.4網(wǎng)絡拓撲結構

星形環(huán)形總線形樹形不規(guī)則形完整形網(wǎng)絡拓撲結構是指網(wǎng)絡中節(jié)點的物理連接形式。2.4網(wǎng)絡拓撲結構2.4.1星形拓撲

在星形拓撲中，每個站通過點-點連接到中央節(jié)點，任何兩站之間通信都通過中央節(jié)點進行。中央節(jié)點的結構顯得比較復雜，對其要求較高。2.4.2環(huán)形拓撲

通過中繼器進行點-點連接，構成一個封閉的環(huán)路。中繼器接收前驅站發(fā)來的數(shù)據(jù)，發(fā)往后繼站。鏈路是單向的，工作站需有較復雜的網(wǎng)路處理功能。2.4.3總線拓撲

在總線拓撲中，傳輸介質是一條總線，工作站通過相應硬件接口接至總線上。一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，所有其它站都能接收。2.4.4樹形拓撲

樹形是總線形的擴展，傳輸介質是不封閉的分支電纜。和總線拓撲一樣，一個站發(fā)送數(shù)據(jù)，其它站都能接收。樹形結構非常適合于分主次、分等級的層次型管理系統(tǒng)。2.4網(wǎng)絡拓撲結構2.5網(wǎng)絡的傳輸介質

傳輸介質是網(wǎng)絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。2.5網(wǎng)絡的傳輸介質電話線同軸電纜雙絞線光導纖維電纜無線衛(wèi)星通信2.5網(wǎng)絡的傳輸介質

傳輸介質的特性對網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)通信質量影響很大，這些特性主要包括：物理特性：傳輸介質物理結構的描述；傳輸特性：傳輸介質允許傳送數(shù)字或模擬信號以及調制技術、傳輸容量、傳輸?shù)念l率范圍；2.5網(wǎng)絡的傳輸介質

連通特性：允許點-點或多點連接；地理范圍：傳輸介質最大傳輸距離；抗干擾性：傳輸介質防止噪聲與電磁干擾對傳輸數(shù)據(jù)影響的能力；相對價格：器件、安裝與維護費用。2.5.1雙絞線的主要特性無論對于模擬數(shù)據(jù)還是對于數(shù)字數(shù)據(jù)，雙絞線都是最通用的傳輸介質。電話線路就是一種雙絞線。2.5.1雙絞線的主要特性

物理特性：雙絞線由按規(guī)則螺旋結構排列的兩根或四根絕緣線組成。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。2.5.1雙絞線的主要特性

傳輸特性：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（multiplexing）技術可以進行多個音頻通道的多路復用。2.5.1雙絞線的主要特性

連通性：雙絞線可以用于點-點連接，也可用于多點連接。地理范圍：雙絞線用作遠程中繼線時，最大距離可達15km；用于10Mb/s局域網(wǎng)時，與集線器的距離最大為100m（單網(wǎng)段）。2.5.1雙絞線的主要特性

抗干擾性：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?shù)钠帘?。在低頻傳輸時，其抗干擾能力相當于同軸電纜。在10～100kHz時，其抗干擾能力低于同軸電纜。價格：價格低，并且安裝、維護方便。2.5.2同軸電纜的主要特性同軸電纜是網(wǎng)絡中應用十分廣泛的傳輸介質之一。有線電視線。2.5.2同軸電纜的主要特性

物理特性：同軸電纜由內導體（電纜銅芯）、絕緣層、外導體（銅網(wǎng)）及外部保護層（外絕緣層）組成。同軸介質的特性參數(shù)由內、外導體及絕緣層的電參數(shù)和機械尺寸決定。2.5.2同軸電纜的主要特性

傳輸特性：基帶同軸電纜一般僅用于數(shù)字數(shù)據(jù)信號傳輸。寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復用方法，支持多路傳輸。只用于一條通信信道的高速數(shù)字通信，此時稱之為單通道寬帶。2.5.2同軸電纜的主要特性

傳輸特性：特征阻抗，50Ω，Ethernet使用，基帶傳輸，10Mb/s；75Ω，CATV使用，模擬信號傳輸，400MHz，使用頻分多路復用FDM(frequency-divisionmultiplexing)技術，也可以傳輸數(shù)字信號。2.5.2同軸電纜的主要特性

連通性：支持點-點連接，也支持多點連接。寬帶同軸電纜可支持數(shù)千臺設備的連接；基帶同軸電纜可支持數(shù)百臺設備的連接?？垢蓴_性：它的結構使得它的抗干擾能力較強。2.5.2同軸電纜的主要特性

地理范圍：基帶同軸電纜最大距離限制在幾公里范圍內，而寬帶同軸電纜最大距離可達幾十公里。價格：同軸電纜造價介于雙絞線與光纜之間，維護方便。2.5.3光纜的主要特性

光纜是網(wǎng)絡傳輸介質中性能最好、應用前途廣泛的一種。2.5.3光纜的主要特性

物理特性：光纖是一種直徑為50～100μm的柔軟、能傳導光波的介質，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。2.5.3光纜的主要特性

傳輸特性：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。光纖傳輸速率可達幾千Mb/s。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，而多模光纖的光信號與光纖軸成多個可分辨角度的多光線傳輸。單模光纖性能優(yōu)于多模光纖。2.5.3光纜的主要特性

連通性：普遍采用點-點方式，在某些實驗系統(tǒng)中也采用多點連接方式。地理范圍：光纖信號衰減極小，它可以在6～8km距離內不使用中繼器，實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。2.5.3光纜的主要特性

抗干擾性：光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響，能在長距離、高速率傳輸中保持低誤碼率。雙絞線典型的誤碼率在10-5～10-6之間，基帶同軸電纜為10-7，寬帶同軸電纜為10-9，而光纖誤碼率可以低于10-10。光纖傳輸?shù)陌踩耘c保密性極好。2.5.3光纜的主要特性

價格：目前光纖價格高于同軸電纜與雙絞線。由于光纖具有低損耗、寬頻帶、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低誤碼率、安全保密性好等特點，因此，它是一種最有前途的傳輸介質。

2.5.4無線通信信道的主要特性

微波通信紅外通信激光通信衛(wèi)星通信（特殊的微波通信系統(tǒng)）2.5.4無線通信信道的主要特性

微波通信——工作頻率為109～1010Hz，局域網(wǎng)絡可直接利用微波收發(fā)機進行通信，或作中繼接力，擴大傳輸距離。2.5.4無線通信信道的主要特性

紅外線——工作頻率為1011～1014Hz，通過發(fā)送或接收信號調制的非相干紅外線，即可形成一條通信鏈路。只要收發(fā)機處在視線內，就可以準確地進行通信，方向性很強，幾乎不受干擾。2.5.4無線通信信道的主要特性

激光——工作頻率為1014～1015Hz，用調制解調的相干激光，實現(xiàn)激光通信。2.5網(wǎng)絡的傳輸介質

構建一個網(wǎng)絡（系統(tǒng)），選擇傳輸介質時應考慮：網(wǎng)絡拓撲網(wǎng)絡連接方式網(wǎng)絡通信量系統(tǒng)的可靠性要求要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍節(jié)點間的距離2.6介質訪問控制方式在總線和環(huán)形拓撲中，網(wǎng)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(xié)調各設備訪問介質的順序，在設備之間交換數(shù)據(jù)。2.6介質訪問控制方式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。2.6介質訪問控制方式在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為CSMA/CD（CarrierSenseMultiple

AccesswithCollisionDetection載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）。在控制訪問方式中常用令牌總線、令牌環(huán)或稱之為標記總線、標記環(huán)。2.6.1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）

對任何工作站都沒有預約發(fā)送時間。工作站的發(fā)送是隨機的，必須在網(wǎng)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”。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它站的發(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。2.6.1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）

三種CSMA堅持退避算法：不堅持CSMA（也叫0堅持CSMA）1-堅持CSMAP-堅持CSMA2.6.1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）

不堅持CSMA——介質空閑就發(fā)送，介質忙就等待一段隨機時間再發(fā)送。利用隨機的重傳時間來減少沖突的概率，缺點是：即使有幾個站有數(shù)據(jù)要發(fā)送，介質仍然可能處于空閑狀態(tài)，介質的利用率較低。2.6.1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）

1-堅持CSMA。介質空閑就發(fā)送，介質忙則繼續(xù)監(jiān)聽，等到總線空閑，立即發(fā)送。如果發(fā)生沖突，則等待一段隨機時間，重復第一步。缺點是：假如有兩個或兩個以上的站點有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。2.6.1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）

P-堅持CSMA。假如介質是空閑的，則以P的概率發(fā)送，或以（1—P）的概率延遲一個時間單位后重復處理。該時間單位等于最大的傳輸延遲。假如介質是忙，繼續(xù)監(jiān)聽直到介質空閑，重復第一步。2.6.1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）

P-堅持CSMA。如果選擇P過大，使NP>1，則沖突不可避免。最壞的情況是，隨著沖突概率的不斷增大，吞吐率會降為0。所以必須選擇P值使NP<1，如果P值選得過于小，則通道利用率又會大大降低。2.6.1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）

沖突檢測：如果有多個站同時監(jiān)聽到總線空閑并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，就會產生沖突。因此，每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后，還要繼續(xù)監(jiān)聽線路，判定是否有其它站也正在向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)，便中止發(fā)送。2.6.2令牌（標記）訪問控制方式

CSMA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(wǎng)絡，構成令牌環(huán)形網(wǎng)；也可用于總線網(wǎng)，構成令牌總線網(wǎng)絡。2.6.2令牌（標記）訪問控制方式

令牌環(huán)（token-ring）方式——令牌在網(wǎng)絡環(huán)路上不斷地傳送，擁有此令牌的站點，有權向環(huán)路上發(fā)送報文，其它站點僅允許接受報文。不會發(fā)生訪問沖突。對輕、重負載不敏感。單環(huán)故障，整個癱瘓，可靠性低。信息傳輸具有確定性，能比較準確估計信息傳輸?shù)难舆t時間。2.6.2令牌（標記）訪問控制方式2.6.2令牌（標記）訪問控制方式

令牌傳遞總線（token-passingbus）方式——采用總線拓撲，網(wǎng)上各工作站按一定順序形成一個邏輯環(huán)。每個工作站在環(huán)中均有一個指定邏輯位置，末站的后站就是首站?？偩€上各站的物理位置與邏輯位置無關。像令牌環(huán)方式那樣，令牌傳遞總線方式也具備稱為令牌的控制幀，調整訪問的權利。收到令牌的站點在一段規(guī)定時間內被授予對介質的控制權，因而該站可以發(fā)送一幀或多幀信息。當該站傳輸已經完成或時間已到時，它就將令牌傳遞到邏輯環(huán)中的下一工作站，因此，傳輸過程就是由交替進行的數(shù)據(jù)傳輸階段和令牌傳送階段組成。網(wǎng)上站也可以退出環(huán)成為非活動站點，這些站點僅能響應詢問或請求應答。2.6.2令牌（標記）訪問控制方式2.6.2令牌（標記）訪問控制方式

令牌傳遞總線介質訪問控制應具備以下幾項功能：令牌傳遞算法邏輯環(huán)的初始化站插入算法退出環(huán)路恢復2.7計算機網(wǎng)絡硬件

按傳輸傳輸技術分類：廣播式網(wǎng)絡點到點網(wǎng)絡2.7計算機網(wǎng)絡硬件

廣播式網(wǎng)絡（broadcastnetwork）僅有一條信道，由網(wǎng)絡上所有機器共享。按某種語法組織的分組或包（packet），可被任何機器發(fā)送并被其它所有機器接收。地址字段指明此分組應被哪臺機器接收。一旦收到分組，各機器將檢查地址字段。如是發(fā)送給它的，則處理該分組，否則丟棄。2.7計算機網(wǎng)絡硬件

廣播系統(tǒng)通常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(wǎng)絡上的每一臺機器都會接收和處理它。這種操作被稱作廣播（broadcasting）。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（multicasting）。2.7計算機網(wǎng)絡硬件

點到點網(wǎng)絡（point-to-pointnetwork）與之相反，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(wǎng)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，并且可能長度不一樣，因此在點到點網(wǎng)絡中路由算法十分重要。2.7計算機網(wǎng)絡硬件0.1m同一電路板數(shù)據(jù)流機器1m同一系統(tǒng)多計算機10m同一房間局域網(wǎng)100m同一建筑物1km同一園區(qū)10km同一城市城域網(wǎng)100km同一國家廣域網(wǎng)1000km同一洲內10000km同一行星上互聯(lián)網(wǎng)2.7.1局域網(wǎng)

局域網(wǎng)（1ocalareanetwork），簡稱LAN，是處于同一建筑、同一大學或方圓幾千米遠地域內的專用網(wǎng)絡。局域網(wǎng)常被用于連接公司辦公室或工廠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。LAN有和其它網(wǎng)絡不同的三個特征：范圍，傳輸技術，拓撲結構。2.7.1局域網(wǎng)

LAN的覆蓋范圍比較小，這意味著即使是在最壞情況下其傳輸時間也是有限的，并且可以預先知道傳輸時間。知道了傳輸?shù)淖畲髸r間，就可以使用某些設計方法，而在其它情況下是不能這樣做的。這同樣也簡化了網(wǎng)絡的管理。以太網(wǎng)（Ethernet）是一種基于總線的廣播式網(wǎng)絡2.7.2城域網(wǎng)城域網(wǎng)（metropolitanareanetwork），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公司辦公室