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1、第2章数据通信基础与网络互联2.1数据通信基础2.1.1基本概念n1总线的基本术语n（1）总线与总线段n从广义来说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。n一组设备通过总线连在一起称为“总线段”（BusSegment）。n（2）总线主设备n可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”（BusMaster）。n（3）总线从设备n不能在总线上主动发起通信，只能挂接在总线上，对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备（BusSlaver）。n（4）总线协议n管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”（BusProtocol）。这是一套事先规定的、必须共同遵守的
2、规约。n2总线操作的基本内容n（1）总线操作n总线上命令者与响应者之间的连结数据传送脱开。n这一操作序列称为一次总线“交易”（Transaction），或者叫做一次总线操作。n（2）通信请求n通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。n（3）寻址n寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。通常有以下三种寻址方式。n物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。n逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。n广播寻址：广播寻址用于选
3、择多个响应者。n（4）总线仲裁n总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”（Contention）。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”（Arbitration）。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。n（5）总线定时n总线操作用“定时”（Timing）信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。2.1.2通信系统的组成n通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。单向数字通信系统的结构如图2-1所示。图2-1数字通信系统的组成信息源编码调制传输介质解调译码接收者发送设备接收设备
4、噪声干扰2.1.3数据编码n计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。n这些数据通常以离散的二进制0，1序列的方式表示。n码元是所传输数据的基本单位。n在计算机网络通信中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在1或0两个状态中取一个，这每一位就是一个码元。n数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。n分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态的，称为模拟数据编码。n用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码。n1单极性码n信号电平是单极性的，如逻辑1用高电平，逻辑0用零电平的信号表达方式，如图2-2和图2-3所示图2-2单极性非
5、归零码图2-3单极性归零码tA1011010010tA1011010010n2双极性码n信号电平为正、负两种极性的。如逻辑1用正电平，逻辑0用负电平的信号表达方式，如图2-4和图2-5所示。At101101001tA1011010010图2-4双极性非归零码图2-5双极性归零码n3归零码（RZ）n在每一位二进制信息传输之后均返回到零电平的编码。例如其逻辑1只在该码元时间中的某段（如码元时间的一半）维持高电平后就回复到低电平，如图2-3和图2-5所示。n4非归零码（NRZ）n在整个码元时间内维持有效电平，如图2-2和图2-4所示。n5差分码n用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”，电平变化代表
6、“1”，不变化代表“0”，按此规定的码称为信号差分码。其波形如图2-6所示。01100101绝对码差分码图2-6差分码n6曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）n这是一种常用的基带信号编码。它具有内在的时钟信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步。n曼彻斯特编码过程与波形如图2-7所示。1001011数据时钟曼切斯特编码图2-7曼切斯特编码过程与波形n7模拟数据编码n模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0，1状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。n模拟数据编码的三种编码方法:(能画图说明吗？)n幅度键控ASK（Amplitude-S
7、hiftKeying）n频移键控FSK（Frequency-ShiftKeying）n相移键控PSK（Phase-ShiftKeying）2.1.6局域网及其拓扑结构n1计算机网络和网络拓扑n用通信线路将各计算机连接起来的计算机群，以实现资源共享和作业分布处理，这就是计算机网络。nInternet就是当今世界上最大的非集中式的计算机网络的集合，是全球范围成千上万个网连接起来的互联网，并已成为当代信息社会的重要基础设施信息高速公路。n网络拓扑结构、信号方式、访问控制方式、传输介质是影响网络性能的主要因素。网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式。n2星形拓扑n星形拓扑结构如图2-10所示。图210
8、星形拓扑结构n3环形拓扑n环形拓扑结构如图2-11所示。图211环形拓扑结构n4总线形拓扑n总线形拓扑结构如图2-12所示。图212总线形拓扑结构图-基于RS485总线网络n5树形拓扑n树形拓扑结构如图2-13所示。图213树形拓扑结构2.1.7网络传输介质n传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。n网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。n现场总线介质与以太网介质比较：图-FF现场总线传输介质2.1.8介质访问控制方式n通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地访问介质；n也可以是受控的，即各工作站可用一定的
9、算法调整各站访问介质顺序和时间。n在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMACD。n在控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环，或称之为标记总线、标记环。n1CSMACD（载波监听多路访问冲突检测）n载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。当监听总线状态后，可采用以下三种CSMA坚持退避算法：n第一种为不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。n第二种为1坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，继续
10、监听，直到介质空闲，立即发送。假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。n第三种为P坚持CSMA。假如介质是空闲的，则以P的概率发送，或以（1P）的概率延迟一个时间单位后重复处理，该时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。n2令牌（标记）访问控制方式nCSMA的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式，令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌（Token）的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。2.1.9CRC校验n1
11、CRC校验的工作原理如图2-14所示。发送方接收方发送数据生成多项式实际发送：发送接收数据生成多项式接收正确接收出错TXDRXD数据字段校验字段图214CRC校验基本工作原理n2CRC校验的工作过程n（1）在发送端，将发送数据多项式，其中为生成多项式的最高幂值，例如CRC-12的最高幂值为12，则发送；对于二进制乘法来说，的意义是将发送数据比特序列左移12位，用来存入余数；n（2）将除以生成多项式，得式中为余数多项式；n（3）将作为整体，从发送端通过通信信道传送到接收端；n4）接收端对接收数据多项式采用同样的运算，即求得计算余数多项式；n（5）接收端根据计算余数多项式是否等于接收余数多项式来判
12、断是否出现传输错误。实际的CRC校验码生成是采用二进制模二算法，即减法不借位，加法不进位，这是一种异或操作。n3CRC生成多项式nCRC生成多项式由协议规定，列入国际标准的生成多项式有CRC-12CRC-16CRC-CCITTCRC-32n生成多项式的结构及检错效果是经过严格的数学分析与实验后确定的。2.2现场控制网络n现场总线又称现场控制网络，它属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。n从现场控制网络节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面，现场控制网络都有别于由普通PC机或其他计算机构成的数据网络。n这些测控设备的智能节点可能分布在工
13、厂的生产装置、装配流水线、发电厂、变电站、智能交通、楼宇自控、环境监测、智能家居等地区或领域。2.2.1现场控制网络的节点n具有通信能力的以下现场设备都可以成为现场控制网络的节点一员：n限位开关、感应开关等各类开关；n条形码阅读器；n光电传感器；n温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器；n可编程逻辑控制器PLC；nPID等数字控制器；n各种数据采集装置；n作为监视操作设备的监控计算机、工作站及其外设；n各种调节阀；n马达控制设备；n变频器；n机器人；n作为现场控制网络连接设备的中继器、网桥、网关等。n把这些单个分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点，连接成如图2-15所示的网络系统，使
14、它们之间可以相互沟通信息，由它们共同完成自控任务，这就是现场控制网络。PC计算机现场总线适配器HMI人机接口远程IOPLC传感器阀门变送器变频器图215现场控制网络节点示意图2.2.2现场控制网络的任务n现场控制网络以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表为网络节点，并将其连接成开放式、数字化，实现多节点通信，完成测量控制任务的网络系统。n现场控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备中，起着现场级控制设备之间数据联系与沟通的作用。2.2.3现场控制网络的实时
15、性n现场控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于，它必须满足对现场控制的实时性要求。n实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。提问：什么是系统实时性答：所谓系统的实用性是指现场设备之间，在最坏情况下完成一次数据交换，系统所能保证的最小时间。简单的说就是现场设备的通信数据更新速度。简答题：简述影响系统实时性因素n现场总线数据传输速率高具有更好的实时性n数据传输量小系统具有更好的实时性n从站数目少系统具有更好的实时性n主站数据处理速度快使系统具有更好的实时性n单机控制I0方式，比现场总线方式要有更好的实时性n在一条总线上的设备比经过网桥或路由的设备具有更好的实时性n主站应用程序大小、计算复杂
16、程度也影响系统响应时间2.6通信参考模型2.6.1OSI参考模型n为了实现不同厂家生产的设备之间的互联操作与数据交换，国际标准化组织ISOTC97于1978年建立了“开放系统互联”分技术委员会，起草了开放系统互联参考模型OSI（opensysteminterconnection）的建议草案，并于1983年成为正式的国际标准ISO7498，1986年又对该标准进行了进一步的完善和补充，形成了为实现开放系统互联所建立的分层模型，简称OSI参考模型。nOSI参考模型把开放系统的通信功能划分为7个层次。从连接物理介质的层次开始，分别赋予1，2，7层的顺序编号，相应地称之为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI参考模型如图2-19所示。应用层应用层表示层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机A主机B应用协议表示协议会话协议传输协议通信子网边界网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层交换单元的名字APDUPPDUSPDUTPDU分组帧比特内部子网协议网
