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1、第5章 工控机的数据通信技术,5.1 数据通信基础与技术 5.2 数据通信网络 5.3 网络协议,5.1 数据通信基础与技术,5.1.1 数据通信系统的基本组成 数据通信可以定义为信息从“源”（或称为发送方），通过某种传输通道，传递到“目的”（或称为接收方）的过程。数据通信系统结构如图5-1所示。,5.1.2 数据传输形式 微型计算机控制系统中的数据传输主要分为两种：基带传输（Baseband Transmission）和频带传输（Passband Transmission）。,基带传输是指按照数字信号波形的原样传输，而不用将数字信号转换成模拟信号，要求信道具有较宽的通频带。待传输的二进制数据
2、通过线性编码变成相应的数字信号，传输通道上直接传递电脉冲信号，如图5-2所示。,基带传输不需要调制解调器，设备花费少，适用于短距离小范围的数据传输，分级分布式控制系统通常采用这种方式连接各级微机。,频带传输使用调制解调技术，发送方对待发送的二进制数据进行线性编码，将编码后的数字信号调制到一个更高频率的载波信号上，通信信道上传输的是调制后的模拟信号。接收方接收模拟信号后，通过解调从模拟信号中提取出数字信息送至目的设备，频带传输结构示意图如图5-3所示。,通常把具有调制解调功能的装置称为MODEM。,载波信号通常为正弦波信号，正弦波有3个特性：幅值、频率和相位。调制就是根据数字信号改变载波信号的某
3、个特性，因而有3种调制方法：幅值调制（ASK）、频率调制（FSK）和相位调制（PSK），图5-4显示了幅值调制的原理。,5.1.3 数据传输速率和误码率 数据传输速率（Data Transfer Rate, DTR）指单位时间内传输的数字化信息量。信息量的单位可以是比特，也可以是字节，时间单位可以是秒、分甚至小时等。 数据通信中，经常用每秒传输的二进制位个数（bit per second, bps）来衡量数据传输率。例如，internet的低速连接可能是33.6Kbps，局域网中以太网的数据传输率可以达到10Mbps，而网络交换器的数据传输率以Tbps为单位。,误码率（Bit Error Ra
4、te, BER）指一次传输过程中错误的二进制位与总位数的比率。计算公式为 ，其中N为传输的总位数， 为错误位数，通常以10的幂级来表示。例如误码率为310-6说明传输1,000,000个二进制位中有3个错误位。,5.1.4 异步传输和同步传输 数据传输分为并行传输和串行传输两大类。数据通信中主要采用串行传输，串行传输指在两个设备之间只有一个通信信道，一次传输一位信息，一位接一位地发送数据信息，形成数据位流。 同步技术指数据通信系统中接收方辨认数据流的开始，可靠地读出发来的信息的方法，主要分为两大类：异步传输（Asynchronous Transmission）和同步传输（Synchronous
5、 Transmission）。,1异步传输（Asynchronous Transmission） 异步传输将数据位流划分为字节，每次传送一个字节（即8个二进制位），独立传输每个字节。 为了使接收方能够从数据位流中分辨出一个字节传输的开始和结束，在字节信息前面添加一位“开始位”(start bit)，通常为逻辑0，而在字节信息后面添加一位或多位“结束位”(stop bit)，通常为逻辑1，如图5-5所示。,因此异步传输中，要传输一个字节的信息，至少需要发送10个二进制位。,异步传输中，收发双方同样需要进行时钟同步。接收方收到开始位后，设置自己的内部时钟进行时钟同步，准备接收数据。 能够完成异步通
6、信的硬件称为“通用异步收发器”（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART）。,2同步传输（Synchronous Transmission） 同步传输一次可以传输多个字节的数据。每个数据帧由开始域、数据域和结束域组成，开始域和结束域通知接收方一次数据传输的开始和结束，数据域为传输的有效信息，最多可以是64KB，数据帧格式如图5-6所示。开始域是12个同步字符，用户可以自己选择同步字符。,同步传输中，收发双方使用同一个时钟信号，规定时钟信号的某个特定状态（如下降沿时），数据信号线上的信号有效。 时钟信号可以通过单独的信号线传递，称为“外部
7、时钟同步”； 或者通过特定的编码方法，从数据信号中提取出时钟信号，称为“自同步”。 同步传输的主要优点是速度快，缺点是硬件实现比较复杂，在以太网、令牌环网等中采用了同步传输。能够完成同步通信的硬件称为“通用同步收发器”（Universal Synchronous Receiver/Transmitter, USRT）。,5.1.5 差错控制 差错控制包括检验错误和纠正错误，常用的3种纠错方式为重发纠错、自动纠错以及混合纠错。 1重发纠错方式 发送方发送数据和校验码，接收方将收到的数据按照编码规则计算校验码，如果计算得到的校验码与收到的校验码一致，说明传输正确，否则传输中发生错误。接收方把判断结
8、果反馈给发送方，如果发生传输错误，发送方重新发送，直到接收方正确接收为止。,2自动纠错方式 发送方发送能够纠错的信息码，接收方收到信息码，译码后不仅能够发现错误，还能够纠正错误，但纠错位数有限。信息码的纠错能力越高，信息码的位数越多，位数过多的信息码会降低传输效率，译码设备也会变得复杂。,3混合纠错方式 混合纠错方式是上述两种方式的综合。发送方发送具有一定纠错能力的信息码。接收方收到信息码后，如果发生错误的位数在纠错能力范围内，就自动纠错；如果错误过多，超出纠错能力，接收方要求发送方重发，直到接收正确为止。 检查错误的方法有很多，这里介绍比较常见的三种：奇偶校验、纵向奇偶校验和循环冗余校验。,
9、（1）奇偶校验 传输单个字节的数据时，常常采用奇偶校验（parity check）。奇偶校验需要一个校验位，偶校验要求在一个信息单元中，包括校验位在内，1的个数始终为偶数；奇校验要求1的个数为奇数。奇偶校验规则如表5-1所示。,（2）纵向奇偶校验 检查整块数据的奇偶校验方法称为“纵向奇偶校验”（longitudinal parity check）。纵向奇偶校验是在数据块的末尾添加一个校验字节，将数据块字节做“异或”运算，得到校验字节。校验字节的dn位为1，说明块数据中第dn位为1的个数为奇数，如下表所示。,（3）循环冗余校验 循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check,CRC
10、）在数据信息的末尾添加一定数量的校验位，称为“校验和”(checksum)。CRC校验算法是一种基于多项式的算术运算。 多项式为单变量，系数为0或1，两个多项式做加法或减法运算后，系数对2取模，等同于两个多项式之间做“异或”运算，例如： 与 相加，结果等于 。两个多项式之间的除法如图5-7所示。,图5-7 CRC的多项式除法,循环冗余校验将所传输数据位流作为多项式的系数，例如11001001表示多项式 。 发送方和接收方共同确定一个固定的多项式，称为“生成多项式”，计算r位校验和的生成多项式必须是r阶的。 发送方在m位的有效数据后添加r个0，用这m+r位数据表示的多项式除以r阶的生成多项式，余
11、数为r-1阶的多项式，余数多项式的r个系数就是校验和。 循环冗余校验方法的效果如何与所选择的生成多项式密切相关，实际应用中有一些常用的生成多项式，如国际电报电话咨询委员会CCITT选择 多项式作为16位校验和的生成多项式。,发送方发送的数据包括m位的有效数据以及r位的校验和。 接收方有2种检查传输正确性的方法。一种是根据所收到数据的前m位计算校验和，检查校验和与收到数据的后r位是否相同，这种方法使用较少。另一种方法使用较多，接收方用收到的m+r位多项式除以生成多项式，检查r位的余数是否为0，为0说明传输正确。,5.2 数据通信网络,计算机网络是把分布在不同物理位置的计算机以及专门的外设，用通信
12、线路互连成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传送信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。两台计算机互连就形成了最小的计算机网络，而通过Internet网络，可以访问世界各个地区的计算机。计算机网络由相互连接的硬件设备以及安装在设备中实现通信功能的软件两部分组成，网络设备的连接方式称为“网络拓扑结构”，是构建计算机网络的基础。,5.2.1 网络拓扑结构 在计算机通信网络中两个或多个设备间相互连接的方式即为网络拓扑结构，网络拓扑结构是网络中各设备之间连接关系的几何表达。它主要有4种基本类型：网状形、星形、总线形和环形，如图5-8所示。,1网状拓扑结构 网状拓扑结构的网络中
13、任意两个设备间采用点对点的连接方式，它们间的通信通道不与其他设备共享。 优点:任意两个设备间有自己专用的通信通道，不会产生网络冲突，当某个设备发生故障时，不会影响网络中其他设备的通信。 缺点:硬件实现比较困难，需要的电缆多，n个节点的网络至少需要 n(n-1)/2 条连接电缆，安装成本高，向网络中添加或删除节点都非常困难。,2星形拓扑结构 星形拓扑结构的网络中有一个中心节点（如网络集线器Hub），控制着整个网络的通信。通信时，发送方将数据发送给中心节点，由中心节点转发给接收方。 优点:硬件安装比较简单，成本较低，在网络中添加或删除节点简便。 缺点:如果中心节点发生故障，整个网络通信将完全瘫痪。
14、,3总线形拓扑结构 总线形拓扑结构是用一条公共通信总线将各设备连接在一起，所有设备均通过相应的硬件接口直接挂在总线上，即由一条主干电缆连接网络中所有节点。 优点:安装简单，所需电缆数比星形网络少，可以较方便地在网络中添加或删除节点。 缺点:如果主干电缆发生故障，那么整个网络将瘫痪，并且很难确定出现故障的位置。,4环形拓扑结构 环形拓扑结构中所有设备通过通信线路连接成环形网络，网络中任意一个节点只与它左右紧邻的两个节点相连。通信时，信息沿着一个方向从一个节点传递到下一个节点，直到到达目的节点。 优点:硬件安装相对简单，发生故障时比较容易确定故障位置。 缺点:环中任意一个节点发生故障都会导致整个网
15、络瘫痪，虽然比较容易实现在网络添加和删除节点，但添加或删除节点时整个网络不能工作。,5.2.2 网络体系结构 通过物理介质，如双绞线、同轴电缆或光纤，将各设备连接在一起后，网络中的设备必须遵循一定的规则才能实现相互通信，即所谓的“网络协议” (Protocols)。而大多数网络协议都基于开放系统互连模型（Open Systems Interconnection, OSI）。,1OSI参考模型 OSI参考模型是国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)制定的，用于理解和设计网络架构的模型。OSI模型采用层次结构，将整个
16、网络功能分为7层，从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层。每一层调用它下一层提供的服务，实现本层的功能，并为上一层提供服务，每一层如何实现均与其它层无关，这种层次模型设计实现了网络功能的模块化。,7个层次中，高4层被称为“主机层”，功能主要由软件实现，负责两台主机之间数据分发的准确无误。传输层提供端到端的可靠数据传输。会话层负责主机之间的通讯，建立、管理和终结应用程序之间的会话。表达层提供编解码、加解密、压缩解压缩等转换服务，负责把数据转换成应用程序所需要的格式和结构。应用层为用户提供各种具体的服务，例如网络文件传送、电子邮件等。,低3层被称为“媒体层”，功能由硬件和软件结合实现，负责数据包从源节点顺利传输到目的节点。数据传输中，源节点发出的数据包可能需要经过多次转发，才能最终到达目的节点，中间节点只涉及物理层、数据链路层和网络层，传输过程如图5-9所示。网络传输过程中起作用的是媒体层。,2物理层功能 物理层是通信网上各设备之间的物理接口，它主
