工业控制网络(2013)2

工业控制网络（2）哈工大网络与电气智能化研究所刘勇2013（春）第二章数据通信与计算机网络基础一、数据通信的理论基础1.傅里叶级数：任意一个周期为T的函数g(t)可表示为无限个正弦和余弦函数之和：2.截止频率fc：通常把信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707时所对应的那个频率称为信道的截止频率。3.带宽W：有时人们有意在信道中加入滤波器，这样上下截止频率之差被称作信道的带宽。4.尼奎斯特（H.Nyquist）定理：定义了无噪声下最大数据传输速率。4.香农（C.Shanon）定理：定义了有噪声下最大数据传输速率。该公式由信息论推导而来，不论使用多少级信号电平，也不管采用多大采样频率，均不可能超过香农定理所设定的上限。二、数据编码模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示和传输。除模拟数据模拟传输以外，其它都需要进行数据编码。（1）数字数据的数字信号编码数据编码：（2）数字数据的模拟信号编码（3）模拟数据的数字信号编码1.数字数据的数字信号编码（1）单极性码（2）双极性码（3）归零码（RZ）：每一位二进制信息传输之后均返回零电平。（4）非归零码（NRZ）：在整个码元时间内维持有效电平。（5）差分码：电平变化代表“1”，不变化代表“0”。又分为2种情形：a.起始为高电平b.起始为低电平。（6）曼彻斯特编码前半个时段所传信号是该时间段传递比特值的反码，而后半个时段传递的是比特值本身。（这种定义的典型应用是使用802.3协议的基带同轴电缆和CSMA/CD机制的双绞线中）

ControlNet等现场总线中使用的曼彻斯特编码的定义与上述定义正好相反。其中：{L，H}=0，{H，L}=1。

曼码的优点：自带同步曼码的缺点：同步与数据同时发生。改进：差分曼彻斯特编码：数据在开始表示，有变化为1，无变化为0，同步在码元中间表示。（这种定义使用在802.5令牌环双绞线网络中）2.数字数据的模拟数据编码（1）幅移键控编码ASK（AmplitudeShiftKeying）（2）频移键控编码FSK（FrequencyShiftKeying）（3）相移键控编码PSK（PhaseShiftKey-ing）三、通信方式1.串行传输与并行传输串行传输的数据是一位一位在设备间进行传输的；并行传输：多个位在设备间是同时传输的；串行速度慢、但费用低，一般用于远距离传输；并行速度快，但费用高，适用于近距离。2.单工、半双工、全双工通信单工通信：信息流只能沿一个方向传输，不能反向；半双工通信：可以双向传输，但同一时间内只能单向传输；全双工通信：允许在同一时刻两个方向同时进行数据传输。单工通信一般用于无线广播、有线广播及电视广播，数据通信中很少使用；全双工和半双工比：全双工效率高，但结构复杂，成本也比较高。3.同步传输与异步传输同步传输：以同步的时钟节拍来发送数据信号，在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的。接收端为正确地区分收到的数据流中每个码元，必须首先建立准确的时钟信号，实现比特同步。异步传输：也称为开始/停止传输。要一起传输的位流由一个开始位开始，并由一个停止位做结束。当接收端取得开始信号时，它会设定好时间机制，以便正确接收数据。4.基带传输、载波传输和宽带传输基带传输：是指将数字设备发生的数字信号按数据波的原样进行传输，不包含任何调制载波传输：采用数字信号对载波进行调制后实行传输，如ASK、FSK、PSK。宽带传输：将基带信号、音频信号和视频信号经调制后放到同一条电缆的不同频段进行传输。四、网络的拓扑结构常见的网络拓扑结构有星形、环形、总线形和树形。1.星形拓扑由中央站点及通过点到点链路连到中央节点的各个站点组成。星形拓扑的交换方式主要有报文交换和线路交换。优点：方便服务；每个连接只接一个设备，单点失败不会影响全网；可以进行集中控制及故障诊断；访问协议简单。缺点：需要的电缆较多、安装复杂；受中央节点限制，扩展较困难；过分依赖于中央节点。2.环形拓扑由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭合环路的网络拓扑结构。每个工作站通过中继器再连至网络。数据沿一个方向在网上环行。优点：电缆长度短。缺点：单点故障影响全网；故障诊断比较困难；不易重新配置网络；通信调度复杂。3.总线拓扑传输介质是一根总线，工作站通过相应的硬件接口接至总线上。一个站发送数据，所有其它站都能接收。优点：电缆长度短、布线容易；可靠性高；易于扩充。缺点：故障诊断困难；在总线的干线基础上扩充需要中继器，系统应重新配置，包括电缆长度的裁剪、终端器的调整等；因为接在总线上的站点要有介质访问控制能力，所以终端必须是智能的。4.树形拓扑由总线拓扑演变而来，形状像一颗倒置的树，顶端有一个带分支的根，每一个分支还可包括更多的分支，这样的网络拓扑叫树形拓扑。优点：易于扩展；故障隔离容易。缺点：对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。五、网络的传输介质传输介质也常称作传输媒体(media)。网络中常见的传输介质有：架空明线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线（红外、微波、卫星通信）等。1.传输介质的性能指标（1）衰减（单位：db）是指信号幅度沿链路传输的减弱程度。是由于电缆的电阻所造成的电能损耗以及电缆绝缘材料所造成的电能泄漏引起的。衰减值越低越好。链路越长、频率越高，衰减就越大。其值还受电缆的结构影响。在1M-100MHz频率范围内，衰减主要是由集肤效应所决定的。（2）近端串扰串扰：是从邻近的一对线传输过来的不期望的信号。主要是由邻近绕对通过电容或电感耦合过来的。近端串扰（NEXT）：是从其它对向回反射。远端串扰（FEXT）：是从其它对向远端反射。频率增高，串扰增加。10M-100M网络主要考虑近端串扰。近端串扰是UTP最重要的指标。（3）传输延迟传输延迟是电信号从电缆一端到另一端所必需的时间。另外3个影响传输特性的指标是：（4）接线图（5）电缆长度（6）传输偏差2.双绞线双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。两根绝缘的导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号的干扰程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。可分为2种：非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（STP）（1）传输特性既能传输模拟信号，也能传输数字信号，适用于较短距离的信息传输（因为其中的信号衰减比较大，会产生波形畸变）。只要精心设计、选择和安装，可在有限距离内（100米）达到100M，甚至155Mbps的通信速率。（2）连通性可以是点对点的，也可以是多点的。（3）地理范围使用中继器时15公里。在10M局域网与HUB相连时，距离最大100米。（4）抗干扰性取决于相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。误码率：10-5-10-6。（5）价格价格低、易于安装。3.同轴电缆内部是导体，外有屏蔽层、绝缘层和保护层。（1）传输特性具有50Ω特征阻抗的基带同轴电缆传输速度可达10Mbps；具有75Ω特征阻抗的宽带同轴电缆传输速度可达400Mbps。（2）连通性基带同轴电缆可以挂上百台设备；宽带同轴电缆可以挂上千台设备；（3）地理范围基带同轴电缆的传输距离可达几公里；宽带同轴电缆的传输距离可达上百公里；（4）抗干扰性抗干扰能力较强。误码率：基带10-7，宽带10-9。（5）价格中等。4.光纤直径50-100μm，能传导光波，由玻璃、塑料或石英玻璃纤维制成。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的薄层包裹。（1）传输特性利用全反射原理进行传输。采用亮度调制，即ASK。用的是频率为1014-1015的可见光以及部分红外波段，速度达几千兆。可分为：单模光纤：光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度；多模光纤：光信号与光纤轴成多个可分辨角度。单模光纤性能优于多模光纤。（2）连通性一般是点到点连接，这是最普遍的接法，个别情况下也有多点连接的形式。（3）地理范围不使用中继器：6-8公里。（4）抗干扰性误码率最小：10-10。（5）价格价格高。5.无线通信微波通信：使用频率为109-1010Hz。由于微波能穿透电离层而不反射到地面，所以只能使微波沿地球表面由源向目标直接发射。由于地球表面是个曲面，因此其传播距离受到一定限制，一般为50公里。为实现远距离传输，每隔几十公里便需要建立中继站。红外通信：使用频率为1011-1014Hz。具有很强的方向性，沿直线传播。激光通信：使用频率为1014-1015Hz。如果气候条件好，可以在几十至上百公里间的两点直接通信。卫星通信：是微波通信的一个特例。六、介质访问控制方式1.介质访问控制方式分类随机的：CSMA/CD，争用总线受控的：令牌环、令牌总线2.CSMA/CD-载波侦听多路访问/冲突检测（1）原理先听后发；若空闲即发送，否则等一段时间后重试；边讲边听；若有冲突，即发出阻塞信号。（2）CSMA/CD所使用的坚持退避算法0-坚持：空闲即发送，否则等待随机时间重试发送；1-坚持：空闲即发送，否则一直等到空闲即发送，若此时有冲突发生，则等待一个随机时间重试发送；P-坚持：空闲即以P概率发送，或者以（1-P）的概率延迟一个大于最大传输延迟的时间单位重复处理。如果忙，继续监听，直到空闲，从头重复。对比：0-坚持缺点：即使有几个站要发送，介质也有可能空闲；1-坚持缺点：假如有2个或2个以上站点要发送数据，则冲突不可避免；P-坚持：是一种折衷方案。有N个站有数据等待发送，在当前发送完成时，则有N×P个站企图发送，若N×P>1，则冲突不可避免。所以设计时应使N×P<1。P也不能太小，否则浪费带宽。3.令牌方式是一种有控制的发送方式。令牌按一定顺序在各站点传递，谁得到令牌，谁才有权发送报文。（1）分类令牌环网：用于环形网络；令牌总线：用于总线形网络。各个工作站按一定顺序形成一个逻辑环，使用令牌控制机制，构成令牌总线。谁得到令牌，谁才有权发送报文。（2）令牌方式与CSMA/CD方式比较由于能估算出信息传输的延迟时间，令牌方式比较适合在实时系统中使用，而CSMA/CD方式的信息传输时间是不确定的；令牌方式对轻重负载不敏感，但单环路可靠性比较低，因为若任何一点出现故障，将使整个环路通信瘫痪；对于CSMA/CD访问控制，为了使最远距离的站点也能检测到冲突，需要在实际的信息长度后添加填充位，以满足最低信息长度的要求。而令牌方式的帧则可以设置得很短，可减少网络开销，增加容量。思考题：1.