第2章工业通信基础

1、2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua1 本章内容本章内容 2.1工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 2. 数据编码数据编码 3. 数据传输数据传输 4. 差错控制差错控制 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1. 网络的传输媒介网络的传输媒介 2.工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 3.介质访问控制方式介质访问控制方式 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1. OSI参考模型参考模型 2. 网络互连网络互连 3. 现场总线通信协议模型现场总线通信协议模型

2、工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua2 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n工业数据通信基础工业数据通信基础 l工业数据通信的基本任务工业数据通信的基本任务 为实现真正的企业为实现真正的企业ERP提供全生命周期的设备和现场数据。提供全生命周期的设备和现场数据。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua3 2.1 工业网络通信基

3、础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n工业数据通信基础工业数据通信基础 l工业数据通信的技术基础工业数据通信的技术基础 主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制主要涉及通信协议、信号编码、数据传输和交换、安全、通信控制 和软硬件平台等。和软硬件平台等。 l工业数据通信系统的基本组成工业数据通信系统的基本组成 主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通主要由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通 信协议等组成。信协议等组成。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用

4、教程 Copyright by Wang Yonghua4 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语 l数据数据(Data)(Data)：数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字 母和符号。也可以说数据是母和符号。也可以说数据是传递（携带）信息的实体，信息传递（携带）信息的实体，信息 (Information)(Information)则是数据的内容或解释则是数据的内容或解释 模拟模拟(Analog)(Analog)数据；数据； 数字

5、数字(Digital)(Digital)数据。数据。 l信号信号(Signal)(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形 式传播式传播 模拟信号；模拟信号； 数字信号数字信号 。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua5 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语 l信道信道(Channel)：传送信息的线路（或通路

6、）。：传送信息的线路（或通路）。 数字信道。数字信道。 模拟信道。模拟信道。 数字通信的优点数字通信的优点 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。 如用如用modem通过拨号通过拨号 线路传输数字信号。线路传输数字信号。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua6 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语 l信道带宽信道带宽（Band Width） l信

7、道容量信道容量(Channel capacity) 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua7 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 1. 工业数据通讯的基本概念工业数据通讯的基本概念 n 数据通信的一些基本术语数据通信的一些基本术语 l码元码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元。：时间轴上的一个信号编码单元。 l数据传输速率数据传输速率 比特率比特率(Bit Rate)：数据传输速率：数据传输速率 (bps，b/s)。每妙钟传递的。每妙钟传递的 bit数。数。 波特率（

8、波特率（Baud Rate）：信号传输速率（）：信号传输速率（baud）。每秒钟传）。每秒钟传 递的信号脉冲（波形）数。还可以说是每秒钟传送的码元数。递的信号脉冲（波形）数。还可以说是每秒钟传送的码元数。 l误码率误码率(Bit error rate)：信道传输的可靠性指标：信道传输的可靠性指标 P= 错误的位数错误的位数 / 传输的总位数传输的总位数 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua8 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据编码数据编码 n为什么要进行数据编码？为什么要进行

9、数据编码？ l工业数据通信的系统的任务工业数据通信的系统的任务 l通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通通过编码把一种组合与一个确定的内容联系起来。编码要得到通 信各方的认同。信各方的认同。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua9 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据编码数据编码 n编码种类编码种类 l不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相种组合，每一种相 应地需要进行不同的编码处理。应地需要进行不同的编

10、码处理。 n编码和调制编码和调制 l用数字信号承载数字或模拟数据用数字信号承载数字或模拟数据编码编码 l用模拟信号承载数字或模拟数据用模拟信号承载数字或模拟数据调制调制 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua10 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据编码数据编码 n数字数据的数字编码数字数据的数字编码 l定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的定义：用高低电平的矩形脉冲信号来表示数据的0、1状态。状态。 l数字编码的种类有：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、数字编码的种类有

11、：单极性码、双极性码、归零码、非归零码、 差分码、差分码、Manchester编码等。编码等。 l非归零码非归零码 l曼彻斯特编码曼彻斯特编码 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua11 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据编码数据编码 n数字数据的调制编码数字数据的调制编码 l定义：定义：用模拟信号来表示数据的用模拟信号来表示数据的0、1状态。状态。 l常用技术常用技术 幅移键控，调幅幅移键控，调幅 频移键控，调频。频移键控，调频。 相移键控，调相相移键控，调相 l基本原理：用

12、数字信号对载波的不同参量进行调制。基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 l举例说明：举例说明： PSK：用载波的两个不同振幅表示：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和和1(+5v) FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和和1(2.4KHz)。现场总。现场总 线的线的HART通信信号采用这种编码方式。通信信号采用这种编码方式。 PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0 (同相同相)和和1(反相反相) 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wa

13、ng Yonghua12 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据传输数据传输 n 数据通信方式（数据流动方向）数据通信方式（数据流动方向） l 单工单工 l 半双工半双工 l全双工全双工 n 数据传输方式数据传输方式 l 串行传输串行传输 l 并行传输并行传输 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua13 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据传输数据传输 n 数据传输方式数据传输方式 l在数据通信系统中，各种处理工作都是在一定的时序脉冲控制下在数据通信系统中，各种处理工作都

14、是在一定的时序脉冲控制下 进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就进行的，收发端工作的协调一致性是实现信息传输的关键，这就 是数据通信系统中的是数据通信系统中的传输同步问题。传输同步问题。 并行通信并行通信 串行通信串行通信 l异步传输和同步传输异步传输和同步传输是解决串行通信同步传输的方法。是解决串行通信同步传输的方法。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua14 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据传输数据传输 n数据传输方式数据传输方式 l异步传输异步传输

15、异步传输使用的是字符同步方式。异步传输使用的是字符同步方式。 l同步传输同步传输 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua15 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据传输数据传输 n数据同步方式数据同步方式 l位同步（位同步（bit synchronous）：）：目的是使接收端接收的每一位信目的是使接收端接收的每一位信 息都与发送端保持同步。息都与发送端保持同步。面向位块的同步传输面向位块的同步传输 l面向字符块的同步传输面向字符块的同步传输 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基

16、础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua16 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 数据传输数据传输 n信号传输模式信号传输模式 l基带传输基带传输 l载波传输载波传输 l频带传输频带传输 l异步转移模式异步转移模式 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua17 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 差错控制差错控制 n产生差错的原因：产生差错的原因： l信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信道的电气特性引起信

17、号幅度、频率、相位的畸变； l信号反射；信号反射； l串扰；串扰； l闪电、大功率电机的启停等。闪电、大功率电机的启停等。 线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。 n如何提高通信质量？如何提高通信质量？ l采用高质量的通信线路采用高质量的通信线路 l在外部采取抗干扰措施在外部采取抗干扰措施 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua18 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 差错控制差错控制 n如何提高通信质量？如何提高通信质量？ l采

18、用差错控制方法采用差错控制方法 一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以一种软的控制技术。它容忍差错的存在，但能够发现，并设法加以 纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。纠正。这是普遍采用的提高通信质量的方法。 原理原理 检测码检测码 纠错码纠错码 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua19 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 差错控制差错控制 n奇偶校验（奇偶校验（Parity Checking） l原理原理 l举例：举例：原始数据原始数据=1100010，采用

19、偶校验。，采用偶校验。 则增加校验位后的数据为则增加校验位后的数据为11100010 若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错 误。误。 l判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特 位错则无能为力。位错则无能为力。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua20 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 差错控制差错控制 n循环冗余校验（循环冗余校

20、验（CRC,Cyclic Redundancy Check） 一种通过多项式除法检测错误的方法。一种通过多项式除法检测错误的方法。 l检错思想检错思想 l校验和计算方法校验和计算方法 若若G(x)为为r阶，原帧为阶，原帧为m位，其多项式为位，其多项式为M(x)，则在原帧后面，则在原帧后面 添加添加r个个0，帧成为，帧成为m+r位，相应多项式位，相应多项式xr M(x) 按模按模2除法用对应于除法用对应于G(x)的位串去除对应于的位串去除对应于xr M(x) 的位串，的位串， 得出余数得出余数 按模按模2加法把加法把xr M(x) 的位串与余数相加，结果就是要传送的的位串与余数相加，结果就是要传

21、送的 带校验和的帧的多项式带校验和的帧的多项式T(x) T(x) = xrM(x) + xrM(x) MOD2 G(x) 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua21 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 差错控制差错控制 n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l举例举例 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua22 2.1 工业网络通

22、信基础工业网络通信基础 差错控制差错控制 n循环冗余校验（循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check） l请再做一个验证：请再做一个验证： 传送数据为：传送数据为：110011 多项式比特序列为：多项式比特序列为：11001（最高阶为（最高阶为4） 带有带有CRC检验码的接收比特序列为：检验码的接收比特序列为：1100111001 l其实其实CRC中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经 过严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项式被列为了过严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项

23、式被列为了 国际标准，如：国际标准，如： CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 lCRC错误检测方法大约能检查出错误检测方法大约能检查出99.95%以上的错误。以上的错误。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua23 2.1 工业网络通信基础工业网络通信基础 差错控制差错控制 n海明码海明码 l海明码是一种可以纠正一位差错的高效率线性分组纠错码。海明码是一种可以纠正一位差错的高效率线性分组纠错码。 l海明吗有一套较为

24、复杂的编码、检错和纠错方法。海明吗有一套较为复杂的编码、检错和纠错方法。 l海明距离海明距离 l海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错海明码的检错和纠错能力可以用海明距离来表示，海明距离越大，检错 和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。 如果需检测出如果需检测出d个错误，则海明距离至少应为个错误，则海明距离至少应为d+1； 如果要能纠正如果要能纠正d个错误，则编码集中的海明距离至少应为个错误，则编码集中的海明距离至少应为2d+1。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教

25、程 Copyright by Wang Yonghua24 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1.网络的传输媒介网络的传输媒介 有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。 工业通信中常用的是有线传输介质。工业通信中常用的是有线传输介质。 n双绞线（双绞线（twisted pair)twisted pair) l什么是双绞线？作用？什么是双绞线？作用？ l计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。计算机局域网中经常

26、使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。 屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP(STP，Shielded Twisted Pair) Shielded Twisted Pair) 特点特点 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(UTP(UTP，Unshielded Twisted Pair) Unshielded Twisted Pair) 分类和特点分类和特点 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua25 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1.网络的传输媒介网络的传输媒介 n同轴电缆同轴电缆(coaxial

27、cable) (coaxial cable) l什么是同轴电缆？什么是同轴电缆？ l同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆 作用作用 l优点和缺点优点和缺点 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua26 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1.网络的传输媒介网络的传输媒介 n光缆光缆(optical fiber)(optical fiber)：即光导纤维。根据制作材料的不同，分为玻：即光导纤维。根据制作材料的不同，分为玻 璃光纤、塑料光纤等，玻璃光纤价

28、格要高于塑料光纤，但其性能也璃光纤、塑料光纤等，玻璃光纤价格要高于塑料光纤，但其性能也 高于后者。高于后者。 l特点：特点： 依靠光波承载信息；依靠光波承载信息； 速率高，通信容量大，仅受光电转换器件的限制（速率高，通信容量大，仅受光电转换器件的限制（100Gb/s100Gb/s）；）； 传输损耗小，适合长距离传输；传输损耗小，适合长距离传输； 抗干扰性能极好，保密性好；抗干扰性能极好，保密性好； 轻便；轻便； 价格高，连接不方便。价格高，连接不方便。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghu

29、a27 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1.网络的传输媒介网络的传输媒介 l光纤通信的原理光纤通信的原理 见图，入射角见图，入射角逐渐增大，逐渐增大，1212是折射角，光纤通信的原是折射角，光纤通信的原 理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全 反射的特性射角达到反射的特性射角达到33时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可 以达到长距离高速传输的目的。以达到长距离高速传输的目的。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识

30、2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua28 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1.网络的传输媒介网络的传输媒介 l光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器 光源光源: 850nm/1300nm/1500nm: 850nm/1300nm/1500nm， 发光二极管发光二极管 / / 激光二极管激光二极管 介质介质: : 光纤光纤 光检测器光检测器: : 光电二极管光电二极管PIN/PIN/雪崩二极管雪崩二极管APDAPD 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应

31、用教程 Copyright by Wang Yonghua29 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 1.网络的传输媒介网络的传输媒介 n无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上无线通信：主要有微波、红外和激光等。适合于在地理上或安装上 有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使有要求的场合，或频繁移动的设备。在实际工业通信网络的底层使 用的不多。用的不多。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua30 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 工业通信

32、网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和工业网络中的拓扑形式就是节点的互连形式。常见的是：总线型、环形、星形和 树形等。树形等。 n总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工总线型：通过一条总线电缆作为传输介质，各节点通过接口接入总线。是工 业通信网络中最常用的一种拓扑形式。业通信网络中最常用的一种拓扑形式。 l特点：特点： 通信可以是点对点方式，也可以是广播方式；通信可以是点对点方式，也可以是广播方式； 接入容易，扩展方便；接入容易，扩展方便； 节省电缆。节省电缆。 工业网络与通信工业网络与通信 基础

33、知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua31 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 n星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节星形与树形：在星形拓扑中，每个节点通过点对点连接到中央节点，任何节 点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变种。常用于节点之间的通信都通过中央节点进行。树形拓扑是星形拓扑的变种。常用于节 点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。点密集的地方，在商业和民用网络中使用较多。 l特点特点 维护、管理简单；维护、管理简

34、单； 每个结点的通信负担很小，所以冲突小。每个结点的通信负担很小，所以冲突小。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua32 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 工业通信网络的拓扑形式工业通信网络的拓扑形式 n环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从环形：通过网络节点点对点的链路的连接，构成一个环路。信号在环路上从 一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。一个设备到另一个设备单向传输，直到信号到达目的地为止。 l特点特点 各节点以令牌方式实现对共

35、享介质的访问控制；各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制； 使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境；使用光缆等传输介质，传输率高，适合于工业环境； 一个设备故障会导致整个网络瘫痪，因此在一些重要的场合需要采一个设备故障会导致整个网络瘫痪，因此在一些重要的场合需要采 用双环。用双环。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua33 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n定义：定义： 在计算机网络中，不管是采用什么样的拓扑形式连接，传输介质总在计算机

36、网络中，不管是采用什么样的拓扑形式连接，传输介质总 是作为各站点的共享资源的。将传输介质的频带有效地分配给网络上各站点是作为各站点的共享资源的。将传输介质的频带有效地分配给网络上各站点 的用户的方法称为的用户的方法称为介质访问控制方法或协议介质访问控制方法或协议。介质访问控制方法对网络的响。介质访问控制方法对网络的响 应时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度应时间、吞吐量和效率起着十分重要的作用。各种局域网的性能在很大程度 上取决于所选用的介质访问控制协议。上取决于所选用的介质访问控制协议。 n多路复用技术多路复用技术 l定义：定义：在实际的计算机网络系统中，为了有效

37、地利用通信电路，在实际的计算机网络系统中，为了有效地利用通信电路， 总是利用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路总是利用一个信道同时传输多路信号。多路复用技术就是把多路 信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。在信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。在 远距离传输时，多路复用技术可以大大节省电缆的安装和维护费远距离传输时，多路复用技术可以大大节省电缆的安装和维护费 用。用。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua34 2.2 工业网络物理结构工业网

38、络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术多路复用技术 l多路复用技术种类：频分多路复用和时分多路复用多路复用技术种类：频分多路复用和时分多路复用 。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua35 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术多路复用技术 l频分多路复用（频分多路复用（ Frequency Division Multiplexing） 在物理信道能提供比单路原始信号宽得多的带宽的情况下，可以把该物理信道的总带在物

39、理信道能提供比单路原始信号宽得多的带宽的情况下，可以把该物理信道的总带 宽分割成若干个与单路信号带宽相同（为了避免相互干扰也可以稍微宽一点）的宽分割成若干个与单路信号带宽相同（为了避免相互干扰也可以稍微宽一点）的 子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用（子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用（FDM）。）。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua36 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术多路复用技术 l时分多路复

40、用（时分多路复用（ Time Division Multiplexing） 若传输介质能达到的位传输速率超过单一信号源所需要的数据传输率，就可以采若传输介质能达到的位传输速率超过单一信号源所需要的数据传输率，就可以采 用时分多路复用（用时分多路复用（TDM）技术。它是将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮）技术。它是将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮 流地给多个信号源使用流地给多个信号源使用 。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua37 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质

41、访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术多路复用技术 l时分多路复用（时分多路复用（ Time Division Multiplexing） 同步时分同步时分 异步时分异步时分（统计时分（统计时分 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua38 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n多路复用技术多路复用技术 l时分多路复用（时分多路复用（ Time Division Multiplexing） 异步时分（统计时分）异步时分（统计时分） 轮转轮转 预约

42、预约 争用争用 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua39 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n带冲突检测的载波监听多路访问带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD l载波监听多路访问载波监听多路访问 网络站点监听载波是否存在，即判断信道是否被占用，并采取相应网络站点监听载波是否存在，即判断信道是否被占用，并采取相应 的措施，它是一种争用协议。的措施，它是一种争用协议。 原则：发前监听，空闲即发，忙时等待。原则：发前监听，空闲即发，忙时等待。 不

43、足：不足： l带冲突检测的载波监听多路访问带冲突检测的载波监听多路访问 该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为该方式可以提高总线的利用率，这种协议的国际标准为IEC802.3就就 是以太网标准，已在局域网中广泛使用。是以太网标准，已在局域网中广泛使用。 原则：原则：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua40 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式

44、n令牌环（令牌环（Token Ring）介质访问方式）介质访问方式 l定义定义 l工作过程工作过程 谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“ 令牌令牌”（TOKEN） 的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令的特殊帧来控制的。只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令 牌的站只能等待。牌的站只能等待。 拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进 行发送。行发送。 数据帧通过任何一个站点数据帧通过任何一个站点(除源站点外除源站点外)时，该站点都要把帧的目的地时，该站点都

45、要把帧的目的地 址和本站地址相比较：址和本站地址相比较： 如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理， 同时将帧送回环中；同时将帧送回环中； 如果地址不符合，则直接将帧送回环中。如果地址不符合，则直接将帧送回环中。 数据循环一周后由发送站回收。数据循环一周后由发送站回收。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua41 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n令牌环（令牌环（Token R

46、ing）介质访问方式）介质访问方式 l工作过程举例工作过程举例 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua42 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n令牌总线（令牌总线（Token Bus）介质访问方式）介质访问方式 l定义定义 l 工作过程工作过程 l 特点特点 因为只有拥有令牌的站点才能发送数据帧到总线，所以就避因为只有拥有令牌的站点才能发送数据帧到总线，所以就避 免了冲突；免了冲突； 令牌总线的帧可以设置得很短，和令牌总线的帧可以设置得很短，和CS

47、MA/CD相比，这样减少相比，这样减少 了开销，相当于增加了网络的容量。了开销，相当于增加了网络的容量。 l令牌总线是现场总线中最常用的介质控制方式，比如令牌总线是现场总线中最常用的介质控制方式，比如PROFIBUS。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua43 2.2 工业网络物理结构工业网络物理结构 介质访问控制方式介质访问控制方式 n令牌总线（令牌总线（Token Bus）介质访问方式）介质访问方式 l举例举例 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现

48、场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua44 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1. OSI模型模型 n OSI的产生的产生 l 20世纪世纪70年代以后，计算机应用迅猛发展，网络的发展也初现端年代以后，计算机应用迅猛发展，网络的发展也初现端 倪；倪；70年代中、后期，各计算机厂家先后都推出了自己的网络产年代中、后期，各计算机厂家先后都推出了自己的网络产 品。品。 l 操作平台、网络协议、硬件接口等互不兼容，限制了网络的开放、操作平台、网络协议、硬件接口等互不兼容，限制了网络的开放、 共享，以及商业利润的提高。共享，以及商业利润的提高。 l OS

49、I参考模型产生过程参考模型产生过程 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua45 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1.OSI模型模型 nOSI模型模型 lOSI参考模型的出现促进了数据通信和计算机网络的发展，参考模型的出现促进了数据通信和计算机网络的发展，OSI提供了概提供了概 念性和功能性的结构划分，将开放系统划分为念性和功能性的结构划分，将开放系统划分为7个层次。个层次。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Co

50、pyright by Wang Yonghua46 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1.OSI模型模型 n分层的好处分层的好处 l结构简单结构简单 l关系简化关系简化 l相对独立相对独立 l构造灵活构造灵活 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua47 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1.OSI模型模型 n分层的原则分层的原则 l根据不同抽象层次的需要进行分层，即当有大量的通信任务相近的性质根据不同抽象层次的需要进行分层，即当有大量的通信任务相近的性质 时

51、，就应当设立一个相应的层次；时，就应当设立一个相应的层次； l每一层应当实现一个明确定义的功能；每一层应当实现一个明确定义的功能； l每一层功能的选择应当有助于制定网络协议的国际标准；每一层功能的选择应当有助于制定网络协议的国际标准； l层与层之间的边界应该选择在通过边界的信息量尽量少的地方；层与层之间的边界应该选择在通过边界的信息量尽量少的地方； l层数应足够多但也不能太多。层数应足够多但也不能太多。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua48 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参

52、考模型 1. OSI模型模型 n OSI对等通信的实质对等通信的实质 l OSI参考模型参考模型禁止禁止不同主机的对等层之间的直接通信。不同主机的对等层之间的直接通信。(想一想， 为什么?) l 实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对实际上，每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对 应层通信。应层通信。 上层使用下层提供的服务上层使用下层提供的服务Service user； 下层向上层提供服务下层向上层提供服务Service provider。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wa

53、ng Yonghua49 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1.OSI模型模型 n OSI对等通信的实质对等通信的实质 l 实质：实质： 对等层实体之间虚拟通信；对等层实体之间虚拟通信； 下层向上层提供服务；下层向上层提供服务； 实际通信在最底层完成。实际通信在最底层完成。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua50 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1.OSI模型模型 n 协议数据单元协议数据单元 l OSI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协

54、议数参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数 据单元据单元(PDU,Protocol Data Unit)。 l 传输层及以下各层的传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：另外还有各自特定的名称： 传输层传输层数据段（数据段（Segment） 网络层网络层分组（数据报）（分组（数据报）（Packet） 数据链路层数据链路层数据帧（数据帧（Frame） 物理层物理层比特（比特（Bit） 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua51 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参

55、考模型 1.OSI模型模型 n 数据封装数据封装 l 一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打一台计算机要发送数据到另一台计算机，数据首先必须打包，打 包的过程成为包的过程成为封装封装。封装就是在数据前面加上特定的协议头部。封装就是在数据前面加上特定的协议头部。 l 发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送，发送邮件的例子：信装入写有源地址和目的地址的信封中发送， 还要写明用航空或挂号还要写明用航空或挂号。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua52 2.3

56、开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 1.OSI模型模型 n OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务 l 为了提供服务，下层把上层的为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加作为本层的数据封装，然后加 入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制入本层的头部（和尾部）。头部中含有完成数据传输所需的控制 信息。信息。 l 这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。到 达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。由此可知，达目的地后自下而上递交的过

57、程就是不断拆封的过程。由此可知， 在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封信封”。 l 但是，某一层只能识别由对等层封装的但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封信封”，而对于被封装，而对于被封装 在在“信封信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作 任何处理。任何处理。 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua53 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 OSI模

58、型中各层的作用模型中各层的作用 n物理层（物理层（Physical Layer） l概述概述 实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。定义了激活、维护和关实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。定义了激活、维护和关 闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。 l 需要解决的典型问题需要解决的典型问题 l实现的基本功能实现的基本功能 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua54 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 OSI模型中

59、各层的作用模型中各层的作用 n 数据链路层（数据链路层（Data Link Layer） l 概述概述 在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为在物理线路上提供可靠的数据传输，使之对网络层呈现为 一条无错的线路。一条无错的线路。 l 需要解决的典型问题需要解决的典型问题 l 实现的基本功能实现的基本功能 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua55 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 OSI模型中各层的作用模型中各层的作用 n 网络层（网络层（Network Laye

60、r） l 概述概述 在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。 l 需要解决的典型问题需要解决的典型问题 l 实现的基本功能实现的基本功能 工业网络与通信工业网络与通信 基础知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua56 2.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型 OSI模型中各层的作用模型中各层的作用 n 传输层（传输层（Transport Layer） l 概述概述 为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务；屏蔽各类通信为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务