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 工业网

2、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 Yonghua22.1 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 Yonghua32.1 工业网络通信基础工业网络通信基础1.

3、 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教程 Copyright by Wang

4、 Yonghua42.1 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；数字数字( (Digital)Digital)数据数据。l信

5、号信号(Signal)(Signal)：数据的物理量编码（数据的物理量编码（通常为电编码）通常为电编码），数据以信号的形，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 Yonghua52.1 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）。：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

6、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 Yonghua62.1 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 2

7、007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua72.1 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（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

8、）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 Yonghua82.1 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

9、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 Yonghua92.1 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

10、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 Yonghua102.1 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：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

11、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 Yonghua112.1 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(+5

12、v)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 Wang Yonghua122.1 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

13、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 Yonghua132.1 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

14、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 Yonghua142.1 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 Yonghua152.1 工业网络通

15、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础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua162.1 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

16、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 Yonghua172.1 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

17、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 Yonghua182.1 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

18、.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua192.1 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

19、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 Yonghua202.1 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） 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x

20、r 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 Yonghua212.1 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,

21、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 Yonghua222.1 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：1100111001l其实其实CRC中的生成多项

22、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 Yonghua232

23、.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

24、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程 Copyright by Wang Yonghua242.2 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

25、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 Cop

26、yright by Wang Yonghua252.2 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 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 Yonghua262.2 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

27、)(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

28、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 Yonghua272.2 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3 3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

29、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 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua282.2 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AP

30、DAPD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 Yonghua292.2 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 W

31、ang Yonghua302.2 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 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

32、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知识基础知识 2007.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua312.2 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

33、较多。l特点特点维护、管理简单；维护、管理简单；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 Yonghua322.2 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

34、特点各节点以令牌方式实现对共享介质的访问控制；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 Yonghua332.2 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

35、介质总在计算机网络中，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

36、有效地利用通信电路，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 Yonghua342.2 工业网络物理结构工业网络物理结构

37、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 Yonghua352.2 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理信道能提供比单路原始信号

38、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 Yonghua362.2 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 Divis

39、ion 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 Yonghua372.2 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

40、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 Yonghua382.2 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.

41、2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua392.2 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/CDl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

42、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 Yonghua402.2 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 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

43、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

44、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 Yonghua412.2 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 Ring）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

45、线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua422.2 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CSMA/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

46、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 Yonghua432.2 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现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua442.3 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

47、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 OSI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 Yonghua452.

48、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 Copyright by Wang Yonghua462.3 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

49、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 Yonghua472.3 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，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

50、；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 Yonghua482.3 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 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

51、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 Wang Yonghua492.3 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

52、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 Yonghua502.3 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

53、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 Yonghua512.3 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 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：

54、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 Yonghua522.3 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

55、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

56、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 Yonghua532.3 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

57、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 Yonghua542.3 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 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 200

58、7.2 V2.0现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua552.3 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 Layer）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 Yonghua562.3 开放系统互连参考模型开放系统互连参考模

59、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；屏蔽各类通信子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。子网的差异，使上层不受通信子网技术变化的影响。 传输层以上各层：面向应用；以下各层：面向传输。传输层位于资传输层以上各层：面向应用；以下各层：面向传输。传输层位于资源子网和通信子网的交界处，起着承上启下的作用。源子网和通信子网的交界处，起着承上启下的作用。 与网络层的部分服务有重叠交叉。如何平衡取决于两者的功能划分。与网络层的部分服务有重叠交叉。如何平衡取决于两者的功能划分。 真正意义上的从源到目标实现真正意义上的从源到目标实现“端到端端到端”连接的层。连接的层。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 Yonghua572.3 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 需要解决的典型问题需要解决的典型问题l 实现的