现场总线fieldbus chap2

1、第2讲徐若锋22.1 网络与通信技术基础网络与通信技术基础2.2 ISO/OSI参考模型参考模型 32.1.1 数据通信系统的性能指标数据通信系统的性能指标2.1.2 数据通信的理论基础数据通信的理论基础2.1.3 数据编码数据编码2.1.4数据传输方式数据传输方式2.1.5数据传输介质数据传输介质2.1.6局域网网络拓扑结构局域网网络拓扑结构2.1.7媒体访问控制技术媒体访问控制技术2.1.8数据交换技术数据交换技术2.1.9差错控制技术差错控制技术2.1.10网络互连设备网络互连设备4l有效性指标有效性指标数据传输速度数据传输速度l数据传输速度是单位时间内传送的数据量。数据传输速度是单位时

2、间内传送的数据量。 l比特率比特率 是数据信号的最小单位。通信系统中的字符或者字节是数据信号的最小单位。通信系统中的字符或者字节一般由多个二进制位即多个比特来表示。例如，一个字节往往是一般由多个二进制位即多个比特来表示。例如，一个字节往往是8 8位或位或1616位。通信系统每秒传输数据的二进制位数被定义为比特位。通信系统每秒传输数据的二进制位数被定义为比特率，记作：率，记作：bit/sbit/s。l波特率波特率 波特（波特（baudbaud）是指信号大小方向变化的一个波形。把）是指信号大小方向变化的一个波形。把每秒传输信号的个数，即每秒传输信号波形的变化次数定义为波每秒传输信号的个数，即每秒传

3、输信号波形的变化次数定义为波特率。单位为波特（特率。单位为波特（baudbaud）。）。 频带利用率频带利用率 频带利用率是指单位频带内的传输速度。频带利用率是指单位频带内的传输速度。 协议效率协议效率 协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位协议效率是指所传输的数据包中的有效数据位 与整个数据包长度的比值。与整个数据包长度的比值。 通信效率通信效率 通信效率被定义为数据帧的传输时间同用于发通信效率被定义为数据帧的传输时间同用于发送报文的所用时间之比。送报文的所用时间之比。 21bSlog nT5l 可靠性指标可靠性指标 误码率误码率 是衡量数字通信系统可靠性的指标。它是二进是衡量数字通信系统

4、可靠性的指标。它是二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。制码元在数据传输系统中被传错的概率。 l 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。性的参数。l 对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求。在数据传输越好，要根据实际传输要求提出误码率要求。在数据传输速率确定后，误码率越低，数据传输系统设备越复杂，造速率确定后，误码率越低，数据传输系统设备越复杂，造价越高。价越高。l 对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，则对于实

5、际数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，则要折合成二进制码元来计算。要折合成二进制码元来计算。 通信系统的有效性与可靠性两者之间是相互联系、相互通信系统的有效性与可靠性两者之间是相互联系、相互制约的。制约的。/eePNN6l 通信信道的频率特性通信信道的频率特性 频率特性频率特性 描述通信信道在不同频率的信号通过以后，描述通信信道在不同频率的信号通过以后，其波形发生变化的特性。其波形发生变化的特性。 频率特性分为幅频特性和相频特性。频率特性分为幅频特性和相频特性。l幅频特性幅频特性指不同频率信号通过信道后，其幅值受到不同衰指不同频率信号通过信道后，其幅值受到不同衰减的特性；减的特性；l相频特

6、性相频特性指不同频率的信号通过信道后，其相位角发生不指不同频率的信号通过信道后，其相位角发生不同程度改变的特性。同程度改变的特性。l理想信道的频率特性应该是对不同频率产生理想信道的频率特性应该是对不同频率产生均匀的幅频特均匀的幅频特性和线性相频特性性和线性相频特性，而实际信道的频率特性并非理想。因，而实际信道的频率特性并非理想。因此，通过信道后的波形会产生畸变。如果信号的频率在信此，通过信道后的波形会产生畸变。如果信号的频率在信道带宽范围内，则传输的信号基本上不失真，否则，信号道带宽范围内，则传输的信号基本上不失真，否则，信号的失真将较严重。的失真将较严重。 信道频率特性不理想是由于传输线路并

7、非理想线路造成的。信道频率特性不理想是由于传输线路并非理想线路造成的。实际的传输线路存在电阻、电感、电容，这些构成分布式参实际的传输线路存在电阻、电感、电容，这些构成分布式参数系统。信道的频率特性不仅与介质相关，而且和中间通信数系统。信道的频率特性不仅与介质相关，而且和中间通信设备的电气特性有关。设备的电气特性有关。7l 介质带宽介质带宽 信号所含频率分量的集合称为频谱。频谱所占的频率宽度称信号所含频率分量的集合称为频谱。频谱所占的频率宽度称为带宽。为带宽。 以一定的幅度门限为依据，将在接收端收到的那部分主要信以一定的幅度门限为依据，将在接收端收到的那部分主要信号的频谱从原来的无穷大频谱中划分

8、出来，便形成该信号的号的频谱从原来的无穷大频谱中划分出来，便形成该信号的有效频谱。有效频谱的频带宽度称为有效频谱。有效频谱的频带宽度称为有效带宽有效带宽。 实际传输介质的带宽是有限的，它只能传输某些频率范围内实际传输介质的带宽是有限的，它只能传输某些频率范围内的信号。一种介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信的信号。一种介质只能传输有效带宽在介质带宽范围内的信号。如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失号。如果介质带宽小于信号的有效带宽，信号就可能产生失真而使接收端难以正确辨认。当传输速率升高时，信号的有真而使接收端难以正确辨认。当传输速率升高时，信号的有效带宽会随之增加，因而需要传

9、输介质具有更大的介质带宽。效带宽会随之增加，因而需要传输介质具有更大的介质带宽。换句话说，传输介质的带宽会限制传输速率的增高。换句话说，传输介质的带宽会限制传输速率的增高。8l信道容量信道容量 信道容量是指在某种传输介质中单位时间内可能传信道容量是指在某种传输介质中单位时间内可能传送最大比特率，即该传输介质容许的最大数据传输送最大比特率，即该传输介质容许的最大数据传输速率。速率。 传输介质的带宽限制了信道的数据传输速率。或者传输介质的带宽限制了信道的数据传输速率。或者说，数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之说，数据的传输速率应该在信道容量容许的范围之内。只要信号速率低于信道容量，总可以找到

10、一个内。只要信号速率低于信道容量，总可以找到一个编码方式，实现低误码率传输。若实际传输速率超编码方式，实现低误码率传输。若实际传输速率超过信道容量，则即使只超过一点，其传输也不能正过信道容量，则即使只超过一点，其传输也不能正确进行。确进行。 9l 信噪比对信道容量的影响信噪比对信道容量的影响 信噪比信噪比 是信号功率是信号功率 与噪声功率与噪声功率 的比值。信噪的比值。信噪比一般用比一般用 来表示，单位为分贝来表示，单位为分贝（ dB dB ）。）。 信道容量信道容量 跟信道带宽跟信道带宽 和信噪比和信噪比 之间的香之间的香农计算公式。农计算公式。 在带宽一定时，提高信噪比可以增加信道容量。在

11、在带宽一定时，提高信噪比可以增加信道容量。在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。2(1)SCWlogN10lg( /)S NSNCW/S N10l 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 全宽单极性码全宽单极性码 全宽双极性码全宽双极性码 归零码归零码 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 l 数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码 幅度键控幅度键控 频移键控频移键控 相移键控相移键控 l 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 11l串行传输与并行传输串行传输与并行传输 l单工、半双工和全双工通信

12、单工、半双工和全双工通信 l同步传输与异步传输同步传输与异步传输 l多路复用技术多路复用技术 l基带、频带和宽带传输基带、频带和宽带传输12l双绞线双绞线非屏蔽双绞线UTP（Unscreened Twisted Pair）屏蔽双绞线STP （Screened Twisted Pair） l同轴电缆同轴电缆由内导体铜芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及塑料保护层构成，这种结构使铜芯线与网状导体同轴，因此称为同轴电缆。同轴电缆的屏蔽性能和抗干扰性能优于双绞线，它具有较高的带宽和较低的误码率。一般情况下，同轴电缆的数据传输数据速率与传输距离成反比：即传输速率越高，传输距离就越短。广泛使用的同轴电缆

13、有两种：一种是50的同轴电缆，另一种是75的同轴电缆。根据直径的不同，同轴电缆又分为细缆和粗缆两种。l光缆光缆单模光纤(Single Mode Fiber多模光纤(Multi Mode Fiber)传输频带非常宽、数据传输速率非常高、误码率很低、传输损耗小、中继距离长、抗电磁干扰性能很强、保密性好、重量轻、体积小等13 星型 环型 总线型 树型14l带冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection） 讲前先听l1坚持坚持CSMA l非坚持非坚持CSMAl P坚持坚持CSMA 边讲边听 l控制

14、令牌15l 线路交换线路交换 在两节点交换数据之前，要在网络中先建立一个在两节点交换数据之前，要在网络中先建立一个实际的物理线路连接，这种连接技术称为线路交换实际的物理线路连接，这种连接技术称为线路交换 l 存储转发交换存储转发交换 中转节点先将待传输的信息暂存到缓冲存储器中，中转节点先将待传输的信息暂存到缓冲存储器中，并等待信道空闲时再把信息转发给下一个节点，若不并等待信道空闲时再把信息转发给下一个节点，若不空则信息可在缓冲存储器中等待空则信息可在缓冲存储器中等待 报文交换报文交换 报文分组交换报文分组交换存储转发的优点存储转发的优点1.线路利用率高线路利用率高 2. 不同数据传输速率和不同

15、数据代码格式之间不同数据传输速率和不同数据代码格式之间的用户可以相互交换数据的用户可以相互交换数据 3.一个报文（或报文分组）可以发一个报文（或报文分组）可以发送到多个目的节点。送到多个目的节点。16l 差错控制编码差错控制编码l 海明距离海明距离 指两个码字中不同的位的个数，计算海明距离只须对两个码指两个码字中不同的位的个数，计算海明距离只须对两个码字作异或运算，然后计算结果中字作异或运算，然后计算结果中1的个数的个数 l 纠错码纠错码- -能发现，又能自动纠错能发现，又能自动纠错 海明码：一种可以纠正单个位差错的高效率线性分海明码：一种可以纠正单个位差错的高效率线性分组码组码l 检错码检错

16、码- -能自动发现错误能自动发现错误 奇偶校验码奇偶校验码 循环冗余码循环冗余码17网络互连是计算机网络发展到一定阶段的必然产网络互连是计算机网络发展到一定阶段的必然产物；处于同一地域或不同地域的同类型或不同物；处于同一地域或不同地域的同类型或不同类型网络间的互连，目的是实现互连网络的资类型网络间的互连，目的是实现互连网络的资源共享。源共享。要求：在不改变原网络协议、软硬件的前提下，要求：在不改变原网络协议、软硬件的前提下，使连接对原网络的影响减至最小。使连接对原网络的影响减至最小。网络互连通过一个中间设备互连。根据网络互连通过一个中间设备互连。根据ISO的七的七层网络模型，将互连划分为四个层

17、次：物理层、层网络模型，将互连划分为四个层次：物理层、数据链路层、网络层和传输层及传输层以上。数据链路层、网络层和传输层及传输层以上。l 中继器中继器l 网桥网桥l 路由器路由器l 网关网关l 集线器集线器 无源集线器无源集线器 有源集线器有源集线器 智能集线器智能集线器 交换式集线器交换式集线器181920目的：在数据链路实体之间传送原始的二进制比特流。目的：在数据链路实体之间传送原始的二进制比特流。l 数据终端设备数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）l 数据电路端接设备数据电路端接设备DCE（Data Circuit-terminating Equipmen

18、t）l 物理层协议规定的四个特性物理层协议规定的四个特性机械特性机械特性电气特性电气特性功能特性功能特性规程特性规程特性l 物理层典型协议有物理层典型协议有EIA RS-232-C和和EIA RS-44921作用：在不太可靠的物理链路上，通过数据链路层协议作用：在不太可靠的物理链路上，通过数据链路层协议实现可靠的数据传输实现可靠的数据传输l提供如下三种服务提供如下三种服务无确认的无连接服务无确认的无连接服务有确认的无连接服务有确认的无连接服务有确认的面向连接的服务有确认的面向连接的服务l数据链路层解决的主要问题数据链路层解决的主要问题成帧成帧流量控制流量控制差错控制差错控制l数据链路层的典型协

19、议是数据链路层的典型协议是OSI标准协议集中的高级数据链路控标准协议集中的高级数据链路控制制HDLC(High Level Data Link Control)协议。协议。lOSI模型的数据链路层在模型的数据链路层在IEEE802局域网标准中被分为介质访局域网标准中被分为介质访问控制（问控制（MAC）子层与逻辑链路控制（）子层与逻辑链路控制（LLC）子层。）子层。22任务：选择合适的路由，为传输层提供整个网络任务：选择合适的路由，为传输层提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输的通路。范围内两个终端用户之间数据传输的通路。l 路由选择路由选择 静态路由选择算法静态路由选择算法 动态路由选择算

20、法动态路由选择算法l 流量控制流量控制 吞吐量吞吐量 信道在单位时间内成功传输的总信息量，单位为信道在单位时间内成功传输的总信息量，单位为bps 拥塞拥塞 死锁死锁l 网络层的典型协议是国际电报电话咨询委员会网络层的典型协议是国际电报电话咨询委员会CCITT（Consulatave Committee International Telegraph and Telephone）的）的X.25，它适用于分组交换。，它适用于分组交换。 23l 主要功能：在网络层的基础上，完成端到端的主要功能：在网络层的基础上，完成端到端的差错纠正和流量控制，并实现两个终端系统间差错纠正和流量控制，并实现两个终端系

21、统间传送的分组无丢失、无重复、无差错、分组顺传送的分组无丢失、无重复、无差错、分组顺序正确。序正确。l 向用户提供面向连接和无连接两种服务。向用户提供面向连接和无连接两种服务。24表2-1 运输协议类型协议类型面向网络类型协议名称功 能0A简单类提供进程通信，具有分段组装功能。1B基本错误恢复类在0类基础上，增加基本差错恢复功能。2A多路复用类在0类基础上，增加网络复用功能和相应的流量控制功能，但没有对网络连接故障的恢复功能。3B出错恢复和多路复用类兼具1、2的功能4C出错检测和恢复类具有差错检测、差错恢复以及多路复用功能。表2-1 传输协议类型25l 会话连接会话连接 一个会话连接对应一个运输连接一个会话连接对应一个运输连接 多个会话连接对应一个运输连接多个会话连接对应一个运输连接 一个会话连接对应多个运输连接一个会话连接对应多个运输连接 l 令牌管理令牌管理 持有令牌的会话服务用户才可发送数据，另一方只能接收数持有令牌的会话服务用户才可发送数据，另一方只能接收数据据 当数据发送完成之后，就将数据令牌转让给对方，由对方进当数据发送完成之后，就将数据令牌转让给对方，由对方进行数据发送行数据发送 l 会话同步会话同步 允许会话用户在传送的数据中设置同步