工业数据通信和控制网络技术基础

1现场总线技术

FieldbusTechnology主讲：张大兴电气工程系参考：中国矿业大学胡青松西安电子科技大学王卫东2课程介绍现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。3内容

1.1工业数据通信和控制网络技术概述

1.1.1工业自动化技术及发展趋势

1.1.2控制系统体系结构的演变

1.1.3工业数据通信与控制网络

1.2工业数据通信和控制网络连接及传输介质

1.2.1计算机局域网及其拓扑结构

1.2.2网络的传输介质及特性

1.2.3信号的传输和编码技术

1.2.4介质访问控制方式

1.3网络互连参考模型和规范

1.3.1基本概念

1.3.2网络互连参考模型

1.3.3网络互连规范41.1工业数据通信和控制网络技术概述定义：工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术，是计算机网络、通信技术与自控技术结合的产物。必要性:(1)随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个层次以及从原料采购、生产加工的各个环节，并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用需求。(2)企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、对底层控制网络的功能及性能都提出了更高的要求。561.1.1工业自动化技术及发展趋势

工业控制自动化技术：是工业自动化的核心，它是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。它主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。7

工业控制自动化的三个层次：基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。在传统的自动化系统中，基础自动化部分基本被PLC和DCS（DistributedControlSystem）所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由价格昂贵的过程计算机或小型机组成。自20世纪90年代以来，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。

以工业PC为基础的低成本工业控制自动化系统的特点是：(1)开放的结构，用户可以选择来自不同厂商的不同产品，便于系统集成；(2)PC工控机的软硬件丰富，用户可以得到更高性价比的产品；(3)提供有力、柔性的联网能力；(4)能运行复杂任务，并且可基于多种平台运行。

1、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化已成为主流82、PLC（可编程序控制器）得到了广泛的应用

PLC的发展趋势：向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能性方面发展。具体有以下几个方面：

（1）大型网络化。主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。（2）多功能。随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制、仿真、通信处理和故障诊断等模块的出现，使PLC控制领域更加宽广。（3）高可靠性。自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，并采用热备用和并行工作、多数表决的工作方式。即使在恶劣、不稳定的工作环境下，坚固、全封闭的模板依然能正常工作。93、面向测控管一体化设计的集散控制系统

集散控制系统：也称为分布式控制系统或分散式控制系统（DistributedControlSystem,DCS），它采用了标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成，以通信网络为纽带，对数据进行集中显示，而操作管理和控制相对分散，是一种配置灵活、组态方便、具有高可靠性的控制系统。

DCS的特点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。

DCS正朝着综合性、开放性发展。总的发展趋势是：（1）各制造厂商都“开放性”上下功夫，力求使自已的DCS与其他厂商的产品很容易地联网；10（2）大力发展和完善DCS的通信功能，并将生产过程控制系统与工厂管理系统连接在一起，形成测控管理一体的系统产品；（3）高度重视系统的可靠性，在软件的设计中采用容错技术；（4）在控制功能中，不断引进各种先进控制理论，以提高系统的控制性能，如自整定、自适应、最优、模糊控制等；（5）在系统规模的结构上，形成由小到大的产品，以适应不同规模的需求；（6）发展以先进网络通信技术为基础的DCS控制结构，向低成本综合化自动化系统的方向发展。114、大力发展和采用现场总线技术

现场总线：是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的通信总线。采用现场总线技术可实现一种具有开放式、数字化和网络化结构的新型自动化控制系统。

优势:(1)可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。(2)从智能传感器到智能调节阀的信号一直保持数字化，从而极大地提高了抗干扰能力。(3)是一种开放式的互联网，它可与同层网络相连，也可与不同层网络相连。(4)降低成本、组合扩展容易、安装及维护简便。125、大力研究和发展智能控制系统

为什么需要智能控制：工业自动化中工业控制系统的设计和分析是建立在精确的系统数学模型基础上的，而实际应用的控制系统由于各种因素的影响，无法获得精确的数学模型；同时，为了提高控制性能，整个控制系统会变得极其复杂，增加了设备的投资，降低了系统的可靠性。

智能控制定义:模拟人类学习和自适应的能力，能学习、存储和运用知识，能在逻辑推理和知识推理的基础上进行信息处理，能对复杂系统进行有效的全局性控制，能自主地驱动智能机器实现其目标的过程。

智能控制系统的研究范围：模糊逻辑控制、专家控制、神经网络控制、分级递阶智能控制系统、学习控制系统等。131.1.2控制系统体系结构的演变1、控制系统的发展过程

（1）初级控制系统

时间：20世纪50年代以前；特点：所用的设备主要是安装在生产现场、具有简单测控功能的基地式仪表，信号基本上都是在本仪表内起作用。此阶段的控制系统均简单、初级控制系统。

（2）模拟仪表控制系统

时间：60年代至70年代后期；

特点：以电子管、晶体管、集成电路为核心的气动和电动单元组合式仪表两大系列，它们分别以压缩空气和直流电源作为动力，用于对防爆要求较高的化工生产和其他行业，防爆等级为本质安全型，在仪表内部实行电压并联传输，外部实行电流串联传输，以减小传输过程的干扰。14（3）集中式数字控制系统

时间：80年代初；

特点：使用数字信号代替模拟信号，并研制出直接数字控制系统，用数字计算机代替控制室内的仪表来完成控制系统功能。用一台计算机取代控制室的所有仪表。解决了信号传输及抗干扰问题。

（4）集散控制系统（DCS）

组成：由数字调节器、可编程控制（PLC）以及多台计算机构成；

特点：当一台计算机出故障时，其他计算机立即接替该计算机的工作，使系统继续正常运行。在DCS系统中，测量仪表、变送器一般为模拟仪表，控制器多为数字式，因而它又是一种模拟数字混合系统。但是各厂家的产品互换与互操作有一定的局限性。

15（5）现场总线控制系统（FCS）

特点：把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可以将来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备通过现场总线控制系统把DCS集中与分散结合的集散系统结构变成了新型全分布式系统结构，把控制功能彻底下放到现场。

16现场总线控制集散控制集中控制17传统泵/阀控制系统结构示意图P&V1P&V2P&V3P&V4P&V5CPU大量的电缆和连接!I/O,AD/DAetc.Modules18现场总线泵/阀控制系统结构示意图P&V1P&V2P&V3P&V4P&V5CPUDeviceNet接口只有一根电缆!!!NetworkScanner192、现场总线控制系统及现场总线技术的特点

定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。也有将现场总线定义为应用在生产现场，在智能测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。也称为开放式、数字化、多点通信的低成本底层控制系统。

特点：一是在体系结构上成功实现了串行连接，一举克服并行连接的许多不足。二是在技术层面上成功解决了开放竞争和设备兼容两大难题，实现了现场设备智能化和控制系统分散化两大目标。20（1）现场总线控制系统体系结构的特点①基础性②灵活性③易用性④分散性⑤经济性21（2）现场总线技术的特点

①开放性。②交互性。③自治性。④适应性。223

典型现场总线简介目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线（sensorbus)，属于位传输；设备总线（devicebus)，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。233

典型现场总线简介基金会现场总线(FoundationFieldbus,FF)美国1994年,由ISP和WorldFIP两大集团合并成立现场总线基金会。目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一。它的前身是以Fisher-Rosement公司为首，联合80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制定的WorldFIP协议，两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会，致力于开发统—的现场总线标准。FF目前拥有120多个成员，这包括世界上最主要的自动化设备供应商：AB、ABB、Foxboro、Honeywell、Smnr、FUJIElectric等。采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层,增加了用户层(OpenSystemInterconnection,共7层，物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层)有低速(H1,31.25kb/s,200m，400m，1200m，1900m)与高速(H2,1Mbps,2.5Mpbs,750m,500m)之分,H2逐渐被HSE(100Mb/s,甚至更高)取代支持双绞线、同轴电缆、光缆和无线发射等传输介质应用领域以过程自动化为主，大型石化企业较多，比如化工,石油,污水处理。243

典型现场总线简介过程现场总线(Processfieldbus,Profibus)欧洲西门子为首的13家公司和5家科研机构在联合开发的项目中制定的标准规范。1989年12月成立了PN0，1996年PR0FIBUS成为德国国家标淮DINl9245。同时又是欧洲标准EN50170。PR0FIBUS在实际应用中业绩斐然，在众多总线中居于前列，广泛应用于各种行业。同FF一样，它也是最具竞争力的一类现场总线。共有3种版本Profibus-DP（DecentralisedPeripherals），(最大传输速率为12Mb/s)应用于现场级，经过优化的高速、廉价的传输形式适于自动控制系统与现场设备之间的实时通信，它采用了RS-485传输。Profibus-FMS（FieldbusMessageSpecification），用于车间级，即中、下层,要求面向对象，提供较大数据量的通信服务、它有被以太网取代的趋势，它也采用RS-485传输Profibus-PA（ProcessAutomation），专为过程自动化设计，它采用了IECll58-2传输技术，可用于有爆炸危险的环境中。采用ISO/OSI的物理层、数据链路层和应用层传输速率为9.6kbps-12Mbps,传输距离为100m-1.2km采用总线型、树型、星型支持双绞线和光纤制造自动化和过程控制自动化（电力,铁路交通，食品烟草，水处理，建材，机械中应用较多）253

典型现场总线简介控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)由德国Bosch开发,起初专为汽车工业设计.遵循ISO/OSI模型,采用了物理层和数据链路层,应用层协议允许用户自行开发.采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力，最可靠可采用双绞线、同轴电缆、光缆等传输介质通讯速率最高1Mb/s,最远通讯距离可达10km成为ISO国际标准.芯片由摩托罗拉,Intel等公司生产,价格低廉,用量最大263

典型现场总线简介局部操作网络(LocalOperatingNetwork,LON)由美国Echelon公司推出,摩托罗拉、东芝支持倡导.组成LonMARK互操作协会采用OSI模型全部7层通讯协议通讯速率从300b/s到1.5Mb/s,通讯距离可达2700m采用总线型、树型支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线、电力线、无线发射等传输介质LonTalk协议固化在Neuron芯片中.每片芯片带3个8位微处理器最大的应用领域在楼宇自动化,在工业控制领域如石油,铁路也有应用273

典型现场总线简介设备网(DeviceNet)由Rockwell推出,交由ODVA管理后得到全球众多制造商的支持,如Omron,Hitachi,ABB采用物理层,数据链路层和应用层可选数据传输速率125Kbps,250Kbps,500Kbps对等（peertopeer)，多主和主从通信方式可带电更换网络节点，在线修改网络配置基于CAN的技术,低成本,高可靠性283

典型现场总线简介控制网(ControlNet)由美国RockwellAutomation推出,交由CI管理后在全世界范围内拥有包括RockwellAutomation、ABB、Honeywell等70家著名厂商组成的成员单位.通讯速率5Mb/s,通讯距离30km采用物理层,数据链路层和应用层支持总线型,树型和星型应用于交通运输,汽车制造,冶金,矿山,电力,食品等领域293

典型现场总线简介P-Net(ProcessautomationNet)1984年由丹麦ProcessdataA/s公司提出,由Process-DataSilkeborgAps开发。采用OSI/的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层采用屏蔽双绞线,数据传输速率为76.8kbps,传输距离1.2km多主控制器,主从式总线,每段最多可容纳32个主控制器应用主要集中农业,水产,饲养,林业,食品等行业303

典型现场总线简介WorldFIP(WorldFactoryInstrumentationProtocol)

WorldFIP基于FIP协议，其最初由法国于80年代开发，并成为法国国家标准和欧洲标准,有WorldFIP协会组织采用ISO/OSI模型的物理层、数据链路层、应用层具有单一的总线结构,可适应不同应用领域的需求不同应用领域采用不同的总线速率,过程控制采用31.25kpbs,制造业为1Mbps,驱动控制为1-5Mbps主要应用在过程自动化,制造自动化,电力,铁路运输313

典型现场总线简介Interbus(InternationalBus)1984年由德国PhoenixContact公司开发,后成立Interbus组织(InterbusClub)采用OSI/ISO物理层,数据链路层和应用层集中式主从方案，环型拓扑，传输速率为500KbpsInterBus适用于分散输入输出、串行总线的PLC和PC系统Interbus是一种传感器级的现场总线，令牌网，经济性是它的一大特点。Interbus的应用主要在汽车制造,机械制造,水处理,隧道交通,食品,轻工,烟草,印刷等行业.323

典型现场总线简介AS-i(ActuatorSensorInterface)AS-i由德国11家传感器/执行器制造商针对机床控制中的二进制开/关设备联合开发,成立ASI国际协会.AS-i系纯粹的主从系统，支持最多31个从节点，每个节点带4位数据，整个网络共有124个可寻址输入/输出。采用黄色的非屏蔽、非绞的双线传输数据和电源。AS-i可通过具网关功能的主设备（PLC或PC）连接至高一级总线系统，特别适用于作为小型PLC的通讯总线。333

典型现场总线简介SDS(SmartDeviceSystem)SDS专为I/O级控制应用设计，以扩展到更高一级总线，由HoneywellMicroSwitchDivision开发SDS标准定义了应用层、物理层和设备规约。连接简单I/O设备至PLC或PC，以垂询方式工作时特别有效。同时可以运行在对等模式下，以提供分散控制。规定的4种传输速率为125K、250K、500K和1M，网络中可容纳至多64个节点。基于CAN的技术,数据传送方式与DeviceNet类似343

典型现场总线简介RS-485尽管RS-485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通信协议。设备简单，成本低等优势，仍具生命力。OPTO-22命令集在许多系统中得到广泛应用。353

典型现场总线简介HART：HighwayAddressableRemoteTransducerHART协议为可寻址远程传感器数据通路通信协议

它最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持和加盟，于1993年成立了HART通信基金会。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，是模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。36

工业数据通信传送的数据内容：生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等。1.1.3工业数据通信与控制网络

1.工业数据通信工业数据通信定义：在工业生产过程中，除了计算机与外围设备，还存在大量检测工艺参数数值与状态的变送器和控制生产过程的控制设备，在这些测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间遵照通信协议、利用数据传输技术传递数据信息的过程，一般称之为工业数据通信。37与计算机通讯的区别功能计算机通讯的功能是可靠地传递信息现场总线的功能是经济、安全、可靠的传递信息;正确使用所传信息;及时处理所传信息要求对计算机通讯的主要要求是传输速度快对现场总线的要求不仅是传输速度快,而且要求响应快38控制系统的通信中往往要考虑以下几个问题：产品怎样互联在一起？系统中不同产品间要有可靠的互操作性及不同供货商的同类产品要有可互换性。产品将要交换什么样类型的数据？是控制数据(如I/O等)还是信息数据（如图文，声音等）系统需要什么样的容吐量？产品怎样被组态？系统能否在将来可以进一步扩充？39应该根据具体的应用需求来选择不同的网络，不同的应用需求对数据的要求是不同的:对数据量要求的不同。网络上要求传送的数据量可能以兆字节或字节或位来计算。负载量的变化，对网络的带宽有不同要求，。对数据类型要求不同。要求可能是I/O信息，状态突变的信息或显式报文（ExplicitMessaging），程序的上载/下载，诊断信息等对网络性能要求不同。可能要求网络主要处理高速离散量或者模拟量，对工业控制网络特别要求确定性和可重复性。40工业控制网络体系罗克韦尔自动化提出了三层网络,即设备层，控制层和信息层的体系。41三层网络共同的特点从底层到高层全部是开放的不需许可证，不用注册，没有任何限制对任何人都是可用的技术产品的可靠的互操作性扁平结构可从高层对以下各层的产品组态及监测以最少层次的网络支持所有层之间的完全桥接层之间通过网桥/网关连接对设备可有增强的诊断能力将控制分散到整个体系42三层网络不同的特点信息层（例如：使用Ethernet)高速报文传送高容量数据共享控制层（例如：使用ControlNet)支持I/O信息，报文的传输和诊断功能开放性技术能够设置信息的优先级支持多主机、广播式和点对点(Peer-to-Peer)的通信方式高速I/O信息和报文的传送有效地数据共享确定性和可重复性(Determinism&Repeatability)设备层(例如：使用DeviceNet)有类似于控制层的要求，但更强调降低安装费用、系统调试时间43442．控制网络（1）控制网络与现场总线

控制网络的定义：将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成为可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。它既是一个位于生产现场的网络系统，又是一个以网络为支撑的控制系统。除了普通的计算机、工作站、打印机、显示终端之外，大量的网络节点是各种可编程控制器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。45图1.3企业网络体系结构461.2工业数据通信和控制网络连接及传输介质

1.2.1

计算机局域网及其拓扑结构

1.2.2

网络的传输介质及特性

1.2.3

信号的传输和编码技术471.2.1计算机局域网及其拓扑结构

1．计算机网络与计算机局域网（1）计算机网络发展

计算机网络的概念：用通信手段将空间上分散的、具有独立处理能力的多台计算机系统互联起来，按照某种网络协议进行数据通信，以进行信息交换、实现资源共享和协同工作的计算机系统的集合。①计算机网络必须是两台或两台以上的具有独立功能的计算机系统的集合。②网络中的计算机系统在空间是分散的。③网络中的多台计算机必须通过物理介质连接起来。④网络中计算机系统之间要进行信息交换，必须遵守某种约定和规则，这些约定和规则被称为协议。⑤网络中多台计算机系统互接的结果是完成数据交换，目的是为了实现信息资源的共享以及不同计算机系统间的相互操作以完成工作协同和应用集成。48

（2）计算机网络的组成

组成从逻辑功能上可以分成两部分：由负责数据处理的计算机（HOST）构成的资源子网以及由负责数据通信的通信处理机（IMP）构成的通信子网。图1.4计算机网络的组成49(3).计算机网络的分类

按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为局域网、城域网和广域网。局域网的技术特点覆盖有限的地理范围，适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求；提供高数据传输速率（10Mb/s～10Gb/s）、低误码率的高质量数据传输环境；一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展；50城域网的技术特点城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络；城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求；城域网在技术上与局域网相似。51广域网的技术特点广域网也称为远程网；覆盖的地理范围从几十公里到几千公里；覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；主要使用分组交换技术；它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。522.计算机网络的拓扑结构

拓扑结构的概念

所谓拓扑是一种研究与大小、形状无关的构成图形（线、面）特性的方法，即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为“节点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”。这样从拓扑学的角度看计算机网络就变成了点和线组成的几何图形，这就是网络的拓扑结构，也就说网络拓扑结构是一个网络的通信链路和节点的几何排列或物理图形布局。拓扑结构一般有网状形（mesh）、总线形（bus）、星形（star）、环形（ring）以及树形（tree）。53选择拓扑结构的依据网络的拓扑结构，对网络的各种性能起着至关重要的作用。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有：1.安装费用

最好是建楼同时或建楼装修以前进行安装，并考虑今后扩建的要求。合理选择拓扑结构以及相应的传输介质、传输距离，这将会有效的降低安装费用。2.更改的灵活性

网络建成之后，某些设备的搬动不会影响网络拓扑的改变，同时还应保证原有节点的删除和新节点的加入,也要相对容易。3.运行的可靠性

拓扑结构的选择要使个别节点损坏或网络本身无法运行等故障的检测和隔离较为方便。54网状拓扑网状结构是指将各网络结点与通信线路互连成不规则的形状，每个结点至少与其它两个结点相连，或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连。大型互联网一般都采用这种结构。在网状拓扑中，每个设备都有专门的线与其它设备实现点对点连接，专门即指这条连接只承载它所连接的两个站点之间的通信流量。对一个完全连接的网状网来说，为了实现几个站点的互连，必须要有n(n-1)/2个物理信道。为了提供这些众多的连接，网络中的每台设备必须要有n-1个输入输出（I/O）口。55星形拓扑星型结构的每个结点都由一条点到点链路与中心结点（公用中心交换设备，如：交换机、HUB等）相连。信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心站点与其它站点通信.集线器56环形拓扑环型结构是各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中。环型结构有两种类型，即单环结构和双环结构。令牌环（TokenRing）是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。57总线拓扑总线型拓扑结构是常用的局域网拓扑构。在这种拓扑结构中采用一条主干电缆，所有的节点通过其它的传输介质连接在该主干电缆上，主干电缆上安装有吸收信号反射的终结器，如图所示。58前四种拓扑的简单比较

造价安装难易排错难易故障影响主要应用总线型低易难一点断，全网断LAN、越来越少环型低易易一点断，全网断FDDI星型中中易单条线路LAN网状高难易有多条冗余线路WAN主干59树形拓扑树形网是星形拓扑变化而来的。在树形拓扑，各个节点连接到一个中央控制器上，但是，并不是每个设备都直接连到中央hub上，绝大多数设备被连到第二级甚至第三级hub上。也可把它看成是总线型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路。树形网拓扑适用于分级管理和控制系统。

601.2.2网络的传输介质及特性

传输介质是传输信息的载体，是网络中位于发送端与接收端之间的物理通路。资源子网中的各节点和通信子网中的通信处理机（IMP）之间均需通过传输介质连接。

图1.9网络传输介质的分类

61

传输介质的特性是选择传输介质的重要依据，它对网络中数据通信的质量影响很大，其主要特性如下：•

物理特性：传输介质物理结构的描述。•

传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围。•

连通特性：允许点-点或多点连接。•

地理范围：传输介质最大传输距离；•

抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响能力。621有线介质双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆63各种电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆64(1)双绞线双绞线也称为双扭线，是由８根不同颜色的线分成４对绞合在一起，成对扭绞的作用是尽可能减少电磁辐射与外部电磁干扰的影响。双绞线最常见的应用是电话系统，几乎所有的电话都通过双绞线连接到电话局。双绞线的宽带和传输距离取决于铜线的粗细，导线越粗，其通信距离越远，但价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。65无屏蔽双绞线（UTP）对UTP来说，各导线并排，没有屏蔽层。UTP电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成，双绞线内是直径1mm左右的铜丝，外面加上绝缘层，各绝缘层的颜色不同，以区别不同的导体。如下图：(a)Category3UTP.（3类无屏蔽双绞线）(b)Category5UTP.（5类无屏蔽双绞线）66UTP（续）UTP易受外部环境干扰，但由于其价格低廉且易于安装使用，所以使用非常广泛。1991年，美国电子工业协会EIA和电信工业协会TIA联合发布了EIA/TIA－568，规定了用于室内的UTP和STP。此标准规定了5个种类的UTP标准。对传送数据来说，常用的是3类线和5类线。3类UTP对应于大多数办公楼里使用的话音级电缆，在有限的距离内，经过适当的设计，速率可达10M以上，5类是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施，速率可达100Mbps。除了这5类以外，现在有了超5类和6类UTP。67屏蔽双绞线STP为了提高双绞线的抗干扰能力，可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。但它相对来说要贵一些，并且需要有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。除了IBM网络产品的安装外，并未普通流行。68双绞线的特点双绞线的优点：（1）价格便宜。（2）安装容易缺点：（1）易受电器干扰（2）传输速率不快（约10Mbps）双绞线电缆一般用于电话及低速数据或短距离通信上。69(2)同轴电缆同轴电缆由绕同一轴线的两个导体组成，它以硬铜线为芯，外裹一层绝缘材料，这层绝缘体外面又被密集的网状导体所环绕，网外又覆盖一个保护性塑料层。同轴电缆的这种结构，使它具有比双绞线更好的抗干扰能力。70同轴电缆的分类同轴电缆按阻抗分有两种，一种是50欧姆电缆，一般以铜网为外导体，用于基本数字信号的传输，主要用于局域以太网，速率一般是10Mbps；另一种是75欧姆电缆，用于宽带模拟传输，常用于有线电视，频带可达300M～450MHz，以铝带为外导体。宽带系统（75欧姆电缆）由于覆盖的区域广，因此，需要模拟放大器周期性地加强信号。这些放大器仅能单向传输信号，因此，如果计算机间有放大器，则报文分组就不能在计算机间逆向传输。为了解决这个问题，人们已经开发了两种类型的宽带系统：双缆系统和单缆系统。71同轴电缆的特点同轴电缆的优点：（1）较双绞线不易受电器干扰（2）使用寿命较长。缺点：

（1）价格较贵（2）重量较双绞线重。72光纤光纤即为光导纤维的简称。光纤通讯是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤传输时，有光脉冲表示1，没有光脉冲表示为0。由于可见光的频率（约10的14次方Hz）非常高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。在发送端有光源，可以采用发光二极管（LED)或半导体激光器（Laser）；在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。73光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯74输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤75光纤的优点不受电源线波动、电磁干扰及空气中腐蚀性化学物质的影响。可提供极宽的频带，功率损失小，无中继传输远。无串音干扰，保密性好，不易被截取数据。体积小，重量轻。76光纤的缺点安装分接不易，分路、耦合比较麻烦故障排除困难价格较高质地脆、机械强度低77介质比较781.2.3信号的传输和编码技术1．数据、信息和信号(略)2．信号的传输方式

（1）单工、半双工/全双工传输①单工方式

单工是指信号在任何时间内只能沿信道的一个方向传输，不允许改变方向。采用这种通信方式时，信源只允许发送信息，而信宿只能接收数据。②半双工方式

半双工是指信号在信道中可以双向传输，但两个方向只能交替进行，而不能同时进行。③全双工方式

全双工方式允许通信的双方在任何一个时刻，均可同时在两个方向传输数据信号。也就是说，通信双方在发送数据信息的同时仍可以接收对方发送来的信息。

79（2）并行/串行传输

①并行传输

并行传输指的是数据以成组的方式在多条并行信道上同时进行传输，每位单独使用一条线路。②串行传输

串行传输指的是数据按照顺序一位一位地在通信设备之间的一条通信信道上传输。80（3）同步/异步传输

为了保证发送端的信号能够被接收端准确无误地接收，接收端必须与发送端同步。

所谓同步就是要求通信的发送端和接收端在时间基准上保持一致。也就是说接收端不但要知道一组二进制位的开始与结束，还要知道每位二进制持续的时间，这样才能做到用适当的采样频率采样所收到的数据。①异步传输

在异步传输方式中，数据传输是以字符为单位，即每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符与字符之间的间隔可以是任意的。实现方法是：当没有数据发送时，传输线路处于空闲状态，线路信号电平与二进制“1”对应的电平相同。当发送端发送字符时，为了通知接收端准备接收数据，在要发送的字符前加上一个起始位，起始位的长度为1bit，其信号电平与二进制“0”对应的电平相同。

接收端通过检测信号电平发生的跳变来判断新数据的到达，从而与发送端取得同步。

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为了通知接收端一个字符已经传输结束，在字符代码的最后加上1位、1.5位或2位终止位（逻辑“1”）。

异步传输方式简单、易实现，但传输效率较低，开销较大，这是因为每个字符都要附加起始位和终止位。因此，异步传输常用于低速设备。82

②同步传输

同步传输是将若干个字符组合起来一起进行传输。这些组合起来的字符被称为数据帧（简称为帧）。在数据帧的第一部分包含一组同步字符，用于通知接收方一个数据帧已经到达，它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。数据帧的最后一部分是一个帧结束标记，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据。

83同步传输的优劣同步传输以数据帧为单位来传送数据，帧中的字符是连续的，字符间无需加入附加位，因此同步传输比异步传输效率高，开销也很小。但这种方式的缺点是发送端和接收端的控制复杂，且对线路要求也较高。84（4）基带/频带传输

①基带传输

在数据通信中，由计算机或终端产生的数字信号，其频谱从零开始，包括直流、低频和高频等多种成份，这种原始的脉冲电信号所固有的频率范围叫基本频带，简称基带（baseband）。在信道中直接传输基带信号就称为基带传输，基带传输也称数字传输。它是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上直接传输。目前大部分计算机局域网，都采用基带传输方式。由于基带传输是把数字信号按照原样进行传输，不需要经过任何调制或解调，因此所需附属设备少，价格低。双绞线、同轴电缆和光纤都可作为基带传输的传输介质。基带传输适合于短距离的数据传输。85

②频带传输

基带信号含有直流和大量的低频成分，往往不能直接通过电话线路这类介质进行传输，因此需要采取措施把数字信号转换成线路允许传输的频带范围内的模拟信号，才能在电话线路上传输，这就形成了频带传输。图1.15频带传输系统的基本构成

所谓频带传输就是将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输，在接收端，进行相反变换（解调），把模拟的调制信号还原为数字信号。861.2.4介质访问控制方式

介质访问控制方式是指控制计算机网络中多个节点利用公共传输介质发送和接收数据的方法。1．载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）

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CSMA/CD可归结为四句话：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。

CSMA/CD控制方式的优点：原理比较简单，技术上易实现;

网络中各工作站处于平等地位，不需集中控制;

不提供优先级控制

缺点：在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率下降。882．令牌环（Token-Ring）介质访问控制方式

工作原理：

(1)使用一个称之为“令牌”的控制标志，它沿环从一个工作站到另一个工作站不停地进行传递。

(2)当某一工作站准备发送信息时，就必须等待，直到检测并捕获到经过该站的令牌为止，然后，将令牌的控制标志从“空闲”状态改变为“忙”状态，并发送出一帧信息。

(3)其他的工作站随时检测经过本站的帧，当发送的帧目的地址与本站地址相符时，就接收该帧，待复制完毕再转发此帧，直到该帧沿环一周返回发送站，并收到接收站指向发送站的肯定应答信息时，才将发送的帧信息进行清除，并使令牌标志又处于“空闲”状态，继续插入环中。

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令牌环介质访问控制方式的优点:

能提供优先权服务，有很强的实时性;

在重负载环路中，“令牌”以循环方式工作，效率较高。

缺点:

控制电路较复杂，令牌容易丢失。

只能用在环形网络中。903．令牌总线（TokenBus）介质访问控制方式令牌总线主要用于总线形或树形网络结构中。它的访问控制方式类似于令牌环，把总线形或树形网络中的各个工作站按一定顺序排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。信息是双向传送，每个站都可检测到其它站点发出的信息。在令牌传递时，都要加上目的地址，所以只有检测到并得到令牌的工作站，才能发送信息。9192优点：各工作站对介质的共享权力均等，可设置优先级，也可不设；有较好的吞吐能力，吞吐量随数据传输速率增高而加大；连网距离较CSMA/CD方式大。缺点：控制电路较复杂、成本高；轻载时，线路传输效率低。931.3网络互连参考模型和规范

1.3.1

基本概念1.3.2

网络互连参考模型1.3.3

网络互连规范

941.3.1基本概念

网络互连是将分布在不同地理位置的网络、网络设备连接起来，构成更大规模的网络系统，以实现网络的数据资源共享。相互连接的网络可以是同种类型的网络，也可以是运行不同网络协议的异型系统。在相互连接的网络中，每个子网成为网络的一个组成部分，每个子网的网络资源都应该成为整个网络的共享资源，可以为网上任何一个节点所享用。同时，又应该屏蔽各子网在网络协议、服务类型、网络管理等方面的差异。网络互连技术能实现更大规模、更大范围的网络连接，使网络、网络设备、网络资源、网络服务成为一个整体。

951.3.2网络互连参考模型1．OSI（opensysteminterconnection）参考模型这个模型是一个计算机系统互连的规范，是指导生产厂家和用户共同遵循的中立的规范。这个规范是开放的，任何人均可免费使用。这个规范是为开放系统设计的，使用这个规范的系统必须向其他使用这个规范的系统开放。这个规范仅供参，可在一定的范围内根据需要进行适当调整。OSI参考模型从本质上来讲是一种通信协议的模型，它一方面集成了之前各种网络的长处，另一方面它也框定了其后各种网络的构架，使用跨平台、跨机种的系统互联得以实现，极大地促进了计算机网络技术的应用和发展。96OSI参考模型为7个层次，各层的协议细节由各