工业网络技术 第2章 计算机网络体系结构

第二幸

计算机网络体余结构

业网络结构

与n■网络结合

办公室应用、互联网

作业、数据服务器、

办公室主机、服务器存储器

(ERP、MES、PDM等)

控制网网关

基于PC的控制器

可编程控制器(PLC)

&电机，驱动设备、执

行器

机器人技术

传感器及其他输入输出设备

—控制层网络

-设备层网络

—信息层网络(Ethernet)

计算机网络体系结构

网络通信基础知识

计算机网络的概念

利用通信线路将具有独立

功能的计算机连接起来而

形成的计算机集合，计算

机间可以借助通信线路传

递信息，共享软件、硬件

和数据等资源

计算机网络应用举例（1）

共享打印机等各种硬件设备

计算机网络应用举例（2）

共享数据资源

计算机网络应用举例（3）

共享应用程序

口无株螺-3般-不和W

文僧E）制⑥查卷⑨nui）岬蜘）

计算机网络特点

计算机网络建立在通信网络的基础之上

建立计算机网络的目的

资源共享

在线通信

计算机网络分类

广域网（WAN）

覆盖的地理范围：几十公里到几千公里

通常利用公用网络进行组建

城域网（MAN）

覆盖的地理范围：几十公里之内

局域网（LAN）

覆盖的地理范围：有限范围（如实验室内、大楼内、

校园内）

分为共享式局域网与交换式局域网

计算机网络基础知识

拓扑结构

协议

网络的层次结构

拓扑结构

总线型

星型

环型

树型

混合型

总线型网络拓朴结构

工作站工作站工作站

总线型的优越性

一个节点失效不影响其他节点的工作

节点的增删不影响全网的运行

(a)总线型局域网的计算机连接(b)总线型局域网的拓扑结构

星型网络拓朴结构

工作站

工作站工作站

环型网络拓朴结构

工作站工作站

环型的主要问题

环中某一位置的断开将导致整个网络瘫痪

树型网络拓朴结构

工作站工作站

7

混合型网络拓朴结构

广作站

工作站工作站工作站

物理拓扑和逻辑拓扑

物理拓扑指网络的几何形状，即通常意义上的拓

扑；而逻辑拓扑（逻辑总线、逻辑环）则指信息在通

信介质中传输的机制。

对特定网络而言，其逻辑拓扑与物理拓扑不一定

相同。

==

「言］羲至q

Q

B_____

计算机网络基础知识

拓扑结构

协议

网络的层次结构

协议

协议(protocol)是通信双方为了实现通信

所进行的约定或所作的对话规则

协议的基本概念(1)

网络协议的组成

语义：做什么(whattodo)

语法：怎么做(howtodo)

定时关系：何时做(whentodo)

网络协议的优劣直接影响网络的性能

协议的基本概念（2）

计算机网络中存在有多种协议

协议之间的相互作用

为避免重复工作，每个协议应该处理没有被其

他协议处理过的通信问题

协议之间可以共享数据和信息

计算机网络基础知识

拓扑结构

协议

网络的层次结构

网络的层次结构（1）

层次划分的目的

将网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干较小的、

简单的问题

层次划分的原则

层内功能内聚

层间耦合松散

网络的层次结构（2）

层次结构的优越性

各层之间相互独立

灵活性好

每层都可以采用最合适的实现技术

易于实现和维护

有利于网络标准化

层次划分举例

信件内容:

■收/发信件人

■信件内容

信封内容：

网络管理■收/发信人的地址

■邮票

■信件内容包在里面

■书写格式严格

1口相:

■保存信封

■地址并标识

传输介质运送信件:

开放系统互联参考模型（OSI/RM）

1974年，旧M公司宣布推出系统网络体系结构

SNAo

随后，其他公司也相继推出各自的体系结构。

ISO于1977年研究实现各种计算机在世界范

围内互联成网的标准框架，即开放系统互联

参考模型。

开放系统互联参考模型（OSI/RM）

卡机HOST申何惟申M节点卡机HOST

「----------——--------------------厂---»--1m

裳示心

［会知

仲・瓜传■瞿

川珞发

jgggjggg物吟物鹿层

中网”点若为主机他0介质传统介股他介川

蝌只住川仙三疑物汉

层次结构模型中数据的传送过程

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

//

APi

应用层剥去首部，取出应用程序数据

5

上交给应用进程

44

33

22

11

0

计算机1向计算机2发送数据

计算机1向计算机2发送数据

注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次

计算机1计算机2

APi应用层首部应用数据AP2

传输层首部

应用数据5

H5

网络层首部

4，链降层\程序数据4

链路层

首部

3^3程序数据尾部3

2

2H2H3H4H应用程序数据

110100110100101比特流1101011101011

0

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

计算机1向计算机2发送数据

计算机1计算机2

计算机1向计算机2发送数据

协议、服务和服务访问点

协议是“水平的”，即协议是控制对等层次实

体之间通信的规则。

服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通

过层间接口提供的。

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称

为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)o

协议、服务和服务访问点

SAPSAP第n层

服务提供者

向连接服务与无连接服务

面向连接月艮务(connection-oriented)

面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接

释放这三个阶段。

无连接月艮务(connectionless)

两个实体之间的通信不需要先建立好连接。

是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为

“尽最大努力交付"(besteffortdelivery)或

“尽力而为”。

现场总线模型

应用层信件内容：

网■收/发信件人

■信件内容

络省略3〜6层信封内容：

网络管理■收/发信人的地址

■邮票

■信齐内容包在里面

管

■书写格式严格

数据链路层

理

信箱：

物理层1・■保存信封

■地址并标识

传输介质运送信件：

TCP/IP体系结构

TCP/IP协议是工业标准或“事实标准”

TCP/IP协议主要特点

开放的协议标准，可以免费使用

可运行于局域网、广域网和互联网中

统一的网络地址分配方案

标准化的高层协议

TCP/IP四层协议的表示方法

主机B

路由器应用层

ZZZ7传输层

网际层网际层

网络网络

接口层/接口层

网络1网络2

OSI与TCP/IP的比较

OSITCP/IPTCP/IP的三个服务层次

TCP/IP协议栈

应用层TelnetFTPSMTPDNSSNMP

传输层TCPUDP

IGMPICMP

互联层[•IP

ARP

TokenFrame

网络接口层EthernetATM

RingRelay

OSI与TCP的简单比较

共同点

层次化的结构

OSI的主要问题

定义复杂

实现困难

有些功能在每一层重复出现

效率低下

TCP/IP的主要问题

网络接口层并不是实际的一层

各层的功能定义与实现方法没能区分开来等

开放系统互联参考模型（OSI/RM）

卡机HOST申何惟申M节点卡机HOST

「----------——--------------------厂---»--1m

裳示心

［会知

仲・瓜传■瞿

川珞发

jgggjggg物吟物鹿层

中网”点若为主机他0介质传统介股他介川

蝌只住川仙三疑物汉

传输介质

a）同轴电缆b）非屏蔽双绞线

c）屏蔽双绞线d）光缆

传输介质

介质类型

连接器类型

传输介质

双绞线

同轴电缆

。光缆

无线传输

非屏蔽双绞线和RJ・45连接器

Ill

双绞线ext

线间干扰较小、价格便宜、易于安装

可传输模拟信号，也可传输数字信号

〃在电话系统中，用于传输模拟信号

〃在计算机网络中，用于传输数字信号，常用8芯无

屏蔽双绞线(UTP)通常的传输距离为100m

如Cat3(10Mbps)和Cat5(100Mbps)

传输介质

双绞线

同轴电缆

❖光缆

无线传输

同轴电缆

外层保护套屏蔽金属网塑料绝缘层

中心铜导体

同轴电缆连接器类型

GUARANTEE1

同轴电缆ext

常用的同轴电缆有两种：

❖50Q同轴电缆

尸50Q同轴电缆用于数字信号传输，目前基

本已被双线线所替代

❖75Q同轴电缆

>75Q同轴电缆用于模拟信号传输，目前主

要用于电视信号的传输

》由于75Q同轴电缆的带宽极宽，所以，也

被用于城域网，如有线通

同轴电缆ext

基带同轴电缆速率10Mbps,传输距离限制

在几公里；而宽带同轴电缆速率几百

Mbps,传输距离限制在几十公里。

同轴电缆的抗干扰能力远好于双绞线，适

用于工业现场。

传输介质

双绞线

同轴电缆

光缆

无线传输

光纤

电阴放大器f电的

——而I「（螺尤绢T—为检嬲

光缆连接器类型一ST与SC

光缆

♦多模光缆：通过光的折射在光纤中传

输，S巨离2km

♦单模光缆：直线传输，距离10km

光传输系统包括：

光源、传输介质（光纤）、光检测器

光缆相对铜缆的特性

❖带宽高距离远损耗低重量轻

无电磁干扰防窃听

端口设备价格高

<I

传输介质

双绞线

同轴电缆

光缆

无线传输

数传电台

传输距离：天线的高度、类型和信号强度

❖传输可靠性：障碍物

传输正确性：气象条件

卫星通信

OSI模型各层功能——物理层

物理层是指在传输介质之上为数据链路层

提供一个原始比特流的物理连接。

物理层的传输单位为比特。

物理层

物理层定义了编码的类型、位同步方式、

数据传输速率，采用的单工、半双工、

全双工传输方式也要在物理层说明。

典型的有EIA-232、EIA-485o

EIA-232-D机械特性

DB25连接器

DB9连接器

EIA-232-D电气特性

EIA-232-D电气特性采用负逻辑o

—5〜-15V,表示逻辑“1”；

+5〜+15V,表示逻辑“0”。

什么是数据？（重要）

各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像

等统称为数据。

信号是数据的电子或电磁编码。

信息（Information）是对数据（Data）的解释,

数据是信息的载体，信号（Signal）是数据的

电子编码。

什么是数据？ext

*数据涉及的是事物的表现形式

❖数据有模拟数据和数字数据两种形式

〃模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值，例如声

音和视频、温度和压力等都是时间的连续函数

〃数字数据是指产生的离散的值，例如文本信息和整数

♦：♦信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编

码，它使数据能以适当的形式在介质上传输

〃信号有模拟信号和数字信号两种基本形式

-传输信号的信道也有模拟信道和数字信道之分

什么是通信?

通过各种传输介质将信息从一个地点、一

个人或一台设备传送到另一个地点、另

一个人或设备的过程。

通信的目的是交换信息。

什么是数据通信?

数据通信是两点或多点之间借助某种传输

介质以二进制代码形式进行信息交换的

过程。

数据通信技术主要涉及通信协议、信号编

码、同步等问题。

数据编码

通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。

数字数据的数字信号编码

数字数据的模拟信号编码

模拟数据的数字信号编码

数字数据编码（重点）

将二进制数字数据使用两个电平来表示，

形成矩形脉冲信号。

分为不归零码、归零码、差分码、曼彻斯

特编码、差分曼彻斯特编码。

不归零码

全宽单极性码:

.01101001

全宽单极码以高电平（或者有电流）表示数据

“1”，以低电平（或者没有电流）表示数据

“0”。

CAN总线和DeviceNet采用这种方式。

全宽单极性码

优点：

(1)便于逐位仲裁。

缺点：

(1)积累直流分量；

(2)各位之间的界限不易确定。

不归零码ext

全宽双极性码：

■01101001

I

全宽双极码以正电平（或者正向电流）表示数

据“1”，以负电平（或者反向电流）表示数据

“0”。

全宽双极性码

优点：

(1)不积累直流分量。

缺点：

(1)各位之间的界限不易确定。

归零码

不归零码都是在一个码元的全部时间内发出

信号电平。如果两个码元数据相同（例如

都是1）,则电平保持不变。

而这嵇情、氏六要求区分每个码元的电平就必

须对每个码元的占用时间做精确确定。否

则,就会带来不同步的问题。

归零码ext

归零码编码方式中，信号电平在一个码元之

内都要恢复到零。

可以很方便地确定每个码元的界限和信号电

平。

归零码ext

单极性归零码:

归零码ext

双极性归零码:

八01101001

・■■■jI「I1Hl1]

touuu

曼彻斯特编码

每位的中间有一跳变，位中间的跳变既做时

钟信号，又作数据信号。

从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示

跳变既作为数据信号标志，也是时钟信号的

曼彻斯特编码ext

H

L

：ta)不白卷码同：

_LrLrhJTUtL

H

L

!(♦曼和蜥特编码!

H人一irLrTLLrLrnJ

I.

I出港分登彻斯的血码:

♦III：v:、I

差分曼彻斯特编码

它的每一位中间的跳变仅用来提供时钟信

息；

二进制数据的取值由每一位开始的边界是

否存在跳变而定；

每一位的开始边界有变化代表逻辑“0”，

无变化代表逻辑“1”。

数据传输方式

并行传输

串行传输

并行传输

将数据以成组的方式在两条以上的并行通

道上同时传输；

可以同时传输一组数据位，每个数据位使

用单独一条导线。

串行传输

串行数据传输时，数据一位一位在通信线上传输。

发送端将几位并行数据经并一串转换硬件转换成串

行方式，再逐位经传输介质到达接收端，并在接

收端将数据从串行方式重新转换成并行方式。

两者比较

串行传输速度要比并行传输慢得多，但易于实现,

适合远距离的数据通信。现场总线均采用串行

通信的方式。

并行传输速度快，且无需变换，但它需要的传输

通道多，主要用于近距离通信。计算机内部的

总线结构就是并行通信的例子。

同步（重点）

同步：接收端要按照发送端发送的每个位

规定时间来接收数据。

位同步和群同步

同步ext

发送散

据呼列

信号序丹

发送时停

接收时

Wch

接收时

接收数

接收收

(I(»OO

«<2>

位同步

使接收端对每一位数据都要和发送端保持

准确同步。

位时间的组成

同步段传播段相位缓冲段1相位缓冲段2

采样点

位时间的组成ext

同步段用于同步总线上的各个节点或设备。

在此段内，等待一个跳变沿。

传播段用于补偿网络内的物理延迟时间。

相位缓冲段1和2用于补偿相位边沿的误差。

重同步

在消息帧的随后位中，每当有跳变沿出现,

且该跳变落在了同步段之外，就会引起

一次重同步。

重同步机制根据跳变沿的位置延长或者缩

短位时间以调整采样点的位置，保证正

确采样。

重同步ext

相位误差：跳变沿相对同步段的位置。

如果跳变沿处于同步段内，则相位误差为0；

如果跳变沿位于采样之前，同步段之后，则相

位误差大于0；

如果跳变沿位于当前的采样点之后，下一个位

的同步段之前，则相位误差小于0。

重同步ext

跳变沿落在了同步段之后采样点之前，为

正的相位误差，接收器会认为是一个慢

速发送器发送的滞后边沿。

MU#

・£口■同一

□-Menn

重同步ext

跳变沿落在了采样点之后同步段之前，为负的相

位误差，接收器认为一个快速发送器发送的下

一个位时间的提前边沿。

即

□悠韩十A

位同步一自同步法

自同步法是能从数据信号波形中提取同步

信号的方法。

典型例子就是著名的曼彻斯特编码，每一

位的中间有一跳变，位中间的跳变既作

时钟信号，又作数据信号。

群同步

又称起止同步，异步。

靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步

的。

在起始位和停止位间，形成一个需传送的字符。

起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比

特的同步；而停止位标志该字符传输结束。

群同步传输ext

每个通信节点都有自己的时钟信号；

实现简单，频率的漂移不会积累，对收发

器要求较低；

PC机的232串口通信方式。

通信线路的工作方式

单工通信

半双工通信

全双工通信

单工通信

单工数据传输只支持数据在一个方向上传

输，而不进行与此相反方向的传送。

•I--------------1篁席流J-------------

通信连接

⑸单工

半双工通信

半双工数据传输允许数据在两个方向上传

输，在某一时刻，只允许数据在一个方

向上传输。

(b)半双工

全双工通信

全双工数据通信允许数据同时在两个方向

上传输，它要求发送设备和接收设备都

有独立的接收和发送能力。

(C〉全双工

信号的传输模式

基带传输

载波传输

宽带传输

基带传输

。信号源产生的原始电信号称为基带信

号，即：将数字数据0、1直接用两种不

同的电压表示，然后送到线路上去传输

用于数字传输：局域网，50Q,通常传输

笈巨离为185M（细缆）、500M（粗缆）

不采用任何调制措施。

传输速率为0ToMHz,距离在25km内。

载波传输

又称频带传输，将基带信号进行调制后形

成的模拟信号送到线路上进行传输的方

式。

在发送端和接收端都要设置调制解调器。

适合于长距离的数据传输，如电话网。

宽带传输

将多路基带信号、音频信号和视频信号的

频谱分别移到一个物理信道的不同频段

进行传输的方式。

数据传输速率可达0~400Mbps。

宽带网可划分为多条基带信道。

数据链路层的基本概念

链路(link)是一条无源的点到点的物理线

路段，中间没有任何其他的交换节点。

数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有

通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些

协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链

路。

物理链路与数据链路

物理链路与数据链路的区别

数据链路层ext

成帧：把比特流分成离散的帧。

流量控制：限制发送方所发出的数据流量,

使发送速率不能超过接收方能处理的速

率。

差错控制：保证接收到的信息帧正确。

CAN的数据帧

数据帧，

▼

或超载帧,

□

仲裁场控制场，数据场.」CRC场.帧结束

V帧起始.ACK

CAN数据帧结构.

n

可靠性传输（重点）

避免帧错误的保证：帧的校验

避免帧丢失的保证：超时和重发

避免帧重复的保证：帧有序号

差错控制

如何保证数据帧的正常传输，将通过

三种手段处理三种可能出现的情况：

确认►

数据帧丢失

重复帧>

确认

接收方在收到了正确的帧后向发送方发

肯定性确认；如收到的帧有问题，则发

否定性确认，此时发送方将重发此帧

确认的前提是必须经过差错检测

差错控制

传输出错的原因是数据中的一位或几位因噪

声干扰而出错。

噪声分两种：

信道所固有的、持续存在的热噪声

外界突发原因而造成的随机的冲击噪声

通常接收方应能检错，甚至纠错

差错控制编码

纠错码：利用附加的信息在接收端能够检

测和校正一定位数的差错。如海明码。

检错码：利用附加的信息在接收端能够检

测出所有的或者是绝大部分的差错。如

奇偶校验码和CRC校验码。

奇偶校验码

发送方在发送数据时，首先要将数据中“1”的个数

进行统计，确定是奇或偶，并将统计的结果连同

数据一同发送给接收方。接收方对收到的数据统

计其中的“1”的个数以确定奇偶。

检验方法简单，但检错能力差，一般只用于通信要

求较低的场合。

循环冗余校验（CRC校验）

在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后

面一起发送到接收端，接收端也按照同样的方

法产生循环冗余码。

将两个校验码进行比较。

该方法能够检测出大约99.95%的错误，但计算

量比较大。

CRC检验

■:.任何一个k位的帧看成一个k・1次的多项式M(x)

如：1011001看成x6+x4+x3+x。

❖设定一个生成多项式G(x),G(x)为r阶

❖如x「M(x)/G(x)=Q(x)+R(x)/G(x)其中Q(x)为商、R(x)为

余数，R(x)即为M(x)的CRC码

。将CRC码接在帧后一起发送，即发送数据为x「M(x)+R(x)

二进制运算中，减法和加法都做异或运算：0+1=1,1+1=0

❖因为(x/M(x)・R(x))一定能被G(x)整除,即余数为0,则接