轨道交通列车网络控制技术课件：计算机网络控制技术

轨道交通列车网络控制技术

计算机网络控制技术4u能力目标：(1)能分析不同系统的网络拓扑结构。(2)能操作常见的网络连接设备，进行基本

的连接及调试。培养学生问题解决能力，使其能运用系统分析方法全面梳理问题，抓住关键环节与影响因素，制定合理解决方案。学习重点(1)理解计算机网络的概念及功能。 (2)掌握各网络拓扑结构的工作原理。

(3)掌握各种网络传输介质的应用及特

点。u知识目标：(1)了解计算机网络的概念及功能。(2)掌握各网络拓扑结构的工作原理。(3)掌握各种网络传输介质的应用及特点。u素质目标：学习目标2计算机网络概述网络传输介质网络互联设备网络拓扑结构4

任务四2

任务二1

任务一3

任务三目

录CATALOG3任务一计算机网络概述4

一、

计算机网络的定义计算机网络是指利用通信线路和通信设备，将分布在不同地理位置、具有独立功能的多台计算机系统、终端及其附属设备互相连接，以功能完善的网络软件(网络操作系统和网络通信协议等)实现资源共享和网络通信的计算机系统的集合，它是计算机技术和通信技术相

结合的产物。u具有独立功能的计算机系统u通信线路和通信设备u网络操作系统和网络通信协议u资源(指网络中可共享的所有软、硬件，包括程序、数据库、存储设备、打印机等)5远程教育等应用，可传输数据、图文、音视频等多媒体信息。功能二、计算机网络的功能

664

.提高系统可靠性：多机互为冗余备份，某设备故障时其他节点可接管，保障系统持续稳定运行。5

.

集中管理：通过网络对整体系统

进行集中管控，简化流程，提升管理效率。计算机网络五大核心功能：资源共享、

网络通信、分布式处理、提高系统的可靠性、集中管理。2

.

网络通信：网络通信实现计算机间数据收发，支持邮件、电商、3

.

分布式处理：分布式处理

将复杂任务拆分，由多机协同并行处理，充分利用计算资源，提升系统性能与效率。1

.

资源共享：资源共享共享硬件、软件与数据资源，提升设备利用率，降低开发维护成本，实现信息高效利用。三、计算机网络的组成计算机网络的组成如图3-1所示。图3-1计算机网络的组成72.

工作站/终端用户使用的计算机设备，如个人计算机、笔记本计算机、智能手机等，

用于访问网络资源和执行各种网络

应用。4.

通信线路和通信设备(

1)

通信线路：

用于传输数据的物理媒介，包括有线线路(如双绞线、同轴电缆、光纤)和无线信道(如无线电波、

红外线)。(2)

通信设备：

如网卡(网络接口卡)

，用于计算机与通信线路之间的连接和数

据传输。3.

网络设备(

1)

路由器：

连接不同的网络，

实现网络间的通信和数据转发。(2)

交换机：在局域网内部实现数据包的交换和传输。(

3)

网桥：

连接局域网和广域网，实现不同网络间的通信。(4)

集线器：

连接多个设备，

实现数据的传输和集中管理。三、计算机网络的组成(一)

硬件组成部分1.

服务器高性能的计算机，用于存储、

处理和传输数据，为网络提供服务。硬件

组成部分81.

网络协议网络协议是计算机网络为进行数据交换而建立的规则、标准或约定。它们定义了计算机之间如何进行通信和数据交换的方式和规则，包括数据的格式、传输顺序、错误检测和纠正机制等。常见的网络协议有TCP/IP协议族(包括TCP、IP、HTTP、FTP等)。2.

网络操作系统网络操作系统用于管理和控制网络资源，为网络用户提供服务。它提供了用户接口、文件管理、任务调度、网络通信等功能，

并支持多个用户同时使用网络资源。3.

网络应用软件网络应用软件是满足用户在网络环境下的各种需求的软件，如电子邮件客户端、网页浏览器、文件共享软件、即时通信软件等。这些软件使得用户能够方便地访问和使用网络资源。三、计算机网络的组成

99(二)

软件组成部分020301网络拓扑结构：描述了网络中各设备之间的连接方式和布局，如星形、环形、总线形等。不同的网络拓扑结构对网络的性能、可靠性和扩展性有重要影响。三、计算机网络的组成(三)

其他组成部分10任务二网络拓扑结构11连接，构成一个封闭的环路，如图3-2所示。由中继器转发数据，逐位原样转发；链路单向，数据沿环路单向循环传输。站点分组发送数据，打包后送入环路，

经中继器到达目的站点。一般采用分布控制，每个站有存取逻辑和收发控制。环形拓扑的工作站需要提供拆包和存取控制逻辑较复杂的功能。u

优点：中继器间可用光纤等高速链路，吞吐量高，适合工业环境。u

缺点：站点软硬件逻辑复杂；在设备数量、数据类型、

可靠性方面存在局限。

一、

环形拓扑网络拓扑结构是指网络中节点的互联形式。在网络拓扑结构中

，环形、星形、总线形和树形较为常见。在环形拓扑中，网络中有许多中继器进行点—点链路图3-2环形拓扑结构连接示意12两个站要传送数据，首先向中央节点发送请求，要求与目的地站建立连接。连接建立后，该站才向目的地站发送数据。这种拓扑采用集中式通信控制策略，所有通信均由中央节点控制，中央节点必须建立和维护许多并行数据通路，因此中央节点的结构显得非常复杂，而每个站的通信处理负担小，只需满足点—点链路简单通信要求，结构简单。二、星形拓扑在星形拓扑中，每个站通过点—点两站之间通信连接到中央节点，任何两站之间的通信都通过中央节点进行，如图3-3所示。星形拓扑采用电路交换，可实现数据通信量的综合，适用于低数据率设备；终端通信处理负担小，适合终端密集场景。相较于环形拓扑，星形拓扑的网络设备须具有较复杂的网络处理功能，而工作站负担小。图3-3星形拓扑结构连接示意13三、总线形拓扑在总线结构中，所有网上微机都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个节点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线中任何一个节点所接收，如图3-4所示。由于其信息向四周传播，类似于广播电台，故总线网络也被称为广播式网络。总线有一定的负载能力，因此，总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的节点。最著名的总线形拓扑结构是以太网(Ethernet)。总线布局的特点如下：(1)结构简单灵活，非常便于扩充；(2)可靠性高，网络响应速度快；(3)设备量少、价格低、安装使用方便；(4)共享资源能力强，非常便于广播式工作，即一个节点发送，所有节点都可接收。总线形网络结构是目前使用最广泛的结构，也是最传统的一种主流网络结构，适合于信息管理系统、办公自动化系统领域的应用。图3-4总线形拓扑结构连接示意14树形拓扑是总线形拓扑的扩展形式，传输介质是不封闭的分支电缆，如图3-5所示。它和总线形拓扑一样，一个站发送数据，其他站都能接收。因此，总线形和树形拓扑的传输方式称作多点式或广播式。树形拓扑的适应性很强，可适用于很宽的范围，如对网络设备的数量、数据率和数据类型等没有太多限制，可达到很高的带宽。四、树形拓扑图3-5树形拓扑结构连接示意15任务三网络传输介质16双绞线是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的，这两根导线按一定密度互相绞在一起。这种绞合方式不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，也可以降低多对绞线之间的相互干扰。每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，从而有效降低信号干扰的程度。双绞线一般由两根22~26号绝缘铜导线相互缠绕而成，“双绞线”的名字也是由此而来。实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的，如图3-6所示。传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线、

同轴电缆、

双绞线、

光缆、

无线与卫星通信。一、

双绞线图3-6双绞线171、物理特性：双绞线由按规则螺旋结构排列的2根或4根绝缘导线组成。一对双绞线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰小。2、传输特性：双绞线最普遍的应用是语言信号的模拟传输。在一条双绞线上使用频分多路复用技术可以进行多个音频通道的多路复用。3、连通性：双绞线可用于点—点连接，也可用于多点连接。4、地理范围：双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km

；用于10Mb/s局域网时，与集线器的最大距离为100m。5、抗干扰性：双绞线的抗干扰性取决于相邻线对的扭曲长度及屏蔽。在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆；在频率为10~100kHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆。6、价格：双绞线的价格低于其他传输介质，具有安装、

维护方便的优点。一、

双绞线双绞线的特点：18

二、

同轴电缆同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一，如图3-7所示。1、物理特性：同轴电缆由内导体、外导体、绝缘层及外部保护层组成。同轴电缆的特性参数由内、外导体及绝缘层的电气参数和机械尺寸决定。2、传输特性：同轴电缆按带宽分为两类：

基带同轴电缆仅传输数字信

号；宽带同轴电缆可通过频分复用划分多信道，实现多路传输。其核心参数为特征阻抗，由导体尺寸和绝缘介质决定。以太网常用500Ω基带同轴电缆，传输速率10Mb/s。3、连通性：同轴电缆支持点—点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接；基带

同轴电缆可支持数百台设备的连接。4、地理范围：基带同轴电缆的最大距离限制在几千米范围内；而宽带同轴电缆的最大距离可达几十千米。5、抗干扰性：同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。6、价格：同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间

，维护方便。图3-7同轴电缆19三

、光

缆光缆是光导纤维构成的电缆，它是网络传输介质中性能最好、应用最广泛的一种，如图3-8所示。1、物理特性：光纤是直径为50~100μm的能传导光波的柔软介质，有玻璃和塑料材质的光纤，其中用超高纯度的石英玻璃纤维制作的光纤的传输损耗很低。把折射率较高的单根光纤用折射率较低的材质包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光缆。2、传输特性：光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。典型的光纤传输系统的结构如图3-9所示。光纤发送端采用两种光源：发光二极管(LED)和注入型激光二极管。图3-9光纤传输系统的结构示意图3-8光缆20三

、光

缆

3、连通性：光纤最普通的连接方法是点—点方式，在某些系统中也采用多点连接方式。4、地理范围：光纤信号衰减极小

，可以在6~8km距离内不使用中继器实现高速率数据传输。5、抗干扰性：光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速率中保持低误码率。双绞线典型的误码率在10-6

~10-5之间，基带同轴电缆误码率为10-7

，宽带同轴电缆误码率为10-9

，而光纤误码率可以低于10-10。此外，光纤传输的安全性和保密性也很好。6、价格：光缆价格高于同轴电缆和双绞线。由于光缆具有低损耗、

宽频带、

高数据传输速率、

低误

码率、

安全保密性好等特性

，因此它是一种极有前途的传输介质。212121微波载波频率很高，可以同时传送大量信息。当用于数字通信时，其数据传输速率也很高。微波属于一种视距传输，它沿直线传播，不能绕射。红外通信和激光通信也属于方向性极强的直线传播，发送端与接收端必须可以直视，中间没有阻挡。u微波：工作频率为109~1010Hz，微波通信已很成熟，局域网可直接利用微波收发机进行通信，或作为中继接力扩大传输距离。u红外线：工作频率为1011~1014Hz，通过发送或接收电信号调制的非相干红外线就可形成一条通信链路。只要收发机处在实现范围内，就可准确地进行通信，方向性很强

，几乎不受干扰。u激光：工作频率为1014~1015Hz，用调制解调的相干激光实现激光通信。总之，选择传输介质时要考虑的问题很多，如网络拓扑、网络连接方式、网络通信量、要传输的数据类型、网络覆盖的地理范围、节点间的距离、传输介质与相关网络设备的性价比等，应根据应用需求，选择合适的传输介质。四、无线通信无线通信主要有微波通信、红外通信和激光通信。22任务四网络互联设备网络互联设备是把网络中的通信线路连接起来的各种设备的总称，这些设备包括中继器、集线器、交换机和路由器等。23一、

物理层连接设备1.

调制解调器调制解调器是通过普通电话线连接网络的小

型设备，是一种最便宜的网络之间的互联设备，如图3-10所示。它所连接的网络传输速度通常

较慢、性能极低。为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，需先将数字信号调制到正弦载波上转为模拟信号传输，接收端再解调还原，该方式为频带传输。实现调制与解调的设备

，称为调制解调器。图3-10调制解调器应用示意24中继器(Repeater)是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作，如图3-11所示。它主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于数据传输存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器会完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。中继器不理解帧、分组和头的概念，只理解电压值，因此它属于一种模拟设备

，用于连接两根电缆段。一、

物理层连接设备2.

中继器与集线器图3-11中继器应用示意25集线器工作于OSI参考模型的物理层

，与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备。它采用CSMA/CD

(即带冲突检测的载波监听多路访问技术)介质访问控制机制。集线器每个接口简单地收发信息，收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。集线器属于纯硬件网络底层设备，因此，

它发送数据时都是没有针对性的，而是采用广播方式发送。集线器(Hub)是一种局域网互联设备，用来集中电缆的外部设备，是集中管理网络的重要工具，如图3-12所示。集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。一、

物理层连接设备2.

中继器与集线器图3-12集线器应用示意26网桥的工作原理如下：(1)接收数据包：网桥从一个网络端口接收到数据包。(2)检查MAC地址：网桥检查数据包的目标MAC地址。(3)转发数据包：如果数据包的目标MAC地址在网桥的转发表

(MAC表)中，网桥就将数据包转发到相应的端口。如果目标MAC地址不在转发表中，网桥会转发数据包到所有端口。(4)学习MAC地址：网桥通过监视收到的每一个数据包，学习每个端口上设备的MAC地址，并将它们记录在转发表中，以优化数据包的转发过程。网桥是一种两端口二层网络设备，用于连接两个或多个局域网(LAN)，使它们形成一个统一的网络，如图3-13所示。网桥工作于OSI模型的数据链路层(第二层)，通过转发和过滤数据包来实现不同网络之间的互联。它根据数据包的目标MAC地址来判断数据包的去向，并决定是转发数据包到其他端口，还是丢弃数据包。二、数据链路层连接设备1.

网

桥图3-13网桥应用示意27二、数据链路层连接设备2.

交换机交换机可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路，如图3-14所示。它按照通信两端传输信息的需要，用设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由器上。交换机是一种基于MAC地址进行数据转发的设备。当一个数据包到达交换机时，交换机会检查其中的目标MAC地址，并将该数据包转发到与该MAC地址关联的端口上。为了实现数据包的转发，交换机需要学习每个设备的MAC地址和与之对应的端口。同时，交换机还需要防止网络中出现环路现象，为此实现了STP

(生成树协议)，通过选举一个根交换机以及计算各个交换机之间的最短路径，从而构建出一个无环的拓扑图3-14交换机应用示意结构。28计算机与外界局域网的连接是通过主机箱内插入一块网络接口板(或者是在笔记本式计算机中插入一块PCMCIA卡)。网络接口板又