《网络控制技术》-第2讲 网络与数据通信

1、邬 春 学 tyfond or wcx 上海理工大学,网络控制技术 Networked Control Technology,网络工程教研室 Saturday, June 27, 2020,第1部分 绪论 第2部分 网络与数据通信 第3部分 实时控制网络 第4部分 网络与控制性能分析 第5部分 NCS调度方法 第6部分 NCS常规控制器的设计 第7部分 现代主干网络技术综述 8部分 物联网技术综述,网络控制技术,1、计算机网络的形成与发展,(1) 面向终端的计算机网络,图2.1 面向终端的计算机网络示意图,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2.1 计算机网络基础,(

2、2) 多机互连系统,通过通信线路和设备把计算机连接起来，使之能相互通信,现代计算机网络的雏形,计算机公司自行研制，缺乏统一标准,例如，IBM公司 SNA网和DEC公司 DNA网,1、计算机网络的形成与发展,2.1 计算机网络基础,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 开放式标准化计算机网络,1977年，国际标准化组织ISO(International Standardization Organization) 设立分委员会SC16，以“开放系统互连”为目标，专门研究网络体系结构、 互连标准等。 1984年，ISO正式颁布了OSI(Open System Inte

3、rconnection)参考模型。,OSI参考模型的提出，解决了不同厂家生产的计算机之间的互连问题，现代计算机网络便是以OSI模型为标准进行工作的。,1、计算机网络的形成与发展,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2、计算机网络的概念,(1) 计算机网络的定义,计算机网络是利用通信设备和线路把地理上分散的多台自主计算机系统连接起来，在相应软件(网络操作系统、网络协议、网络通信、管理和应用软件等)的支持下，以实现数据通信和资源共享为目标的系统。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,图2.2 计算机网络构成示意图,计算机网络是由资源子网(虚框外部

4、)和通信子网(虚框内部)构成的，资源子网负责信息处理，通信子网负责全网中的信息传递。,2、计算机网络的概念,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(2) 计算机网络的功能,信息交换 资源共享 均衡使用网络资源 分布处理 数据信息的综合处理 提高计算机的安全可靠性,2、计算机网络的概念,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 计算机网络的分类,按通信距离和作用范围划分：广域网、局域网和城域网。 按数据交换方式划分：电路交换网、报文交换网和分组交换网。,2、计算机网络的概念,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,按覆盖范

5、围对网络进行划分,局域网（LAN：Local Area Network）是一种在近距离内具有很高数据传输速率的物理网络，覆盖范围在几米到几千米之间。如：以太网、令牌总线网、令牌环网等。 广域网（WAN：Wide Area Network） 广域网又称远程网， 通常是指作用范围为几十到几千公里的网络。 城域网（MAN：Metroplitan Area Network) 通常是指作用范围在WAN与LAN 之间，其运行方式与LAN相似，但距离可以到550千米的网络,2、计算机网络的概念,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,按数据交换方式划分,电路交换网：电路交换方式类似于传

6、统的电话交换方式，用户在开始通信前必须申请建立一条从发送端到接收端的物理信道，并且双方在通信期间始终占用该信道。,报文交换网 ：当一个节点要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。端节点之间无需先通过呼叫建立连接。,分组交换网：将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组可以减少每个节点所需的存储空间，分组可以存储到内存中提高交换速度。分组交换网适用于交互式通信，如终端与主机间的通信。,2、计算机网络的概念,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 典型的计算

7、机网络应用系统,办公自动化OA(Office Automation)； 工业自动化IA(Industrial Automation)； 管理信息系统MIS(Manage Information System)； 图书、信息检索系统； 证券及期货交易系统； POS与ATM系统； 电子政务(Electronic Government)； 电子商务(Electronic Business)； 远程教育(Distance Education)；,2、计算机网络的概念,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,3、计算机网络的拓扑结构,(1) 总线型结构 (2) 星型结构 (3) 环

8、形结构 (4) 混合型结构,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,网络拓扑采用一种传输媒体作为公用信道，所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。,(1) 总线型结构,图2.3 总线拓扑结构示意图,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(1) 总线型结构,总线拓扑的优点是： 总线结构需要的电缆数量少。 总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性。 易于扩充，数据端用户入网灵活。,总线拓扑结构的缺点是： 总线的传输距离有限，通信范围受到限制。 当接口发生故障时，将影响全网，且诊断和隔离较困难。 一次仅能由一

9、个端用户发送数据，其它端用户必须等待，直到获得发送权，因此媒体访问控制机制较复杂。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(2) 星型结构,图2.4 电话网的星型结构 图2.5 以Hub为中心的结构,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,星型拓扑的优点是： 控制简单 。 故障诊断和隔离容易 。 方便服务 。,星型拓扑结构的缺点是： 电缆长度和安装工作量可观 。 中央节点的负荷较重，形成信息传输速率的瓶颈 。 对中央节点的可靠性和冗余度要求高 。,(2) 星型结构,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 环型结构,环型

10、拓扑结构是由站点和连接站点的链路组成的一个闭合环。,图2.6 环型拓扑结构示意图,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 环型结构,环型拓扑的优点是： 电缆长度短 。 当增加或减少工作站时，只需简单的连接操作 。 可使用光纤 。,环型拓扑结构的缺点是： 节点故障会引起全网故障 。 故障检测困难 。 环型拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式，在负载较轻时，信道利用率相对来说就比较低。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 混合型结构,将总线型、星型、环型中的某两种单一拓扑结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑。,图2.7 “星

11、环”拓扑示意图,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 混合型结构,图2.8 “星总”拓扑示意图,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 混合型结构,环型拓扑的优点是： 故障诊断和隔离较为方便 。 易于扩展 。 安装方便 。,环型拓扑结构的缺点是： 需要选用带智能的集中器 。 故障检测困难 。 像星型拓扑结构一样，集中器到各个站点的电缆安装长度会增加。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2.2 数据通信技术,1、数据通信的基本概念,(1) 常用术语 (2) 通信方式 (3) 常用指标,网络工程教研室 邬春学

12、,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(1) 常用术语,信息 数据和信号 信道 码元和码字,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(2) 通信方式,单工通信方式 半双工通信方式 全双工通信方式,图2.9 数据通信方式,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 常用指标,比特率S 和波特率B 带宽 信道容量 误码率Pe,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2、数据传输,(1) 传输方式 (2) 调制与编码 (3) 异步传输与同步传输 (4) 多路复用技术,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,

13、(1) 传输方式,按照传输信号的时序：,串行传输 并行传输,图2.10 传输方式,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(1) 传输方式,按照传输信号的表示形式 ：,模拟数据 数字数据,数字数据在通道中的传输又可分为“基带传输”和“宽带传输”。,基带传输有三种编码方法 ：,非归零编码,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特码,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,图2.11 数字信号的三种编码,(1) 传输方式,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(1) 传输方式,按照传输介质可分：,有线传输：电话线、双绞线、同轴电缆、光缆、有形传

14、输介质。 无线传输：无线电、微波、卫星、通信信道、激光和红外线等。,有线传输 无线传输,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(2) 调制与编码,调制：将数字信号转换成模拟信号 解调：把模拟信号转化为数字信号,载波信号可以用数学表达式表示为：,U(t)=A(t)sin(t+) (2.4),通过调制参数的改变对模拟信号进行编码，构成调幅、调频和调相三种基本调制形式。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(2) 调制与编码,图2.12 数据调制方式,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 异步传输与同步传输,异步方式：

15、在被传送字符前后加起止位，实现定时的传输方式。,图2.13 异步传输方式,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 异步传输与同步传输,同步方式：大的数据块一起发送，在它的前后使用一些特殊字符进行标识。,图2.14 同步传输方式,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 多路复用技术,多路复用技术是指在同一传输介质上“同时”传送多路信号的技术。,多路复用技术的实质就是共用物理信道，有效利用通信线路。,图2.15 多路复用技术原理图,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 多路复用技术,频分多路复用(FDM),

16、图2.16 频分多路复用,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 多路复用技术,时分多路复用(TDM),图2.17 时分多路复用,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(4) 多路复用技术,波分多路复用(WDM),图2.18 波分多路复用,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,3、信息交换技术,(1) 线路交换 (2) 报文交换 (3) 分组交换,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(1) 线路交换,图2.19 线路交换图示,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(1

17、) 线路交换,由于在电路交换中，在通信两方进行通信的所有时间内始终占用了端到端两个节点的固定传输带宽，所以电路交换是一种面向连接的通信方式。,线路交换过程包含三个阶段： 在网络上两个通信节点开始通信前，交换机必须为两个通信节点建立一条通信线路 ，而且这条线路要从通信开始保持到通信结束； 当通信线路建立后，两个通信节点通过这条线路传输数据，此时线路可以全双工工作（即可以同时发送和接收数据）； 当通信节点中的任何一方结束通信时释放这条通信线路。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(2) 报文交换,图2.20 报文交换图示,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网

18、络与数据通信,报文交换是一种在某站收到报文后，首先将其存储起来，待有空闲出现时，再将其转发出去的一种技术，因此称为“存储转发(Store-and-Forward Exchanging)”式交换，主要用于非实时的通信。,(2) 报文交换,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 分组交换,图2.21 分组交换图示,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,分组交换又叫包交换，即根据报文交换传输，它的特点是对传输的数据大小不加限制，而对某些大报文的传输，将大报文分成若干个报文分组包，并以报文分组为单位，在网络中传输，每一报文分组均含有源地址、目的地址

19、等信息。同一个报文的不同分组可以沿不同的路径传输，到达终点后，再将它们组装成完整的报文。,(3) 分组交换,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,4、差错检测与控制,(1) 差错的产生 (2) 差错检测 (3) 差错控制技术,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(1) 差错的产生,传输差错：通过通信信道接收到的数据与原来发送的数据不一致的现象。,差错的分类与差错出现的可能原因如下：,热噪声差错：由传输介质的内部因素引起，如噪声脉冲、衰减延迟失真等。,冲击噪声差错：由外部因素引起，如电磁干扰噪声、工业噪声等。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术

20、第2部分 网络与数据通信,(2) 差错检测,通过在发送方的数据中增加一些用于检查差错的附加位，在接收方通过同样的方法检查接收信号，通过译码发现差错。用于检测差错的附加位被称为检错码或校验码。,常用的检错法：,奇偶校验 行列监督 循环冗余校验CRC,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,(3) 差错控制技术,停止等待的ARQ（自动重传请求）协议方式 连续的ARQ协议方式,当发现错误时采用差错控制机制进行纠正，常用的差错控制通过反馈重发的方法实现纠错。,反馈重发有两种方式：,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2.3 网络体系结构与协议,1、网络体

21、系结构的基本概念,网络协议主要由以下三个要素组成：语法，语义，同步。,网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分，相当于我们人类的语言。,将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。,网络的体系结构就是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,1、网络体系结构的基本概念,图2.22 邮政系统分层模型,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,1、网络体系结构的基本概念,图2.23 层次模型,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2、OSI参考模型,图2.24 OSI参考模型,网络

22、工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2、OSI参考模型,图2.25 层次结构模型中数据的实际传送过程,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,3、TCP/IP协议集,TCP/IP是由以传输控制协议TCP和网际协议IP为代表的许多协议组成的协议集。,图2.28 TCP/IP协议体系结构,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2.4 局域网技术,1、局域网的特点,(1) 局域网的覆盖范围小，通常在一栋大楼或一个有限区域范围内部。,(2) 局域网的连接要专门布线。,(3) 局域网拥有较高的内部数据传输速率。,(4) 局域网有较低的时

23、延和较低的误码率。,(5) 局域网一般采用广播技术而非交换技术。,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2、局域网访问控制方法,局域网标准，称为IEEE802标准。 局域网体系结构由物理层、介质访问控制子层MAC和逻辑链路子层LLC组成。,图2.29 IEEE802参考模型和OSI模型,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2、局域网访问控制方法,(3) 以太网是最成功的局域网技术，也是当前应用最广泛的一种局域网。,(4) IEEE802.3数据帧格式,图2.30 数据帧结构图,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2、局

24、域网访问控制方法,(5) 采用具有冲突检测(CD)功能的载波监听多路访问(CSMA)介质访问控制方法。,图2.31 CSMA/CD的工作过程,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,3、高速局域网技术,(1) 快速以太网(Fast Ethernet),(2) 100Mb/s快速以太网分类,100Base TX 100Base FX 100Base T4,网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,4、网络互连技术,(1) 转发器(Converter) (2) 中继器(Repeater) (3) 集线器(Hub) (4) 网桥(Bridge) (5) 交换

25、机(Switch) (6) 路由器(Router) (7) 网关(Gateway),网络工程教研室 邬春学,网络控制技术第2部分 网络与数据通信,2020/6/27,63,1、转发器(Converter) （1）由于类型网线的传输距离限制，借助Converter可以完成网络扩展； （2）运作在物理层的一种廉价解决方案； （3）连接2个或多个电缆段并将进入的所有信号传输到其他段上。 优点：扩展网络时成本低。 缺点：对进来的信号重新传送到所有输出段（包括根本不包含目的节点的段！），加重了网络信息量。,附注：网络设备名称解释,2020/6/27,64,附注：网络设备名称解释,2、Repeater（中

26、继器） （1）能够持续检测到电缆中模拟信号的设备，有信号来时信号放大转发到另外一根电缆。 （2）物理层设备，只是转发信号，不能纠正错误，噪声也放大转发了，不是智能设备。,2020/6/27,65,附注：网络设备名称解释,3、集线器(Hub) （1）多端口中继器； （2）以太网中支持星形和混合型结构， （3）支持各种不同传输介质和数据传输速率。 特点： 1）使用集线器连接网络是最方便，最简单的方法。无需做任何改动，只要把网线插入集线器接口就可以了； 2）集线器价格很便宜，是小型的网络最有效地连接方式。 3）集线器使网络的有效带宽降低，因为所有的端口使用同一条网络通路。 4）如果网络中使用广播协议

27、的话，那么网络间会常常发生数据冲突和堵塞。 5）不同的集线器厂商对集线器有不同的标准（大部分都相同），有的集线器规定连接的网线不能够超过50 米，等等。,2020/6/27,66,附注：网络设备名称解释,4、网桥(Bridge) 工作在OSI第二层(数据主连路层)上的，有在不同网段之间再生信号的功能，它可以有效地联接两个局域网，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段，网桥通常用于联接数量不多的、同一类型的网段。智能设备（学习、过滤、转发） 特点： 1）对LAN进行扩展（节点数和传输距离）； 2）将LAN分段以减少数据信息量瓶颈； 3）防止未授权的节点访问LAN。,2020/6/2

28、7,67,附注：网络设备名称解释,5、交换机(Switch) 广义的交换机switch就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。 交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。 交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC(网卡的硬件地址)的NIC(网卡)挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的

29、端口，目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。,2020/6/27,68,附注：网络设备名称解释,5、交换机(Switch) 分类： 从广义上来看，交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。 从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。 从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完

30、全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。 另一方面，从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。,2020/6/27,69,附注：网络设备名称解释,5、交换机(Switch) 功能： 交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持

31、，甚至有的还具有防火墙的功能。 交换机除了能够连接同种类型的网络之外，还可以在不同类型的网络（如以太网和快速以太网）之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或FDDI等的高速连接端口，用于连接网络中的其它交换机或者为带宽占用量大的关键服务器提供附加带宽。 一般来说，交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段，但是有时为了提供更快的接入速度，我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样，网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度，支持更大的信息流量。,2020/6/27,70,附注：网络设备名称解释,5、交换机(Switch) 交换式局域网主要特点： （1）独占

32、通道、独占带宽，网络的总带宽通常为各个交换端口带宽之和； （2）允许多对站点同时通信，大大提高了网络的利用率； （3）具有灵活的接口速度； （4）具有高度的可扩展性和网络延展性； （5）易于管理，便于调整网络的负载分布，可有效利用网络带宽。,2020/6/27,71,6、路由器(Router),附注：网络设备名称解释,所谓路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。通常，人们会把路由和交换进行对比，这主要是因为在普通用户看来两者所实现的功能是完全一样的。其实，路由和交换之间的主要区别就是交换发生在OSI参考模型的第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需要使用不同的控制信息，所以两者实现各自功能的方式是不同的。,2020/6/27,72,6、路由器(Router),附注：网络设备名称解释,可实现的连接： （1）不同的传输介质，同轴电缆、双绞线、光缆、微波、卫星、无线等。 （2）不同介质访问