1、第二章第二章 网络与数据通信基础网络与数据通信基础 一、总线的基本概念一、总线的基本概念 总线总线第一节第一节 总线的基本概念与操作总线的基本概念与操作控制信号控制信号1）控制连在总线上的设备，让它进行所规）控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零，初始化，启动和停止定的操作，如设备清零，初始化，启动和停止等。等。（2）用于改变总线操作的方式，如改变数据）用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。（3）表明地址和数据的含义，如对地址，可表明地址和数据的含义，如对地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操用于
2、指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。地址或命令。总线协议总线协议管理主、从设备使用总线的一套管理主、从设备使用总线的一套规则。规则。二、总线操作的基本内容二、总线操作的基本内容 总线操作总线操作命令者与响应者之间的命令者与响应者之间的“连接连接数据传送脱开数据传送脱开”这一操作序列称为一次总线这一操作序列称为一次总线“交易交易”或者叫做一次总线操作或者叫做一次总线操作通信请求通信请求总线上某一设备向另一设备发出总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服的请求信号，要求后者给予注
3、意并进行某种服务。务。寻址过程：寻址过程：命令者与一个或多个从设备建立命令者与一个或多个从设备建立起联系起联系（1）物理寻址：用于选择某一总线段上某一特物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。定位置的从设备作为响应者。（2）逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。理分布。（3）广播寻址：用于选择多个响应者广播寻址：用于选择多个响应者仲裁：仲裁：用于裁决哪一个主设备是下一个占有用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。总线的设备。“定时定时”：总线操作用
4、总线操作用“定时定时”信号进行同信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时候是有效的。什么时候是有效的。“握手握手”：在异步总线系统中，命令者发出在异步总线系统中，命令者发出选通定时信号表明总线上的信息有效，响应者选通定时信号表明总线上的信息有效，响应者回送一个应答定时信号回送一个应答定时信号第二节第二节 通信系统简介通信系统简介一一、通信系统的组成、通信系统的组成z信息源信息源z信息接收者信息接收者z发送、接收设备发送、接收设备z传输介质传输介质1.信息源：信息源：模拟信息源：幅度连续变化的信号模拟信息源：幅度连续变化的信号离散信息源：离
5、散的符号序列或文字离散信息源：离散的符号序列或文字2.发送设备：将信息源和传输介质匹配发送设备：将信息源和传输介质匹配信道编码：数字信号与传输介质匹配信道编码：数字信号与传输介质匹配信源编码：连续消息变换为数字信号信源编码：连续消息变换为数字信号3.接收设备：完成发送设备的反变换：解接收设备：完成发送设备的反变换：解 调、译码、解密等。调、译码、解密等。4.传输介质：传输介质：无线：电磁波、红外线无线：电磁波、红外线 有线：电缆、光缆、双绞线有线：电缆、光缆、双绞线二、数据通信原理二、数据通信原理通信任务：传送数据或数据化信息。通信任务：传送数据或数据化信息。（一）（一）基本概念及术语基本概念
6、及术语1数据信息：具有一定编码、格式和字长的数数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息字信息被称为数据信息2信息传输速率：信道在单位时间内传输的信信息传输速率：信道在单位时间内传输的信息的数量。息的数量。单位：单位：bit/s（bps）3.误码率：是衡量数据传输系统在正常工作情况误码率：是衡量数据传输系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。它的定义是二进制位下传输可靠性的指标。它的定义是二进制位（码元）被传输出错的概率。在计算机网络中，（码元）被传输出错的概率。在计算机网络中，误码率要求低于误码率要求低于10-6（二）（二）数据通信的通信方式：数据通信的通信方式：单工，半双工和
7、全双工单工，半双工和全双工 z（1）单工（单向通信）信息只能沿单方向传）单工（单向通信）信息只能沿单方向传输输z（2）半双工（双向互交通信）半双工（双向互交通信）数据可以两个方向上传输，但在指定时刻，数数据可以两个方向上传输，但在指定时刻，数据只能沿某一方向传输。由于传输方向不断交据只能沿某一方向传输。由于传输方向不断交换，传送效率有所下降。换，传送效率有所下降。z（3）全双工（双向同时通信）全双工（双向同时通信）可以同时向两个方向传送信息的通信方式，可以可以同时向两个方向传送信息的通信方式，可以互相交换大量的信息。互相交换大量的信息。发送机发送机发送机接收机发送机接收机接收机接收机接收机发送
8、机数据应答数据应答数据应答数据应答（a）单工通信（b）半双工通信（c）全双工通信 为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器互换的设备称作调制解调器(Modem)。模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：模拟信号传输的基础是载波，载波
9、具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。或它们的组合进行调制。数字调制（数字调制（的基本形式的基本形式幅移键控法幅移键控法ASK：用载波的两种不同幅：用载波的两种不同幅 度来表示二进制度来表示二进制的两种状态的两种状态频移键控法频移键控法FSK：用载波频率附近的两种不同频率来表示：用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态二进制的两种状态相移键控法相移键控法PSK：用载波信号相位移动来表示二进制的两：用载波信号相位移动来表示二进制的两种状态种状态数字调制的三种基本形式数字调制的三种基本形式是以采
10、样定理为基础。是以采样定理为基础。PCM过程主要三步骤过程主要三步骤 对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字。同的电压电平来表示两个二进制数字。单极性单极性双极性双极性单极性单极性双极性双极性 0 0 1 1 0 1 0 0（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码（a）不归零（NRZ）编码高低高低高低2.基带传输与宽带传输基带传输与宽带传输基带传输基带传输：基带传输将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上传基带传输将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上传送出去。例如将数字送出去。例如将数字1转换为高电位，数字转换为高电位，数字0转
11、换为低转换为低电位。电位。基带传输只能用于近距离的传输，例如：麦克风与基带传输只能用于近距离的传输，例如：麦克风与扩音机之间，录象机和电视机之间，计算机与打印机扩音机之间，录象机和电视机之间，计算机与打印机之间等。之间等。基带传输在长距离通信时，往往会产生畸变。基带传输在长距离通信时，往往会产生畸变。宽带传输宽带传输：将数据加载到载波上送出去。一般用正弦波将数据加载到载波上送出去。一般用正弦波作为载波，根据数据内容是作为载波，根据数据内容是0 0或或1 1改变载波的特性，改变载波的特性，通常改变载波的振幅、频率和相位。通常改变载波的振幅、频率和相位。与基带网络一次只传输一个信号不同，宽带与基带
12、网络一次只传输一个信号不同，宽带网络可以同时传输多个信号（多路复用技术）。网络可以同时传输多个信号（多路复用技术）。例如有线电视就是一种宽例如有线电视就是一种宽-带网络，其电缆始终带网络，其电缆始终在为每个频道提供单独的信号。在为每个频道提供单独的信号。宽带上网的宽带是表示线路的传输带宽很宽，宽带上网的宽带是表示线路的传输带宽很宽，数据传输率很快。数据传输率很快。3.异步传输与同步传输异步传输与同步传输异步传输异步传输：一次只传输一个字符。每个字符用一一次只传输一个字符。每个字符用一位起始位位起始位0引导、一位停止位引导、一位停止位1结束。在没有数结束。在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止
13、位。接收据发送时，发送方可发送连续的停止位。接收方根据方根据“1”至至“0”的跳变来判断一个新字符的开的跳变来判断一个新字符的开始始,然后接收字符中的所有位。然后接收字符中的所有位。同步传输同步传输:将多个字符组合一起形成字符组，传将多个字符组合一起形成字符组，传送时在每个字符组前加两个或两个以上同步字送时在每个字符组前加两个或两个以上同步字符符sync(sync(组内每字符不加起止位），字符组后组内每字符不加起止位），字符组后是结束控制字符，这样的组合称为一帧。是结束控制字符，这样的组合称为一帧。收发方一般采用同一同步时钟。收发方一般采用同一同步时钟。（五）数据交换方式（五）数据交换方式n报
14、文交换方式报文交换方式n报文分组交换方式报文分组交换方式交换网络的拓扑结构交换网络的拓扑结构1)线路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立线路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。若一条端到端的电路。若H1站要与站要与H3站连接，典型的做站连接，典型的做法是，法是，H1站先向与其相连的站先向与其相连的A节点提出请求，然后节点提出请求，然后A节节点在通向点在通向C节点的路径中找到下一个支路。比如节点的路径中找到下一个支路。比如A节点选节点选择经择经B节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉并告诉B它还要连接它还要
15、连接C节点；节点；B再呼叫再呼叫C，建立电路，建立电路BC，最后，节点最后，节点C完成到完成到H3站的连接。这样站的连接。这样A与与C之间就有一之间就有一条专用电路条专用电路ABC，用于，用于H1站与站与H3站之间的数据传输。站之间的数据传输。线路交换的三个过程线路交换的三个过程2)数据传输：电路数据传输：电路ABC建立以后，数据就可以从建立以后，数据就可以从A发送到发送到B，再由再由B交换到交换到C；C也可以经也可以经B向向A发送数据。在整个数发送数据。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态3)线路拆除：数据传输结束后，由某一方（
16、线路拆除：数据传输结束后，由某一方（A或或C）发出拆）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。除请求，然后逐节拆除到对方节点。ABCD发送呼叫信号发送呼叫信号传输传输1.交换交换2.发送发送 呼叫信呼叫信号号传输传输1.交换交换2.发送发送 呼叫信呼叫信号号传输传输1.作出反应作出反应 2.发送回应发送回应 信号信号特点特点:1.有通话的建立过程有通话的建立过程2.通话建立以后源与目的间有一条专通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在用的通路存在问题的提出：当端点间交换问题的提出：当端点间交换的数据具有随机性和突发的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法性时，采用电路交换方法的缺点是信道容
17、量和有效的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交时间的浪费。采用报文交换则不存在这种问题。换则不存在这种问题。报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，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，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。一直逐个节点地转送到目的节点。每个节点在收到整个报文并检查无误后
18、，就暂存这个报文，然后利用路每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。与端之间无需先通过呼叫建立连接。报文交换方式报文交换方式ADCB发送报文发送报文传输传输等待等待-发送发送传输传输等待等待-发送发送传输传输特点特点:1.无呼叫建立和专用通路无呼叫建立和专用通路 2.存储存储-转发式的发送技术转发式的发送技术 (节点中需要缓冲存储节点中需要缓冲存储,转发转发需要排队需要排队,所以不适于实所以不适于实时和交互式通
19、信时和交互式通信)3.报文分组交换方式报文分组交换方式特点特点:1.无呼叫建立和专用无呼叫建立和专用 通路通路 2.存储存储-转发式的发送技术转发式的发送技术 3.将数据分成有大小限制将数据分成有大小限制 的的分组后发送分组后发送 报文分组交换方式和报文交换方式类似，但传送的基本数报文分组交换方式和报文交换方式类似，但传送的基本数据单位是报文分组，报文分组是一个完整的报文按顺序分割开据单位是报文分组，报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组，所以传输时比较灵活，速度比较快，特来的比较短的数据组，所以传输时比较灵活，速度比较快，特别是传输错时，它只需重发出错的报文分组就行。别是传输
20、错时，它只需重发出错的报文分组就行。第三节第三节 网络结构及传输网络结构及传输 为了把分散控制系统中的各个组成部分为了把分散控制系统中的各个组成部分连接在一起，常把整个通信系统的功能分成连接在一起，常把整个通信系统的功能分成若干个层次去实现，每一个层次就是一个通若干个层次去实现，每一个层次就是一个通信子网。信子网。资源子网：主机资源子网：主机Host终端终端erminal通信子网：通信链路组成通信子网：通信链路组成通信子网的特征：通信子网的特征：1.具有自己的地址结构具有自己的地址结构2.可以采用自己的专用通信协议可以采用自己的专用通信协议3.一个通信子网可以通过接口与其他网络一个通信子网可以
21、通过接口与其他网络互连，实现不同网络上的设备相互通信互连，实现不同网络上的设备相互通信分散控制系统有以下几种通信分散控制系统有以下几种通信：1.过程控制站中基本控制单元之间的通信。过程控制站中基本控制单元之间的通信。2.中央控制室中的人机接口设备与电子设中央控制室中的人机接口设备与电子设备室高层设备之间的通信。备室高层设备之间的通信。3.现场设备和中央控制室设备之间的通信。现场设备和中央控制室设备之间的通信。一、通信系统的结构一、通信系统的结构结构一：结构一：1.机柜子网：机柜子网：BCU间的通信。间的通信。2.控制室子网：实现高层设备间的通信。控制室子网：实现高层设备间的通信。3.厂级子网：
22、控制室设备与现场设备之间厂级子网：控制室设备与现场设备之间的通信。的通信。结构二：结构二：1.局部子网：子系统内部或机柜内部通信。局部子网：子系统内部或机柜内部通信。2.厂级子网：连接高层设备和局部子网。厂级子网：连接高层设备和局部子网。3.高端子网：高层设备间通信。高端子网：高层设备间通信。二、通信网络的拓扑结构二、通信网络的拓扑结构是是 1.星型结构星型结构 在星型拓扑中，每个站通过点在星型拓扑中，每个站通过点-点连接到中点连接到中央节点，任何两站中间通讯都通过中央节点进央节点，任何两站中间通讯都通过中央节点进行。一个站要传送数据，首先向中央节点发出行。一个站要传送数据，首先向中央节点发出
23、请求，要求与目的站建立联系，连接建立后才请求，要求与目的站建立联系，连接建立后才向目的站发送数据。中央节点结构非常复杂。向目的站发送数据。中央节点结构非常复杂。一旦发生故障，整个系统陷于瘫痪，可靠性较一旦发生故障，整个系统陷于瘫痪，可靠性较低低。2.环形结构：环形结构：所有的节点通过链路组成一个环形，需要发送所有的节点通过链路组成一个环形，需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定方向传输。当信息到达接受节点时该节点识一确定方向传输。当信息到达接受节点时该节点识别信息中的地址与自己地址相同，就将信息取出，别信息中的地址与自己地址相同，
24、就将信息取出，并加上确认标记。一边由发送节点清除。并加上确认标记。一边由发送节点清除。优点优点：某一节点的故障可将该节点旁路，可靠性高。：某一节点的故障可将该节点旁路，可靠性高。传输地单向的，链路控制简单，可采用双环。传输地单向的，链路控制简单，可采用双环。缺点缺点：节点太多时影响通讯速度。环是封闭的不便：节点太多时影响通讯速度。环是封闭的不便扩充扩充。3.总线形结构：总线形结构：传输介质是一条总线，工作站通过传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接至总线上。一个站发送相应硬件接口接至总线上。一个站发送数据，所有其它站能接收。数据，所有其它站能接收。优点优点：结构简单，便于扩充：结构简单，
25、便于扩充缺点缺点：对总线电气性能要求高，对长度：对总线电气性能要求高，对长度有限制。有限制。三、传输介质三、传输介质 1.双绞线双绞线：双绞线双绞线(TP)是由两根互相绝缘的导体纽绞而成的线对。是由两根互相绝缘的导体纽绞而成的线对。双绞线成本比较低，一般分为非屏蔽双绞线双绞线成本比较低，一般分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏和屏蔽双绞线蔽双绞线(STP)。连接方式连接方式：每条双绞线两头必须安装：每条双绞线两头必须安装RJ-45连接器接头连接器接头（俗称水晶头），才能与网卡、集线器或交换机上的（俗称水晶头），才能与网卡、集线器或交换机上的RJ-45接口连接。接口连接。传输介质是通信网络中发送方和接
26、收方之间的物理通路。传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。有线传输介质：有线传输介质：2.同轴电缆同轴电缆：同轴电缆由内芯导体、中间绝缘层、金属丝网同轴电缆由内芯导体、中间绝缘层、金属丝网或金属箔屏蔽层和外绝缘层组成的。或金属箔屏蔽层和外绝缘层组成的。传输电缆的传输特性优于双绞线，成本高于双传输电缆的传输特性优于双绞线，成本高于双绞线。绞线。接线方式接线方式：安装：安装BNC连接器。连接器。3.光缆：光缆：光缆由内芯（玻璃纤维）、玻璃包层、高级合成纤维光缆由内芯（玻璃纤维）、玻璃包层、高级合成纤维和保护层组成。和保护层组成。光缆具有良好的信息传输特性和抗干扰性能。光缆具有良好的信息传输特性和抗干扰性能。光缆传输的是光脉冲信号，其传输速度快，距离远，光缆传输的是光脉冲信号，其传输速度快，距离远，但成本高，一次只能传输一个方向的数据，所以为了但成本高，一次只能传输一个方向的数据，所以为了克服单向性的特点，每根光缆至少包括两股数据线。克服单向性的特点，每根光缆至少包括两股数据线。接线方式接线方式：需要复杂的连接器件和连接工艺。：需要复杂的连接器件和连接工艺。
