数据通信与控制网络基础思维导图

这是一篇关于数据通信与控制网络基础思维导图，主要包含数据通信、通信参考模型、传输机制与介质访问控制方式、控制网络特性等。

数据通信与控制网络基础

• 数据通信
  • 2.1.1通信系统模型
    • 传递信息所需的一切技术设备的总和就是通信系统。通信系统一般由信息源、发送设备、传输介质、接收设备和信息接收者这几部分组成。
    • 1.信息员与信息接收者
      • 信息员是信息的生产者，信息的接收者是信息的使用者
    • 2.发送和接收设备
      • 发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即信息源产生的消息信号经过编码，变换为便于传输的信号形式，送往传输介质。
    • 3.传输介质
      • 从发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介就是传输介质。传输介质可以是无线的，也可以是有线的。有线和无线均有多种传输介质，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线、光纤等为有线传输介质
    • 4.通信软件
      • 报文与通信协议都属于通信系统中的软件，一般把需要传送的信息（包括文本、命令、参数值、图片、声音等）称为报文。它们是经过数字化后的信息，这些信息或是原始数据，或是测控参数值，或是经过计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。
  • 2.1.2通信系统的性能指标
    • 在设计及评价一个通信系统时，必然涉及通信系统的性能指标问题。一般通信系统的性能指标包括信息传输的有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性及维护使用方便等。对于一个通信系统，从信息传输角度讲，其主要任务是快速、准确地传递信息，因而有效性和可靠性是评价通信系统优劣的主要性能指标，也是通信技术讨论的重点。
    • 1.有效性指标
      • 数字通信系统的有效性可用传输速率和频带利用率来衡量，传输速率越高，系统的有效性就越好。
    • 2.可靠性指标
  • 2.1.3数据编码
    • 数据通信系统中采用最广泛的编码是美国标准信息交换码（American StandardCode for Information Interchange，ASCIH），这是一种7位编码，共128种不同组合分别对应一定的数字、字母、符号或特殊功能。例如十六进制的30~39分别表示数字0~9；十六进制的41表示字母A；十六进制的26、2B分别表示“&”和“+”；十六进制的0A、0D则分别表示换行与回车功能。
  • 2.1.4通信线路的工作方式
    • 1.单工通信
    • 2.半双工通信
    • 3.全双工通信
  • 2.1.5查错控制
    • 1.差错控制的检测方法
      • 差错检测就是接收到的数据并判别是否发生了传输错误。
    • 2.CRC的工作原理
      • CRC 方法是将要发送的数据位序列当作一个多项式f(x）的系数，在发送方用收发双方预先约定的生成多项式G(x）去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后再发送到接收端。接收端用同样的生成多项式G(x）去除接收数据多项式f（x），得到计算余数多项式。如果计算余数多项式与接收余数多项式相同，则表示传输无差错；如果计算余数多项式不等于接收余数多项式，则表示传输有差错，由发送方重发数据，直至正确为止。CRC基本工作原理如图2-11所示。
• 通信参考模型
  • 2.2.1OSI参考模型
    • 为了实现不同生产厂商的设备之间的互联操作与数据交换，ISO/TC97于1978年成立了“开放系统互联（Open System Interconnection，OSI）”技术委员会，起草了开放系统互联模型的建议草案，该草案于1983年成为正式的国际标准ISO7498。 0SI 参考模型是在博采众长的基础上形成的互联网技术，它促进了数据通信与计算机网络的发展。0SI参考模型提供了概念性和功能性结构，将开放系统的通信功能划分为7个层次。各层的协议细节由各层独立进行，这样一旦引入新技术或提出新的业务要求，就可以把因功能扩充和变更所带来的影响限制在直接有关的层内，而不必改动全部协议。OSI参考模型分层的原则是将相似的功能集中在同一层内，功能差别较大时分层处理，每层只对相邻的上下层定义接口。 0SI参考模型把开放系统的通信功能划分为7个层次。从连接物理介质的层次开始，分别赋予1，2，…，7层的顺序编号，相应地称之为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
    • 1.物理层
    • 2.数据链路层
    • 3.网络层
    • 4.传输层
    • 5.会话层
    • 6.表示层
    • 7.应用层
  • 2.2.2TCP/IP参考模型
    • ARPANET 是由美国国防部（U.S. Department of Defense）赞助研究的网络，ARPANET完全符合ISO/0SI参考模型，被称为计算机互联网络的“祖父”，它通过租用电话线连接了数百所大学和政府部门。当卫星和无线网络出现后，现有的协议和它们互联时出现了问题，需要一种新的参考体系结构。这个体系结构在它的两个主要协议即传输控制协议（TCP)和网际协议（IP）出现以后，被称为TCP/IP参考模型（TCP/IP Reference Model）。
    • 1.互联网层
    • 2.传输层
    • 3.应用层
    • 4.主机至网络层
  • 2.2.3现场总线的通信模型
• 传输机制与介质访问控制方式
  • 2.3.1传输介质
    • 1.有线传输介质
    • 2.无线传输介质
  • 2.3.2介质的访问控制方式
    • 为解决在同一时间有几个设备同时发起通信而出现的争用传输介质的现象，需要采取某种介质访问控制方式，协调各设备访问介质的顺序。这种用于解决介质争用冲突的办法称为竞用技术。 通信中对介质的访问可以是随机的，即网络各节点可在任何时刻随意访问介质；也可以是受控的，即采用一定的算法调解各节点访问介质的顺序和时间。在计算机网络中，普遍采用载波监听多路访问/冲突检(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CS.MA/CD）的随机访问方式来竞用总线。而在控制网络中往往会采用主从式、令牌总线、并行时间、多路存取等受控的介质访问控制方式。
    • 1.载波监听多路访问/冲突检测
      • 采用载波监听多路访问/冲突检测的介质访问控制方式时，网络上的任何节点都没有预定的通信时间，节点随机向网络发起通信。当遇到多个节点同时发起通信时，信号会在传输线上互相混淆而破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。
    • 2.介质访问控制的令牌方式
      • CSMA的访问产生冲突的原因是由于各节点发起通信是随机的。为了解决冲突，可对通信发起采取某种方式进行控制。令牌访问就是其中一种，这种方法按一定的顺序在各站点间传输令牌，得到令牌的节点才有发起通信的权力，从而避免了几个节点同时发起通信而产生的冲突。令牌访问原理可用于环形网，构成令牌环形网络；也可以用于总线网，构成令牌总线网络。
    • 3.时分复用
    • 4.并行事件域多路存取
• 控制网络特性
  • 控制网络属于一种特殊类型的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络系统。控制网络在节点的设备类型、传输信息的种类、网络所执行的任务、网络所处的工作环境等方面着有别于由普通PC或其他计算机构成的数据网络。这些测控设备的节点可能分布在工厂的4产装置、装配流水线、温室、粮库、堤坝、交通管制系统、各类运载工具车辆、环境监测建筑、消防、家庭等各处，几乎涉及生产和生活的各个方面。
  • 2.4.1控制网络的节点
    • 作为普通计算机网络节点的PC或其他种类的计算机、工作站，当然也可以成为控制网络的一员。 控制网络的节点大多都是具有计算与通信能力的测量控制设备，它们可能具有嵌入式CPU，但功能比较单一，其计算与其他能力也许远不及普通PC，没有键盘、显示等人机交互接口，甚至不带有CPU、单片机，只带有简单的通信接口。
  • 2.4.2控制网络的任务与工作环境
    • 控制网络以具有通信能力的传感器、执行器和测控仪表为网络节点，并将其连接成开放式、数字化、实现多节点通信和完成测量控制任务的网络系统。控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室，在把生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备中，起着现场及控制设备之间数据联系与沟通的作用。
  • 2.4.3控制网络的实时性要求
    • 计算机网络普遍采用以太网技术，采用带冲突监测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式。 一条总线上挂接多个节点，采用平等竞争的方式争用总线。节点要求发送数据时，先监听总线是否空闲，如果空闲就发送数据；如果总线忙就只能以某种方式继续监听，等总线空闲后再发送数据。即便如此还会有几个节点同时发送而发生冲突的可能性，因而称之为非确定性网络。 计算机网络传输的文件、数据在时间上没有严格的要求，一次连接失败后还可以继续要求连接。因此，这种非确定性不至于造成严重的后果。