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网络
太原理工大学的电气与动力工程学院，详细的总结了计算机网络。网络控制技术，现场总线。有需要的小伙伴可以看看哦~
编辑于2022-09-09 14:50:57 北京市- 网络控制技术
- 现场总线
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- 大纲
网络
绪论
计算机网络
形成与发展
一，面向终端
二，分组交换数据网
ARPANET
分为
通信子网
由通信设备和通信线路构成
资源子网
网络的资源设备
意义
以资源共享的网络 奠定了基础
多主机互联系统
多机系统
三，标准，开放的计算机网络
Internet和高速网络技术
宽带城域网
核心交换网
汇聚层，接入层
三网融合
计算机网络
电话通信网
电视传输网
定义
以共享资源方式互连起来的自治计算机系统的集合
三个特征
实现计算机资源的共享
互连的计算机为分布在不同地理位置的多台独立的 自治计算机
联网计算机之间通信必须遵循共同网络协议
结构
早期
资源子网
组成
主机
作用
为用户访问网络中其它主机与资源提供服务 为网络中远程用户共享本地资源提供服务
大，中，小型机
终端
简单的输入／输出终端，可以是带有微处理机的智能终端 可通过主机，终端控制器或通信控制处理机连入网络
功能
负责全网的数据处理， 向用户提供各种网络资源和网络服务
通信子网
组成
通信控制处理机
作为与资源子网的主机，终端的连接接口，将主机和终端连入网络中
作为通信子网中的分组存储转发结点， 完成分组的接收，校验，存储，转发等功能， 实现将源主机的报文准确发送到目的主机
通信线路
提供信号的传输通路
功能
负责完成网络数据传输，转发等通信处理任务
现代
对比
同
基本组成相同
资源子网
通信子网
依据协议
异
资源子网的结构不同
通信子网中的主要设备不同
早：通信控制处理机
现：路由器和交换机
现代有明显层次结构
分类
传输技术
广播式
点一点式网络
覆盖范围
个人区域网
10m
局域网
10m—10km
传输速率高，网络组建方便，成本低
城域网
10km—100km
广域网
拓扑结构
主要为通信子网
星型
中心结点控制全网的通信，任何两点间均通过中心结点转发
优
结构简单，易于实现，便于管理
缺
中心故障，全网瘫痪
环型
结点通过点一点通信线路连接成闭合环路，数据沿一个方向逐点传送
优
结构简单，延时确定
缺
任何出现故障都瘫痪
总线型
任何结点信息均可沿总线向两个方向传输扩散 能被总线上任何一个结点所接收 总线任何时刻只允许一个结点发送数据
优
结构简单灵活，便于扩充
可靠性高，网络响应快
设备少，价格低，安装方便
共享资源能力强
缺
总线出现问题，网络瘫痪
树型
信号沿树枝向树根，再发出
优
易于扩展和隔离故障
缺
对根依赖性大
网状
每个和其它结点均有相连 两点不定直连 之间通信可靠转接
优
路径多，阻塞少 局部故障不影响整个，可靠性高
缺
结构复杂，管理和控制困难
通信介质
有线
无线
管理类型
内联网
外联网
Internet
组建属性
公用网
专用网
作用
数据交换和通信
资源共享
提高系统的可靠性
分布式网络处理和负载均衡
工业控制网络
网络控制技术
基地式气动仪表控制系统
电力单元组合模拟仪表控制系统
集中式数字控制系统
集散控制系统
现场总线控制系统
以太网控制系统
现场总线
生产过程区域的现场设备，仪表与自控装置，系统间的一种串行，数字式，多点通信的数据总线
通信基础
基本概念
基本概念
网络通信
通过网络将各个设备进行连接，通过信息交换实现各个通信
数据
经过编码的二进制数字序列
信息在网络中进行传输，存储的形式
信息
字母，数字和符号的组合
电信号
模拟信号
数字信号
总线
通过时分复用实现多个信道的信号分别传递的共用途径
总线主设备
可以在总线上发起信息传输的设备
总线从设备
不能在总线上主动发起通信，只可作出响应的设备
控制信号
系统实施各类动态操作时生成的信号
控制连接在总线上的设备，让它进行规定的操作
改变总线操作的方式
表明地址和数据的含义
总线协议
管理主从设备使用总线的事先规定，必须共同遵循的规则
总线操作
总线操作
命令者与响应者之间的＂连接－数据传送－脱开＂
总线传送
一命令者与多个响应者连接上，开始数据的读写操作规程
通信请求
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务
寻址
物理寻址
逻辑寻址
广播寻址
组播寻址
技术指标
传输速率
码元传输速率
信息传输速率
信道带宽和信道容量
信道
由传输介质及相应的中间通信设备组成
传输介质类型
有线信道
无线信道
传输信号类型
模拟信道
数字信道
信道带宽
带通滤波器
最高频率一最低频率
信道容量
表示一个信道最大信息传输速率
影响
谐波
谐波失真
原信号引入额外的谐波成分
失去了谐波成分
带宽宽
失真小
带宽有限
传输速率有上限
误码率
二进制码元在传输中出错的概率
传输可靠性
和造价成反比
测量总数大，越近真实
调制与解调
基本模型
传输介质
物理通路
分类
金属导体
透明玻璃或塑胶绳介质
不需要物理连接的介质
主要特性
物理特性
传输特性
连通特性
地理范围
抗干扰性
双绞线
两根绝缘的铜丝扭在一起
2对或4对扭成
减小电磁干扰
分类
屏蔽双绞线
非屏蔽双绞线
主要特性
传输特性
10～100Mbit/s
连通性
点－点
多点
地理范围
远程中继线
15Km
传输速率为10Mbps
100m
抗干扰性
同轴电缆
特性
传输特性
带宽
基带
数字信号传输
宽带
频分复用
单信道的高速数字通信
连通特性
点－点
多点
抗干扰性
地理范围
光纤
基本结构
光纤芯线
加强元件
保护结构
原理
内部的全反射
分类
单模光纤
质量高，远距离传输
多模光纤
成本低，质量差，近距离传输
特性
传输特性
传导光波最好
连通性
点－点连接
抗干扰性
不受电磁和噪声干扰
地理范围
6－8Km
无线通信
电磁波的传播方式
无线
有线
移动通信
无线电通信
微波通信
特点
波长短
频率高
直线前进
特点
视距传播
20一50
中继通信
每隔50 中继站
方式
地面
点－点方式
卫星通信
一点对多点
蜂窝移动通信
大区制的移动通信系统
30～50km
小区制
多址连接
通信双方，通过基站建立各自的通信信道，实现双边通信的连接
多址接入
频分
时分
码分
基站的多信道工作和移动台的单信迹工作
卫星通信
点－点通信
广播通信
红外线和激光通信
用光
数字信号
对天气敏感
数据编码
模拟数据编码
振幅键控法
幅值调制
数字键控
移频键控法
频率调制
数字键控
移相键控法
绝对调相
相对调相
数字数据编码
数字基带信号
单极性
+1
0。0
双极性
＋1
负0
单极性归零
不连续
双极性归零
差分
跳变
非归零码
单极性
无间隔
不同步
正压为1
无压为0
双极性
负压为0
归零码
单极性
结束前归0
双极性
曼彻斯特编码
优缺
可同步
效率低
差分曼彻斯特编码
模拟数据用数字表示
脉冲编码调制
三个步骤
采样
低通信号采样定理
采样频率大于等于被采样信号的最大频率的两倍
实际为5～10
带通信号采样定理
量化
将采样信号以量化单位的整数倍度量
编码
增量调制
传输模式
基带传输
在数字通信中直接传送数据的基带信号，不采用任何调制措施原样进行传输
特点
数据位流
不用调制解调
传输介质
双绞线
同轴电缆
光缆
工作方式
半双工
单工
便宜，较高传输速率
一般不过25km
基带信号特点
低频，低通特性
基带信号时间波形占空比越小 功率谱中频带越宽
基本方式
不改变基带信号的频带
频带传输
定义
模拟通信信道进行数据通信
方式
发送端
调制解调器将数字信号转为模拟数据编码信号
模拟编码信号在模拟信道上传输
接收端
调制解调器将模拟编码信号转换成数字信号
意义
利用电话交换网实现数据通信
调制解调器
分类
功能
发送端
调制器
数字基带信号一一模拟编码信号
接收端
解调器
模拟编码信号
数字信号
外置
数字终端设备连接端口
电话线连接端口
多路复用
定义
在一条物理线路上建立多条通信信道
同时传输多路信息的技术
目的
充分利用物理线路的传输容量
分类
频分
每路信号以不同的载波频率进行调制
各个载波频率完全独立
波分
光纤传播光的波长范围，划分为若干个波段
时分
原理
将一条通信线路按传输时间分成若干个时间片，分配给多路信号使用
分类
同步
时间片的长度固定
分配关系固定
时间片传输的顺序也固定
异步
原理
按需分配，避免出空闲时间片
分类
帧长不固定
帧长固定
通信方式
串行与并行
串行通信
数据沅以串行方式在一条信道上传输
用于远距离通信
并行通信
以成组的方式在多个并行信道上同时传输，每位单独使用一条线路
速度高，用于近距离
异步和同步
同步
时间基准保持一致
时钟漂移
方法
异步法
发收双方独立产生时钟
定期进行同步
同步法
时钟严格同步
异步传输
单位为字符
定时或同步仅在每个字符范围内维持
特点
优：对时钟要求不高，实现简单容易
缺：传输效率低
同步传输
单位为帧
无起始位和停止位
层次
位同步
外同步法
内同步法
帧同步
数据帧
数据，前缀，后缀 控制信息
传输效率高
单工，半双工和全双工
数据交换
交换设备
单纯地把数据进行传输
线路交换方式
定义
两计算机间，通过交换设备的连接，建立起一条专用物理线路
在线路被释放前，两台计算机单独占用该线路
工作原理
线路建立
数据传输
线路释放
路由
数据从源到目的地时，决定网络范围内＂结点到结点＂路径的进程
两个基本动作
确定最佳路径
通过交换设备传输信息
进程
应用程序在处理机上的一次执行过程
网络结构
客户机
用户回路
交换机
主干线
特点
通信子网中的结点是交换设备
独占性
优缺点
优点
通信实时性强
缺点
突发性通信不适应，利用率低
不具有存储数据的能力
不具备差错控制能力
不能保证多对终端间同时通信
呼叫建立时间长
链路要求有相同的传输速率
存储转发交换方式
特点
在存储转发交换方式中，通信子网中的结点是通信控制处理机
在存储转发交换方式中，路由选择和数据传输是同时进行的
优缺点
延时大
分类
报文交换
用于发送端不限制发送数据长度的情况
发送的数据中添加目的地址，源地址和控制信息，并按一定格式组成的帧
分组交换
用于发数据据长度受限
将发送的数据分成多个分组，每个分组中添加目的地址，源地址和控制信息组成传输帧
优点
帧长度短，检错容易
重发时间短
有利于提高传输效率
数据报方式
工作过程
源主机将报文分成多组，依次发送到直接相连的结点A
A接收后，为每一个分组动态选择最佳路径
子网结点对分组进行差错检测
分组通过多结点转发，最后到目的主机
特点
无连接
每个分组被单独传送和单独处理
发送分组的顺序和接收分组的顺序可能不同
接收需重新排序
传输时延较大
存储转发时延
分组均携带地址，处理时间长
虚电路方式
工作过程
虚电路建立阶段
数据传输阶段
虚电路释放阶段
特点
需在源和目的结点间建立一条逻辑连接
分组通过虚电路顺序传送
分组通过结点，仅差错检测，不用路由选择
每个结点可与任何结点建立多条虚电路连接
信道访问控制方式
随机
载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD）
载波监听
先听再讲
算法
不坚持CSMA
1－坚持CSMA
P－坚持CSMA
冲突检测
受控
令牌总线方式
令牌环方式
差错控制技术
差错
收到与发送数据不一致
类型
随机
热噪声
出错位随机，一般不连续
突发
冲击噪声
相邻多位连续出错
差错控制
纠错码方案
检错码方案
循环冗余编码
码多项式
运算
除法，余数系数，仅O和1
生成多项式
方法
差错纠正方法
反馈重发机制
停止等待
有应答才发下一
连续工作方式
拉回方式
应答和发送同时
有错全重发
选择重发方式
应答和发送同时
选择性重发出错
海明码
只可纠错一位
编码
校验码在2的n次方处
从最左边数
1，2，4，8，16
p1=D0 D1 D3
p2=D0 D2 D3
p3=D1 D2 D3
译码
接收与编码矩阵相乘
0为正确
结果值对应出错数据位
纠错
出错位取反
RS－232和RS－485
RS－232
主要内容
定义数据终端设备和数据通信设备间的接口标准
数据终端
数据处理和接收数据
数据通信
在数据终端设备和传输线路间
提供信号变换和实现编码功能
负责建立，保持和释放数据链路的连接
适用于本地设备间通信
最高速率19.2kb/s
通信距离不超15m
逻辑电平为5～15
接口信号线
DB－9
DB－25
分类
其余
地线
数据线
联络线
状态线
连接过程
建立通信连接
数据传送
释放通信连接
RS－485
最大特点
平衡差分电路
平衡发送
差分接收
优
最大优点
抑制噪声
不受节点间接地电平差异的影响
适用于
半双工工作方式
多点数据通信
最大通信距离1219m
最大传输速率为10Mb/s
速率与距离成反比
加RS－485中继器
网络体系结构与协议
网络协议
语法
网络实体间发送或接收数据的格式
语义
发送或接收数据时采取的控制操作
时序
对事件实现顺序的说明
网络结构
内容
分层结构与每层功能
服务与层间接口
协议
优点
层间相互独立，问题处理简单化
各层变化不影响，保证工作的稳定性
利于标准化
灵活性好
OSl
三级抽象
体系结构
服务定义
协议说明
七层结构
物理层
用传输介质，为数据链路层提供物理连接，以实现数据流的透明传输
数据链路层
以帧为单位传输数据包，用差错控制和流量控制
网络层
创逻辑链路，实现拥塞控制，网络互连，分组传输
传输层
屏蔽作用，端到端
会话层
通信，信息表示，会话管理
表示层
应用层
用户需求
原则
网络中两个终端系统有相同层次，均为七层。
不同结点的同等层具有相同功能
同一结点内相邻层间通过接口通信
每层可用下层服务，并向上层提供服务
不同结点的同等层通过协议来实现同等层间的通信
传输
优缺
优概念，理论完整
缺
不实用
TCP／IP
层次
主机一网络
互连层
IP协议
传输层
TCP
面向连接
流量控制
UDP
无连接协议
不要求分组顺序
分组传输顺序检查和排序
应用层
对应
比较
相同
均使用层次结构
传输层功能相似
不同
层次划分不同
OSI有三个概念
OSI有通用性
TCP／IP不区分物理层和数据链路层
OSI 网络层有无连接和面向连接，传输层仅面向 TCP/IP在传输层有两种
特点
优
可为各种应用股务
可在互联网上运行
缺
概念不清楚
只适用于TCP/IP协议族
物理层与数据链路层合在一起了
PROFIBUS
组成
DP
现场级通讯
类型
DP1类主站
Dp2类主站
Dp从站
关系
一对一
主主
一对多
主从
PA
过程自动化
现场设备层
设备
紧凑型
模块化
块
功能块
物理块
转换块
FMS
车间级监控网络
介质访问机制
主从通信技术
令牌传递
现场总线管理层
负责物理层和数据链路层管理
帧
一起始位
8个数据位
校验位
停止位
物理层
规定了线缆长度，网络拓扑结构，总线接口，站点数
原语
由若干条机器指令构成，用以完成特定功能的一段程序
服务原语
请求原语
向上层控制器请求一个服务
指示原语
用来向数据链路层控制器指示一个数据帧的接收
下层为上层提供的服务用一组原语来描述
数据链路层
传输服务
发送数据需应答
发送数据无需应答
发送和请求数据需回答
循环地发送和请求数据需回答
应用层
现场总线报文规范
利用通信关系将分散的应用过程组织到一个公用控制中
低层接口
现场总线报文规范到数据链路层
FMA7
上下文关系管理
组态管理
故障管理
现场总线报文规范服务
分类
需证实
无需证实
报文
报文头部
首标识
标记位 1位
复杂1
标签 3位
6种
请求 001
响应 010
长度4位
0010
调用标识
第二标识
标记位 1位
复杂1
标签 3位
读为26 1111 0010 0001 1010
长度4位
0010
报文数据部分
物理地址
0000
长度
地址
数据长度
0001
长度
读
92 06 F2 1A 0长度 地址 110长度
A2 06 74 1A 物理
报文循环
PROFIBUS把主站发送请求信息和从站做出响应的交互过程
通信对象
通信关系
一对一
一对多
一对全部
虚拟现场设备
对象
显式
隐式
给出
制造商名
设备模块名
逻辑状态
物理状态
服务
状态服务
主动发送状态服务
设备识别股务
对象字典
描述
索引
对象代码
对象属性
对象地址
对象名称
扩展
服务
读对象字典
写
初始化写
终止写
上下文管理
服务
启动
终止
拒绝
事件对象
变量对象
事物对象
域对象
程序调用对象
用户层
FMS行规
DP行规
PA行规
局域网
局域网
拓扑结构
总线型
通过网卡直接连接到公共传输介质的总线上
双绞线 同轴电缆
一段时间只允一个发收
有冲突，造成失败
环型
最大延迟是固定的
可靠性差，一节点故障影响全部
有相同访问权限
扩充不便
多结点共享
星型
传输介质
双绞线
同轴电缆
光纤
介质访问控制方法
分类
以太网
以＂以太网协议＂工作的总线型局域网，采用IEEE802.3标准
介质访问控制方法
CSMA/CD方法
随机争用型
过程
先听再讲
等待帧间最小间隔
边讲边听
退后再讲
特点
数据是否发送全凭侦听来确定
有空就发
减少冲突
不适合实时性
快速以太网
千兆位以太网
星型，100Mbps
IEEE802.3的CSMA/CD协议
全双工方式
比传统高100；比快速高10
标准
100 BASE-TX标准
传输介质
2对5类非屏蔽双绞线
最长100m
一对用于发送
一对用于接收
数据传输
发送
4B/5B编码
快速以太网的线路编码，用5bit二进制表示4bit的二进制
不含3个以上的0
不含两个以上的连续0
包含2个以上的1
传输
MLT－3方法
正电干，负电平，0电平
遇0不跳变，遇1必跳变
全双工方式工作
100 BASE-T4标准
传输介质
4对3类非屏蔽双绞线
最长100m
三对用于数据传输
一对用于冲突检测
数据传输
8B/6T编码
半双工方式工作
100 BASE-FX标准
传输介质
2对光纤
最长415m
一对用于发送
一对用于接收
数据传输
4B/5B－NRZI编码
全双工方式工作
连接设备
网卡(网络接口卡，网络适配器)
将计算机或其他设备连接到局域网的硬件接口设备，属于数据链路层设备
并行方式，通过地址总线，控制总线，数据总线
组成
发送电路
接收电路
介质访问控制电路
中继器
双向转发
特点
在物理层信号传输
不涉及帧
不为子网互连设备
集线器
端口
连接结点
RJ-45
向上连接
扩展
级联
堆叠
网桥
将一个大型局域网划分成多个互连的子网的连接设备
数据链路层
数据帧接收，转发与地址过滤
帧转发策略
透明网桥
根据路由表
源路由网桥
源结点
实现
内部端口管理软件
网桥协议实体
交换机
帧转发方式
直接交换
优
延迟短
缺
缺乏差错检测能力
存储转发交换
改进的直接交换
混合交换
性能指标
最大转发速率
汇集转发速率
转发等待时间
特点
低交换传输延迟
支持不同的传输速率和工作模式
支持虚拟局域网服务
交换式局域网
虚拟局域网
特点
VLAN为实际运行的局域网
一个VLAN为一个广播域，结点以广播方式传送数据帧
同一局域网数据传输为网络第二层，不同的为第三层
是用户与局域网资源的逻辑组合
交换式局域网为其基础
建立在局域网交换机上以软件方式实现VLAN的划分与管理
结点组成不受物理位置限制
结点转移仅软件设定即可
组网方式
交换机端口
MAC地址
IP地址
优点
方便网络用户管理
提供更好的安全性
改善网络服务质量
无线局域网
应用
有线局域网的扩充
建筑物之间的互连
漫游访问
特殊网络
分类(传输技术不同)
红外局域网
优
红外线
安全
互不干扰
简单，便宜
三技术
定向光束红外传输技术
全方位红外传输技术
漫反射红外传输技术
扩频无线局域网
扩展频谱
跳频通信
直接序列扩频
窄带微波无线局域网
微波无线电频带
申请执照的窄带
免申请执照窄带