現(xiàn)場總線第二章教材

第二章網絡與通信技術基礎

第一節(jié)總線的基本概念與操作一、

總線的基本術語與基本操作二、

總線操作的基本內容第二節(jié)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成及分類現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實際上是一個計算機網絡，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分組成。通信系統(tǒng)模型：信息源發(fā)信機傳輸介質收信機受信者噪聲源信息源發(fā)信機傳輸介質收信機受信者噪聲源二、數(shù)據(jù)編碼1、編碼的目的2、常見的編碼形式三、通信系統(tǒng)的性能

通信系統(tǒng)的主要性能指標有兩大類： 有效性指標和可靠性指標。1、有效性指標用來衡量系統(tǒng)傳輸能力的指標，主要有三種。(1)調制速率：調制速率的定義是每秒傳輸信號碼元的個數(shù)，又稱波特率，單位為波特(Bd)。如信號碼元持續(xù)時間(時間長度)為T(秒)，調制速率NBd為

例：設有如下三種信號，求它們的調制速率(2)數(shù)據(jù)傳信速率每秒鐘傳輸二進制碼元的個數(shù)，又稱比特率。單位為比特／秒(bit／s，或bps)有時用千比特／秒(kbit／s)，兆比特／秒(Mbit／s)。

如果一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，每秒鐘內傳輸2400個代碼，則它的數(shù)據(jù)傳信速率記作R，且R＝2400bit／s。數(shù)據(jù)傳信速率與數(shù)據(jù)調制速率之間的關系：

上例中圖(b)與(a)相比，四進制中一個信號碼元(T)包含2個代碼。這樣對于圖(b)來說，它的：調制速率NBd＝1200波特傳信速率R＝2·1/T＝2400bit／s。當數(shù)據(jù)信號是二進制脈沖(碼元)，即二狀態(tài)時，兩者相同數(shù)據(jù)信號有時采用多狀態(tài)制，或稱多電平制、多進制，則兩者的速率是不相同的。當數(shù)據(jù)信號為M電平，即M進制時，傳信速率與調制速率關系為：

(3)數(shù)據(jù)傳送速率數(shù)據(jù)傳送速率的定義：單位時間內在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的相應設備之間傳送的比特、字符或碼組平均數(shù)。定義中的相應設備常指調制解調器、中間設備或數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)宿。單位為比特／秒(bit／s)、字符／秒或碼組／秒。數(shù)據(jù)傳信速率與數(shù)據(jù)傳送速率不同數(shù)據(jù)傳信速率是傳輸數(shù)據(jù)的速率。數(shù)據(jù)傳送速率是相應設備之間實際能達到的平均數(shù)據(jù)轉移速率。它不僅與發(fā)送的比特率有關，而且與差錯控制方式、通信規(guī)程以及信道差錯率有關。即與傳輸?shù)男视嘘P。數(shù)據(jù)傳送速率總是小于數(shù)據(jù)傳信速率。上述三個定義的關系在實際應用上既有聯(lián)系又有側重在討論信道特性，特別是傳輸頻帶寬度時通常使用調制速率在研究傳輸數(shù)據(jù)速率時，采用數(shù)據(jù)傳信率在涉及系統(tǒng)實際的數(shù)據(jù)傳送能力時，則使用數(shù)據(jù)傳送速率。2、可靠性指標(1)差錯率衡量數(shù)據(jù)傳輸質量的最終指標是差錯率差錯率可以有多種定義在數(shù)據(jù)傳輸中，一般采用誤碼(比特)率、誤字符率、誤碼組率它們分別定義為：

差錯率是一個統(tǒng)計平均值，因此在測量或統(tǒng)計時，總的比特(字符、碼組)數(shù)應達到一定的數(shù)量，否則得出的結果將失去意義。3、數(shù)據(jù)傳輸信道(1)分類信道可按不同方式來分類。按傳輸媒體可分為有線信道和無線信道兩類。有線信道包括對稱電纜、同軸電纜、光纜等無線信道包括地面微波、衛(wèi)星、短波等

按信息復用形式，一般又可分為頻分制信道、時分制信道和碼分制信道。按信道參數(shù)的時間特性分為恒參信道和變參信道等。(2)信道容量

信道容量是指信道在單位時間內所能傳送的最大信息量。信道容量的單價是比特/秒，即信道的最大傳信速率。①模擬信道的信道容量模擬信道的信道容量可根據(jù)香農(shannon)定律計算。香農定律指出：在信號平均功率受限的高斯白噪聲信道中，信道的極限信息傳輸速率(信道容量)為：

其中:S／N是平均信號噪聲功率比（噪聲為正態(tài)分布的加性白噪聲）

B為信道帶寬

C為信道容量。例:若信道帶寬為3000Hz，信道上只存在加性白噪聲、信噪比為20dB，求信道容量。

②數(shù)字信道的信道容量

數(shù)字信道是一種離散信道，它只能傳送離散取值的數(shù)字信號。典型的數(shù)字信道是平穩(wěn)、對稱、無記憶的離散信道。這種信道可以是二進制的也可以是多進制的。下圖給出了平穩(wěn)、對稱、無記憶的二進制信道的數(shù)學模型。圖中Pe表示錯誤傳輸?shù)母怕?，即誤碼率，q表示正確傳輸?shù)母怕?。則q=1-Pe奈奎斯特(Nyquist)準則指出：帶寬為BHz的信道，所能傳送的信號的最高碼元速率(即調制速率)為2B波特因此，離散、無噪聲數(shù)字信道的信道容量C可表示為：

C＝2Blog2Mbit／s其中，M為碼元符號所能取的離散值的個數(shù)，即指M進制。

例:設數(shù)字信道的帶寬為3000Hz，采用四進制傳輸，計算無噪聲時該數(shù)字信道的通信容量。四、信號的傳輸方式

信號的傳輸方式是指信息在介質上傳輸時的物理形式。分為1、基帶傳輸2、載波傳輸3、寬帶網4、異步傳輸模式ATM五、通信方式1、單工通信方式2、半雙工通信方式3、全雙工通信方式第三節(jié)計算機局域網及其拓撲結構

一、計算機局域網絡與拓撲結構

1、計算機局域網絡將地理位置不同，并具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設備和線路而連接起來且以功能完善的網絡軟件(網絡協(xié)議、信息交換方式及網絡操作系統(tǒng)等)實現(xiàn)網絡資源共享的系統(tǒng)，可稱為計算機網絡系統(tǒng)。2、計算機局域網絡拓撲結構

計算機局域網絡的拓撲結構是指網絡中的通信線路和節(jié)點間的幾何排序，并用以表示網絡的整體結構外貌，同時也反映了各組成模塊之間的結構關系。主要有環(huán)形、星形、樹形、總線形、網狀和任意形等。如下圖所示。

二、幾種計算機網絡拓撲結構的介紹1、環(huán)形拓撲結構環(huán)形結構為一封閉環(huán)形，各結點通過中繼器連入網內，各中繼器間由點到點鏈路首尾連接，信息單向沿環(huán)路逐點傳送。環(huán)形網的特點是：信息在網絡中沿固定方向流動，兩個結點間僅有唯一通路，大大簡化了路徑選擇的控制，某個結點發(fā)生故障時，可以自動旁路，可靠性較高；由于信息是串行穿過多個結點環(huán)路接口。當結點過多時，影響傳輸效率，使網絡響應時間變長。但當網絡確定時，其延時固定，實時性強；由于環(huán)路封閉故擴充不方便。

2、星形拓撲結構3、樹形拓撲結構4、總線形拓撲結構5、網狀拓撲結構6、任意形拓撲結構

第四節(jié)網絡傳輸介質

一、雙絞線雙絞線又稱雙紐線?？蓚鬏斈M、數(shù)據(jù)信號。一對線作為一條通信鏈路。通常還把若干對雙絞線，捆成一條電纜并以堅韌的護套包裹。

雙絞線內導體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套雙絞線(TP)一般分為:非屏蔽雙絞線(UTP)屏蔽雙絞線(STP)兩種。

雙絞線的主要特點是單位長度的價格最低主要缺點是抗高頻干擾能力較低。

屏蔽雙絞線(STP)以箔屏蔽以減少干擾和串音3類、5類雙絞線外沒有任何附加屏蔽非屏蔽雙絞線(UTP)在傳輸模擬信號時大約每隔5km-6km，需要加一個放大器在傳輸數(shù)字信號時，每隔2km一3km需加—個中繼器。隨著技術的發(fā)展．雙絞線已不再是低速傳輸介質當前被廣泛采用的10BASE-T以太網所采用的雙絞線傳輸速率為10Mbps令牌網中的雙續(xù)線傳輸速率為4MbPs或16Mbps應該注意。目前我國采用的電話線大都不是雙絞線，而是平行線。不可能有很高的傳輸速率。雙絞線的分類：

目前常用的雙絞線有五類：

1類

:速率1～2Mbps；

2類

:速率1～2Mbps，用于語音

；

3類

:速率16Mbps，用于10BaseT及4MbpsTokenRing；

4類

:速率20Mbps，用于10BaseT及16MbpsTokenRing；

5類:速率100Mbps，用于100BaseTX。

超5類(a)3類非屏蔽（CAT-3UTP）(b)5類非屏蔽（CAT-5UTP）二、同軸電纜同軸電纜由內外兩個導體組成。內導體是芯線，外導體是一系列以內導體為軸的金屬細絲組成圓柱紡織面。內外導體之間由填充支持物以保持同軸。同軸電纜同軸電纜

銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套計算機網絡中使用的同軸電纜有三種：公用天線電視CATV系統(tǒng)標準的75歐姆同軸電纜、50歐姆同軸電纜和93歐姆同軸電纜。75歐姆同抽電纜又叫寬帶同軸電纜，常用于傳輸頻分多路復用FDM方式產生的模擬信號(稱為寬帶信號)。當然也適用于直接傳輸數(shù)字信號，傳送速率通常為1Mbps-40Mbps。50歐姆同軸電纜只適用于直接傳輸數(shù)字信號(即所謂基帶信號)，又稱基帶電纜。50歐姆同軸電纜又分為粗纜和細纜兩種。粗纜抗干擾性能好，傳輸距離遠；細纜便宜，傳輸距離較近。傳輸速率通常為10Mbps。93歐姆電纜是ARCnet網絡結構中的同軸電纜，通常也只用于基帶傳輸，傳輸速率為2Mbps一20Mbps。

三、光纜光纖是一種能夠傳導光線的，極細而又柔軟的通信媒質光導纖維的橫截面為圓形，分纖芯(又稱芯子)和包層兩部分。一根或多根光導纖維組合在一起形成光纜。光纜還包括一層能吸引光線的外殼。光導纖維的優(yōu)點是：頻帶寬、傳輸容量比電纜大10倍-10000倍、傳輸速率極高、誤碼率小、傳輸距離遠(若不需轉發(fā)器可傳送6km一8km)、抗干擾性能好、數(shù)據(jù)保密性最高、損耗和誤碼率低、傳輸速率為10Mbps一1000Mbps。其缺點是：光纖銜接困難，分支也困難，且分支時信號能量損失很大、價格昂貴、牢度低于金屬線等，主要用作點對點連接。

光纖一束光線以三種不同的角度穿過空氣與光纖的邊界

光線在光纖中的全反射典型的光纜玻璃封套塑料外套玻璃內芯單芯光纜多芯光纜玻璃內芯塑料外套玻璃封套外殼剖面結構芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束光接收器光信號檢測器前置放大器均衡器后置放大器濾波判決電路時鐘恢復數(shù)據(jù)第五節(jié)介質訪問控制方式 網絡上的設備共享傳輸線路，為解決設備同時爭用傳輸線路的問題，需要設置介質訪問控制方式。一、CSMA/CD訪問控制方式

CSMA/CD－即載波偵聽多路訪問技術就是一種帶有監(jiān)聽的多路訪問系統(tǒng)，也稱先聽后說，希望傳輸?shù)恼臼紫葘橘|進行監(jiān)聽，以確定是否有別的站在傳輸。如果介質空閑，該站可以傳輸；否則。該站將避讓一段時間后再嘗試。CSMA/CD需要有一種退避算法來決定退讓時間，常用有三種算法。堅持型CSMA。又稱1—堅持CSMA。特點：當某個站點要傳送一批數(shù)據(jù)時，它首先必須監(jiān)聽信道。看其是否正被其他站點占用。如果信道忙則站就等待，直到信道空閑為止。當站點監(jiān)聽到信道空閑時，就立即發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。如果發(fā)生沖突則等待一隨機時間再重新開始。此協(xié)議之所以稱之為1—堅持，是因為只要偵聽到信道空閑就立即發(fā)送幀，也即發(fā)送幀的概率為1。

P堅持型CSMA。特點：當某個站準備發(fā)送信息時，它便開始偵聽信道。若信道空閑，便以概率P傳送信息，而以概率(1－P)把發(fā)送信息的機會推遲到下一時槽。若下一時槽仍然空閑，便再次以概率P發(fā)送或以概率(1—P)推遲發(fā)送。如果該站偵聽到信道為忙，就等到下一時槽，再應用上述算法。

非堅持CSMA。特點：發(fā)送信息前先偵聽信道。如果信道未被其他站點占用就開始發(fā)送信息。如果信道正在使用，該站就不再繼續(xù)偵聽正在發(fā)送的信息何時結束，而是等待一個隨機時間，再重復上述過程。

二、令牌環(huán)介質訪問控制方式令牌環(huán)是環(huán)型網中普遍采用的介質訪問控制。環(huán)中只有一個令牌在循環(huán)傳送。任何一站要發(fā)送數(shù)據(jù)，必須等待循環(huán)的令牌通過該站，隨后將令牌從空的標志改為滿的標志，緊接著將數(shù)據(jù)送入環(huán)中。它分為兩種形式。1、令牌環(huán)方式2、令牌傳遞總線方式

第六節(jié)數(shù)據(jù)交換

通常使用的數(shù)據(jù)交換技術有三種：線路交換;報文交換；分組交換。

一、線路交換方式線路交換方式，是通過網絡中的結點在兩個站之間建立一條專用的通信線路。最普通的線路交換例子是電話系統(tǒng)。通過線路交換進行通信，指的是在兩個站之間有一個實際的物理連接。這種連接是結點之間的連接序列。在每條線路上，通道專用于連接。線路交換方式的通信包括三種狀態(tài)。

1、線路建立：在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，都必須建立端到端(站到站)的線路。例如，A站發(fā)送一個請求到結點4，請求與E站建立一個連接。典型的做法是，從A站到結點4的線路是一條專用線路。結點4必須在通向結點6的路徑中找到下一個支路。根據(jù)路徑選擇信息，結點4選擇到結點5的線路，在此線路上分配一個專用的通道(TDM或FDM)，并且發(fā)送一個報文請求連接到E站。至此已經建立了一條從A站經過結點4到結點5的專用通路。因為可能有許多站連接到結點4，所以必須能建立從多個站到多個結點的內部通路。結點5專用一條到結點6的通道，并且在內部把此通道與從結點4來的通道連接起來。結點6完成到E站的連接。在完成這個連接的過程中，要進行測試以測定E站是否忙或者是否準備接收本次連接。2、數(shù)據(jù)傳送：連接后可以通過網絡把信號從A站傳送到E站。所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是數(shù)字的(例如從終端傳輸?shù)接嬎銠C)，或者是模擬的(例如聲音)。一般來說。這種連接是全雙工的．可以在兩個方向傳輸數(shù)據(jù)。

3、線路拆除：在某個數(shù)據(jù)傳送周期結束以后，就要結束連接，通常由兩個站中的一個來完成這個動作。線路交換可能效率很低。通道容量在連接期間是專用的，即使沒有數(shù)據(jù)傳送。別人也不能用。在數(shù)據(jù)傳送以前，為了呼叫建立，有一個延遲。然而一旦建立了線路。網絡對于用戶實際上是透明的。用戶可以用固定的數(shù)據(jù)傳輸速率來傳輸數(shù)據(jù)。除了通過傳輸鏈路時的傳輸延遲外。不再有別的延遲。在每個結點上的延遲是很小的。

二、數(shù)據(jù)報文方式報文交換中不需要在兩個站之間建立一條專用通路。相反，如果一個站想要發(fā)送一個報文(信息的一個邏輯單位)，它把一個目的地址附加在報文上。然后把報文通過網絡從結點到結點。在每個結點中，接收整個報文，暫存這個報文，然后發(fā)送到下一個結點。

例：一個從A站到E站的報文。A站把E站的地址附加到報文上，然后把它發(fā)送到結點4。結點4存儲這個報文并且決定下一個路徑的支路(假定到結點5)。為了在結點4到結點5的線路上傳送這個報文，要進行報文排隊。當鏈路可用時，就把報文發(fā)送到結點5。結點5將繼續(xù)把報文發(fā)送到結點6，最后到達E站。這種系統(tǒng)通常也稱為存儲轉發(fā)報文系統(tǒng)。某些情況下，連接到各站的結點或某些中間結點也生成報文，用來建立參數(shù)記錄。

與比線路交換方式相比有以下優(yōu)點：線路效率較高，這是因為許多報文可以分時共享一條結點到結點的通道。不需要同時使用發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網絡可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報文。在線路交換網上，當通信量變得很大時，就不能接受某些呼叫，而在報文交換網上仍然可以接收報文，但是傳送延遲會增加。報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地。能夠建立報文的優(yōu)先權。

三、報文分組交換方式分組交換的設置目的是要兼有報文交換和線路交換的優(yōu)點，而使兩者的缺點最少。分組交換非常象報文交換。形式上的主要差別在于，分組交換網中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度。典型的最大長度是1千位至幾千位。報文交換系統(tǒng)卻適應更長的報文。從一個站的觀點來看，超過最大長度的報文必須分成較小單位，然后依次發(fā)送。為了區(qū)分這兩種技術，分組交換系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)單位通常稱為分組。

分組報文交換的兩種方式：數(shù)據(jù)報方式和虛電路方式。

第七節(jié)網絡互連一、網絡互連的基本概念1、什么是網絡互連將分布在不同地理位置的網絡、網絡設備連接起來，構成更大規(guī)模的網絡系統(tǒng)，以進一步實現(xiàn)資源的共享。2、子網互連網絡中被連接的網絡叫子網。3、網絡連接設備中繼器網橋路由器網關

二、網絡互連規(guī)范

網絡互連必須遵循一定的規(guī)則，這種規(guī)則叫網絡互連規(guī)范。

目前，國際上通行的是國際標準化組織(ISO)于l977年制定的相互連接的標準，即IOS/OSIRM參考模型，它為網絡設計者提供一個參考規(guī)范。第八節(jié)開放系統(tǒng)互連參考模型

1977年國際標準化組織（ISO)專門建立了一個委員會。在分析和消化已有網絡的基礎上，考慮到聯(lián)網方便相靈活性等的要求，提出了一種不基于待定機型、操作系統(tǒng)或公司的網絡體系結構，即開放系統(tǒng)互連參考模型IOS/OSIRM.定義了異種機連網的標準框架，為連接分散的“開放”系統(tǒng)提供基礎。

ISO/OS