工业控制网络02李中伟.ppt
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1、工 业 控 制 网 络 (现场总线) 主讲教师:李中伟,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题: 通信线网络的传输介质 通信设备/装置节点/站点 通信的快慢通信速率 通信距离总线长度 网络能连多少个节点?,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题: 允许数据传输方向通信方式 数据如何描述数据编码 节点识别寻址方式 节点地址有重复的怎么办?重复MAC ID检测 节点之间如何连接网络拓扑结构 节点优先级,冲突如何解决介质访问控制方式,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大
2、网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题: 每位数据时间的长短位定时 不同节点的位时间有误差怎么办?同步 出错了怎么办?检错和纠错 节点出故障了怎么办?自检、故障诊断和自动脱离 如何表达不同的数据数据的格式和意义帧的组成协议,第2章 数据通信与计算机网络基础,哈工大网络与电气智能化研究所,数据通信需具备的条件和考虑/解决的问题: 复杂协议如何实现协议分层 一次要发送的数据比较多,一帧发不完怎么办?分段/重组 如何保证数据接收节点知道发送节点何时开始发送数据、何时结束数据发送?帧起始、帧结束 如何保证通信数据的保密性、完整性、可用性和不可否认性保密通信 拥塞控制、流量控制、
3、带宽、时分复用和频分复用等,第2章 数据通信与计算机网络基础,2.1 数据编码 2.2 通信方式 2.3 网络拓扑结构 2.4 网络的传输介质 2.5 介质访问控制方式,2.6 计算机网络硬件 2.7 网络分类 2.8 网络软件 2.9 参考模型,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1 数据编码,数据编码通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示和传输。除模拟数据模拟信号传输以外,其它都需要进行数据编码。 数据编码: (1)数字数据的数字信号编码 (2)数字数据的模拟信号编码 (3)模拟数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1
4、数据编码,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1 数据编码,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1.1数字数据的数字信号编码,数字数据的数字信号编码:用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。 单极性码:信号电平是单极性的。 双极性编码:信号电平为正、负两种极性的。 归零码:每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。 非归零码:在整个码元时间内维持有效电平。 差分码:用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。变化为“1” ,不变化为“0” 。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1.1数字数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1.1数字数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能
5、化研究所,2.1.1数字数据的数字信号编码,曼彻斯特编码:码元本身分为两半,前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码,后半个时间段传送的是比特值本身。(这种定义的典型应用是使用802.3协议的基带同轴电缆和CSMA/CD机制的双绞线中) ControlNet等现场总线中使用的曼彻斯特编码的定义与上述定义正好相反。其中:L,H=0, H,L=1。 曼码的优点:自带同步 曼码的缺点:同步与数据同时发生,哈工大网络与电气智能化研究所,2.1.1数字数据的数字信号编码,哈工大网络与电气智能化研究所,差分曼彻斯特编码:数据在开始表示,有变化为1,无变化为0,同步在码元中间表示。(这种定义使用在80
6、2.5令牌环双绞线网络中),2.1.1数字数据的数字信号编码,2.1.2 数字数据的模拟信号编码,数字数据的模拟信号编码:用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态。 幅度键控ASK(amplitude-shift keying) 频移键控FSK(frequency-shift keying) 相移键控PSK(phase-shift keying),哈工大网络与电气智能化研究所,2.1.2 模拟数据编码,哈工大网络与电气智能化研究所,串行传输与并行传输 串行传输的数据是一位一位在设备间进行传输的。 串行速度慢、但费用低,一般用于远距离传输。 并行传输:多个位在设备间是同时传输的。
7、并行速度快,但费用高,适用于近距离。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,单工、半双工、全双工通信 单工通信:信息流只能沿一个方向传输,不能反向; 半双工通信:可以双向传输,但同一时间内只能单向传输; 全双工通信:允许在同一时刻两个方向同时进行数据传输。 单工通信一般用于无线广播、有线广播及电视广播,数据通信中很少使用;全双工和半双工比:全双工效率高,但结构复杂,成本也比较高。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,同步传输与异步传输 同步传输:以同步的时钟节拍来发送数据信号,在一个串行数据流中,各信号码元之间的相对位置是固
8、定的。接收端为正确地区分收到的数据流中每个码元,必须首先建立准确的时钟信号,实现比特同步。 异步传输:也称为开始/停止传输。要一起传输的位流由一个开始位开始,并由一个停止位做结束。当接收端取得开始信号时,它会设定好时间机制,以便正确接收数据。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能化研究所,基带传输、载波传输和宽带传输 基带传输:是指将数字设备发生的数字信号按数据波的原样进行传输,不包含任何调制。 载波传输:采用数字信号对载波进行调制后实行传输,如ASK、FSK、PSK。 宽带传输:将基带信号、音频信号和视频信号经调制后放到同一条电缆的不同频段进行传输。,2.2 通信方式,哈工大网络与电气智能
9、化研究所,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,1.星形拓扑 由中央站点及通过点到点链路连到中央节点的各个站点组成。星形拓扑的交换方式主要有报文交换和线路交换。 优点:方便服务;每个连接只接一个设备,单点失败不会影响全网;可以进行集中控制及故障诊断;访问协议简单。 缺点:需要的电缆较多、安装复杂;受中央节点限制,扩展较困难;过分依赖于中央节点。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,2.环形拓扑 由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭合环路的网络拓扑结构。每个工作站通过中继器再连至网络。数据沿一个方向在网上环行。 优点:电缆长度短。 缺点:单点故障影响全网;
10、故障诊断比较困难;不易重新配置网络;通信调度复杂。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,3.总线拓扑 传输介质是一根总线,工作站通过相应的硬件接口接至总线上。一个站发送数据,所有其它站都能接收。 优点:电缆长度短、布线容易;可靠性高;易于扩充。 缺点:故障诊断困难;在总线的干线基础上扩充需要中继器,系统应重新配置,包括电缆长度的裁剪、终端器的调整等;因为接在总线上的站点要有介质访问控制能力,所以终端必须是智能的。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,4.树形拓扑 由总线拓扑演变而来,形状像一颗倒置的树,顶端有一个带分支的根,每一个分支还可包括更多的分支,这样的网
11、络拓扑叫树形拓扑。 优点:易于扩展;故障隔离容易。 缺点:对根的依赖性太大,如果根发生故障,则全网不能正常工作。,2.3 网络拓扑结构,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4 网络的传输介质,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路,也是通信中实际传送信息的载体。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4 网络的传输介质,架空明线 同轴电缆 双绞线,光导纤维电缆 无线(红外、微波、卫星等),哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.1 双绞线的主要特性,无论对于模拟数据还是对于数字数据,双绞线都是最通用的传输介质。电话线路就是一种双绞线。,哈工大网络与电气智能化研究所,双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组
12、成。两根绝缘的导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号的干扰程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。可分为2种: 非屏蔽双绞线(UTP) 屏蔽双绞线(STP) (1)传输特性 既能传输模拟信号,也能传输数字信号,适用于较短距离的信息传输(因为其中的信号衰减比较大,会产生波形畸变)。只要精心设计、选择和安装,可在有限距离内(100米)达到100M,甚至155Mbps的通信速率。,2.4.1 双绞线的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,(2)连通性 可以是点对点的,也可以是多点的。 (3)地理范围 使用中继器时15公里。在10M局域网与HUB相连时,距离最大100米。 (
13、4)抗干扰性 取决于相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。误码率:10-5-10-6。 (5)价格 价格低、易于安装。,2.4.1 双绞线的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.2 同轴电缆的主要特性,同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一。有线电视线。,哈工大网络与电气智能化研究所,内部是导体,外有屏蔽层、绝缘层和保护层。 (1)传输特性 具有50特征阻抗的基带同轴电缆传输速度可达 10Mbps; 具有75特征阻抗的宽带同轴电缆传输速度可达 400Mbps。 (2)连通性 基带同轴电缆可以挂上百台设备; 宽带同轴电缆可以挂上千台设备。,2.4.2 同轴电缆的主要特性,哈工大网络与电气
14、智能化研究所,(3)地理范围 基带同轴电缆的传输距离可达几公里; 宽带同轴电缆的传输距离可达上百公里。 (4)抗干扰性 抗干扰能力较强; 误码率:基带10-7,宽带10-9。 (5)价格 中等。,2.4.2 同轴电缆的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.3 光缆的主要特性,光缆是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。,哈工大网络与电气智能化研究所,直径50-100m,能传导光波,由玻璃、塑料或石英玻璃纤维制成。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的薄层包裹。 (1)传输特性 利用全反射原理进行传输。采用亮度调制,即ASK。用的是频率为1014-1015的可见光以及部分红外波
15、段,速度达几千兆。 可分为: 单模光纤:光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度; 多模光纤:光信号与光纤轴成多个可分辨角度。 单模光纤性能优于多模光纤。,2.4.3 光缆的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,(2)连通性 一般是点到点连接,这是最普遍的接法,个别情况下也有多点连接的形式。 (3)地理范围 不使用中继器:6-8公里。 (4)抗干扰性 误码率最小:10-10。 (5)价格 价格高。,2.4.3 光缆的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4.4 无线通信信道的主要特性,微波通信 红外通信 激光通信 卫星通信(特殊的微波通信系统),哈工大网络与电气智能化研究所,微波通信:使用频率
16、为109-1010Hz。由于微波能穿透电离层而不反射到地面,所以只能使微波沿地球表面由源向目标直接发射。由于地球表面是个曲面,因此其传播距离受到一定限制,一般为50公里。为实现远距离传输,每隔几十公里便需要建立中继站。 红外通信:使用频率为1011-1014Hz。具有很强的方向性,沿直线传播。 激光通信:使用频率为1014-1015Hz。如果气候条件好,可以在几十至上百公里间的两点直接通信。 卫星通信:是微波通信的一个特例。,2.4.4 无线通信信道的主要特性,哈工大网络与电气智能化研究所,2.4 网络的传输介质,构建一个网络(系统),选择传输介质时应考虑: 网络拓扑 网络连接方式 网络通信量
17、 系统的可靠性要求 要传输的数据类型 网络覆盖的地理范围 节点间的距离,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5 介质访问控制方式,在总线和环形拓扑中,网上设备必须共享传输线路。为解决在同一时间有几个设备同时争用传输介质,需有某种介质访问控制方式,以便协调各设备访问介质的顺序,在设备之间交换数据。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5 介质访问控制方式,通信中对介质的访问可以是随机的,即各工作站可在任何时刻,任意地访问介质;也可以是受控的,即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5 介质访问控制方式,在随机访问方式中,常用的争用总线技术为CSMA/C
18、D(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection载波监听多路访问/冲突检测)。 在控制访问方式中常用令牌总线、令牌环或称之为标记总线、标记环。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送是随机的,必须在网络上争用传输介质,故称之为争用技术。 若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息,则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏,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,都要监听传输线上是否有信息在发送,这就是“载波监听
19、”。 载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送,首先需监听总线,以决定介质上是否存在其它站的发送信号。如果介质是空闲的,则可以发送。如果介质是忙的,则等待一定间隔后重试。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),三种CSMA坚持退避算法: 不坚持CSMA(也叫0坚持CSMA ) 1-坚持CSMA P-坚持CSMA,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),不坚持CSMA介质空闲就发送,介质忙就等待一段随机时间再发送。利用随机的重传时间来减少冲突的概率,缺点是:即使有几个站有数据要发送,介质仍
20、然可能处于空闲状态,介质的利用率较低。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),1-坚持CSMA。介质空闲就发送,介质忙则继续监听,等到总线空闲,立即发送。如果发生冲突,则等待一段随机时间,重复第一步。缺点是:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),P-坚持CSMA。假如介质是空闲的,则以P的概率发送,或以(1P)的概率延迟一个时间单位后重复处理。该时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙,继续监听直到介质空闲,重复第一步。,哈工大网络与电气
21、智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),P-坚持CSMA。如果选择P过大,使NP 1,则冲突不可避免。最坏的情况是,随着冲突概率的不断增大,吞吐率会降为0。所以必须选择P值使NP 1,如果P值选得过于小,则通道利用率又会大大降低。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.1 CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测),冲突检测:如果有多个站同时监听到总线空闲并开始发送数据,就会产生冲突。因此,每个站在发送数据之后,还要继续监听线路,判定是否有其它站也正在向总线上发送数据,一旦发现,便中止发送。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.2 令牌(标记)访问控制方式,
22、CSMA的访问存在发报冲突问题,产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题,可采用有控制的发报方式。 令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌(token)的方法。谁得到令牌,谁才有发报权。 令牌访问原理可用于环形网络,构成令牌环形网;也可用于总线网,构成令牌总线网络。,哈工大网络与电气智能化研究所,2.5.2 令牌(标记)访问控制方式,令牌环(token-ring)方式令牌在网络环路上不断地传送,拥有此令牌的站点,有权向环路上发送报文,其它站点仅允许接受报文。不会发生访问冲突。 对轻、重负载不敏感。 单环故障,整个瘫痪,可靠性低。 信息传输具有确定性,能比较准确估计信息传输的延
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