低碳经济和低碳生活

§6—1网络与通信慨述一、数据通信数据信息：具有一定编码、格式和位长要求的信号数据通信：将数据信息通过适当的传输线路从一台机器传输到另一台机器。这里的机器可以是计算机、PLC或是有数据通信功能的其他设备。第六章PLC的网络与通信数据通信系统的任务是把地理位置不同的计算机和PLC及其他数字设备连接起来，高效率地完成数据的传输、信息交换和通信处理三项任务。数据通信系统一般由传输设备、传输控制设备和传输协议及通信软件等组成。(一)数据传输方式1．并行通信与串行通信并行通信——所传输数据的各位同时发送或接收；串行通信——所传输数据按顺序一位一位地发送或接收。（1）异步传输：也称为起止式传输，它是利用起止法来达到收发同步目的的。异步传输中，将被传输的数据编码成一串脉冲。例如，传输一个ASCII字符(每个字符有7位)。传输速率用每秒钟传输的位数(b／s)来表示，称之为波特率。若某异步串行通信的字符格式为1个起始位、8个数据位、2个停止位，波特率为1200b/s，则每秒所能传输的字符数最多为１２００÷（１+８+２）＝１０９个２．同步传输与异步传输（2）同步传输：在数据开始处就用同步字符(通常为1~2个)来表示。由定时信号(时钟)来实现发送端同步，一旦检测到与规定的同步字符相符合，接下去就连续按顺序传输数据。３．基带传输与频带传输（1）基带传输：基带：电信号的基本频带。计算机或数字设备产生的“0”和“1”的脉冲序列电信号就是基带信号。基带传输：数据传输系统不对信号做任何调制，直接传输数据的传输方式。例如，对二进制数字信号不进行任何调制，按照它们原有的波形(以脉冲形式)直接传输。曼彻斯特编码：为了避免当存在许多个连续的“0”和“1”时系统无同步参考，多采用。（2）频带传输把信号调制到某一频带上的传输方式。当进行频带传输时，用调制器把二进制数字信号调制成能在公共电话线上传输的音频信号(模拟信号)在通信线路上进行传输。信号传输到接收端后，再经过解调器的解调，把音频信号还原成二进制的数字信号。三种方式：调幅、调频和调相调幅：根据数字信号的变化改变载波信号的幅度的调制方式调频：根据数字信号的变化改变载波信号的频率的调制方式调相：根据数字信号的变化改变载波信号的相位的调制方式串行通信通常传输是数字量，这种信号包括从低频到高频极其丰富的谐波信号，要求传输线的频率很高。而远距离传输时，为降低成本，传输线频带不够宽，使信号严重失真、衰减，故常采用调制解调技术。1．单工通信方式：数据的传输始终只能在一个方向进行，而不能进行反向传输２．半双工通信方式：信息流可以在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向的传输３．全双工通信方式：能在两个方向上同时发送和接收(二)数据传输方向１．双绞线：最常用的传输介质，由呈螺旋排列的两根绝缘导线组成，两根导线相互扭绞在一起，可使两线之间的电磁干扰减至最小。２．同轴电缆：由内外导体组成。内导体是单股或多股线；圆柱形的外导体，通常由编织线组成并围裹着内导体。(三)传输介质３．光缆：一种能传输光波的介质。它的内层是具有较高折射率的光导玻璃纤维，外层包裹着一层折射率较低的材料，利用不断的全反射来传输被调制的光信号。(四)串行通信接口标准用于设备之间数据传输的连接结构称为通信接口。在工业现场控制中普遍采用串行数据通信１．RS232C串行通信接口(四)串行通信接口标准１．RS232C串行通信接口２．RS４２２／４８５串行通信接口３．串行接口的实际应用(五)多路复用在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复用（Multiplexing）1.频分多路复用2.时分多路复用1.频分多路复用频分多路复用（Frequency-divisionmultiplexing，FDM），是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。FDM常用于模拟传输的宽带网络中。在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多,在频分复用系统中，信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频段，每路信号用其中一个频段传输，因而可以用滤波器将它们分别滤出来，然后分别解调接收2.时分多路复用时分多路复用（TDM）是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传送，将整个传输时间分为许多时间间隔（Slottime，TS，又称为时隙），每个时间片被一路信号占用。TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号的。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在。因数字信号是有限个离散值，所以TDM技术广泛应用于包括计算机网络在内的数字通信系统，而模拟通信系统的传输一般采用FDM。(六）信息交换方式1.电路交换电路交换是由交换机在两个通信站点之间建立一条物理专用线路。一旦一次通话建立，在两部电话之间就有一条物理通路存在，直到这次通话结束，然后自动拆除物理通路2.报文交换报文交换(messageswitching)属于存储交换。报文交换不是先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它将把要发送的数据当做一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点3.分组交换它兼有电路交换和报文交换的优点。分组交换在线路上采用动态复用技术,传送按一定长度分割为许多小段的数据——分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。连接策略优点缺点电路交换快速。适用于不允许传输延迟的情况由于网络线路是专用的，所以其他路由不能使用。和电话通话一样，通信双方必须同时参与报文交换路由是非专用的，完成一个报文传输后，可以立刻被重新使用。接收方无须立即接受报文通常报文需要用更长的时间，才能到达目的地。由于中间节点必须存储报文，所以报文过长，也会产生问题。报文尾部仍沿用原先设定的路由，而不管网络状况是否已经改变分组交换当发生阻塞时，分组交换网络的数据报方式会为报文的不同分组选择不同的路由，因此能更好地利用网络由于每个分组被单独传送，费用将相应增加。必须为每个分组选择路由。在数据报方式中，分组可能不按次序到达二、局域网计算机网络按其工作环境、应用技术条件和覆盖范围的大小可分为局域网和广域网。PLC网络属于局域网的范畴。(一)局域网的四大要素１．网络拓扑结构网络拓扑结构是指网络中的通信线路和节点间的几何布置，用以表示网络的整体结构外貌。（1）星型网络以中央节点为中心，由中央节点与各节点连接组成的，网络中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点（2）环型网络各节点通过环路通信接口或适配器连在一条首尾相连的闭合形通信线路上，环路上任何节点均可以请示发送数据。请求一旦被批准，便可以向环路发送数据。（3）总线型网络利用总线把所有的节点连接起来，使这些节点共享总线，对总线有同等的访问权。２．介质访问控制通信中对介质的访问可以是随机的，即各站(节点)可在任何时刻，任意地访问介质，这种方式称为随机访问方式，也称为争用方式，常用的技术为CSMA／CD通信中对介质的访问也可以是受控的，即各站(节点)可用一定的算法调整各站访问介质的顺序和时间，这种方式称为控制访问方式，常用的技术有令牌总线和令牌环（或称之为标记总线和标记环）３．通道利用方式４．传输介质(二)网络体系结构从功能上对网络结构进行的描述１．分层的功能子集较高层次建立在较低层次的基础上，较低层次为较高层次提供服务２．接口分层结构的层与层之间通过接口相连(软件接口或硬件接口)３．通信协议分层结构中最关键的问题通信协议是通信双方为实现正确通信所作的约定，所制订的规则。用N个比较简单的对等层通信协议取代一个错综复杂的整体式通信协议，使通信协议可由“分级构造方法”来实现，从而使实现的复杂性大大下降。对等层通信协议的实现是一个把PCI包装上或从PDU上把PCI拆装下来的过程协议由语义、语法和定时三部分组成语义：规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信号，执行的动作和返回的应答。语法:规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的格式。定时关系：规定事件执行的顺序，即确定通信过程中通信状态的变化相邻层数据流之间的关系执行通信协议的包装与拆装过程(三)网络模型１．开放系统互联参考模型OSI／ＲＭ应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层２．IEEE802参考模型将OSI模型的最低两层分为三层，即物理信号层、介质访问控制层和逻辑链路控制层层次功能7.应用层提供电子邮件、文件传输等用户服务6.表示层转换数据格式，数据加密和解密5.会话层通信同步，错误恢复和事务操作4.传输层网络决策，实现分组和重新组装3.网络层路由选择，计费信息管理2.链路层错误检测和校正，组帧1.物理层数据的物理传输三、TCP／IP技术简介１．异种网络互联原理异种网互联要解决协议的相互转换问题２．ＴＣＰ／ＩＰ网间网的体系结构(1)应用层(2)传输层(TCP)(3)网间网层(IP)(4)网络接口层异种网的协议转换TCP/IP网间网体系结构§6—2工业以太网一、以太网的网络组成根据以太网物理层介质和速率的不同可分为多种类型１．信号部件一些标准化的电子部件(设备)，用来在以太网中接收和发送信号(1)以太网接口在计算机内部的可以使以太网系统工作起来的智能部件(2)收发器发送器和接收器的组合(3)收发器电缆将以太网接口和收发器连接起来的电缆(4)中继器信号部件，用于连接两个同轴电缆段端口２．物理传输介质常用的物理传输介质有同轴电缆、双绞线和光缆。在同一个以太网中，还可能包括不同类型的介质系统，并通过中继器连接，以组成一个网络信道。10Base5网二、以太网帧帧是指一系列标准化的数据位，用来在网络中传输数据。以太网系统的核心概念是帧。帧的构成规则和组织是构成以太网系统的关键DIX标准是Xerox、Intel和DEC三家公司发布的以太网技术规范，IEEE８０２.3标准就是在其基础上制定出来的。１．前同步信号主要用于提供使所有接口识别一个正在传输中的帧所需的时间，２．目的地址字段每个以太网接口都分配了一个唯一的48位地址，即接口的物理地址或者说是硬件地址。３．源地址字段发出帧接口的物理地址，该地址是供高层协议用的。４．类型字段用来说明以太网帧中的高级网络协议数据的类型５．数据字段至少包括46个字节，最多为1500个字节。网络协议软件应提供至少46个字节的数据，以满足以太网系统正常运行的要求。６．FCS字段也称为循环冗余码校验(CyclicRedundancyCheck,CRC)段，这个32位字段包含的值是通过循环冗余检验的方法计算出来的，用来检验帧字段数据位的完整性(不包括前同步信号)。三、以太网的介质访问控制(1)CSMA／ＣＤ的帧发送过程CSMA／ＣＤ协议的帧发送过程如下：①一个节点在发送数据前，首先对总线进行监听，确定介质是否空闲。②如果介质空闲，则发送；介质忙，则继续监听，直到介质空闲为止。③发送数据时，继续监听总线。一旦监听到碰撞产生，就立即停止发送，并向总线发送一串阻塞信号(JAM)加强冲突，以通知各个节点碰撞已发生。④碰撞发生后，应随机延迟一个时间量，继续争用总线。(2)CSMA／ＣＤ的帧接收过程总线上的非发送节点始终处于监听状态，一旦发现总线上有数据传输，就立即启动帧接收过程。对接收的帧进行如下处理：①滤除“帧碎片”，即若检测出接收到的帧长度小于最小帧长度限制，则认为该帧不完整，将其丢弃。②检测帧的目的地址能否与本节点地址匹配。如果不匹配，则丢弃该帧。③对帧进行CRC校验，如果CRC有错，