工业数据通信和控制网络(物理层)

工业控制网络——数据通信与计算机网络基础2.1基本术语2.8介质访问控制方式2.2数据编码2.9计算机网络硬件2.3信号的传输方式2.10网络软件2.4通信方式2.11网络互连设备2.5差错检测与控制2.12网络参考模型2.6网络拓扑结构2.13现场总线的网络通信模型2.7网络的传输介质2.14控制网络与计算机网络2、数据通信与计算机网络基础2.1基本术语总线：网络上各节点共享的传输媒体，是信号传输的公共路径。总线协议：总线上的设备如何使用总线的一套规则，这套规约是事先规定、必须共同遵守的。总线操作：总线上数据发送者与接收者之间的连接——数据传送——断开连接的一个操作序列。现场设备：作为网络节点连接在现场总线上的物理实体，具备测量控制功能和数据通信能力。2.1基本术语发送与接收设备：数据通信系统中，具有通信信号发送电路的设备称为发送器或发送设备；具有通信信号接收电路的设备称为接收器或接收设备。总线仲裁：对总线冲突的处理过程，根据某种裁决规则确定下一个时刻具有总线占有权的设备。传输介质：指在两点或多点之间连接收发双方的物理通路，是发送设备与接收设备之间信号传递所经过的媒介。数据报文：通过网络传输的数据的基本单元，包含一个报头（header）和数据本身，其中报头描述了数据的目的地以及和其它数据之间的关系。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。2.1基本术语2.1基本术语数据通信过程：两个或多个节点之间借助传输媒体以二进制形式进行数据交换的过程数据通信过程与打电话的对比建立物理连接拨号，拨通对方建立逻辑连接互相确认身份数据传送互相通话断开逻辑连接互相确认要结束通话断开物理连接双方挂机2.1基本术语信源发送设备传输介质接收设备信宿通信报文通信协议数据在计算机中用二进制数表示，而1或0以电压的高低或电流的有无来反映。传输媒体是网络中数据传输的物理通路。要通过传输媒体传输数据，必须把数据转换成能在传输媒体中传输的信号。（1）信号：指数据的电磁或电子编码，信号分为模拟信号与数字信号。数字信号：一系列的脉冲模拟信号：连续变化的量2.2数据编码（2）数据编码：通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。1）用数字信号表示数据单/双极性码、归零码、不归零码（NRZ）、差分码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等2）用模拟信号表示数据幅移键控法（ASK）、频移键控法（FSK）、相移键控法（PSK）用模拟信号承载数字或模拟数据的技术称为调制技术。2.2数据编码不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况2.2数据编码数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道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。2.2.1数字数据编码数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。归零码（RZ）归零码在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（NRZ）非归零码在整个码元时间内维持有效电平。2.2.1数字数据编码差分码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”。差分码按按初始信号为高电平或低电平，有相位截然相反的两种波形。2.2.1数字数据编码01100101绝对码差分码图2-2差分码2.2.1数字数据编码曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）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。2.2.1数字数据编码数据时钟曼彻斯特编码图2-3曼彻斯特编码过程与波形10010112.2.1数字数据编码2.2.2模拟数据编码模拟数据编码：用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态。有以下三种编码方法：幅度键控ASK（amplitude-shiftkeying）频移键控FSK（frequency-shiftkeying）相移键控PSK（phase-shiftkeying）2.2.2模拟数据编码利用载波的不同振幅来表示二进制数的0或1。效率低，易受到干扰。利用载波频率附近的两个不同频率来表示二进制数据的0或1。不易受干扰，广泛用于高频（3MHz～30MHz）的无线电传输。2.2.2模拟数据编码利用载波信号的相位移动表示二进制数0或1。具有较强的抗干扰能力，效率较高。2.2.2模拟数据编码2.3.1传输顺序2.3.2同步方式2.3.3传输模式2.3数据传输方式和信号的传输模式串行传输：数据流以串行方式逐位的在一条信道上传输。特点：易于实现，适合长距离传输。收发双方需要采取同步措施。2.3.1传输顺序并行传输：将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输。特点：不需特殊同步措施，适合于近距离数字通信。2.3.1传输顺序串行传输与并行传输的区别：串行传输在传输一个字符或字节的各数据位时是依顺序逐位传输；并行传输在传输一个字符或字节的各数据位时采用同时并行传输。2.3.1传输顺序同步传输和异步传输是指通信处理中使用时钟信号的方式不同。同步传输：发送方和接收方的时钟统一、字符与字符间的传输同步无间隔。异步传输：不要求发送方和接收方的时钟完全相同，字符与字符间的传输异步。2.3.2同步方式2.3.2同步方式异步传输：指将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。异步传输方式空闲的线路实际携带着一个代表二进制1的信号，异步传输的开始位使信号变成0，其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后，停止位使信号重新变回1，该信号一直保持到下一个开始位到达。2.3.2同步方式异步传输的实现比较容易，由于每个信息都加上了“同步”信息，因此计时的漂移不会产生大的积累，但却产生了较多的开销。异步传输常用于低速设备，开销较大。2.3.2同步方式同步传输：一种以数据块为传输单位的数据传输方式，数据块与数据块之间的间隔是固定的，间隔时间关系被严格规定。同步传输的比特分组要大得多。不是独立地发送每个字符，每个字符也不是都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。将这些组合称为数据帧，或简称为帧。数据帧：数据链路层的协议数据单元，它包括三部分：帧头，数据部分，帧尾。同步传输方式数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。2.3.2同步方式帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样，它也是一个独特的比特串，类似于前面提到的停止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。2.3.2同步方式同步传输的开销比较少，并且随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。但是，数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。2.3.2同步方式同步与异步传输的区别：异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。异步传输相对于同步传输效率较低。基带：在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。基带传输：在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即将计算机产生的数字信号按照数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。2.3.3传输模式基带传输特点：不用调制解调器系统价格低廉较高的数据传输速率（一般为1Mb/s～10Mb/s）传输距离一般不超过25km半双工方式或单工方式2.3.3传输模式载波传输：采用数字信号对载波进行调制后实行传输。调制方式：幅度键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK。2.3.3传输模式由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务越来越重，因此提出了宽带传输的要求。宽带传输：在同一介质上可传输多个频带的信号。2.3.3传输模式宽带网与基带网的主要区别：数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为0～10Mb/s，宽带网可达0～400Mb/s；宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。2.3.3传输模式2.4通信方式单工通信（simplexcommunication）——指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反方向的传送。A发送B接收单向信道2.4通信方式半双工通信（half-duplexcommunication）——指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输；A发送接收B接收发送单向信道2.4通信方式全双工通信（fullDuplexcommunication）——指收发设备能同时作双向通信。通信效率高，控制简单，但结构较复杂，成本较高。A发送接收B接收发送双向信道2.5差错检测与控制差错控制：为了提高通信系统的传输质量，提出的有效检测，并运行纠正错误的方法叫做差错检测和校正，简称为差错控制。差错控制的目的：减少通信信道的传输错误。目前还不可能做到检测和校正所有的错误。2.5差错检测与控制2.5.1传输差错的类型2.5.2传输差错的检测2.5.3差错传输的校正2.5.1传输差错的类型分类原则：单位数据域内发生差错的数据位个数及其分布单位数据域：一个字符、一个字节或一个数据包类型：单比特错误，多比特错误，突发错误2.5.1传输差错的类型单比特错误：单位数据域内只有一个数据位出错的情况工业数据通信过程中比较容易发生，也容易被检测和校正2.5.1传输差错的类型多比特错误：单位数据域内1个以上不连续的数据位出错多比特错误：离散错误2.5.1传输差错的类型突发错误：单位数据域内两个或两个以上连续的数据位出错主要特征：发生错误的多个数据位连续2.5.2传输差错的检测差错检测：让报文中包含能发现传输错误的冗余信息，接收端通过接收到的冗余信息的特征，判断报文在传输中是否出错的过程方法：奇偶校验求和校验纵向冗余校验循环冗余校验2.5.2传输差错的检测奇偶校验：一个单一的校验位被加在每个单位数据域上，使得包括该校验位在内的各单位数据域内1的个数是偶数或奇数，在接收端采用同一校验方式检查收到的数据和校验位，并判断该传输过程是否出错。优点：方法简单，可检测所有单比特错误缺点：只有当出错的次数是奇数时，才能检测出多比特错误和突发错误2.5.2传输差错的检测循环冗余校验（cyclicredundancycheck,CRC）：对传输序列进行一次规定的除法操作，将除法操作的余数附加在传输信息的后面；在接收端，也对收到的数据做相同的除法；如果接收端除法得到的结果其余数不为零，则表明发生了错误。优点：原理简单，易于实现，有效性较高，能够检测大约99.95%的错误。缺点：计算量大于奇偶校验。2.5.2传输差错的检测循环冗余校验步骤：（1）循环冗余校验将将要发送的数据位序列当做一个多项式f(x)的系数，f(x)的系数只能为0或1；（2）接收双方事先约定一个生成多项式G(x)；G(x)的结构及检验效果要经过严格的数学分析和实验后才能确定；（3）在发送端，将发送的数据多项式f(x)左移k位得到f(x)xk，其中k为生成多项式G