《远动监控技术》第四章 数据传输网络2

远动监控技术陈德明西南交通大学电气工程学院第五章远动监控系统数据通信网络结构第六节网络设备及远动网络网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC高层OSI物理层一、局域网1.局域网参考模型LAN/RM局域网LAN（LocalAreaNetwork）：以太网、令牌总线、令牌环、光纤分布式数据接口（FDDI）以太网、令牌总线、令牌环都是IEEE标准，是802标准的组成部分，FDDI是ANSI标准。物理层数据链路层网络层其他层802.3CSMA/CD802.4令牌总线802.5令牌环网。。。802.2逻辑链路控制（LLC）其他层802.1网际互连以太网是由IEEE802.3所支持的局域网。在数据链路层传输的数据帧只能识别网卡的MAC地址，网卡上的这个物理地址是唯一的工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。坚持的CSMA/CD：监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送冲突检测方法：比较接收到的信号电压的大小检测曼彻斯特编码的过零点比较接收到的信号与刚发出的信号站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲突，以通知其他站点2.以太网存取控制方式带有碰撞检测的载波侦听多路访问CSMA/CD如果媒体信道空闲，则可进行发送，否则转到第2步。如果媒体信道忙（有载波），则继续对信道进行侦听。一旦发现空闲，就进行发送。如果在发送过程中检测到碰撞，则停止正常发送，转而发送一个短的干扰（jam）信号，使网上所有站都知道出现了碰撞。发送了干扰信号后，退避一段随机时间，重新尝试发送，转到第1步。CSMA/CD媒体访问方法的规则：3以太网MAC帧结构DSAP：目标访问服务节点SSAP：源服务访问节点前导符：用来同步输入时序起始帧分界符（SFD）：通知接收方后面为数据前导符SFD目标地址源地址PDU长度数据和填充CRCDSAPSSAP控制信息7字节1字节6字节6字节2字节4字节LLC层数据单元4以太网的基本常识通信介质和接口形式：10Base-5粗缆10Base-2细缆10Base-T双绞线100Base-TX双绞线100Base-FX光纤细缆网络的5-4-3规则网络总长不超过5个区段，4台网络延长设备，3个区段可以直接连接计算机设备非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线STP—每条线都有各自的屏蔽层FTP—采用整体屏蔽5网线制作双绞线的最大传输距离为100ｍ。如果要加大传输距离，在两段双绞线之间可安装中继器，最多可安装４个中继器。EIA／TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序568Ａ与568Ｂ。1）标准568Ａ：绿白—１，绿—２，橙白—３，蓝—４，蓝白—５，橙—６，棕白—７，棕—８2）标准568Ｂ：橙白—１，橙—２，绿白—３，蓝—４，蓝白—５，绿—６，棕白—７，棕—８服务器：主要功能是为网络工作站上的用户提供共享资源、管理网络文件系统、提供网络打印服务、处理网络通信、响应工作站上的网络请求等。常用有文件服务器、通信、计算和打印服务器等。通常用小型计算机、专用PC或高档微机做服务器。网络工作站：功能是向各种服务器发出服务请求；从网络上接收传送给用户的数据。它是通过网络接口卡连接到网络上的计算机。6计算机网络的组成一般由网络操作系统、用以组成计算机网络的多台计算机，以及各种通信设备构成的。（1）网络硬件网络连接设备：网卡集线器中继器网桥交机网络互连设备：路由器网关7应用层6表示层4传输层3网络层5会晤层2数据链路层1物理层中继器网卡、网桥、集线器、交换机路由器网关中继器：工作在物理层，对接收信号进行再生和发送，延长信号传输距离。网桥：也称桥接器，是2个局域网的存储、转发设备，用它可完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。网桥是依据帧地址进行转发，工作在数据链路层DDL，被连接的设备具有相同的LLC，但MAC可以不同；对用户而言是透明的，报文通过网桥时，用户并不知道网桥的存在；工作在MAC子层上。网桥的主要作用是分割冲突区域和减少冲突。它的工作原理与交换机类似。缺点：网络大小有限；如功能故障或配置不当，可能造成网络瘫痪等。网络连接设备网络接口卡：简称网卡，又称网络接口适配器，是计算机与网络连接最主要的设备。主要功能：实现数据链路层（IEEE802.3：逻辑链路控制LLC+介质访问控制MAC）的大部分功能，如网络数据格式与计算机数据格式的转换（将数据拆包、打包）、网络数据的接收与发送、数据的差错校验等，并提供计算机与网络传输媒介间的接口。集线器（HUB）：其主要功能是对接受到的信号进行整形放大，重建为完整的信号，以扩大网络的传输距离，同时把网络上所有结点连接在一起，构成星形网络。（物理层）集线器仅将1个端口接收的信号分发给所有其它端口，但并不做进一步的检查处理，所有连接到集线器的设备共享同一介质，构成一个共享式的网络（总线式网络）。优点：简单、便宜；缺点：集线器是一个瓶颈，且不能隔离冲突。网络连接设备交换机：也称交换式集线器，是用来提高局域网性能的重要网络设备，与网桥类似，也工作在数据链路层，可视为多口网桥。交换机通过对信息重新生成，经过内部处理后转发至指定端口，而不是交换机的所有端口，这是交换机和集线器本质不同。交换机具备自动寻址能力和交换作用，根据信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其它端口发生冲突。工作原理：根据收到的数据帧中源MAC地址建立该地址交换机端口的映射，并将端口映射存放在MAC地址表中，这个过程称为学习；交换机将数据帧中的目的MAC地址在MAC地址表进行查询，决定由哪个端口进行转发。只有广播帧（包括找不到目的MAC的帧）会被转发给所有端口。优点：每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域；缺点：要查询MAC地址再转发，有一定的延迟。网络连接设备交换机的几个概念：端口镜像端口汇聚(Trunk)VLAN(Virtual-LAN)IGMP(InternetGroupManagementProtocol)GMRP(GARPMulticastRegistrationProtocol)STP(SpanningTreeProtocol)生成树协议三层交换机路由器：工作在网络层，提供对网络的物理和逻辑分割，通过计算目标结点位置的目的地址来实现。如果分组地址指示的目标在同一个网段（子网），路由器就把通信流限制在网段内；如果在另一个网段，路由器就把分组发送到与目标网段对应的物理端口上。路由表存储在路由器的内存中，把分组地址和分组地址和物理端口号对应起来。路由：将数据包从一个网络结点转发到另一个网络结点的过程或途径。包括2个基本内容：一是确定能到达目的网络的最优路径，也称为路由选择或寻径，相关的协议称为路由选择协议；另一个是按照最优路径转发数据包，称为数据转发。路由选择过程通过多种途径收集网络的拓扑结构信息，形成路由表，并按一定的规则维护路由表，使路由表能动态反映网络拓扑变化，保证路由表中到各目的网络的路由最优。网络互联设备路由器：发送数据时：首先查找路由表，若能找到数据包到达目标网络的路由，则按该路由将数据转发到下一路由器，下一路由器再依此再转发，直到到达目的地址；如果路由表中没有可到达目标地址的信息，路由器会将该数据包丢弃；如果目标网络直接与路由器相连，路由器则将数据包直接发送到相应的端口上。优点：适用于大规模、复杂网络，实现负载共享和最优路径；增强的智能可实现数据安全、提高带宽利用率；隔离不需要的信息，可提供防火墙的服务（与交换机不同）；缺点：不支持非路由协议；安装复杂、价格高；与相对简单的交换机比，会增加报文的等待时间。网络互联设备网关：工作于网络层之上，连接网络层之上执行不同协议的子网，组成异构型的互联网。网络互联设备网络操作系统（NetworkOperatingSystem）：运行在网络硬件基础之上，为网络用户提供共享资源管理服务、基本通信服务、网络安全及其他服务的软件系统。网络操作系统必须对用户进行控制；需通过软件工具对网络资源进行全面的管理，进行合理调度和分配。网络协议软件：连入网络的计算机依靠网络协议实现互相通信，而网络协议靠具体的网络协议软件的运行支持才能工作。凡是连入网络的服务器和工作站都运行相应的网络协议软件。如IPX、TCP\IP。网络管理软件网络通信软件网络应用软件（2）网络软件工业以太网工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性及实时性、互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制功能对实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性快速以太网和交换式以太网技术的发展为解决以太网的非确定性问题提供了可能以太网在工业控制领域使用的另一个问题是如何面对恶劣的工业现场环境二远动光纤网络1SDH光纤网络基本概念（1）电话网络本地网长途网国际网用户用户四级交换中心三级交换中心二级交换中心一级交换中心（2）时分复用(TDM-time-divisionmultiplexing)时分复用PCMPCM64Kbps64Kbps。。。。E1速率2.048Mbps30/32采样频率8000Hz每个样本8个比特E线路速率E1线路速率（Mbps）语音信道数E2E3E42.0488.44834.368139.264301204801920（3）准同步数字系列PDH－PlesiochronousDigitalHierarchy中国、欧洲制式（4）同步数字系列SDH-SynchronousDigitalHierarchy特点统一了不同数字通信系列标准能够承载多种速率的业务，采用网管软件对网络进行配置和控制，使新功能和新特性的增加比较方便，适用于将来业务的发展STM-NAUGAU-4VC-4TU-2VC-2C-2TU-12VC-12C-12TU-11VC-11C-11TUG-2×1×3×4C-3VC-3TU-3VC-3TUG-3×1×7×7×3C-4139264kb/s44736kb/s34368kb/s6312kb/s2048kb/s1544kb/sAU-3×N×1×3指针处理复用定位校准映射SDH的一般复用映射结构简化了复接/分接技术，简化了设备光/电光信号分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s复接复接复接电/光光信号2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(电信号)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(电信号)PDH分插信号流图比较SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范，标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本组成自愈环网，从失效故障中实时自动恢复所承载的业务2SDH的拓扑结构SDH可用于点对点传输、链形网和环形网。(a)(b)(c)(d)(e)(a)线形；(b)星形；(c)树形;(d)环形；(e)网孔形SDH环形网的一个突出优点是具有“自愈”能力。ADM和DXC等网络单元可以构成更为复杂的网形网。这种SDH网络的主要特点是端到端之间存在一条以上的路径，可同时构成一条以上的传输通道，通过DXC的灵活配置，使网络具有更好的抗毁性和更高的可靠性CAACS1P1ABDCP1S1CAAC(a)CAACS1P1ABDCP1S1CAAC(b)倒换二纤单向通道倒换环3SDH的层次结构纤维光学层物理层数据链路层段层线路层通路层段是连接两个相邻设备的光链路：复用器到复用器、复用器到再生器、再生器到再生器线路是两个复用器之间网络段：TM到ADM、两个ADM之间、两个TM之间通路是两个复用器之间端到端的网络段在仅有两个复用器直接连接的SDH中，段、线路和通路是相同的4SDH的基本设备SDH传输网的基本设备有3种，即交换、传输和接入设备。对于光纤通信系统而言，SDH作为传输设备，它又包括再生器、复用器和交叉连接设