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1、网络控制技术及应用网络控制技术及应用 任课教师:任课教师:xxxxxx电子邮箱:电子邮箱:联系电话:联系电话:13xxxx45第三章第三章 计算机网络体系结构与协议计算机网络体系结构与协议OSI参考模型参考模型 物理层与物理接口协议物理层与物理接口协议数据链路层数据链路层网络层网络层高层协议高层协议网络互连网络互连现场总线的网络通信模型现场总线的网络通信模型网络体系结构发展的背景网络体系结构发展的背景网络的状况网络的状况多种多种通信媒介通信媒介有线、无线有线、无线不同种类的不同种类的设备设备通用、专用通用、专用不同的不同的操作系统操作系统Unix、Windows 不同的不同的应用环境应用环境固
2、定、移动固定、移动不同种类不同种类业务业务分时、交互、实时分时、交互、实时宝贵的宝贵的投资和积累投资和积累有形、无形有形、无形用户业务的用户业务的延续性延续性不允许出现大的跌宕起伏不允许出现大的跌宕起伏它们互相交织,形成了非常复杂的系统应用环境。它们互相交织,形成了非常复杂的系统应用环境。3.1 OSI参考模型参考模型网络网络异质性异质性问题的解决问题的解决 计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构是指计算机网络层次结构模型是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合,也就是计算机网络及其部件所应实现和各层协议的集合,也就是计算机网络及其部件所应实现的功能的定义和抽象。的功能的定义和抽象。网络协
3、议网络协议是为了进行网络数据交换而建立的规则、约是为了进行网络数据交换而建立的规则、约定或标准,是计算机网络中不可缺少的组成部分。包括语定或标准,是计算机网络中不可缺少的组成部分。包括语法、语义和时序三要素。法、语义和时序三要素。语法语法是指用户数据与控制信息的结构和格式;是指用户数据与控制信息的结构和格式;语义语义是是指需要发出何种控制信息,以及完成的动作与做出的响应;指需要发出何种控制信息,以及完成的动作与做出的响应;时序时序是对事件实现顺序的详细说明。是对事件实现顺序的详细说明。网络体系结构解决异质性问题采用的是网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法分层方法。把复杂的网络互联问题划分
4、为若干个较小的、单一的问把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的、单一的问题,在不同层上予以解决。题,在不同层上予以解决。就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样。就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样。层次结构方法要解决的问题层次结构方法要解决的问题1.网络应该具有哪些层次?每一层的网络应该具有哪些层次?每一层的功能是什么?(功能是什么?(分层与功能分层与功能)2.各层之间的关系是怎样的?它们如各层之间的关系是怎样的?它们如何进行交互?(何进行交互?(服务与接口服务与接口)3.通信双方的数据传输要遵循哪些规通信双方的数据传输要遵循哪些规则?(则?(协议协议)层次结构方法包括三个内容:
5、分层及每层功能,服务层次结构方法包括三个内容:分层及每层功能,服务与层间接口,协议。与层间接口,协议。层次结构方法的优点层次结构方法的优点把网络操作分成复杂性较低的单元,结构清晰,易于把网络操作分成复杂性较低的单元,结构清晰,易于实现和维护实现和维护定义并提供了具有兼容性的标准接口定义并提供了具有兼容性的标准接口使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块独立性强独立性强上层只需了解下层通过层间接口提供什上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务么服务黑箱方法黑箱方法适应性强适应性强只要服务和接口不变,层内实现方法可只要服务和接口不变,层内实现方法可任意改
6、变任意改变一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络,一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络,因此每个区域的网络可单独升级或改造因此每个区域的网络可单独升级或改造 国际标准化组织国际标准化组织ISO于于1997年成立了专年成立了专门的机构来研究网络体系结构和网络协议的门的机构来研究网络体系结构和网络协议的标准化问题。不久之后,标准化问题。不久之后,ISO就提出了开放就提出了开放系统互连参考模型系统互连参考模型OSI RM(Open System Interconnection Reference Model)。)。开放是指遵循开放是指遵循OSI标准的任何系统之间均可通信标准的任何系统之
7、间均可通信 系统是指各系统中与互连有关的部分系统是指各系统中与互连有关的部分3.1.1 模型层次划分的原则模型层次划分的原则层次太多会造成整个系统结构的繁冗;层次太少层次太多会造成整个系统结构的繁冗;层次太少又会使不同功能集中在一个层中,不便于层次的又会使不同功能集中在一个层中,不便于层次的描述,造成层次不清。描述,造成层次不清。网络各节点都有相同的层次,相同层次具有同网络各节点都有相同的层次,相同层次具有同样的功能;样的功能;同一节点内相邻层次间通过接口通信;同一节点内相邻层次间通过接口通信;每一层使用下层提供的服务,并向上层提供服每一层使用下层提供的服务,并向上层提供服务;务;不同节点的同
8、等层按照协议实现对等层之间的不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。通信。3.1.2 OSI参考模型结构参考模型结构3.1.2 OSI参考模型结构参考模型结构层次越靠上,其与信息处理的关系越密切,层层次越靠上,其与信息处理的关系越密切,层次越靠下,其与通信的关系越密切;次越靠下,其与通信的关系越密切;资源子网资源子网的节点(端节点)具有七层的全部功的节点(端节点)具有七层的全部功能,能,通信子网通信子网中的节点(交换节点)可以简化中的节点(交换节点)可以简化为只有下面的三层;为只有下面的三层;数据单元在不同的层次中名称也不相同,物理数据单元在不同的层次中名称也不相同,物理层以层以比特流比
9、特流方式传输;数据链路层的数据单元方式传输;数据链路层的数据单元称为称为帧帧;网络层的数据单元称为;网络层的数据单元称为数据报文分组数据报文分组;传输层的数据单元称为传输层的数据单元称为报文报文;会话层、表示层、;会话层、表示层、应用层的数据单元统称为应用层的数据单元统称为数据包数据包。n第第7 7层:应用层层:应用层(Application)(Application)为用户的应用程序提供网络通信服务为用户的应用程序提供网络通信服务 识别并证实目的通信方的可用性识别并证实目的通信方的可用性使协同工作的应用程序之间进行同步使协同工作的应用程序之间进行同步判断是否为通信过程申请了足够的资源判断是否
10、为通信过程申请了足够的资源应用层协议的例子:应用层协议的例子:远程登录协议远程登录协议Telnet、文件传输协议文件传输协议FTP、超文本传输协议超文本传输协议HTTP、域名服务域名服务DNS、简单邮件传输协议简单邮件传输协议SMTP、邮局协议邮局协议POP3等等n第第6 6层:表示层层:表示层(Presentation)(Presentation)处理被传送数据的表示问题,即信息的语法和处理被传送数据的表示问题,即信息的语法和语义。如有必要,使用一种通用的数据表示格语义。如有必要,使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。式在多种数据表示格式之间进行转换。例如:在日期、货币、
11、数值(特别是浮点数)例如:在日期、货币、数值(特别是浮点数)等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换;数据的加解密、压缩进行转换;数据的加解密、压缩/解压缩等解压缩等本地表示本地表示1本地表示本地表示2公共表示公共表示公共表示公共表示表示层表示层传输层传输层n第第5 5层:会话层层:会话层(Session)(Session)建立、管理和中止不同机器上的应用程序之建立、管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话。间的会话。会话:会话:完成一项任务而进行的完成一项任务而进行的一系列相关的信息一系列相关的信息交换交换。同步(解决失败后从哪里重新开始)同步
12、(解决失败后从哪里重新开始)设置检查点设置检查点会话失败后,恢复到最后一个检会话失败后,恢复到最后一个检查点处,而不用从头开始。查点处,而不用从头开始。例如:数据送到打印服务器上打印。接收的数据例如:数据送到打印服务器上打印。接收的数据已被确认,但打印机出现故障。这时没必要再从头已被确认,但打印机出现故障。这时没必要再从头开始打印,只要在每页开始处设置检查点,打印出开始打印,只要在每页开始处设置检查点,打印出错时只需重传最后一个检查点以后的页面。错时只需重传最后一个检查点以后的页面。活动管理,保证活动的完整性和正确性。活动管理,保证活动的完整性和正确性。活动活动:相对独立的一组相关操作。:相对
13、独立的一组相关操作。例如:一次会话传送多个文件,其中每一个例如:一次会话传送多个文件,其中每一个文件的传送为一个活动。文件的传送为一个活动。活动活动1活动活动2会话会话文件文件1文件文件2n第第4 4层:传输层层:传输层(Transport)(Transport)为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务;屏蔽各类通信子网的差异,使上层不受服务;屏蔽各类通信子网的差异,使上层不受通信子网技术变化的影响。通信子网技术变化的影响。进行数据分段并组装成报文流;进行数据分段并组装成报文流;提供提供“面向连接面向连接”(虚电路)和(虚电路)和“无连接无连接”(数
14、据报)两种服务;(数据报)两种服务;传输差错校验与恢复;传输差错校验与恢复;信息流控制,防止数据传输过载。信息流控制,防止数据传输过载。数据报与虚电路的概念数据报与虚电路的概念数据报:无连接的服务;虚电路:面向连接的服务数据报:无连接的服务;虚电路:面向连接的服务数据报数据报每个分组作为一个每个分组作为一个独立独立的信息单位传送的信息单位传送 特征:不需要连接,也无需确认特征:不需要连接,也无需确认 完整的网络地址(源和目的)完整的网络地址(源和目的)信道利用率低信道利用率低 不保证按序到达;每个分组均需进行路由选择不保证按序到达;每个分组均需进行路由选择虚电路虚电路传输前先建立一条逻辑连接,
15、传输结束后拆除传输前先建立一条逻辑连接,传输结束后拆除 特征:需要建立连接特征:需要建立连接仅在建立连接时需要全网地址,传输时用虚电路号仅在建立连接时需要全网地址,传输时用虚电路号按序到达;仅在建立连接时需要路由选择按序到达;仅在建立连接时需要路由选择 两类虚电路:两类虚电路:永久虚电路永久虚电路租用后便永久建立,退租后拆除。租用后便永久建立,退租后拆除。交换虚电路交换虚电路需要通信时建立,通信结束便拆除。需要通信时建立,通信结束便拆除。传输层的特点传输层的特点传输层以上各层:面向应用;以下各层:传输层以上各层:面向应用;以下各层:面向传输。传输层位于资源子网和通信子网面向传输。传输层位于资源
16、子网和通信子网的交界处,起着承上启下的作用。的交界处,起着承上启下的作用。与网络层的部分服务有重叠交叉。如何平与网络层的部分服务有重叠交叉。如何平衡取决于两者的功能划分。衡取决于两者的功能划分。真正意义上的从源到目标实现真正意义上的从源到目标实现“端到端端到端”连接连接 的层。的层。1-3层:链接中继;层:链接中继;4-7层:端到端层:端到端n第第3层:网络层层:网络层(Network)在源端与目的端之间建立、维护、终止网络在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接。的连接。功能和服务功能和服务最佳路由选择和数据包中转最佳路由选择和数据包中转流量控制和拥塞控制流量控制和拥塞控制差错检测与恢复
17、差错检测与恢复流量统计和记账流量统计和记账路由选择路由选择如何在多条通信路径中找一条如何在多条通信路径中找一条最佳路径最佳路径?依据:速度依据:速度,距离距离(步跳数步跳数),价格价格,拥塞程度拥塞程度路由表建立与维护路由表建立与维护静态:静态:人工设置,只适用于小型网络人工设置,只适用于小型网络动态:动态:运行过程中根据网络情况自动地动态运行过程中根据网络情况自动地动态 维护维护路由算法路由算法距离向量算法:距离向量算法:RIP、CGP等等链路状态算法:链路状态算法:OSPF等等n第第2 2层:数据链路层层:数据链路层(Data Link)(Data Link)在物理线路上提供可靠的数据传输
18、,使之对网在物理线路上提供可靠的数据传输,使之对网络层呈现为一条无错的线路。络层呈现为一条无错的线路。所关心的问题包括:所关心的问题包括:物理地址、网络拓扑;物理地址、网络拓扑;组帧:把数据封装在帧中组帧:把数据封装在帧中,按顺序传送按顺序传送,并处并处理返回的确认帧;理返回的确认帧;定界与同步:产生定界与同步:产生/识别帧边界;识别帧边界;差错恢复:采用重传(差错恢复:采用重传(ARQ)的方法;的方法;流量控制:收发双方传输速率的匹配。流量控制:收发双方传输速率的匹配。广播式信道问题广播式信道问题(LAN or Wireless):涉及到如何控制对涉及到如何控制对共享信道共享信道的访问。的访
19、问。将数据链路层划分为将数据链路层划分为逻辑链路控制逻辑链路控制(Logical Link Control,LLC)和和介质访问控制介质访问控制子层子层(Media Access Control,MAC)两个子层,由两个子层,由MAC子层子层解决介质访问控制问题。解决介质访问控制问题。两种主要的介质访问控制方法:两种主要的介质访问控制方法:-CSMA/CD -TOKEN PASSING Token Ring Token Bus链路层帧的结构链路层帧的结构A:MAC地址字段,包括源地址和目的地址地址字段,包括源地址和目的地址C:控制字段:控制字段FCS:帧检验序列,一般采用:帧检验序列,一般采用
20、CRC校验。其校验校验。其校验范围包括范围包括A、C和和Data字段字段CAFCS校验区间校验区间Data网络层的分组被封网络层的分组被封装在帧的装在帧的Data域中域中n第第1 1层:物理层层:物理层(Physical)(Physical)实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。实现在物理媒体上透明地传送原始比特流。定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。的、电气的、过程的和功能的特性。数据终端设备数据终端设备DTE、数据电路端接设备、数据电路端接设备DCEDTE用于处理用户数据的设备。如计用于处理用户数据的设备。如计算机、路
21、由器。算机、路由器。DCE用于把用于把DTE发出的数字信号转换发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式。如成适合于在传输介质上传输的形式。如MODEM。物理层的特性包括:物理层的特性包括:机械特性:机械特性:物理连接器的尺寸、形状、规格物理连接器的尺寸、形状、规格电气特性:电气特性:信号电平,脉冲宽度,频率,数信号电平,脉冲宽度,频率,数据传送速率,最大传送距离等据传送速率,最大传送距离等功能特性:功能特性:接口引脚的功能作用接口引脚的功能作用规程特性:规程特性:信号时序,应答关系,操作过程信号时序,应答关系,操作过程3.1.3 OSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念“你好你好”“
22、Hello”传真传真中国中国教师教师翻译翻译秘书秘书“Hallo”“Hello”传真传真德国德国教师教师翻译翻译秘书秘书对交谈内容的共识对交谈内容的共识用英语对话用英语对话使用传真通信使用传真通信P3P2P1物理通信线路物理通信线路对等通信示例:中德教师之间的对话对等通信示例:中德教师之间的对话问题:问题:中国教师与德国教师之间、翻译之间,他们是在直接通信吗?中国教师与德国教师之间、翻译之间,他们是在直接通信吗?翻译、秘书各向谁提供什么样的服务?翻译、秘书各向谁提供什么样的服务?中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务?中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务?3.1.3 OSI参考模型的基本概念参考
23、模型的基本概念对等层通信的实质对等层通信的实质:对等层实体之间虚拟通信对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务下层向上层提供服务实际通信在最底层完成实际通信在最底层完成右图给出了对等层通信右图给出了对等层通信更一般的抽象。更一般的抽象。P3P2P1 2 1 3 2 1物理通信线路物理通信线路 3 N+1 N N-1 N+1 N N-1Pn-1PnPn+1系统系统A系统系统B消息消息3.1.3 OSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念 协议:协议:为进行网络中的数据交换(通信)而建立的规则、为进行网络中的数据交换(通信)而建立的规则、标准或约定。标准或约定。不同层具有各自不同的协议。不同层具
24、有各自不同的协议。实体:实体:任何可以发送或接收信息的硬件任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。软件进程。对等层:对等层:两个不同系统的同名层次。两个不同系统的同名层次。对等实体:对等实体:位于不同系统的同名层次中的两个实体。位于不同系统的同名层次中的两个实体。协议作用在对等实体之间协议作用在对等实体之间。接口:接口:相邻两层之间交互的界面,定义相邻两层之间的相邻两层之间交互的界面,定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。操作及下层对上层的服务。服务:服务:某一层及其以下各层的一种能力,通过接口提供某一层及其以下各层的一种能力,通过接口提供给其相邻上层。给其相邻上层。3.1.3 OSI参考
25、模型的基本概念参考模型的基本概念 N服务:服务:N层中能被上层中能被上N1层直接使用的功能。层直接使用的功能。N实体本身提供的某些功能;实体本身提供的某些功能;本系统本系统N1层以及以下各层提供的服务;层以及以下各层提供的服务;为与另一开放系统中对等为与另一开放系统中对等N实体通信而提供的服务;实体通信而提供的服务;N1层可以通过使用层可以通过使用N层的功能,却不能看见层的功能,却不能看见N1及及以下层提供的服务;以下层提供的服务;N服务是服务是N1层所看到的服务,并不是层所看到的服务,并不是N层实现全部层实现全部功能。功能。N用户:用户:接受接受N服务的相邻上一层实体。服务的相邻上一层实体。
26、N协议:协议:两个对等两个对等N实体通信规则的集合。实体通信规则的集合。服务是同一开放系统中相邻层之间的操作,协议则是不同开放服务是同一开放系统中相邻层之间的操作,协议则是不同开放系统的对等实体间进行虚通信所必须遵守的规定系统的对等实体间进行虚通信所必须遵守的规定3.1.3 OSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念OSI参考模型中,对等层协议之间交换的信息单元参考模型中,对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元统称为协议数据单元(PDU,Protocol Data Unit)。而传输层及以下各层的而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的另外还有各自特定的名称:名称:传输层传输层数据
27、段(数据段(Segment)网络层网络层分组(数据报)分组(数据报)(Packet)数据链路层数据链路层数据帧(数据帧(Frame)物理层物理层比特(比特(Bit)3.1.3 OSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念数据封装数据封装 一台计算机要发送数据到另一台计算机,数据一台计算机要发送数据到另一台计算机,数据首先必须打包,打包的过程称为首先必须打包,打包的过程称为封装封装。封装就是在数据前面加上特定的协议头部。封装就是在数据前面加上特定的协议头部。数数 据据协议头协议头发送邮件的例子:信装入写有源地址和目的地址的信封发送邮件的例子:信装入写有源地址和目的地址的信封中发送,还要写明用航空或
28、挂号中发送,还要写明用航空或挂号。数数 据据3.1.3 OSI参考模型的基本概念参考模型的基本概念OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。为了提供服务,下层把上层的为了提供服务,下层把上层的PDU作为本层的数据封装,然作为本层的数据封装,然后加入本层的头部(和尾部)。头部中含有完成数据传输所后加入本层的头部(和尾部)。头部中含有完成数据传输所需的控制信息。需的控制信息。这样,数据这样,数据自上而下自上而下递交的过程实际上就是不断递交的过程实际上就是不断封装封装的过程。的过程。到达目的地后到达目的地后自下而上自下而上递交的过程就是不断递交的过程就
29、是不断拆封拆封的过程。由的过程。由此可知,在物理线路上传输的数据,其外面实际上被包封了此可知,在物理线路上传输的数据,其外面实际上被包封了多层多层“信封信封”。但是,某一层只能识别由对等层封装的但是,某一层只能识别由对等层封装的“信封信封”,而对于被,而对于被封装在封装在“信封信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层,内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层,本层不作任何处理。本层不作任何处理。数据数据 段头段头数据数据 段头段头数据数据网络头网络头帧头帧头 段头段头数据数据网络头网络头帧尾帧尾数据数据段段数据包数据包帧帧比特比特电脉冲电脉冲数据多层封装数据多层封装封装封装拆封拆封 TCP头头应
30、用层数据应用层数据应用层数据应用层数据 TCP头头应用层数据应用层数据IP头头帧头帧头 TCP头头应用层数据应用层数据IP头头帧尾帧尾实际例子:实际例子:TCP/IP协议的封装协议的封装应用层应用层 传输层传输层 网际层网际层 数链层数链层 物理层是物理层是OSI RM的最低层,向下是物理设备,的最低层,向下是物理设备,物理设备直接与物理传输介质相连接。物理设备直接与物理传输介质相连接。物理层目的:实现两个网络节点直接的透明二物理层目的:实现两个网络节点直接的透明二进制比特流的传输,对链路层以上屏蔽传输介质进制比特流的传输,对链路层以上屏蔽传输介质的特性。的特性。物理层并不是指物理设备或物理传
31、输介质,而物理层并不是指物理设备或物理传输介质,而是与有关物理设备以及传输介质连接的描述与规是与有关物理设备以及传输介质连接的描述与规定。但是,在一些具体技术的物理层描述中,有定。但是,在一些具体技术的物理层描述中,有时也包含了传输介质特性部分的说明。时也包含了传输介质特性部分的说明。CAN、DeviceNet3.2 物理层与物理接口协议物理层与物理接口协议物理层功能物理层功能物理连接的建立与拆除:物理连接的建立与拆除:当数据链路层实体提当数据链路层实体提出建立连接的请求时,物理层使用有关的协议完出建立连接的请求时,物理层使用有关的协议完成连接的建立过程,在数据信号传输过程中维持成连接的建立过
32、程,在数据信号传输过程中维持这个连接,传输结束后拆除这个连接;这个连接,传输结束后拆除这个连接;物理层数据单元的传送:物理层数据单元的传送:定义了编码的类型、定义了编码的类型、位同步方式、数据传输速率,采用单工、半双工、位同步方式、数据传输速率,采用单工、半双工、全双工传输方式也要在物理层说明;全双工传输方式也要在物理层说明;传输中出现传输中出现差错后的处理差错后的处理等管理功能。等管理功能。3.2.1 物理层概述物理层概述通信设备通信设备DTE与与DCEDTE:数据终端设备,指具有一定数据处理能数据终端设备,指具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备,可以是一力和具有发送、接收数据
33、能力的设备,可以是一台计算机,也可以是一个台计算机,也可以是一个I/O设备;设备;DCE:数据电路端接设备,是介于传输介质与数据电路端接设备,是介于传输介质与DTE之间的设备,提供信号交换和编码功能,负之间的设备,提供信号交换和编码功能,负责建立、维护和释放物理连接,责建立、维护和释放物理连接,Modem就是典型就是典型的的DCE。DTE和和DCE之间既有数据信息传输,又有控制之间既有数据信息传输,又有控制信息传输,它们之间的协议就是物理接口协议。信息传输,它们之间的协议就是物理接口协议。3.2.1 物理层概述物理层概述3.2.1 物理层概述物理层概述物理层协议与物理接口协议物理层协议与物理接
34、口协议物理层的许多模型和协议在物理层的许多模型和协议在OSI RM公布以前公布以前已经提出并广泛使用,并没有按照严格的分层来已经提出并广泛使用,并没有按照严格的分层来制订,也没有将服务与规范区分开来,所以物理制订,也没有将服务与规范区分开来,所以物理层协议不便采用层协议不便采用OSI的术语加以描述,而是描述的术语加以描述,而是描述出出DTE与与DCE接口的一些特性;接口的一些特性;目前所说的物理层协议实际上是物理接口协议,目前所说的物理层协议实际上是物理接口协议,也就是也就是DTE与与DCE之间的一组约定。之间的一组约定。3.2.1 物理层概述物理层概述机械特性:机械特性:规定了规定了DTE、
35、DCE接口界面的物理接口界面的物理结构,结构,DTE、DCE通常采用接插件组成的连接器通常采用接插件组成的连接器相连,机械特性详细规定了插头和插座的形状和相连,机械特性详细规定了插头和插座的形状和尺寸,插针或插孔的数目及其排列,固定或锁定尺寸,插针或插孔的数目及其排列,固定或锁定装置等;装置等;电气特性:电气特性:规定了在物理连接传输二进制比特规定了在物理连接传输二进制比特流时线路上信号电平高低,驱动器与接收器的阻流时线路上信号电平高低,驱动器与接收器的阻抗及阻抗匹配、传输速率与接口线距离限制等。抗及阻抗匹配、传输速率与接口线距离限制等。3.2.2 物理接口特性物理接口特性功能特性功能特性:规
36、定了:规定了DTE、DCE间各条接口信号间各条接口信号线的功能分配和确切定义,信号线按功能一般分线的功能分配和确切定义,信号线按功能一般分为:数据线、控制线、定时线和地线等几类。为:数据线、控制线、定时线和地线等几类。规程特性规程特性:定义了利用信号线进行二进制比特:定义了利用信号线进行二进制比特流传输的一组操作过程,也就是在建立、维持物流传输的一组操作过程,也就是在建立、维持物理连接、交换信息及连接释放时,理连接、交换信息及连接释放时,DTE、DCE接接口信号线的工作规则和动作时序。口信号线的工作规则和动作时序。3.2.2 物理接口特性物理接口特性3.2.3 常用的物理接口标准常用的物理接口
37、标准 计计算算机机控控制制网网络络中中的的计计算算机机之之间间、计计算算机机与与远远程程终终端端、计计算算机机与与外外部部设设备备以以及及计计算算机机与与测测量量仪仪表表之之间间的的通通信信,多多数数情情形形下下采采用用串串行行通通信信方方式式,而而且且借借助助于于标标准准的的物物理理层层接接口口串串行行通通信信总总线线。总总线线是是信信息息传传送送的的通通道道,是是各各部部件件之之间间的的实实际际互互联联线线。到到目目前前为为止止,串串行行通通信信总总线线有有很很多多种种,如如RS-232C、RS-422、RS-485、SPI总总线线、I2C总总线线、SMBus总线,以及现场总线等等。总线,
38、以及现场总线等等。下面主要介绍两种适用于中小型工业控制系下面主要介绍两种适用于中小型工业控制系统的常用串行通信总线标准,即统的常用串行通信总线标准,即RS-232C和和RS-422/485。RS-232C通信总线通信总线RS-232C总总线线是是由由美美国国电电子子工工业业协协会会EIA于于1969年年修修定定的的一一种种通通信信接接口口标标准准,专专门门用用于于DTE和和DCE之之间间的的串串行行通通信信。DTE是是数数据据的的源源点点或或归归宿宿,通通常常是是指指输输入入、输输出出设设备备和和传传输输控控制制器器或或者者计计算算机机等等数数据据处处理理装装置置及及其其通通信信控控制制器器。
39、DCE的的任任务务是是实实现现由由源源点点到到目目的的点点的的传传输输,通通常常是是指指自自动动呼呼叫叫应应答答设设备备、调调制制解解调调器器以以及及其其它它一一些些中中间间装装置置的的集集合合。目目前前RS232C接接口口已已成成为为计计算算机机的的标标准准配配置置,如如串串行行口口COM1、COM2均均为为RS-232C总总线线接口标准。接口标准。1 1信号定义信号定义 标标准准的的RS232C接接口口定定义义了了25个个信信号号针针,采采用用25针针接接插插件件DB-25,并并规规定定DTE的的接接插插件件为为凸凸形形,DCE的的接接插插件件为为凹凹形形,如如图图10-14(a)所所示示
40、。对对不不需需要要25针针的的系系统统来来说说,常常用用9针针的的简简化化接接插插件件,如如图图10-14(b)所所示示。表表10-2给出了常用的给出了常用的9根引脚的信号功能。根引脚的信号功能。(a)25针针DB-25 (b)9针针DB-9图图10-14 RS232-C接插件接插件 表表10-2 常用的常用的RS-232总线接口信号总线接口信号符号符号25针引脚针引脚9针引脚针引脚信号流向信号流向功能功能TxD23输出输出发送数据发送数据RxD32输入输入接收数据接收数据RTS47输出输出请求发送请求发送CTS58输入输入清除发送清除发送DSR66输入输入数据装置准备好数据装置准备好GND7
41、5信号地信号地DCD81输入输入数据载体检测数据载体检测DTR204输出输出数据终端准备好数据终端准备好RI229输入输入振铃指示振铃指示2 2电气特性电气特性 由由于于RS-232C是是早早期期为为促促进进公公用用电电话话网网络络进进行行数数据据通通信信而而制制定定的的标标准准。为为了了增增加加信信号号在在线线路路上上的的传传输输距距离离和和提提高高抗抗干干扰扰能能力力,RS-232C采采用用了了较较高高的的传传输输电电平平,且且为为双双极极性性、公公共共地地和和负负逻逻辑辑,即即规规定定逻逻辑辑“1”状状态态电电平平为为-15-5V,逻逻辑辑“0”状状态态电电平平为为+5+15V,其其中中
42、-5+5V用用作作信信号号状状态态的变迁区。的变迁区。而而计算机均采用计算机均采用TTL逻辑电平。逻辑电平。TTL电平规电平规定低电平定低电平“0”在在0+0.8V之间,高电平之间,高电平“1”在在+2.4+5V之间之间,因此,因此在在TTL电路与电路与RS-232C总线总线之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换,否则之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换,否则将使将使TTL电路烧毁。电路烧毁。3 3接口电路 这种电平与逻辑的转换是用专门的集成电路芯片这种电平与逻辑的转换是用专门的集成电路芯片来完成的,早期常用来完成的,早期常用MC1488和和MC1489作发送器作发送器和接收器。如图和接收器。如
43、图10-15所示,所示,发送器发送器MC1488可实可实现现TTL到到RS-232C的电平转换的电平转换,所用正负电源分,所用正负电源分别是别是12V;接收器接收器MC1489可实现可实现RS-232C到到TTL的电平转换的电平转换,所用电源是,所用电源是+5V。由于需要。由于需要12V与与+5V供电电压,因此现在更愿意使用一种供电电压,因此现在更愿意使用一种新的单一电源供电的新的单一电源供电的MAX232芯片。芯片。MAX232芯芯片片的的引引脚脚结结构构及及发发送送/接接收收过过程程如如图图10-16所所示示,它它是是一一个个含含有有两两路路发发送送器器和和接接收收器器的的16脚脚DIP/
44、SO封封装装型型工工业业级级RS-232C标标准准接接口口芯芯片片。芯芯片片内内部部有有一一个个电电源源电电压压变变换换器器,可可以以把把输输入入的的+5V电电源源电电压压变变换换为为RS-232C输输出出电电平平所所需需的的10V电电压压。所所以以,采采用用此此芯芯片片接接口口的的串串行行通通信信系系统统只只需需单单一一的的+5V电电源源就就可可以以。图图中中给给出出了了其其中中的的一一路路发发送送器器和和接接收收器器,T1IN引引脚脚为为TTL电电平平输输入入端端,转转换换后后的的RS-232C电电平平由由T1OUT送送出出;而而R1IN引引脚脚接接受受RS-232C电电平平,转转换换后后
45、的的TTL电电平平由由R1OUT输输出出。如如此此,完完成成了了TTL到到RS-232C(发发送送)以以及及RS-232C到到TTL(接接收收)的的电平与逻辑的转电平与逻辑的转换。换。由由于于采采用用单单端端输输入入和和公公共共信信号号地地线线,容容易易引引进进干干扰扰。为为了了保保证证数数据据传传输输的的正正确确,RS-232C总总线线的的传传送送距距离离一一般般不超过不超过15m,传送信号速率不大于,传送信号速率不大于20kbps。需要指出的是,需要指出的是,一般一般PC机如机如Intel 808/808680586等各种等各种CPU内均没有串行接口,内均没有串行接口,因此在进行串行通信时
46、,都需配备适当的接口适因此在进行串行通信时,都需配备适当的接口适配器,如配器,如Intel8250、Intel8251等,以完成等,以完成CPU与与串行接口之间发送数据的并串行接口之间发送数据的并/串转换与接收数据串转换与接收数据的串的串/并转换。并转换。当然,作为自动化系统的设计者,当然,作为自动化系统的设计者,一般并不关心已成为计算机标准配置的一般并不关心已成为计算机标准配置的RS232C接口的内部电路,更关心如何利用接口的内部电路,更关心如何利用PC机的机的RS232C接口构建与外部其它计算机(包括本接口构建与外部其它计算机(包括本身带有串行接口的单片微型计算机)或数据通信身带有串行接口
47、的单片微型计算机)或数据通信设备的串行通信问题。设备的串行通信问题。4RS-232C的应用的应用 RS-232C总线标准中包含两个信道总线标准中包含两个信道主信道和次信道,表主信道和次信道,表10-2中仅给出了常用的中仅给出了常用的主信道接口信号。根据具体的应用场合不同,主信道接口信号。根据具体的应用场合不同,RS-232C通信主要有以下几种连接方式通信主要有以下几种连接方式:(1)PC机与机与PC机之间使用机之间使用MODEM连接连接 计算机之间通过计算机之间通过MODEM或其它数据通信设备或其它数据通信设备DCE使用使用一条电话线进行通信,如图一条电话线进行通信,如图10-17所示。图中,
48、计算机终端所示。图中,计算机终端DTE向远程终端向远程终端DTE发送数据的过程如下:首先发送数据的过程如下:首先DTE向本向本地地DCE(MODEM)发出)发出DTR=“1”和和RTS=“1”的信号,表的信号,表示示DTE为本地和远程为本地和远程DCE之间建立通道开了绿灯,同时请之间建立通道开了绿灯,同时请求发送数据;此时求发送数据;此时DCE发回信号发回信号DSR=“1”,表示,表示DCE做好做好发送数据准备,又向发送数据准备,又向DTE发回发回CTS=“1”,表示准备向,表示准备向DTE发送数据。只有当发送数据。只有当DTE收到从本地收到从本地DCE发回肯定的发回肯定的DSR和和CTS信号
49、后,信号后,DTE才能由才能由TxD线向线向DCE发送数据。因此,发送数据。因此,RTS、DTR、DSR、CTS四个信号同时为四个信号同时为“1”是是TxD发送发送数据的条件。数据的条件。当接收数据时,当接收数据时,DTE先向本地先向本地DCE发出发出DTR=“1”信号,信号,表示本地和远程表示本地和远程DCE之间可以建立通道;一旦通道建立好之间可以建立通道;一旦通道建立好了,了,DCE向向DTE发出发出DSR=“1”信号;这时,数据就可以通信号;这时,数据就可以通过过RxD线传到线传到DTE。因此,。因此,RxD信号产生的条件是信号产生的条件是DTR和和DSR两个信号同时为两个信号同时为“1
50、”。至于至于RxD线上是否有信号,取线上是否有信号,取决于远程决于远程DTE是否发送数据。是否发送数据。(2)PC机与机与PC机之间直接连接机之间直接连接 当当计计算算机机和和终终端端之之间间不不使使用用MODEM或或其其他他通通信信设设备备(DCE)而而直直接接通通过过RS-232C接接口口连连接接时时,一一般般只只需需要要5根根线线(不不包包括括保保护护地地线线以以及及本本地地4、5之之间间的的连连线线),但但其其中中多多数数应采用应采用反馈与交叉相结合的连接法反馈与交叉相结合的连接法,如图,如图10-18所示。所示。图中,图中,23交叉线为最基本的连线,以保证交叉线为最基本的连线,以保证