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1、城市轨道交通综合监城市轨道交通综合监控系统控系统n n一、信源编码与码型一、信源编码与码型 信源编码：信源编码：用编码的方法提高通信传输效率。用编码的方法提高通信传输效率。信道编码：为解决误码问题而采用检错和纠错码，如信道编码：为解决误码问题而采用检错和纠错码，如CRCCRC码。码。n n利用不同的形式的电平信号来表示二进制位的编码，称为利用不同的形式的电平信号来表示二进制位的编码，称为码型。常见码型有：码型。常见码型有：二电平码二电平码:不同电平表示不同电平表示1 1和和0 0。如非归零电平码（。如非归零电平码（NRZ-LNRZ-L），），1 1用负电平表示，正电平表示用负电平表示，正电平表
2、示0 0。差分码：差分码：“1”“1”开始时出现电平跳变，开始时出现电平跳变，“0”“0”时不跳变。如非归零时不跳变。如非归零反相码（反相码（NRZ-INRZ-I），又称遇），又称遇“1”“1”翻转码。翻转码。双极性信号交替反转码：正负电平交替用来表示双极性信号交替反转码：正负电平交替用来表示1 1，0 0时为零时为零值电平。如信号交替反转码值电平。如信号交替反转码AMIAMI。曼彻斯特码曼彻斯特码ManchesterManchester：比特位中点位置电平跳变，负到正跳：比特位中点位置电平跳变，负到正跳变表示变表示“1”“1”，反之表示，反之表示0 0。还有差分曼彻斯特码、密勒码、双二进制码
3、等。还有差分曼彻斯特码、密勒码、双二进制码等。单极性归零双极性归零单极性波形0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0差分波形双极性波形n n 数字信号传输一般采用非归零码、曼彻斯特及差数字信号传输一般采用非归零码、曼彻斯特及差分曼特斯特码。分曼特斯特码。n n曼彻斯特码已被用于令牌环网及随机接入控制方曼彻斯特码已被用于令牌环网及随机接入控制方式的总线网中，工控领域用得较多。其缺点是两式的总线网中，工控领域用得较多。其缺点是两个电信号携带一个比特信息，传输效率只有个电信号携带一个比特信息，传输效率只有50%50%。可采用可采用4B/5B4B/5B编码方式，使效率提高到编码方式，使效率提高到80
4、%80%，此编，此编码方法已广泛用于快速以太网和光纤分布式数据码方法已广泛用于快速以太网和光纤分布式数据接口网（接口网（Fiber Distributed Data Interface,FDDIFiber Distributed Data Interface,FDDI）。）。n n差分码又称相对码，在差分码中利用电平是否跳变来分别差分码又称相对码，在差分码中利用电平是否跳变来分别表示表示“1”“1”或或“0”“0”，分为传号差分码和空号差分码。传号差分，分为传号差分码和空号差分码。传号差分码是输入数据为码是输入数据为“1”“1”时，编码波型相对于前一代码电平产时，编码波型相对于前一代码电平产生
5、跳变；输入为生跳变；输入为“0”“0”时，波型不产生跳变。空号差分码是时，波型不产生跳变。空号差分码是当输入数据为当输入数据为“0”“0”时，编码波型相对于前一代码电平产生时，编码波型相对于前一代码电平产生跳变；输入为跳变；输入为“1”“1”时，波型不产生跳变。时，波型不产生跳变。n n差分曼彻斯特编码兼有差分码和曼彻斯特编码的特点，与差分曼彻斯特编码兼有差分码和曼彻斯特编码的特点，与曼彻斯特编码不同的是，这种码元中间的电平转换边只作曼彻斯特编码不同的是，这种码元中间的电平转换边只作为定时信号，而不表示数据。差分曼彻斯特编码用在令牌为定时信号，而不表示数据。差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。环网
6、中。n n在曼彻斯特和差分曼彻斯特编码中，每比特中间都有一次在曼彻斯特和差分曼彻斯特编码中，每比特中间都有一次电平跳变，因此波特率是数据速率的两倍。对于电平跳变，因此波特率是数据速率的两倍。对于100Mb/s100Mb/s的高速网络，如果采用这类编码方法，就需要的高速网络，如果采用这类编码方法，就需要200M200M的波特的波特率，其硬件成本是率，其硬件成本是100M100M波特率硬件成本的波特率硬件成本的5 51010倍。倍。n n为了提高编码的效率，降低电路成本，可以采用为了提高编码的效率，降低电路成本，可以采用4B/5B4B/5B编编码。码。n n4B/5B4B/5B编码方式，使效率提高
7、到编码方式，使效率提高到80%80%，其特点是，其特点是5 5个比特中不少于二个个比特中不少于二个1 1，5 5个信号携带个信号携带4 4个信息。此个信息。此编码方法已广泛用于快速以太网和光纤分布式数编码方法已广泛用于快速以太网和光纤分布式数据接口网（据接口网（Fiber Distributed Data Interface,Fiber Distributed Data Interface,FDDIFDDI）。）。n n这实际上是一种两级编码方案。系统中使用不归零码这实际上是一种两级编码方案。系统中使用不归零码（NRZNRZ），在发送到传输介质之前要变成见），在发送到传输介质之前要变成见1 1
8、就翻不归零就翻不归零码（码（NRZ-INRZ-I）。）。NRZ-INRZ-I代码序列中代码序列中“1”“1”的个数越多，越能提的个数越多，越能提供同步定时信息，但如果遇到长串的供同步定时信息，但如果遇到长串的“0”“0”，则不能提供同，则不能提供同步信息。所以在发送到介质上之前还需经过一次步信息。所以在发送到介质上之前还需经过一次4B/5B4B/5B编编码，发送器扫描要发送的比特序列，码，发送器扫描要发送的比特序列，4 4位分为一组，然后位分为一组，然后按照表按照表2-12-1的对应规则变换成的对应规则变换成5 5位的代码。位的代码。n n 5 5位二进制代码的状态共有位二进制代码的状态共有3
9、232种，在表种，在表2-12-1选用的选用的5 5位代码位代码中中1 1的个数都不小于的个数都不小于2 2个。这就保证了在介质上传输的代码个。这就保证了在介质上传输的代码能提供足够多的同步信息。另外还有能提供足够多的同步信息。另外还有5B6B5B6B、8B/10B8B/10B等编等编码方法，其原理是类似的。码方法，其原理是类似的。n n二、并行传输与串行传输二、并行传输与串行传输n n三、单工、半双工与全双工传输三、单工、半双工与全双工传输n n四、异步传输和同步传输四、异步传输和同步传输 同步传输：多用于面向位的高级数据链路控制（同步传输：多用于面向位的高级数据链路控制（High leve
10、l High level Data Link Control,HDLCData Link Control,HDLC）。效率高但实现较复杂。）。效率高但实现较复杂。异步传输：数据块较小，对时钟精度要求不高，常用于低异步传输：数据块较小，对时钟精度要求不高，常用于低速传输系统中。速传输系统中。n n五、数字基带传输与频带传输五、数字基带传输与频带传输 基带传输：二进制编码的基带传输：二进制编码的0 0和和1 1直接以电脉冲的形式在信道直接以电脉冲的形式在信道中传输，适于短距离，多数工控网及现场总线采用此方式，中传输，适于短距离，多数工控网及现场总线采用此方式，以太网亦是。以太网亦是。频带传输：将基
11、带信号调制成数字频带信号，以载波方式频带传输：将基带信号调制成数字频带信号，以载波方式传输。传输的为模拟信号，适于远距离，可能为有线或无传输。传输的为模拟信号，适于远距离，可能为有线或无线。需调制和解调，常用调制方式有线。需调制和解调，常用调制方式有ASKASK、FSKFSK及及PSKPSK。n n六、有线信道与无线信道n n1 1、双绞线（、双绞线（Twisted PairTwisted Pair）与非双绞线（）与非双绞线（UntwistedUntwisted）n n分单对及多对双绞，常用分单对及多对双绞，常用2 2对（工业控制系统网络、对（工业控制系统网络、工业以太网）、工业以太网）、4
12、4对（以太网）。对（以太网）。n nCategory 5(CAT5):Category 5(CAT5):四线对，数据级四线对，数据级UTPUTP（Unshielded Unshielded Twisted PairTwisted Pair），相对四类线增加了绕线密度，每英），相对四类线增加了绕线密度，每英寸（寸（2.54cm2.54cm）至少绞合）至少绞合3 3次。次。RJ-45插头 EIA/TIAEIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A568A与与568B568B。标准标准568B568B：橙白：橙白-1-1，橙，橙-2-2，绿白，绿白-3-
13、3，蓝，蓝-4-4，蓝白，蓝白-5-5，绿，绿-6-6，棕白，棕白-7-7，棕，棕-8-8；(国内使用国内使用)标准标准568A568A：绿白：绿白-1-1，绿，绿-2-2，橙白，橙白-3-3，蓝，蓝-4-4，蓝白，蓝白-5-5，橙，橙-6-6，棕白，棕白-7-7，棕，棕-8-8。100BASE-T4 RJ-45100BASE-T4 RJ-45对双绞线的规定如下：对双绞线的规定如下：1 1、2 2用于发送，用于发送，3 3、6 6用于接收，用于接收，4 4、5 5，7 7、8 8是双向线。是双向线。1 1、2 2线必须是双绞，线必须是双绞，3 3、6 6双绞，双绞，4 4、5 5双绞，双绞，7
14、 7、8 8双绞。双绞。n n2 2、同轴电缆（、同轴电缆（Coaxial CableCoaxial Cable）优势：安装相对简单、价格合理优势：安装相对简单、价格合理 劣势：易损坏、有些电缆不易用（如粗缆）、连劣势：易损坏、有些电缆不易用（如粗缆）、连接器较贵。接器较贵。容易出的问题：中心导体与屏蔽层之间的开路或容易出的问题：中心导体与屏蔽层之间的开路或短路可能损害电缆、特性阻抗不匹配（引起信号反射，短路可能损害电缆、特性阻抗不匹配（引起信号反射，造成信号传输错误）、缺失终端电阻等。造成信号传输错误）、缺失终端电阻等。n n3 3、光纤（、光纤（Fiber OpticFiber Optic
15、）单模（直径很小，加工困难，价格高，频带宽、传单模（直径很小，加工困难，价格高，频带宽、传输量大、适于远距离）。输量大、适于远距离）。变化折射率多模光纤（具有较高的性价比，目前变化折射率多模光纤（具有较高的性价比，目前应用较多）应用较多）n n连接方式：插头连接、机械方法接合、融接连接方式：插头连接、机械方法接合、融接n n插头连接通常使用光纤连接器。插头连接通常使用光纤连接器。n n4 4、无线通信、无线通信 低频波（长波）用于特种通信，中波、短波和超短波用于无低频波（长波）用于特种通信，中波、短波和超短波用于无线电广播通信。微波频率线电广播通信。微波频率300M300M300GHz300G
16、Hz，用于通信主要在，用于通信主要在2 240G40G频段，如频段，如WLANWLAN。n n七、信道编码及差错控制方式n n差错控制：差错控制：利用信道编码控制通信系统传输差错的方法利用信道编码控制通信系统传输差错的方法n n差错控制三类基本方法差错控制三类基本方法n n时间冗余法：多次发送，相互比较以判断正确性。时间冗余法：多次发送，相互比较以判断正确性。以时间换可靠性，不能保证实时性，工业网中并不以时间换可靠性，不能保证实时性，工业网中并不采用。采用。n n信道冗余法：发送端经多个信道发给接收端，接收信道冗余法：发送端经多个信道发给接收端，接收端通过表决方式取得正确数据。工业网络中常采用
17、端通过表决方式取得正确数据。工业网络中常采用物理信道冗余方式，但不是为了差错控制，每个独物理信道冗余方式，但不是为了差错控制，每个独立的链路还是采用数据冗余法进行差错控制。立的链路还是采用数据冗余法进行差错控制。n n数据冗余法：常用方法。它是在要传送的数据块后数据冗余法：常用方法。它是在要传送的数据块后附加检验码（冗余码），接收端按编码公式，译码附加检验码（冗余码），接收端按编码公式，译码并进行校验。分检错码和纠错码。并进行校验。分检错码和纠错码。n n差错控制方式：差错控制方式：n n自动请求重发（自动请求重发（Automatic Repeat Request,ARQAutomatic R
18、epeat Request,ARQ）n n向前纠错（向前纠错（Forward Error Correction,FECForward Error Correction,FEC）n n混合纠错（混合纠错（Hybrid Error Correction,HECHybrid Error Correction,HEC）n n信息反馈（信息反馈（Information Repeat Request,IRQInformation Repeat Request,IRQ）n n八、异步串行通信物理接口标准n n1、RS-232接口标准n nRS-232接口标准的不足：点对点，不利于多智能设备间的通信，距离太短
19、（15m），速率慢（20K bps），工作电压标准与现代标准电源不兼容。n n2、RS-422接口标准：数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。n n通常情况下，通常情况下，发送驱动器发送驱动器发送驱动器发送驱动器A A、B B之间的正电平在之间的正电平在+2+2+6V+6V，是一个逻辑状态，负电平在，是一个逻辑状态，负电平在-2-26V6V，是另，是另一个逻辑状态。另有一个信号地一个逻辑状态。另有一个信号地C C，在，在RS-485RS-485中还中还有一有一“使能使能”端，而在端，而在RS-422RS-422中这是可用可不用的。中这是
20、可用可不用的。“使能使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当与连接。当“使能使能”端起作用时，发送驱动器处于端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作高阻状态，称作“第三态第三态”，即它是有别于逻辑，即它是有别于逻辑“1”“1”与与“0”“0”的第三态。的第三态。接收器接收器也作与发送端相对的规定，也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将收、发端通过平衡双绞线将AAAA与与BBBB对应相连，当对应相连，当在收端在收端ABAB之间有大于之间有大于+200mV+200mV的电平时，输出正逻的电平时，输出正逻辑电平，小于辑电平，小于-200mV-
21、200mV时，输出负逻辑电平。接收时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在器接收平衡线上的电平范围通常在200mV200mV至至6V6V之之间。间。n n上左图中是典型的上左图中是典型的RS-422RS-422四线接口。实际上还有一根信号四线接口。实际上还有一根信号地线，共地线，共5 5根线。上右图是其根线。上右图是其DB9DB9连接器引脚定义。连接器引脚定义。RS-422 RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方
22、式（按软件方式（XON/XOFFXON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。双绞线）实现。n n终接电阻终接电阻100100，一，一个，在在传输电缆个，在在传输电缆的最远端。的最远端。n n3、RS-485接口标准 n n由于由于RS-485RS-485是从是从RS-422RS-422基础上发展而来的，所以基础上发展而来的，所以RS-485RS-485许多电气规定与许多电气规定与RS-422RS-422相仿。如都采用平衡相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-RS-485485可以采用二线
23、与四线方式，二线制可实现真正可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，如图。的多点双向通信，如图。n n而采用四线连接时，与而采用四线连接时，与RS-422RS-422一样只能实现点对一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（多的通信，即只能有一个主（MasterMaster）设备，其余）设备，其余为从设备，但它比为从设备，但它比RS-422RS-422有改进，有改进，无论四线还是无论四线还是二线连接方式总线上可多接到二线连接方式总线上可多接到3232个设备。参见下个设备。参见下图。图。LTC2871 LTC2871采用采用RS232RS232到到RS485RS485转换的转换的
24、RS232RS232扩展电缆连接框图扩展电缆连接框图 RS-485 RS-485需要需要2 2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300300米以米以下不需终接电阻。下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。终接电阻接在传输总线的两端。LTC2870/71 RS485全双工网络框图 n n九、数据通信系统的几个指标九、数据通信系统的几个指标n n数据传输速率，即比特率数据传输速率，即比特率n n调制速率，即波特率，二进制时与比特率相等。调制速率，即波特率，二进制
25、时与比特率相等。n n信噪比信噪比n n误码率误码率n n频带利用率频带利用率n n通信建立时间通信建立时间3.2 计算机网络基础计算机网络基础n n一、计算机网络构成n n1、网络组成（由网络节点构成由网络节点构成）n n端节点：拥有计算机资源的用户设备。n n转接节点：支持网络连通性并在网络中对数据起转发及交换的设备。n n网络习惯分为资源子网和通信子网。n n资源子网：由端节点构成的用户子网。n n通信子网：完全由转接节点和链路按照某各结构互连而成。n n2、网络拓扑（Topology）结构n n指网络中各节点相互连接的方法与形式。总线型拓扑结构总线型拓扑结构总线型拓扑结构总线型拓扑结构
26、环状拓扑结构环状拓扑结构环状拓扑结构环状拓扑结构网状拓扑结构网状拓扑结构网状拓扑结构网状拓扑结构树状拓扑结构树状拓扑结构树状拓扑结构树状拓扑结构星型拓扑结构星型拓扑结构星型拓扑结构星型拓扑结构扩展星型拓扑结构扩展星型拓扑结构扩展星型拓扑结构扩展星型拓扑结构网络拓扑结构网络拓扑结构网络拓扑结构网络拓扑结构二、计算机网络的体系结构二、计算机网络的体系结构n n1、OSI模型n n由国际标准化组织（由国际标准化组织（International Organization for International Organization for StandardizationStandardization，
27、ISO ISO）制定的开放系统互连参考模）制定的开放系统互连参考模型（型（Open System Interconnection Reference ModelOpen System Interconnection Reference Model），），简称简称OSIOSI模型。模型。n n“开放开放”表示能使任何二个遵循参考模型和有关标准表示能使任何二个遵循参考模型和有关标准的系统进行互连。的系统进行互连。n n模型共有七层，每层的目的是为上面的层提供服务，模型共有七层，每层的目的是为上面的层提供服务，并定义对等系统必须遵守的规则和规程，以达到和并定义对等系统必须遵守的规则和规程，以达到和其
28、他系统对等进程进行通信的目的。其他系统对等进程进行通信的目的。OSIOSI参考模型参考模型参考模型参考模型2、协议（、协议（Protocol）n n在二个实体间控制数据交换的规则的集合，包括语法、语在二个实体间控制数据交换的规则的集合，包括语法、语义和时序。义和时序。n n简单协议如基于简单协议如基于ASCIIASCII的，复杂如的，复杂如TCPTCP、IPIP。n n二层协议如二层协议如SDLCSDLC（同步数据链路控制）、（同步数据链路控制）、HDLCHDLC（高级链（高级链路控制）。路控制）。n n三层协议三层协议IPIP（Internet ProtocolInternet Protoc
29、ol，互联网协议）、，互联网协议）、IPXIPX。n n四层协议四层协议TCPTCP（Transmission Control ProtocolTransmission Control Protocol，传输控制，传输控制协议）、协议）、UDPUDP（User Datagram ProtocolUser Datagram Protocol，用户数据报协议），用户数据报协议）、SPXSPX。n n5+6+75+6+7层协议层协议CIPCIP（Common Industrial ProtocolCommon Industrial Protocol，通用工业，通用工业协议）、协议）、HTTPHTTP
30、（HyperText Transfer ProtocolHyperText Transfer Protocol，超文本传输，超文本传输协议协议 ）、FTPFTP（File Transfer Protocol File Transfer Protocol、文件传输协议）、文件传输协议）、POP3POP3（Post Office Protocol 3Post Office Protocol 3，邮局协议第三版）等。，邮局协议第三版）等。协议所处工作层，需完成以下一个或多个功能：协议所处工作层，需完成以下一个或多个功能：协议所处工作层，需完成以下一个或多个功能：协议所处工作层，需完成以下一个或多个功
31、能：n n数据包破碎数据包破碎/分段与组装：每个协议对处理和低层协议有分段与组装：每个协议对处理和低层协议有关联的数据包都具有局限性，如三层协议关联的数据包都具有局限性，如三层协议IPIP只能处理只能处理64KB64KB的包，则四层的包，则四层TCPTCP协议须将来自五层的数据包分段。二层协议须将来自五层的数据包分段。二层协议只能接受不大于协议只能接受不大于15001500字节的数据，则三层必须将数据字节的数据，则三层必须将数据“破碎破碎”成二层可处理的数据单元。成二层可处理的数据单元。n n封装：每个协议都需要封装：每个协议都需要“无损害无损害”地处理来自上层的数据，地处理来自上层的数据，即
32、不关心其内容而将它们向下传递。原始数据每经过一层即不关心其内容而将它们向下传递。原始数据每经过一层协议处理，就会附带有该层的处理信息。协议处理，就会附带有该层的处理信息。n n连接控制：一些四层协议如连接控制：一些四层协议如TCPTCP需要和另一端的对等层建需要和另一端的对等层建立逻辑连接，同样需要中止连接的机制。立逻辑连接，同样需要中止连接的机制。n n顺序传送：不同的数据碎片到达的顺序可能不定，在三层顺序传送：不同的数据碎片到达的顺序可能不定，在三层通过增加顺序号、偏移量及标志等信息解决。通过增加顺序号、偏移量及标志等信息解决。n n流量控制：收发端必须能进行联络，以防数据传输超限。流量控
33、制：收发端必须能进行联络，以防数据传输超限。简单协议常采用简单协议常采用“握手握手”应答机制，复杂协议常采用应答机制，复杂协议常采用“滑动窗滑动窗口口”技术。技术。n n差错控制差错控制:（上节已介绍）（上节已介绍）n n寻址：不同层的协议需要识别另一端的物理或逻寻址：不同层的协议需要识别另一端的物理或逻辑接收端，有不同的实现方法。如四层协议辑接收端，有不同的实现方法。如四层协议TCPTCP、UDPUDP使用端口号识别，使用端口号识别，IPIP协议使用协议使用IPIP地址，二层地址，二层协议使用硬件（或介质）地址。协议使用硬件（或介质）地址。n n路由选择：小网之间由路由器互联，路由之间必路由
34、选择：小网之间由路由器互联，路由之间必须要相互通信，以确定到达网络中给定目的地的须要相互通信，以确定到达网络中给定目的地的最佳路径，由路由协议最佳路径，由路由协议RIPRIP、OSPFOSPF等实现。等实现。n n多路复用：一个物理信道创建多个逻辑信道，如多路复用：一个物理信道创建多个逻辑信道，如高级协议高级协议TCPTCP协议，或一个数据流通过多个物理连协议，或一个数据流通过多个物理连接进行传递，如低级协议接进行传递，如低级协议PPPPPP。3、TCP/IP协议组协议组n nTCP/IPTCP/IP是一种分层模型的协议集合。基于硬件层次包括是一种分层模型的协议集合。基于硬件层次包括4 4个概
35、念性层次协议：应用层、传输层、个概念性层次协议：应用层、传输层、IPIP层和网络接口层。层和网络接口层。n nTCP/IPTCP/IP有二个重要的分界：协议地址分界，以区分高层和有二个重要的分界：协议地址分界，以区分高层和低层地址；操作系统分界，以区分系统和应用程序。低层地址；操作系统分界，以区分系统和应用程序。应用软件应用软件操作系统软件操作系统软件MACMAC地址地址IPIP地址地址TCP/IPTCP/IP的层次结构及分界的层次结构及分界TCP/IPTCP/IP分层工作原理分层工作原理n n主机主机A A与主机与主机B B的通信，其物理网络可以不同，此时不同的的通信，其物理网络可以不同，此
36、时不同的网络间通过路由来联接。不同的网络数据帧和网络间通过路由来联接。不同的网络数据帧和IPIP数据报不数据报不一样，中转和解释工作通常由工作在一样，中转和解释工作通常由工作在IPIP层的路由器实现。层的路由器实现。n n三、局域网技术与标准三、局域网技术与标准n n1 1、局域网（、局域网（LANLAN，Local Area NetworkLocal Area Network）标准）标准n n2 2、以太网技术、以太网技术n n3 3、虚拟局域网（、虚拟局域网（Virtual Local Area NetworkVirtual Local Area Network，VLANVLAN）n n它
37、通常工作在它通常工作在OSIOSI模型的二、三层，主要用途是基模型的二、三层，主要用途是基于一个物理网上划分不同的逻辑子网，逻辑子网于一个物理网上划分不同的逻辑子网，逻辑子网间不能直接访问，用于抑制广播数据（控制广播间不能直接访问，用于抑制广播数据（控制广播风暴）在不同逻辑子网间传播和安全管理的目的。风暴）在不同逻辑子网间传播和安全管理的目的。n n可以增加网络连接的灵活性，使不同地点、不同可以增加网络连接的灵活性，使不同地点、不同网络、不同用户能够组合在一起，形成一个虚拟网络、不同用户能够组合在一起，形成一个虚拟的网络环境，就如本地的网络环境，就如本地LANLAN一样方便、灵活、有一样方便、
38、灵活、有效。效。n n可以增加网络的安全性，可以增加网络的安全性，VLANVLAN之间相互隔离，之间相互隔离，大大提高了网络的利用率，确保了安全保密性。大大提高了网络的利用率，确保了安全保密性。n n4 4、无线局域网（、无线局域网（Wireless Local Area NetworkWireless Local Area Network，WLANWLAN）n n使用射频技术取代传统线路，主要有使用射频技术取代传统线路，主要有2.4GHz2.4GHz和和5GHz5GHz，建，建筑物内距离不超过筑物内距离不超过100100米，开放区域可达米，开放区域可达300300400400米。米。n nB
39、ASBAS系统应用系统应用WLANWLAN技术的最大可能是利用移动终端实现技术的最大可能是利用移动终端实现设备或系统的维护。设备或系统的维护。n n5 5、FDDIFDDI网络（光纤分布式数据接口网）网络（光纤分布式数据接口网）n n其特点是快速、可靠，自动化系统应用较多。其特点是快速、可靠，自动化系统应用较多。FDDIFDDI双环网及其自愈原理双环网及其自愈原理n n四、网络安全技术四、网络安全技术n n1 1、网络安全层次模型、网络安全层次模型n n物理层：防搭线偷听技术（或易检出被偷听）。物理层：防搭线偷听技术（或易检出被偷听）。n n数据链路层：采用数据加密和解密方式，一般是专用设备数
40、据链路层：采用数据加密和解密方式，一般是专用设备或特殊网络中用，不适于或特殊网络中用，不适于InternetInternet。n n网络层：用防火墙技术处理信息在内外网边界的流动，有网络层：用防火墙技术处理信息在内外网边界的流动，有效屏蔽不明信息。效屏蔽不明信息。n n传输层：采用端到端加密措施，即进程之间的加密。传输层：采用端到端加密措施，即进程之间的加密。n n应用层：身份认证与识别。应用层：身份认证与识别。n n2 2、防火墙（、防火墙（FirewallFirewall）技术）技术n n一种内外网边界的数据过滤和封锁机制，实际上是一种隔一种内外网边界的数据过滤和封锁机制，实际上是一种隔离
41、技术。基于内网安全，外网不安全的认识，阻断外网的离技术。基于内网安全，外网不安全的认识，阻断外网的非法访问，但无法控制内网的非法访问。非法访问，但无法控制内网的非法访问。n n防火墙技术主要有：防火墙技术主要有：n n网络级数据包过滤网络级数据包过滤n n应用级网关与代理服务器应用级网关与代理服务器n n状态检测防火墙状态检测防火墙n n五、局域网设备五、局域网设备n n中继器（中继器（RepeaterRepeater，RPRP），物理层的介质连接），物理层的介质连接n n集线器（集线器（HubHub），一种特殊的中继器，提供多端口服务。），一种特殊的中继器，提供多端口服务。n n网桥（网桥（
42、BridgeBridge），为数据链路层提供连接服务，主要作用是），为数据链路层提供连接服务，主要作用是存储转发。存储转发。n n交换机（交换机（SwitchSwitch），是一个具有简化、低价、高性能和高端），是一个具有简化、低价、高性能和高端口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术口密集特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术在第二层的操作。在第二层的操作。n n路由器（路由器（RouterRouter），工作于第三层即网络层，用于连接多个），工作于第三层即网络层，用于连接多个逻辑上分开的网络。逻辑上分开的网络。n n网关（网关（GatewayGateway），用于连接不同类
43、型而协议差别又较大的），用于连接不同类型而协议差别又较大的网络。网关的功能体现在最高层（应用层）。网络。网关的功能体现在最高层（应用层）。3.3 工业通信网络工业通信网络n n一、一般特征n n工业现场对数据网络的主要要求：实时性、可靠性、安全性n n工作条件比较恶劣 n n工业通信网通常指用于生产过程控制的网络，一般包括车间级用于控制器的控制网络和设备级总线网络二部分。n n习惯将用于工业通信的网络称为“现场总线（Field Bus）”，而一般的信息网络主要用来实现企业内部信息共享。n n现场总线上，强调数据通信实时性和确定性，是指现场总线上，强调数据通信实时性和确定性，是指在一个可预测的时
44、间内，一个数据能够完成数据发在一个可预测的时间内，一个数据能够完成数据发送、传输和接收，最终到达目的地。送、传输和接收，最终到达目的地。n n实时系统的关键在于数据传输的可预测性，即通信实时系统的关键在于数据传输的可预测性，即通信确定性。确定性。n n工业控制实时性分为四个等级。工业控制实时性分为四个等级。n n1 1级：级：100mss100mss级，用于对数据传输时间无苛刻要级，用于对数据传输时间无苛刻要求的系统，如楼宇自动化系统、求的系统，如楼宇自动化系统、SCADASCADA系统等。系统等。n n2 2级：级：1 1100ms100ms，可满足大多数过程控制需求，如，可满足大多数过程控
45、制需求，如城轨城轨BASBAS系统，连续制造业的过程控制系统，连续制造业的过程控制DCSDCS系统。系统。n n3 3级：级：100100ss左右，用于一般运动控制场合，如数控左右，用于一般运动控制场合，如数控机床，高速过程控制等。机床，高速过程控制等。n n4 4级：级：10 s10 s左右，响应时间最为苛刻，用于高精度左右，响应时间最为苛刻，用于高精度动态同步的运动控制，如电子齿轮等。动态同步的运动控制，如电子齿轮等。n n现场总线的三种通信模式现场总线的三种通信模式n n1 1、主从模式（、主从模式（Master/SlaveMaster/Slave）：主站发起通信，从）：主站发起通信，从
46、站只有在主站所发目的地址与本站匹配时，才按规站只有在主站所发目的地址与本站匹配时，才按规定的处理响应时序向网络发应答包。从站之间不能定的处理响应时序向网络发应答包。从站之间不能直接通信或交接数据，一般同一个网络只能有一个直接通信或交接数据，一般同一个网络只能有一个工作主站，如工作主站，如MODBUSMODBUS。n n2 2、对等模式（、对等模式（Peer to PeerPeer to Peer）：节点设备依靠令牌）：节点设备依靠令牌或某种仲裁机制获得一定时限的总线控制权，在规或某种仲裁机制获得一定时限的总线控制权，在规定时间内，每一节点可向其它节点传送数据或命令，定时间内，每一节点可向其它节
47、点传送数据或命令，典型的典型的PLCPLC层的控制网络均属于此，如层的控制网络均属于此，如Mudbus PlusMudbus Plus。n n3 3、混合模式：在同一总线或控制网络中具有主从、混合模式：在同一总线或控制网络中具有主从和对等通信模式，如和对等通信模式，如PROFIBUSPROFIBUS。控制器主站间采。控制器主站间采用令牌对等方式，控制器与受控从设备采用严格的用令牌对等方式，控制器与受控从设备采用严格的主从通信方式。主从通信方式。n n现场总线的四种对话模式现场总线的四种对话模式n n1 1、轮询模式（、轮询模式（PollingPolling）：主站周期或非周期性查询）：主站周期
48、或非周期性查询从设备工作状态和数据，或向从站发命令和数据。从设备工作状态和数据，或向从站发命令和数据。n n2 2、例外报告模式（、例外报告模式（ReportReport）：无需接受请求，一个）：无需接受请求，一个节点向一个或多个节点发送报文，一般用于报警信节点向一个或多个节点发送报文，一般用于报警信号处理，即在状态发生变化时通信。常与轮询方式号处理，即在状态发生变化时通信。常与轮询方式合并使用，即可减少通信量，又保证数据完整性。合并使用，即可减少通信量，又保证数据完整性。n n3 3、客户、客户/服务器（服务器（Client/Server,C/SClient/Server,C/S）模式：一台
49、）模式：一台设备作为客户发出请求，另一台设备作为服务端响设备作为客户发出请求，另一台设备作为服务端响应请求，并作出动作或返回数据和结果。应请求，并作出动作或返回数据和结果。n n4 4、生产者、生产者/消费者（消费者（Producer/ConsumerProducer/Consumer）模式：产）模式：产生数据的节点向总线广播数据，需要此数据者主动生数据的节点向总线广播数据，需要此数据者主动接收。通信效率得到提高，数据到达不同节点的时接收。通信效率得到提高，数据到达不同节点的时间相同，可以实现通信的精确同步。典型的协议如间相同，可以实现通信的精确同步。典型的协议如ControlNetContr
50、olNet、Ethernet/IPEthernet/IP。n n二、IEC61158标准n n规范的工业通信网络标准（现场总线），经过十多年努力，起草并公布了第四版，列入了14种现场总线，实质上是宣告统一标准的失败。n n但标准的制定规范了协议，方便的互联，有利于开放。n n现场总线技术是构成现代PLC系统的主要技术之一，各PLC厂家都有基于自主产品的现场总线技术和产品。城轨BAS即是一类典型的PLC和现场总线的应用领域。n n三、MODBUS协议n nMODICONMODICON公司（已并入施耐德）的一种在工业领公司（已并入施耐德）的一种在工业领域广为应用的真正开放、标准的网络通信协议。在域