第六章 工业测控计算机网络技术,6.1 计算机网络概述 6.1.1 计算机网络的形成与发展 纵观计算机网络的形成与发展历史，我们大致可以将它划分为四个阶段： 第一阶段可以追溯到50年代。那时，人们开始将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，对数据通信技术与计算机通信网络进行了一些初步的研究,为计算机网络的产生做好了一定的技术准备，奠定了理论基础。 第二阶段 60年代。典型代表是美国的ARPANET，RPANET是计算机网络技术发展中的一个里程碑，它的研究成果对促进网络技术的发展起到了重要的作用，并为Internet的形成奠定了基础。 第三阶段 70年代中期。70年代中期国际上各种广域网、局域网发展十分迅速，各个计算机生产商纷纷发展各自的计算机网络系统，但随之而来的是网络体系结构与网络协议的国际标准化问题。国际标推化组织ISO(Internation Standards Organization)在推动开放系统参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工作，对网络理论体系的形成与网络技术的发展起到了重要的作用。 第四阶 90年代。90年代网络技术最富有挑战性的话题是Internet技术。Internet作为世界性的信息网络，正在当今经济、文化、科学研究、教育与人类社会生活等方面发挥着越来越重要的作用。,6.1.2 计算机网络的定义,定义： 凡将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统用通信设备和线路连接起来，由功能完善的网络软件实现网络资源共享的系统称为计算机网络。 计算机网络既可以用通信线路将几台计算机系统连成简单的网络，实现信息的收集、分配、传输和处理，也可以将数百台计算机系统，用数千公里的通信线路连成全国或全球通信网，以实现资源共享。,6.1.3 计算机网络的分类,计算机网络的分类方法可以是多样的其中最主要的两种方法是 根据网络所使用的传输技术分类； 根据网络的覆盖范围与规模分类。,1. 根据网络传输技术进行分类 网络所采用的传输技术决定了网络的主要技术特点，因此根据网络所采用的传输技术对网络进行划分是一种很重要的方法。 (1) 广播式网络(Broadcast Networks) 在广播式网络中，所有连网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送数据(报文分组)时，所有其它的计算机都会“收听”到这个分组。由于发送的分组中带有目的地址与源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否是与本节点地址相同。如果和接收报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。 在广播信道中，由于信道共享可能引起信道访问冲突，因此信道访问控制是要解决的关键问题。,(2) 点到点式网络(Point-to-Point Networks ) 与广播网络相反，在点到点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存储、转发，直至目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此从源节点到目的节点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要有路由选择算法。 采用分组存储转发与路由选择是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。,2. 根据网络的覆盖范围进行分类,计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类，可以很好地反映不同类型网络的技术特征。由于网络覆盖的地理范围不同，它们所采用的传输技术也就不同，因而形成了不同的网络技术特点与网络服务功能。 按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网MAN (Metropolitant Area Network) 广域网WAN (Wide Area Network),(1) 局域网 LAN(Local Area Network) 局域网用于将有限范围内(如一个实验室、一幢大楼、一个校园)的各种计算机、终端与外部设备互连成网。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标淮的不同可以分为共享局域网与交换局域网。局域网技术发展迅速，应用日益广泛。 局域网的特点是组建方便、使用灵活，是计算机网络中最活跃的领域之一。随着社会信息化的不断发展，为了更好地发挥网络作用，局域网也可以连接到公共网或广域网上。例如，一个学校的校园网就可以连接到Internet这种广域网上，这样校园网上的用户可以享用广域网上提供的许多资源，也可以和广域网上的用户通信。,(2) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 城市地区网络常简称为城域网。城域网是介于广域网与局城网之间的一种高速网络。城域网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。,(3) 广域网 WAN (Wide Area Network) 广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络。广城网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的计算机系统互连起来达到资源共享的目的。 广域网是从六十年代开始发展的，其典型代表是美国国防部的ARPANET网，既现在在全世界普遍使用的Internet网。中国公网CHINANET、国家公用信息通信网（又名金桥网）CHINAGBN、中国教育科研计算机网CERNET均是广域网。,6.2 局域网技术概述,6.2.1局域网的主要技术特点 局域网主要的技术特点有以下几点： 1局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、公司、校园、军营、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求； 2局域网具有较高数据传输速率(101000Mbps)、低误码率的高质量数据传输环境，数据传输速率高达1Gbps(1000Mbps)的高速局域网正在发展之中； 3局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展； 4决定局城网特性的主要技术要素有三点：网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法；,6.2.2 局域网拓扑结构,在研究计算机网络组成结构的时候，我们可以采用拓扑学中一种研究与大小形状无关的点、线特性的方法，即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器和交换机等网络单元抽象为“结点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”。 这样，从拓扑学的观点看计算机网络就变成了点和线组成的几何图形，我们称它为网络的拓扑结构。,在局域网中的结点有两类； 一类是只转接和交换信息的转接结点，它包括结点交换机、集线器和终端控制器等； 另一类是访问结点，它包括主计算机和终端等，它们是信息交换的源结点和目标结点。 局域网的拓扑类型较多，基本类型可以分为以下三种：总线型、星型、环型。,1总线型拓扑结构,总线型结构网络是将各个结点和一根总线相连。网络中所有的结点都通过总线进行信息传输，任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输，并被总线中任何一个结点所接收。,总线型拓扑结构图,在总线型网络中，连接适配卡的是BNC连接器，T型连接头将适配卡直接连接至同轴电缆。在电缆的两个末端都必须有一个50的终结器。在10Base2适配卡与电缆图中描绘了这两个部件。,未插入或断开的电缆没有被终止，使网络无法正常工作,终结器吸收空闲的信号,主要特点： （1）网络结构简单灵活，节点的插入、删除都较方便，因此易于网络的扩展。 （2）可靠性较高，由于总线通常用无源工作方式，因此任一个结点故障都不会造成整个网络的故障。 （3）网络响应速度快，共享资源能力强，便于广播式工作。 （4）设备量少，价格低，安装使用方便。 （5）故障诊断和隔离困难，网络对总线故障比较敏感。,2星型拓扑结构,星型结构的网络是以中央结点为中心与各个结点连接组成的。中心节点控制全网的通信，任何两节点之间的通信都要通过中间节点。,星型拓扑结构图,主要特点： （1）网络结构简单，便于管理，控制简单，连网建网都容易，单个节点的故障 只影响一个节点，不会影响全网，因此容易检测和隔离故障 。 （2）网络延时时间较短，误码率较低。 （3）节点间的通信必须经过中央结点进行转接，对中央结点可靠性要求较高，它是全网可靠性的瓶颈。 （4）网络介质共享资源能力较差，通信线路利用率不高，星型拓扑需要大量电缆，因此布线费用较高。,3环型拓扑结构,环型结构中的各结点是连接在一条首尾相连的闭合环型线路中的。环型网络中的信息传送是单向的，即沿一个方向从一个结点传到另一个结点。由于信息按固定方向单向流动，两个结点之间仅有一条通路，系统中无通道选择的问题。,环型拓扑结构图,主要特点： （1）信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有惟一的通路，大大简化了路径选择的控制。 （2）由于信息是串行穿过多个结点环路接口，所以，当结点过多时，影响传输的效率。 （3）环路中每一结点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单。 （4）当网络固定后，其延时也确定，实时性强。 （5）在网络信息流动过程中，由于信息源结点到目的结点都要经过环路中各中间节点，所以，任何节点的故障都能导致环路失常，可靠性差。而且由于环路是封闭的，不易扩展。 这种网络结构比较适合于工厂自动化系统。,6.2.3 传输介质,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。局域网常用的传输介质有： 双绞线 同轴电缆 光纤电缆 其余的介质还有无线电、微波和红外线等。,1双绞线 双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。,采用双绞线组成星形网络参数 最大数据传输率： 1000 Mbps 序列中最多集中器数： 4 最多中继数： 4 无中继时段最大长度： 100 m,2 同轴电缆 另一种常用的传输介质是同轴电缆(Coaxial Cable )。同轴电缆中的材料是共轴的，如图所示，故同轴之名由此而来。,采用细同轴电缆组成总线型网络的参数 最大数据传输率： 10 Mbps 收发器之间最多中继数：4 每段最多工作站数： 30 最多工作站数： 1024 工作站间最小距离： 0.5 m 无中继时段最大长度： 185 m 有中继时段最大长度： 925 m,3 光纤 光纤电缆简称为光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。,6.2.4 局域网的介质访问控制方法,所谓介质访问控制方法是指在网络中控制多个节点利用公共传输介质发送和接收数据的方法，它是所有“共享介质”类型局域网都必须解决的共性问题。介质访问控制方法要解决以下几个问题： 该哪个节点发送数据? 发送时会不会出现冲突? 出现冲突怎么办?,1OSI开放系统互连参考模型,1983年国际标准化组织(ISO)提出了开放系统互连参考模型OSI (Open System Interconnection reference model )，见下图。ISO将网络通信功能分成一组层次分明的分层结构、每一层执行各自承担的任务，每一层都为高一层提供一定的服务。数据从一个机器到另一机器之间通信是每一层将数据和控制信息传递给紧接着它的下一层，直到最下层，在最下层通过传输介质，实现与另一机器的物理通信。 这样，每一层都有如下特点： 1. 任务有明确的限定 2. 对于相邻的上下层都有精确定义的接口 3. 在传递的数据包中加入每一层特有的报头（header），在接收数据包的另一端解释并除去报头。,开放系统互连参考模型OSI,第一层，物理层 (Physical Layer),物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理连接，以及它们的机械、电气、功能和过程特性。 如规定使用电缆和接头 的类型，传送信号的电压等。在这一层，数据还没有被组织，仅作为原始的位流或电气电压处理，单位是比特。,数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错的传送以帧为单位的数据。 每一帧包括一定数量的数