第6章 计算机控制中的网络与通信技术(2)

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

集中到主结点的信息转发给相应的分支结点。因此主结点的信息存储容量大，通信处理量大，硬、软件较复杂。而各分支结点的通信处理负担却较小，只需具备简单的点到点的通迅功能。典型的网络系统是基于电路交换的电话交换网。

星形拓扑结构属于集中型网络，易于将信息流汇集起来，从而提高全网络的信息处理效率，适用于各站之间信息流量较大的场合。但是可靠性较低，如果主结点发生故障，那么将影响全网络的通信。

（2）总线结构：采用无源传输媒体作为广播总线，利用电缆抽头将各种入网设备接入总线；为了防止传输信号的反射，总线两端使用终接器(也称终端适配器)，如图6.4所示。在总线形拓扑结构中，网络中的所有结点都直接连接到同一条传输介质上，这条传输介质称为总线。各个结点将依据一定的规则分时地使用总线来传输数据，发送结点发送的数据帧沿着总线向两端传播，总线上的各个结点都能接收到这个数据帧，并判断是否发送给本结点，如果是，则该数据帧保留下来，否则丢弃该数据帧。总线形网络的“广播式”传输是依赖于数据信号沿总线向两端传播的特性来实现的。

图6.4 总线结构 总线形结构属于分散型网络，其结构灵活，易于扩展。一个站发生故障不会影响其它站的工作，可靠性高。

（3）环形结构：每个结点都是通过中继器连接到环形网上，如图6.5所示。所有分散结点用通信线路连接成环形网，通过逐个结点传递来达到线路共用，网上信息沿单方向围绕着线路进行循环(顺时针或逆时针)。

环形拓扑结构属于分散型网络，环形网的信号经每个中继器整形、放大后再传送，不但传送距离远。而且能保证信号的质量。这种网络结构的主要缺点是，一旦有一个中继器出现故障，就会导致环路的断路，使全网限于瘫痪，另外因为它是共用通信线路，所以不适用于信息流量大的场合。

（4）混合形结构：混合形结构是将上述各种拓扑混合起来的结构，常见的有树形(总线结构的演变或者总线和星形的混合)、环星形(星形和环形拓扑的混合)等，图6.6即为环星形结构。

在组网选择拓扑结构时，应当考虑费用、灵活性和可靠性等因素。费用因素除传播媒体和所需设

图6.6 环星形结构 图6.5 环形结构

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备(如网卡等，对于星形结构，应考虑中央结点的费用)本身的费用之外，还应包括安装费用等。灵活性因素主要包括设备的更新、移动和增删结点的方便性。可靠性因素主要包括媒体接触以及个别结点故障对整个网络的影响，拓扑结构的选择应使故障检测和故障隔离较为方便。

2．局域网网络协议

根据IEEE802标准，LAN协议参照了OSI模型的物理层和数据链路层，并没有涉及到第三层至第七层。LAN协议把链路层又分成逻辑链路控制层LLC和介质访问控制层MAC。从应用层到网络层的高层功能完全由软件来实现，它提供了两个站之间的端—端服务。而最低两层（物理层和链路层）功能上基本上有硬件来完成，并制造出相应的集成电路芯片。因此LAN协议的实现极为容易和方便，LAN得到广泛的应用。

（1）物理层

局域网的物理层协议类似于一般网络的物理层。在发送和接收时，对数据（信息）位流进行编码或解码。根据IEEE802标准，基带传输采用曼彻斯特编码或差动曼彻斯特编码，传输介质为双绞线或同轴电缆，对于采用CSMA/CD技术的网络进行载体监听和冲突检测。

（2）逻辑链路控制层

逻辑链路控制层(LLC)采用IEEE802标准。LLC为高层服务，向上提供高层接口。在发送时，把数据装配成带有站地址段、控制段、信息段和CRC段的帧。在接受时，拆卸帧，执行站地址识别，CRC校验，并把接收数据传送给上层。LLC向下提供介质访问控制层的接口。

（3）介质访问控制层

在局域网络中，由于各结点通过公共传输通路（也称之为信道）传输信息，因此任何一个物理信道在某一时间段内只能为一个结点服务，即被某结点占用来传输信息，这就产生了如何合理使用信道，合理分配信道的问题，也就是各结点既充分利用信道的空间时间传送信息，也不至于发生各信息间的互相冲突。介质访问控制层的功能就是合理解决信道的分配。目前局部网络常用的介质访问控制方式有三种，即冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）；令牌环（Token Ring）；令牌总线（Token Bus）。

三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。下面分别说明： ① 冲突检测的载波侦听多路访问（CMSA/CD）

CSMA/CD又称随机访问技术或争用技术。主要用于总线形。该控制方式的工作原理是：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正发送信息，若没有则立即发送；否则，即网络中已有某结点发送信息（信道被占用），该结点就需要等待一段时间，再侦听，直至信道空闲，开始发送。载波侦听多路访问是指多个结点共同使用同一条线路，任何结点发送信息前都必须先检查网络的线路是否有信息传输。

CSMA/CD技术中，需解决信道被占用时等待时间的确定和信息冲突两个问题。 确定等待时间的方法经常采用以下两种方法：一是当某结点检测到信道被占用后，继续检测下去，待发现信道空闲时，立即发送。二是当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信道空闲，开始发送。

解决冲突的问题可有多种方法，这里只说明冲突检测的解决办法。当某结点开始占用网络信道发送信息时，该点再继续对网络检测一段时间，也就是说该点一边发送一边接收，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若比较结果相同，说明发送正常进行，可以继续

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发送；若比较结果不同，说明网络上还有其它结点发送信息，引起数据混乱，发生冲突，此时应立即停止发送，等待一个随机时间后，再重复以上过程。

CMSA/CD方式原理较简单，且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重的情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。

② 令牌环（Token Ring）

令牌环（Token Ring）全称是令牌通行环（Token Passing Ring），仅适用于环形网络结构。在这种方式中，令牌是控制标志，网中只设一张令牌，只有获得令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传给相邻的另一个结点。令牌传递的方法是：令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。令牌有“空”和“忙”两个状态。“空”表示令牌没有被占用，即令牌正在携带信息发送。当“空”的令牌传送至正待发送信息的结点时，该结点立即发送信息并置令牌为“忙”状态。在一个结点占令牌期间；其它结点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一个结点要发送信息时，则下一个结点便得到这一令牌，并可发送信息。

令牌环的优点是能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。缺点是需要对令牌进行维护，且空闲令牌的丢失将会降低环路的利用率；控制电路复杂。

③令牌总线（Token Passing Bus）

令牌总线方式主要用于总线形式中。受令牌环的影响，它把总线传输介质上的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各结点规定一个顺序（例如，可按各结点号的大小排列）。逻辑环中的控制方式类同于令牌环。不同的是令牌总线中，信息可以双向传送、任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。为此，结点发送的信息中要有指出下一个要控制的结点的地址。由于只有获得令牌的结点才可发送信息（此时其它结点只收不发），因此该方式不要检测冲突就可以避免冲突。

令牌总线具有如下优点：

●吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加； ●控制功能不随电缆线长度的增加而减弱；

●不需冲突检测，故信号电压可以有较大的动态范围； ●具有一定的实时性。

●可见，采用总线方式网络的连网距离较CSMA/CD及Token Ring方式的网络远。 令牌总线的重要缺点是结点获得令牌的时间开销较大，一般一个结点都需要等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。

（4）LAN网络适配器

所谓LAN网络适配器就是实现LAN物理层和链路层的硬件接口板。只需选用几片LAN协议专用的集成电路芯片，再外加一部分辅助电路或存储器，就可以设计一块符合IEEE802标准的LAN网络接口板。

3．传输媒体

用于局域网的传输技术主要有有线传输和无线传输两类，有线传输使用的媒体包括双绞线、同轴电缆和光缆，无线传输媒体为大气层，使用的技术包括微波、红外线和激光。传输媒体的选择受到网络拓扑结构的约束，通常考虑费用、容量、可靠性和环境等因素。

（1）双绞线：

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双绞线是一种低廉、易于连接的传输媒体，它由两根绝缘导线以螺旋形绞合形成。通常将一对或多对双绞线组合存一起，并用坚韧的塑料套装，组成双绞线电缆，可支持模拟和数字信号传输。随着结构化布线系统的推广，双绞线在局域网中的应用越来越广泛。

（2）同轴电缆

同轴电缆的芯线为铜导线，外层为绝缘材料，绝缘材料的外套是金属屏蔽层，最外面是一层绝缘保护材料。单根同轴电缆的直径为1．02～2．54cm。同轴电缆具有辐射小和抗干扰能力强的特点，常用于工业电视或者有线电视。当用于LAN时，通信距离可达数公里，传输速率可达100Mbps，甚至更高。50Q的同轴电缆常用于数字信号传输(基带传输)：75Q的同轴电缆为工业(有线电视)所设计，在局域网的应用中，可支持模拟和数字信号传输；93Q的同轴电缆也在专门的局域网中被应用。

（3）光导纤维(光纤)

光纤是近年来发展起来的通信传输媒体，具有误码率低、频带宽、绝缘性能高、抗干扰能力强，体积小和重量轻的特点，在数据通信中的地位越来越显著。光纤采用非常细的石英玻璃纤维(50～100 u m)为中心，外罩一层折射率较低的玻璃层和保护层。当光线从高折射率的媒体(中心)射向低折射率的媒体(玻璃层)时，光线会反射回高折射率的芯线，这种反射的过程不断进行，保证了光线沿着芯线的传输。一根或者多根光导纤维可以组合在一起形成光缆。

（4）无线传输

无线传输仅要求在收发之间具有一条视线通路，特别适合特殊地理环境下的局域网安装。无线传输中使用较多的是微波系统。微波的工作频率在109～1010Hz，通过安装在室外的微波收发装置进行信号的收发，很少受环境的干扰。由于微波通信的方向性要求不高，发送的信息可能会被窃取；红外线和激光通信的收发装置必须处于视线的范围之内，均具有很强的方向性，因此防窃取能力较强，但对环境的干扰(如天气的影响等)较为敏感。

4．传输技术

局域网中，利用传输媒体传输信号的技术可分为基带传输和宽带传输两种。 （1）基带传输

保持数据波的原样进行传输称为基带传输，此时的数据信号为电子或者光脉冲；由于数据波具有直流至高频的频谱特性，数据传输将占整个信道；通常数据波信号的传输会随着距离的增加而减弱，随着频率的增加而容易发生畸变，因此，基带传输不适合于高速和远距离传输，除非传输媒体的性能很好(如光纤)。

（2）宽带传输

采用调制(包括移幅键控法ASK，移频键控法FSK和移相键控法PSK)的方法，以连续不断的电磁波信号来传输数据信号的方法称为宽带传输。在LAN环境中，常采用频分多路复用的技术，支持多路信号的传输。对于不采用频分多路复用技术的宽带传输称为单通道的宽带技术。

与基带传输相比较，宽带传输可以提供较高的传输速率和抗干扰能力。

6.1.5 计算机网络互联设备

互联的网络使得一个网络用户可以与另一个网络的用户相互交换信息，实现更大范围的资源共享。互联设备是实现网络互联的基础，按连接网络的不同，网络互联设备分为中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关等。用户在构建网络系统和连接系统的网络时，正确

第6章 计算机控制中的网络与通讯技术

的选择互联设备尤为重要。

1．中继器：

中继器是最简单的网络互联设备，负责两个结点的物理层按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。

2．集线器：

集线器(HUB)可以说是一种特殊的中继器，作为网络传输介质的中央结点，它克服了介质单一通道的缺陷。以集线器为中心的优点是：当网络系统中的某条线路或节点出现问题时，不会影响网上其它结点的正常工作。

3．网桥：

网桥是连接两个局域网的设备，工作在数据链路层，用它可以完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。网桥是为各种局域网存储转发数据而设计的，网桥可以将不同的局域网连在一起，组成一个扩展的局域网。

4．交换机：

交换机是一种具有使用简单、价格低、性能高等特点的交换产品，体现了桥接技术的复杂交换技术，和网桥一样也是工作在数据链路层。与网桥相比不同点是：交换机存储转发延迟小，远远超过了网桥互联网络之间的转发性能。

5．路由器：

路由器是一种典型的网络层设备，它在两个局域网之间转发数据包，完成网络层的中继任务，路由器负责在两个局域网的网络层间按包传输数据。路由器的主要工作是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据包有效地传送到目的站点。

6．网关：

网关是连接两个协议差别很大的计算机网络时使用的设备。它可以将具有不同体系结构的计算机网络连接在一起，网关属于最高层（应用层）的设备。有些网关可以通过软件来实现协议的转换，并起到与硬件类似的作用，但这是以消耗机器的资源为代价来实现的。

6.2 数据通信技术

数据通信是20世纪50年代随着计算机技术和通讯技术的迅速发展，以及两者之间的相互渗透与结合而兴起的一种新的通讯方式，是计算机技术与通讯技术相结合的产物。在工业控制领域，随着现代工业生产规模的不断扩大和自动化水平的不断提高，对生产过程的控制、优化、管理以及决策日趋复杂，数字化的仪器仪表应用也越来越多，而且往往需要几台、几十台计算机协同工作才能完成繁多的控制和管理任务。因而计算机与数字化的仪器仪表之间、计算机之间的数据共享和信息交换问题，都必须通过数据通讯来解决。

6.2.1 数据通讯的基础知识

1．数据通信概述

计算机与计算机之间、计算机与仪器设备之间的数据交换称为数据通信。数据通信与传统的电话、电报通信有相似之处。它们都需要一个通信网络(如电话交换网、用户电报网及专用通信网络)来传输数据信号，并且与数据处理相关。

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