第七章 计算机测控系统中的网络与通信技术(概述).ppt

第七章计算机测控系统中的网络与通信技术,计算机网络概述数据通信技术工业控制计算机网络与通讯,计算机网络的定义计算机网络的分类计算机网络的协议层次模型计算机局域网计算机网络互联设备以太网,1计算机网络概述,1.1计算机网络的定义,计算机网络是指把若干台地理位置不同且具有独立功能的计算机或设备，通过通讯设备和线路相互连接起来，以实现信息传输和资源共享的一种计算机系统。网络中的各台计算机或设备（或称为节点）之间相互通信，并能实现资源共享。资源包括硬件资源、软件资源和数据库资源。,1.2计算机网络的分类,局域网LAN（LocalAreaNetwork计算机硬件设备不大、通信线路不长、采用单一的传输介质、覆盖范围小。区域网MANMetropolitanAreaNetWork通常覆盖一个区域城市，又称城域网。广域网WAN（WideAreaNetwork不仅可以把多个局域网连在一起，，也可以把世界各地的局域网连在一起，传输装置和媒体由电信部门提供。,按网络的跨度分类,采用局域网，传输速率较高，误码率较低。组网方便，技术简单。,传输距离远，传输速率较低，误码率较高。机制复杂。,局域网指几公里的地理范围内将计算机、外设和通信设备互连在一起的网络系统。,广域网涉及的范围较大，通常可以达到几十公里、几百公里，甚至更远。,星形网以一台中心处理机为主而构成的网络，其他入网的计算机仅与该中心处理机之间有直接的物理链路，中心处理机采用分时的方法为入网机器服务。总线型网所有入网机器共用一条传输线路，机器通过专用的分接头接入线路。由于线路对信号的衰减作用，总线形网仅用于有限的区域，常用于组建局域网。,按网络的拓朴结构分类,环形网入网机器通过中继器接入网络，每个中继器仅与两个相邻的中继器有直接的物理线路，所有的中继器及其物理线路构成了一个环状的网络系统，环形网也是局域网的一种主要形式。网状网络利用专门负责数据通信和传输的节点机构成的网络，入网机器直接接入节点机进行通信，网状网络主要用于地理范围大、入网机器多的环境，例如构造广域网。,电路交换网类同电话方式，通信过程中，自始至终占用该链路。其它用户不能共享信道资源。报文交换网交换机采用具有“存储转发”能力的计算机，用户数据可以暂时保存在交换机内，等待线路空闲时，再进行用户数据的一次传输。分组交换网类同报文交换技术，但规定了交换机处理和传输数据的长度（称之为分组），不同用户的数据分组可以交织出现在网络中的物理链路上传输。,按信息交换方式分类,按功能分类,通信子网网络中面向数据通信的资源集合，主要支持用户数据的传输；该子网包括传输线路、交换机和网络控制中心等硬件设施。资源子网网络中面向数据处理的资源集合，主要支持用户的应用；该子网由用户的主机资源组成，包括接入网络的用户主机，以及面向应用的外设（例如终端）、软件和可共享的数据（例如公共数据库）等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,主机,终端,终端,终端,主机,终端,终端,通信处理机,主机,终端,通信子网,资源子网,通信处理机,1.3计算机网络的协议层次模型,计算机网络体系结构的实质定义和描述一组用于计算机及其通讯设施之间互连的标准和规范的集合，遵循这组规范可以方便的实现计算机设备之间的通讯。,OSI/RM七层模型示意图,OSI模型ISO组织提出，开放系统互连基本参考模式，描述了计算机之间的通信应如何发生，划分了7个层次,1.4计算机局域网络,LAN的定义是允许中等地域的众多独立设备通过中等速率的物理信道直接互连可进行通信的数据通信系统。描述和比较LAN的因素（1）传输媒体即用于附接网络设备的电缆类型（2）传输技术使用传输媒体进行通信的技术（3）网络拓补指组网时的电缆铺设形式（4）访问控制方法网络设备访问传输媒体的控制方法,星形结构由中央结点和分支结点所构成，各个分支结点均与中央结点具有点到点的物理连接，分支结点之间没有直接的物理通路。,局域网的拓扑结构,1星形结构,通信方式任何两个分支结点之间的通信都要通过主结点，该主结点集中来自各分支结点的信息，按照一种集中式的通信控制策略，把集中到主结点的信息转发给相应的分支结点。主结点的信息存储容量大，通信处理量大，硬、软件较复杂。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。,优缺点典型的网络系统是基于电路交换的电话交换网。优点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。缺点可靠性较低，如果主结点发生故障，那么将影响全网络的通信。,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（称终端适配器）。,2总线结构,通信方式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。,优缺点总线形网络的“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。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。但传送距离短。,环接口设备通过传输媒体串接形成闭合环路，它们之间具有点到点的连接，入网设备通过环接口设备接入环路。,3环形结构,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。优点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。缺点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。,混合形结构是将上述各种拓补混合起来的结构，常见的有树形、环星形等。,4混合形结构,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。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）功能上基本上由硬件来完成。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。,1.4局域网网络协议,IEEE802标准,IEEE802.3的体系结构与功能实现,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。,物理层,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。,逻辑链路控制层,功能合理解决信道的分配。常用的介质访问控制方式有三种a冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）b令牌环（TokenRing）；c令牌总线（TokenBus）。,介质访问控制层（MAC）,CSMA/CD又称随机访问技术或争用技术。用于总线形网络。其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，直至信道空闲，开始发送。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。,1冲突检测的载波侦听多路访问CMSA/CD,CSMA/CD技术中，需解决信道被占用时等待占用的时间和信息冲突两个问题。确定等待时间的方法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。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。,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。,CSMA/CD方式特点网络中各结点处于同等地位，无需集中控制。非优先级控制，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。,令牌环（TokenRing）全称是令牌通行环（TokenPassingRing），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。,2令牌环（TokenRing）,令牌传递的方法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，“忙”表示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。,令牌环的优缺点优点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。,LAN互连的必要性地域限制、负载问题、互通问题、安全问题LAN互连的困难帧格式不同、传输速率不同、最大帧长不同LAN互连的实现中继器/HUB－在物理层上实现互联网桥－在数据链路层上实现互联路由器－在网络层上实现互联,1.5计算机网络互联设备,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。,中继器,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。,集线器,网桥是连接两个局域网的设备，工作在数据链路层。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。,网桥,交换机和网桥一样也是工作在数据链路层，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。体现了桥接技术的复杂交换技术。,交换机,路由器是网络层设备，完成网络层的中继任务，负责在两个局域网的网络层间按包传输数据，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。,路由器,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。将不同体系结构的计算机网络连接在一起，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，起到与硬件类似的作用，这是以消耗机器资源来实现的。,网关,