1、,第二章 计算机网络体系结构,工业网络结构,信息层网络(Ethernet),主要内容,计算机网络体系结构 网络通信基础知识,计算机网络的概念,利用通信线路将具有独立功能的计算机连接起来而形成的计算机集合，计算机间可以借助通信线路传递信息，共享软件、硬件和数据等资源,计算机网络应用举例（1）,共享打印机等各种硬件设备,计算机网络应用举例（2）,共享数据资源,计算机网络应用举例（3）,共享应用程序,计算机网络特点,计算机网络建立在通信网络的基础之上 建立计算机网络的目的 资源共享 在线通信,计算机网络分类,广域网（WAN） 覆盖的地理范围：几十公里到几千公里 通常利用公用网络进行组建 城域网（MA
2、N） 覆盖的地理范围：几十公里之内 局域网（LAN） 覆盖的地理范围：有限范围（如实验室内、大楼内、校园内） 分为共享式局域网与交换式局域网,计算机网络基础知识,拓扑结构 协议 网络的层次结构,拓扑结构,总线型 星型 环型 树型 混合型,终接器,终接器,工作站,工作站,工作站,工作站,总线型网络拓朴结构,总线型的优越性,一个节点失效不影响其他节点的工作 节点的增删不影响全网的运行 结构简单 接入灵活 扩展容易 可靠性高,工作站,工作站,工作站,工作站,工作站,工作站,集线器或交换机,星型网络拓朴结构,工作站,工作站,工作站,工作站,工作站,工作站,环型网络拓朴结构,环型的主要问题,环中某一位置
3、的断开将导致整个网络瘫痪,工作站,工作站,工作站,树型网络拓朴结构,工作站,工作站,工作站,工作站,工作站,工作站,混合型网络拓朴结构,物理拓扑指网络的几何形状，即通常意义上的拓扑；而逻辑拓扑（逻辑总线、逻辑环）则指信息在通信介质中传输的机制。对特定网络而言，其逻辑拓扑与物理拓扑不一定相同。返回,物理拓扑和逻辑拓扑,计算机网络基础知识,拓扑结构 协议 网络的层次结构,协议（protocol）是通信双方为了实现通信所进行的约定或所作的对话规则,协议,协议的基本概念（1）,网络协议的组成 语义：做什么（what to do） 语法：怎么做（how to do） 定时关系：何时做（when to d
4、o） 网络协议的优劣直接影响网络的性能,协议的基本概念（2）,计算机网络中存在有多种协议 协议之间的相互作用 为避免重复工作，每个协议应该处理没有被其他协议处理过的通信问题 协议之间可以共享数据和信息,计算机网络基础知识,拓扑结构 协议 网络的层次结构,网络的层次结构（1）,层次划分的目的 将网络这个庞大的、复杂的问题划分成若干较小的、简单的问题 层次划分的原则 层内功能内聚 层间耦合松散,网络的层次结构（2）,层次结构的优越性 各层之间相互独立 灵活性好 每层都可以采用最合适的实现技术 易于实现和维护 有利于网络标准化,层次划分举例,开放系统互联参考模型（OSI/RM）,1974年，IBM公
5、司宣布推出系统网络体系结构SNA。随后，其他公司也相继推出各自的体系结构。ISO于1977年研究实现各种计算机在世界范围内互联成网的标准框架，即开放系统互联参考模型。,开放系统互联参考模型（OSI/RM）,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部，成为应用层 PDU,层次结构模型中数据的传送过程,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层 PDU 再传送到传输层,加上传输层首部，成为传输层报文,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,
6、4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,传输层报文再传送到网络层,加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,IP 数据报再传送到数据链路层,加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层帧再传送到物理层,最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,物理传
7、输媒体,计算机 1,AP2,AP1,电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层,计算机 2,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,物理层接收到比特流，上交给数据链路层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去首部，取出数据部分 上交给传
8、输层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,传输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机
9、 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,10100110100101 比 特 流 110101110101,计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,H3,计算机 1 向
10、计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层,H4,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,
11、3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！,协议是“水平的”，即协议是控制对等层次实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。,协议、服务和服务访问点,服 务 用 户,第 n 层,第 n + 1 层,服 务 用 户,协议、服务和服务访问点,面向连接服务(connection-oriented) 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。无连接服务(connection
12、less) 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。 是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。,面向连接服务与无连接服务,现场总线模型,TCP/IP体系结构,TCP/IP协议是工业标准或“事实标准” TCP/IP协议主要特点 开放的协议标准，可以免费使用 可运行于局域网、广域网和互联网中 统一的网络地址分配方案 标准化的高层协议,TCP/IP 四层协议的表示方法,应用层 传输层 网际层 网络 接口层,主机A,主机B,路由器,网络 2,网络 1,应用层 传输层 网际层 网络 接口层,网际层 网络 接口层,4 3 2 1,O
13、SI 与 TCP/IP的比较,TCP/IP协议栈,OSI与TCP的简单比较,共同点 层次化的结构 OSI的主要问题 定义复杂 实现困难 有些功能在每一层重复出现 效率低下 TCP/IP的主要问题 网络接口层并不是实际的一层 各层的功能定义与实现方法没能区分开来等,开放系统互联参考模型（OSI/RM）,传输介质,传输介质,介质类型连接器类型,传输介质,非屏蔽双绞线和RJ-45连接器,屏蔽双绞线,双绞线ext,传输介质,同轴电缆,同轴电缆连接器类型,同轴电缆ext,同轴电缆ext,基带同轴电缆速率10Mbps，传输距离限制在几公里；而宽带同轴电缆速率几百Mbps，传输距离限制在几十公里。 同轴电缆
14、的抗干扰能力远好于双绞线，适用于工业现场。,传输介质,光纤,光缆连接器类型 ST与SC,光缆,光缆相对铜缆的特性,传输介质,数传电台,卫星通信,OSI模型各层功能物理层,物理层是指在传输介质之上为数据链路层提供一个原始比特流的物理连接。 物理层的传输单位为比特。,物理层,物理层定义了编码的类型、位同步方式、数据传输速率，采用的单工、半双工、全双工传输方式也要在物理层说明。 典型的有EIA-232、EIA-485。,EIA-232-D机械特性,DB25连接器 DB9连接器,EIA-232-D电气特性,EIA-232-D电气特性采用负逻辑。515V，表示逻辑“1”；515V，表示逻辑“0”。,什么
15、是数据？（重要）,各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像等统称为数据。 信号是数据的电子或电磁编码。 信息（Information）是对数据（Data）的解释，数据是信息的载体，信号（Signal）是数据的电子编码。,什么是数据?ext,什么是通信？,通过各种传输介质将信息从一个地点、一个人或一台设备传送到另一个地点、另一个人或设备的过程。 通信的目的是交换信息。,什么是数据通信?,数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制代码形式进行信息交换的过程。 数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、同步等问题。,数据编码,通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。 数字数据的数字信号编码
16、数字数据的模拟信号 编码 模拟数据的数字信号编码,数字数据编码（重点）,将二进制数字数据使用两个电平来表示，形成矩形脉冲信号。 分为不归零码、归零码、差分码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。,不归零码,全宽单极性码：,全宽单极码以高电平（或者有电流）表示数据“1”，以低电平（或者没有电流）表示数据“0”。 CAN总线和DeviceNet采用这种方式。,全宽单极性码,优点： （1）便于逐位仲裁。 缺点： （1）积累直流分量； （2）各位之间的界限不易确定。,不归零码ext,全宽双极性码：,全宽双极码以正电平（或者正向电流）表示数据“1”，以负电平（或者反向电流）表示数据“0”。,全宽双极性码,优
17、点： （1）不积累直流分量。 缺点： （1）各位之间的界限不易确定。,归零码,不归零码都是在一个码元的全部时间内发出信号电平。如果两个码元数据相同（例如都是1），则电平保持不变。 而这种情况下要求区分每个码元的电平就必须对每个码元的占用时间做精确确定。否则，就会带来不同步的问题。,归零码ext,归零码编码方式中，信号电平在一个码元之内都要恢复到零。 可以很方便地确定每个码元的界限和信号电平。,归零码ext,单极性归零码：,归零码ext,双极性归零码：,曼彻斯特编码,每位的中间有一跳变，位中间的跳变既做时钟信号，又作数据信号。 从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。 跳变既作为数据信号
18、标志，也是时钟信号的标志。,曼彻斯特编码ext,差分曼彻斯特编码,它的每一位中间的跳变仅用来提供时钟信息； 二进制数据的取值由每一位开始的边界是否存在跳变而定； 每一位的开始边界有变化代表逻辑“0”，无变化代表逻辑“1”。,数据传输方式,并行传输 串行传输,并行传输,将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输； 可以同时传输一组数据位，每个数据位使用单独一条导线。,串行传输,串行数据传输时，数据一位一位在通信线上传输。 发送端将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输介质到达接收端，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式。,两者比较,串行传输速度要比并行传输慢得多，
19、但易于实现，适合远距离的数据通信。现场总线均采用串行通信的方式。 并行传输速度快，且无需变换，但它需要的传输通道多，主要用于近距离通信。计算机内部的总线结构就是并行通信的例子。,同步（重点）,同步：接收端要按照发送端发送的每个位规定时间来接收数据。 位同步和群同步,同步ext,位同步,使接收端对每一位数据都要和发送端保持准确同步。,位时间的组成,采样点,位时间的组成ext,同步段用于同步总线上的各个节点或设备。在此段内，等待一个跳变沿。 传播段用于补偿网络内的物理延迟时间。 相位缓冲段1和2用于补偿相位边沿的误差。,重同步,在消息帧的随后位中，每当有跳变沿出现，且该跳变落在了同步段之外，就会引
20、起一次重同步。 重同步机制根据跳变沿的位置延长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。,重同步ext,相位误差：跳变沿相对同步段的位置。如果跳变沿处于同步段内，则相位误差为0；如果跳变沿位于采样之前，同步段之后，则相位误差大于0；如果跳变沿位于当前的采样点之后，下一个位的同步段之前，则相位误差小于0。,重同步ext,跳变沿落在了同步段之后采样点之前，为正的相位误差，接收器会认为是一个慢速发送器发送的滞后边沿。,重同步ext,跳变沿落在了采样点之后同步段之前，为负的相位误差，接收器认为一个快速发送器发送的下一个位时间的提前边沿。,位同步自同步法,自同步法是能从数据信号波形中提取同步信号的
21、方法。 典型例子就是著名的曼彻斯特编码，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。,群同步,又称起止同步，异步。 靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的。 在起始位和停止位间，形成一个需传送的字符。 起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位标志该字符传输结束。,群同步传输ext,每个通信节点都有自己的时钟信号； 实现简单，频率的漂移不会积累，对收发器要求较低； PC机的232串口通信方式。,通信线路的工作方式,单工通信 半双工通信 全双工通信,单工通信,单工数据传输只支持数据在一个方向上传输 ，而不进行与此相反方向的传送。,半双工通信,半双工数
22、据传输允许数据在两个方向上传输，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输。,全双工通信,全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。,信号的传输模式,基带传输 载波传输 宽带传输,不采用任何调制措施。 传输速率为010MHz，距离在25km内。,基带传输,载波传输,又称频带传输，将基带信号进行调制后形成的模拟信号送到线路上进行传输的方式。 在发送端和接收端都要设置调制解调器。 适合于长距离的数据传输，如电话网。,宽带传输,将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一个物理信道的不同频段进行传输的方式。 数据传输速率可达0400Mbps。 宽
23、带网可划分为多条基带信道。,数据链路层的基本概念,链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换节点。数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。,物理链路与数据链路,物理链路与数据链路的区别,数据链路层ext,成帧：把比特流分成离散的帧。 流量控制：限制发送方所发出的数据流量，使发送速率不能超过接收方能处理的速率。 差错控制：保证接收到的信息帧正确。,CAN的数据帧,可靠性传输（重点）,差错控制,确认,差错控制,传输出错的原因是数据中的一位或几位因噪声干扰而出错。,差错
24、控制编码,纠错码：利用附加的信息在接收端能够检测和校正一定位数的差错。如海明码。 检错码：利用附加的信息在接收端能够检测出所有的或者是绝大部分的差错。如奇偶校验码和CRC校验码。,奇偶校验码,发送方在发送数据时，首先要将数据中“1”的个数进行统计，确定是奇或偶，并将统计的结果连同数据一同发送给接收方。接收方对收到的数据统计其中的“1”的个数以确定奇偶。 检验方法简单，但检错能力差，一般只用于通信要求较低的场合。,循环冗余校验（CRC校验）,在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端也按照同样的方法产生循环冗余码。 将两个校验码进行比较。 该方法能够检测出大约99.95
25、%的错误，但计算量比较大。,CRC检验,假设要发送的比特序列101100，生成多项式为G(x)=x4+x3+1。 （1）选定生成多项式G(x)=x4+x3+1，序列为11001，最高次幂值为4。 （2）将f(x)乘以24,即将比特序列左移四位，得到1011000000，,举例,举例ext,（3）将序列1011000000用11001来除（使用异或算法，不借位），得余数为1101； （4）将原要发送的数据序列和余数序列合并成为一个实际发送序列进行发送。例中所要发送的实际数据序列为1011001101；,举例ext,（5）接收方收到发来的数据后，将收到的数据序列依然用1 1 0 0 1来除。如果得
26、到的余数为零，说明没有差错；否则说明有错，可以要求发送方重发。,三个国际标准的生成多项式,CRC-12： G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 用于字符长度为6位 CRC-16： G(x)=x16+x15+x2+1 用于字符长度为8位 CRC-CCITT： G(x)=x16+x12+x5+1 用于字符长度为8位,差错控制,数据帧丢失,DF1主从通讯中的超时设置,超时设置,差错控制,重复帧,网络层,规定了网络连接的建立、维持和拆除协议。 通过路由选择，实现系统之间的连接。,传输层,对经过下三层后仍存在的传输差错进 行纠正，进一步提高可靠性。,会话层,建立和管理两个进程间的连接，为两个进程提供对话服务。,提供数据变换服务，协议转换服务， 数据库管理服务。,表示层,应用层,OSI参考模型的最高层。 面向用户，为OSI用户提供各种服务。 如电子邮件、终端电话、分布式数据库等。 如DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP所共用的CIP（通用工业协议）。,各层实现,
