二--工业控制网络技术基础PPT课件.ppt
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1、第二章工业控制网络技术基础1.2.1局域网技术1、局域网的概念所谓局域网,就是存在于局部地区范围内的网络,它所覆盖的地区范围较小。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制,少的可以只有两台,多的可达几百台。一般来说,在企业局域网中,工作站的数量在几十到两百台;在网络所涉及的地理距离上可以是几米至几千米。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内,不存在寻径问题,不包括网络层的应用。2.(1)主要特点:1)一般特点:较小的物理范围以微机为主要联网对象通常属于某个部门和单位价格低廉2)技术特点:具有更高的传输速率(101000Mbit/s)通常多个站共享一个传输介质误码率低具有较低的时延具有高可靠性和安全
2、性、易于扩缩和管理3.(2)基本组成LAN由五个基本部件构成计算机(特别是PC)传输介质网络适配器(网卡)网络连接设备网络操作系统4.(3)IP地址介绍IP地址即互联网地址,Internet地址。它是用来唯一标识互联网上计算机的逻辑地址。IP地址长度是32bits(4个字节),用4个以小数点隔开的十进制整数表示。IP地址由网络号(Network)和主机号(Host)两部分构成。5.子网掩码是个与IP地址相对应的32位数字,掩码可以确定IP地址的网络号、子网号和主机号是如何划分的。掩码为“1”的位,所对应的IP地址部分为网络号和子网号,掩码为“0”的位,所对应的IP地址部分为主机号。掩码的表示与
3、IP地址相同,也用4个点分十进制整数表示,如:255.255.255.0。网关是与主机连在同一个子网的路由器端口的IP地址,不同子网之间的数据转发全靠路由器完成。6.2、局域网拓扑结构计算机网络的组成元素可以分为两大类,即网络节点和通信链路。网络中节点的互连模式叫网络拓扑结构。物理拓扑指连接网络设备的物理线缆的铺设形式拓扑结构通常是指物理拓扑结构逻辑拓扑数据流在物理线缆中传输的形式物理拓扑可能与逻辑拓扑形状不同7.局域网常见的拓扑结构总线、树形、环形、星形(1)星形拓扑结构所有的计算机连到一个中心节点上,中心节点的设备通常由主机或集线器担当。中 央节 点8.星形拓扑的特点物理结构的特点所有站点
4、直接与中央节点相连各站点之间无直接连线站点之间通信必须通过中央节点转发逻辑结构的特点中央节点的处理能力决定了网络的逻辑拓扑如为HUB,网络的逻辑拓扑为总线型如为交换机,则网络的逻辑拓扑为星型9.中央节点为HUB的EthernetHUB逻辑上等效于1、2 发送3、6接收RJ45RJ45站HUB1818v 双绞线介质,收发各用一对线,平衡驱动v 站点与HUB之间采用直连电缆v HUB接收每个站点信息并向其他站转发v 数据充满整个网络,仍为逻辑上的总线v 数据通信具有总线型网络的特点(冲突、竞争信道,收、发规则,共享总线速率等)10.优点:查找故障方便,便于维护和管理个别站点的故障对网络无影响站点进
5、出很自由介质访问方法简单缺点:对中央节点的可靠性和冗余度要求很高11.(2)环形拓扑结构由连接成封闭回路的网络节点组成,每一节点与它左右相邻的节点相连接并最终形成一个“环状”结构。连接特点:通过转发器与单向链路连成环状各站点通过转发器接入环中逻辑拓扑:环形环形拓扑转发器12.通信特点:数据单向传输,同时只能有一个站点发送广播通信方式,数据绕环一周,所有站点都能收到数据传输中需要指定源、目的地址需要某种机制决定谁发送(令牌)需要对发送规则进行监控和管理(令牌管理)需对数据进行插入、接收、删除处理(避免循环)数据在每个站点重新转发,信号强度大环形拓扑转发器13.环网转发器功能对数据波形进行整形、放
6、大对途经的数据进行监听并沿环向下转发(延时理想值为1位)对出环或故障的站点进行旁路,维持环的正常工作1 1位延迟监听/接收发送旁路14.环网的数据传输准备工作数据成帧得到令牌(发送权)传输过程帧途经的转发器判别地址若地址相符:将数据传向所连站点,同时修改有关位(接收信号),并向下转发;若地址不符:则只将数据向下转发发送站边发边监听上行链路数据数据帧绕环一周回到本地:站点吸收本数据帧,同时产生新令牌当令牌在环中传输时:便开始新一轮的传输环形拓扑转发器15.优点:高速运行避免碰撞,结构简单潜在问题:任一转发器或任一段链路故障都将导致网络瘫痪故障查找困难,需要漫游整个网络才能定位故障点新增站点困难,
7、需要新增转发器可能还要重新拉线可靠性要求和转发器的积累时延限制了环的规模需要站点兼任监控站监测环的状态16.(3)总线型拓扑结构一种使用同一介质或电缆连接所有端用户的方式,即连接端用户的物理介质由所有设备共享。总线拓扑数据流逻辑拓扑 总线型17.总线型拓扑结构特点连接特点:所有站点通过搭接头直接与总线相连逻辑拓扑:总线型通信面临的问题:任一站点发送,其他所有站点都能收到;数据传输无方向性需要指明由谁发送(源地址),发给谁(目标地址)多个站点同时发送时,会发生冲突。同时只能一个站点发送一个站点连续发送时间过长,其他站点将不能发送(公平性?)站点只能采用半双工方式18.全双工(FullDuplex
8、)是指在发送数据的同时也能够接收数据,两者同步进行。这好像我们平时打电话一样,说话的同时也能够听到对方的声音。目前的网卡一般都支持全双工。半双工(HalfDuplex),所谓半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生。举个简单例子,一条窄窄的马路,同时只能有一辆车通过,当目前有两辆车对开,这种情况下就只能一辆先过,等到头后另一辆再开,这个例子就形象的说明了半双工的原理。早期的对讲机、以及早期集线器等设备都是基于半双工的产品。随着技术的不断进步,半双工会逐渐退出历史舞台。单工通信是指通信线路上的数据按单一方向传送。19.总线型结构的数据传输A站B站C站站点C C发数据给站点A A接收u传输准备 站
9、点C C将数据组成帧格式,头部含源(C C)、宿地址(A A)站点C C传输之前需先竞争到信道u传输过程C C将帧发出传到B B站,地址不符丢弃传到A A站,地址相符接收20.2.2局域网网络体系结构分层结构的相关术语、概念层与对等层层:一种逻辑划分,功能被明确定义对等层:也叫同层,指互连系统中相同的层实体与对等实体实体:每一层活跃的元素可收发信息的东西(硬、软件均可,如网卡、应用程序等)是实现层功能的主体每一个层可有多个实体21.对等实体对等实体一定成对出现在互连系统的同层中对等实体一定执行相同的协议,能相互通信对等实体之间通信一定是透明的(报文格式、大小一样)不同层的实体不能通信系统B实体
10、A实体B实体C实体A实体B实体C系统An层n-1层对等n层对等n-1层22.服务、接口、协议n层n-1层系统A系统B(n)PDUn协议实体SAP向上层提供的服务服务:下层实体通过层间接口为上层实体提供的通信功能服务访问点:SAP(Service Access Point)相邻层之间交换数据的地方,也叫层间接口每个SAP具有唯一的标识地址每个实体提供多个SAP,供不同的上层协议使用 每个SAPSAP由一个实体提供,一个上层协议可使用多个SAPSAP23.协议:对等实体之间通信时共同遵守的规约。协议具有三要素 语法:信息的格式(由哪几部分组成)语义:信息的含义及控制信息(各部分的具体意义)时序:信
11、息交换的步骤与顺序等PDU(Protocal Data Unit)对等实体间交换的数据单元 (由数据头部和上层数据组成)24.进一步理解协议与服务服务涉及本地系统上下层实体之间的通信(垂直方向)协议涉及互连系统同层实体之间的通信(水平方向)协议独立于服务(可用不同的协议提供同一服务)协议是提供服务的基础,是完成层功能的基础25.OSI参考模型(OS1/RM)OSI:OpenSystemInterconnectionReferenceModel,开放系统互连参考模型OSI模型由ISO提出ISO:InternationalStandardOrganization制定OSI标准的目的:使不同的计算机
12、网络能够互连要求各大公司按照OSI标准制造计算机网络26.OSI七层标准模型通 信 介 质应用层表示层会话层传输层网络层数据连路层物理层应用层表示层会话层传输层网络层数据连路层物理层网络层数据连路层物理层通 信 介 质传输层协议会话层协议表示层协议应用层协议端系统A端系统B27.OSI模型各层功能1、物理层(physical layer)(1)主要作用:实现相邻节点之间比特数据流的透明传送,尽可能屏蔽具体传输介质和物理设备的差异。利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接(物理信道),为数据链路层提供比特流服务。物理层是所有网络的基础,主要关心的问题有:用多少伏特电压表示“1”,多少伏特电压表示
13、“0”;一个比特持续多少微秒;是单工、半双工还是全双工;最初的连接如何建立和完成,通信后连接如何终止网络接插件有多少针以及各针的用途。28.信道的最大带宽;传输介质(例如,是有导线的还是无导线的等);传输方式:是基带传输还是频带传输,或者二者均可;多路复用技术(FDM、TDM和WDM波分多路复用Wave-length Division Multiplexing);等等。(2)物理层的主要功能:物理连接的建立、维持和拆除。实体之间信息的按比特传输。实现四大特性的匹配(机械特性、电气特性、功能特性、规程特性)29.(3 3)物理层标准物理层标准 物理层标准主要任务就是要规定物理层标准主要任务就是要
14、规定DCEDCE设备和设备和DTEDTE设备的接口,包括接口的机械特性、电设备的接口,包括接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。气特性、功能特性和规程特性。DTE 是数据终端设备。数据电路端接设备DCE。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能,并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。DTE通过DCE与通信传输线路相连,如图所示。是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准。30.物理或机械特性:规定了物理或机械特性:规定了DTEDTE和和DCEDCE之间的连接之间的连接器形式,包括连接器形状、几何尺寸、引线数目器形式,包括连接器形状、几何尺寸、引线数目和排列方式
15、等。和排列方式等。电气特性:规定了电气特性:规定了DTEDTE和和DCEDCE之间多条信号线的之间多条信号线的连接方式、发送器和接收器的电气参数及其他有连接方式、发送器和接收器的电气参数及其他有关电路的特征。电气特性决定了传送速率和传输关电路的特征。电气特性决定了传送速率和传输距离。距离。功能特性:对接口各信号线的功能给出了确切的功能特性:对接口各信号线的功能给出了确切的定义,说明某些连线上出现的某一电平的电压表定义,说明某些连线上出现的某一电平的电压表示的意义。示的意义。规程特性:规定了规程特性:规定了DTEDTE和和DCEDCE之间各接口信号线之间各接口信号线实现数据传输的操作过程(顺序)
16、。实现数据传输的操作过程(顺序)。31.物理层标准举例物理层标准举例 EIA RS-232C/V.24EIA RS-232C/V.24接口标准接口标准 RSRS是是RecommendedStandardRecommendedStandard的缩写,即的缩写,即推荐标准。推荐标准。RS-232-CRS-232-C接口标准与国际电报接口标准与国际电报电话咨询委员会电话咨询委员会CCITTCCITT的的V.24V.24标准兼容,标准兼容,是一种非常实用的异步串行通信接口。是一种非常实用的异步串行通信接口。32.RS-232-C RS-232-C 建议使用2525针的D D型连接器DB-25DB-25
17、,但是在微型计算机的RS-232CRS-232C串行端口上,大多使用9 9针连接器DB-9DB-9,如下图所示。33.34.(4 4)常见物理层设备与组件)常见物理层设备与组件 物理传输中存在的主要问题物理传输中存在的主要问题 第一大问题:第一大问题:信号衰减信号衰减 信号衰减限制了信号的传输距离信号衰减限制了信号的传输距离 信号衰减还常常会同时伴随着信号的变形信号衰减还常常会同时伴随着信号的变形 采用信号放大和整形的方法来解决信号衰减及其变采用信号放大和整形的方法来解决信号衰减及其变形问题。形问题。第二大问题:第二大问题:噪声干扰噪声干扰 噪声可能导致信号传输错误,即接收端难以从混杂噪声可能
18、导致信号传输错误,即接收端难以从混杂了较大噪声的信号中提取出正确的数据。了较大噪声的信号中提取出正确的数据。减少噪声的措施,如抵消与屏蔽、良好的端接和接减少噪声的措施,如抵消与屏蔽、良好的端接和接地技术等地技术等35.常见物理组件常见物理组件RJ-45插座 RJ-45头DB-25 到 DB-9 的转换器36.常见物理层设备常见物理层设备 中继器中继器(repeater)(repeater)和集线器和集线器(hub)(hub)功能:连接相同的功能:连接相同的LANLAN网段;对从入口输入的网段;对从入口输入的物理信号进行放大和整形,然后再从出口输出物理信号进行放大和整形,然后再从出口输出(转发)
19、。(转发)。中继器具有典型的单进单出结构。中继器具有典型的单进单出结构。集线器是多端口中继器。集线器常见的端口规集线器是多端口中继器。集线器常见的端口规格有格有4 4口、口、8 8口、口、1616口和口和2424口等。如下图所示:口等。如下图所示:37.数据链路层 主要任务是负责相邻节点之间的可靠传输,通过加强物理层传输原始比特的功能,使之网络层表现为一条无错线路,数据链路层的传输单元为帧。主要关心:(1)成帧与拆帧。以帧(frame)为单位(产生帧、识别帧的边界);(2)差错控制;(3)流量控制(防止高速的发送方的数据将低速的接收方“淹没”)。(4)广播式网络在数据链路层还要处理:如何控制对
20、共享信道的访问。等等。38.数据链路层的主要功能数据链路层的功能是为网络层提供连接服务,并在数据链路连接上传送帧,帧是数据链路层数据的传输单位。一般为网络层提供3种服务:无确认的无连接服务。特点:发送前不建立数据链路连接,需要通信时,发送方的数据链路层即可直接发送任意长的信息,传输时接收方也不应答,出错和数据丢失时也不做处理。适用场合:线路误码率很低或对传送实时性要求很高的场合。有确认的无连接服务。特点:发送前不建立数据链路连接而直接发送数据,接收数据链路层能接收帧,并经校验,如果正确,则返回应答帧;不能接收或接收后校验不正确,则返回否定应答,发送端要么重发,要么暂不发数据。适用场合:不可靠信
21、道的信号传输。39.有确认的面向连接的服务。特点:进行一次数据传送分为3个阶段:数据链路建立、数据帧传送和数据链路的释放。面向连接的服务在数据传送阶段对每个帧都要确认,发送方收到确认后才能发送下一个帧,服务质量好。链路层应具备如下功能:链路连接的建立,拆除,分离。帧定界和帧同步。链路层的数据传输单元是帧,协议不同,帧的长短和界面也有差别,但无论如何必须对帧进行定界。顺序控制,指对帧的收发顺序的控制。链路标识,流量控制。通过引入某种反馈机制完成。40.差错检测和恢复。差错检测多用方阵码校验和循环码校验来检测信道上数据的误码,而帧丢失等用序号检测。各种错误的恢复则常靠反馈重发技术来完成。数据链路层
22、的典型协议是OSI标准协议集中的高级数据链路控制(HDLC)协议。OSI参考模型的数据链路层在IEEE802局域网标准中被分为介质访问控制(MAC)子层与逻辑链路控制(LLC)子层。MAC子层负责解决共享信道的介质访问控制,LLC子层完成通常意义下的数据链路层功能。本层指定拓扑结构并提供硬件寻址。41.网络层 数据链路层协议只能解决相邻两个节点间的数据传输问题,不能解决由多条链路组成通路的数据传输问题。而当数据终端增多时,它们之间有中继设备相连。此时会出现一台终端要求不只是与唯一的一台而是能和多台终端通信的情况,这就是产生了把任意两台数据终端设备的数据链接起来的问题,也就是路由或者叫寻径。网络
23、层的任务就是要选择合适的路由,为传输层提供整个网络范围内两个终端用户之间数据传输的通路。42.网络层数据的传送单位为报文或报文分组。网络层向上层(传输层)提供的服务有两大类,即面向连接的网络服务(虚电路服务)和无连接的网络服务(数据报服务)。虚电路服务传送方式:建立连接数据传输释放连接。分组沿一条网络连接串行前进,收发顺序一致。差错和流量控制由网络负责。适用范围:定对象、长报文、会话型传输。数据报服务传送方式:数据直接发送无需事先连接,各分组可经由不同的中转路径独立传送。排序由传输层完成,差错控制由主机承担。适用范围:需要将一个分组发送到多个目的地。43.网络层应具备以下主要功能:路由选择和中
24、继激活,终止网络连接在一条数据链路上复用多条网络连接,多采取分时复用技术差错检测与恢复排序,流量控制服务选择网络管理44.网络层主要解决的是路由选择和流量控制等问题。路由选择路由选择算法:在网络中源节点和目标节点之间找到一条最佳的或合适的路径。可分为静态路由选择算法(预先配置好)和动态路由选择算法(根据实际情况配置)两大类。流量控制流量是指计算机网络中的通信量。网络的吞吐量随输入负载的增大而下降(即拥塞),吞吐量下降至零时网络瘫痪(即死锁)。流量控制的功能就是要防止网络由于过载而引起网络数据吞吐量下降和时延增加、避免死锁、公平地在相互竞争的用户之间分配资源。45.传输层传输层是两台计算机经过网
25、络进行数据通信时,第一个端到端(即进程到进程)的层次,具有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时,它将服务加以提高,以满足高层的要求;当网络层服务质量较好时,它只用很少的工作。传输层还可进行复用,即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。传输层也称为运输层。传输层只存在于端开放系统中,是介于低3层通信子网系统和高3层之间的一层,是整个协议层次结构的核心。因为它是源端到目的端对数据传送进行控制从低到高的最后一层。46.传输层的功能就是在网络层的基础上,完成端到端的差错纠正和流量控制,并实现两个终端系统间传送的分组无丢失、无重复、无差错、分组顺序正确。传输层屏蔽通信子网间的差异,向上层提供标准完善的服
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