第2章 控制网络技术

1/37第2章控制网络技术2.1数据通信技术基础2.1.1数据通信的基本概念1．总线的基本术语（1）总线与总线段从广义来说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。一组设备通过总线连在一起称为“总线段”（BusSegment）。可以通过总线段相互连接，把多个总线段连接成一个网络系统。（2）总线主设备可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”（BusMaster）。也就是说，主设备具备在总线上主动发起通信的能力，又称命令者。2/37第2章控制网络技术（3）总线从设备不能在总线上主动发起通信，只能挂接在总线上，对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备（BusSlaver），也称基本设备。2.1.1数据通信的基本概念（4）控制信号总线上的控制信号通常有三种类型。一类控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。另一类是用于改变总线操作的方式，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。还有一些控制信号表明地址和数据的含义，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。3/37第2章控制网络技术2.1.1数据通信的基本概念（5）总线协议管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”（BusProtocol）。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。2．总线操作的基本内容（1）总线操作总线上命令者与响应者之间的“连结→数据传送→脱开”这一操作序列称为一次总线“交易”（Transaction），或者叫做一次总线操作。（2）总线传送一旦某一命令者与一个或多个响应者连接上以后，就可以开始数据的读写操作规程。4/37第2章控制网络技术（3）通信请求通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。2.1.1数据通信的基本概念（4）寻址寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。（5）总线仲裁总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”（Contention）。为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”（Arbitration）。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。5/37第2章控制网络技术2.1.1数据通信的基本概念（6）总线定时总线操作用“定时”（Timing）信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。（7）出错检测在总线上传送信息时会因噪声和串扰而出错，因此在高性能的总线中一般设有出错码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。（8）容错6/37第2章控制网络技术2.1.2通信系统的结构通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源和信息接收者，发送设备，接收设备，传输介质几部分组成。单向数字通信系统的结构如图2-1所示。信息源编码调制传输介质解调译码接收者发送设备接收设备噪声干扰图2-1数字通信系统的结构7/37第2章控制网络技术2.1.3数据的编码技术计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。这些数据通常以离散的二进制0，1序列的方式表示。码元是所传输数据的基本单位。在计算机网络通信中所传输的大多为二元码，它的每一位只能在1或0两个状态中取一个，这每一位就是一个码元。数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态的，称为模拟数据编码。用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码。8/37第2章控制网络技术2.1.3数据的编码技术采用数字数据编码，在基本不改变数据信号频率的情况下，直接传输数据信号的传输方式，称为基带传输。基带传输可以达到较高的数据传输速率，是目前广泛应用的数据通信方式。1．模拟数据编码模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0，1状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。幅度键控ASK（Amplitude-ShiftKeying）、频移键控FSK（Frequency-ShiftKeying）、相移键控PSK（Phase-ShiftKeying）是模拟数据编码的三种编码方法。9/37第2章控制网络技术公用电话通信信道是典型的模拟通信信道，它是专为传输语音信号设计的，只适用于传输音频（300~3400Hz）的模拟信号，无法直接传输数字信号，但可以通过调制和解调（频带传输）传送数字信号，模拟信道的数据传输结构如图2-2所示。2.1.3数据的编码技术基带脉冲输入基带脉冲输出调制器解调器信道干扰数字信号模拟信号模拟信号数字信号图2-2模拟信道的数据传输结构10/37第2章控制网络技术2.1.3数据的编码技术在传输中，通常采用信道允许的频带范围内某一频率的正（余）弦信号作为载波，调制时根据数据的不同改变信号的特征。如载波信号为：)sin()(tutum其信号特征包括振幅、频率和相角。如果分别采用这三个特征的不同作为不同数据的模拟编码依据，就出现了三种最常见的模拟编码方法如图2-3所示。11/37第2章控制网络技术2.1.3数据的编码技术(a)00110100010幅移键控ASK00110100010频移键控FSK(b)00110100010相移键控PSK(c)图2-3模拟数据编码12/37第2章控制网络技术2.1.3数据的编码技术2．单极性码信号电平是单极性的，如逻辑1用高电平，逻辑0用零电平的信号表达方式，如图2-4和图2-5所示。tA1011010010tA1011010010图2-4单极性非归零码图2-5单极性归零码13/37第2章控制网络技术3．双极性码信号电平为正、负两种极性的。如逻辑1用正电平，逻辑0用负电平的信号表达方式，如图2-6和图2-7所示。At101101001图2-6双极性非归零码tA1011010010图2-7双极性归零码2.1.3数据的编码技术14/37第2章控制网络技术2.1.3数据的编码技术4．归零码（RZ）在每一位二进制信息传输之后均返回到零电平的编码。例如，其逻辑1只在该码元时间中的某段（如码元时间的一半）维持高电平后就回复到低电平，如图2-5和图2-7所示。5．非归零码（NRZ）在整个码元时间内维持有效电平，如图2-4和图2-6所示。6．差分码用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”，电平变化代表“1”，不变化代表“0”，按此规定的码称为信号差分码。根据初始状态为高电平或低电平，差分码有两种波形（相位恰好相反）。显然，差分码不可能是归零码，其波形如图2-8所示。15/37第2章控制网络技术2.1.3数据的编码技术01100101绝对码差分码图2-8差分码差分码可以通过一个JK触发器来实现。当计算机输出为“1”时，JK端均为“1”，时钟脉冲使触发器翻转；当计算机输出为“0”时，JK端均为“0”，触发器状态不变，实现了差分码。根据信息传输方式，还可分为平衡传输和非平衡传输。平衡传输指无论“0”或“1”都是传输格式的一部分；而非平衡传输中，只有“1”被传输，“0”则以在指定的时刻没有脉冲来表示。16/37第2章控制网络技术7．曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）曼彻斯特编码过程与波形如图2-9所示。2.1.3数据的编码技术1001011数据时钟曼彻斯特编码图2-9曼彻斯特编码过程与波形17/37第2章控制网络技术2.1.6计算机网络及其拓扑结构1．计算机网络和网络拓扑由于计算机的广泛使用，为用户提供了分散而有效的数据处理与计算能力。计算机和以计算机为基础的智能设备一般除了处理本身业务之外，还要求与其他计算机彼此沟通信息，共享资源，协同工作，于是，出现了用通信线路将各计算机连接起来的计算机群，以实现资源共享和作业分布处理，这就是计算机网络。计算机网络的种类繁多，分类方法各异。按地域范围可分为远程网和局域网。网络拓扑结构、信号方式、访问控制方式、传输介质是影响网络性能的主要因素。网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式。18/37第2章控制网络技术2.1.6计算机网络及其拓扑结构2．星形拓扑星形拓扑结构如图2-14所示。图2-14星形拓扑结构3．环形拓扑环形拓扑结构如图2-15所示。图2-15环形拓扑结构19/37第2章控制网络技术2.1.6计算机网络及其拓扑结构4．总线形拓扑总线形拓扑结构如图2-16所示。图2-16总线形拓扑结构5．树形拓扑树形拓扑结构如图2-17所示。图2-17树形拓扑结构20/37第2章控制网络技术2.1.7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。网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大，主要特性如下。•物理特性：传输介质物理结构的描述；•传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；•连通特性：允许点-点或多点连接；•地理范围：传输介质最大传输距离；•抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。21/37第2章控制网络技术2.1.8介质访问控制方式通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地点访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD。在控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环，或称之为标记总线、标记环。1．CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。当监听总线状态后，可采用以下三种CSMA坚持退避算法：22/37第2章控制网络技术2.1.8介质访问控制方式第一种为不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。第二种为1—坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。第三种为P—坚持CSMA。假如介质是空闲的，则以P的概率发送，或以（1－P）的概率延迟一个时间单位后重复处理，该时间单位等于最大的传输延迟；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。由于传输线上不可避免的有传输延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。故每个工作站发送信息之后，还要继续监听线路，判定是否有其他站正与本站同时向传输线发送。一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测”。23/37第2章控制网络技术2．令牌（标记）访问控制方式CSMA的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式，令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌（Token）的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。（1）令牌环（Token-Ring）方式（2）令牌传递总线（Token-PassingBus）方式2.1.8介质访问控制方式24/37第2章控制网络技术2.1.9差错控制编码技术差错控制的目的是使用一些方法发现差错并加以纠正，通常采用在信息码元的基础上增加一些冗余码元，冗余码元与信息码元之间存在一定的关系，传输时，将信息码元与冗余码元组成码组（码字）一起传输。2．循环冗余编码（CRC）（1）工作原理CRC码检错能力强，实现容易，是目前应用最广泛的校验方法之一，其工作原理如图2-19所示。发送方接收方发送数据)(xf生成多项式)(xG)()()()()(kxGxRxQxGxxf实际发送：)()(kxRxxfk)(xxf)(xR发送接收数据)(xf生成多项式)(xG)()()()()(kxGxRxQxGxxf)()(xRxR接