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1、数据通信,什么是通信？,通信就是信息从一处传输到另一处的过程,通信系统的基本组成,发送装置,接收装置,信 道,信 息,发送装置将信息送上信道，信息由信道传送给接收装置。,数据通信原理基本概念及术语,数据信息 具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。,数据通信原理基本概念及术语,传输速率 信道在单位时间内传输的信息量。一般以每秒钟所能够传输的比特数来表示，常记为bps或b/s。,数据通信原理基本概念及术语,传输方式,单工(Simplex)方式 信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式 半双工(Half duplex)方式 信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信
2、方式称为半双工方式，全双工(Full duplex)方式 信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式,数据通信原理基本概念及术语,发送装置,接收装置,单 向 信 道,发送装置,接收装置,单 向 信 道,发送装置,接收装置,双 向 信 道,单工(Simplex)方式,半双工(Half duplex)方式,全双工(Full duplex)方式,数据通信原理基本概念及术语,基带传输、载带传输与宽带传输,计算机中的信息是以二进制形式存在的，这些二进制信息可以用一系列的脉冲信号来表示，所谓基带传输，就是直接将这些脉冲信号通过信道进行传输。 基带传输不适用于远距离数据传输。当传输距离较远时，需要
3、进行调制。用基带信号调制载波之后，在信道上传输调制后的载波信号，这就是载带传输。 如果要在一条信道上同时传送多路信号，各路信号可以不同的载波频率加以区别，每路信号以载波频率为中心占据一定的频带宽度，整个信道的带宽为各路载波信号所分享，实现多路信号同时传输，这就称之为宽带传输。,数据通信原理基本概念及术语,发送装置,接收装置,信 道,基带传输,发送装置,接收装置,信 道,载带传输,发送装置,接收装置,信 道,宽带传输,数据通信原理基本概念及术语,异步传输与同步传输,在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间
4、隔是不确定的。 在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。在这一组数据或一个报文之内不需要启停标志，所以可以获得较高的传输速度。,数据通信原理基本概念及术语,串行传输与并行传输,串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式； 并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。,数据通信原理基本概念及术语,串行传输与并行传输,发送装置,接收装置,串行传输,1 0 0 1 0 1 0 0,并行传输,发送装置,接收装置,1 0 0 1 0 1 0
5、0,数据通信原理二进制数据的表示方法（基带传输）,(1) 信息传输有平衡传输和非平衡传输。平衡传输时，无论0还是1均有规定的传输格式；非平衡传输时，只有1被传输，而0则以在指定的时刻没有脉冲信号来表示。(2) 根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。归零传输是指在每一位二进制信息传输之后均让信号返回零电平；不归零传输是指在每一位二进制信息传输之后让信号保持原电平不变。(3) 根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。单极性是指脉冲信号的极性是单方向的，双极性是指脉冲信号有正和负两个方向。,数据通信原理二进制数据的表示方法（基带传输）,平衡、归零、双极性；平衡、归零、
6、单极性；平衡、不归零、单极性；非平衡、归零、双极性；非平衡、归零、单极性；非平衡、不归零、单极性；,数据通信原理二进制数据的表示方法（载带传输）,数据通信原理数据交换方式,数据交换,线路交换,报文交换,分组交换,虚电路,数据报,报文交换,数据通信原理线路交换方式,数据通信原理报文交换方式,数据通信原理虚电路方法,A,B,Y,X,I,III,II,IV,A,B,Y,X,I,III,II,IV,A,B,Y,X,I,III,II,IV,连接建立,数据传输,连接释放,数据通信原理数据报方法,1,2,4,3,1,2,4,3,4,2,3,4,1,3,1,4,2,4,3,1,1,2,4,3,数据通信原理信道
7、,所谓信道，系指发送装置和接收装置之间的信息传输通路，它包括传输介质和有关的中间设备。,数据通信原理信道（传输介质）,双绞线 同轴电缆 光缆 无线电 红外线 电力线载波,数据通信原理信道（传输特性）,数据通信原理信道（传输特性）,数据通信原理差错控制,差错控制 分散控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，把检错和纠错统称为差错控制。,数据通信原理传输错误,突发错误 突发错误是由突发噪声引起的，其特征是误码连续成片出现。随机错误
8、随机错误是由随机噪声引起的，它的特征是误码与其前后的代码是否出错无关。,数据通信原理可靠性指标,误码率的定义式如下：Pe =出错的码元数传输的总码元数,数据通信原理差错控制方法,垂直奇偶校验,在发送端检错由发送端重发,在接收端校验附加比特根据应答，由发送端重发,水平奇偶校验,矩阵奇偶校验,累加和校验,汉明码校验,循环码校验,其它编码校验,回送比较,回送校验字符,并列传输,重复传输,检错码,纠错码,回送,连发,传输信息冗余,传输方法冗余,在接收端校验附加比特自己纠错,在接收端检错由发送端重发,0,1,0,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,数据通信原理差错控制方法,接收端,发送端,0,0,1
9、,1,1,0,接收端,发送端,0,0,1,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,接收端,发送端,0,0,1,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,数据通信原理差错控制方法,设一组信息的字长是k位，则这组信息可以有2k个状态。如果在信息后面按一定规则附加r个冗余位，则可组成长度为n=k+r的二进制序列，称之为码组。码组共有2n个状态，其中有2k个是有用的状态，即合法信息，其余的是无用的冗余状态，即非法信息。每个状态称为一个码字，这些码字的集合称为分组码，记为(n，k)。k与n的比值称为编码率，用R表示。R越大，有用信息所占的比重就越大，信息的传输效率越高，但信息的
10、冗余度就越小，差错控制的能力就越弱。,数据通信原理差错控制方法,汉明距离 对于两个长度相同的二进制序列来说，它们之间的差别可以用两个序列之间对应位取值的不同来衡量，取值不同的值的个数称为汉明(Hamming)距离，用字母d表示。 例如在前面的例子中，c1=000，c2=111，这两个序列之间的汉明距离为d(c1， c2)=3 在一个分组码中，码字之间的最小汉明距离是很重要的参数，最小汉明距离越大，说明码字之间的差别就越大，一个码字错成另一个码字的可能性就越小。,数据通信原理差错控制方法,000,111,x1,x2,x3,x3x2 x1,001,011,101,100,010,110,数据通信原
11、理差错控制方法,例子：垂直奇偶校验 设发送方要发送单词(world)，按ASCII编码，其代码及校验位如下（采用偶校验）：,数据通信原理差错控制方法,例子：水平奇偶校验 设发送方要发送单词(world)，按ASCII编码，其代码及校验位如下（采用偶校验）：,数据通信原理差错控制方法,例子：矩阵奇偶校验 设发送方要发送单词(world)，按ASCII编码，其代码及校验位如下（采用偶校验）：,数据通信原理差错控制方法,汉明校验 汉明(Hamming)校验是在奇偶校验的基础上发展起来的，汉明校验不像奇偶校验那样仅设置一位校验码，而是设置若干位校验码，其中每个校验位有一定的校验范围。例如，设被传输的数
12、据为x1 (仅1位)，如果采用汉明校验码，则需附加2位校验位，记为xc1、xc2。由于、可以组合成四种状态，故可用其中的一种状态表示无错，其他三种状态分别表示x1 、 xc1 、 xc2出错。具体实现方法如下：将x1和xc1编为一组，记为G，再将x1和xc2编为一组，记为。对每一组都分别进行奇偶校验(在本例中采用偶校验) 。,数据通信原理差错控制方法,汉明校验的编组,数据通信原理差错控制方法,汉明校验的几种情况,(1) G1G=11，说明G1、G两组均发生错误，因此可以判定是x1出错，将取反，就可实现纠错；(2) G1G=10，说明只有G1组发生了错误，因此可以判定是xc1出错，此时是正x1确
13、的，无需纠错；(3) G1G=01，说明只有G组发生了错误，因此可以判定是xc2出错；同理， x1正确，无需纠错；(4) G1G=00，说明G1G色两组均正确传输，没有错误。,数据通信原理差错控制方法,汉明校验应满足的条件,从上述例子中可以总结出汉明校验的能力：若采用r个校验位，则校验位可以组成2r种状态，用其中的一种状态代表无错，用r种状态表示哪一个校验位出错，则还有2r-l-r种状态信息能用于纠错。若被传输的数据为k位，采用汉明校验，所附加的校验位为r，则应满足下式：2r k+r+1,数据通信原理差错控制方法,汉明校验的编码规则如下：,(1)若附加r个冗余校验位，则可以组成r个校验组，分别
14、用G1 ，G2 Gr表示。(2)每位数据必须参加2r个校验组，但组合上不应重复。(3)如果某位出错，必使它所参加的校验组校验出错，例如，若x4参加了G和G组，当G和G校验出错，而其他组的校验正确时，则可判定是x4出错，只要将其取反，即可纠正。,思考：K=2,5,6.对应的r及编组,数据通信原理差错控制方法,数据通信原理差错控制方法,循环冗余校验,循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)是在分散控制系统中应用较多的一种校验方法，图2-l2是CRC方法示意图。 设要发送的数据为D=10101001,此二进制序列可写成：D=27+25+23+20。如以x代替基数2，则其对
15、应的x为基数的多项式为：D(x)=x7+x5+x3+x0 设生成多项式G为（需要满足一定规则）：G(x)=x6+x4+x2+x0,数据通信原理差错控制方法,循环冗余校验,校验码的生成过程如下： (1)设要发送的数据为，把D与G的最高次项相乘得到D(通过移位来实现)；(x7+x5+x3+x0)*x6 (2)用G(生成多项式)除D，(x7+x5+x3+x0)*x6/（x6+x4+x2+x0) (3)将上一步相除后所得的余数作为校验码(即CRC)； (4)将D与余数相加后传输。,数据通信原理差错控制方法,循环冗余校验,在接收端的校验方法如下： (1)用与发送端相同的多项式G去除所接收到的D+余数；(
16、2)如果能除尽，表示无差错；去掉余数后，得到数据;(3)如果除不尽，说明有差错，按一定规则进行纠错或请求重发。,数据通信原理差错控制方法,循环冗余校验,输入数据D,移位D,附加CRCD+余数,产生CRCD/G的余数,CRC校验D+余数/G,判断余数=0？,输出数据D,正确接收余数=0,非正确接收余数0,发送端,接收端,传输,数据通信原理CRC,生成多项式应满足的条件：生成多项式是(xn+1)的(n-k)次因式,例如：n=7, k=3X7+1=(x+1)(x3+x2+1)(x3+x+1)满足条件的多项式由两个：(x+1)(x3+x2+1) = x4+x2+x+1(x+1) (x3+x+1) =
17、x4+x3+x2+1,数据通信原理CRC,32位CRC,X32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,数据通信系统结构概述,通信子网,为了把分散控制系统中的各个组成部分连接在一起，常常需要把整个通信系统的功能分成若干个层次去实现，每一个层次就是一个通信子网。,数据通信系统结构概述,通信子网的特征,通信子网具有自己的地址结构。通信子网相连可以采用自己的专用通信协议。一个通信子网可以通过接口与其他网络相连，实现不同网络上的设备相互通信。,数据通信系统结构概述,DCS中的几种通信,基本控制单元之间的通信中央控制室中的人机联系设备与电子设备室 高
18、层设备之间的通信现场设备和中央控制室设备之间的通信 控制器与I/O卡件之间的通信中央控制室中的人机联系设备与管理计算机之间的通信,数据通信系统结构系统结构一,高 层人机接口,中 央计算机,通 信接 口,通信系统,高 层人机接口,通信接口1,通信接口2,通信接口3,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,厂级子网,控制室子网,机柜子网,数据通信系统结构系统结构二,高 层人机接口,中 央计算机,通信系统,高 层人机接口,通信接口1,通信接口2,通信接口3,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,BCU,厂级子网,后端子网,局部子网,数据通信系
19、统结构拓扑结构,有 源 交换设备,星型,总线型,环形,节点,节点,节点,节点,节点,节点,有源交换设备,节点,节点,节点,节点,节点,节点,无源网络,节点,节点,节点,节点,节点,节点,通信协议概述,通信协议 数据传输过程进行管理的规则被称为协议。,通信协议概述,信号层语言层知识层,通信协议ISO参考模型,物理层：电气和机械特性。邮局中的搬运工人 链路层：链路使用权分配，信息格式，检错纠错方式。邮局中的装拆箱工人。 网络层：信息传输路径选择。邮局中的排序工人 传输层：信息传输任务完成确认。跑邮局的送信职员。会话层：通信任务启动/停止。收寄信、写信封与拆信封的秘书。表达层：信息格式转换。替老板写
20、信的助理 应用层：召唤底层协议为其服务。老板,数据通信原理数据链路层协议,时间分割多路送取法,时间分割多路送取法又称TDMA(Time Division Multiplex Access)法，这种方法用于总线型网络。在网络中有一个总线控制器，它负责把时钟脉冲送到网络中的每个节点上。每个节点有一个预先分配好的时间槽，在给定的时间槽里它可以发送信息。在某些系统中，时间槽的分配不是固定不变而是动态进行的。尽管这种方法很简单，但它不能实现节点对网络的快速送取，也不能有效地处理在短时间内涌出的大量信息。另外，这种方法需要总线控制器。如果不采取一定的冗余措施，总线控制器的故障就会造成整个通信系统的瘫痪。,
21、数据通信原理数据链路层协议,查询法,查询(Polling) 法既可用于总线型网络，也可以用于环型网络。查询法与TDMA法一样，也要有一个网络控制器。网络控制器按照一定的次序查询网络中的每个节点，看看它们是否要求发送信息。如果节点不需要发送信息，网络控制器就转向下一个节点。由于不发送信息的节点基本上不占用时间，所以这种方法比TDMA法的通信效率高。然而，它也存在着与TDMA方法同样的一些缺点：访问速度慢、可靠性差，等等。,数据通信原理数据链路层协议,令牌法,令牌(Token)法用于总线型或环型网络。在这种协议中，令牌是一个特定的信息，例如，用二进制序列11111111来表示。令牌按照预先确定的次
22、序，从网络中的一个节点传到下一个节点，并且循环进行。只有获得令牌的节点才能发送信息。同前两种方法相比，令牌法的最大优点在于它不需要网络控制器，因此可靠性比较高。这种方法的主要问题是，某一个节点故障或受到干扰，会造成令牌丢失。所以必须采用一定的措施来及时发现令牌丢失，并且及时产生一个新的令牌，以保证通信系统的正常工作。令牌法是IEEE802局部区域网络标准所规定的送取协议之一。 。,数据通信原理数据链路层协议,载波监听多路送取/冲突检测法,又称为CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)法。这种方法用于总线型网络
23、，它的工作原理类似一个共用电话网络。打电话的人(相当于网络中的一个节点)首先听一听线路是否被其他用户占用。如果未被占用，他就可以开始讲话，而其他用户都处于受话状态。他们同时收到了讲话声音，但只有与讲话内容有关的人才将信息记录下来。如果有两个节点同时送出了信息，那么通过检测电路可以发现这种情况，这时，两个节点都停止发送，随机等待一段时间后再重新发送。随机等待的目的是使每个节点的等待时间能够有所差别，以免在重发时再次发生碰撞。,数据通信原理数据链路层协议,扩展环型法,扩展环型(Ring Expansion)法仅用于环型网络。当采用这种方法时，准备发送信息的节点不断监视着通过它的信息流，一旦发现信息
24、流通过完毕，它就把要发送的信息送上网络，同时把随后进入该节点的信息存入缓冲器。当信息发送完毕之后，再把缓冲器中暂存的信息发送出去。这种方法的特点是允许环型网络中的多个节点同时发送信息，因此提高了通信网络的利用率。,数据通信原理数据链路层协议,数据通信原理数据链路层协议,总结：,封建式民主式自由式,时间分割/多路送取,查询法,令牌式,载波监听/多路送取/冲突检测,扩展环型,数据通信原理网络层协议,数据链路层（Host-to-Host, Point-to-Point，点到点，物理拓补）网络层（End-to-End ，端到端，逻辑链路）,B,C,A,D,G,F,E,I,J,H,3,12,5,6,2,
25、8,10,2,4,2,6,7,3,1,10,4,3,4,数据通信原理网络层协议,网络层协议主要处理通信网络中的路径选择问题。另外，它还负责子网之间的地址变换。已有的一些标准协议(例如，CCITT X.25)可以支持网络层的通信，然而，由于成本很高，结构复杂，所以在工业过程控制系统中一般不采用具有可选路径的通信网络。比较常用的是具有冗余的总线型或环型网络，在这些网络中不存在通信路径的选择问题，因此网络层协议的作用只是在主通信线路故障时，让备用通信线路继续工作。,数据通信原理传输层和会话层协议,在工业过程控制所用的通信系统中，为了简单起见，常常把传输层和会话层协议合在一起。这两层协议确定了数据传输
26、的启动方法和停止方法，以及实现数据传输所需要的其他信息。 在分散控制系统中，每个节点都有自己的微处理机，它可以独立地完成整个系统的一部分工作任务。为了使整个系统协调工作，每个节点都要输入一定的信息，这些信息有些来自节点本身，有些则来自系统中的其他节点。一般，可以把通信系统的作用看成是一种数据库更新作用，它不断地把其他节点的信息传输到需要这些信息的节点中去，相当于在整个系统中建立了一个为多个节点所共享的分布式数据库。更新数据库的功能是在传输层和会议层协议中实现的。,数据通信原理传输层和会话层协议,三种更新数据库的方法,查询法广播法例外报告法,数据通信原理传输层和会话层协议,查询法,需要信息的节点
27、周期性地查询其他节点，如果其他节点响应了查询，则开始进行数据交换。由其他节点返回的数据中包含了确认信号，它说明被查询的节点已经接收到了请求信号，并且正确地理解了信号的内容。,数据通信原理传输层和会话层协议,广播法,广播法类似于广播电台发送播音信号。含有信息的节点向系统中其他所有节点广播自己的信息，而不管其他节点是否需要这些信息。在某些系统中，信息的接收节点发出确认信号，也有些系统不发确认信号。,数据通信原理传输层和会话层协议,例外报告法,在这种方法中，节点内有一个信息预定表，这个表说明有哪些节点需要这个节点中的信息。当这个节点内的信息发生了一定量的(常常把这个量称为例外死区)变化时，它就按照预
28、定表中的说明去更新其他节点的数据，一般，收到信息的节点要回送确认信号。,数据通信原理高层协议,它们用来实现低层协议与用户之间接口所需要的一些内务操作。高层协议的重要作用之一就是区别信息的类型，并确定它们在通信系统中的优先级。 根据优先级顺序，高层协议可以对信息进行分类，并且把最高优先级的信息首先传输给较低层的协议。要实现这一点是很困难的，在技术复杂性和成本上都存在一定的问题，目前为止，分散控制系统还没有采用具有优先级结构的通信系统。因此，为了使各种信息都能顺利地通过通信系统，并且不产生过多的时间延迟，通信系统中的实际通信量必须远远小于通信系统的极限通信能力。,数据通信原理高层协议,通信系统的优先级结构,(1) 同步信号；(2) 跳闸和保护信号；(3) 过程变量报警；(4) 运行员改变给定值或切换运行方式的指令；(5) 过程变量；(6) 组态和参数调整指令；(7) 记录和长期历史数据存储信息。,
