网络控制技术及应用重点.docx

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网络控制技术及应用重点

第一章

现代用于信息交流的三大网络是电信网、电视网、计算机网络。

计算机网络形成与发展的阶段：

第1阶段计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络雏形。

从严格意义上讲，这时的系统不能算计算机网络，系统中只有一台计算机，终端不具备自主处理能力；第2阶段完成网络体系结构与协议研究，形成计算机网络。

形成ARPA网、公共数据网PDN（PublicDataNetwork）、局部网络LN（LocalNetwork），提出不同的网络体系结构和协议，如IBM的SNA（SystemNetworkArchitecture）、DEC的DNA（DigitalNetworkArchitecture）；第3阶段加速网络体系结构与协议国际标准化的研究与应用。

国际标准化组织ISO于1984年颁布ISO/IEC7498国际标准，即开放系统互联参考模型OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）；第4阶段各种类型的网络全面互联，并向宽带化、高速化、智能化方向发展。

计算机网络的定义：

将地理位置不同并且具有独立功能的多个计算机系统通过通信线路和通信设备相互连接在一起，由网络操作系统网络协议软件进行管理，以实现资源共享和相互通信的系统。

计算机网络建立的主要目的是资源共享。

计算机网络中的计算机具有自治特点。

网络中的计算机都要遵循统一的网络协议。

计算机网络的结构与组成：

从逻辑上可以分为资源子网和通信子网，分别实现数据处理和数据通信两个基本功能。

资源子网是网络中面向数据处理的资源集合，主要由主计算机系统、终端及各种软件资源和数据资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种资源和网络服务。

通信子网是网络中面向数据传输或者数据通信的部分资源集合，包括传输线路、网络通信控制处理机与其他通信设备，主要完成整个网络的数据传输、存储转发等功能。

计算机网络拓扑结构：

星型拓扑结构、环型拓扑结构、总线型拓扑结构、树型拓扑结构、网型拓扑结构。

环型拓扑结构的定义及特点：

每个节点都有输入端口和输出端口，节点间通过线路首尾相接，组成一个闭合的环路。

（1）每个站点接收从一端链路传来的数据，并送到另一端链路，为单向传递。

（2）节点发出的数据带有目的地址，目的节点在转发的同时复制数据，该数据最终回到发送节点。

（3）各节点共享环路信道，需要媒体访问控制策略。

总线型拓扑结构的定义及特点：

有一条被称为总线的公共传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到总线上，它是一个能被总线上所有节点使用的公共信道。

（1）任何站点都可以向总线上发出数据，任何站点都可以接收到数据信号。

（2）节点发出的数据带有目的地址，目的节点复制该数据。

（3）所有站点共享一条传输信道，同一时刻只能由一个节点发送数据。

按照网络覆盖的地理范围分类，计算机网络可分为：

广域网、局域网、城域网。

工业自动化的发展阶段：

第1阶段人工控制阶段——气动信号控制系统（20世纪50年代以前）。

第2阶段模拟控制阶段（20世纪50年代）。

生产规模扩大、多点测控，出现现场仪表与集中控制室；控制理论：

以传递函数作为模型描述方法，以根轨迹、频率法作为基本的分析和综合方法；控制方法：

基本PID控制与串级、前馈控制等；控制仪表：

气动、电动单元组合式仪表，0.02～0.1MPa气压信号、4～20mA直流电流信号、1～5V直流电压信号等模拟信号传送到集中控制室，信号传递困难，变化缓慢，抗干扰能力较差。

第3阶段集中式数字控制阶段——20世纪60年代～70年代中期。

（1）直接数字控制——一台计算机替代一组模拟控制器，实时采集生产过程被控参数的信息，按照控制算法运算后，控制执行器。

（2）集中型计算机控制——一台计算机取代控制室的所有仪表，并实现生产调度和工厂管理的部分功能。

（3）分层计算机控制——过程现场控制与集中显示操作相分离。

第4阶段集散控制系统（DCS）阶段——20世纪70年代中期。

集中与分散相结合；总体逻辑结构上是一个分支型结构，分为过程控制级、控制管理级和生产管理级。

体现了管理的集中性和控制的分散性，把控制功能分散到若干台控制站，在监控操作站进行集中监视操作。

第5阶段现场总线控制系统阶段——20世纪80年代中后期。

全分布式测控系统；沟通生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层之间的关系；双向通信全双工数字智能仪表，传输信号数字化；产品互换性和互操作性。

国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义：

安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

现场总线的技术特点：

（1）现场通信网络。

现场总线将通信线（总线电缆）延伸到工业现场（制造或过程区域），或总线电缆就是直接安装在工业现场的；现场总线完全适应于工业现场环境。

（2）数字通信网络。

现场底层的变送器／传感器、执行器、控制器之间的信号传输均用数字信号；中／上层的控制器、监控／监视计算机等设备之间的数据传送均用数字信号；各层设备之间的信息交换均用数字信号。

（3）开放互连网络。

现场总线标准、协议／规范是公开的，所有制造商都必须遵守；现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层网络互连，而不管其制造商是哪一家；用户可共享网络资源。

（4）现场设备互连网络。

用一根通信线直接互连N个现场设备。

（5）结构与功能高度分散的系统。

（6）互操作性与互换性网络。

互操作性：

不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可统一组态；互换性：

不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。

现场总线的优点：

现场总线所具有的现场适应性、数字化、开放性、分散性、设备互联性、互操作性与互换性等特点决定和派生了其一系列优点。

（1）导线和连接附件大量减少。

（2）仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少。

（3）设计、安装和调试费用大大降低。

（4）维护开销大幅度下降。

（5）系统可靠性提高。

（6）系统测量与控制精度提高。

（7）系统具有优异的远程监控功能。

（8）系统具有强大的（远程）故障诊断功能。

（9）设备配置、网络组态和系统集成方便自由。

（10）现场设备更换和系统扩展更为方便。

（11）为企业信息系统的构建创造了重要条件。

1989年Profibus成为德国现场总线国家标准。

1990年FIP成为法国国家标准。

目前，IEC公布的现场总线标准为IEC61158。

第二章

通信的三个要素：

信源、信宿和信道。

通信系统的任务是把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。

信息、数据和信号的定义及三者的关系：

信息是事物运动的状态和运动状态改变的方式，是认识主体所感知或表述事物运动状态的方式。

数据是传递信息的载体，是事物的表示形式。

信息则是数据的内容或解释。

信号是数据在传输过程中的表现形式，即数据的物理量编码，数据以信号的形式传播。

信道：

信号传输的通路，也叫物理信道，由发送数据和接收数据的设备以及二者间的传输介质组成。

在物理信道的基础上，只考虑发、送双方的通路关系，叫做逻辑信道。

信道带宽：

信道上能够传送信号的最大频率范围，即信道可传信号的最高频率与最低频率之差。

当信号带宽大于信道带宽时，信号就不能在该信道上正确传输，或信号失真。

比特率：

数据传输的位速率（bps，b/s）。

码元：

时间轴上的一个信号编码单元。

波特率：

信号码元的传输速率（l/s，baud）。

信道容量：

信道的最大传输速率，指一个信道在传输差错率趋于零的情况下可能传输最大信息量的能力。

用单位时间内最大可传送信息的比特数表示。

基带传输：

在数字通信信道上直接传输数据基带信号的传输方法。

频带传输：

将基带信号进行调制，再通过带通型模拟信道传输调制后的信号，接收方通过解调得到原来的基带信号的传输方法。

信源编码：

在数据通信系统的终端设备中将原始的信息转换成用代码表示的数据的过程。

信号编码：

将数据的信源编码形式变换到某一种适合于信道传输的信号形式的过程。

数据的模拟编码方法：

幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying），调幅；频移键控FSK（FrequencyShiftKeying），调频；相移键控PSK（PhaseShiftKeying），调相。

非归零编码NRZ（Non-ReturntoZero）：

二进制数字0、1分别用负电平和正电平来表示。

常用-5V表示1，+5V表示0。

非归零反向编码：

电平发生跳变表示1，不跳变表示0。

信号交替反转码：

用三个电平表示二进制的数据（零、正、负）；二进制数字“0”用无电压状态表示；二进制数字“1”用正脉冲或负脉冲表示，数字“1”脉冲在极性上交替进行。

伪三元码：

用三个电平表示二进制的数据；二进制数字“1”用无电压状态表示；二进制数字“0”用正脉冲或负脉冲表示，数字“0”脉冲在极性上交替进行。

曼彻斯特编码（Manchestercode）：

用电压的变化表示0和1。

规定在每个码元的中间发生跳变：

高→低的跳变——0，低→高的跳变——1。

∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。

∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。

它具有自同步机制，无需外同步信号。

差分曼彻斯特编码（DifferenceManchestercode）：

每一位数据的中间位置也出现电平的跳变，二进制数据并不决定于电平跳变的方向，而是以数据位开始时刻是否出现电平跳变作为编码依据，在数据开始边界发生跳变表示“0”，否则表示“1”。

奈奎斯特定理（采样定理）：

如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。

香农定理：

在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限信息传输速率为C=Blb（1+S/N）。

若要提高系统的传输速率，只有通过提高信道带宽和提高信噪比两种途径。

Nyquist公式和Shannel公式的比较：

C=2Wlog2M，此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。

C=Wlog2（1+S/N），无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。

并行通信：

数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输，每位单独使用一条线路。

通信速度高，不必过多地考虑同步问题，适用于距离较近时的数据通信；距离较远时，增加通信电缆费用。

串行通信：

数据流以串行方式在一条信道上传输。

易于实现，比较便宜，适用于长距离通信；传输速度慢，传输中需考虑同步问题。

数据传输模式（通信方式）——数据流动的方向：

单工通信（simplexcommunication），信道是单向通道；信号只能向一个方向传输，发送端和接收端是固定的。

半双工通信（half-duplexcommunication），信号可以双向传输；两个方向只能交替进行，不能同时进行；通信双方可以是发送端和接收端，但任意时刻一方只能是发送端或接收端。

全双工通信（full-duplexcommunication），信道可以同时进行双向传输；通信双方可以同时是发送端和接收端。

数据交换技术主要讨论通信双方如何通过子网有序地交换数据，可分为线路交换方式和存储转发交换方式。

线路交换：

是指双方在通信时在通信子网中具有一个实际的物理连接，这一物理连接是两者间的专用通信线路。

一旦建立连接就独占线路；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小；线路利用率低。

存储转发：

在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地，分为报文交换和报文分组交换。

多个节点分时共享通信信道，线路利用率高；节点具有路选功能，报文动态得到最佳路径，平滑网络系统通信量；差错控制，提高通信可靠性；实现不同速率转换，不同代码格式转换；具有较大传输延迟；附加信息增加通信设备开销。

报文交换：

整个报文作为一个整体一起发送。

1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。

报文分组交换：

限制数据包的最大长度，将一个长报文分成多个报文分组，在接收端再组合成一个长报文，分为数据报方式和虚电路方式。

1）报文分组短，存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组——速度快；2）转发延时小——适用于交互式通信；3）某个分组出错仅重发该分组——效率高。

数据报方式：

每个数据包的存储、处理、转发都是独立进行的，与原先发送的其他报文分组无关。

1）每个分组中都必须有目的地址和源地址；2）同一报文的不同报文分组可以通过不同的路径，数据传输前不需要建立一条端到端的通路；3）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能；4）可能在到达目的节点时出现报文分组的乱序、重复和丢失。

虚电路方式：

报文分组发送之前，必须建立一条预定的路由连接（逻辑连接），之后报文分组都沿着这条路由传递。

1）除呼叫外，其他分组不必带目的地址、源地址，只需差错控制，不必路由选择，延迟较小；2）到达时不会丢失、重复和乱序；3）每个节点可以建立多条虚电路。

双绞线：

由两根相互绝缘的铜导线按一定规则螺旋绞合在一起构成。

分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。

基带同轴电缆：

一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输。

宽带同轴电缆：

一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器。

多路复用技术：

FDM（频分复用）、WDM（波分复用）、TDM（时分复用）。

频分复用：

物理信道的可用带宽超过单个原始信号带宽时，将物理信道的总带宽划分为多条较小带宽的信道，各信道间保留一个保护频带，每条信道供一对用户使用。

波分复用：

整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。

时分复用：

当传输介质的传输速率超过了传输信号所需的数据传输率时，将传输时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在这一时间片内用户使用信道全部带宽。

竞争的介质访问方法：

ALOHA方法、时间片ALOHA方法、载波侦听多路存取方法（CSMA）、CSMA/CD——带冲突检测的载波监听多点访问。

ALOHA方法：

有数就发，发送后等待应答，无应答延时重发，直至返回应答成功。

（1）任何节点只要有数据就立即发送。

（2）发送节点收到接收节点的应答，即判断为发送成功；未收到接收节点应答，则认为传输出错，重发数据。

（3）一个节点发送数据的同时，其他节点也发送数据，就会出现冲突，接收节点不能正确接收数据，也就不回送应答。

（4）发现传输出错后，发送节点随机延时后重发，直至成功为止。

时间片ALOHA方法：

将信道时间分成相等的时间片，每个时间片等于（或稍大于）一帧数据发送的时间，网上所有节点都使用同一时钟，每个节点只能在每个时间片开始的时刻发起数据传输，冲突重发帧也必须如此。

载波侦听多路存取方法（CSMA）：

（1）工作原理：

发送前监听。

每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。

若有，则此站不能发送，需等待一段时间后重试。

（2）载波监听策略：

非坚持CSMA：

一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。

坚持CSMA：

监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲。

1-坚持CSMA：

一听到信道空闲就立即发送数据；p-坚持CSMA：

听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时间后再发送）。

CSMA/CD——带冲突检测的载波监听多点访问：

发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。

在发送时，边发边继续监听。

若监听到冲突，则立即停止发送。

等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。

CSMA/CD可归结为四句话：

发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。

确定型介质访问控制方法：

令牌总线（IEEE802.4）、令牌环（IEEE802.5）。

令牌总线（IEEE802.4）：

（1）物理上是总线结构，逻辑上是环结构。

（2）每个节点记录本站地址（TS）、前趋站地址（PS）、后继站地址（NS），地址首尾相连，构成封闭的环。

（3）令牌是特殊结构的控制帧，管理节点对总线的访问权，任何节点只有在取得令牌后才能使用公共通信总线发送数据。

令牌持有站交出令牌的条件：

（1）该站没有数据帧等待发送；

（2）该站已发送完所有待发送的数据；（3）令牌持有最大时间到。

特点：

（1）通过令牌协调各节点之间的通信关系；

（2）提供用户对公共通信总线访问的公平性和优先权；（3）总线上介质访问延迟具有确定性。

令牌环（IEEE802.5）：

点到点链路连接，构成闭合环。

令牌环操作：

1）谁可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。

只有拿到令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待。

2）拿到令牌的站将令牌转变成访问控制头，后面加挂上自己的数据进行发送。

3）数据帧通过任何一个站点（除源站点外）时，该站点都要把帧的目的地址和本站地址相比较：

a）如果地址相符合，则将帧拷贝到接收缓冲器，供高层软件处理，同时将帧送回环中；b）如果地址不符合，则直接将帧送回环中。

4）数据循环一周后由发送站回收。

即发送的帧在环上循环一周后再回到发送站时，发送站将该帧从环上移去，同时再放一个空令牌到环上，使其余的站点能获得发送帧的许可权。

实际的信道上存在三类损耗：

衰减、延迟、噪声。

差错控制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。

差错控制方式：

（1）在码组中带有足够的冗余信息，以便在接收后能够发现并自动纠正传输差错，简称为纠错；

（2）在码组中仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，靠重发保证正确传输，简称为检错重发方式。

海明码：

纠错码编码，码组长度、冗余校验位长度、码组中的最大数据位关系：

n：

码组位长度；r：

冗余校验位长度；k：

码组中最大数据位长度。

当数据长度不能满足最大数据位长度值时，可以用固定的数据位填充。

冗余码从左至右依次填充到2j（j=0,1,…,r-1）的位置上，码组中剩余位填充数据位

如果冗余码的位数为r，则存在这样一个（2r-1）行*r列的编码矩阵，矩阵元素等于0或1，并且每一行的元素所组成的二进制编码等于行数的二进制编码。

对于海明纠错码，要求码组数据与这一矩阵相乘满足：

矩阵的乘除运算与普通矩阵的乘除运算一样，加减运算为“异或”运算。

接收方收到数据后，将码组数据与发送方编码时用的编码矩阵相乘，若得到的行矩阵为零矩阵，说明传输正确；否则传输错误，且出错位是这一行的元素所组成的二进制数所对应的数据位。

例：

给出数据（信息）1101的海明码编码、译码和纠错过程

（1）编码长度确定

根据公式，选择：

数据长度k=4;冗余码长r=3；码组长n=7。

（2）计算海明码编码

得到：

P1=1，P2=0，P3=0

海明编码为（1010101）

（3）译码过程

假设接收方接收数据为（1010111）

说明传输出错，（110）2=6

第6位出错。

（4）纠错

将接收到的编码左数第6位取反，恢复出正确数据。

（1010111）→（1010101）

循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）编码：

一种通过多项式除法检测错误的方法。

收发双方约定一个生成多项式G（x）（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G（x）整除。

接收方收到后，用G（x）除多项式，若有余数，则传输有错。

循环冗余校验编码步骤：

（1）将信息码组中的全部k位数据当作一个从Xk-1到X0的二进制多项式系数序列，对应的多项式称为码多项式。

（2）发收双方预先约定好一个处理多项式，称为生成多项式，假设生成多项式是一个r阶多项式。

（3）发送方将信息码组中的k位数据后添加r个0，相应的码多项式变成一个（k+r-1）阶多项式。

（4）将新多项式与生成多项式相除，乘除运算与普通代数多项式的乘除运算一样，加减运算相当于对应系数的异或运算，求得一个（r-1）阶余数多项式。

（最高次Xr-1的系数可以为零）。

（5）将余数多项式的系数作为冗余数据加到原来的k位数据后，构成一个（k+r）位的码组，发送方将这一码组数据发出。

（6）接收方接收到数据后，将数据作为多项式系数形成一个（k+r-1）阶的多项式，并用这一多项式与生成多项式相除，如果余数多项式的系数均为0，则说明传输正确；否则，认为传输出错。

例：

待校验数据1101011011，生成多项式G（x）系数为10011，求发送方发出的比特序列

（1）G（x）系数为10011，则G（x）=x4+x+1,即生成多项式阶数r=4。

（2）数据码后添加4个0，新多项式系数为11010110110000

（3）多项式相除，求余数多项式，多项式的运算实际是系数间的运算：

余数多项式的系数为1110。

（4）传送序列T（x）=11010110111110

第三章

计算机网络的体系结构是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合，也就是计算机网络及其部件所应实现的功能的定义和抽象。

国际标准化组织ISO于1997年成立了专门的机构来研究网络体系结构和网络协议的标准化问题。

不久之后，ISO就提出了开放系统互连参考模型OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）。

开放是指遵循OSI标准的任何系统之间均可通信；系统是指各系统中与互连有关的部分

模型层次划分的原则：

网络各节点都有相同的层次，相同层次具有同样的功能；同一节点内相邻层次间通过接口通信；每一层使用下层提供的服务，并向上层提供服务；不同节点的同等层按照协议实现对等层之间的通信。

在OSI参考模型中，层次越靠上，其与信息处理的关系越密切，层次越靠下，其与通信的关系越密切。

数据单元在OSI参考模型不同的层次中名称也不相同，物理层以比特流方式传输；数据链路层的数据单元称为帧；网络层的数据单元称为数据报文分组；传输层的数据单元称为报文；会话层、表示层、应用层的数据单元统称为数据包。

服务是同一开放系统中相邻层之间的操作，协议则是不同开放系统的对等实体间进行虚通信所必须遵守的规定。

OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务。

为了提供服务，下层把上层的PDU作为本层的数据封装，然后加入本层的头部（和尾部）。

头部中含有完成数据传输所需的控制信息。

这样，数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程。

到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程。

由此可知，在物理线路上传输的数据，其外面实际上被包封了多层“信封”。

但是，某一层只能识别由对等层封装的“信封”，而对于被封装在“信封”内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层，本层不作任何处理。

物理层是OSIRM的最低层，向下是物理设备，物理设备直接与物理传输介质相连接。

通信设备——DTE与DCE：

DTE是数据终端设备，指具有一定数据处理能力和具有发送、接收数据能力的设备，可以是一台计算机，也可以是一个I/O设备。

DCE是数据通信（或电路端接）设备，是介于传输介质与DTE之间的设备，提供信号交换和编码功能，负责建立、维护和释放物理连接，Modem就是典型的DCE。

DTE和DCE之间既有数据信息传输，又有控制信息传输，它们之间的协议就是物理接口协议。

目前所说的物理层协议实际上是物理接口协议，也就是DTE与DCE之间的一组约定。

标准的RS—232C接口定义了25个信号针，常用9针的简化接插件。

RS-232C采用了较高的传输电平，且为双极性、公共地和负逻辑，即规定逻辑“1”状态电平为-15~-5V，逻辑“0”状态电平为+5~+15V，其中-5~+5V用作信号