第六章工业测控计算机网络 61计算机网络概述 6.1.1计算机网络的形成与发展 纵观计算机网络的形成与发展历史,我们大致可以将它划分为四个阶段 第一阶段可以追溯到上世纪50年代。那时,人们开始将彼此独立发展的计算机技 术与通信技术结合起来,对数据通信技术与计算机通信网络进行了研究,为计算机网络 的产生做好了一定的技术准备,奠定了理论基础 第二阶段应该从60年代美国的 ARPANET谈起。 ARPANET是计算机网络技术发展 中的一个里程碑,它的研究成果对促进网络技术的发展起到了重要的作用,并为 Internet 的形成奠定了基础 第三阶段可以从70年代中期谈起。70年代中期国际上各种广域网、局域网与公用 分组交换网发展十分迅速,各个计算机生产商纷纷发展各自的计算机网络系统,但随之 而来的是网络体系结构与网络协议的国际标准化问题。国际标推化组织ISO( iteration Stand ards Organization)在推动开放系统参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工 作,对网络理论体系的形成与网络技术的发展起到了重要的作用 第四阶段要从90年代谈起。90年代网络技术最富有挑战性的话题是 Internet技术。 Internet作为世界性的信息网络,正在当今经济、文化、科学硏究、教育与人类社会生 活等方面发挥着越来越重要的作用 612计算机网络的定义 凡将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统用通信设备和线路连接起来 由功能完善的网络软件实现网络资源共享的系统称为计算机网络。 换句话说,计算机网络既可以用通信线路将几台计算机系统连成简单的网络,实现 信息的收集、分配、传输和处理,也可以将数百台计算机系统,用数千公里的通信线路 连成全国或全球通信网,以实现资源共享。 十算机网络也可以定义为“一个互连的独立计算机的集合”。互连表示计算机之间 有交换信息的能力。互连方式(介质)可以用电缆、光纤、载波、微波、无线和通信卫星 等。独立计算机是指网中互连的计算机是相互独立的。它们之间没有明显的主从关系, 即一个计算机不能强制地启动、中止或控制网中的另一个计算机。所以,带有大量终端 和外部设备的计算机系统并不是一个计算机网络。同样,具有一个控制单元和许多从属 单元的系统也不是一个计算机网络。 6.1.3计算机网络的分类 计算机网络的分类方法可以是多样的.其中最主要的两种方法是 ·根据网络所使用的传输技术分类; 根据网络的覆盖范围与规模分类
- 1 - 第六章 工业测控计算机网络 6.1 计算机网络概述 6.1.1 计算机网络的形成与发展 纵观计算机网络的形成与发展历史，我们大致可以将它划分为四个阶段： 第一阶段 可以追溯到上世纪 50 年代。那时，人们开始将彼此独立发展的计算机技 术与通信技术结合起来，对数据通信技术与计算机通信网络进行了研究，为计算机网络 的产生做好了一定的技术准备，奠定了理论基础。 第二阶段应该从 60 年代美国的 ARPANET 谈起。ARPANET 是计算机网络技术发展 中的一个里程碑，它的研究成果对促进网络技术的发展起到了重要的作用，并为 Internet 的形成奠定了基础。 第三阶段可以从 70 年代中期谈起。70 年代中期国际上各种广域网、局域网与公用 分组交换网发展十分迅速，各个计算机生产商纷纷发展各自的计算机网络系统，但随之 而来的是网络体系结构与网络协议的国际标准化问题。国际标推化组织 ISO(Internation Standards Organization)在推动开放系统参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工 作，对网络理论体系的形成与网络技术的发展起到了重要的作用。 第四阶段要从 90 年代谈起。90 年代网络技术最富有挑战性的话题是 Internet 技术。 Internet 作为世界性的信息网络，正在当今经济、文化、科学研究、教育与人类社会生 活等方面发挥着越来越重要的作用。 6.1.2 计算机网络的定义 凡将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统用通信设备和线路连接起来， 由功能完善的网络软件实现网络资源共享的系统称为计算机网络。 换句话说，计算机网络既可以用通信线路将几台计算机系统连成简单的网络，实现 信息的收集、分配、传输和处理，也可以将数百台计算机系统，用数千公里的通信线路 连成全国或全球通信网，以实现资源共享。 计算机网络也可以定义为“一个互连的独立计算机的集合”。互连表示计算机之间 有交换信息的能力。互连方式(介质)可以用电缆、光纤、载波、微波、无线和通信卫星 等。独立计算机是指网中互连的计算机是相互独立的。它们之间没有明显的主从关系， 即—个计算机不能强制地启动、中止或控制网中的另一个计算机。所以，带有大量终端 和外部设备的计算机系统并不是一个计算机网络。同样，具有一个控制单元和许多从属 单元的系统也不是一个计算机网络。 6.1.3 计算机网络的分类 计算机网络的分类方法可以是多样的．其中最主要的两种方法是 ·根据网络所使用的传输技术分类； ·根据网络的覆盖范围与规模分类
1.根据网络传输技术进行分类 网络所采用的传输技术决定了网络的主要技术特点,因此根据网络所采用的传输技 术对网络进行划分是一种很重要的方法。 (1)广播式网络 在广播式网络中,所有连网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共 享通信信道发送报文分组时,所有其它的计算机都会“收听”到这个分组。由于发送的 分组中带有目的地址与源地址,接收到该分组的计算机将检查目的地址是否是与本节点 地址相同。如果和接收报文分组的目的地址与本节点地址相同,则接收该分组,否则丢 弃该分组。 (2)点到点式网络 与广播网络相反,在点到点式网络中,每条物理线路连接一对计算机。假如两台计 算机之间没有直接连接的线路,那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存 储、转发,直至目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的,因此从 源节点到目的节点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路 由需要有路由选择算法 采用分组存储转发与路由选择是点到点式网络与广播式网络的重要区别之 2根据网络的覆盖范围进行分类 计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类,可以很好地反映不同类型网络的技术 特征。由于网络覆盖的地理范围不同,它们所采用的传输技术也就不同,因而形成了不 同的网络技术特点与网络服务功能。 按覆盖的地理范围进行分类,计算机网络可以分为 局域网LAN( Local area network) 城域网MAN( Metropolitant Area Network) 广域网WAN( Wide Area Network) (1)局域网LAN 局域网用于将有限范围内(如一个实验室、一幢大楼、一个校园)的各种计算机、终端 与外部设备互连成网。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标淮的不同可以分为共 享局域网与交换局域网。‘域网技术发展迅速,应用日益广泛,局域网的持点是组建方 便、使用灵活,是计算机网络中最活跃的领域之一。随着社会信息化的不断发展,为了 更好地发挥网络作用,局域网也可以连接到公共网或广域网上。例如,一个学校的校园 网就可以连接到 InterNet这种广域网上,这样校园网上的用户可以享用广域网上提供的 许多资源.也可以和广域网上的用户通信。 (2)城域网MAN 城市地区网络常简称为城域网。城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网 络。城城网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网 互连的需求,以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。 (3)广域网WAN 广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网覆盖 个国家、地区,或横跨几个洲,形成国际性的远程网络。广城网的通信子网主要使用分 组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换 网,它将分布在不同地区的计算机系统互连起来.达到资源共享的目的
- 2 - 1.根据网络传输技术进行分类 网络所采用的传输技术决定了网络的主要技术特点，因此根据网络所采用的传输技 术对网络进行划分是一种很重要的方法。 (1) 广播式网络 在广播式网络中，所有连网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共 享通信信道发送报文分组时，所有其它的计算机都会“收听”到这个分组。由于发送的 分组中带有目的地址与源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否是与本节点 地址相同。如果和接收报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分组，否则丢 弃该分组。 (2) 点到点式网络 与广播网络相反，在点到点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计 算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存 储、转发，直至目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此从 源节点到目的节点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路 由需要有路由选择算法。 采用分组存储转发与路由选择是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。 2 根据网络的覆盖范围进行分类 计算机网络按照其覆盖的地理范围进行分类，可以很好地反映不同类型网络的技术 特征。由于网络覆盖的地理范围不同，它们所采用的传输技术也就不同，因而形成了不 同的网络技术特点与网络服务功能。 按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为 ·局域网 LAN (Local Area Network) ·城域网 MAN(Metropolitant Area Network) ·广域网 WAN(Wide Area Network) (1) 局域网 LAN 局域网用于将有限范围内(如一个实验室、一幢大楼、一个校园)的各种计算机、终端 与外部设备互连成网。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标淮的不同可以分为共 享局域网与交换局域网。`域网技术发展迅速，应用日益广泛，局域网的持点是组建方 便、使用灵活，是计算机网络中最活跃的领域之一。随着社会信息化的不断发展，为了 更好地发挥网络作用，局域网也可以连接到公共网或广域网上。例如，一个学校的校园 网就可以连接到 InterNet 这种广域网上，这样校园网上的用户可以享用广域网上提供的 许多资源．也可以和广域网上的用户通信。 (2) 城域网 MAN 城市地区网络常简称为城域网。城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网 络。城城网设计的目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网 互连的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。 (3) 广域网 WAN 广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网覆盖一 个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络。广城网的通信子网主要使用分 组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换 网，它将分布在不同地区的计算机系统互连起来．达到资源共享的目的
62局域网技术 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题,也是目前技术发展最快 的领域之一。 621局域网的主要技术特点 随着局域网体系结构、协议标准研究的进展,局域网操作系统的发展,光纤技术的 引入,以及高速局域网技术的发展,局域网技术特征与性能参数发生了很大的变化,早 期对局域网的定义与分类目前已发生了很大的变化。从局域网应用角度看,局域网主要 的技术特点有以下几点 1.局域网覆盖有限的地理范围,它适用于机关、公司、校园、军营、工厂等有限 范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求 2.局域网具有高数据传输速率(10。100M%a)、低误码率的高质量数据传输环境, 数据传输速率高达 I Gbps(1000Mbps)的高速局域网正在发展之中; 3.局域网一般属于一个单位所有,易于建立、维护和扩展 4.决定局域网特性的主要技术要素有三点:网络拓扑、传输介质与介质访问控制 方法; 5.局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类:共享介质局域网与交换局域 网 622局域网拓扑结构 在研究计算机网络组成结构的时候,我们可以采用拓扑学中一种研究与大小形状无 关的点、线特性的方法,即抛开网络中的具体设备,把工作站、服务器等网络单元抽象 为“结点”,把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”。这样,从拓扑学的观点看计算机 网络就变成了点和线组成的几何图形,我们称它为网络的拓扑结构。 在局域网中的结点有两类,一类是只转接和交换信息的转接结点,它包括结点交换 机、集线器和终端控制器等;另一类是访问结点,它包括主计算机和终端等,它们是信 息交换的源结点和目标结点。局域网的拓扑类型较多,基本类型可以分为以下三种:总 线型、星型、环型。 1.总线型拓扑结构 如下图所示,总线型结构网络是将各个结点和一根总线相连。网络中所有的结点都 通过总线进行信息传输,任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输,并被总 线中任何一个结点所接收。在总线型网络中,作为数据通信必经的总线的负载量是有限 度的,这是由通信介质本身的物理性能所决定的。因此,在总线型网络中,总线的长度 有一定的限制,一条总线也只能连接一定数量的结点
- 3 - 6.2 局域网技术 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技术发展最快 的领域之一。 6.2.1 局域网的主要技术特点 随着局域网体系结构、协议标准研究的进展，局域网操作系统的发展，光纤技术的 引入，以及高速局域网技术的发展，局域网技术特征与性能参数发生了很大的变化，早 期对局域网的定义与分类目前已发生了很大的变化。从局域网应用角度看，局域网主要 的技术特点有以下几点： 1．局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、公司、校园、军营、工厂等有限 范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求； 2．局域网具有高数据传输速率(10。100Mt9a)、低误码率的高质量数据传输环境， 数据传输速率高达 1Gbps(1000Mbps)的高速局域网正在发展之中； 3．局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展； 4．决定局域网特性的主要技术要素有三点：网络拓扑、传输介质与介质访问控制 方法； 5．局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类：共享介质局域网与交换局域 网。 6.2.2 局域网拓扑结构 在研究计算机网络组成结构的时候，我们可以采用拓扑学中一种研究与大小形状无 关的点、线特性的方法，即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象 为“结点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”。这样，从拓扑学的观点看计算机 网络就变成了点和线组成的几何图形，我们称它为网络的拓扑结构。 在局域网中的结点有两类，一类是只转接和交换信息的转接结点，它包括结点交换 机、集线器和终端控制器等；另一类是访问结点，它包括主计算机和终端等，它们是信 息交换的源结点和目标结点。局域网的拓扑类型较多，基本类型可以分为以下三种：总 线型、星型、环型。 1．总线型拓扑结构 如下图所示，总线型结构网络是将各个结点和一根总线相连。网络中所有的结点都 通过总线进行信息传输，任何一个结点的信息都可以沿着总线向两个方向传输，并被总 线中任何一个结点所接收。在总线型网络中，作为数据通信必经的总线的负载量是有限 度的，这是由通信介质本身的物理性能所决定的。因此，在总线型网络中，总线的长度 有一定的限制，一条总线也只能连接一定数量的结点
主要特点: (1)网络结构简单灵活,节点的插入、删除都较方便,因此易于网络的扩展。 (2)可靠性髙,由于总线通常用无源工作方式,因此任一个结点故障都不会造成整 个网络的故障。 (3)网络响应速度快,共享资源能力强,便于广播式工作。 (4)设备量少,价格低,安装使用方便。 (5)故障诊断和隔离困难,网络对总线比较敏感。 2.星型拓扑结构 如下图所示,星型结构的网络是以中央结点为中心与各个结点连接组成的。如果 个工作站需要传输数据,它首先必须通过中央结点,中央结点接收各分散结点的信息再 转发给相应结点,因此中央结点相当复杂,负担比其他结点重得多。中央结点目前多采 用集线器(Hub)与其他结点连接。 主要特点: ■(1)网络结构简单,便于管理,控制简单,连网建网都容易,单个节点的故障只 影响一个节点,不会影响全网,因此容易检测和隔离故障。 (2)网络延时时间较短,误码率较低。 (3)节点间的通信必须经过中结点进行转接,对中结点可靠性要求较高,是 全网可靠性的瓶颈。 4)网络共享资源能力较差,通信线路利用率不高,星型拓扑需要大量电缆, 因此布线费用较高。 3环型拓扑结构 如下图所示,环型结构中的各结点是连接在一条首尾相连的闭合环型线路中的。环
- 4 - 主要特点： （1）网络结构简单灵活，节点的插入、删除都较方便，因此易于网络的扩展。 （2）可靠性高，由于总线通常用无源工作方式，因此任一个结点故障都不会造成整 个网络的故障。 （3）网络响应速度快，共享资源能力强，便于广播式工作。 （4）设备量少，价格低，安装使用方便。 （5）故障诊断和隔离困难，网络对总线比较敏感。 2．星型拓扑结构 如下图所示，星型结构的网络是以中央结点为中心与各个结点连接组成的。如果一 个工作站需要传输数据，它首先必须通过中央结点，中央结点接收各分散结点的信息再 转发给相应结点，因此中央结点相当复杂，负担比其他结点重得多。中央结点目前多采 用集线器(Hub)与其他结点连接。 主要特点： ◼ （1）网络结构简单，便于管理，控制简单，连网建网都容易，单个节点的故障 只 影响一个节点，不会影响全网，因此容易检测和隔离故障 。 ◼ （2）网络延时时间较短，误码率较低。 ◼ （3）节点间的通信必须经过中结点进行转接，对中结点可靠性要求较高，是 全网可靠性的瓶颈。 ◼ （4）网络共享资源能力较差，通信线路利用率不高，星型拓扑需要大量电缆， 因此布线费用较高。 3 环型拓扑结构 如下图所示，环型结构中的各结点是连接在一条首尾相连的闭合环型线路中的。环
型网络中的信息传送是单向的,即沿一个方向从一个结点传到另一个结点。由于信息按 固定方向单向流动,两个结点之间仅有一条通路,系统中无通道选择的问题。在环型网 络中,当信息流中的目的地址与环上的某个结点的地址相符时,信息被该结点接收,然 后,根据不同的控制方法决定信息不再继续注下传送或信息继续流向下一个结点,一直 流回到发送该信息的结点为止。因此,任何结点的故障均能导致环路不能正常工作。目 前已有许多解决这些矛盾的办法,如建立双环结构等。 □ 口 环形拓扑结构 主要特点: (1)信息在网络中沿固定方向流动,两个结点间仅有惟一的通路,大大简化了路径选 择的控制。 (2)由于信息是串行穿过多个结点环路接口,所以,当结点过多时,影响传输的效率, 使网络响应时间变长 (3)环路中每一结点的收发信息均由环接口控制,控制软件较简单。 (4)当网络固定后,其延时也确定,实时性强。 (5)在网络信息流动过程中,由于信息源结点到目的结点都要经过环路中各中间节点 所以,任何节点的故障都能导致环路失常,可靠性差。而且由于环路是封闭的,不易扩 展 623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。局 域网常用的传输介质有: 双绞线 同轴电缆 光纤电缆 其余的介质还有无线电、微波和红外线等。 1.双绞线 双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成。一对线可以作为 条通信线路,各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。因为两 条平行的金属线可以构成一个简单的天线,而双绞线则不会。局域网中所使用的双绞线 分为两类 ·屏蔽双绞线 ·非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。非屏蔽双绞线由外部保护层
- 5 - 型网络中的信息传送是单向的，即沿一个方向从一个结点传到另一个结点。由于信息按 固定方向单向流动，两个结点之间仅有一条通路，系统中无通道选择的问题。在环型网 络中，当信息流中的目的地址与环上的某个结点的地址相符时，信息被该结点接收，然 后，根据不同的控制方法决定信息不再继续注下传送或信息继续流向下一个结点，一直 流回到发送该信息的结点为止。因此，任何结点的故障均能导致环路不能正常工作。目 前已有许多解决这些矛盾的办法，如建立双环结构等。 环形拓扑结构 主要特点： （1）信息在网络中沿固定方向流动，两个结点间仅有惟一的通路，大大简化了路径选 择的控制。 （2）由于信息是串行穿过多个结点环路接口，所以，当结点过多时，影响传输的效率， 使网络响应时间变长。 （3）环路中每一结点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单。 （4）当网络固定后，其延时也确定，实时性强。 （5）在网络信息流动过程中，由于信息源结点到目的结点都要经过环路中各中间节点， 所以，任何节点的故障都能导致环路失常，可靠性差。而且由于环路是封闭的，不易扩 展。 6.2.3 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。局 域网常用的传输介质有： ·双绞线 ·同轴电缆 ·光纤电缆 其余的介质还有无线电、微波和红外线等。 1．双绞线 双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成。一对线可以作为 一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。因为两 条平行的金属线可以构成一个简单的天线，而双绞线则不会。局域网中所使用的双绞线 分为两类： ·屏蔽双绞线 ·非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。非屏蔽双绞线由外部保护层