学生用-《工业通信与网络技术》课程主要内容-李中伟-佟为明-2016.6.19

《工业通信与网络技术》课程主要内容第1章概论（1）名词解释：CCS（Computer Control System）中央控制计算机系统，DCS （Distributed Control System）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统、FCS （Fieldbus Control System）现场总线控制系统。

（2）现场总线（Fieldbus）的定义。

答：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。

（3）在现场总线控制系统中，总线设备的主要类型。

答：在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类：变送器／传感器；执行器；控制器；监控／监视计算机；网桥／网关/中继器/集线器/交换机/路由器；其他现场总线设备。

（4）现场总线（系统）的特点。

答：现场通信网络，数字通信网络，开放互连网络，现场设备互连网络，结构与功能高度分散的系统，现场设备的互操作性与互换性（5）现场总线（系统）的优点。

（至少举出5点）答：导线和连接附件大量减少；仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少；设计、安装和调试费用大大降低；维护开销大幅度下降；系统可靠性提高，系统测量与控制精度提高；系统具有优异的远程监控功能；系统具有强大的（远程）故障诊断功能；设备配置、网络组态和系统集成方便自由；现场设备更换和系统扩展更为方便；为企业信息系统的构建创造了重要条件。

（6）现场总线国际标准：IEC61158、IEC62026、ISO11898和ISO11519及其包含的主要现场总线。

答：IEC61158：工业控制系统用现场总线包括：FF H1，FF HSE，ControlNet，Profibus，P-Net，SwiftNet，WorldFIP，Interbus八种。

IEC62026：低压开关设备和控制设备用现场总线（设备层现场总线）包括：DeviceNet ，Seriplex（串行多路控制总线），AS-i（执行器传感器接口），SDS （智能分布系统）。

ISO11898：道路交通工具－数字信息交换－用于高速通信的控制器局域网：高速CAN总线，以125kbit/s～1Mbit/s传送速率进行数字信息交换。

ISO11519：道路交通工具－低速串行数据通信：低速CAN和V AN，速率不大于125kbit/s的低速串行数据通信的一般定义；（7）与IEC61158相应的现场总线中国标准及包含的现场总线类型。

答：GB/T20540-2006：PROFIBUS；GB/Z20541-2006：PROFINET GB/T20171-2006：用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范GB/T19760-2008 ：CC-Link控制与通信网络规范；（8）与IEC62026相应的现场总线中国标准及包含的现场总线类型。

答：GB／T18858.2－2002：AS-i；GB／T18858.3－2002 ：DeviceNet第2章现场总线网络基础（1）网络按传输技术分类可以分为什么网络？按网络尺度分类可以分为什么网络？按网络的拓扑结构分类可以分为什么网络？答：按传输技术分为：点对点网络，广播式网络；按网络尺度分为：个域网，局域网，城域网，广域网，互联网；按网络的拓扑结构分为：星型，环形，总线型，树型，不规则型，完整型；（2）计算机网络的体系结构、对等进程、对等实体答：计算机网络按功能划分成多层结构，同层之间采用协议进行通信，相邻层之间通信使用接口，层和协议的集合称为计算机网络的体系结构；不同机器上构成对应层的实体称为对等进程（peer）；不同机器上同一层的实体叫做对等实体（peer entity ）。

（3）报文、数据包（分组）、帧。

答：第4层和第4层以上的PDU称为报文（message）；第3层的PDU称为数据包或分组（packet）；第2层的PDU称为数据帧（data frame）或帧（frame）。

（4）如何理解服务、接口和协议？答：服务是指某一层向它上一层提供的一组原语（操作）。

服务定义了该层准备代表其用户执行哪些操作，但它并不涉及如何实现这些操作；在每一对相邻层之间的是接口（interface）。

接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务；协议就是定义通信双方同层对等实体之间传输/交换的数据单元的格式和意义的一组规则；（5）SAP、IDU、PDU、SDU、ICI。

答：SAP：服务访问点，IDU：接口数据单元，PDU：协议数据单元，SDU：服务数据单元，ICI：接口控制信息。

（6）面向连接的服务与无连接服务。

答：面向连接的服务：按照电话系统建模的；无连接服务：按照邮政系统建模的，存储-转发交换，直通式交换。

（7）OSI参考模型分为哪7层？TCP／IP参考模型分为哪4层？答：OSI参考模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层；TCP／IP参考模型：主机和传输线路接口，互联网层，传输层，应用层。

（8）TCP、UDP、IP。

答：TCP：面向连接的传输控制协议（Transport Control Protocol）（排序和流量控制）；UDP：无连接的用户数据报协议（User Datagram Protocol）；IP：网络之间互连的协议（Internet Protocol）。

（9）OSI参考模型和TCP／IP参考模型的异同点。

答：共同点：都以协议栈概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立；两个模型中各个层的功能也大致相似；传输层之上的各层都是传输层服务的用户，并且是面向应用的。

不同点：OSI模型中的协议比TCP／IP参考模型的协议具有更好的隐藏性，在技术发生变化时能相对比较容易地替换掉；OSI参考模型产生在协议发明之前，TCP／IP首先出现的是协议；OSI模型有7层，而TCP/IP 模型只有4层；OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信，TCP／IP模型在网络层仅有一种通信模式（无连接），但在传输层支持两种模式，给了用户选择的机会。

（10）服务原语、原语类别、有证实服务、无证实服务。

）答：服务原语定义的是所执行的功能，服务原语的真正形式取决于它的实现方式，过程调用就是服务原语的一个例子；原语类别有：请求，指示，响应，证实；有证实服务：包括请求、指示、响应和证实4个原语；无证实服务：只有请求和指示2个原语。

（11）基本的网络拓扑结构及其主要特点。

答：网络拓扑结构是指网络中节点的互连形式/物理连接形式，物理结构；1）星形拓扑结构的特点为：各个节点直接连接到中心节点；中心节点控制整个网络的通信；任何两个非中心节点之间的通信都要通过中心节点；拓扑结构简单，易于实现，便于管理；网络的中心节点是整个网络性能与可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成整个网络的瘫痪。

2）环形拓扑结构的特点为：相邻站点通过点-点链路连接成闭合环路；环中数据沿一个方向逐站传送；拓扑结构简单，传输延时确定；环中每个站点与相邻站点之间的通信线路都会成为网络可靠性的瓶颈，环中任何一个站点或线路出现故障，都有可能造成网络瘫痪；为了方便站点的加入和撤出环，控制站点的数据传输顺序，保证环的正常工作，需设计复杂的环维护协议。

3）总线型拓扑结构的特点为：所有节点连接到一条作为公共传输介质的总线，以广播方式发送和接收数据；当一个节点利用总线发送数据时，其他节点只能接收数据；若有两个或两个以上的节点同时发送数据时，就可能会出现冲突，造成传输失败；优点是结构简单，缺点是必须解决多节点访问总线的介质访问控制问题。

4）树形拓扑结构的特点为：节点按层次进行连接，数据交换主要在上、下节点之间进行；同层节点之间通常不进行数据交换，或数据交换量比较小；树形拓扑可以看成是星形拓扑的一种扩展。

树形拓扑网络适用于汇集信息。

5）网形拓扑结构的特点为：节点之间的连接是任意的，没有规律，网形拓扑的优点是系统可靠性高；网形拓扑结构复杂，必须采用路由选择算法、流量控制与拥塞控制方法。

（12）介质访问控制方式（MAC）：随机的介质访问控制方式CSMA/CD、受控的介质访问控制方式令牌总线和令牌环；CSMA/CD的基本原理及其三种CSMA坚持退避算法的特点。

答：在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD（载波监听多点访问/冲突检测），在控制访问方式中常用令牌总线、令牌环或称之为标记总线、标记环；载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。

一个站点要发送，首先需监听总线，以判断介质上是否存在其它站的发送信号。

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；三种CSMA坚持退避算法：不坚持CSMA（也叫0坚持CSMA ），1-坚持CSMA ，P-坚持CSMA。

1）不坚持CSMA——介质空闲就发送，介质忙就等待一段随机时间再发送。

利用随机的重传时间来减少冲突的概率。

缺点：即使有几个站点有数据要发送，介质仍然可能处于空闲状态，介质的利用率较低。

2）1-坚持CSMA——介质空闲就发送，介质忙则继续监听；等到总线空闲，立即发送。

如果发生冲突，则等待一段随机时间，重复第一步。

缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

3）P-坚持CSMA——若介质是空闲的，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，继续监听直到介质空闲，重复第一步。

现有n个站点需要发送帧，必须选择P值使nP <1，如果P值选得过于小，则通道利用率又会大大降低。

4）冲突检测：如果有多个站点同时监听到总线空闲并开始发送数据，就会产生冲突。

因此，每个站在发送数据之后，还要继续监听总线，判定是否有其它站也正在向总线上发送数据；一旦发现，便中止发送。

第3章现场总线通信基础（1）频谱、绝对带宽、有效带宽、数据、信号、数字数据、模拟数据、数字信号、模拟信号、模拟传输、数字传输。

答：频谱：信号包含的频率范围；绝对带宽：频谱宽度；有效带宽：通常就叫带宽，信号的绝大部分能量都集中在相当窄的频带范围；数据：传达某种意义或信息的实体；信号：数据的电气或电磁表示方式；（2）数据率和带宽之间的关系、数字传输的优势。

答：假如其它项保持不变，带宽加倍就意味着数据率加倍，信号带宽越受限制，失真就越严重，接收站点接收错误数据的概率也就越大；数字传输主要优势在于：它普遍比传输模拟信号更加便宜，而且比较不易受噪声干扰，主要缺点是，比传输模拟信号更容易受衰减的影响。

（3）传输损伤：衰减和衰减失真、时延失真、噪声；噪声的种类。

答：传输损伤：接收到的信号与发送的信号有差异，包括：衰减和衰减失真，时延失真，噪声；频率越高衰减越严重（衰减失真）；接收到的信号因其不同频率成分在电缆上传播延迟的不同而导致的失真称为时延失真；发送和接收之间的某个地方插入进来的不希望有的信号为噪声，包括：热噪声，互调噪声，串扰，冲击噪声。