学生用《工业通信与网络技术》课程主要内容李中伟 佟为明619.docx
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学生用《工业通信与网络技术》课程主要内容李中伟佟为明619
《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（ComputerControlSystem）中央控制计算机系统，DCS（DistributedControlSystem）集散控制系统/分散控制系统/分布式控制系统、FCS（FieldbusControlSystem）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：
FFH1，FFHSE，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VAN，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：
PROFINETGB/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（peerentity）。
（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（dataframe）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（TransportControlProtocol）（排序和流量控制）；UDP：
无连接的用户数据报协议（UserDatagramProtocol）；IP：
网络之间互连的协议（InternetProtocol）。
（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。
（4）信号编码：
数字数据、数字信号编码，数字数据、模拟信号编码，模拟数据、数字信号编码，模拟数据、模拟信号编码。
答：
数字数据、数字信号编码：
为二进制数0,1简单地分配不同电平，或通过一定编码机制用不同的脉冲形状、序列表示0,1；数字数据，模拟信号编码：
基于正弦信号三要素：
幅值、频率、相位；模拟数据，数字信号编码：
把模拟数据转换成数字数据（A/D转换）；模拟数据，模拟信号编码：
基于正弦信号三要素：
幅值、频率、相位。
（5）数据传输速率与调制速率（信号传输速率）的区别。
答：
数据信号传输速率（数据率）数据传输的速率，以位每秒为单位，b/s；调制速率（信号传输速率）信号元素电平改变的速率，调制速率或信号传输速率用波特表示，指每秒出现多少个信号元素。
（6）数字数据与数字信号编码方式：
不归零电平、不归零1制、双极性AMI、伪三进制、曼彻斯特、差分曼彻斯特。
要求掌握这些编码方式的基本原理，并能根据已知数字数据画出编码后的波形或相反。
答：
不归零电平：
一个负电平代表一个二进制数1，正电平代表另一个二进制数0，在一个位时间内电平恒定不变（不会回到零电平）；不归零1制：
0被编码为在1位持续时间内无跳变，1被编码为在1位持续时间的起始时刻有跳变；双极性AMI：
使用多于两个的电平，0编码为没有线路信号，1编码为正电平或负电平，连续的1，编码为不断交替的正负电平；伪三进制：
使用多于两个的电平，1编码为没有线路信号，0编码为正电平或负电平，连续的0，编码为不断交替的正负电平；曼彻斯特编码：
每个位时间的中央存在一个跳变跳变，表示了数据和定时机制，低到高跳变表示1，高到低跳变表示0；差分曼彻斯特：
每位中央总有一个跳变，该跳变只提供定时关系，0编码为位时间起始时有跳变，1编码为位时间起始时无跳变；
（7）将数字数据转换为模拟信号的三种基本编码技术：
幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
要求掌握这些编码方式的基本原理，并能识别编码后的波形属于哪类编码方式。
答：
幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）原理如下图所示：
（8）并行传输和串行传输。
答：
并行传输：
同时发送多位；串行传输：
同一时刻发送一位
（9）同步，两种同步技术：
同步传输和异步传输。
答：
同步：
通信双方或多方在数据交换过程中在时间（时序）上保持步调一致；同步传输：
接收器与发送器的位同步，包括：
外同步和内同步；接收器与发送器的帧同步，保证接收器能够区别（判断）一个数据块（数据帧）的开始和结束；
异步传输：
异步传输方式为位起始同步方式，发送器与接收器的同步是在起始位实现的；
（10）单工、半双工和全双工传输的主要特点。
答：
单工传输：
信号只能沿一个方向传输，不能反向；半双工传输：
信号可以双向传输，但同一时刻内只能单向传输；全双工传输：
允许在同一时刻在两个方向进行信号传输。
（11）差错，差错类型：
单个位差错、突发性差错。
答：
差错：
在数字传输系统中，（数据）位在被发送出去之后和被接收到之前的过程中发生了改变；差错类型：
两大类，单个位差错：
只有一位差错孤立的差错状态，不影响邻近的其他位；突发性差错：
连续的B位序列中第一位和最后一位出现差错，以及任意多个中间位出现差错；
（12）差错检测的基本原理，奇偶校验基本原理、循环冗余检验基本原理、采用模2运算和多项式生成帧检验序列（FCS）的计算方法。
答：
差错检测原理：
使用差错检测码检测差错；奇偶校验基本原理：
在数据块的末尾附加奇偶校验位，使整个字符中1的个数为偶数——偶校验，使整个字符中1的个数为奇数——奇校验；循环冗余检验（CRC）原理：
发送器将m位FCS附加在k位数据后面，组成m+k=n位的帧，发送器发送n位帧接收器接收n位帧，并用同样的预先设定的数据对接收到的n位帧进行除法运算若运算结果没有余数（余数为0），就认为没有错误；模2运算：
使用无进位的二进制加法、无借位的二进制减法，即异或（XOR）操作；多项式方法：
将二进制数值表示成一个虚构变量X的多项式，其系数均为二进制数；
（13）差错纠正的基本原理、汉明距离。
答：
差错纠正是通过在传输报文上附加冗余信息完成的；汉明距离：
两个n-bit二进制序列v1和v2之间的汉明距离d（v1,v2）就是v1和v2之间不同位的个数，例如：
v1=011011,v2=110001，那么d（v1,v2）=3；
（14）数据链路层的功能。
答:
向上层（网络层（对OSI），应用层（对多数现场总线））提供服务接口，组帧/拆帧、帧同步，差错检测，差错控制，流量控制，寻址，链路管理；
（15）差错控制、流量控制、发送时间、传播时间。
答：
差错控制：
检测和纠正帧传输过程中出现的差错的机制；流量控制：
确保发送实体发送的数据不会超出接收实体接收数据能力的一种技术，防止接收方的缓存溢出；发送时间：
一个帧的所有位被发送到介质上所需的时间；传播时间：
一个位经过链路从源点到终点所需的时间；
（16）停止等待流量控制和滑动窗口流量控制的基本原理，停止等待流量控制的链路利用率的计算。
答：
停止等待流量控制：
最简单的流量控制形式，源实体发送一个帧，目的实体收到一个帧，并返回对刚刚收到的帧的确认，以表明自己愿意接受另一个帧，源实体发送下一个帧之前必须等待，直到收到确认，目的实体可以通过不发送确认而中止数据流，适合发送比较长的帧；滑动窗口流量控制：
允许一次发送多个帧，提高链路利用率，当发送出数据时，滑动窗口从左边开始收缩，当收到确认时，滑动窗口向右扩展；停止等待流量控制的链路利用率的计算：
U=1/（1+2a），a=RD/VL；
（17）三种自动重传请求（ARQ）：
停止等待ARQ、返回NARQ和选择拒绝ARQ的基本原理。
答：
停止等待ARQ：
发送器发送一个帧，等待ACK，对于损坏的帧，接收器收到差错，丢弃这个帧，对于丢失的帧，接收器不知这个帧已被发送，自然不会返回确认。
针对这种差错，发送器设置定时器：
超时，没有收到确认，重传同一个帧，要求发送器保留发送帧的副本，直至接收到这个帧的确认，ACK损坏，发送器无法辨认，重传；
返回NARQ：
是最常用的基于滑动窗口流量控制的差错控制形式，站点发送的是以某个最大值为模的顺序编号的帧序列，没有收到确认的帧的最大数目取决于窗口大小，无差错时，终点肯定确认（RR=接收就绪或捎带的确认）接收到的帧。
对存在损坏的帧的处理：
B检测到帧i出错，会为该帧发送一个否认（REJ=拒绝）REJi，并且丢弃该帧以及其后接收到的所有帧，直至（原来）有差错的帧被正确地接收到，A接收到REJi后，必须重发（原来）有差错的该帧（帧i）以及之后的所有已发送过的帧；对存在丢失的帧的处理：
A发送的帧i丢失，B不知帧i的存在，暂且不做任何动作。
分两种情况：
（a）A接着发送帧i+1在合理时间内，A接着发送帧i+1，B收到帧i+1后发现次序不对，于是发送一个REJi，A收到REJi后，必须重发帧i以及所有的后续帧。
（b）A并没有立即发送其他帧，A并没有立即发送其他帧，B没有收到帧i以及后续帧，并且B既不返回RR，也不返回REJ，A的定时器会超时，A会发送一个RR帧，其中包含一个称为P位的位，P位的值被置为1，B将这个RR帧中的P位为1解释成一条命令：
要求B必须通过发送一个RR响应信号，来表明自己希望接收到的下一个帧，这里为帧i，A收到B的RR响应后，重发帧i，另一种情况:
A的定时器超时，A也会重发帧i；对存在丢失或损坏的RR的处：
B接收到帧i并发送了RR（i+1），而它在传输时丢失，分两种情况：
（a）A的定时器未超时，因确认是累积的，故在A发送了帧（i+n）（n=1,2,…）后，A有可能会接收到B的下一个帧的RR（RR（i+n+1）），并且这个RR在帧i的定时器超时之前到达。
在这种情况下，A会发送后续帧。
（b）A的定时器超时，A会发送一个RR命令，如2（b）中的情况；A还会设置另外一个定时器，称为P位定时器，B响应这个RR命令，做出相应的行为，如同2（b）中的B的行为；
选择拒绝ARQ：
也叫选择重传ARQ，被重传的只有那些接收到否认的帧或超时的帧，否认称为SREJ，重传帧的数量降低到了最小，终点必须维护一个足够大的缓存，以便保存拒绝帧（SREJ）后收到的帧，终点具有能够按照正确的顺序重新插入重传帧的逻辑，源点也需要具有能够发送失序帧的更为复杂的逻辑；
（18）高级数据链路控制（HDLC）三种数据传送操作方式：
正常响应方式（NRM）、异步平衡方式（ABM）、异步平衡方式（ABM）。
答：
正常响应方式（NRM）：
非平衡配置，主站初始化到从站的数据传送，从站只通过发送数据来响应主站的命令，用于多点线路，多个从站连接到一个主站，主站对每个从站进行轮询并采集数据，有时也用于点对点链路，即一个主站通过链路连接一个从站；
异步平衡方式（ABM）：
平衡配置，两个混合站都能够初始化数据传输，不需要得到对方许可，使用最广泛，没有用于轮询的额外开销，故有效地利用了全双工点对点链路；
异步响应方式（ARM）：
非平衡配置，在主站没有明确允许下，从站能够初始化传输，主站仍对线路全权负责，包括初始化、差错恢复以及链路的逻辑断开，很少被使用，用于从站需要发起传输的某些特殊场合；
（19）高级数据链路控制（HDLC）帧格式/帧结构/帧组成，帧的具体组成及其每一部分的作用。
答：
位填充过程：
在帧的传输起始标志和结束标志之间，每当出现连续的5个1之后，发送器就会插人一个附加的0，接收器在检测到起始标志后，会时刻注意总线位流，一旦发现有连续的5个1的模式出现，就会检查下个位（第6位），若是0，则删除，即恢复原始数据，若是1，且第7为是0，则被认为是标志字段，若第6位和第7位都是1,则接收方指明此时应处于异常终止状态；
（20）HDLC三种类型的帧：
信息帧（I帧）、监控帧（S帧）、无编号帧（U帧）。
答：
信息帧（I帧）：
携带的是向用户传输的数据，使用ARQ机制，故在信息帧中还捎带了流量控制和差错控制数据；监控帧（S帧）：
未使用捎带时提供ARQ机制；无编号帧（U帧）：
提供增补的链路控制，控制字段中前一位或两位用做帧类型的标识；
（21）数据传输常用的三种导向介质，双绞线绞合、绞距、无屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP），单模光纤、多模光纤
答：
双绞线：
由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则的螺线状绞合在一起，包括无屏蔽双绞线（UTP）：
包含一根或多根双绞线缆，通常一起包在一个热塑套管内，没有电磁屏蔽层，容易受外部电磁场干扰；屏蔽双绞线（STP）：
用金属网罩或护皮将双绞线屏蔽起来，以减少干扰；多模光纤：
多个角度发射，多条传播路径，每条路径的长度不同，通过纤维的时间也不同；单模光纤：
一个角度，一条传播路径，长距离传输；
（22）多模突变、多模渐变。
答：
多模突变：
多个角度发射，多条传播路径，每条路径的长度不同，通过纤维的时间也不同；多模渐变：
渐变的折射率呈螺旋状；
第4章基于UART的简单串行通信
（1）UART（通用异步收发器）、异步串行通信字符帧格式。
答：
UART指通用异步收发器，即是采用异步串行通信方式的接口/装置，异步串行通信字符帧格式如下图所示：
（2）EIA/TIA/RS-232最大通信速率和通信距离、信号电平，EIA/TIA/RS-232中DTE与DCE之间的连接、DTE与DTE之间的连接，EIA/TIA/RS-232接口标准的缺点。
答：
EIA-232：
最大通信速率20kbps，通信距离为15m；信号电平（负逻辑）：
逻辑1：
-3V~-15V之间，逻辑0：
+3V~+15V之间；
DTE与DCE之间的连接、DTE与DTE之间的连接分别如下图所示：
EIA/TIA/RS-232接口标准的缺点：
（1）传输距离短。
标准规定的直接连接的最大传输距离仅为15m，远距离程传输时需要使用Modem，而在工业控制应用中往往要求不使用Modem。
（2）单端信号对地传输，信号易受共模噪声干扰。
（3）传输速率低。
标准规定最高传输速率不超过20kbps。
（4）不能用于多点互连系统。
（3）EIA-485是哪些现场总线的物理层的接口标准？
（至少举出3种）
答：
现场总线如：
Modbus、Profibus、Interbus、LonWorks、P-NET、BACnet、BITBus等。
（4）EIA-485最大通信速率和传输距离、信号电平，偏置电阻和终端电阻的作用。
答：
最大通信速率为12Mbps（10m），传输
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