作者：陈在平
出版社：电子工业出版社
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现场总线及工业控制网络技术试读：
前言
当今社会已经进入信息时代，各类新理论与新技术的发展日新月异，数字化、智能化、网络化等新技术代表着自动控制领域技术发展的主流方向。工业现场总线技术正是促使工业控制系统顺应这一发展要求的重要因素，它的出现标志着自动控制技术领域的又一个新时代的开端，将对该领域的发展产生重要影响。
现场总线不仅是控制技术、网络技术与通信技术的综合体现，也是计算机技术、自动化仪表技术在控制领域的集中运用。现场总线是将自动化最低层的现场控制设备、智能仪表与传感器实现实时控制的通信网络。工业现场总线技术使控制系统向着完全分散化、智能化及网络化的方向发展，使控制技术与计算机网络技术更加紧密地结合在一起。
本书以典型工业现场总线为基线，阐述典型工业现场总线的基本模式，在追踪国内外该领域技术发展的基础上，详细阐述了在国内处于主流地位的若干种工业现场总线的相关理论、技术、应用实例与系统设计等方面的内容，重点介绍Rockwell公司与西门子公司的工业现场总线相关技术与应用及工业控制网络系统的集成技术。
本书以工业现场总线在工程中的实际应用为目标，力争将最新的工业现场总线技术融入本书的各个章节。本书内容丰富翔实，所介绍的相关内容与实例具有很好的示范性，能够较好地满足相关工程技术人员为适应21世纪工业控制技术的应用与发展的要求，特别是对从事自动化、电气工程及其自动化与自动化仪表技术领域的工程技术人员具有重要的参考价值；同时，本书也可作为高等学校相关专业的学生作为教学参考书，以帮助他们开阔视野、拓宽知识面、了解与掌握现场总线应用技术。
本书是作者在多年教学与科研工作的基础上，并借鉴国内外相关领域的专家学者的研究成果撰写完成的，在此衷心感谢书中所引用文献资料的作者与公司。全书共分8章，其中第1、5章由陈在平撰写，第2、8章由郭丹撰写，第3章由梁斌撰写，第4章由张惊雷撰写，第6章由贾超撰写，第7章由张建峰撰写，另外陈在平还撰写了第2、8章的部分内容。此外，杜金利、李沛然、古秀萍等人为本书的完成付出了辛勤的工作。
本书的出版得到了电子工业出版社的大力支持，作者对此表示衷心的感谢。
由于作者水平所限，所涉及的内容可供借鉴的材料又相对较少，加之现场总线技术仍在快速发展之中、新技术不断涌现，书中内容难免会出现以偏盖全、甚至会存在各种缺点或错误，在此恳请读者与同行给予批评指正。编著者2007年12月第1章现场总线概述现场总线技术是自动化领域近年来发展起来的新技术分支，它的出现标志着工业控制领域开始了一个新的时代，由现场总线为通信介质的现场总线控制系统必将逐步取代传统的独立控制系统，成为21世纪自动控制系统的主流发展方向。1.1现场总线与现场总线控制系统1.1.1 现场总线的概念
按照IEC和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。有通信就必然有协议，从这种意义上讲现场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。
现场总线不仅是当今3C技术发展的结合点，也是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术发展的交汇点，是信息技术、网络技术延伸到现场的必然结果。
现场总线不单是通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统逐步取代传统的独立控制系统或集散控制系统，实现智能仪表、通信网络及控制系统的集成。现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络。它遵循ISO/OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议。1.1.2 现场总线控制系统基本结构
现场总线控制系统体系结构如图1-1所示。最底层是Infranet控制网（构成FCS，现场总线控制系统），各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布式控制系统体系结构。网络拓扑结构可以选择总线型、星型、环型等不同形式；通信介质不受限制，可用双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等多种介质。由FCS构成的Infranet控制网很容易与Intranet（企业内部局域网）和Internet（全球信息网）互连，形成一个完整的企业网络3级结构体系。图1-1 现场总线控制系统体系结构1.2现场总线的现状与发展1.2.1 现场总线的标准现状1.IEC/TC65（国际电工委员会第65技术委员会）
1999年年底，IEC通过的现场总线国际标准IEC 61158共有8种类型；2003年有了修订版，将8种类型增加了两种，达到10种类型，其内容如表1-1所示。表1-1 IEC 61158中的现场总线类型2.IECTC17（国际电工委员会第17技术委员会）
IEC 62026有4种现场总线类型，即AS-I（Actuator Sensor-Interface，执行器传感器接口），主要由Siemens公司支持；DeviceNet，主要由Rockwell公司支持；SDS（Smart Distributed System）灵巧式分散型系统，主要由Honeywell公司支持，还有Seriplex（串联多路控制总线）。3. ISO 11898与ISO 11519
ISO（International Standardization Organization，国际标准化组织）是制定国际标准的3个组织之一。
CAN ISO 11898（1Mbps）；
CAN ISO 11519（125kbps）；
CAN主要由德国Robert Bosch公司支持。
综上所述，IEC 61158虽然有10种类型，但类型1、5和9实际上都属于FF，因此可归纳为8种现场总线，加上IEC 62026的4种与ISO的1种共计有13种现场总线国际标准。1.2.2 实时工业以太网的国际标准1.PAS
由于实时工业以太网的技术发展很快，所以IEC/TC65在2002年决定：在2007年开始对现场总线国际标准IEC 61158修订之前，不再增加新的类型，但又考虑到要适应市场的需要和技术的发展，经过相关成员们的投票同意（简单多数赞成票）可将某些成熟的技术规范直接以一种标准化文件PAS（Pubblicly Available Specification）的形式发布，即公共可用规范。
2004年1月在法国召开的IEC会议上，有6种实时工业以太网申请成为PAS，这6种是中国主要由浙大中控支持的EPA（Ethernet for Plant Automation）、德国Beckhoff公司的Ether CAT（Ethernet for Control and Automation Technology）、日本横河的V-Net、日本东芝的Tcnet、欧洲开放网络联合会的IAONA的EPL（Ethernet PowerLink）和法国施耐德的MODBUS-TCP（RTPS）。
2005年2月26日经过投票表决，EPA正式成为IEC的PAS，有效期为两年。2.IEC61784-2
IEC 61784是“与工业控制系统中使用的现场总线有关的用于连续和离散制造的行规（Profile）集”。它描述IEC 61158中规定的“服务”集的子集，该子集用于特定的现场总线系统的通信或基于以太网系统的通信。用这种方法定义的特定的通信行规（CP）被组合在通信行规簇（CPF:Communication Profile Family）中并对应于它们在各自通信系统中的使用情况。
2004年1月IEC/SC65C在法国召开会议，会上规定起草实时以太网标准，即IEC 61784-2。它包括IEC 61158中规定的现场总线在实时以太网应用中的行规（类型1～9）及将要发布的PAS行规，即CPF作为类型10～15。
2005年12月IEC/SC65C在美国召开会议，确定了IEC 61158新版本（第4版）将以现版本（第3版）为基础，加入已成为PAS文件的实时以太网解决方案，作为新的IEC 61158现场总线标准。经过讨论，IEC 61158（第4版）将包括14类现场总线技术，IEC 61784中将包括39种通信行规。
IEC 61158的第4版已被确立为正式的国际标准。1.2.3 现场总线与现场总线控制系统的发展趋势
纵观现场总线的发展历程，今后现场总线的发展可能有以下几个方面的趋势：1．现场总线的国际标准还会增加
现场总线的国际标准还会继续增加，单以IEC 61158为例，由于有IEC 61784-2实时以太网的加入，其标准将会由目前的10种增加到18种，甚至更多。
种类虽多，但却会此消彼长。由于Boeing公司的不积极，Swift Net有可能在标准中被删去，SDS也会“淡出江湖”；而World FIP，过去受到法国大企业Alstom及Schneider等的支持，目前Schneider已有了自己的MODBUS-TCP和MODBUS-RTPS，所以对World FIP的支持力度将会下降；SERCOS（Serial Real Time Communication System）也是一样，Rockwell由于已有了自己的ControlNet/IP，也会减少对它的支持力度；Ethernet PowerLink由于IAONA组织的解散而前途堪忧；而P-Net的前途也有问题。日本三菱的CC-Link则有可能会加入进来成为国际标准。2．实时工业以太网还要发展
基于实时工业以太网的现场总线现在已经初具雏形，如PROFINET、EPA等。当然，目前还不完善，尚待补充，如在供电与防爆场合下应用的措施与产品。最近，PROFINET又有新推出的IOLINK，有了它就可以与其他种现场总线的现场设备衔接，从而有利于PROFINET的集成。3．现场总线的通信安全问题将成为研究热点
安全问题日益得到人们的重视。一是因为恶性事故时有发生。例如，1984年在印度Bhopal的一家美国化工厂的严重事故，除了当场死亡多人，目前活着的人也都有后遗症。二是由于用户的要求。为了避免事故的发生，一般都备有紧急措施，如化工厂的ESD紧急停机（Emergency Shut Down）装置。如果有事故将要发生，需要立即停机以保障安全，所以要求这种装置必须非常可靠。这样，事故虽然被避免了，但从停产到恢复正常生产需要时间，有时还要损失生产过程中的原材料或半成品，也会造成很大的损失。如一个大型乙烯装置停产一天就有可能损失上亿元，而且有的事故通过核查并非停产不可。因此，目前较好解决的办法是采用工作可靠的PLC专门负责管理ESD，为了避免不必要的停机，采用所谓3重化或更多的PLC靠投票表决的方法来处理，如2对1，有两票要停车，那么就马上停，否则采取措施后仍然可以生产而不停机。这种专门的PLC装置已有多个企业可以提供，如Invensys公司旗下的Triconex和HIMA等。这样一来，化工厂的控制系统采用的是DCS，而管理ESD的是PLC，也就是说用户要买两个系统，这样花钱较多，也增加了管理与维护方面的工作量。因此，用户需要只有一套系统的解决方案。
随着技术的进步，目前一些大公司生产的DCS声称已经可以满足用户的要求，但怎样才能使用户相信呢？这就需要有一个标准，而且将之量化以便认证和操作。于是IEC就制定了两个有关功能安全的标准，一个是IEC 61508，它是供制造厂商用的“有关电气、电子及可编程系统功能安全”的标准；还有一个是IEC 61511，是“供设计人员（设计院）、系统集成商与用户用的安全仪表系统（SIS）”的标准。SIS英文名称为Safety Instrumented System，但中文译法引起了争论，有人译为安全仪表系统，但又有人认为应该译为仪表型安全系统，看来最终要由国内标准化部门来审定了。
在量化方面，标准规定：将安全等级分为4级，即SIL1～4，其中SIL4的等级最高，SIL的全名为安全完整性等级（Safety Intergrigy Level），它由每小时发生的危险失效概率来区分（SIL2为≥10-7至＜10-6; SIL3为≥10-8至＜10-7）。
生产过程中所需要的安全等级由专门的工艺公司来评估确定。按照目前的社会生产状况，一般对安全要求比较高的工艺生产过程的ESD（如化工、石油、石化）所需要的安全完整性等级为SIL3。一旦安全等级确定，用于这方面生产过程的仪表与控制系统就必须满足这一安全等级的要求。
为了要证明DCS厂商所生产的产品符合SIL3的标准，一定要由中立的第3方——认证机构，经过测试才能判定。目前在这方面做的比较多的，首推德国的TUV。TUV在中国设有办事机构，需要时，可以直接咨询。
需要说明的是：所有行业的生产过程甚至是化工过程，除了与ESD有关的以外，都没有必要选用SIL3那么高级别的安全设备。现场总线必须保证将具有SIL3的现场设备的信息送往具有SIL3的DCS及操作站（人机接口HMI），因此也必须进行SIL3的认证。例如，PROFI Safe已通过TUV的认证；EPA Safe目前尚处在认证的过程中。
在传输安全信息方面，各种现场总线所采取的方法也不尽相同，有的开辟有专用通道；有的则用软件的办法，使安全信息享有优先权而优先传输。4．无线通信正在崭露头角
工业无线通信像工业以太网一样已经在工业中获得普遍的应用。在现场仪表级应用的实时工业以太网仍在完善之中，无线通信也是一样。目前，在远距通信使用功率较大的电台，经过调制，公用无线电信网（CDPD、CDMA、GSM、GPRS）已经普遍应用。但在现场仪表级，用电池供电的，功率很小的场合及近距离传输的，这些应用尚在开发之中。
目前的状况是：（1）美国Honeywell公司已在2003年推出采用ZigBee无线网络技术的XYR5000系列变送器，但目前只能在美国使用（载波频率问题）。（2）在2006年多国仪器仪表展中，美国Tyco公司已有蓝牙无线传输的电动执行器。（3）欧洲无线工控应用项目（RUNES）。2004年10月至2005年4月欧洲集中25个组织制定了一个名为RUNES，在未来10年内无线技术在工业控制和自动化方面发展应用的开发路线图。其目标是：通过采用无线技术，到2008年将安装成本降低50%，运行成本降低30%；到2014年将安装成本降低80%，运行成本降低50%。（4）无线HART协议正在积极开发之中。HART基金会现已成立无线工作组以制定技术规范，目标是：无线HART协议具有目前有线HART协议能够解决的所有应用。但该基金会不打算采用ZigBee。（5）ISA正在制定SP100的标准。美国仪表学会（ISA）的SP100标准委员会正在制定在自动化和控制环境下实现无线系统的标准SP100。（6）开始制定无线标准IEC。据悉，IEC/TC65已成立了专门的工作组，开始制定用于过程检测与控制的无线标准。（7）据悉，西门子公司已决定将其无线通信部门并入传感器部，加速开发现场仪表间的无线通信。据称，70%的现场仪表都将采用无线通信技术。（8）ABB公司进行了无线通信的评估试验。（9）Invensys已宣布其无线通信在工业应用中的策略。5．现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统
这体现在位于现场的传感器/执行器一级也全部实现数字化、智能化，它们彼此之间及与控制器之间通过现场总线构成工业现场的局域网络，进而连接到上层控制网、管理网甚至互联网，形成一个无所不在的网络系统，信息可以在现场、车间、工厂、公司总部之间自由流动。6．现场总线控制系统的网络结构向简单化的方向发展
早期的MAP模型由7层组成，现在某些公司提出了3层、2层结构自动化，还有的公司甚至提出1层结构，由以太网一通到底。目前，比较达成共识的是3层设备、两层网络的3+2结构。3层设备是位于底层的现场设备，如传感器/执行器及各种分布式I/O设备等；位于中间的控制设备，如PLC、工业控制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。两层网络是现场设备与控制设备之间的控制网及控制设备与操作设备之间的管理网。7．现场总线控制系统大量采用成熟、开放、通用的技术
在管理网的通信协议上，越来越多的企业采用最流行的TCP/IP协议加以太网，操作设备一般采用工业PC甚至普通PC，控制设备则采用标准的PLC或工业控制计算机，等等。1.3现场总线与现场总线控制系统的特点
现场总线是将自动化底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，它遵循ISO/OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议，能够实现双向串行多节点数字通信。现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）的核心是现场总线。FCS是一种全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是将自动化底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连而成的实时网络控制系统，FCS控制层结构如图1-1所示。新一代控制系统由多段高速（H2）或低速（H1）现场总线、各类智能现场仪表设备（包括流量、压力、温度、执行器及辅助单元等）、人机接口（工业PC）、组态软件、监控软件及网络软件等组成。1.3.1 结构特点
现场总线控制系统中的现场设备是智能化的，即现场设备能完全独立自主地完成对运行的监控、管理和保护，无须依赖中央控制室的计算机，彻底实现了分散式控制。现场智能化设备具有数字通信功能，现场模拟信号经过数字化处理后，可以用数字传送方式进行传输，只需一对信号传输线就可将多个现场设备与中央控制计算机相连，并传递多种信息（不同运行物理参数、不同现场设备运行状态、故障信息等）。因此，现场总线控制系统的结构简单，设备间连接导线少，节约了硬件设备和安装维护费用。1.3.2 技术特点（1）系统的开放性现场总线控制系统要求系统中的现场设备对相关标准的一致性、公开性的认同和遵循，使不同国家、不同生产厂商遵从同一标准的设备互连，并通过共同认可的通信协议实现信息的交换。（2）可互操作与互用性现场总线控制系统中互连的现场设备之间信息可以互相交换，实现资源共享，不同生产厂商性能相同或兼容的产品可以相互替换。（3）现场设备功能自治，具有数字通信能力，实现了系统结构高度分散的现场总线控制系统连接的现场设备独立于中央控制计算机完成设备本身的所有功能，包括测量、控制、保护和自诊断，同时还应有数字通信能力。因此，这些设备必须是微机化的智能设备。（4）良好的现场环境适应性现场总线是专为连接各类智能化现场监控设备设计的，因此必须能支持不同现场环境提供的各类通信介质，如双绞线、同轴电缆、电力线及无线介质等。同时，必须具有很强的抗干扰能力，并满足两线制，以实现通信和供电的要求。（5）系统认同ISO/OSI开放系统互连模型标准现场总线控制系统作为一种开放式系统，无论采用自定义总线还是当前流行的各类现场总线，其体系结构都应符合ISO/OSI模型。尽管不同总线模型的分层数可能不同，相应层上的具体协议也可能不同，但对于使用选定总线的现场总线控制系统而言，连接在总线上的各节点智能化设备必须具有相同的体系结构和相同的对等层协议。
由于现场总线的以上特点，特别是现场总线控制系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。1.3.3 与局域网的区别（1）从功能方面比较。现场总线连接自动化底层的现场控制器和现场智能仪表设备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制网络。局域网用于连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信息网络。（2）从实现方式上比较。现场总线可采用各种通信介质，如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤等，实现成本高。第2章现场总线与工业控制网络技术基础现场总线和控制网络将分散的设备构成一个相互可以存取和访问的整体，并完成信息的有效传递和收集，即信息集成。现场总线和控制网络技术本身都属于通信技术的范畴，现场总线系统又被称为计算机领域的局域网，因此，在介绍现场总线和控制网络之前先简述通信、计算机局域网络方面的基础知识。2.1网络与通信技术基础2.1.1 数据通信概念1．基本概念
1）信息（Information）、数据（Data）和信号（Signal）
信息是指有用的知识或消息，网络通信的目的就是为了交换信息。数据是信息的表达方式，可以是数字、文字、声音、图形和图像等多种不同形式。在计算机系统中，统一以二进制代码表示数据的不同形式。当这些二进制代码表示的数据要通过物理介质和器件进行传输时，还需要将其转变成物理信号，信号（Signal）是数据在传输过程中的电磁波表示形式。通常，将数据的表示方式分为数字信号和模拟信号两种。
2）模拟信号与数字信号
作为数据的电磁波表达形式，信号一般以时间为自变量，以表示数据的某个参量如振幅、频率或相位为因变量。并按其因变量对时间的取值是否连续分为模拟信号和数字信号。
模拟信号是指信号的因变量随时间连续变化的信号，如图2-1（a）所示。电视图像信号、语音信号、温度传感器、压力传感器的输出信号及许多遥感遥测信号都是模拟信号。
数字信号是指信号的因变量不随时间连续变化的信号，通常表现为离散的脉冲形式，可表示为X(nT)，如图2-1（b）所示。显然，在数字信号中，因变量取值状态是有限的。计算机数据、数字电话和数字电视的信号都可看成是数字信号。图2-1 模拟信号和数字信号
3）码元
码元是时间轴上的一个信号编码单元。如图2-2所示，其中同步脉冲用于码元的同步定时，识别码元的开始。图2-2 码元示意图
4）数据通信
发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方的过程就称为数据通信。信号可以是离散变化的数字信号，也可以是连续变化的模拟信号，所以与之相对应，数据通信分为模拟数据通信和数字数据通信。模拟数据通信是指在模拟信道上以模拟信号的形式来传输数据；数字数据通信则是指利用数字信道以数字信号的方式来传输数据。
5）信源、信宿和信道
在数据通信中，通常将数据的发送方称为信源，将数据的接收方称为信宿。信源和信宿一般是计算机或其他一些数据终端设备。
为了在信源和信宿之间实现有效的数据传输，必须在信源和信宿之间建立一条传送信号的物理通道，这条通道被称为物理信道，简称信道。信道建立在传输介质之上，但包括了传输介质和附属的通信设备。通常，同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。按传输介质的类型来划分，信道分为有线信道和无线信道；按信道中所传输的信号类型来划分，信道可分为模拟信道和数字信道。2．通信方式
按照字节使用的信道数，数据通信可以分为串行通信和并行通信两种方式，如图2-3所示。显然，采用串行通信方式只需要在收发双方之间建立一条通信信道；采用并行通信方式，收发双方之间必须建立并行的多条通信信道。对于远程通信来说，在同样传输速率的情况下，并行通信在单位时间内所传送的码元数是串行通信的n倍（图2-3中n=8）。由于需要建立多个通信信道，并行通信方式的造价较高；因此在远程通信中，一般采用串行通信方式。串行通信又可根据数据在传输线路上的传输方向，分为单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。图2-3 数据通信方式
如图2-4（a）所示，在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向。只能向一个方向传送的通信信道，只能用于单工通信方式中。
如图2-4（b）所示，在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时刻只能向一个方向传输。可以双向传输信号，但必须交替进行的通信信道，只能用于半双工通信方式中。
如图2-4（c）所示，在全双工通信方式中，信号可以同时双向传送。只有可以双向同时传送信号的通信信道，才能实现全双工通信，当然也可以用于单工或半双工通信。3．数字通信系统的质量指标
1）比特（bit）率S
比特率指单位时间内所传送的二进制序列的位数，度量通信系统每秒传送的信息量，用每秒比特数（bps）表示。S用比特每秒（bps）、千比特每秒（kbps）、兆比特每秒（Mbps）、吉比特每秒（Gbps）等单位来表示。图2-4 串行通信方式
2）波特（Baud）率B
波特率指数字信号经过调制后的传输速率，即每秒传输的脉冲（波形）信号个数（通过信道传输的码元数）。在数据传输过程中，1Baud就表示每秒钟传送一个码元或一个波形。若以T(s)来表示每个波形的持续时间，则调制速率可以表示为：
比特率和波特率之间有下列关系：2S=Blog n式中，n为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二相调制中，n=2，故S=B，即比特率与波特率相等。e
3）误码率P
误码率是指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，又称为“出错率”，其定义式为e式中，N为传输的二进制位的总数；N表示被传错的比特数。
4）信道容量
信道容量一般是指物理信道上传输数据的最大能力，用比特率S表示。数字信道的容量用信道的数据速率表示，而模拟信道的容量用带宽描述。
5）带宽
带宽是指物理信道的频带宽度，即可传送信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹（Hz）、千赫（kHz）和兆赫（MHz）。
6）带宽、数据传输速率和信道容量的关系
带宽和数据传输速率都是用来度量实际传输能力的。带宽一般用来表示传输介质和模拟信道的传输能力，如电话信道的带宽是3 100Hz。而数据传输速率一般表示数字通信系统的传输能力，如百兆以太网的数据传输速率为100Mbps。信道的带宽大，信道容量也大，传输速率相应也高。
7）延迟、抖动、吞吐量和丢包率
· 延迟指将一个比特从一端传输到另一端所花费的时间。
· 抖动指在同一条路由上发送数据包之间的时间差异。
· 吞吐量指网络中发送数据包的速率。
· 丢包率指在发送数据包时丢弃数据包的最高比例。2.1.2 数据传输1．数据传输方式
在网络中，数据有两种传输方式：基带传输和宽带传输。
1）基带传输
基带是一种传输方式。其中，数字信号通过直流脉冲被发送，这种直流形式需要独占电线的容量。因此，基带系统一次仅能传输一个信号或一个信道。
基带系统中的每个设备都共享相同的信道。当基带系统上一个节点在传输数据时，网络中所有的其他节点在发送数据前必须等待该传输结束。基带传输支持双向信号流，意味着计算机能在相同长度的电缆上同时发送和接收信息。
基带传输易受衰减影响，衰减就是一个数字信号从源出发向远处传输时将逐渐损失能量。为了补偿信号损失，基带系统使用中继器再生和放大信号，从而使数据传输的距离能超过电缆的最大段长度。一般来说，基带系统是廉价的，而且安装简单。
2）频带传输
因为基带传输受到距离限制，所以在远距离传输中通常采用模拟通信。利用模拟信道传输二进制数据的方式称为频带传输。为了将数字化的二进制数据转化为适合模拟信道传输的模拟信号，需要选取某一频率范围的正（余）弦模拟信号作为载波，然后将要传送的数字数据“寄载”在载波上，利用数字数据对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制，使载波特性发生了变化，再将变化了的载波送往线路进行传输。
正弦交流信号的载波可以用Asin(2πft+φ)表示，振幅A、频率f和相位φ的变化均会影响信号波形，故振幅A、频率f和相位φ都可作为控制载波特性的参数，又称为调制参数，并由此产生出3种基本的调制方式，3种调制方式的波形如图2-5所示。（1）幅度调制。幅度调制又叫振幅键控（ASK），在幅度调制中，频率和相位为常量，幅度随发送的数据而变化。当发送的数据为“1”时，振幅调制信号的振幅保持某个电平不变，即有载波信号发射；当发送的数据为“0”时，振幅调制信号的振幅为零，即没有载波信号发射。如图2-5所示，可以看出，幅度调制实际上相当于用一个受数字基带信号控制的开关来开启和关闭正弦载波。幅度调制方式易受突发性干扰的影响，不是一种理想的调制方式。图2-5 3种调制方式的波形（2）频率调制。频率调制也叫频率键控（FSK），在频率调制中，振幅和相位为常量，频率为变量。如图2-5所示，数字信号“0”和“1”分别用两种不同频率的波形表示。频率调制实现简单，比幅度调制具有更强的抗干扰性，是一种常用的调制方法。（3）相位调制。相位调制也叫相位键控（PSK），在相位调制中，振幅和频率为常量，通过控制或改变正弦载波信号的相位来表示二进制数据。
3）宽带传输
宽带也是一种传输形式，使用射频（RF）模拟脉冲。其中，信号被调制到不同频率范围。射频模拟脉冲与基带不同，宽带技术不涉及数字脉冲。（1）宽带系统能同时接入几个信道，因而能够比基带系统传输更多的数据。宽带传输能将有线电视带入家庭。有线电视能够传输的数据量至少是一个典型基带系统（如Ethernet系统）传输数据量的25倍。（2）在宽带系统中，信号只能进行单向传输。因此，宽带电缆必须为数据的发送和接收提供独立的电缆。由于大部分有线电视电缆只提供一条电线，若不做任何修改，它将不能用于把数据向外传输。（3）由于要使用一些额外的硬件，宽带传输通常比基带传输昂贵得多。（4）宽带系统能够比基带系统跨越更远的距离。2．数据同步方式
通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步，一方面码元之间要保持同步，另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。实现字符或数据块之间在起止时间上同步的常用方法有异步传输和同步传输两种。
1）异步传输
在异步传输方式中，一次只传输一个字符（由5～8位数据组成）。每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为“0”，占一位时间；停止位为“1”，占1～2位的持续时间。没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位（称空闲位）。接收方根据“1”～“0”的跳变来判断一个新字符的开始，然后再接收字符中的所有位。这种通信方式简单便宜，但每个字符有2～3位的额外开销。
异步传输实现比较容易，但由于每个信息都加上了“同步”信息，因此产生了较多开销。例如，键盘上数字“1”按照8比特位的扩展ASCII编码将发送“00110001”，加上1个起始位和1个停止位，总的传输负载增加了25%。对于数据传输量很大的高速设备来说，25%负荷增值相当严重。
2）同步传输
同步传输时，为使接收方能判定数据块的开始和结束，还需在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧（Frame）。
在同步传输中，所有的设备都使用一个共同的时钟（可由参与通信的设备中的一台产生，也可由外部时钟信号源提供；可以固定频率，也可不规则切换），所有传输的数据位都和这个时钟信号同步，即传输的每个数据位只在时钟信号跳变（上升或下降）之后的一个规定时间内有效。接受方利用时钟跳变来决定什么时候读取一个输入的数据位。
同步传输可用于一个单块电路板元件之间的数据传输，也可用于30～40cm甚至更短距离的数据通信。对于更长距离的数据通信，同步传输代价较高，因为它需要一条额外的线来传输时钟信号，并且容易受到噪声干扰。3．数据调制与编码
数据与信号之间有4种可能的组合来满足数据传输方法的需要。
· 数字数据—数字信号；
· 数字数据—模拟信号；
· 模拟数据—数字信号；
· 模拟数据—模拟信号。
1）数字数据的数字信号编码
数字数据的数字信号传输采用基带传输方式。在基带传输中，数字数据信号的编码方式主要有以下3种，3种数字编码的波形图如图2-6所示。（1）不归零码
不归零码（NRZ, Non Return to Zero）中二进制数字“0”、“1”分别用两种电平来表示。常用-5V表示“1”; +5V表示“0”。该编码机制的缺点是存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，必须使用外同步。图2-6 3种数字编码的波形图（2）曼彻斯特（Manchester）编码
曼彻斯特编码用电压的变化表示“0”和“1”。规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变表示“0”，低→高的跳变表示“1”。因为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。所以曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无须外同步信号。曼彻斯特编码的缺点是需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。（3）差分曼彻斯特（difference Manchester）编码
差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于用码元开始处有无跳变来表示“0”和“1”，码元开始处有跳变表示“0”；码元开始处无跳变表示“1”。
2）数字数据的模拟信号调制
通过调制振幅、频率和相位等载波特性或这些特性的某种组合来对数字数据进行编码。调制方式有振幅键控方式、频率键控方式和相位键控方式3种。
3）模拟数据的数字信号编码
脉冲编码调制（PCM）是波形编码中最重要的方式之一。现在的数字传输系统大多采用这一机制。PCM技术的典型应用是语音数字化。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过3个步骤：采样、量化和编码，PCM转换过程如图2-7所示。（1）采样。模拟信号数字化的第一步是采样，即按一定间隔对语音信号进行采样，将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本。（2）量化。量化是将每个样本舍入到量化级别上。量化之前要规定将信号分为若干量化级，如8级或16级，以及更多的量化级，这要根据精度要求来确定。同时要规定每一级对应的幅度范围。然后将采样所得样本幅值与上述量化级幅值进行比较定级。图2-7 PCM转换过程（3）编码。编码是对每个舍入后的样本进行编码，即用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。目前常用的语音数字化系统中多采用128个量级，需要7位编码。经过编码后，每个样本都用相应的编码脉冲表示。
4）模拟数据的模拟信号调制
模拟数据以模拟信号传输主要有以下两种途径：（1）模拟电信号通过调幅、调频、调相、加压等方式将信号放大后传输；（2）模拟电信号通过转换成无线电波传输。4．多路复用技术
当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽时，就通过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率，这就是所谓的多路复用（multiplexing）。多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道的利用率。特别是在远距离传输时，可大大节省电缆的成本及安装与维护费用。多路复用技术通常有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用等。
1）频分多路复用
频分多路复用（FDM:Frequency Division Multiplexing）如图2-8所示，就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这样，在信道中就可同时传送多个不同频率的信号。频分多路复用技术适用于模拟信号传输。采用频分多路复用时数据在各子信道上是并行传输的。由于各子信道相互独立，故一个信道发生故障时不影响其他信道。
2）时分多路复用
时分多路复用（TDM:Time Division Multiplexing）如图2-9所示，是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片轮流地供多个信号源使用，每个时间片被复用的一路信号占用。这样，当有多路信号准备传输时，一个信道就能在不同的时间片传输多路信号。时分多路复用技术适用于数字信号传输。图2-8 频分多路复用图2-9 时分多路复用
3）波分多路复用
波分多路复用（WDM:Wave Division Multiplexing）如图2-10所示，是频率分割技术在光纤介质中的应用，它主要用于全光纤网组成的通信系统中。所谓波分多路复用是指在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波的复用技术。通过WDM，可使原来在一根光纤上只能传输一个光载波的单一光信道，变成可传输多个不同波长光载波的光信道，使得光纤的传输能力成倍地增加，也可以利用不同波长沿不同方向传输来实现单根光纤的双向传输。图2-10 波分多路复用2.1.3 数据交换技术
数据交换是指按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在交换型通信网络中，从一个站进入网络的数据通过从节点到节点的交换，被选径送往目的地。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。3种数据交换技术如图2-11所示。图2-11 3种数据交换技术1．电路交换
电路交换就是在两个用户要进行通信时，首先建立一条临时的专用线路，用户通信时独占这条线路，不与其他用户共享，直到通信一方释放这条专用线路。电路交换有3个步骤，即建立电路、数据传送和切断电路。电路交换的特点是：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。2．报文交换
传输非及时性的数字数据，中转节点可先把收到的信息存储起来，等到信道空闲时再把信息转发给下一个节点，这样经过多个中转节点的存储转发，最后到达目标节点。这种交换方式称为存储转发或存储交换。报文交换是以报文为单位进行存储交换的技术。报文交换的缺点是：报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文需全部重发。3．分组交换
分组交换方式中，首先把要传输的报文分成若干个小的数据块，称为分组，然后以分组为单位按照与报文交换同样的方法进行传输，数据传输前不需要建立一条端到端的通路。分组交换具有以下优点：存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组，速度快；转发延时小，适用于交互式通信；某个分组出错仅重发该分组，效率高；各分组可通过不同路径传输，可靠性高；有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。2.1.4 差错检测及控制1．基本概念
信号在物理信道中传输时，线路本身电气特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电气信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。在数据通信中，将会使接收端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由“0”变成“1”或由“1”变成“0”的差错。差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。
最常用的差错控制方法是差错控制编码。差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性，它在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差错。
在差错控制编码中，检错码是指能自动发现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能够自动纠正差错的编码。当然，检错和纠错能力是用信息量的冗余和降低系统的效率为代价的。2．常用的差错控制编码
1）差错检测
接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有以下两种方法。（1）奇偶校验码。奇偶校验码是一种最简单也是最基本的检错码，在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。增加的位称为奇偶校验位。奇偶校验通常用于异步传输。例如，原始数据为1100010，增加偶校验位后的数据为11100010。若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道在传输中发生了错误。（2）循环冗余码。循环冗余码（CRC:Cyclic Redundancy Code）校验（Check）是目前在计算机网络通信及存储器中应用最广泛的一种校验编码方法，它所约定的校验规则是：让校验码能为某一约定代码所除尽。如果除得尽，表明代码正确；如果除不尽，余数将指明出错位所在的位置。
2）纠错方法
常用的纠错方法主要有重发纠错、自动纠错和混合纠错3种。（1）重发纠错。发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则判断传输中有无错误，并把判断结果反馈给发送端，如果传输错误，则再次发送，直到接收端认为正确为止。（2）自动纠错方式。发送端发送能够纠错的信息码，而不是仅能检错的信息码。接收端接到该码后，通过译码不仅能够自动发现错误，而且能自动纠正传输中的错误。但是纠错位数有限，如果要纠正比较多的错误，则要求附加的冗余码将比基本的信息位多，因此传输效率低，译码设备也比较复杂。（3）混合纠错。混合纠错是上述两种方式的综合。发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还具有一定的纠错能力。接收端接到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动进行纠错；如果错误多了，超过了纠错能力，则要求发送端重发，直到正确为止。2.1.5 传输介质
传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，网络中采用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤。1．双绞线
双绞线是由按规则螺旋结构排列的两根、4根、8根或更多的相互绝缘的铜导线组成的传输介质，如图2-12所示。
双绞线是普遍用于模拟和数字数据的传输介质。在建筑物内将网络站点与中心节点连接起来或将电话机连接起来的线路也可以是双绞线。图2-12 双绞线结构示意图（1）物理描述。双绞线是由有规则的、螺旋状排列的两根绝缘导线组成的。这种导线是铜线或镀铜的钢线。铜提供良好的导电性，钢可以增加强度。一对线对起单条通信链路的作用。一般将这些线对捆在一起，封在一个坚硬的护套内，以构成一条电缆。电缆可以在较长距离内包含数百对线。单根线对绞在一起可减少线对之间的电磁干扰。（2）传输特性。线对可用来传输模拟信号和数字信号。对模拟信号来说，约每5～6km要有一个放大器，对低频数字信号来说，每2～3km需用一个转发器。线对最普通的用途是声音的模拟传输。虽然语音的频率分量为20Hz～20kHz，但是再现可理解的语音仅需要一个非常窄的频带。全双工语音信道的标准带宽为300Hz～4 000Hz。在单个线对上，使用频分复用（FDM）时，可复用多条语音信道。每条信道占4kHz的带宽，足以提供信道之间的间隔。使用带宽高达268kHz的双绞线，可提供高达24路的语音信道。
使用调制解调器可在模拟语音信道上传输数字数据。现在的调制解调器的速率可以达到56kbps。
在双绞线上传输数据信号或基带信号的速率，目前在局域网中可达100Mbps甚至更高。（3）连接性和成本。双绞线可用于点到点和广播式网络中，在广播式网络中与同轴电缆相比，它便宜易用。双绞线也普遍用于点到点的网络中。双绞线比同轴电缆、光纤便宜，若考虑安装等费用，它们大致相当。（4）地域范围。双绞线能容易地实现点到点的数据传输。用于局域网的双绞线一般处于一个建筑物内。（5）抗扰性。与其他传输媒介质相比，双绞线在距离、带宽和数据速度方面受到限制。由于这种介质容易与电磁场耦合，故对干扰和噪声十分敏感。电缆中相邻线对上的信号也可能彼此干扰，即产生所谓的串音现象。
可以采取一些措施来降低这些损害。例如，用金属编制物或护套来屏蔽导线便可降低干扰，将导线绞起来可降低低频干扰，邻近线对采用不同的绞距可降低串扰，等等。当波长远大于电缆的绞距时，这些措施是有效的。对于低频传输来说，抗扰度可达到和同轴电缆一样大或更大。
双绞线具有如下的特性。（1）双绞线既可用于点对点的连接，也可用于多点连接。在进行多点连接时，效果较差，可支持的工作站也较少，所以多用于点对点的连接。（2）双绞线的传输速率覆盖很宽的范围，可从10Mbps到数Gbps。（3）双绞线的抗干扰能力视其是否有良好的屏蔽和设置地点而定，误码率在10-5～10-1；如果干扰源的波长大于双绞线的扭曲长度，其抗干扰性大于同轴电缆（在10kHz～100kHz以内，同轴电缆抗干扰性更好）。（4）双绞线较适合近距离（一栋建筑物内或几栋建筑物之间，若超过几km，就要加入中继器，使用远程中继线时，最大距离可达15km。而在100Mbps的LAN中，与Hub的最大距离为100m）、环境单纯（远离潮湿、电源磁场等）的局域网络系统。（5）双绞线可用来传输数字信号与模拟信号。（6）双绞线可用于总线型、星型和环型等拓扑结构，尤其适用于由集线器、交换机组成的星型网络。（7）双绞线由于价格便宜，安装与维护相对容易，所以得到了广泛的应用。（8）双绞线技术发展很快，新型宽带产品不断涌现，由于批量生产，价格还会下降。2．同轴电缆
同轴电缆曾经是局域网广泛使用的传输介质，现在几乎完全被双绞线所取代。下面将讨论两种类型的同轴电缆，有线电视（CATV:Community Antenna Television）系统中使用的75Hz电缆和仅用于基带数字信号的50 Ω电缆。75Hz电缆主要用于宽带频分多路复用（FDM:Frequency Division Multiplexing）模拟信号、高速数字信号及不采用FDM的模拟信号。
同轴电缆的组成由里往外依次是铜芯导体（内导体）、塑胶绝缘层、细铜丝构成的网状导体（外导体，或称金属屏蔽网）和塑料保护膜，如图2-13所示。铜芯与网状导体同轴，故名同轴电缆。这种结构的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号。图2-13 同轴电缆的结构示意图（1）物理描述。和双绞线类似，同轴电缆也由两根导体组成，但是，为了能够使它在更宽的频率范围内工作，两者在结构上是不同的。它由套置单根内导体的空心圆柱形导体构成。内导体是实芯的或是绞的；外导体是整体的或纺织的。内导体用规则间距的绝缘环或硬的电介质材料来固定，外导体用护套或屏蔽物包着。单条同轴电缆具有1cm～2.5cm的直径。（2）传输特性。50 Ω电缆专用于数字传输。一般使用曼彻斯特编码，数据传输速率可达10Mbps。CATV电缆可用于模拟信号和数字信号。对模拟信号，高达300MHz～400MHz的频率是可能的。与空间无线电和电视广播一样，在CATV电缆上可以像传送视频和音频信号那样传送模拟数据。每个电视信道分配6MHz的带宽；每个无线电信道需要的带宽大大低于这个带宽。因此，使用FDM可在一条电缆上荷载大量的信道。当使用FDM时，CATV电缆称为宽带电缆。电缆的频谱被划分成信道，每条信道均可传送模拟信号。除传送上面提到的模拟数据外，也可用于传送数字数据。对于数字数据有多种调制方案，包括ASK、FSK和PSK。调制解调器的效率确定了给定数据速率下所需要的带宽。一般情况下，对5Mbps和更高的速率可设定为1Hzp(bps)，对较低速度则可设定为2Hzp(bps)。例如，一条6MHz的TV信道能达到5Mbps的数据传输速率。在当今的技术条件下，约20Mbps的数据传输速率是可以达到的；在这样的速度下，带宽的利用效率可超过1(bps)pHz。
为了达到20Mbps以上的数据传输速率，已有两种方法。这两种方法都要求将75 Ω电缆的整个带宽用在这种数据传输上而不采用FDM。一种方法是在电缆上采用数字信号传输（像50 Ω电缆那样）。用这种方法已能达到50Mbps的数据传输速率。另一种方法是使用简单的PSK系统，采用150MHz载波。用这种方法也已能达到50Mbps的数据传输速率。对于低得多的数据传输速率可使用FSK。（3）连接性。同轴电缆可应用于点到点及多点配置。50 Ω基带电缆能够支持每段达100个设备。将各段通过转发器连接起来则能支持更大的系统。75 Ω宽带电缆能支持数千个设备。但75 Ω电缆用在高速数据传输速率（50Mbps）时将带来技术问题，它们使所接设备的数量限于20～30个。（4）地域范围。典型基带电缆的最大距离限于数km，而宽带网络则可延伸到数十km的范围。这种差异与模拟信号和数字信号的相对受损程度有关。在工业区和市区所遇到的电磁噪声的类型通常是属于频率相对较低的噪声，这一频率范围也是数字信号中的大部分能量集中之处。模拟信号可置于频率足够高的载波上，从而避免噪声的主要分量。数字信号或模拟信号的高速传输（50Mbps）限于1km左右。由于高速传输，总线上的信号之间的物理距离是很短的。因此，为使数据不丢失，只能允许很低的衰减或噪声。（5）抗扰性和成本。同轴电缆的抗扰性取决于应用和实现。一般对较高频率来说，它优于双绞线的抗扰性。安装质量好的同轴电缆的成本介于双绞线和光纤的成本之间。3．光缆
光缆即光纤电缆，是迄今性能最好、应用前途最广泛的一种网络
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