第四章远动监控系统数据传输与通信网络结构2_远动监控_图文

第四章 远动监控系统数据传输 与通信网络结构
第一节 概述 第二节 通信信道及数据传输系统 第三节 调制与解调 第四节 计算机网络基础 第五节 数据通信方式 第六节 调度端及RTU的网络结构

远动调度端网络结构

一、 计算机网络
1.定义
以相互共享资源(软件、硬件和数据)为目的、并 具有独立功能的多台计算机系统,采用一定的通信协 议(通信规约),通过通信设备和线路连接起来的网 络。
? 2台或2台以上计算机 ? 通信设备和通讯媒介连接起来 ? 网络运行要有一定的协议支持,通
信软件

2.计算机网络的组成
一般由网络操作系统、用以组成计算机网络的多台计 算机,以及各种通信设备构成的。
(1)网络硬件
计算机
? 服务器:主要功能是为网络工作站上的用户提供共享资 源、管理网络文件系统、提供网络打印服务、处理网络 通信、响应工作站上的网络请求等。常用有文件服务器、 通信、计算和打印服务器等。通常用小型计算机、专用 PC或高档微机做服务器。
? 网络工作站:功能是向各种服务器发出服务请求;从网 络上接收传送给用户的数据。它是通过网络接口卡连接 到网络上的计算机。

ISO(国际标准化组织)/OSI(开放系统互联) 参考模型

应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

网络互联设备
? 网络接口卡:简称网卡,又称网络接口适配器,是计算机与网络连接 最主要的设备。
主要功能:实现数据链路层(IEEE802.3:逻辑链路控制LLC+介 质访问控制MAC)的大部分功能,如网络数据格式与计算机数据格 式的转换(将数据拆包、打包)、网络数据的接收与发送、数据的差 错校验等,并提供计算机与网络传输媒介间的接口。
? 集线器(HUB):其主要功能是对接受到的信号进行整形放大,重 建为完整的信号,以扩大网络的传输距离,同时把网络上所有结点连 接在一起,构成星形网络。(物理层) 集线器仅将1个端口接收的信号分发给所有其它端口,但并不做 进一步的检查处理,所有连接到集线器的设备共享同一介质,构成一 个共享式的网络(总线式网络)。 优点:简单、便宜;缺点:集线器是一个瓶颈,且不能隔离冲突。

网络互联设备
? 网桥:也称桥接器,是2个局域网的存储、转发设备,用它可 完成具有相同或相似体系结构网络系统的连接。
网桥是依据帧地址进行转发,工作在数据链路层DDL,被 连接的设备具有相同的LLC,但MAC可以不同;对用户而言是 透明的,报文通过网桥时,用户并不知道网桥的存在;工作在 MAC子层上。
网桥的主要作用是分割冲突区域和减少冲突。它的工作原 理与交换机类似。
缺点:网络大小有限;如功能故障或配置不当,可能造成 网络瘫痪等。

网络互联设备
? 交换机:也称交换式集线器,是用来提高局域网性能的重要网络设备, 与网桥类似,也工作在数据链路层,可视为多口网桥。
交换机通过对信息重新生成,经过内部处理后转发至指定端口, 而不是交换机的所有端口,这是交换机和集线器本质不同。交换机具 备自动寻址能力和交换作用,根据信息包的目的地址,将每一信息包 独立地从源端口送至目的端口,避免了和其它端口发生冲突。
工作原理:根据收到的数据帧中源MAC地址建立该地址交换机端口的映 射,并将端口映射存放在MAC地址表中,这个过程称为学习;交换 机将数据帧中的目的MAC地址在MAC地址表进行查询,决定由哪个 端口进行转发。只有广播帧(包括找不到目的MAC的帧)会被转发 给所有端口。
优点:每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域; 缺点:要查询MAC地址再转发,有一定的延迟。

网络互联设备
? 路由器:工作在网络层,提供对网络的物理和逻辑分割,通过计算目 标结点位置的目的地址来实现。如果分组地址指示的目标在同一个网 段(子网),路由器就把通信流限制在网段内;如果在另一个网段, 路由器就把分组发送到与目标网段对应的物理端口上。 路由表存储在路由器的内存中,把分组地址和物理端口号对应起 来。 路由:将数据包从一个网络结点转发到另一个网络结点的过程或 途径。包括2个基本内容:一是确定能到达目的网络的最优路径,也 称为路由选择或寻径,相关的协议称为路由选择协议;另一个是按照 最优路径转发数据包,称为数据转发。 路由选择过程通过多种途径收集网络的拓扑结构信息,形成路由 表,并按一定的规则维护路由表,使路由表能动态反映网络拓扑变化, 保证路由表中到各目的网络的路由最优。

网络互联设备
? 路由器:发送数据时:首先查找路由表,若能找到数据包到达目标网 络的路由,则按该路由将数据转发到下一路由器,下一路由器再依此 再转发,直到到达目的地址;如果路由表中没有可到达目标地址的信 息,路由器会将该数据包丢弃;如果目标网络直接与路由器相连,路 由器则将数据包直接发送到相应的端口上。
优点:适用于大规模、复杂网络,实现负载共享和最优路径; 增强的智能可实现数据安全、提高带宽利用率; 隔离不需要的信息,可提供防火墙的服务(与交换机不同);
缺点:不支持非路由协议; 安装复杂、价格高; 与相对简单的交换机比,会增加报文的等待时间。

其它
? 通信介质:作用:计算机之间传输数据信号的重要媒 介,提供了数据信号传输的物理通道。有形介质:双 绞线,同轴电缆,光缆。无形介质:无线电,微波, 卫星通信,红外线,激光。
? 各种网络互连设备。传输容量,信号衰减,抗干扰能 力,安装难度,价格。

(2)网络软件
? 网络操作系统(Network Operating System):运行在 网络硬件基础之上,为网络用户提供共享资源管理服务、 基本通信服务、网络安全及其他服务的软件系统。网络 操作系统必须对用户进行控制;需通过软件工具对网络 资源进行全面的管理,进行合理调度和分配。
? 网络协议软件:连入网络的计算机依靠网络协议实现互 相通信,而网络协议靠具体的网络协议软件的运行支持 才能工作。凡是连入网络的服务器和工作站都运行相应 的网络协议软件。如IPX、TCP \IP。
? 网络管理软件
? 网络通信软件
? 网络应用软件

3.计算机网络的功能
? 共享资源:硬件资源(激光打印机、绘图仪、数字 化仪、扫描仪);软件资源;数据资源
? 数据通信:(文字信息、新闻消息、咨询信息、图 片资料、报纸版面、 E-mail、IP Phone )
? 分布式数据处理:数据分布处理,提高处理速度和 系统可靠性,并均衡网内负载。

4.计算机网络的类型
(1)按配置划分
? 同类网:网络中,每台计算机既是服务器又是工作站。 该网中每台计算机都可以共享其它任何计算机的资源。
? 单服务器网:在网络中只有一台计算机作为整个网络的 服务器,其它计算机全部是工作站。
? 混合网:在网络中的服务器不只一个,但又不是每台工 作站都可以当作服务器来使用。
混合网与单服务器网的差别是网络中不仅仅只有一个服 务器;混合网与同类网的差别在于每个工作站不能既是 服务器又是工作站。

(2)按对数据的组织方式划分
? 分布式网络系统:特点:系统独立性强,用户使用 方便、灵活。但对整个网络系统来说,管理复杂, 保密性、安全性差。
? 集中式网络系统: 特点:对信息处理集中,系统 响应时间短,可靠性高,便于管理。但整个系统适 应性差。
? 分布集中式网络系统:采用分布与集中相结合的系 统。

(3)按通信结构划分
?点对点(星型)网络:以点对点的连接 方式,把各台计算机连接起来的。

(3)按通信传播方式划分
? 总线型网络:用一个共同的通信介质把各个 计算机连接起来的,如以同轴电缆联接起来的 总线形网。

(3)按通信传播方式划分
? 树型网络:分层结构。

(3)按通信传播方式划分
? 环型(链型)网络

(3)按通信传播方式划分
? 网状型网络

(4)按信息传输距离的长短划分
局域网(LAN) (Local Area Network)
局域网 指十几公里的地理范围内将计算机、外设和通信 设备互连在一起的网络系统。
局域网,传输速率较高(10M-1000Mb/s),误码率较 低(10-9-10-11)。组网方便,技术简单。如:Novell网、 令牌环网(IBM Token Ring)、Ethernet(以太网)
城域网(MANs)
城域网 指在一个城市的地理范围内将计算机、外设和通 信设备互连在一起的网络系统。IEEE 802.6

广域网(WAN) (Wide Area Network)
广域网 涉及的范围较大,通常可以达到几十公里、几 百公里,甚至更远。 传输距离远,传输速率较低,误码率较高。机制复杂。 传输媒介:电话线、专线、光线。

(5)按交换方式分类
? 线路交换网络(Gircuit Switching):用模拟信号 在线路上传输
? 报文交换网络(Message Switching):数字化网络; 存储-转发方式;不定长报文为单位
? 分组交换网络(Packet Switching):定长报文为 单位分组传输

二、 网络拓扑结构
拓扑学(TOPOLOGY)是一种研究与大小、距离无 关的几何图形特性的方法。
网络拓扑是由网络节点设备和通信介质构成的网络结 构图。
在选择拓扑结构时,主要考虑的因素有:安装的相对 难易程度、重新配置的难易程度、维护的相对难易程度、 通信介质发生故障时,受到影响的设备的情况。

节点:网络单元。网络单元是网络系统中的各种数据处理 设备、数据通信控制设备和数据终端设备。
转接节点的作用是支持网络的连接,它通过通信线路 转接和传递信息;访问节点是信息交换的源点和目标。 链路是两个节点间的连线。
物理链路:实际存在的通信连线 逻辑链路:在逻辑上起作用的网络通路。 链路容量指每个链路在单位时间内可接纳的最大信息量。 通路是从发出信息的节点到接收信息的节点之间的一串节 点和链路。即:它是一系列穿越通信网络而建立起的节点 到节点的链路。

1.点对点方式

调度端

信道

被控站

? 特点:应用在简单系统中。 ? 缺点:每一个被控站对应一个调度端和信道。

2 星型结构
以一个节点为中心的处理系统。
? 网络结构简单,如在文件 服务器/工作站的局域网模式。 采用集线器(Hub)。
? 端口:4/8/12/16/24 ? 可同时连双绞线、同轴电 缆及光纤等媒介 ? 集中控制方式,便于管理 ? 网络延时短,误码率低 ? 网络共享能力差、线路效 率低、主机负担重

星型结构I型
? 优点:独立通道,不存在通道竞争问题,变电所可同时 与监控中心通信。实时性最好。任一通道故障,不影响其 他通道的通信。 ? 缺点:占用通道资源太多。

星型结构II型
? 特点:监控中心到通信中心之间只占用一个通道。 ? 优点:监控中心的通讯设备比I型少n-1个, ? 缺点:实时性比I型星型结构差。

3 总线结构
? 通信线路为主电(光)缆, 信息沿总线向两个方向传输 (广播式)
? 为防止信号反射,两端有终 端匹配阻抗(局域网、电缆)

? 优点:共用一条通道,实现资源共享。每个变电所同时 收到监控中心下发信息,通过站地址判别。 ? 缺点:应采用严格的通信协议,否则造成通道竞争发生 冲突。如采用POLLING协议,以时分线路解决;如主干 线路某处故障,影响整个系统。对通道可靠性要求较高。

4 环型结构
? 各节点通过环路接 口连在一条首尾
? 相连的闭合环路通 信线路上,环路上的 任何节点均可以请求 发送信息

特点:信息转发。信息传输有延时,通讯设备有所增 加。如线路某处故障,可通过另外环路进行。

5 树型结构
在星型、总线型网络 上加分枝。分层结构。

三、开放式系统互连参考模型OSI
国际标准化组织ISO于1978年提出了OSI模型,该模型 是设计和描述网络通信的基本框架,是国际范围的网络 体系结构标准。
1.OSI的分层结构
它通过分层把复杂的通信过程分成了多个独立的、比 较容易解决的子问题。
在OSI模型中,下一层为上一层提供服务,而各层内 部的工作与相邻层是无关的。

? 协议:为进行网络中的数据交换(通信)而建立的规 则、标准或约定。
? 实体:任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程,每 一层中的活跃元素。
? 对等实体:位于不同系统内同一层次的两个实体。 ? 协议作用在对等实体之间。
? 接口:相邻两层之间交互的界面,定义相邻两层之间 的原语操作及上层对下层的服务。
? 服务:某一层及其以下各层的一种能力,通过接口提 供给其相邻上层的服务。
? 网络体系结构:网络的层次结构及其协议的集合,相 邻层间的接口以及服务统称为网络体系结构, 是对网络及其组成部分的功能的精确定义。

2. ISO/OSI 各层之间的关系
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

(1) 物理层的主要功能

在数据链路层的两

个实体之间建立、

维持和释放物理连

传送二进





制位流





规定在物理层传

送0、1数据的电

参数(波形、频

率、电平)

规定所用的

连接器

(2)数据链路层的主要功能

TCP/UDP

数据链路的 建立、维持 和释放
帧的分界 和同步 差错检测



传送帧

据 链





与控制

顺序控制及

层内管理 流量控制

(3)网络层的主要功能

路径选择



传送分组





网络中拥 挤控制

(4)传输层的主要功能

提供两个端系统 之间可靠、透明 的数据传送
差错控制

传送报文







顺序控制 流量控制

(5)会话层的主要功能

为通信的两个进 程建立会话连接, 进行交换
会话管理



传送报文





令牌管理 同步管理

(6)表示层的主要功能

信息格式 的转换
数据的加 密和解密

表 OSI内部语法 示


(7)应用层的主要功能

为用户使用网 络提供接口

应 用 层

OSI/RM 开放环境

计算机A

实系统环境

7

OSI环境

6 网络环境
5

4

3

3

3

2 1

2 1

数据通 信网

2 1

计算机B
7 6 5 4 3 2 1

四、局域网
1.局域网参考模型LAN/RM
OSI

高层

IEEE 802.3

网络层 数据链路层
物理层

逻辑链路控制 LLC
介质访问控制 MAC 物理层

? 物理层:透明传输位流,规定信号编码、传输 媒体、拓扑结构及数据率

按功能划分为两个子层:LLC和MAC
? 功能分解的目的:将功能中与硬件相关的部分和与硬 件无关的部分进行区分,降低研究和实现的复杂度。 ? 与传统的数据链路层的区别:
? LAN链路支持多重访问,支持成组地址和广播 ? 支持MAC链路访问控制功能 ? 提供某些网络层的功能,如网络服务访问点、多路 复用...

? MAC子层功能:成帧/拆帧, 实现、维护MAC协 议,位差错检测,寻址
? LLC子层功能:建立/释放逻辑连接,差错控制, 帧序号处理,某些网络层功能
? LAN对LLC子层透明,仅在MAC子层才可见 LAN的标准(LAN标准的区别在MAC子层)

2.局域网存取控制方式
带有碰撞检测的载波侦听多路访问CSMA/CD
工作原理:边发送边监听。若监听到冲突,则冲突双方 都立即停止发送。信道很快空闲,从而提高效率。 CSMA/CD:监听到信道空闲就立即发送数据,并继续监 听;若监听到冲突,则立即放弃发送 ? 冲突检测方法:
? 比较接收到的信号电压的大小 ? 检测曼彻斯特编码的过零点 ? 比较接收到的信号与刚发出的信号 ? 站点检测到冲突后,往往发送人为干扰信号,强化冲 突,以通知其他站点

CSMA/CD媒体访问方法的规则:
? 如果媒体信道空闲,则可进行发送,否则转到第2步。 ? 如果媒体信道忙(有载波),则继续对信道进行侦听。
一旦发现空闲,就进行发送。
? 如果在发送过程中检测到碰撞,则停止正常发送,转而 发送一个短的干扰(jam)信号,使网上所有站都知道出 现了碰撞。
? 发送了干扰信号后,随机退避一段时间,重新尝试发送, 转到第1步。

第四章 远动监控系统数据传输 与通信网络结构
第一节 概述 第二节 通信信道及数据传输系统 第三节 调制与解调 第四节 计算机网络基础 第五节 数据通信方式 第六节 调度端及RTU的网络结构

一、通信方式
CPU与外部的信息交换统称为通信。 并行通信:各位数据同时传送。如CPU与PIO间的
数据交换是八位一起传送的。 特点:传输线多、距离短、速度快。 串行通信:数据是一位、一位顺序传送的方式。如
远动装置发、收两端距离很长,只采用一条通道传送 信息,需要各位信息逐位按次序传送。
特点:线少、较长、较慢。 按信息方向和时间可分为单工、半双工、全双工三 种方式。

? 单工通信:只能在一个方向传送信息,不能反方向传送。
? 半双工通信:可以双向传输,但不能同时双向传输,在某一 通信时刻,只能向一个方向传输。 ? 全双工通信:双方可同时进行双向传输,两个方向独立。

根据收发两端实现码元同步的方式,串行通信 可以分为两大类:
? 异步通信(ASYNC) ? 同步通信(SYNC)

二、异步通信
1. 定义
收发两端不存在严格一致的码元定时脉冲。它是 面向字符的,即传输每一组数据构成一个字符。
2. 组成
由起始位,数据位,奇偶校验位,停止位组成。 异步通信是将每一字符看作一个独立的信息,为 了区分字符边界,加上起始位和停止位,构成一个 帧。各个字符串行地依次序传送。 传送一个八位数据时,最少要十位数据的长度。

起始位:无数据发送时,一直保持传号信号即“1”电平, 起始位的电平从“1” 变到“0”并保持一个码元的时间。 数据位:在起始位发送后要传输的信息,可以为5-8位 奇偶位: 一位,提高数据位的抗干扰性能,也可不加。 停止位:表示字符结束,1、1.5、2位
该方式技术要求不高,采用字符收发同步,收发两端 的时钟因误差不会累积而允许有较大的误差。

3. 异步通信的发送和接收
发送端: 无信息时,约定送出一连串“1”,称空闲位。 一旦有信息发送,先发一个“0”,称起始位,然后发送 数据位和奇偶位,最后发停止位表示一帧的结束。
接收端: 把接收到第一个“0”当作一帧的开始(即同步 信号)。接收到由“1”变“0”的下降沿后,按约定时钟 频率一位、一位地从低向高位收数。

为了正确、可靠接收数据,在中点判断是“1”或“0”。 提高接收时钟频率。如16倍频采样,找到下跳沿。
接收到起始位下降沿后,计数8个脉冲后,再读,若为低则 确认它是起始位,否则为干扰。
找到起始位后,每经过16个脉冲读入一位,直到检测到停 止位,接收完一帧信息。

异步通信时,发、收两端预先必须规定:
信息格式:一个字符为几位数据,奇偶校验的形式, 停止位的位数等。
波特率:即码元速率。如波特率为1200Bd,则码元周 期T=1/1200=0.833ms 波特率系数。要预先规定接收时钟的频率是波特率的 倍数,例如波特率系数为16, 32或64倍等。

三、同步通信
异步通信中,每一个字符用起始位和停止位作为开始和 结束的标志。当一个字符为8位数据,起始位和终止位至 少各占1位,实际传送信息的效率最多80%。
传送大量数据时,为提高传送效率,采用一个数据块共 用一个同步字作为起始位的格式,叫同步通信方式。
此时,发、收双方必须保持严格的码元同步,以双方规 定的同步字符作为一帧(数据块)的开始和结束。

同步传送方式是用发、收双方规定的同步字来作 为数据块的开始和结束。同步方式可分为:
? 内同步方式:发送端必须在数据块之前首先发送同 步字。在接收端,当接收器收到与约定相符的同步 字后才开始接收数据。
? 外同步方式:由外界对接收器输入一个同步脉冲后 就开始接收数据。采用外同步方式时,在发端不发 送同步字。但在接收端必须提取出同步脉冲来。

注意:同步通信时,不允许在数据之间出现空隙,
如果发送端在某个时刻内没有数据发送,那么就要在这 个时间间隙里补进去相应数量的同步字,直到再有新的 数据发送为止。如果没有数据发送,并且也没有发送同 步字,这就出现“欠载”现象。
同步与异步的主要差别:异步通信是“起—止”同
步(Start —stop mode)方式通信,即以起始位开始、停 止位结束的一个字符内按约定频率进行同步接收。各字 符之间允许有间隙,且两个字符之间的间隔不固定的; 在同步通信方式中,不仅同一字符中的相邻两位间的时 间间隔要相等,而且字符间的间隔也要求都相等。

第四章 远动监控系统数据传输 与通信网络结构
第一节 概述 第二节 通信信道及数据传输系统 第三节 调制与解调 第四节 计算机网络基础 第五节 数据通信方式 第六节 调度端及RTU的网络结构

远动调度端网络结构

调度所1

CRT自检 AI

Modem SIO
SIO

AI

DI

DOR

DG

Modem

CPU

调度所2

SIO

KB

DI

DO1

PA

DO2

WDT

集中式RTU的典型体系结构示意图

内部串行总线

CPU

CPU IYX1 IYX2 IYC1

IPA

IYK

IYT





KB M M M 主站1 主站2 主站3
功能分布式RTU

1#主变保护 监控单元 1#主变后备 保护单元

LON WORKS现场总线

2#主变保护 监控单元 2#主变后备 保护单元

10kV甲线路 保护监控单元
10kV乙线路 保护监控单元
10kV丙线路 保护监控单元
10kV丁线路 保护监控单元
10kV联络 保护监控单元

补偿电容器 保护监控单元

集中转发单元 或当地功能

Modem

U, I, P, Q 开关位置, 保护信号 遥控开关合闸/分闸

结构分布式RTU

思考题
1. 什么是计算机网络? 什么是协议? 什么是拓扑? 2. 计算机网络是由什么组成的? 3. 网络拓扑结构有哪些类型,如何选择网络拓扑结构? 4. OSI模型及各层之间的关系是什么? 5.数据传输中为什么必须实现收发双方的同步?位同步与帧同
步各解决什么问题? 6.同步通信和异步通信的根本区别是什么? 7.全双工与半双工通信有什么区别?在二线制电路上能否进行
全双工通信?


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