以太网传输及分布式测试系统基本理论

  2.1 以太网传输基本理论

   2.1.1 OSI 参考模型和 TCP/IP 分层模型

  （1） OSI 模型

   OSI(Open System Interconnection)，即开放系统相互连接模型，它是国际标准组织(ISO)与国际电报电话咨询委员会在 1979 年共同制定的一种开放系统连接参考模型，为开放式互连信息系统提供了一种功能结构的框架，它是一种抽象结构，并非具体能够实现的描述。OSI 参考模型的建立，为异种计算机的互连提供了一个标准，大大推动计算机网络通信的发展，该模型将系统通信划分为七个层次，相互的各层之间的结构与功能完全独立的，下层结构为上层结构提供服务，而与其他层的具体实现无关。通常将物理层、数据链路层、网络层和传输层称为下层协议，会话层、表示层和应用层称为上层协议。

   （2） TCP/IP 分层模型

   TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol),即传输控制协议/网络协议，是 Internet 基本协议，主要包含传输控制协议 TCP 和网络通信协议 IP，也是发展至今最成功和常用的通信协议，已成为国际标准。与 OSI 类似，TCP/IP 协议也采用分层结构，分层结构如图 2.1 所示，层与层之间相互独立，每一层提供对应的功能并为上一层服务，主要由网络接口层、互连网络层、传输层和应用层四层结构组成。

   网络接口层：融合了 OSI 的物理层和数据链路层，主要包含硬件网卡和设备驱动程序，对实际的网络媒体进行管理，定义如何使用网络（如 Ethernet、Serial Line 等）来传输数据到网络层，主要包含地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）和反地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)。

   互连网络层：互连网络层是 TCP/IP 协议核心，负责给传输的数据提供封装包，数据分片和控制报文的生成和传送功能，让每一个数据包、数据分片和控制报文都能到达目的主机。主要包含网络协议 IP、因特网控制报文协议如网际协议 ICMP(Internet Control Message Protocol ) 以 及 因 特 网 组 网 管 理 协 议 IGMP （ Internet Group Management Protocol ）。IP 协议主要负责将来自 TCP 的数据（报文段）附加上一个数据首部并传送给接收方，出错时将通过 ICMP 向主机报告。

  传输层：传输层主要为发送端和接收端进行数据传送服务，在服务中主要参与的协议有 TCP，UDP（用户数据报协议），TCP 和 UDP 主要把已添加包头的数据传送到下一层。

  应用层：应用程序之间数据交换与沟通需要在应用层中进行，主要为用户提供一些常用的应用程序，如 SMTP（电子邮件传输）、FTP（文件传输协议）、Telnet（网络远程访问协议）等。

   （3） TCP/IP 数据包封装和传输方式

   TCP/IP 模型的每一层提供头和控制信息，远程主机对等层需要去掉这些头和控制信息并对数据报做相应处理。具体流程是：当应用程序传送数据时，数据送入协议栈，每一层对收到的数据添加包头，并带有首部信息，这就是数据的封装过程，在数据链路层，信息被分为首部和尾部。物理层并不添加头部信息，而是将数据包转化为数据比特位传送到网络，首部信息主要包含源地址、端口号、目标地址，接受主机可以根据首部信息判断信息的来源，确定接受还是放弃，如果接受则层层解包，得到需要的数据，数据封装和传输方式具体过程如图 2.2 所示。

   （4） TCP 协议

   TCP((Transmission Control Protocol)是面向连接可靠的传输层协议，要求在数据传送之前发送端和接收端必须建立连接，等待数据传送后在释放连接。TCP 协议主要功能有： 1）寻址和复用；2）负责建立、管理和终止端到端的连接；3）处理打包数据、传输数据；4）提供流控制和拥塞控制以及传输质量保证。TCP 协议使用三次握手机制来建立连接，具体握手机制过程如图 2.3 所示。

   首先，客户端 A 向服务器 B 发送一个 TCP 连接请求，其中 SYN 标志为 1，序列号 seq=M（M 为 A 的初始序列号），然后定时器开始计数，等待接收 B 的应答。其次，B 收到 A 的 TCP 连接请求后向 A 发送应答报文，其中 SYN 标志和 ACK 都为 1，序列号为 N（N 为 B 的初始序列号），确认号位 M+1。B 也开始启动计数器，等待接收 A 的应答，这里 B 发送给 ADE 报文段称为 SYN+ACK 报文段。然后，若在 A 计时器超时之前收到 B 的应答报文，并判断确认号是否为 M+1，如果是，表示 B 应答正确，并向 B发送一个确认报文，其中 ACK 标志为 1，确认号为 M+1，到此，A 认为连接关系已建立。最后，如果 B 在计数器超时之前也收到了 A 的应答报文，并判断确认号是否为 N+1，若是，则表示 A 是正确的应答，此时客服端和服务器都收到了正确的应答信号，客户端和服务器成功建立连接，随后进入 Established 状态，完成三次握手。

   2.1.2 以太网 CSMA/CD 访问机制

   以太网是通过 CSMA/CD 进行数据访问，这种访问采用的是带有冲突检测的载波监听多路访问机制[24]。基本原理是：当节点想传送数据时，它将检测网络其他节点是否处于空闲状态，如果信道未被占用，就发送数据，反之就等待空闲时发送数据。在发送数据的同时，节点将继续监听网络有没有其他节点在发送数据，如果有两个或者多个节点在发送数据就会产生冲突，当一个传输节点识别了一个冲突，它将会产生一个拥塞信号，这个信号的目的是延长冲突时间，以至于能让其他节点监听到。当其他监测节点发现信号发送出现拥塞时，发送便会将数据发送停止，等待系统产生一个随机时间间隙后在重新启动发送。

  2.1.3 以太网传输介质

  以太网传输介质主要包含有线传输介质和无线传输介质。有线传输介质常用主要有双绞线，也就是常说的网线、光导纤维和铜心电缆等。

  双绞线是由两根具有屏蔽效应的铜导线缠绕而成，能屏蔽外界电磁干扰，被广泛采用。双绞线包括两种，一种有屏蔽保护，一种没有屏蔽保护。屏蔽双绞线由于有屏蔽保护，具有对外辐射低的特点，但价格相对较高，主要用于高要求场合；非屏蔽绞线由于没有屏蔽保护，价格相对低廉，主要用于传输要求低的场合。

  光导纤维是一种利用光发生全发射原理而进行数据传输的一种工具，具有抗干扰能力强、保密性好、速度快、容量大等优点，缺点是价格相对昂贵，主要应用在特殊场合。

  铜心电缆是绝缘层和铜导体构成，绝缘层能屏蔽外部电磁干扰、同轴电缆具有数据传输稳定性好、价格相对低廉等优点。

  在实际应用中，RJ45 接口双绞线网线应用较多，由八根铜导线组成，在无线局域网络中被广泛使用。RJ45 型网线通常采用 T568A 和 T568B 线序接法，如图 2.4 所示。

   T568A 线序数字 1，2，3，6 依次表示数据接收正端(RX+)、数据接收负端(RX-)、数据发送正端(TX+)、数据接收负端(TX-)，4，5，6，7 未使用。T568B 线序数字 1，2， 3，6 依次表示数据发送正端(TX+)、数据发送负端(TX-)、数据接收正端(RX+)、数据接收负端(RX-)，同样 4，5，6，7 未用。设备之间的连接通常采用直通线网线或交叉线网线，这需要根据设备优先级来判断。直通线就是基于 T568A 和 T568B 标准制作的网线。交叉线就是讲线序数字 1 和 3 对调，2 和 6 对调。在实际应用中，同种设备使用交叉连接，如电脑与电脑、交换机和交换机。不同设备使用直通网线连接，如电脑和路由器、电脑与接入点 AP 等。

  2.2 分布式测试系统基本理论

  2.2.1 分布式测试系统基本概念

  分布式测试系统是指通过有线网络或无线网络将分布于不同测试范围、能够独立完成一定测试功能的测试节点互连起来，已达到测试节点之间或测试节点与主控端实现资源共享、协同工作、集中管理以及测试过程中工作状态监控的计算机测试系统[25-28]。

  2.2.2 分布式测试系统基本类型和特点

  分布式测试系统是测控技术与网络通信技术结合的产物，主要用于分散度高、信息分散的信号测量。常被使用的分布式测试系统有两种类型：一种是采用有线进行数据传输的分布式测试系统；一种是通过无线进行数据传输的分布式测试系统。

  （1） 基于有线网络通信分布式测试系统

   有线分布式测试系统是指通过传输电缆（网线、光缆等）进行通信的测试系统。这种系统具有数据传输速率快、带宽大、抗干扰能力强、保密度高的特点；缺点是布线冗余复杂、成本高、拓展性和移动性差，通信质量容易受电缆接口松紧的影响，只适合组建小范围的分布式测试系统。常见的有线分布测试系统结构如图 2.5 所示，该类型的测试系统大多用以太网、CAN 总线、PCI 总线和 RS232 总线进行数据传输[29-30]。

  （2） 基于无线网络通信的分布式测试系统

  无线数据传输的分布式测试系统是指利用无线网络实现测试节点和控制中心的数据交互的测控系统，如图 2.6 所示。该通信系统一般包括信号变换机、发射机、传输介质、接收机和逆变换机等，适用用于测试节点多并且分散，测试范围广的信号测量，具有网络组建方便、拓展性和移动性好、低成本等优点，但缺点是信号保密性差，容易受外界电磁波干扰。

   不论是有线通信的分布式测试系统还是无线通信的分布式测试系统，都具有分散性、智能化、网络结构化、独立性和动态性等特点[31-34]。分散性是分布式测试系统最显著的特征，测试节点不集中，现场布置范围广阔，分散性大，距离主控中心较远。智能化是指每一个测试节点都有自己的控制中心能独立完成测试任务。网络结构化是指实现多个测试节点基本连接，相通的网络拓扑结构，是分布式测试系统底层支撑结构，用来实现测试节点连接和资源共享。独立性是指分布式测试节点互相独立，节点之间不受相互之间的影响。动态性是指根据测试需求可以添加或移除测试节点，测试系统可以随时对测试节点集中管理。

  2.2.3 无线分布式测试系统传输协议介绍

  随着网线通信技术发展，出现了很多基于不同传输协议的分布式无线测试系统，当前各科研院校已经相继开发出了基于不同传输协议的分布式测量系统。有蓝牙技术、 Zigbee 技术、WiFi 技术以及超宽带技术等，这些协议在使用范围，通信距离、传输速率、组网特点和成本各种特点[35]，如表 2.1 所示：

   IEEE（电气和电子工程师协会）迄今推出了 IEEE802.11a/b/g/n 等无线局域网络标准协议，这些协议工作频带、传输距离和调频方式各种不同。

  IEEE802.11a 主要工作在 5.15-5.35Ghz 和 5.725-5.825GHz 两个工作频段，已在办公司、家庭、机场等公众场合广泛应用。它采用 QFSK 调制技术和正交频分复用扩频技术，支持语音、图像等多种数据传输，最大传输速率为 54Mb/s，传输有效距离为 100 米。

   IEEE802.11b 工作在 2.4-2.4835GHz 频段，数据传输速率可根据实际情况自动切换，数据交换速率可达 11Mb/s，采用补偿编码的调制方式，工作模式有点对点模式和基本工作模式，传输距离在 50 米到 100 米左右，是目前使用的最为广泛的无线网络协议。但它与蓝牙工作在相同信道，相互之间的信号存在干扰。

  IEEE802.11g 标准是 2003 年 IEEE 协会推出的 WLAN 标准，他弥补了 IEEE802.11a/b 标准传输速率低的缺陷，兼容了 IEEE802.11a 标准的 QFSK 调制方式和 OFDM 扩频技术，将传输速率由 11Mb/s 提到了 54Mb/s，覆盖半径达 300 米左右，目前，市面上大部分流行的无线网络设备都兼容 IEEE802.11b/g 标准。

   IEEE802.11n 实在 2009 提出的网络标准，兼容了 802.11a 和 802.11g,最大特点相对前面两个传输速率有了相当大的提升，最大速率可达 600Mb/s 目前业界主流为 300Mb/s，有2.4G 和 5G 两种工作频段，同时有 20MHz 和 40MHz 两种带宽宽度，采用 MIMO OFDM （多输入多输出）技术，实现了高带宽，高质量的 WLAN 服务。

  Zigbee 技术是一种用于低速传输、小覆盖范围的无线通信技术[36]，它是基于 IEEE802.15.4 标准制定的，工作频带在 2.4GHz，数据传输速率最大为 250Kb/s，支持多个测试节点进入网络，最大能容纳 65000 个测试节点，由于 Zigbee 具有低功耗、成本低、安全性能高等特点，在医疗，工业、智能化楼宇得到了大力推广。

  蓝牙技术（Bluetooth）是基于数据包、有着主从架构的传输协议，工作频段在 2.402 GHz -2.480GHz，采用高斯频移键控（GFSK）调制技术，运行 GFSK 技术可以达到基本传输速率 1Mb/s，目前出现了将 EDR(增强数据率)应用于蓝牙技术，数据吞吐量可达到 2Mb/s-3Mb/s。由于蓝牙安全系数高，成本低，功耗小，被广泛应用于汽车、家电和无线通信设备等领域。

  UWB（Ultra Wideband）是一种基于载波通信的短距离无线传输技术，利用纳秒级的不规则窄脉冲进行数据传输，传输频段在 3.1GHz-10.6GHz，发射功率低于 40dB,在短距离能实现上 Gb/s 的无线数据传输速率。优点在于具有传输速率高、无需射频转换、高带宽、抗干扰能力强、容量大功耗小的特点，虽然 UWB 标准还没有形成，它必将是无线传输的很大进步，将在未来短距离、大容量数据传输领域被广泛使用。目前，UWB 主要应用在军事，采矿、无线 USB 和多媒体数据传输等领域[37]。

  爆炸冲击波测试中测试半径通常都为几十米或者更远，蓝牙，UWB 虽然传输速率高，但在传输距离上受到了限制，因此，它们很少被用在冲击波测试系统上，Zigbee 技术是一种短距离传输协议，组网便捷，但要实现远距离传输，需要布置大量测试节点，数据通过节点与节点之间跳跃传输，最终传输到控制中心。但当数据容量大以及在要求传输速率高的测试场合，其本身协议的局限性已不再适合高要求的冲击波压力测试场合。WiFi 无限局域网具有组网便捷，传输速率快，覆盖半径大等优点，很适合当前测试节点多且分散高、大容量数据传输的冲击波测试场合。

  2.2.4 无线分布式测试系统体系结构

  无线分布式测试系统由于省去了有线传输网络布线冗余繁杂的缺点，具有组网便捷，方便管理等特点，已被广泛应用军事、建筑、医疗、农业、工业等领域，目前，越来越多高等院校和科研人员开始对其组网方式、硬件结构、网络通信协议和软件体系等方面开展研究和开发，这使得无线分布式测试系统发展越来越迅速[38-40]。

  （1） 分布式无线测试系统网络拓扑架构

   分布式无线测试系统网络拓扑结构主要由对等式网络结构和基础集中式网络结构, 如图 2.7 所示：

    1、分布式对等网络是一种自发方式组建的单区域网络，由多个测试节点组建的点对点模式的无线局域网络。对等式网络架构没有接入点（AP），各个测点地位平等，相互间可直接通信，测试节点之间会相互占用公用信道，当测试节点较多时，信道竞争就成为影响无线通信质量的决定性因素。一般分布式对等网络应用于数据容量较少的测试系统，如环境监测、火灾预防等。

   2、基础集中式网络架构主要无线访问节点和无线工作站组成。网络有中心控制站，控制网络中其他测点的数据访问和收发，当数据传输量增大时，网络延时和数据吞吐性能不会出现剧烈变化。无线接入点覆盖半径可达几百米，可监测测试节点为数百个。所有测试节点需在无线覆盖半径以内，各个测试节点相互间不能通信，集中式网络具有具有很好的拓展延伸性，方便集中管理，与其他网络拓扑架构相比，整体功耗低。

  （2） 无线分布式测试系统结构

   无线分布式测试系统通常由无线测试节点、接入点 AP、主控端等组成，大致系统组成如图 2.8 所示：

   无线测试节点主要由传感器、传感器信号调理电路、信号采集记录电路和无线通信电路组成。无线接入点主要负责将无线网络接入有线网络。远端控制平台由计算机和应用软件组成，应用软件主要负责对无线测试节点下达控制命令、状态监控、对测试节点集中管理以及数据无线回收和处理。无线分布式测试网络能对多个测试节点进行集中化管理，减少了传统分布式测试布线的冗余繁杂，节约了大量人力，提高了测试系统工作效率。

   2.3 本章小结

  本章主要首先介绍了以太网传输基本理论，包括 OSI 七层分层结构和 TCP/IP 四层分层结构、TCP/IP 数据包头添加和传输方式、TCP 传输协议的三次握手具体过程、以太网 CSMA/CD 数据访问机制以及以太网常用传输介质和常用的 RJ45 以太网接口线序结构。其次介绍了分布式测试系统基本理论包括分布式测试基本概念、分布式测试基本类型和总体特点、常用的无线分布式测试系统采用的无线传输协议，然后介绍了分布式无线测试系统网络拓扑结构包括对等式网络拓扑和基础集中式网络拓扑结构为后面的深入研究提供相应的理论基础。最后介绍了常用无线分布式测试系统的结构组成，包括无线传输电路、传感器、调理电路以及信号记录电路等。