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    第4章 數據通信接口與鏈路控制演示文稿

  • 上傳人: 千***
  • 文檔編號:3303138
  • 上傳時間:2017-07-02
  • 文檔格式:PPT
  • 文檔頁數:208
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    1、第4章 數據通信接口與鏈路控制,4.1 數據通信系統 4.2 數據通信接口特性 4.3 數據鏈路控制的基本概念 4.4 數據鏈路控制協議機理與分析 4.5 差錯控制 4.6 高級數據鏈路控制(HDLC)規程,4.1 數據通信系統,典型的數據通信系統主要由數據電路和兩側的數據終端設備所組成,如圖4.1.1所示。在ITU的系列建議中,數據終端設備(DTE)泛指智能終端(各類計算機系統、服務器)或簡單終端設備(如打印機),內含數據通信(或傳輸)控制單元。數據電路包含傳輸介質及兩端的數據電路終接設備(DCE,Data Circuit Terminating Equipment)。,若傳輸信道采用專線方。

    2、式,則計算機系統發送的數字數據通過通信接口,經傳輸信道到達接收端的DCE,然后再經過通信接口傳送到服務器,反之亦然。但在計算機與服務器間通信的過程中,仍然需要考慮如下問題:通信接口的規范性;通信模式的選擇;數據鏈路的建立;通信雙方的協調,收、發數據緩沖,速率適配和串并轉換等;差錯控制,檢測與恢復在通信與傳輸過程中出現差錯的數據;傳輸代碼的確定等。,圖4.1.1 傳統的數據通信系統的基本構成,若采用撥號呼叫方式,傳輸信道部分可由通信子網替代,此時要考慮計算機如何尋找到所需的服務器這一問題,即數據電路的建立、尋址和路由選擇。數據電路位于DTEDTE之間,為數據通信提供數字傳輸信道。DTE產生的數據。

    3、信號可能有不同的形式,但都表現為數字脈沖信號。DCE是DTE與傳輸信道(或通信子網)之間的接口設備,其主要作用是信號變換。當傳輸信道為模擬信道時,DCE為調制解調器(Modem),發送方DCE將DTE送來的數字信號進行調制(頻譜搬移)變成模擬信號送往信道或進行相反的變換。,當傳輸信道是數字信道時,DCE實際是數字接口適配器,其中包含數據服務單元(DSU,Data Service Unit)與信道服務單元(CSU,Channel Service Unit),前者執行碼型和電平轉換、定時、信號再生和同步等功能;后者則執行信道均衡、信號整形和環路檢測等功能。,如前所述,計算機通信在不同的發展階段有其。

    4、不同的應用對象,為了說明數據鏈路控制的作用,在此再強調一下兩個術語:數據電路和數據鏈路26。數據電路是一條連接通信雙方的物理電路段(可以是線傳輸媒體,也可以是軟傳輸媒體),中間不包括任何交換節點。在進行數據通信時,兩臺計算機之間的通路往往是由許多物理電路鏈接而成的。,因此,物理電路在網絡中僅是一個基本單元,有時也可稱之為物理鏈路,或簡稱鏈路。但數據鏈路(DataLink)卻是另一個概念,它具備邏輯上的控制關系。在OSIRM的數據鏈路層上常用虛線來表示通信雙方的連接,這是因為在一條線路上傳送數據時,除了必須具有一條物理電路外,還必須有一些必要的協議、規程(Procedure或Protocol)來。

    5、控制這些數據的傳輸,把實現這些規程的硬件和軟件加到物理鏈路上,就構成了數據鏈路(參見圖4.1.1)。因此,數據鏈路就像一個數字通道,可以在數據鏈路上進行數據通信。當采用復用技術時,一條物理電路可以構成多條數據鏈路。,4.1.1 通信方式數據通信的傳輸是有方向性的,從通信雙方的信息交互方式和數據電路的傳輸能力來看,有以下三種基本方式:單工通信:即單方向通信,如電視廣播、無線廣播等,如圖4.1.2(a)所示。半雙工通信:即雙向交替通信,雙方不能同時通信;一方發送信息時,另一方只能接收信息,反之亦然,如圖4.1.2(b)所示。全雙工通信:即雙向同時通信,雙方能同時收發信息,如圖4.1.2(c)所示。。

    6、,全雙工通信可以是四線或二線傳輸。四線傳輸時,有兩條物理上獨立的信道,一條發送,一條接收;二線傳輸時,可以把兩個方向的信號采用頻分復用或時分復用等方法將信道的帶寬一分為二,或采用回波抵消技術使兩個方向的數據共享信道帶寬。,圖4.1.2 三種基本通信方式(a)單工通信;(b)半雙工通信;(c)全雙工通信,4.1.2 異步通信和同步通信在串行傳輸中,解決收、發端間字符傳輸的同步協調目前主要存在兩種方式:異步通信和同步通信。異步通信方式也稱起止式同步通信,它以字符為傳輸單位,不論字符所采用的代碼為多少位,在發送每一個字符代碼時,都要在前面加上一個起始位,該起始位的長度為1個碼元,極性為“0”,表示一。

    7、個字符的開始。在每個字符代碼的后面還要加上一個終止位,長度可選為1、1.5或2個碼元長度,極性為“1”,表示一個字符的結束。異步串行通信的字符如圖4.1.3所示。,圖4.1.3 異步串行通信的字符,字符可以連續發送,也可以單獨發送。當不發送字符時,保持“1”狀態。因此,每個字符的起始時刻可以是任意的,從這一意義上,收發端的通信具有異步性,但在同一字符內部,各碼元長度應是相同的。接收方可以根據字符之間從終止到起始的跳變,即由“1”變“0”的下降沿來識別一個字符的開始,然后從下降沿以后T2秒(T為接收方本地時鐘周期)開始每隔T秒進行取樣,直到取完整個字符,再來判斷一個個字符。,異步通信方式的優點是。

    8、實現字符同步比較簡單,收發雙方的時鐘信號不需要嚴格同步;缺點是不適宜高速率的數據通信,且對每個字符都需加入起始位和終止位,因而傳輸效率低。如字符采用國際5號碼,起始位為1位,終止位為1位,并采用1位奇/偶校驗位,則傳輸利用率僅為70。,異步通信方式的優點是實現字符同步比較簡單,收發雙方的時鐘信號不需要嚴格同步;缺點是不適宜高速率的數據通信,且對每個字符都需加入起始位和終止位,因而傳輸效率低。如字符采用國際5號碼,起始位為1位,終止位為1位,并采用1位奇/偶校驗位,則傳輸利用率僅為70。,同步通信方式要比異步通信方式復雜,它是以固定的時 鐘節拍來發送數據信號的,因此在一個串行數據流中,各信號碼元。

    9、之間的相對位置是固定(同步)的。接收端為了從接收到的數據流中正確地區分一個個信號碼元,必須具有與發送端一致的時鐘信號。在同步通信方式中,發送的數據一般以組(Block)或幀(Frame)為單位。通常一組(或幀)數據包含多個字符代碼或多個比特,在其前、后分別加上控制字段和校驗字段,如圖4.1.4所示。,圖4.1.4 同步串行通信的字符,同步方式有比特同步、字符同步和幀同步等。與異步通信方式相比,由于它發送每一字符時不需要單獨加起始位和終止位,具有較高的傳輸效率,故現代數據通信,特別是高速環境下,主要采用同步通信。,4.1.3 傳輸代碼由數據終端設備發出的數據信息一般都是字母、數字或符號的組合。為。

    10、了傳遞這些信息,首先需將這些字母、數字或符號用二進制數“0”或“1”的組合,即二進制代碼來表示(在OSI參考模型上位于表示層)。目前常用的傳輸代碼有:國際5號碼、國際電報2號碼、EBCDIC碼和信息交換用漢字代碼。,1. 國際5號碼國際5號碼是一種7單位代碼,以7位二進制碼來表示一個字母、數字或符號,最早是美國國家標準化協會在1963年提出的,稱為美國信息交換用標準代碼(ASCII,American Standard Code for Information Interchange),后被ISO和ITUT采納并發展成為國際通用的信息交換用標準代碼。表4.1.1列出了國際5號碼編碼表。,7位二進。

    11、制共有128個代碼,可表示128個不同的字母、符號和數字。其中,32個作為控制字符使用,它們只產生控制功能,不可被顯示或打??;其余均為顯示或打印用的圖形字符,包括大、小寫英文字母各26個,數字10個,以及其他圖形符號33個。,表4.1.1 國際5號碼編碼表,2. 國際電報2號碼國際電報2號碼(ITA2)是一種5單位代碼,又稱為博多(Baudot)碼,是起止式電傳電報通信中的標準代碼,目前仍在采用普通電傳機作終端的低速數據通信系統中使用。5單位碼共有32種組合,另外還有兩個轉移控制碼“字母(Letter)”和“數字(Figure)”使其隨后的代碼改變意義,用于區分數字和字母。因此,國際電報2號碼。

    12、可表示64種字符,實際只用58個傳輸碼字,包括字母、數字、符號和控制符。,3. EBCDIC碼EBCDIC碼是擴充的二-十進制碼的簡稱,是由IBM公司提出的一種8單位代碼。由于第8位用于擴充功能,不能作奇偶校驗,故這種碼一般作為計算機的內部碼使用。4.信息交換用漢字代碼信息交換用漢字代碼是漢字信息交換用的標準代碼,它適用于一般的漢字處理、漢字通信等系統之間的信息交換。漢字用兩個字節表示,每個字節均采用國家標準GB1988-80“信息處理交換用的七位編碼字符集”的7單位代碼。,4.2 數據通信接口特性,4.2.1 通信接口的機械特性10DTE和DCE之間的接口首先涉及用于多線互連的接插件的機械特。

    13、性,它規定了接插件的幾何尺寸和引線排列,如圖4.2.1所示。幾種常用的接插件規格及其應用環境如表4.2.1所示。,圖4.2.1 通信接口機械特性(接插件的幾何尺寸和引線排列),表4.2.1 接插件規格和應用環境,4.2.2 通信接口的電氣特性電氣特性描述了通信接口的發信器(驅動器)、接收器的電氣連接方法及其電氣參數,如信號電壓(或電流)、信號源、負載阻抗等。ITUTV系列建議的V.28、V.10、V.11及X系列的X.26、X.27都是描述有關電氣特性的,其中V.10與X.26,V.11與V.27具有相同的特性,參見表4.2.2。表4.2.2中給出的數據傳輸率是參考值,它與DTE/DCE間電纜。

    14、的長度和類型有關。,表4.2.2 通信接口的電氣特性,V.28為不平衡接口,通過其公共的信號地線構成回路引起的串音會隨工作速率增大而增加,所以V.28的傳輸速率限制在20kb/s(目前已能達到33.6kb/s)之內。V.10/X.26所規定的電氣連接為準平衡雙流接口電路,發信器G為不平衡驅動電路,而接收端為差動平衡輸入電路。若DTE側為不平衡驅動,其公共回線為Ga;同樣DCE側的不平衡驅動電路,其公共回線則為Gb。當電纜長度為10m時,其速率可達100kb/s,若電纜長度為1000m時,則速率小于1kb/s。,V.11/V.27為平衡接口電路,即一對信號線對地平衡,當電纜長度為10m時,工作速。

    15、率可達10Mb/s,而電纜長度為1000m時,工作速率可達100kb/s。發信器的輸出電壓Uaa0.3V時,則為二進制數據“0”或控制、定時端口為“ON”(連通)狀態。V.28接口常用的集成電路芯片型號:發信器(驅動電路)為SN75188或MC1488;而接收器為SN75189或MC1489;V.10則采用SN75157、SN75158;V.11則采用SN75174、SN75175。,4.2.3 通信接口的功能特性通信接口的功能特性描述了接口執行的功能,定義接插件的每一引線(針,Pin)的作用。通常,按功能特性可將端口歸為四類:數據線、控制線、定時線和地線。ITUTV.24建議定義了V系列接口。

    16、電路的名稱及功能,而X.24建議則定義了X系列接口電路的名稱及功能。V.24(100系列)和V.24(200系列)接口電路的名稱和功能分別如表4.2.3、表4.2.4和表4.2.6所示。V.24建議接口功能定義了100系列接口電路和200系列接口電路。100系列接口電路可用于DTE與Modem、DTE與串行自動呼叫自動應答器(DCE)之間的接口電路。,表4.2.4 V.24(200系列)接口電路的名稱及功能,200系列接口電路適用于DTE和并行自動呼叫器(ACE)間的接口電路。V.24建議為每一種控制功能定義了一系列接口電路,因此,其接口電路的數量很多,不利于增加新的功能。X.24建議則采用了。

    17、多重復用一條接口線的方法來減少接口線的數量,而且增加和修改接口的控制功能時不需要增加接口電路。X.24接口控制功能是通過C、I、T、R四條線的接口電路的共同協作來完成的,因此,X.24接口要求DTE和DCE設備能夠根據控制的要求,發送、接收和識別相應的字符串信號,比較復雜。,1.V.24100系列接口電路(1)信號地線和公共回線:V.24定義了四根信號地線或公共回線,即102、102a、102b、102c,其中102是最基本的,它為V.28非平衡接口電路建立信號公共回線,為V.10、V.11接口提供直流基準電位。102a(DTE公共回線)和102b(DCE公共回線)只是與V.10接口電路配合使。

    18、用。(2)數據電路:103為發送數據電路,104為接收數據電路;而118為發送反向信道數據電路,119為接收反向信道數據電路。,(3)控制電路:V.24定義的控制電路較多,都是為實現通信規程的控制和測試的需求而建立的。107、108/2用于由DCE和DTE分別向對方通知本端所處的狀態,108/1用于實現DTE對DCE的控制。105和106用于實現DTE和DCE之間開始或結束數據傳輸的過程控制。105為ON狀態,表示DTE請求發送數據,若DCE同意DTE要求,它可以將106置為ON狀態予以肯定回答。109線用于監視通信線路和DCE設備的工作狀態。,(4)定時電路。在同步通信方式中,接口需要定時信。

    19、號,以利于數據電路(收、發)保持同步,確保數據信息的正確識別和接收。在實際應用中,發送和接收碼元的定時只需要由DTE或DCE一側提供,例如,由DCE提供發信碼元定時和收信碼元定時可分別用114、115。由表4.2.3可知,數據、控制和定時電路的每一線均有流向指示。上述的定義均是從DTE一側作出的。如DTE的103表示從DTE向DCE發送數據的電路,相對來講,在DCE側,103實際上是接收數據電路,但仍稱作“發送數據電路”,此時,103含義是指該端子應與DTE的103端相連接。,2. V.24200系列接口電路200系列接口電路用于DTE和帶有ACE(自動呼叫設備)的DCE之間的接口電路,其接口。

    20、電路功能如下:201為信號地線或公共回線。202為呼叫請求,DTE用此線控制DCE中ACE與線路接通(202“ON”)或斷開(202“OFF”)。203為數據線路占線指示,由DCE告知DTE有關數據線路的狀態。203為“ON”表示線路忙;203為“OFF”,則表示線路空閑,DTE可呼叫。,204指示遠端站已接通,由DCE通知DTE表示遠端站已接通。205為放棄呼叫,由DCE通知DTE撥完號后超時而線路尚未接通,DTE應當放棄呼叫。206209為DTE向DCE發送的撥號號碼(十進制數)和控制字符的編碼組合,如表4.2.5所示。,表4.2.5 呼叫數字編碼,表中控制字符END表示撥號號碼結束,使D。

    21、CE等待呼叫數據站的應答??刂谱址鸖EP表示使ACE插入適當的時間間隔,例如,小交換機用戶撥外線時,在“0”之后需有一個停頓時間,才允許撥下一串呼叫號碼,此時可插入SEP來實現此停頓時間。210表示呈現下一個數字,由DCE通知DTE,ACE已做好接收一個數字的準備。211為數字呈現,由DTE通知DCE,撥號數字已經呈現在206209上,DCE可以讀取數字。213為電源指示。,3.X.24接口電路表4.2.6給出了X.24(X.21、X.20)接口電路的功能。(1)信號地線或公共回線(G、Ga、Gb)的含義與V.24的102、102a、102b相對應。(2)數據電路中各線功能如下:發送線T:DT。

    22、E使用T向DCE發送用戶的數據和控制信號,DCE監視和檢測接口的狀態,并依據接口規程實現接口的過程控制。,表4.2.6 CCITTX.24(X.21、X.20)系列接口電路的名稱及功能,接收線R:DCE使用R向DTE發送來自遠端DTE的數據,并依據規程向DTE發送控制信號。DTE監視與檢測該電路狀態,并依據規程實現通信規程控制。(3)控制電路中各線功能如下:控制線C:DTE使用C的狀態和T的編碼,指示數據傳輸階段和各種控制信號。指示線I:DCE使用I的狀態和R的編碼,指示數據傳輸階段和各種控制信號。,(4) 定時電路中各符號的功能如下:信號碼元定時S:DCE使用S向DTE提供比特定時信號,它是。

    23、周期性信號。當S狀態由OFF到ON躍變時,T、C、R、I應處于穩定狀態。字節定時B:DCE使用B向DTE提供字節(8比特)定時信號。在字節的最后一個比特期間,S處于ON狀態,B處于OFF狀態;在其他所有時間,B為ON狀態。,幀開始定時F:當連接多路復用的DTE/DCE接口時,由DCE向DTE提供F。在復用幀的最后1個比特期間,F處于OFF狀態,其他時間為ON狀態。DTE信號碼元定時X:DTE用X向DCE提供碼元定時,X線也是周期性信號。當X由OFF到ON躍變時,T、C應處于穩定狀態。,4. X.21建議X.21建議定義了在公用數據網上提供同步通信的DTE/DCE之間的接口,它是X.24的一個子。

    24、集。X.21建議接口的電氣特性在DCE側應符合X.27建議,在DTE側應符合X.27或X.26建議,且要求采用15芯接插件。當DTE和DCE用T、R、C、I發送二進制數“1”或“0”作控制狀態時,其發送時間應至少持續24比特,而監測該狀態的時間應是16個連續的“1”或“0”。,5. X.20建議X.20建議定義了在公用數據網上提供異步通信的DTE和DCE之間的接口,它也是X.24的一個子集。X.20建議的電氣特性在DCE側應符合X.26建議,而在DTE側應符合X.26或X.27建議,也可以是V.28建議的DTE。X.20建議中,接口的控制過程是由T和R傳輸控制字符的,這些用于呼叫控制的字符取自。

    25、T.50建議規定的國際5號碼(IA5)。X.20建議的功能特性參見表4.2.6,接插件也采用15芯(ISO4903)。,ITUT還定義了X.21bis和X.20bis。X.21bis是指在公用數據網(PDN)上與同步V系列Modem接口的DTE操作規程,而X.20bis是在PDN上與異步全雙工V系列Modem接口的DTE操作規程,它們都是V.24的子集。,4.2.4 通信接口的規程特性通信接口的規程特性描述通信接口上傳輸時間與控制需要執行的事件順序。1. V.24接口電路的規程特性V.24建議的通信過程控制是由許多控制線的狀態變化來實現的,它還規定了各條控制線的定時關系?,F討論下列兩組控制電路。

    26、。(1)107(數據設備準備好)和108/1(數據設備可接至線路)或108/2(數據終端準備好)。這組電路用于控制DCE與通信媒體的連通。108/1或108/2表示由DTE發送控制命令,107則表示由DCE對控制命令作出響應。,108/1用于人工呼叫/應答站,而108/2用于自動呼叫/應答站,DTE只能選用其中一種。108/1從OFF到ON狀態,要求DCE(調制解調器)立即與線路接續;而108/2從OFF到ON狀態,還須有125處于ON狀態,表示自動呼叫/應答站已準備好,才能使調制解調器與線路接續。107為ON狀態,表示DCE已接通線路,并準備好與DTE進一步交換控制信號。108/1或108/。

    27、2線一旦為OFF狀態,表示DTE要求拆線,且在107線斷開之前,不能再次轉為接通狀態。,圖4.2.2 V.24接口的規程特性,(2)105(請求發送)和106(準備發送)。這一組電路用于線路接續完成之后控制DTE和DCE之間數據的發送和接收過程。DTE通過置105為ON狀態,表示它要求發送數據。DCE檢測到105為ON狀態后就進入發送方式,且通知遠地的DCE,調整到它可以接收數據的狀態。DCE置106為ON狀態,向DTE表明它已做好發送數據的準備。DTE通過將105置為OFF狀態,表示要求終止發送數據,DCE則置106為OFF狀態,予以響應,并且在106為OFF狀態之前,105不能再次被置為O。

    28、N狀態。,下面以一個調制解調器半雙工通信為例,說明其操作順序,如圖4.2.2所示。當107線為ON狀態時,若105也處于ON狀態,DCE向對方發送載頻,經過時延t1(約數十至數百毫秒)后,將106置為ON狀態,DTE就可以用103發送數據。當107接通后,若105仍處于OFF狀態,則DCE開始檢測線路上輸入的載頻信號。一旦測到載頻信號,表示遠端要求發送數據,經過一定時延后,由DCE將109置為ON狀態,通知DTE準備在104上接收數據。圖中省略了呼叫的撥號過程。,2. X.21接口電路的規程特性X.21接口電路是X.24的一個子集,在電路交換數據網、分組交換數據網中用得較多,其規程特性規定了D。

    29、TE/DCE的T、R、C、I接口線的使用方法,以及接口的靜止狀態和轉移狀態。(1) 靜止狀態:DTE有3種靜止狀態,它取決于T、C的狀態。當T“1“、C“OFF”時,表示DTE準備好;當T“0”、C“OFF”時,表示DTE未準備好;當T“01”、C“OFF”時,即T上出現連續的01比特,則表明DTE可工作,但暫不能接入呼叫。,DCE有2種靜止狀態,它取決于R、I的狀態。當R“1”、I“OFF”時,表示DCE準備好;當R“0”、I“OFF”時,則表示DCE未準備好。(2)轉移狀態:根據DTE、DCE轉移狀態的組合,ITUT規定的X.21轉移狀態如圖4.2.3所示。圖中圓圈表示狀態,圓的上半部表示。

    30、狀態名,下半部列出了T、C、R、I。由此可見,X.21狀態轉移圖共有6個狀態:,A狀態 11:DTE、DCE準備好;B狀態 10:DTE準備好,DCE未準備好;C狀態 011:DTE受控未準備好,DCE準備好;D狀態 01:DTE未準備好,DCE未準備好;E狀態 010:DTE受控未準備好,DCE未準備好;F狀態 00:DTE、DCE均未準備好。,圖4.2.3 X.21狀態轉移圖,圖中引起狀態轉移的策動設備(如DTE或DCE)均注在箭頭旁。例如,從B狀態轉移到A狀態,是由DCE引起的,DCE從未準備好狀態轉移到準備好狀態。X.21同時規定DTE和DCE用T、C、R、I作控制時,發送時間應至少持。

    31、續24比特,而檢測該狀態的時間是16個連續的“0”或“1”。表4.2.7列出了X.21的規程特性示例及其呼叫建立和釋放規程中T、C、R、I上所傳送的控制信息,并且與打電話過程作了類比。,X.21接口的工作解釋如下:初始狀態,即DTE、DCE均處于準備好狀態。主叫DTE發起呼叫設置T0,C“ON”。若本地DCE接受此呼叫,則在R線上向主叫DTE連發ASCII碼字符“”,表示數字撥號音,通知主叫可以撥號。主叫DTE在T線傳送被叫地址字符串。,本端的DCE將地址信息傳送到遠端的DCE后,由遠端的DCE向被叫DTE發控制字符“BEL”進行振鈴。與此同時,本地DCE向主叫DTE發回呼叫進展信號。ITUT。

    32、的X.96建議規定呼叫進展信號由兩位數字表示,反映呼叫的結果,如“呼叫接通”、“被叫占線”或“網絡擁擠”等。若呼叫成功,則本地DCE置R1,I“ON”,通知DTE可以開始發送數據。全雙工數據通信建立后,雙方可通過T、R發送和接收數據。,數據傳輸結束后,主叫DTE令C“OFF”,T“0”,向DCE表示不再發送數據,但此時仍能接收對端發來的數據。本地DCE隨后令I“OFF”,作為對DTE的響應,當被叫DTE也將C置OFF時,本地DCE可置R1,相當于掛機。主叫DTE收到R1后,即置T1,至此又回到線路空閑狀態。,表4.2.7 X.21規程特性示例,DTE的入呼叫過程和上述的出呼叫過程類似。若入呼叫。

    33、過程和出呼叫過程同時發生,則應取消入呼叫,而讓出呼叫繼續執行。在DTE與DCE傳送控制信息時,前后必須傳送至少兩個以上的同步字符SYN,以確保實現同步。上述的X.21規程特性適用于全數字的電路交換網。為使基于V.24/RS232C的設備易向X.21接口標準過渡,ITUT制定了X.21bis建議(其中bis是法文“替代”的意思),這時DCE應采用同步工作方式的調制解調器。,4.3 數據鏈路控制的基本概念,4.3.1 物理鏈路的基本結構由計算機和通信的各自發展進程可知,直接連接一詞是指兩臺設備之間的傳輸信道為直接連接的通信形式。例如,兩臺計算機的直接連接如圖4.3.1(a)所示,常稱點-點連接;多。

    34、臺計算機的直接連接如圖4.3.1(b)所示,常稱多點連接。,圖4.3.1 物理鏈路的結構(a)點-點連接;(b)多點連接,物理鏈路的基本結構可分為兩種:點-點鏈路和多點鏈路。數據鏈路兩端的DTE可以是計算機或終端,也可是路由器或交換設備。從鏈路邏輯功能的角度來看,這些設備可稱為站;從網絡拓撲結構的觀點來看,則常稱之為節點(Node)。1)點-點鏈路在點-點鏈路中,發送信息或命令的站常稱為主站(Primary,可簡寫成P),接收信息和命令而發出確認信息或響應的站稱為從站(Secondary,可簡寫成S);兼有主、從站功能,可發送命令或響應的站稱為復合站。,2) 多點鏈路在多點鏈路中,往往有一站為。

    35、控制站,主管數據鏈路的信息流,并處理鏈路上出現的不可恢復的差錯情況;其余各站則為受控站。多點鏈路早先用于面向終端的計算機系統,隨著計算機通信技術的發展,現已廣泛用于計算機局域網、無線分組網和衛星分組網。,4.3.2 數據鏈路控制的功能數據鏈路最重要的作用就是:通過一些數據鏈路控制規程(即數據鏈路層協議),在不太可靠的、有外來干擾的物理鏈路上實現可靠的、幾乎無差錯的數據傳輸。依照OSI參考模式,可將數據鏈路層的主要功能歸納為以下7類。,1.幀同步(Frame Synchronous)在數據鏈路層,數據的傳送單元是幀(Frame)。數據一幀一幀地依次傳送,這樣在傳輸中一旦出現差錯,只需將有差錯的幀。

    36、再重傳一次,而無須將全部數據都進行重傳,尤其適合于傳輸長的數據文件。幀同步是指收方應能從收到的比特流中準確地判斷出一幀的開始和結束,以便協調收發方之間的工作。,2.尋址(Addressing)在點-點鏈接的環境中,如X.25幀級的尋址方式,尋址方式比較單一;但在多點鏈接的情況下,必須設置保證每一幀正確送到的收方地址及發方地址,以便收方知道是哪一個站點發送的幀。3.流量控制(Flow Control)流量控制應確保通信的基本要求,即發方的發送數據速率必須不能超過收方及時接收和處理的能力。當收方來不及接收時,就必須采取相應的措施來控制發方發送數據的速率。,4.差錯控制(Error Control)。

    37、在計算機一類數據通信中,一般都要求有極低的比特差錯率,為此廣泛采用了編碼技術。編碼技術有兩大類:一類是糾錯編碼,即前向糾錯。收方收到有差錯的數據幀時,能夠發現差錯并能自動加以改正。這種方法的開銷較大,適合于使用衛星中繼的計算機通信。另一類是檢錯編碼,即檢錯重發。收方一旦檢測出收到的幀中有差錯(但并不關心是哪幾個比特有錯),就要求發方重復發送這一幀,以便收方能正確接收。這種方法在計算機通信中是最常用的。本章所要討論的協議主要采用檢錯重發這種差錯控制方法。,5.數據和控制信息的識別(Identification)由于數據和控制信息都是在同一信道中傳送的,在許多情況下,數據和控制信息處在同一幀中,因。

    38、此,一定要有相應的辦法使收方能夠將它們區分開來,這就是數據和控制信息的識別。6.透明傳輸(Transparent Transmission)所謂透明傳輸,就是不管所傳數據是什么樣的比特組合,都應當能夠在物理鏈路上傳送。當所傳數據中的比特組合恰巧與某一個控制信息完全一樣時,就必須采取適當的措施,使收方不會將這樣的數據誤認為是某種控制信息,即保證了數據鏈路的傳輸具有透明性。,7.鏈路管理(Link Management)當網絡中的兩個節點要進行通信時,數據的發方必須確知收方是否已在準備接收的狀態。為此,通信的雙方必須先交換一些必要的控制信息,或者說,必須先建立一條數據鏈路。同樣地,在傳輸數據時應當。

    39、維持數據鏈路,而在通信完畢時要釋放數據鏈路。數據鏈路的建立、維持和釋放過程就叫做鏈路管理。,上述的數據鏈路控制功能與其數據鏈路控制協議(規程)密切相關,不同的網絡具有不同的通信協議(規程)。本章討論的重點是廣域網的數據鏈路控制協議(規程),而局域網的數據鏈路控制協議(規程)比廣域網的更為復雜,我們將在介紹局域網時再進行講述。,4.4 數據鏈路控制協議機理與分析,4.4.1 停止等待協議在廣域網數據鏈路層上,最簡單、最基本的數據鏈路控制協議是停止等待(StopandWait)協議。為敘述方便起見,我們假設數據以幀(Frame)為單元傳輸,并且數據鏈路為半雙工傳輸方式,如圖4.4.1所示,僅由節點。

    40、A向節點B發送數據,節點B向節點A回送確認。,圖4.4.1 停止等待協議的通信過程,1.停止等待協議的特征描述停止等待協議的特征是:當節點A發出一個數據幀后,必須停止發送,等待節點B的應答(Acknowledgement,ACK)。如果節點B收到數據幀后,經檢驗無差錯,則回送一應答(確認)幀通知節點A,節點A才能發送下一個數據幀,這種處理稱之為正證實。1)正常情況所謂正常情況,是指在傳輸過程中,任何幀都不會出錯或被丟失,這是一種理想情況。如圖4.4.1所示,主機A將原文送到節點A,以數據幀格式通過數據電路傳到節點B。節點B收到數據幀后,經驗證無誤,應立即執行下列操作:,(1) 把數據幀送往主機。

    41、B。(2) 向節點A回送一個應答幀(ACK)確認。下面從時間順序對傳輸一個數據幀的簡單過程來分析停止等待協議的特征。設t1為數據幀傳輸第1比特的開始時刻,t2為第1比特到達節點B的時刻,t3為數據幀最后1比特到達的時刻,則數據幀的傳播時間tp為,(4.1),式中,l為節點AB間的傳輸距離(km);v為電波速度,一般在線媒質中取為2105km/s。,數據幀的傳輸時間tF為,(4.2),式中,設F為數據幀長度(bit),C為數據傳輸速率(b/s)。又設每個幀F由控制信息和數據信息兩個部分組成,即,式中,H為控制信息的比特數,D為每幀數據信息的比特數。節點A和B處理幀的時間tproc為tproc=t。

    42、4-t3=t7-t6,應答幀(ACK)的傳輸時間tA為,式中,A為應答幀長度。因此,停止等待協議傳輸一個數據幀中D比特數據的信道利用率U為,(4.3),如果在純理想的條件下,即既不考慮數據傳輸時間又忽略傳播時延,不計確認幀的開銷,則信道利用率U僅與幀的結構F=H+D有關。例如,設幀F的D長度為128字節,而H為6字節,由此可算得U=95.5%。與異步通信方式傳輸一個字符的信道利用率U=70%相比較,可見以幀為單元的同步通信的信道利用率有了較大的改善。,2) 非常情況現在,我們再來討論節點A與B之間的數據傳輸有可能出現差錯的情況。其差錯具體表現在以下兩方面:(1)節點A向節點B發送數據幀時,在傳。

    43、送中受到干擾出錯或丟失數據。(2)節點B收到數據幀后,回送出ACK幀,在BA的傳輸過程中,受到干擾出錯或丟失數據。,這兩方面的問題都致使節點A將一直等不到ACK確認幀,因此,節點A也就永遠無法繼續發送下一個幀,這就形成了死鎖(DeadLock)。解決上述問題的辦法是在節點A設置一個定時器T1,它的預定時間為t0。當發出一個數據幀后,立即啟動定時器T1。若在預定時間t0內,節點A能收到ACK,則可繼續正常傳送下一個待發幀。若在預定時間內收不到ACK,即超時(TimeOut),則節點A由此可判定應重發數據幀。,定時器的t0值必須不小于節點A與B之間來回傳播的時間,即節點A與B發、收幀的處理時間以及。

    44、回送確認幀ACK的傳輸時間,也即t0(2tp+2tproc+tA)。很明顯,如果t0(2tp+2tproc+tA),則有可能在回送ACK的行程中,節點A的定時器已超時,誤認有錯而重發,這樣在節點B將會收到第二份相同的數據幀,形成重復幀,這是在數據鏈路控制協議中要采取措施解決的又一問題。,要解決重復幀的問題,行之有效的方法是對每一個發出的數據幀都編上號。若接收端收到相同編號的幀,可認為出現了重復幀,這時應當丟棄這一重復幀,與此同時,節點B仍需向節點A發送確認幀ACK,表明上一次發送的ACK已受干擾或丟失,并未送到節點A。,接著要考慮的問題是如何選用編號方案。對于停止等待協議,節點A每次只能發一個。

    45、數據幀,所以只需用1bit的兩個狀態0、1加以編號即可。在正常的數據幀交換過程中,幀的序號0、1交替出現。每發送一個新的數據幀,編號值與上一次不同,收方就能區分出新的或重復的數據幀。,2. 停止等待協議的定量分析 現在我們來對上述的停止等待協議作定量分析??紤]到傳輸差錯的影響,若某幀被干擾或丟失,設定時器的時限為T,則不成功傳輸所占用的傳輸容量Q1為F+CT。如果每幀重發平均次數為R,那么含R個廢幀、一個正確幀的信道總容量Q0為Q0=R(F+CT)+(F+A+2CI) 式中,I=tp+tproc。那么,考慮到傳輸差錯影響的信道利用率U0為,現在再計算每幀重發的R。設p1為丟失某一數據幀的概率,p2為丟失1個ACK的概率。當數據幀和ACK幀兩者均被正確接收,即幀發送成功的概率為(1-p1)(1-p2)時,顯然有故障的概率p為1-(1-p1)(1-p2),在k次試驗中有k-1次重發的概率為(1-p)pk-1,則每幀傳送的平均數R為,。

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