第4章數(shù)據(jù)通信接口及鏈路控制改

1、第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 第第4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 4.2 數(shù)據(jù)通信接口特性數(shù)據(jù)通信接口特性 4.3 數(shù)據(jù)鏈路控制的基本概念數(shù)據(jù)鏈路控制的基本概念 4.4 數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議機理與分析數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議機理與分析 4.5 差錯控制差錯控制 4.6 高級數(shù)據(jù)鏈路控制高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)規(guī)程規(guī)程 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 典型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)電路和兩側(cè)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備所組成，如圖4.1.1所示。在ITU的系列建議中，數(shù)

2、據(jù)終端設(shè)備(DTE)泛指智能終端(各類計算機系統(tǒng)、服務(wù)器)或簡單終端設(shè)備(如打印機)，內(nèi)含數(shù)據(jù)通信(或傳輸)控制單元。數(shù)據(jù)電路包含傳輸介質(zhì)及兩端的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備(DCE，Data Circuit Terminating Equipment)。服務(wù)器 (DTE)傳輸介質(zhì)計算機系統(tǒng)(DTE)通信接口通信接口(DCE)(DCE)主機通信控制器數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備傳輸信道通信控制器服務(wù)器數(shù)據(jù)電路數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備圖4.1.1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 如前所述，計算機通信在不同的發(fā)展階段有其不同的應(yīng)用對象，為了說明數(shù)據(jù)鏈路控制的作用

3、，在此再強調(diào)一下兩個術(shù)語：數(shù)據(jù)電路和數(shù)據(jù)鏈路26。數(shù)據(jù)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(jié)點。數(shù)據(jù)鏈路是在數(shù)據(jù)電路已建立的基礎(chǔ)上，通過發(fā)送方和接收方之間交換“握手”信號， 使雙方確認(rèn)后方可開始傳輸數(shù)據(jù)的兩個或兩個以上的終端裝置與互連線路的組合體。 當(dāng)采用復(fù)用技術(shù)時，一條物理電路可以構(gòu)成多條數(shù)據(jù)鏈路。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.1.1 通信方式 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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.

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(fā)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(fā)信息，如圖4.1.2(c)所示。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 圖4.1.2 三種基本通信方式(a)單工通信；(b)半雙工通信；(c)全雙工通信傳 輸 方 向A-B傳 輸 方 向BAB-A傳 輸 方 向A-B傳 輸 方 向BAB-A傳 輸 方 向(a)(b)(c)第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.1.2 異步通信和同步通信 在串行傳輸中，解決收、發(fā)端間字

5、符傳輸?shù)耐絽f(xié)調(diào)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(fā)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(jié)束。異步串行通信的字符如圖4.1.3所示。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 圖4.1.3 異步串行通信的字符 字 符起 始 位終 止 位校 驗 位傳 輸 方 向第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路

6、控制 異步通信方式的優(yōu)點是實現(xiàn)字符同步比較簡單，收發(fā)雙方的時鐘信號不需要嚴(yán)格同步；缺點是不適宜高速率的數(shù)據(jù)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。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 同步通信方式要比異步通信方式復(fù)雜，它是以固定的時 鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號的，因此在一個串行數(shù)據(jù)流中，各信號碼元之間的相對位置是固定(同步)的。接收端為了從接收到的數(shù)據(jù)流中正確地區(qū)分一個個信號碼元，必須具有與發(fā)送端一致的時鐘信號。在同步通信方式中，發(fā)送的數(shù)據(jù)一般以組(Block)或

7、幀(Frame)為單位。通常一組(或幀)數(shù)據(jù)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。 信息字段校驗字段控制字段傳輸方向圖4.1.4 同步串行通信的字符 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 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(fā)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(xiàn)代數(shù)據(jù)通信，特別是高速環(huán)境下，主要采用同步通信。 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.1.3 傳輸代碼 由數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)信息一般都是字母、數(shù)字或符號的組合。為了傳遞這些信

8、息，首先需將這些字母、數(shù)字或符號用二進制數(shù)“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。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 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(shù)字或符號，最早是美國國家標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會在1963年提出的，稱為美國信息交換用標(biāo)準(zhǔn)代碼(ASCII，American Standard Code for Information Interchange)，后被ISO和ITUT采納并發(fā)展成為國際通用的信息交換用標(biāo)準(zhǔn)代

9、碼。表4.1.1列出了國際5號碼編碼表。 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 表4.1.1 國際5號碼編碼表 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.2 數(shù)據(jù)通信接口特性數(shù)據(jù)通信接口特性 4.2.1 通信接口的機械特性10 DTE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性，它規(guī)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(guī)格及其應(yīng)用環(huán)境如表4.2.1所示。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 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) 13257114EIA RS

10、232-C(D15芯9芯X.21EIA RS232-C兼容35芯V.35第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 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(fā)信器(驅(qū)動器)、接收器的電氣連接方法及其電氣參數(shù)，如信號電壓(或電流)、信號源、負(fù)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(guān)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(shù)據(jù)傳輸率是參考值，它與DTE/DCE間電纜的長度和類型有關(guān)。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈

11、路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.3 數(shù)據(jù)鏈路控制的基本概念數(shù)據(jù)鏈路控制的基本概念 4.3.1 物理鏈路的基本結(jié)構(gòu) 由計算機和通信的各自發(fā)展進程可知，直接連接一詞是指兩臺設(shè)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；多臺計算機的直接連接如圖4.3.1(b)所示，常稱多點連接。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 圖4.3.1 物理鏈路的結(jié)構(gòu)(a)點-點連接；(b)多點連接DTEDTE(a)(b)第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 物理鏈路的基本結(jié)構(gòu)可分為兩種：點-點鏈路和多點鏈路。數(shù)

12、據(jù)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(shè)備。從鏈路邏輯功能的角度來看，這些設(shè)備可稱為站;從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的觀點來看，則常稱之為節(jié)點(Node)。 1)點-點鏈路 在點-點鏈路中，發(fā)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(fā)出確認(rèn)信息或響應(yīng)的站稱為從站(Secondary，可簡寫成S)；兼有主、從站功能，可發(fā)送命令或響應(yīng)的站稱為復(fù)合站。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 2) 多點鏈路 在多點鏈路中，往往有一站為控制站，主管數(shù)據(jù)鏈路的信息流，并處理鏈路上出現(xiàn)的不可恢復(fù)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

13、端的計算機系統(tǒng)，隨著計算機通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛用于計算機局域網(wǎng)、無線分組網(wǎng)和衛(wèi)星分組網(wǎng)。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 上述的數(shù)據(jù)鏈路控制功能與其數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(規(guī)程)密切相關(guān)，不同的網(wǎng)絡(luò)具有不同的通信協(xié)議(規(guī)程)。本章討論的重點是廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(規(guī)程)，而局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(規(guī)程)比廣域網(wǎng)的更為復(fù)雜，我們將在介紹局域網(wǎng)時再進行講述。 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.4 數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議機理與分析數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議機理與分析 4.4.1 停止等待協(xié)議 在廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層上，最簡單、最基本的數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議是停止

14、等待(StopandWait)協(xié)議。為敘述方便起見，我們假設(shè)數(shù)據(jù)以幀(Frame)為單元傳輸，并且數(shù)據(jù)鏈路為半雙工傳輸方式，如圖4.4.1所示，僅由節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點B向節(jié)點A回送確認(rèn)。 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 圖4.4.1 停止等待協(xié)議的通信過程 A數(shù)據(jù)幀應(yīng) 答 幀t1tBt5t6t2t3t4第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 1.停止等待協(xié)議的特征描述 停止等待協(xié)議的特征是：當(dāng)節(jié)點A發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后，必須停止發(fā)送，等待節(jié)點B的應(yīng)答(Acknowledgement,ACK)。如果節(jié)點B收到數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)檢驗無差錯，則回送

15、一應(yīng)答(確認(rèn))幀通知節(jié)點A，節(jié)點A才能發(fā)送下一個數(shù)據(jù)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(jié)點A，以數(shù)據(jù)幀格式通過數(shù)據(jù)電路傳到節(jié)點B。節(jié)點B收到數(shù)據(jù)幀后，經(jīng)驗證無誤，應(yīng)立即執(zhí)行下列操作： 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 (1) 把數(shù)據(jù)幀送往主機B。 (2) 向節(jié)點A回送一個應(yīng)答幀(ACK)確認(rèn)。 下面從時間順序?qū)鬏斠粋€數(shù)據(jù)幀的簡單過程來分析停止等待協(xié)議的特征。設(shè)t1為數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)?比特的開始時刻，t2為第1比特到達節(jié)點B的時刻，t3為數(shù)據(jù)幀最后1比

16、特到達的時刻，則數(shù)據(jù)幀的傳播時間tp為 21plttt (4.1) 式中，l為節(jié)點AB間的傳輸距離(km)；v為電波速度，一般在線媒質(zhì)中取為2105km/s。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 數(shù)據(jù)幀的傳輸時間tF為 31FFHDtttCC(4.2) 式中，設(shè)F為數(shù)據(jù)幀長度(bit)，C為數(shù)據(jù)傳輸速率(b/s)。又設(shè)每個幀F(xiàn)由控制信息和數(shù)據(jù)信息兩個部分組成，即FHD 式中，H為控制信息的比特數(shù)，D為每幀數(shù)據(jù)信息的比特數(shù)。 節(jié)點A和B處理幀的時間tproc為 tproc=t4-t3=t7-t6 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 應(yīng)答幀(ACK

17、)的傳輸時間tA為 65AAtttC式中，A為應(yīng)答幀長度。 因此，停止等待協(xié)議傳輸一個數(shù)據(jù)幀中D比特數(shù)據(jù)的信道利用率U為 222 ()DFApprocpproctDUttttFAC tt (4.3) 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 如果在純理想的條件下，即既不考慮數(shù)據(jù)傳輸時間又忽略傳播時延，不計確認(rèn)幀的開銷，則信道利用率U僅與幀的結(jié)構(gòu)F=H+D有關(guān)。例如，設(shè)幀F(xiàn)的D長度為128字節(jié)，而H為6字節(jié)，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。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控

18、制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 2) 非常情況 現(xiàn)在，我們再來討論節(jié)點A與B之間的數(shù)據(jù)傳輸有可能出現(xiàn)差錯的情況。其差錯具體表現(xiàn)在以下兩方面： (1)節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，在傳送中受到干擾出錯或丟失數(shù)據(jù)。 (2)節(jié)點B收到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 這兩方面的問題都致使節(jié)點A將一直等不到ACK確認(rèn)幀，因此，節(jié)點A也就永遠(yuǎn)無法繼續(xù)發(fā)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(jié)點A設(shè)置一個定時器T1，它的預(yù)定時間為t0。當(dāng)發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后，立即啟動定時器T1。若在預(yù)定

19、時間t0內(nèi)，節(jié)點A能收到ACK，則可繼續(xù)正常傳送下一個待發(fā)幀。若在預(yù)定時間內(nèi)收不到ACK，即超時(TimeOut)，則節(jié)點A由此可判定應(yīng)重發(fā)數(shù)據(jù)幀。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 定時器的t0值必須不小于節(jié)點A與B之間來回傳播的時間，即節(jié)點A與B發(fā)、收幀的處理時間以及回送確認(rèn)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(jié)點A的定時器已超時，誤認(rèn)有錯而重發(fā)，這樣在節(jié)點B將會收到第二份相同的數(shù)據(jù)幀，形成重復(fù)幀，這是在數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議中要采取措施解決的又一問題。第第4 4章章

20、數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 要解決重復(fù)幀的問題，行之有效的方法是對每一個發(fā)出的數(shù)據(jù)幀都編上號。若接收端收到相同編號的幀，可認(rèn)為出現(xiàn)了重復(fù)幀,這時應(yīng)當(dāng)丟棄這一重復(fù)幀,與此同時，節(jié)點B仍需向節(jié)點A發(fā)送確認(rèn)幀ACK，表明上一次發(fā)送的ACK已受干擾或丟失，并未送到節(jié)點A。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 接著要考慮的問題是如何選用編號方案。對于停止等待協(xié)議，節(jié)點A每次只能發(fā)一個數(shù)據(jù)幀，所以只需用1bit的兩個狀態(tài)0、1加以編號即可。在正常的數(shù)據(jù)幀交換過程中，幀的序號0、1交替出現(xiàn)。每發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)幀，編號值與上一次不同，收方就能區(qū)分出新的或重復(fù)的數(shù)據(jù)幀。

21、第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 2. 停止等待協(xié)議的定量分析 現(xiàn)在我們來對上述的停止等待協(xié)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(shè)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(fā)平均次數(shù)為R，那么含R個廢幀、一個正確幀的信道總?cè)萘縌0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為第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 現(xiàn)在再計算每幀重發(fā)的R。設(shè)p1為丟失某一數(shù)據(jù)幀的概率，p2為丟失1個ACK的概率。當(dāng)數(shù)據(jù)幀和ACK幀兩者均被正確

22、接收，即幀發(fā)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(fā)的概率為(1-p)pk-1，則每幀傳送的平均數(shù)R為0()(2)DUR FCTFACI(4.4)111(1)1kkRpkpp 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 所以，每個數(shù)據(jù)幀重發(fā)的平均次數(shù)R為 1pRp將式(4.5)代入式(4.4)，可得 0()(2)1DUpFCTFACIp(4.6) 為簡化分析，假設(shè)定時器的超時值T近似等于(A/C+2I)，那么信道利用率U0可化簡為01(1)1DUpCTHDHD (4.7) 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接

23、口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 上式表明停止等待協(xié)議的實際信道利用率U0與以下三個因素有關(guān)： (1)第一項D/(H+D)，表明幀內(nèi)附加控制信息標(biāo)題的大小H會直接影響U0的值，即使在正常情況下，為傳送數(shù)據(jù)位D也要考慮附加H時所引起的開銷。 (2)第二項(1-p)，表明在傳送過程中出現(xiàn)差錯的概率p決定著重發(fā)過程。也就是說，差錯概率越大，重發(fā)可能性越大，致使U0降低。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 (3)最后一項 是協(xié)議的控制過程所引起的開銷，每發(fā)送一數(shù)據(jù)幀，要等待T才能發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀，因此T值越大，其U0越低。 當(dāng)式(4.7)中的HD，且CTF時，該式就簡化為U

24、(1-p)，說明信道利用率U取決于故障的概率p。由以上分析可知，停止等待協(xié)議很簡單，但信道利用率不高。 11()CT HD第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 3. 停止等待協(xié)議的算法 下面用程序語言來闡述停止等待協(xié)議的算法。為了討論方便，仍設(shè)數(shù)據(jù)鏈路為半雙工通信方式，僅由節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)幀，節(jié)點B接收數(shù)據(jù)幀，并假定只回送ACK確認(rèn)幀。發(fā)送節(jié)點A內(nèi)設(shè)發(fā)送狀態(tài)變量V(S)，接收節(jié)點B內(nèi)設(shè)接收狀態(tài)變量V(R)。V(S)的值表示下一個待發(fā)送的幀序號，V(R)的值表示期望接收的幀序號。停止等待協(xié)議基本的收發(fā)過程如圖4.4.2所示。其工作過程解釋如下：第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與

25、鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 圖4.4.2 停止等待協(xié)議(半雙工傳輸方式)基本的收發(fā)過程 ABV(S) V(R)V(S) V(R)000001000001IN(S)=0RRN(R)=1RRN(R)=0IN(S)=1第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 (1)經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路初始化后，V(S)、V(R)分別置于0。 (2)對停止等待協(xié)議的V(S)、V(R)，若用1bit編號，只能是0、1兩個值。 (3)節(jié)點A每發(fā)送一個新幀，在其控制字段中填上N(S)值，此值取自V(S)。圖中節(jié)點A發(fā)送第一個數(shù)據(jù)幀I格式內(nèi)含N(S)，其值為0，因為N(S)=V(S)。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接

26、口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 (4)在節(jié)點B，每收到一個數(shù)據(jù)幀，將其N(S)與節(jié)點B內(nèi)的V(R)相比。若相等，表明該幀序號為期望值，則把數(shù)據(jù)幀的信息內(nèi)容送往主機；修改V(R)，取V(R)V(R)+1(模2)，賦值V(R)=1；同時對節(jié)點A回送確認(rèn)幀ACK，內(nèi)含節(jié)點B期望收到的下一個幀序號N(R)，此值為修改后的V(R)。如不相等，表明發(fā)送出錯。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 (5)當(dāng)節(jié)點A收到節(jié)點B的確認(rèn)幀時，RRN(R)=1，RR表示接收端準(zhǔn)備妥(Receive Ready)。取出N(R)=1，節(jié)點A判定N(S)為0的數(shù)據(jù)幀已被節(jié)點B正確接收了，可以發(fā)下一

27、個數(shù)據(jù)幀，其V(S)應(yīng)為V(S)+1=0+1=1。 為了對上述停止等待協(xié)議(半雙工傳輸方式)基本的收發(fā)過程有一個深入的理解，下面給出用C語言編寫的算法程序：第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.4.2 滑動窗口的流量控制方法 實用的數(shù)據(jù)鏈路通信一般要求雙向傳輸，即每個節(jié)點都能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；同一幀中既有數(shù)據(jù)信息又含有控制信息；發(fā)送節(jié)點發(fā)出的每一個幀均應(yīng)有序號。本節(jié)將引入“滑動窗口(SlideWindow)”機制來說明如何循環(huán)重復(fù)使用已收到確認(rèn)的幀的序號，提供可靠的流量控制手段，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，有效地提高信道利用率。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信

28、接口與鏈路控制 1.滑動窗口的概念 “滑動窗口”機制是實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的順序控制的邏輯過程，它要求通信兩端節(jié)點設(shè)置發(fā)送存儲單元(緩沖區(qū))，用于保存已發(fā)送但尚未被確認(rèn)的幀，這些幀對應(yīng)著一張連續(xù)序號列表。實質(zhì)上，這些幀也可等效成一個先進先出的隊列，如圖4.4.3所示。發(fā) 送 一 個 新 幀后 進 入 隊 列收 到 相 應(yīng) 的 確 認(rèn) 幀后 從 隊 列 中 移 走5號幀緩 沖 區(qū)W窗 口 尺 寸4號幀3號幀2號幀1號幀0號幀第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 假定現(xiàn)用3bit進行編號，則窗口尺寸W的最小值為1，最大值為模數(shù)值-1即2n-1=7。對于模8的應(yīng)用，數(shù)據(jù)幀的順序編號總是

29、07這8個數(shù)字循環(huán)，于是可以把窗口看作(注意僅僅是看作而言)是由一個圓的多個連續(xù)的八等分扇形面所組成的，如圖4.4.4所示，每個扇形面代表一個序號，并按順時鐘方向編號。 07654 321下沿 L(W)W 3上沿 H(W)可繼續(xù)發(fā)送的幀序號已發(fā)并等待確認(rèn)的幀序號H(W)L(W)W1701245670W 3L(W)H(W)3第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.4.3 連續(xù)ARQ協(xié)議 連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理是應(yīng)用滑動窗口機制的流量控制方法，改進了停止等待協(xié)議的缺點；在發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后，不是停止發(fā)送，而是允許繼續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，使通信的效率得到了提高。 在連續(xù)ARQ協(xié)

30、議中，所用的發(fā)送窗口尺寸WT應(yīng)大于1，且接收端是有序接收的。允許連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的個數(shù)取決于窗口尺寸的大小，一般WT2n-1，其中n為編號的bit數(shù)。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 現(xiàn)舉例解釋連續(xù)ARQ協(xié)議的工作過程，如圖4.4.5所示。假設(shè)節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)數(shù)據(jù)幀，設(shè)發(fā)送窗口的尺寸WT=5，表明節(jié)點A可連續(xù)發(fā)送5個數(shù)據(jù)幀，其序號為04。當(dāng)節(jié)點A發(fā)完0號幀后，可以繼續(xù)發(fā)送后續(xù)的1號幀、2號幀等，對于每一幀分別按順序編號。而接收窗口的尺寸WR=1。EDDACK0ACK1NAK2A 發(fā)送端B 接收端012342340123第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口

31、與鏈路控制 下面來尋求連續(xù)ARQ協(xié)議的吞吐量關(guān)系式。 由圖4.4.5可見，在無差錯時，成功地發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀所需的時間為tF；當(dāng)出現(xiàn)差錯時，重發(fā)一個數(shù)據(jù)幀所需的時間為tT。圖4.4.5中重發(fā)處理所需的時間應(yīng)近似為3tF+2tp。由此可得出在連續(xù)ARQ協(xié)議情況下，正確傳送一個數(shù)據(jù)幀所需的平均時間t為11(1) (1)1iFFTitapttpip tp式中a=tT/tF。 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 當(dāng)發(fā)送節(jié)點處于飽和狀態(tài)時，吞吐量的最大值(每秒成功發(fā)送的最大幀數(shù))max為max111(1) 11(1)FFCpttapptap而歸一化的吞吐量為 (4.10) (4.

32、9) 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 式中，為每秒到達的幀數(shù)，小于max。若式(4.10)中a=1(即傳播時間和超時時限值都遠(yuǎn)小于一個數(shù)據(jù)幀的傳輸時間tF)，則=(1-p)=S，即為停止等待協(xié)議的吞吐量。 例 在一個廣域網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)(參見圖4.4.5)，設(shè)數(shù)據(jù)幀為1096bit，數(shù)據(jù)速率為64kb/s，鏈路長度為2000km。試求停止等待協(xié)議的歸一化吞吐量S與連續(xù)ARQ協(xié)議的歸一化吞吐量C(設(shè)p=0.01)。 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 解 5109617(),0.0164002000()10()2 10 (/ )223271()

33、714.1761710.990.95913.17610.0317610.990.2374.1764.176ppTFpFFpTFCStmsplkmtmskm sttttttmstatppp第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 此例結(jié)果表明，在題中的條件下，采用連續(xù)ARQ協(xié)議的歸一化吞吐量C可達95.9%，而同樣情況下，停止等待協(xié)議的歸一化吞吐量S只有23.7%。 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.4.4 選擇重傳ARQ協(xié)議 為了進一步提高信道利用率，減少重傳的幀數(shù)，可以設(shè)法只重傳有錯的幀或者是定時器超時的幀，這就是選擇重傳ARQ協(xié)議。在該協(xié)

34、議中，接收窗口的尺寸WR必須加大，使得接收序號不連續(xù)的但仍在接收窗口內(nèi)的那些幀可暫存一下，以便等待所缺序號的幀重傳到之后再一并送交主機。由此可見，這種協(xié)議所允許的發(fā)送窗口的尺寸WT和接收窗口的尺寸WR均可大于1，但應(yīng)滿足下式： WT+WR2n (4.11) 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.5 差錯控制差錯控制 計算機通信中的差錯控制主要用來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c傳輸效率，它涉及糾、檢錯編碼理論與方法，數(shù)據(jù)信道中差錯分布的統(tǒng)計特性，以及選擇相應(yīng)的差錯控制方式。計算機通信中的差錯控制方式基本上可分為以下三類： (1)自動請求重發(fā)(ARQ)：接收端檢測到接收信息有錯

35、時，通過重發(fā)發(fā)送端保存的副本以達到糾錯的目的。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 (2)前向糾錯(FEC)：接收端檢測到接收信息有錯后，通過計算，確定差錯的位置，并自動加以糾正。 (3)混合方式：接收端采取糾錯混合(在ATM中應(yīng)用)，即對少量差錯予以自動糾正，而超過其糾正能力的差錯則通過重發(fā)原信息的方法加以糾正。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.6 高級數(shù)據(jù)鏈路控制高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)規(guī)程規(guī)程 同步通信的數(shù)據(jù)鏈路控制可分為以下兩類：面向字符的鏈路控制和面向比特的鏈路控制。早期的計算機通信，如ARPANet的IMPIMP協(xié)議(IM

36、P，Interfac eMessageProc essing，接口消息處理)和IBM公司的二進制同步通信(BSC，BinarySync hronousCommunic ation)規(guī)程都是面向字符的， 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 它使用一組給定的字符編碼集合(如ASCII碼)中特定的10個“控制字符”來確定數(shù)據(jù)幀的邊界，并控制數(shù)據(jù)交換隨著計算機通信的發(fā)展，面向字符的數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程(DLCP)存在不少缺點。如BSC規(guī)程中采用停止等待協(xié)議，因而在長距離、高速率環(huán)境下信道利用率很低，只適用于半雙工傳輸方式；而且只對數(shù)據(jù)部分進行差錯控制，因此對控制部分出錯就無能為力

37、了； 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 控制功能擴展性差，每增加一項控制功能就得添加及定義相應(yīng)的控制字符。為此，IBM公司在20世紀(jì)70年代初推出了面向比特的同步數(shù)據(jù)鏈路控制(SDLC)規(guī)程，用于IBMSNA中的數(shù)據(jù)鏈路層。后來，IBM將SDLC規(guī)程提交到美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI)和ISO討論。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 ANSI把SDLC修改為ADCCP(高級數(shù)據(jù)通信控制規(guī)程)作為美國標(biāo)準(zhǔn)，ISO把SDLC修改成HDLC(高級數(shù)據(jù)鏈路控制)規(guī)程。 ITUT(原CCITT)將HDLC修改成鏈路接入控制(LAP,LinkAc c e

38、ssControl)規(guī)程，作為X.25建議中的幀級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；后來又改為LAPB，意指平衡型鏈路接入規(guī)程。另外，還有幀中繼技術(shù)中采用的LAPF，NISDN中D信道采用的LAPD，接入網(wǎng)(Ac c essNetwork)中采用的LAPV等。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 HDLC和ADCCP沒有本質(zhì)上的區(qū)別。SDLC、X.25的LAPB、LAPF、LAPD和LAPV都是HDLC的一個子集，這些規(guī)程的主要特點是：不論數(shù)據(jù)還是單獨的控制信息，均以幀的單元傳送。 本節(jié)主要介紹面向比特的高級數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程的操作模式、幀結(jié)構(gòu)及其有關(guān)的基本應(yīng)用。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控

39、制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.6.1 HDLC的基本特點 HDLC定義了三種類型的站、兩種配置和三種數(shù)據(jù)傳送模式。 (1)三種類型的站為：主站、從站、復(fù)合站。 (2)兩種配置為：不平衡配置，可用于點-點鏈路或多點鏈路；平衡配置，只能用于點-點鏈路，鏈路兩端要求為復(fù)合站。 (3)三種數(shù)據(jù)傳送操作模式為： 正常響應(yīng)模式(NRM)：屬于不平衡配置，只有主站才能發(fā)起向從站的數(shù)據(jù)傳輸，而從站只有在主站詢問(即發(fā)送命令幀)時才能回答響應(yīng)幀。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 異步響應(yīng)模式(ARM):也屬于不平衡配置，這種方式允許從站發(fā)起向主站的數(shù)據(jù)傳輸，即從站不必等待主站發(fā)命令就

40、可向主站發(fā)響應(yīng)幀,但主站仍負(fù)責(zé)全程的初始化、差錯恢復(fù)和邏輯拆線(釋放)。 異步平衡模式(ABM)：屬于平衡配置，任一復(fù)合站均可發(fā)送、接收命令/響應(yīng)幀，無詢問的額外開銷。第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 4.6.2 HDLC的幀結(jié)構(gòu) 如上所述，數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸是以幀為單位的，在OSI中稱為數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元。一個幀的結(jié)構(gòu)有固定的格式，如圖4.6.1所示。b0信息幀 I監(jiān)視幀 S未編號幀 UFACIFCSF0N(S)P/FN(R)10SP/FN(R)11MP/FMb4b7第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 1.標(biāo)志字段(F) 標(biāo)志字段在幀

41、的兩端用一組合型字符為幀的定界符，即01111110。 發(fā)送端線路上傳輸插入 0 后的比特流接收端刪去 0后的比特流 插入的 0 比特101111 1101011101111 10101011101111 1101011圖4.6.2 0比特插入/刪除原理 第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 圖4.6.3 接收端幀標(biāo)志判決過程 NYYN刪除 0 比特幀放棄比特序列接收比特流 011111 后第6比特D6 1?第7比特D7 0?判定為 F 標(biāo)識符第第4 4章章 數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制數(shù)據(jù)通信接口與鏈路控制 2.地址字段(A) 地址字段的使用取決于特定的過程類別。在使用不平衡配置傳送數(shù)據(jù)時，地址字段總是寫入從站的地址;但在平衡配置時，地址字段總是填入應(yīng)答站的地址。此外，某些地址可以分配給一個以上的站，形成組(Group)地址。全1地址為廣播方式，全0地址是無效地址。8位地址字段的有效地址可達254個，對一般的多點鏈路