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数据通信原理

数据通信原理. 吉林大学通信工程学院 赵蓉 Zr_jlu@sina.com. 第 5 章 通信协议. 本章主要内容. 1. 3. 5. 6. 4. 物理层协议. 2. 开放系统互连参考模型. 数据链路传输控制规程. CCITT X.25 建议. 分组装 / 拆 (PAD) 相关协议. X.75/X.32/X.121 建议. 5.1 开放系统互联参考模型. 5.1.1 通信协议及分层结构. 1. 通信协议. 事先制定的通信双方共同遵守的规则、约定叫做通信协议。. 2. 协议的分层.

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  1. 数据通信原理 吉林大学通信工程学院 赵蓉 Zr_jlu@sina.com

  2. 第5章 通信协议

  3. 本章主要内容 1 3 5 6 4 物理层协议 2 开放系统互连参考模型 数据链路传输控制规程 CCITT X.25建议 分组装/拆(PAD)相关协议 X.75/X.32/X.121建议

  4. 5.1 开放系统互联参考模型 5.1.1 通信协议及分层结构 1.通信协议 事先制定的通信双方共同遵守的规则、约定叫做通信协议。 2.协议的分层 协议比较复杂，为了描述上方便和双方共同遵守上方便，通常将协议分层，每一层对应着相应的协议，各层协议的集合就是全部协议。

  5. 5.1.2 开放系统互联参考模型 1.问题的提出 2.OSI参考模型的基本概念 开放系统 开放系统是指能遵循OSI参考模型实现互连通信的计算机系统。 为了使不同类型的计算机或终端能互连，以便相互通信和资源共享。国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型(OSI-RM)。 OSI参考模型是将计算机之间进行数据通信全过程的所有功能逻辑上分成若干层，每一层对应有一些功能，完成每一层功能时应遵照相应的协议，所以OSI参考模型是功能模型，也是协议模型。

  6. 3.OSI-RM的分层结构 计算机的功能和协议逻辑上分为7层。 分组交换机仅起通信中继和交换的作用，功能和协议只有3层。 通信过程：发送端信息从上到下依次完成各层功能， 接收机从下到上依次完成各层功能。

  7. 4.各层功能概述 (1)物理层 物理层并不是物理媒体本身，它是开放系统利用物理媒体实现物理连接的功能描述和执行连接的规程 。 物理层提供用于建立、保持和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和规程的手段。简而言之，物理层提供有关同步和全双工比特流在物理媒体上的传输手段。 物理层传送数据的基本单位是比特。 物理层典型的协议：RS232C，RS449/422/423; V.24，V.28; X.20和X.21等。

  8. (2)数据链路层 数据链路层传送数据的基本单位一般是帧。 将上一层（网络层）传送下来的信息组织成“数据帧”进行传送。每一数据帧中包括一定数量的数据信息和一些必要的控制信息。 主要功能： 负责数据链路的建立、维持和拆除。 差错控制 流量控制 常用协议: 基本型传输控制规程 高级数据链路控制规程(HDLC)。

  9. (3)网络层 网络层传送数据的基本单位是分组。 主要功能： 网络连接的建立、拆除 路由选择 差错控制 流量控制 网络层的协议是X.25分组级协议。 (4)运输层 运输层传送数据的基本单位是报文。 主要功能：端到端的顺序控制、流量控制、差错控制及监督服务质量。

  10. (5)会话层 会话层提供诸如会话建立时会话双方资格的核实和验证，由哪一方支付通信费用，及对话方向的交替管理、故障点定位和恢复等各种服务。 会话层及以上各层中，数据的传送单位一般都称为报文，但与运输层的报文有本质的不同。 (6)表示层 表示层提供数据的表示方法，其主要功能有：代码转换、数据格式转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等。 (7)应用层 应用层的功能是确定应用进程之间通信的性质，以满足用户的需要。同时应用层还要负责用户信息的语义表示，并在两个通信用户之间进行语义匹配。

  11. 5.信息在各层的传递过程

  12. 5.2.1 物理层接口的位置和物理接口标准 1.物理层接口的位置 DTE-DCE之间的接口； DCE-DCE之间的接口。 5.2 物理层协议

  13. 2.物理接口标准的概念 物理层接口就是DTE与DCE的界面。 为使不同厂家的产品能够互换和互连，DTE与DCE在插接方式、引线分配、电气特征和应答关系上均应符合统一的标准，称为DCE/DTE接口标准，即物理接口标准（或规程和协议)。此标准就是物理层协议。 3.物理接口标准的分类 （1）国际标准化组织（ISO）制定的物理接口标准 ISO1177、 ISO2110 、ISO 4902 （2）国际电报电话咨询委员会（CCITT）制定的物理接口标准 CCITT V.24, V.28, X.20, X.21, I.430, I.431等。 （3）美国电子工业协会（EIA）制定的物理接口标准 RS-232，RS-449等。

  14. 5.2.2 物理接口标准的基本特性 物理层接口标准描述了接口的4种基本特性： 机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。 1.机械特性 描述连接器 即接口插件 的插头、 插座的规格、 尺寸、 针的数量与 排列情况等。

  15. 2.电气特性 接口的电气特性标准描述接口的电气连接方式和电气参数。 电气连接方式：不平衡型； 半平衡型； 平衡型。 电气参数：信号源测和负载侧的电压（或电流）值； 阻抗值和等效电路； 分布电容值； 信号上升时间等。 相关建议：CCITT V.28、V.35、V.10/X.26、V.11/X.27。

  16. 3.功能特性 接口的功能特性描述了接口电路的名称和功能定义， 相关建议：V.24和X.24建议。 4.规程特性 接口的规程特性描述了接口电路间的相互关系、动作 条件及在接口传输数据需要执行的事件顺序。 相关建议：V.24，V.55，V.54建议。

  17. 5.2.3 几种常见的物理层接口协议 1.CCITT V.24/RS-232C 建议 （1）功能特性 CCITT V.24建议定义了V系列接口电路的名称和功能。 接口功能特性定义了100系列接口和200系列接口。 100 200 100系列接口电路适用于DTE与调制解调器（DCE）之间的接口电路； 200系列接口电路适用于DTE与并行自动呼叫器（ACE）之间的接口电路。

  18. 100系列接口的构成： 信号地线与公共回线； 数据电路； 控制电路； 定时电路。 主要功能： 数据收发； 定时供给； 各类状态控制信号 所需的接口线。

  19. 200系列接口电路只用于完成自动呼叫器功能，不需要自动 呼叫时，可以不使用。 图5-7 V.24 200系列接口电路

  20. RS-232C本质上与V.24相同，只是信号引线的命名有差别。 （定义了20条接口线）

  21. （2）电气特性 电气特性是功能特性的基础。 同一种功能的接口电路可以根据数据信号速率和电缆长度采取不同的电气特性。 如V.24建议中定义的数据线可以用V.28、V.35、V.10、V.11中的任何一种电气特性来实现; RS-232的电气特性采用V.28建议。

  22. （3）机械特性 V.24没有对机械特性作规定， 使用ISO2110标准。 连接器使用25芯的D型插座和插头 称DB-25连接器。 插头与DTE相连 插座与DCE相连 RS-232C与V.24采用相同的连接器。

  23. 2. V.35 建议 适用于速率为64kbit/s的DCE和DTE的接口。 接口电路和电气特性如表5-2所示。 表5-2 V.35接口电路 表中标有※的接口线应符合V.11规定；未标记的应符合V.28规定。

  24. 3. X系列建议 X系列建议是专为数据通信而制定的，符合开放系统互连的7层协议。 X系列建议的物理层协议规定了DTE-DCE接口电路的电气特性、功能 特性、规程特性等。 （1）电气特性 电气特性由X.26和X.27规定。 X.26规定了用于集成电路设备的不平衡双流接口电路的电气特性； （与V.10等效） X.27规定了用于集成电路设备的平衡双流接口电路的电气特性。 （与V.11等效）

  25. （2）功能特性 X.24建议规定了DTE-DCE接口电路的功能特性。 特点：采用一线多功能。（接口线只有11条）

  26. （3）规程特性 ① X.20建议 X.20建议定义了在公用数据网上提供起止式传输服务的DTE-DCE之间的接口。 使用的接口电路是X.24的子集。 X.20 建议描述了接口的通信控制过程。

  27. ②X.21建议 使用的接口电路是X.24的子集。 X.21 接口的工作可分3个阶段： ★ 空闲或静止阶段 ★ 建立呼叫和清除阶段 ★ 数据传输阶段 X.21建议定义了公用数据网上提供同步工作的DTE-DCE之间的接口。

  28. ③ X.20 bis X.20bis定义了公用数据网上与异步全双工V系列调制解调器接口的DTE设备的操作规程。 使用的接口电路是X.24的子集。 X.20bis接口电路的功能特性和V.24兼容，电气特性符合V.28建议。

  29. ④X.21 bis X.21bis定义了在公用数据网上与同步V系列调制解调器接口的DTE设备的操作规程。 使用的接口电路也是X.24的子集。

  30. 4.数字网络接口G.703 建议 64kbit/s接口类型：同相接口、反向接口和中央时钟接口。 G.703建议定义了分级数字接口的物理/电气特性。我国数据用户使用的数字数据电路常用接口速率为64kbit/s和2.048Mbit/s。 同相接口：通过这个接口的信息和与它相关的定时信号以同一方向传输。 反相接口：通过这个接口的与两个传输方向相关的定时信号都是由数字 传输设备提供给终端设备的。

  31. 2.048Mbit/s接口：同相方式。 采用HDB3码传输。 中央时钟接口：通过这个接口的与两个传输方向相关的定时信号都是 由一个中央时钟供给的。

  32. 5.3 数据链路传输控制规程 5.3.1 基本概念 1.数据链路传输控制规程的概念 • 为了在DTE与网络之间或DTE与DTE之间有效、可靠地传输数据信息，必须在数据链路这一层次上采取必要的控制手段对数据信息的传输进行控制，即传输控制。传输控制是遵照数据链路层协议来完成的，习惯上把数据链路层协议称为数据链路传输控制规程。

  33. 2.数据链路传输规程的功能 (1)数据通信的过程 一次完整的数据通信过程包括5个阶段： ① 建立物理连接 ②建立数据链路 ③数据传送 ④ 传送结束，拆除数据链路 ⑤ 拆除物理连接 数据链路控制规程完成

  34. (2) 数据链路传输规程的功能 ① 帧控制 在数据链路中数据以“帧”为单位进行传送。 ②透明传送 在所传的信息中若出现与帧开始结束标志字符和控制字符相同的字符序列，应采取措施打乱，以区别标志和控制字符。 ③差错控制 控制规程应能采用纠错编码技术。 ④ 流量控制 避免链路阻塞，控制规程应能对数据链路上的信息流量进行调节。 ⑤ 链路管理 控制信息传输方向，建立和结束链路的逻辑连接，显示站的工作状态。 ⑥ 异常状态的恢复 当链路发生异常情况是能够自动重新启动恢复到正常工作状态。

  35. 3.数据链路传输控制规程的种类 传输控制规程基本上分为两大类：面向字符型和面向比特型。 ——面向字符控制规程又称基本型传输控制规程，是最早提出的同步数据传输协议。使用字符编码集中的一个子集来控制链路的操作，监视链路的工作状态，主要适用于中低速异步或同步传输，半双工交替方式的操作，适合通过电话网的数据通信。 ——高级数据链路控制（HDLC）规程是面向比特的链路控制规程的典型代表，广泛应用于各类数据传输系统中。

  36. 5.3.2 基本型传输控制规程 1.基本型控制规程的特征 基本型控制规程是面向字符的传输控制规程。 (1)以字符作为传输信息的基本单位，并规定了10个控制字符用于 传输控制。 (2)差错控制方式采用检错重发（ARQ），具体为停止等待发送。 (3)多半采用半双工通信方式。 (4)可以采用异步(起止式)和同步传输方式。 (5)传输代码采用国际5号码。 (6)一般采用二维奇偶监督码（水平垂直奇偶监督码）检错。

  37. 2. 数据链路结构 站：不同类型的DTE统称为“站”。 主站：发送信息或命令的站； 从站：接收信息或命令而发出认可信息或响应的站。 （主站和从站可以倒换） 组合站：同时能发送信息、命令、认可信息或响应的站。 数据链路结构 ①点对点结构 ②点对多点结构 负责组织链路上的数据流，并处理链路上出现的不可恢复差错的站称为“控制站” 。

  38. 3.传输控制字符 表5-7 基本型传输控制规程的控制字符

  39. 4.文电格式 文电可分成信息电文和监控序列两种。 （1）信息电文格式 信息电文包括正文和标题(报头)。 正文：要传输的信息。 标题：与正文传输有关的辅助信息， 包括发信地址、收信地址、优先权、保密措施、 信息电文名称、电文级别、编号、传送路径等。 信息电文有4种格式： ① 信息电文的基本格式

  40. ② 无标题信息电文格式 ③ 正文很长时，将信息电文划分n组 组终 ④ 标题很长时，将标题划分m组 组终

  41. （2）监控序列格式 监控序列：正向监控序列 反向监控序列 正向监控序列：主站向从站发送的控制序列,与信息电文的传输方向一致. 主要用于通信双方的呼叫应答，以确保信息电文的可靠传输。

  42. 反向监控序列:从站向主站发送的控制序列，方向与信息电文的传送方向相反。反向监控序列:从站向主站发送的控制序列，方向与信息电文的传送方向相反。 主要用于对询问的应答和数据链路的控制。

  43. 5.3.3 高级数据链路控制规程 1.HDLC的特征 HDLC是面向比特的传输控制规程，以帧为单位传输数据信息和控制信息，其发送方式为连续发送（一边发一边等对方的回答），传输效率比较高。 2.链路结构 HDLC规定链路结构可以分为不平衡型、对称型和平衡型3种。 ① 不平衡型链路结构

  44. ② 对称型链路结构 可看成两个独立的点对点不平衡链路结构的符合 命令和响应都是通过同一条物理链路传输。 ③ 平衡型链路结构 链路两端均由组合站构成，它们处于同等地位，共同负责链路控制。 每个组合站均能以半双工或全双工的方式向对方发送命令、响应和数据。

  45. 3.操作方式与非操作方式 HDLC为通信操作定义了两种类型，即操作方式和非操作方式。 (1) 操作方式 操作方式有3种：正常响应方式(NRM) 异步响应方式(ARM) 异步平衡方式(ABM) (2) 非操作方式 非操作方式也有3种：正常断开方式(NDM) 异步断开方式(ADM) 初始化方式(IM)

  46. 4. HDLC的帧结构 在HDLC中，在链路上以帧作为作为传输信息的基本单位。 (1)标志字段(F) 固定为01111110，称为F标志。 用于帧同步，表示一帧的开始和结束。 透明传输：两个F字段之间不允许出现01111110图形。 解决方法

  47. (2)地址字段(A) 地址字段表示数据链路上发送站和接收站的地址。 可扩充 (3)控制字段(C) 控制字段为8bit，用于表示帧类型、帧编号以及命令、响应等。根据C字段的构成不同，可以把HDLC分成3种类型：信息帧(简称I帧)、监控帧(简称S帧)和无编号帧(简称U帧)。 可扩充

  48. (4)信息字段(I) 信息字段包含了用户的数据信息和来自上层的控制信息，具体说其长度没有具体规定，但必须是是8bit的整倍数，而且最大长度受限。 (5)帧校验字段(FCS) 用于对帧进行循环冗余校验，校验的范围包括除标志字段之外的所有字段。一般为16bit；对于要求较高的场合，FCS可以用32bit。 生成多项式为：

  49. 5.HDLC控制字段的格式与3种类型的帧 • HDLC控制字段结构 (基本结构) ——N(S): 发送端发送帧的编号； ——N(R): 准备接收的对方发送帧的编号。 HDLC帧划分为信息帧、监控帧和无编号帧， 简称：I帧、S帧和U帧

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