（机械电子工程专业论文）基于网络的焊接机器人信息传输方法研究.pdf

摘要 摘要 本文主要搭建了焊接机器人网络通信硬件平台，设计了焊接机器人网络通 信模型拓扑结构、网络通信协议、视频传输模型，构建了通信系统，并对通信 系统做了测试，最后对焊接机器人广域网通信做了初步研究。 首先，搭建了焊接机器人网络通信平台。基于网络通信方式设计了焊接机 器人通信系统网络拓扑结构，搭建了焊接机器人网络通信平台。 其次，基于u d p 协议设计了焊接机器人局域网通信协议w r n c p 和局域网 视频实时传输模型b p m 。介绍了c s 通信模型、套接字通信技术、多通道传输 思想和多线程编程技术；设计了视频传输方法和视频传输控制策略；在v c + + 6 0 开发平台下综合应用相关技术实现了焊接机器人局域网络通信平台软件界面。 再次，对焊接机器人局域网通信系统进行了测试。重点对通信系统的延时、 视频传输速度、协议的可靠性等做了测试。对t c p 协议、u d p 协议和w r n c p 协议延时情况做了统计分析，得出t c p 协议、u d p 协议和w r n c p 协议在零负 载局域网中和有负载校园网中传输延时均不符合正态分布规律；对整个通信系 统的视频处理速度和传输速度做了测试分析，提出实时性是所设计的焊接机器 人网络通信系统中最重要的指标参数；对w r n c p 协议的可靠性做了测试，对 t c p 协议的粘包现象做了分析。 最后，对焊接机器人广域网通信方法做了初步研究与探讨。介绍了网络地 址转换( n a t ) 技术、网络最大传输单元( m t u ) 限制等，分析了广域网络引 起丢帧的影响因素；设计了焊接机器人广域网通信协议，视频实时传输方法、 视频传输控制策略；论文基于v c + + 6 o 开发平台实现了焊接机器人广域网通信 系统，对其在校园网络中的视频传输进行了测试。 关键字：焊接机器人，网络通信，协议设计，传输模型，控制策略 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fw e l d i n gr o b o tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n w e r e b u i l t , w e l d i n g r o b o tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d e l t o p o l o g y , n e t w o r k c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dv i d e ot r a n s m i s s i o nm o d e lw e r ed e s i g n e d t h ew h o l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sr e a l i z e da tv c + + 6 0p l a t f o r m w h a t sm o r e ，s o m et e s t s t ot h e s y s t e m w e r ed o n e i nt h e e n d , w i e l d i n gr o b o t w i d e a r e an e t w o r k c o m m u n i c a t i o np r e l i m i n a r ys t u d yw i l t sd o n e f i r s to fa l l ，w e l d i n gr o b o tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mw a sb u i l t n e t w o r k c o n c e p t i o nw a si n t r o d u c e d t ot h et r a d i t i o n a lw e l d i n gr o b o ts y s t e mi nt h i sp a p e r f i r s t ， w e l d i n gr o b o tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d e lt o p o l o g yw a sd e s i g n e d ，t h eh a r d w a r e p l a t f o r mw a sr e a l i z e d t h e n , t h ep l a t f o r md e s i g n e dw a sa c c e s st o t h ec a m p u s n e t w o r k i nt h es e c o n dp l a c e ，w e l d i n gr o b o tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw r n c pi nl a n a n dv i d e or e a l - t i m et r a n s m i s s i o nm o d e lb p mi nl a nb a s e do nu d p p r o t o c o lw a s d e s i g n e d i nc h a p t e rt h r e eo ft h i sp a p e r , f i r s t l y , c sc o m m u n i c a t i o nm o d e l ，s o c k e t c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m u l t i - c h a n n e li d e aa n dm u l t i t h r e a d e d p r o g r a m m i n g t e c h n o l o g yw e r ei n t r o d u c e d n e x t ，v i d et r a n s m i s s i o nm e t h o da n dv i d e ot r a n s m i s s i o n c o n t r o ls t r a t e g i e sw e r ed e s i g n e d f i n a l l y , t h ew e l d i n gr o b o tc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m s o f t w a r ei n t e r f a c ew a sr e a l i z e da tv c + 怕0d e v e l o p m e n tp l a t f o r mw i t hr e l a t e d t e c h n o l o g i e s i nt h et i l i r dp l a c e ，s o m et e s t st ot h ew e l d i n gr o b o tc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r e d o n e t h et e s t sf o c u s0 1 1t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e md e l a y , v i d e ot r a n s m i s s i o ns p e e d a n dp r o t o c o lr e l i a b i l i t y f i r s t ，s t a t i s t i c a la n a l y s i st ot h ed e l a yo ft c pp r o t o c o l ，u d p p r o t o c o la n dw r n c pp r o t o c o li sd o n e i tc a nb ef o u n dt h a td a t at r a n s m i s s i o nd e l a yo f t c pp r o t o c o l ，u d pp r o t o c o la n dw r n c p p r o t o c o li nl a n 、砘mz e r ol o a da n di n c a m p u sn e t w o r k , a l lh a r d l yc o n s i s t e n t 、析mt h en o r m a ll a w s e c o n d l y , t e s ta n d a n a l y s i st ov i d e op r o c e s ss p e e da n dt r a n s m i s s i o ns p e n do ft h eh o l es y s t e mw e r ed o n e ， a n dp r o p o s et h a tr e a l t i m ei st h em o s ti m p o r t a n ti n d i c a t o r p a r a m e t e r si nw e l d i n gr o b o t n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h ee n d ，t h er e l i a b i l i t yt e s t so fs y s t e mh a v eb e e n a b s t r a c t d o n e ，a n dh a v eg i v e nt h ea n a l y s i se x p l a n a t i o nt op a c k e ts p l i c i n go ft c pp r o t o c 0 1 e v e n t u a l l y , p r e l i m i n a r ys t u d ya n dd i s c u s so nw e l d i n gr o b o tc o m m u n i c a t i o n m e t i l o di nw a nw e r ed o n e f i r s t ，n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ( n a t ) t e c h n o l o g y , n e t w o r km a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ( m t u ) a n ds oo ni si n t r o d u c e d ，a n dt h ef a c t o r s c a u s i n gf r a m e l o s ti nw a nw e r ea n a l y z e d n e x t ，t h ew e l d i n gr o b o tw a n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，v i d e or e a lt i m et r a n s m i s s i o nm e t h o da n dv i d e ot r a n s m i s s i o n c o n t r o ls t r a t e g ya r ed e s i g n e d l a s t l y , t h ew e l d i n gr o b o tw a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o f t w a r ep l a t f o r mw a sr e a l i z e da tv c + + 6 0d e v e l o p m e n tp l a t f o r m a n ds o m et e s t st o v i d e ot r a n s m i s s i o ns p e n do ft h es y s t e mi nc a m p u sh a v e b e e nd o n e k e yw o r d s ：w e l d i n gr o b o t ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ；p r o t o c o ld e s i g n ； t r a n s m i s s i o nm o d e l ；c o n t r o ls t r a t e g y 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 2 以太n ( e t h e m e t ) 2 1 3 网络传输技术4 1 3 1 网络分类4 1 3 2 网络模型6 1 3 3 网络协议1 0 1 4 研究内容及论文结构1 4 1 5 本章小结l5 第2 章网络通信平台搭建1 6 2 1 前言16 2 2 焊接机器人通信系统16 2 2 1 机器人硬件系统。1 6 2 2 2 网络拓扑结构1 7 2 3 硬件设备17 2 3 1 摄像头1 7 2 3 2 视频采集设备2 0 2 4 视频获取2 2 2 4 1 焊缝视频获取一2 2 2 4 2 焊接环境视频获取2 3 2 4 3 图像处理2 4 2 5 本章小结2 6 第3 章网络传输方案设计2 7 3 1 前言2 7 3 2s o c k e t 通信方式2 7 3 3 多线程技术3 1 i v 目录 3 4 多通道方式3 2 3 5 焊接机器人通信协议( w i 斟c p ) 设计3 3 3 5 1 通信协议分析3 3 3 5 2 协议格式设计3 5 3 5 3 协议的可靠性3 6 3 6 传输控制算法3 7 3 7 视频传输方法3 8 3 7 1 视频传输特点3 8 3 7 2 视频传输方法设计3 9 3 8 软件界面4 3 3 9 本章小结4 5 第4 章网络传输实验4 6 4 1 前言4 6 4 2 传输性能主要测评指标4 6 4 3 延时测试4 6 4 3 1 实验系统及环境4 7 4 3 2 实验方案4 8 4 3 3 实验结果分析及结论5 1 4 4 视频传输速度测试5 3 4 4 1 实验系统及环境5 3 4 4 2 实验方案5 4 4 4 3 实验结果分析及结论5 7 4 5 可靠性测试5 7 4 5 1 实验系统及环境5 7 4 5 2 实验方案：5 7 4 5 3 实验结果分析及结论5 9 4 6 本章小结。6 0 第5 章广域网络通信方法研究6 l 5 1 前言6 1 v 目录 5 2 网络地址转换( n a t ) 6 1 5 3 最大传输单元( m t u ) 6 3 5 4 协议设计6 5 5 5 视频传输方法6 7 5 5 1 分片传输方法( p p m ) 6 7 5 5 2 传输控制算法7 0 5 6 软件界面7 2 5 7 本章小结7 2 第6 章总结与展望7 4 6 1 总结7 4 6 2 展望7 5 致谢7 6 参考文献7 7 攻读学位期间的研究成果。8 1 v l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 随着科技的发展，网络己逐渐渗透到生活、科研、教育、医疗、金融等各个 领域。基于网络的信息技术是当今高新科技发展的主流之一，它的发展对其它技 术产生了极大的影响。 随着计算机互联网( i n t e r n e t ) 的飞速发展，基于i n t e r n e t 的遥操作技术正成 为机器人领域中一个重要的前沿课题，受到许多西方发达国家的高度重视。目前 国外已经在i n t e m e t 上进行了许多异地遥操作实验，通过i n t e r n e t 进行机器人遥 操作在远程教学、设备共享、远程医疗、远程诊断和危险复杂环境下的装配作 业等领域均有很大的应用前景i l - 7 1 。 互联网的飞速发展进一步促进了网络技术在机器人控制领域的应用。对机 器人网络控制技术的研究也从初期的遥操作机器人的应用逐渐扩展到自主机器 人和分布式机器人系统等领域【8 】。基于网络的机器人控制就是利用网络实现机 器人的远程控制。通过因特网对机器人实施实时控制是一项具有挑战性的工作， 这一技术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有良好的发展趋势和广 阔的应用前景。网络的传输速率、时间迟延、数据丢失等是基于网络的机器人 控制所面临的问题，一些有效的处理方法和控制方案已经被应用到基于网络的 机器人遥操作中【9 1 。网络技术的全方位发展，促进了机器人技术的发展，网络机 器人技术成为当今机器人技术的一个研究热点。 机器人技术将借助信息技术而发展，同时机器人技术也会对信息技术的发 展产生推动作用。网络机器人这一新概念的提出及发展就是个很有说服力的例 子，机器人技术与网络通信技术两者的结合是必然的趋势【l 。 随着我国经济的不断增长，我国的大型制造企业纷纷对其技术进行大力改 造，用先进设备武装自己，就焊接机器人的使用情况来说，1 9 9 6 年底我国安装焊接 机器人的总数为5 0 0 台左右，2 0 0 0 年有1 0 0 0 台左右，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 年， 每年都增长近千台。我国企业生产中使用的焊接机器人大多都是五轴或六轴关 节式的先进机器人，基本上都用于弧焊和点焊。 网络技术的飞速发展，也促进了焊接机器人技术的发展。由于焊接行业的特 第1 章绪论 殊性，危险性高，烟尘大、辐射多、工人劳动条件恶劣等因素，采用网络化控制 的焊接机器人优势十分突出，其技术研究也得到了飞速发展。利用网络方式对 焊接机器人进行控制将更快、更有效地实现多机器人高效率协调工作，大大提 高工作效率。局域网控制的焊接机器人群在各大集团公司已经广泛使用，如在上 海通用汽车等单位【l i l 。 国务院发布实施的促进产业结构调整暂行规定明确指出十一五期间要“加 快发展高技术产业，进一步增强高技术产业对经济增长的带动作用”，并在同时 发布的产业结构调整指导目录中将“自动化焊接设备技术开发及设备制造” 列为鼓励类产业。 网络焊接机器人的大范围使用现在还处于初级阶段，其相关技术如今还处 在研究阶段，在未来几十年内，网络化焊接机器人研究将得到国家政策的大力 支持，其研究也必将成为焊接机器人研究领域的热点；为了实现焊接机器人网 络智能控制，必须解决焊接机器人复杂系统复杂信息实时传输与快速控制问题， 该网络传输方法是系统的关键问题之一；本文正是针对该问题提出研究方案。 论文计划开展焊接机器人网络通信方法研究，计划对网络焊接机器人的网络技 术进行探索。本文的研究结果将为网络焊接机器人的研究提供通信理论和实验 参考和依据。 本课题的研究得到了国家自然科学基金焊接机器人柔性系统p e t r i 网建模 ( n o 5 0 7 0 5 0 4 1 ) 项目的支持。同时也得到了江西省自然科学基金汽车制造中机器 人激光焊接系统复杂信息建模与仿真( n o 2 0 0 7 g q c l 8 2 3 ) 项目的支持。 1 2 以太网( e t h e r n e t ) 以太网( e t h e m e t ) f l j 美国x e r o x 公司和s t a n f o r d 大学联合研发，并于1 9 7 5 年 正式推出。之后，x e r o x 公司、i n t e l 公司和d e c 公司合作，于1 9 8 0 年9 月公布 了以太网的物理层和数据链路层详细技术规范，成为世界上第一个局域网工业 标准。i e e e 8 0 2 3 国际标准在e t h e m e t 的基础上制纠1 2 1 。 以太网按其传输速度可分为以太网( 1 0m b se t h e m e t ) 、快速以太网( 1 0 0 m b se t h e m e t ) 、吉比特以太网( 1 0 0 0m b se t h e m e t ) 和1 0 吉比特以太网( 1 0g b s e t h e m e t ) 。各种以太网根据不同的物理介质又发展为多种子标准，最终形成了 i e e e 8 0 2 3 标准系列。 2 第1 章绪论 所有的以太网都采用争用型介质访问控制协议，即载波监听多路访问冲突 检测( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t b c s m a c d ) 。以太网组网十 分的灵活和简便，可以使用多种物理介质。既可以使用细、粗同轴电缆组成总 线型网络，也可以使用3 类非屏蔽双绞线( u t p ) 组成星型网络( 1 0b a s e t ) ， 还可以将同轴电缆总线型网络与双绞线星型网络混合连接。以太网在轻负载下 数据传输效率较高，是目前国内外应用最为广泛的一种网络，是当今网络技术 发展的主流。 c s m a c d 协议简单、可靠，i e e e 8 0 2 3 的m a c 层主要定义了c s m a c d 协议、数据帧的封装、发送、接收、解封等功能。i e e e 8 0 2 3 定义的c s m a c d 协议的帧格式如图1 1 所示。 、 字节敦 7 l 幺6 狮 2 1 5 0 0 4 撇帧结构 p a 獭导码) s 删定界符) d a 泪的地址) s a ( 源地址) f u 帧长度) p d u ( 数据单元) p a d f 填充) f c s 濑校验序列) 图i ic s m a c d 帧格式 c s m 刖c d 帧格式各字段的意义如下： p a ：前导码，帧同步序列，格式为连续7 字节的“1 0 1 0 1 0 1 0 ”。前导码的作 用是使接收端的接收电路在正式开始接收数据帧前达到稳定的同步状态，前导 码不是帧的有效部分。 s f d ：帧定界符，格式为“1 0 1 0 1 0 1 1 ”，表示帧的开始，s f d 不作为帧的有效 部分。 d a s a ：目的地址和源地址，地址长度可选择1 6 位或4 8 位，长度要保持一 致。d a 可以是广播地址、多播地址或单播地址；s a 必须是单播地址。选用4 8 位地址时，用特征位来确定地址作为全局地址或局部地址。 f l ：帧长度，为p d u 数据的长度。 p d u ：要传输的l l c 层数据，l l c 层以字节为单位，最大长度不能超过1 5 0 0 字节。 3 第l 章绪论 p a d ：填充字节，m a c 帧最小长度为6 4 字节，包括1 8 字节固定长度的帧 头( d a + s a + f l + f c s ) 。若p d u 长度小于4 6 字节，则用0 填充p a d ，使p u d + p a d 长度大于等于4 6 字节。小于6 4 字节的帧，接收点会将其视为错误数据而丢弃 掉。 f c s ：帧校验序列，采用3 2 c r c 校验，用特定多项式除数据信息，将其余 数作为校验序列写入f c s 字段。 c s m a c d 帧的最大长度为1 5 1 8 字节，包括1 8 字节的帧头和帧尾，其长度 必须为8 的整数倍。c s m a c d 所允许的单次传输的数据长度为4 8 - - - 1 5 0 0 字节。 1 3 网络传输技术 近年来，网络技术迅速渗透到我们生活的各个角落，给人们带来了极大的 便利。伴随着i n t e r 网的出现，信息技术成爆炸性发展，信息量迅速增加。 当网络日益渗透到我们生活的各个角落的同时，它在工业生产、科学研究 等领域的应用研究也从未停止过，网络从产生就在工业、科学研究等领域应用， 取得了巨大的成果。如今网络技术在工业生产、科学研究等领域的应用研究步 伐进一步加大，毫无疑问，在未来的几十年中，无论是在生活还是科研、工业 控制等领域网络的应用将会变的十分的普遍【1 3 】。 1 3 1 网络分类 按网络的连接范围网络可分为：广域i 网( w i d ea r e a n e t w o r k ：w a n ) 、局域网 ( l o c a la r e an e t w o r k ：l a n ) 和城域i 网( m e t r o p l i t a n a r e a n e t w o r k ：m a n ) 。 ( 1 ) 局域网( l o c a l a r e an e t w o r k ：l a n ) 所谓局域网( l ) ，就是在一定局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区 范围相对较小，一般位于一个建筑物或一个单位内。局域网是我们最常见、应 用最广泛的一种网络，其计算机数量少则两三台，多则几百台。一般在企业局 域网中，工作站的数量在几十台到两百多台左右。网络所覆盖的物理距离从几 米到1 0 公里之间。 随着计算机网络技术的不断发展，局域网被广泛应用和普及，几乎每个单 位都有自己的局域网，甚至有的家庭中都有自己的小型局域网。局域网的特点 是：用户数量相对较少、连接范围小、配置容易、连接速率快。 i e e e8 0 2 标准委员会定义了多种主要的局域网，其中有以太网( e t h e m e t ) 、 4 第1 章绪论 令牌环网( t o k e nr i n g ) 、光纤分布式接口网络( f d d i ) 、异步传输模式网( a t m ) 以及无线局域网( w l a n ) 等，1 0 g 以太网是目前传输速率最快的局域网。 2 ) 城域网( m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ：删) 城域网指的是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联网， 它的连接距离通常在1 0 - - 1 0 0 千米之间，一般采用i e e e8 0 2 6 标准。与l a n 相 比，m a n 覆盖的范围更广，连接的计算机数量更多。光纤连接技术的引入使局 域网高速互连成为可能，可以说m a n 是l a n 的延伸。在一个大城市或地区， 一个m a n 网络通常由多个l a n 组成。如连接政府机构、医院、电信、公司企 业的l a n 等等。 城域网多采用异步传输模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ：a t m ) 技术做为 骨干网。a t m 用于数据、语音、视频以及多媒体应用程序的高速网络传输，包 括一个接口和一个协议。包括硬件、软件以及与a t m 协议标准一致的介质。a t m 协议能够在常规传输信道上，在比特率不变及变化的通信量之间进行切换。a t m 提供可伸缩的主干基础设施，能够适应不同规模、速度以及寻址技术的网络。 其最大缺点是成本太高，一般只在政府城域网中应用，如邮政、银行、医院等。 ( 3 ) 广域网( w i d ea r e an e t w o r k ：w a n ) 广域网也被称为远程网，所覆盖的范围比城域网广，是处在不同城市之间 的l a n 网络和m a n 网络的互联，地理范围通常从几百公里到几千公里。w a n 覆盖的范围很太大，信息衰减十分严重，通常要租用专线。w a n 通过接口信息 处理( i n t e r f a c em e s s a g ep r o c e s s o r ：i m p ) 协议和线路相接，构成网状结构来解 决寻径问题。广因为域网的总出口带宽有限，而广域网内的用户数通常较多， 所以用户的终端连接速率一般较低，通常为9 6 k b p s 4 5 m b p s ，如邮电部的 c h i n a n e t ，c h i n a p a c 和c h i n a d d n 等。 ( 4 ) 互联网( i n t e r n e t ) 互联网( i n t e m e t ) 又称为“英特网”，其地理范围和规模都非常的巨大，通 常我们又叫它“w e b ”、“w w w 和“万维网”等。从地理范围来说，互联网可以是 全球计算机的互联。互联网的最大的特点是它的不定性，随着网络接入的变动， 整个网络的计算机每时每刻都在不变的变化。每个可以上网的计算机就是互联 网的一部分，一旦主机断开网络连接，此计算机就不再属于互联网了。如今， 互联网的应用十分普遍，成为人们学习、工作的个基本工具。互联网的优点 是信息量大、传播广。无论主机处在何地，只要接入互联网就可以对互联网中 5 第1 章绪论 的任何主机或用户发送信息和数据。 1 3 2 网络模型 为了使网络通信过程抽象化和标准化，便产生了网络模型的概念。网络模 型根据通信过程的实际需要可以划分为不同的层次，进一步将标准细分为网络 体系结构。网络体系结构是个抽象的概念，只是从功能上描述了计算机的体系 结构，与计算机的各层硬件和软件的组成和实现无关。 ( 1 ) o s i 模型 开放式系统互联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t ：o s i ) 由国际标准 化组织( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d o r g a n i z a t i o n ：i s o ) 组织提出，目的是将全世界 的计算机进行互联。 o s i 将计算机网络体系结构( a r c h i t e c t u r e ) 划分为七个层次，从低到高依次 为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，如图 1 2 所示。 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ： o s i i s o 参考模型的最高层，为操作系 统和网络应用程序提供网络访问接口。应用层确定进程之间通信的形式， 完成进程间的信息交换。应用层的数据单位为报文( m e s s a g e ) ，工作于应用 层的协议有：t e l n e t 、h t t p 、f t p 、n f s 、s m t p 、s n m p 等。 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) ：对上层传下来的数据或信息进行格式变 换，统一不同通信系统的信息表示方式，使一台主机的信息能被其他主机 的应用程序理解和解释。表示层完成的功能包括数据压缩、恢复、加密、 解密、格式交换等。 会话层( s e s s i o nl a y e r ) ：在两节点之间建立端到端的连接，控制和管 理会话，保证会话数据的可靠传输。在会话层可以通过在数据中插入校验点来 实现数据同步。 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：负责将上层传下来的数据分段并提供端到端的、 可靠的或不可靠的传输服务。传输层还可以进行端到端的差错控制和流量控制 等。传输层的数据单位为段( s e g m e n t ) ，工作于传输层的协议有：s p x 、t c p 、 u d p 等。 6 第1 章绪论 7 i 运用层 。广 接口i r _ l 6 l 运用层 l 丁 接口i 厂上 5 l 运用层 接口千 广上 4 i 运用层 接口下 广上 3 l 运用层 l 丁 接口l 广上 2 i 运用层 l 丁 接口i 广l ll 运用层 运用层 ： 运用层 工 运用层 ： f 运用层 ： 运用层 工 运用层 ： 运用层 a p d u 帧 比特 层 主机a 主机b 数据单位 图1 2i s o o s i 参考模型 网络层( n e t w o r kl a y e r ) ：通过逻辑寻址建立两个节点之间的连接，将众多 的数据链路链接成一个互连的网络，实现网际互连。网络层提供了拥塞控制和 路由等功能，在不同的通信子网中选择一条合适的路径，使发送端传输层所传 下来的数据能够通过所选择的路径准确的到达目的端。网络层的数据单位为包 ( p a c k e t ) ，工作于网络层的协议有：i p x 、i p 、o s p f 、r i p 、e t h e m e t 等。 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ：在不可靠的物理介质上提供可靠的数据传 输服务，进行物理地址寻址、数据分帧、流量控制、错误检测、数据重发等。 数据链路层的数据单位为帧( f r a m e ) ，工作于数据链路层的协议有：s d l c 、p p p 、 h d l c 、s t p 、a r p 、帧中继等，交换机和网桥等设备工作于数据链路层。 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：i s o o s i 参考模型的最底层。规定了维持、激活、 关闭通信端点之间的电气特性、机械特性、规程特性和功能特性等，使不同厂 家的产品能够互相兼容。物理层利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接， 透明地进行比特数据流传输。物理层的数据单位为比特( b i t ) ，这一层定义的协 7 第1 章绪论 议和标准有e i a t i ar s 4 4 9 、e i a t i ar s 2 3 2 、v 3 5 、p o - 4 5 等。 i s o o s i 模型网络层次结构划分的原则如下： 1 ) 每一层使用下层提供的服务，并向其上层提供服务； 2 ) 网络中各结点都有相同的层次； 3 ) 不同结点的相同层有相同的功能； 4 ) 不同结点间按照协议实现对等层之间的通信； 5 ) 同一结点内相邻层之间通过相应接口通信。 ( 2 ) t c p i p 模型 传输控制协议网际协议模型( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e t p r o t o c o l ，t c p i p ) ，是美国国防部高级研究计划局计算机网( a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y n e t w o r k ，a r p a n e t ) 及后来的因特网所使用的网络参考模型。 t c p 协议和m 协议是两个独立而紧密结合的协议，它们共同负责管理和引导数 据报文在i n t e m e t 上的传输。他们都使用自己独有的报文格式来封装他们所要传 输的内容。t c p 协议负责和远程端主机的连接，口协议负责寻址，保证报文准 确传输到指定主机。t c p i p 模型是发展至今最成功的通信协议，被用于当今所 构筑的最大的开放式网络系统i n t e r n e t 之上【1 4 , 1 5 】。 i s o 制定的o s i 参考模型过于庞大、复杂，并没有成为真正使用的网络体系 结构。后来工程技术人员根据实际网络通信需要，对o s i 模型进行了简化，最 终提出了t c p i p 模型。如今，t c p i p 模型在局域网组网和广域网组网中都得到 了广泛的应用，已成为了事实上的国际标准。 t c p i p 参考模型也是一种层次结构，从上往下依次为：应用层、传输层、 网络层和网络接口层。t c p i p 参考模型的层次结构如图1 3 所示。 应用层 h 玎田、f 印、弼! i e 婿s j x 母、订p 、豇? 1 ， 传输层t 凹u d p 网络层 i p 9 0 2 2p p p 、珏d ic 、f j 艮气囊疽e 囊i e l 芦西 网络接口层纠太网令牌环网 8 0 2 3e i 觚a 2 3 2 、4 4 9 、v 3 5 、v 21 图1 3t c p i p 参考模型的层次结构 t c p i p 参考模型和o s i 参考模型的对比示意图如图1 4 所示。 8 第1 章绪论 0 s i 参考梗型t c p i p 参考模型 数据段 数据包 数据帧 比特 图1 40 s i 参考模型和t c p i p 参考模型对比示意图 在t c p i p 模型中并不存在与o s i 中的物理层与数据链路层相对应的部分， 相反，由于t c p i p 的主要目标是致力于异构网络的互连，所以同o s i 中的物理 层与数据链路层相对应的部分没有任何限定。t c p i p 模型将o s i 模型的会话层 和表示层合并为应用层，将数据链路层和物理层合并为网络接口层。除了层次 结构方面的差异外，t c p i p 模型和o s i 模型还存在如表1 1 所列的差异： 表1 1t c p i p 参考模型和o s l 参考模型差异对比 i s o o s l t c p i p 大而全、复杂、效率低、 抽象概念与模型 进展缓慢 力量单薄，产品少 实用、单纯、简单、 具体协议与实现 发展速度快( i p v 6 ) 得到产业界的支持，应用广泛 t c p i p 参考模型没有否定i s o o s i 技术成果，相反，t c p i p 从i s o o s i 中 不断吸取营养，不断发展自己，使自身趋于完美。 t c p i p 参考模型各层的主要功能如下： 网络接口层：t c p i p 模型它只为上层提供接口，并未真正实现这一层，以 便在其上传递i p 数据包，网络接口层的具体实现方法会随着网络类型的不同而 不同。 网络层：t c p i p 协议的核心，定义了i p 协议( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) ，完成路 由功能，可以将不同类型的异构网络互连。除此之外，网络层还完成拥塞控制 等功能。 传输层：主要功能是使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话。 传输层定义了两种服务质量完全不同的协议，即t c p 协议和u d p 协议。 9 第1 章绪论 应用层：将o s i 模型会话层和表示层合并为应用层，并面向不同的网络应 用引入不同的应用层协议。如基于t c p 协议的虚拟终端协议( t e l n e t ) 、文 件传输协议( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，f t p ) 、超文本链接协议( h y p e rt e x tt r a n s f e r p r o t o c o l ，h t t p ) 等，基于u d p 协议的p i n g 、b o o t p 、t f t p 协议等。 1 3 3 网络协议 ( 1 ) m 协议 i p 协议( i n t e m e tp r o t o c o l ，i p ) 又叫网络协议、英特网协议，是t c p i p 协议簇 中的核心协议，也是t c p i p 的载体，为两连接端主机提供无连接的、不可靠的 数据传送服务。p 数据报的结构如图1 5 所示。 01 51 6 3 1 4 位4 位首8 位服务类型 舨本部长度( t o s ) 1 6 位总长度( 字节数) 3 位 1 6 位标识1 3 位片偏移