（通信与信息系统专业论文）220c协议mac层算法的研究.pdf

摘要 从现代战争的形势来看，各军种联合作战，是未来高技术条件下战争的主要 模式。这种战争模式，客观上要衷有一个良好的联合作战信息系统，以便不问断 地给部队提供有效的信息。近年来，在战术网互联互通方面取得了很大发展， m m s t d 一1 8 8 - 2 2 0 系列协议是外军c 4 i 体系的互操作标准。基于此，本文对2 2 0 c 协议的m a c 层进行了分析和研究，对掌握2 2 0 c 协议的鄹络接入控制工作原理及 其性能有较大参考价值。 本文首先简要介绀了_ l m i l s t d 1 8 8 ，2 2 0 c 协议对应的0 s i 模型低三层的协议， 然后介绍了2 2 0 c 协议的网络接入控制的机制和算法，详细论述了2 2 0 c 协议的网 络接入控制的工作原理并对r - n a d 、p 州a d 、h - n a d 、d a p 。n a d 和r e n a d 五 种算法进行了比较，然后对r 水a d 、p n a d 、h n a d 和d a p - n a d 四种算法进 行了性能仿真，通过对仿真结果的分析，在信道吞吐量、端到端时延、节点公平 性和实现复杂度等方面进行了比较，得出了这四种n a d 算法的性自 和特点，并讨 论了不同的定时模型参数对网络性能的影响。另外本文根据d a p n a d 算法，提出 了一种新的m a c 层协议接入控制算法，仿真结果显示这种新的m a c 层协议接入控 制算法性能优异。最后对全文做了简单的总结，指出了下一步工作的方向。 关键字：通信协议m 一s t d 一1 8 8 2 2 0 c 协议网络接入延迟算法时延 a b s t l a c t i h ep o s l t l o no i 。t 1 1 em o d e mw a rs h o w sm a tt h em a i np a t t e r no fm em o d e mw a ri s m ea s s o c i a t i o no fs w e r a la r 工n ys e r v i c e s s o1 l l e r ei san e c e s s i t yt op r o v i d ean i c e i n f i o m a t i o s ) r s t 锄 t or e a l i z ec o m m u n i 咖o nb e t w e e nd i 丘h c i l t衄i e sw i 也o u t i n t e n l l 砸o n m i l s t d 一1 8 8 2 2 0p r o t o c 0 1i so n eo fn l ep r o g c n i e s i ti sm em u n l a l o p e r a t i o ns t a l l d a r do ff 研e i 印c 4 is y s t e m b a s e do nm i s ，r e s e a r c ha n da 玎a l y s i so f 也e m a c 1 a y c rf o r2 2 0 ci n 协i sp a p 既a n dm i sp 印e rp r o 讥d e dar e f e 呦c e 向g r a s p i n g l e p r i n c i p l eo f t h en a c f o r2 2 0 cp m t o c 0 1 a tt l l eb e g i n i l i n go ft l l ep a p 豇丘r s n yi n 怕d u c e st h e1 0 wm r e el a y e r so fo s im o d e l o p p o s i t e2 2 0 cp r o t o c 0 1 i 置1s l l c o e s s i o n ，m i sp 印盯i n 廿o d u c e da c c e s sc o n 竹0 1m e c h a n i s m a n da l g o r i 1 mf o rt h em a cp m t o c 0 1 so fm i l s t d 一18 8 2 2 0 cp r o t o c 0 1 s t h ew o r k i n g p 血c i p l eo f n a c 矗) r 2 2 0 cw a sp a m c u l 砌y p r e s e n t e da 1 1 di t s6 v ea l g 砸t 1 1 m s ( r n a d 、 p n a d 、h n a d 、d a p - n a da 1 1 dr e - n a d ) w a sa n a l y z c da n dc o m p a r e d n ep 印e r d e s 洲b e st h ep 曲r i n a n 。es i m u l a t i o no fr - n a d 、p - n a d 、h n a da n dd a p - n a d a l g 嘶t h m s ，a n d 百v e st h ep e r f o n n a n c ec u e s f i n a l l y ，r - n a d 、p n a d 、h n a da n d d a p n a da l g o r i t h m sp c r f b m a l l c ea 1 1 dc h a r a c t e r i s t i ca r ec o m p a r e do nt h ea s p e c t so f n e t w o r k u g h p u t ，e n dt oe n dd e l a 弘n o d e se q u i t ya n dr e a l i z a t i o nc o s t a n dt h e i n n u e n c eo fd i f f b r e n te t w o r k t i m i n gm o d e ls i m u l a t i o np a r 锄e t e r so nn c t w o r k p e r f b m a l l c ew a sd i s c u s s e d b e s i d e s ， t h i sp a p c ro 位髓dan c wd e s i 盟o fm a c p r o t o c 0 1 sb a s e do nd a p n a da l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 也a tt h i sm e 血o d p e r f b m sp 枷c 1 1 l a 订yw e l l a t1 a s tm a k e sab r i e fs 眦皿a r yo ft h i sp 印盯，a i l di i l d i c a t e s m ed i r e c t i o no f l en e x ts t o f w o r k k e y w o r d ： c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1m i l s t d 一1 8 8 2 2 0 cp r o t o c o l sn a d a l g o r i t h ma v e r a g ed e l a y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：王童! 到 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本学位论文属于，在一年解密后使用本授权书。 本人签名；- j 矧 导师签名： 阵习 控爿 第一章绪论 第一章绪论 1 12 2 0 系列协议发展概况 随着信息技术的蓬勃发展，人类社会正由工业时代向信息时代推进，由此引 发了军事领域的一场革命信息化战争的出现，信息化战争的一个主要特点就 是以信息技术为基础，以战场数字通信为支撑，实现网络的一体化和信息的收集、 处理的自动化。部队将利用信息取得超过敌人的优势，在所有梯队中，随着指官、 参谋、分队和士兵通过通信设施更加及时、准确、完整地获得信息，部队将更精 悍、更具战斗力。信息化战争要求通信设施必须为所有梯队提供各种级别的指挥 控制和态势感知数据交换能力，以达到对部队进行支援目的。这些通信设施的集 成，使部队从相对固定的指挥所转向具有高度机动能力的以指挥官为中心的指挥， 为部队提供压倒敌人优势的信息优势，增强并协调其作战能力，实现最大限度的 杀伤力和持续作战能力。 为适应现代信息社会各军种协同作战的要求，军用通信网装备必须在不同层 次上实现互联互通，为此，近年来，美国防部一直致力于加强其联合作战信息能 力，在战术网互联互通方面取得了长足的发展。m ，s t d 1 8 8 2 2 0 系列协议就是 其重要研究成果之一，是美军c 4 i 体系的互操作标准。美国国防部继1 9 9 3 年5 月 出台m ，s t d 1 8 8 2 2 0 协议和1 9 9 5 年7 月公布m i l s t d 1 8 8 2 2 0 a 协议之后，又 于1 9 9 8 年1 月制定出m ，s t d 1 8 8 2 2 0 b 协议，并经过进一步的修订和完善后， 于2 0 0 2 年3 月，公布了m i l 广s t d 18 8 - 2 2 0 c 协议。这些协议是关于数字信息传送 设备( d i 百t a lm e s s a g et r 趾s f 矗d e “，d m t d ) 之间，命令系统、控制系统、通信系 统、计算机系统和智能系统( c o m m 如d ，c o n 仃d 1 ，c o i n n l u i l i c a t i o n s 。c o m p u t e 瑙，趾d i n t d h g c e ，c 4 i ) 之间交换信息的互联通信协议，在战域环境下的数据通信系统中 得到了广泛的应用。 ( 1 ) m i l 广s ) 一l8 8 2 2 0 协议 m i l 广s t i ) 1 8 8 - 2 2 0 协议是d m t d 子系统之间连接服务的互操作标准。该协议 使用i s 0 七层参考模型，认为传输层和会话层为透明的，仅提供通过服务。协议 定义了两种类型的链路层操作：类型1 操作是必须选择的无连接操作模式( 分为 有应答和无应答) ，类型2 操作是可选择的有连接操作模式1 1 l 。它还提出了三种网 络控制接入法则：随机网络接入( r n a d ) ，优先网络接入( p n a d ) ，混合网络 接入( h - n a d ) 1 2 l 。 22 2 0 c 协议m a c 层算法的研究 ( 2 ) m i l s t d 一18 8 - 2 2 0 a 协议 m ，s t d 1 8 8 2 2 0 a 协议由m i l 广s t d 1 8 8 2 2 0 协议演化为战术无线电网中c 4 i 系统问的互操作标准，成为数字化战场中军队技术体系结构的核心部分。2 2 0 a 协 议的基本结构也使用i s o 七层参考模型，协议详细描述了底三层，其中网络层包 含m 昀n e t 子层，该层为没有完全连接的网络提供中继服务。同时，2 2 0 a 协议被 设计为与t c p 口协议族中的u d p 一起使用，没有阐述高层的功能。在数据链路 层定义了四种类型的操作：类型1 是无确认的无连接操作，类型2 是面向连接的 有确认操作，类型3 是有确认的无连接操作，类型4 是拆分确认的无连接操作。 相对于m 几s t d 1 8 8 2 2 0 协议，操作类型的划分更加详细。协议还阐述了五种网 络控制接入法则；除了m ，s t d 1 8 8 2 2 0 协议中的随机网络接入( r _ n a d ) ，优先 网络接入( p n a d ) ，混合网络接入( h - n a d ) ，又新增加了确定自适应优先网络 接入( d a _ p - n a d ) 和嵌入式电台网络接入( r e - n a d ) 例。 ( 3 ) m ，s t d 一1 8 8 - 2 2 0 b 协议 m i l 广s t d 1 8 8 2 2 0 b 协议是一个关于d m t d 之间，c 4 i 系统之间以及d m t d 与c 系统之间交换信息的互联通信协议，描述了对应于i s oo s i 七层参考模型中 的物理层、数据链路层和网络层的详细实现规则和要求达到的标准，相对于 m i l s t d 1 8 8 2 2 0 a 协议，它增加了d m t d 与c 4 i 系统之间的互操作标准。 m i l s t d 1 8 8 2 2 0 c 协议 网络层 数据链路层t 物理层 li n 廿a n e t 中继拓扑更新子网汇聚 t y p e l & t y p e 3t y _ p e 2t u p e 4 r n a dp n a dh n a dd a p j n a dr e n a d 异步模式同步模式分组模式 图1 12 2 0 c 协议的体系结构 m ，s t d 1 8 8 2 2 0 c 协议是美军国防部制定的数字信息传递设备( d m t d ) 标 准。它规范了d h 订d 子系统之间，c 4 i 系统之间，d m t d 与c i 系统之间互操作 所需的过程、协议和参数。相对于上述三个协议，该协议标准的目的是实现基于 a 呵r ( c o m b a t n e 呐o r kr a d i o ) 的信息网络的横向综合和c 4 i 系统间的无缝互联， 为作战人员提供战场信息的联合互操作。该协议的体系结构如图1 1 所示1 4 l ，我们 会在下一章详细介绍该协议。 由此可见，军用通信协议是非常系统化的，针对不同的目的，各个版本的协 议的侧重点也不同，仅m ，s t d 1 8 8 2 2 0 系列的协议，就已经发展到了2 2 0 c 版本。 第一章绪论 3 随着军事通信的发展，军用通信协议也将不断的发展和完善，在未来的军事通信 领域中将发挥越来越重要的作用。 另外，在一个网络中选择一个合适的通信协议也是非常重要的，无论对于几 台微机组成的微型w i n d a w s 9 5 ，9 8 对等网络，还是大型的w i n d o w sn t 、n o v c l l 或 u n i 】【局域网，如何配置适当的通信协议，都是一个较为关键的问题。如果选择了 不适合自身网络特点的通信协议，便很容易造成网络速度慢、稳定性不高、甚至 是无法接通。事实上，每一种网络通信协议都有其操作系统和软硬件工作环境， 同一种协议在一个网络上运行得非常出色，在另一个网络上则很可能根本不合适。 所以，在具体组网时，应根据网络的规模、网络间兼容性、网络管理方式等方面 的情况来选择通信协议。我们在选择通信协议时一般应遵循以下的原则： 第一，所选协议要与网络结构和功能相一致。如果你的网络存在多个网段或 要通过路由器相连时，就不能使用不具备路由和跨网段操作功能的协议，而必须 选择t c p ，p 等协议。另外，如果你的网络规模较小，同时只是为了简单的文件和 设备的共享，这时你最关心的就是网络速度，所以在选择协议时应选择占用内存 小和带宽利用率高的协议。当你的网络规模较大，且网络结构复杂时，应选择可 管理性和可扩充性较好的协议，如t c p p 。 第二，除特殊情况外，一个网络应尽量只选择一种通信协议。现实中许多人 的做法是一次选择多个协议，或选择系统所提供的所有协议，其实这样做是很不 可取的。因为每个协议都要占用计算机的内存，选择的协议越多，占用计算机的 内存资源就越多。一方面影响了计算机的运行速度，另一方面不利于网络的管理。 事实上一个网络中一般一种通信协议就可以满足需要。 第三，注意协议的版本。每个协议都有它的发展和完善过程，因而出现了不 同的版本，每个版本的协议都有它最为合适的网络环境。从整体来看，高版本协 议的功能和性能要比低版本好。所以在选择时，在满足网络功能要求的前提下， 应尽量选择离版本的通信协议。 第四，协议的一致性。如果要让两台实现互联的计算机间进行对话，它们两 者使用的通信协议必须相同。否则中间还需要一个“翻译”，进行不同协议的转换， 这样不仅影响通信速度，同时也不利于网络的安全和稳定运行1 5 l 。 通过上面的论述，我们可以看出通信协议的作用是至关重要的，研究通信协 议也具有非常重大的意义，现在已经有越来越多的人投入到通信协议的研究工作 中。本文对m i l s t d i 1 8 8 2 2 0 c 协议的数据链路层进行了分析和研究，重点研究其 数据链路层的r n a d 、p n a d 、h - n a d 和d a p n a d 四种算法的特性。 42 2 0 c 协议m a c 层算法的研究 1 2 本文研究的主要内容 本文的工作重点是分析和研究m i l s l d 1 8 8 - 2 2 0 c 协议的数据链路层的各个 协议，该协议的流量控制采用五种不同的网络接入延迟( n 咖o f ka c c e s sd e l a y ， n a d ) 算法来实现的，为解决不同n a d 算法之间如何选择的问题，基于战术互联 网应用环境，采用了离散事件仿真的方法，对协议进行了分析比较。重点研究了 r - n a d 、p n a d 、h - n a d 和d a _ p n a d 四种网络接入延迟算法的特性，在网络吞 吐量、端到端时延、对信息优先级的支持、节点公平性和实现复杂度等方面，得 出了这四种算法的性能和特点。另外本文根据d a p - n a d 算法，提出了一种新的 m a c 层协议接入控制算法，仿真结果显示这种新的m a c 层协议接入控制算法性 能优于r - n a d 算法。这些结论对于协议的应用和改进都有一定的参考意义。本文 主要包括以下一些内容： 第二章：m i l s t d 1 8 8 2 2 0 c 协议的介绍，这一章介绍2 2 0 c 协议中对于物理 层、数据链路层。 第三章：网络接入延迟算法及仿真模型，这一章介绍2 2 0 c 协议的网络接入控 制的工作原理和i a d 、p n a d 、h - n a d 、d a p - n a d 、酬a d 五种i j 网络接入 延迟算法，并详细介绍了随机数模型、网络模型、信道模型、业务模型和节点模 型。 第四章：仿真实现，对于仿真的设计方案，流程图，以及仿真的软件实现都 有详细的说明。 第五章：仿真结果，包括仿真评价标准以及仿真所得到的性能曲线。 第六章：对全文的工作做以总结。提出了研究工作中的不足之处以及后续工 作的研究方向。 第二章m ，s t d 1 8 8 - 2 2 0 c 协议 5 第二章m 几s t d 1 8 8 2 2 0 c 协议 2 1 引言 无线通信由于具有应用灵活，安装快捷，不易被摧毁等优点，是军事通信中 的一种重要手段。由于历史原因，世界上现有的无线电数据通信设备缺少统一规 范的协议和信息格式，难以直接形成互联互通的网络体系。为实现各无线通信设 备的互联，必须完成接口协议的转换，m i l s t d 1 8 8 - 2 2 0 c 协议就是一种基于军用 分组无线电的c 4 i 系统互操作标准。 该协议是在m i l s t d 18 8 2 2 0 协议、m i l s t d 18 8 2 2 0 a 和m i l 广s t d 18 8 2 2 0 b 协议的基础上发展而成，主要阐述了数字信息传输设备( d m t d ) 子系统之间，c 4 i 系统之间以及d m t d 与c 4 i 系统之间互操作时所需的过程，协议和参数；该协议标 准的目的是实现基于a q r ( c o 刀1 b a t n 咖o r kr a d i o ) 的信息网络的横向综合和c 4 i 系统间的无缝互联。如图2 1 所示，系统a 和系统b 可以是d m r d 或者c 4 i 系统，传输 信道可以是单信道，也可以是多信道【6 】。 图2 1d m i d 子系统的标准接口 通过图2 1 中d m t d 子系统的标准接口可实现d m t d 和相关的c 4 i 系统的互 通。系统a 和系统b ( d m t d 或c 4 i 系统) 可能包含调制解调器，线路驱动器， 差错控制算法，加密设备，控制单元和其它遵循这个标准要求的设备。传输信道 可能包括单路的和多路的传输设备。该协议的提出为基于军用分组无线电的c 4 i 系统互操作奠定了技术基础，是未来数字化部队和数字化战场建设重要的参考性 文件。目前，该标准已作为国防军工电子标准化科研课题进行深入研究。 6 2 2 0 c 协议m a c 层算法的研究 2 22 2 0 c 协议概述 2 2 0 c 协议定义了在广播无线通信子网和点到点连接中信息传输的分层协议， 涉及网络层的内部子网层、数据链路层和物理层，使得分层结构内部的d m t d 之 间、d m t i 和c 1 4 i 系统之间能够互通。内部子网协议定义了多种协议数据封装格 式，用于在相同的无线通信网中的一个源节点与可能的多个目的节点之间路由内 部子网的数据分组，同时提供拓扑和连接信息的交换。数据链路层定义了面向连 接和面向无连接的四种工作模式和相应的数据链路层帧格式，给数据提供组帧请 求，提供差错控制、流量控制和信道接入控制等功能，保证信息在己建好的物理 通道中的传输。物理层定义了与传输网络的接口和物理层数据帧格式，在通信系 统之间建立连接、保持连接和断开连接。 i 前项通信 定相 内部传输 位同步 内部传输后项通信 l 安全 单元单元安全 一 7 7 i 传输同步传输头数据链路帧数据链路帧 内部传 ( 数据链 l 标志域 地址域 控制域信息域 帧榔蚓标志域 i 网络协议数 h l n 删头h 衄n c 头数据 ( 网络层 图2 2d m t d l 协议数据单元基本结构 2 2 0 c 协议中，d m t d 协议数据单元( p r o t o c o ld a t au 血，p d u ) 基本结构如图 2 2 所示l 铆。在第一个内部传输单元之前需要定相。物理串接的内部传输单元之间 需要位同步。网络协议数据单元还可能包括一个互联网头夹在内部网头内，2 2 0 c 协议标准不对互联网头进行说明。 表2 1 是2 2 0 c 协议的标准协议栈，其带有t c p 舢d p 】口结构，并结合了互联 网协议吲。描述了将战斗网无线电台( c n r ) 作为传输媒体交换信息时所用的标准通 信协议，用于主机系统和电台系统之间的接口。主机一般包括执行低层协议的通 信处理器或调制解调器。在2 2 0 c 协议中，内部子网层和互联网层之间存在一个依 赖于子网的汇聚层；该层保证在一个特殊类型的子网中提供需要的口服务。依赖 于子网的汇聚层协议( s u b n e t 、o r k d 印d e n t c o n v e r g c c p r o t o c 0 1 ，s n d c p ) 用于 第二章m ，s t d 1 8 8 - 2 2 0 c 协议 7 调整子网缺点，为其上层执行网络互联功能的子网提供统一的子网接口。 表2 1 加卧s t d 1 8 8 2 2 0 c 协议的标准协议栈 分段和重组 传输层 t c p 有选择性的直接广播 u d p i n t c m e tm 网络层 h n 矗幽眦i n n c ti k l a yt 0 p 0 1 0 科u 眦als n d c f p n ) c c d u m 类型1类型2 类型3类型4 数据链路层 执c r n a dp n a dh n a d d a p n a d r e n a d 物理层 异步模式 同步模式 分组模式 可实现的主要功能有： ( 1 ) 确定目的地：确定子网内最终目的地p 地址的完整列表，从口头获取 最终目的地址信息。 ( 2 ) 地址映射：确定与每个口地址对应的子网链路层地址。 ( 3 ) 确定服务类型：包括可靠性、通信量、延迟、直接转发和优先级，从口 报头的服务类型域中获得。 下面介绍2 2 0 c 协议物理层、数据链路层和网络层的实现规则。 2 2 1 物理层 物理层的目的是将原始的比特从一台机器( 移动终端等) 传输到另一台机器 ( 移动终端等) 。2 2 0 c 协议规范主要说明了在通信系统间激活、维持和解除通信等 功能。要接入的通信设备( 如，无线电广播设备) 将传输信道接口作为命令来执 行。该传输信道接口定义了标准接口认可的在d m t d 设备与传输信道之间的封装 特性( 信号波形、传输速率和工作模式) ，传输信道可以包括有线信道、卫星信道 和无线电传播。p l 没有提供d m t d 设备和传输信道设备的电气和物理特性。 标准接口是指d m t d 和c 4 i 系统之间的传输信道接口。为了实现战术网络的 互联互通，协议支持多种物理接口，以满足不同的通信接口设备，如表2 2 所示1 7 】。 2 2 0 c 协议m a c 层算法的研究 表2 2 协议要求提供的物理接口 接口类型名信号波形传输速率工作模式 c 0 1 1 t o 7 5 ，1 5 0 ，3 0 0 ， n o n h n 栅z 啪6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ， h a l f d u p l e x n l i l t d - 1 8 8 1 1 4 a 9 6 0 0 ，1 6 0 0 0 b p s c 枷t 07 5 ，1 5 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ， 音频信道f s k 接口h a l f d u p l e x i n i l - 8 t d - 1 8 8 1 1 0 1 2 0 0b p s c 鼬t o7 5 ，1 5 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ， 单信道无线电f s k h a l fd 1 1 p 1 既 m n - s t d 一1 8 8 - 1 1 0 1 2 0 0b p s c 0 n 汹幻 条件复相接口( c d p ) 1 6 k ，3 2k b 岱 h a l f d 叩l 既 m u s t d - 1 8 8 2 0 0 c 枷t 0 音频信道d i 澈接口 1 2 0 0 ，2 4 0 0b p s h a l f d u p l 觑 埘i i l - s t d - 1 8 8 一l l o 分组模式接口 同o a t tv 1 0 1 6k b p s h a i f d u p l e 】【 a s 】嗽口2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，1 6 0 0b p s h a l f d u p l e x 物理层协议数据单元是数据在物理链路上传输的最基本的形式，所有有用的 数据信息必须封装成物理层帧，然后在物理信道上传输。根据不同的保密要求， 协议提供了三种不同的物理层帧结构形式，如图2 3 所示m 。 ( a ) 外部带有通信安全( c o m ) 的传输帧结构 l 定向 带有通信安全信息标示的 数据域后项通信安全 传输同步 ( b ) 嵌入式通信安全( c 0 l s ) 的传输帧结构 ( c ) 不带通信安全( c 咖) 的传输帧结构 图2 3 物理层帧结构 图2 3 ( a ) 是传统通信安全( 后向兼容模式) 的传输帧结构，用于指示系统，该 系统的通信安全设备设置在c 4 i 系统之外。图2 3 ( b ) 是嵌入式模式，其通信安全设置 在c 4 i 系统之内。图2 3 ( c ) 是不带通信安全的帧结构。其中，通信安全( c o m s 嘲域 作为传输安全控制使用，为了链路保密，必须在传输中加上传输安全控制的报头 第二章m ，s 1 i m 8 8 2 2 0 c 协议 9 和报尾( c o m m u n i c a t i o ns e 咄让y p r e a m b l e 锄d p o s t 锄b l e ) ：定相域是由d t e ( 数据终 端设备) 发送的，以1 开头的一系列的1 和o 交变组成的比特串，在分组模式下， 该域的长度是0 ：传输同步( 1 伽s m i s s i s y n c h r o n i z a t i o n ) 域作为传输同步使用。传 输同步域依赖操作模式是异步模式、同步模式还是分组模式的不同而不周；数据 ( d a t a6 e l d ) 域包含了由链路层传来的数据经过o 插入、封装、差错控制( f e c ) 、t d c 编码和扰码等操作后形成的比特串。 在传送信息之前，物理层必须通过相应的机制向上层报告网络状态信息。这 包括：通过状态指示信息向链路层报告网络忙信息，一旦检测到网络忙，就设置 网络忙指示信息，上层得到这个信息以后就会延迟向物理信道发送数据；网络访 问控制算法需要发送器知道传输最后一位的时间，接收器接收最后一位的时间， 这样通过协议规定的网络访问控制机制来调整不同节点通信的时隙。 物理层和数据链路层之间交互信息发生在物理层到数据链路层的边界上，要 实现信息的交互至少用到三种原语，包括物理层向数据链路层传输物理帧，网络 状态信息以及链路层向物理层发送链路层数据帧。 2 2 2 数据链路层 计算机网络的数据链路层协议运行在相邻节点连接的两个设备之间，实现在不 可靠的通信线路上无差错的传输，它的主要功能有： ( 1 ) 将数据组织成一定大小的数据块帧，以帧为单位发送、接收数据。 ( 2 ) 正确识别一帧和下一帧，即帧同步。 ( 3 ) 对发送数据的速率必须控制，以免由于发送速度太快，接收方来不及接收 而丢失帧，即流量控制。 ( 4 ) 接收端对数据帧检验，如果发现差错，必须重传，保证数据的正确性，即 差错控制。 ( 5 ) 具有链路的建立、维持、释放等功能，即链路管理。 2 2 0 c 协议中数据链路层同样具有以上功能，其提供控制功能即对通过指定物 理通道的信息传输的控制以确保在物理信道上的信息传送，包括提供数据的组帧 规范以及流量控制，差错控制，在传输头和数据链路帧中应用零比特插入，t d c 编码解码和网络访问控制等功能。 2 2 0 c 协议标准规定了两种基本的链路层服务模式：有连接的服务和无连接的 服务。其中无连接的服务是强制的，即所有实现协议的系统都必须提供无连接的 服务；而有连接的服务是可选的。无连接的服务同时要求能处理有确认和无确认 操作。本仿真采用无连接服务。 对系统间数据通信，基于无连接和面向连接的服务，m i l s t d 1 8 8 - 2 2 0 c 协议 l o 2 2 0 c 协议m a c 层算法的研究 又定义了四种服务类型，分别对应不同的数据业务。 1 类型1 ( 聊e1 ) ：无确认无连接服务( u n a c l m o w l e 电c dc 锄c c d o n l 船so p e r a t i o n ) 。 2 类型2 ( t y p e2 ) ：面向连接的服务( c o 衄e c t i o n m o d eo p e r a 矗o n ) 。 3 类型3 ( t y p e3 ) ：有确认无连接服务( a c l m o w l c d g e dc o 髓e c t i o n l 鼯so p e r a t i o n ) 。 4 类型4 ( t y p e4 ) ：拆分有确认无连接服务( d e 咖p l ea c h o w l e d g c dc o 皿e c t i o n l e s s o p 盯a t i o n ) a 其中类型1 和类型3 是基于i s o8 0 2 2 的，对所有实现m i l s t d 一1 8 8 2 2 b 协 议的d m t d 和c 1 4 i 系统来说，都必须支持类型1 和类型3 服务。类型2 和类型4 服务则是可选的。 在该协议中，类型1 指i s o8 0 2 2 中的无连接服务类型，包括有确认的服务和 无确认的服务。在类型2 中，两个系统在交换数据信息前需要在其间建立数据链 路连接，该连接通常一直保留，直到某个节点离开网络，该服务类型下的通信过 程包括协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t a u n i t ) 从源节点传送到目的节点，以及在相 反方向上对收到这些p d u 进行应答。类型3 通常包含在类型l 中。在类型4 中， 应答是从信息应答p j 中拆分出来的，信息应答p d u 包含一个由源节点指定的 标识号。 根据节点可支持服务类型的不同，协议将节点分为以下四类： 1 a 类节点：支持服务类型1 ，3 ：不支持服务类型2 ，4 。 2 b 类节点：支持服务类型1 ，2 ，3 ；不支持服务类型4 。 3 c 类节点：支持服务类型1 ，3 ，4 ；不支持服务类型2 。 4 d 类节点：支持服务类型1 ，2 ，3 ，4 。 1 知c o e 扭3 ，k 曲奠s3 3 4 5 噼恒 图( a )单字节寻址的数据链路帧结构 i传输头个或多个数据链路帧 i 标志位 传输信息域帧检验序列标志位标志位地址域控制域信息域帧检验序列标志位 8 b i t2 0 c c d s3 撇g b i t8 雠6 1 最多达 3 撕t 8 b i t 8 5 c 把协3 2 0 c b 眈s3 3 4 5 0 c t 如 ( b )4 字节寻址的数据链路帧结构 图2 4 数据链路层帧结构 第二章m ，s 1 d 1 8 8 - 2 2 0 c 协议 数据链路层的帧必须是链路层的基本协议数据单元( p d u ) 。协议定义了在链路 上传输数据的三种类型的帧：无编号帧( 孤u 越u m b 蹦耐丘锄e - up d ，所有服务类 型都会用到无编号帧，它为服务类型1 到服务类型4 提供链路控制功能，为服务 类型1 和服务类型3 提供无连接信息，以及为服务类型1 提供应答，节点标识和 状态信息；信息帧( 蛆i n f o 皿撕o n 丘a m c ip d u ) ，信息帧只用在服务类型2 ，用来在 链路上传输数据和信息；监控帧( 趾s 叩e i r y 缸血c sp d u ) ，用来在数据链路上 进行监视控制，在服务类型2 和4 中用来应答收到的信息帧。协议规定所有的数 据链路层的帧必须组成图2 4 的结构进行传输订】。 对于同步模式、异步模式和分组模式，单字节寻址格式是必选的，4 字节寻址 格式是可选的。在同一个网络中这两种地址格式不能混用。 其中，传输头在每一个数据链路帧之前传送，它包含一些控制信息。f l a g 标 志域是数据链路层的帧同步标志，每一帧都使用0 1 1 1 1 1 1 0 作为开始和结束标志。 地址域用来存放源节点和目的节点的链路层地址，可以是2 1 7 个字节的比特串组 成，源地址占据地址域的最开始8 位字符串，目的地址包含在源地址后面紧接着 的第2 到第1 7 个8 位字符串中。控制域指示在链路上传输的数据链路层协议数据 单元的类型、响应请求和连接信息等。信息域用来承载用户所要传送的信息，信 息域长度必须是字节的整数倍，并且不能超过3 3 4 5 个字节，如果信息域的有效数 据长度不是字节的整数倍，那么必须在后面补o 填充，信息域的最大长度默认为 3 3 4 5 个字节。 无连接服务模式下的命令p d u 主要有： ( 1 ) 无编号信息命令协议数据单元( u 衄u m b 即e di n f o m a t i c o m n l 锄dp d u ) u ip d u 是发送节点用来发送信息给其他的一个或多个节点的协议数据单元。 其中，u i p d u 的p 位指示接收节点是否对发送给自己的u i 命令p d u 做出响应， p 位为1 时，接收节点向发送方发送u r r ( u n n l 】加b e r e dr e c e i v c d r e a d y ) 响应p d u 。 ( 2 ) u i 汛命令p d u 衄砌b 即c dr e c e i v c d - r c a d yc o m m 锄dp d u ) 当一个节点准备好接收信息帧，它就向外发送u r r 命令p d u ，请求其他节点 向它发送数据信息。 ( 3 ) 1 瓜n i i 命令p d u n n 砌b 即e dr e c c i v e n o t m a d yc o m m 锄dp d u ) 与u 】娘命令p d u 相反，当一个节点忙或不能接收信息帧时，就向外发送i 球n r 命令p d u ，暂时阻止其他节点向它发送信息。 无连接服务模式下的响应p d u 命令主要有： ( 1 ) u 】限响应p d u ( u 加砌b c r e dr c c c i v c d m a d y 他s p o l l s ep d u ) i 瓜r 响应p d u 是接收节点用来向发送节点发送确认信息的协议数据单元。当 一个节点接收到包含有自己地址的u i 命令p d u 并且其中的p 位为1 时就必须发送 u 汛响应p d u 给源节点，指示信息接收成功。 1 2 2 2 0 c 协议m a c 层算法的研究 ( 2 ) u 对幔响应p d u ( u n n u m 盯e d 黜i v e m 附e a d yt e s p o n p d d 当一个节点接收到包含有自己她址的u i 命令p d u 并且其中的p 位为1 ，丽自己 因为处于忙状态，就必须发送i 限n r 响应p d u 给发送节点，这样当发送节点接收到 这个信息以后就会等待一段时间，而不向其发送信息。 有连接服务模式下的命令及响应p d u 主要有： ( 1 ) 信息命令及响应p d u ( i i l f o r n l a t i o nc o m m 柚d 缸dr 哪o n s e ) 信息命令及响应p d u 用来在数据链路连接上传送包含信息域并且有序编号的 p d u 。 ( 2 ) r r 命令及嫡应p d u ( r e 。e 主y e 呐皿m 盥d 越d 碍s p o n s e ) r r 命令及响应p d u 用来表示一个节点已经准备好接收信息p d u 。 ( 3 ) r n r 命令及响应p d u ( r e c e i v e n o t _ r c a d y c o m m 觚d 锄dr e s p o n s c ) l 心限命令及响应p d u 用来表示一个节点此时正处于忙状态，暂时不能接收信 息p d u 。 ( 4 ) r e j 命令及响应p d u ( 蹦e c to 嘲m a n da n dr e s p o n s e ) l 洹j 命令及响应p d u 用来表示一个节点请求发送节点重新发送某些信息p d u 。 ( 5 ) s r e j 命令及响应p d u ( s e i e c t i v e r 巧e c t m m a n da n dr e s p o n s e ) s r 町命令及响应p d u 用来表示一个节点请求发送节点重新发送某个信息 p d u 。 2 2 3 网络层 协议的网络层主要规定了在同一无线子网络中如何交换路由信息和更新拓扑 路由结构表以及其他上层的信息交换规程。 协议主要分析了k t r a i n c t 层。m 叻n e t 层又叫3 a 层，它是在相同的无线网络中， 在源和可能多个目的地之间传递i n 锄i n e tp a c k e t s 。i n 仃a n e t 层同时交换拓扑和连接 信息。 i n 订a n e t 层中比较重要的就是m 胁e th e a d 盯，它的格式如图2 5 所示n 在所有的h h 锄e t 头中都应有版本号、信息类型、c t 头长度和服务类型 域。在m 时姐e t 头中当应用i n 仃孤e t 中继时，表中所有域都应利用。用u i 、i 和或 d 认p d u s 来交换i n 咖e t 头。 其中，版本号f v e r s i o nn 啪b 神指出当前使用的i n 仃锄e t 协议的版本，当前值为 o ；信息类型( m e s s a g et y p e ) 有o 至1 5 个值，指出i n 昀n e t 包中数据域里的数据类 型，比如1 代表i n 仃趾e t 应答，2 代表拓扑更新，6 代表岬信息等等；i n 仃觚e 头长度( h 昀n c t h e a d 盯g c h ) 是以o c t e t s 为单位，指出姗e t 头的长度，最小长 度为3o c t e t s ；服务类型( t y p eo f s 刊c c ) ，这个子域的值是建立在口t o s 域的基础 第二章m ，s t d 一1 8 8 2 2 0 c 协议 m s b l s b 654321 0 信息类型版本号 i n t r a n e t 头长度 服务类型 信息i d 号 备用最大跳数 源地址 目的中继站类型1 目的中继地址1 目的中继站类型2 目的中继地址2 目的中继站类型n 目的中继地址n 图2 5h 仃a n c t 头格式 之上的；信息标识号0 订髓s a g ci d 即娃f i c a t i o nn 啪b 哪是一个o 2 5 5 之间的值，由发 送机指定，与源地址一起唯一标识每一个被中继的包；最大跳数( m a ) 【i m 吼h o p c 0 1 l i l t l 指的是在无线网络中，一个i 们彻e t 包可以被中继的最大次数。 第三章网络接入延迟