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摘要 在铁路调度监督系统中，数据通信的效率的高低以及信息传 输的结果的好坏直接影响调度监督其他方面的工作，是系统中的 重要一环。随着列车速度的提高，铁路调度监督系统也对数据通 信提出更高的要求，尤其是传统通信方式所不能满足的通信速度 的要求。而网络技术的发展，使我们能把这种新兴的技术更好的 应用到铁路调度监督系统中的数据通信工作中去，使之满足铁路 调度监督对数据通信的要求。 ? 一 i 本文是针对笔者所参加的实际工程项目“江岸西调度表示系 统? 中我所做的通信部分而写的。为什么、如何将新兴的网络技 术应用到铁路实时调度监督系统中是我所要研究和说明的。本文 也是立足于“为什么如何”这两点来进行阐述的。 、舱文的第一章对江岸西调度监督表示系统做了简单的介绍， 其中讲述了施工单位对于我们的技术规格方面的要求以及我们对 此项目四个部分一个大体的设计，并着重讲述了我所做的通信部 分。第二章则根据第一章所列的方案以及技术要求对与通信部分 相关的网络基本知识进行比较细致的说明，包括网络硬件，网络 软件，局域网的几种标准以及这几种标准之间的比较和选择的原 因。特别提到路由器方面的知识，主要是路由选择协议，尤其对 工程中实际选用的r i p 和o s p f 进行比较详细的讲解。论文的第 三章则实际上是“江岸西调度表示系统”通信部分的详细设计， 开始阐明了调度监督对通信的要求，然后逐个讲述了通信部分里 。、 的几个子部分各自的功能，接下去介绍了软件编制中运用到的 s o c k e t 编程技术，然后是给出几个部分的程序流程图，最后讲了 传统实时调监的数据传输与本系统的差别以及本系统所采用的数 据传输方式以及在做这套系统软件过程中所做的创新工作。 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 广一一 ， 、镁于最后一点提到的创新，这里再多说两句，一般采用s o c k e t 技术，则是发送方为c l i e n t ，接收方为s e r v e r ，那么主通信 机在接收低端数提并往高端发送数据时，就要转换自己的角色， 即接收时充当芒觅i 苗寺蕾发送时充当c l i e n t ，一旦高端不止一 级，则中间的信息交换设备都要进行这样的角色转换，很麻烦， 而且编程时按照这种思路下去只能编成静态的连接，每次不同i p 以及端口，程序改动比较麻烦。而后来采用的广播方式则是采用 轮询方式，只要连接没有断开，就把s e r v e r 上收到的信息发送 到所有连接的机器上，而c l i e n t 端根据信息附加的“报头”来 判断是否是自己的信息，若是，则接收；否，则丢弃。这样实际 上就形成了c l i e n t s e r v e r c l i e n t ，s e r v e r 根本就不需要 去考虑自己是要接收还是发送信息，将所有接收到的信息当成应 答信息反馈回去就行了，相比原来而言，是很大的一个提高。 关键词：调度监督峨网络 套接口& 舛撼t 夫 2 i ! 查銮望查兰堡主兰堡堡苎 堑茎旦塑垫查垄丛堕塑壁堕堑墨竺主塑壁旦 a b s t r a c t d a t ac o m m u n i c a t i o ni si m p o r t a n ti nr a i l w a yd i s p a t c h & m o n i t o r s y s t e m ( r d m s ) w h i c h i sa f f e c t e db yd a t ac o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c y a n dr e s u l t r d m sr e q u e s th i g h e rs p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n st h a n b e f o r ea st r a i n sr u nf a s t e r b u tt r a d i t i o n a ld a t ac o m m u n i c a t i o n c a nn o t m e e tt h i sr e q u i r e m e n t a n da sn e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，w ec a n a p p l y i ti nr d m sd a t ac o m m u n i c a t i o n i no r d e rt oa c h i e v ei t s r e q u i r e m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m b i n e dw i md a t ac o m m u n i c a t i o np a r tt h a t i v ed o n ei nt h ea c t u a lp r o j e c t ”j i a n a n x id i s p a t c h & d i s p l a ys y s t e m ” 1w o u l d e x p l m nw h y a n dh e wn e t w o r kc o u l db eu s e di nr d m si nt h i s p a p e l t h e1s tc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no f ”j i a n a n x i d i s p a t c h & d i s p l a ys y s t e m ”w h i c hg i v e st e c h n o l o g y s t a n d a r da n dt h ed e s i g ni nt h em a s s t h e2 n dc h a p t e rp a y sm o r e a t t e n t i o n st o c o r r e l a t i v en e t w o r k t e c h n o l o g y , i n c l u d i n g n e t w o r k h a r d w a r e ，s o t h v a r e ，s e v e r a ls t a n d a r d so fl a n a n dk n o w l e d g ea b o u t r o u t e r t h e3 r dc h a p t e ri sa na c t u a l l yp a r t i c u l a rd e s i g nf o rr d m s d a t a c o m m u n i c a t i o ni n ”j i a n g a n x i ”w h a tt h ed i s p a t c h & m o n i t o rr e q u e s t s f o rc o m m u n i c a t i o ni sp u tf o r w a r da tf i r s t ，a n die x p l a i ne v e r yp a r to f d a t ac o m m u n i c a t i o n ，t h e ng i v et h e s o c k e t ”t e c h n o l o g ya n dp r o g r a m f l o wc h a r t a tl a s tib r i n gm yi n n o v a t i o ni nt h i sp r o j e c t a b o u t m yi n n o v a t i o n ，is h o u l di n t r o d u c e m o r eh e r e if o u n da tl a s t i fir e p l a c en o r m a lc l i e n t s e r v e rw i t hb r o a d c a s t ，1w o u l db u i l da c l i e n t s e r v e r c l i e n t s t y l e w h i c hw o u l db ew i t hm o r e f i e x i b i l i t y 3 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 k e yw o r d s ：r a i l w a yd i s p a t c h & m o n i t o rs y s t e m ( r d m s ) n e t w o r ks o c k e t 4 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统宅塑堕旦 1 1 概述 第一章江岸西调度监督表示系统简介 江岸西调度监督表示系统工程范围：江岸西编组站有四个站场，共需 五台分机，其中，采集分机两套( 与6 5 0 2 继电集中设备接口) ；接口分机 三套：与微机连锁系统( 铁科院) 和驼峰系统( 通号公司) 接口。电务维 护总机一套，调度楼调度表示设备一套，以之相应的通信设备一套，并要 与枢纽调监系统( 上海c a s c o 公司) 联网。陔系统由铁道部第四勘测设 计院设计，建设单位为武汉枢纽建设指挥部。 1 2 技术规格 1 2 1 行车信息显示 1 2 1 1 表示的方式 采用高分辨率的彩色显示器模拟其所辖区域内的铁路线路、站场形状 网络、信号机布局以及有关信号设备状态的全景，在全景显示上，车站、 区间线路、信号机布置以及信号状态、列车车次号、列车( 车列) 位置和 运行方向均应一目了然。 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 细景表示 采用高分辨率的彩色显示器以任意窗口画面显示出详细的站场形状网 络、区问、信号、道岔、轨道区段等模拟显示。 1 2 1 2 表示的主要内容 车站网络布局、区间线路的模拟表示 信号机的布置； 站( 场) 名称以及信号设备名称 股道号； 信号显示状态： 列车( 车列) 进路状态 列车( 车列) 运行方向 道岔位置： 轨道电路( 区间) 状态 电务维护( 车站终端设备及车站联锁系统的工作状态) 列车车次号： 有关文本信息。 4 北方交通大学硕士学位论文 新兴剐络技术在铁路调度监督系统中的应用 1 2 1 3 表示信息的显示要求 全景星矛裸用简化的站场网络( 信号机名称、道岔名称、轨道区段名 称及股道号可以隐含方式显示) ，界面设计以清晰舒适位原则。 全景、绍：g 孚显示所采用的符号、颜色及不同信号设备和进路状态的表 示，均应以铁道部有关电气集中控制台位依据，并要求与车站微机联锁系 统的显示画面一致。 在盛争揭毯萋噪用的列车车次号的移动和有关信号设备状态的变化来模拟 列车( 车列) 的实迹运行。 车次号的产生 栗：冻吁歉褪统调度监督系统，并向武汉枢纽的调度监督系统提 供本站产生列车车次号； 蝣堀员，【r 弱：a ( 并能编辑) 。 车次号的显示 袱号敞显示泼名：上的车次窗内以5 位字符( 数字或英文字母) 显 示，随列车的运行实迹，车次号应在相应的车次窗内跟踪移动。 区谊玛暾商谚瑾峨保证列车在区间追踪运行时不丢失车次号，站 内每股到发线设一车次窗，在车站分界处应有车次预告窗。 1 2 2 基础信号设备的集中监测、报警 为便于对电气集中、区间自动闭塞、驼峰自动化等信号基础设备的维 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 护，系统应该能对基础信号设备的监测系统所监测的信息进行传输和处理 并能向枢纽调度监督系统报告。 1 2 2 1 系统自检 夕砌自爱j 系统应在完全正常状态下丌始工作。 焉西峦必须具备完善的故障自渗断和对系统内部事件进行记录和打印的 功能，以便于对系统的维护。对一些关键部分的故障提供文本报警信息及 音响报警。 京僦对其内部工作过程进行详细的记录并具备一定的储存能力，必 要时，可再现系统某一阶段的工作全过程。 景学e 应监视通道的工作状态，当信道发生故障时提供报警。 1 2 3 本系统与武汉枢纽调度监督系统的关系 本系统作为武汉枢纽调度监督系统的一个子系统与褪弧讽霞 监督系统的数据交换必须采用调度监督系统所要求的通信规程及数据格 式。 本系统必须能向调发监督系统传送新要求全部信愚。诲畿强啦 从调度监督系统下发的信息，并经处理后转发给各相关的本系统分机或电 务维护分机。 本系统分杌匣具备调度隘督的功能， 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 1 ) 信息采集部分：包括采集分机两套和接口分机三套： 2 ) 显示部分：调度信息显示； 3 ) 通信部分：分机、通信服务器、表示计算机及电务维护总机之间信 息交换； 4 ) 电务维护总机：信号设备及系统设备的工作状态监测。 1 3 系统概要设计 1 3 1 分机 要求： 工作安全可靠，系统设备故障不影响连锁设备工作。 分机及采集电路工作状态自动监测、上送，故障定位到 板( 采集部分可到点) 。 采集分机采样时间2 5 0 m s ：容量7 5 0 点，( 可扩展) 。 接口分机可与微机连锁和驼峰控制系统进行信息交换。 可接车次号输入终端。 便于开发和维护。 可以满足各种通信要求( 通信速率、网络接口等) 。 有足够升级空间，可以方便地满足具有更高功能和性能 要求的系统。 有较高的性能价格比。 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督奄竺主堕壁旦 结构： 应甩软件： 应用软件采用v c + + 6 0 编制，共有下列模块 对于采集分机 1 信息采集模块：定时循环扫描方式，扫描周期一局域网 城域网 产j “域网 l 互联网 图2 一l 按连接距离分类的相互联结的多处理机系统 2 1 1 局域网 局域网( 1 0 c a la r e an e t w o r k ) ，简称l a n ，是处于同一建筑、 同一大学或方圆几公里远地域内的专用网络。局域网常被用来 连接公司办公室或工厂里的个人计算机和工作站，以便共享资 源( 如打印机) 和交换信息。l a n 有和其它网络不同的三个特 征：( 1 ) 范围，( 2 ) 传输技术，( 3 ) 拓扑结构。 l a n 的覆盖范围比较小，这意味着即使是在最坏情况下其传 输时间也是有限的，并且可以预知传输时间。知道了传输的最 大时间，就可以使用某些设计方法，而在其它情况下是不能这 北方交通大学硕士学位论文 新兴嘲络技术在铁路调度监督系统中的应用 样做的。这同样也简化了网络的管理。 l a n 通常使用这样一种传输技术，即用条电缆连接所有的 机器。传统的l a n 速度为1 0 m b s 1 0 0 m b s ，传输延迟低( 几 十个毫秒) ，并且出错率低。新的l a n 运行速度更高，可达到 每秒数千兆位。这里按传统标定线速度，即兆比特秒( m b s ) ， 而不是兆字节秒( m b s ) 。1 兆位等于l 0 0 00 0 0 比特，而不是 10 4 85 7 6 ( ) 比特。 广播式l a n 可以有多种拓扑结构。图2 2 给出了其中的两种。 在总线型( 如线性电缆) 网络中，任一时刻只有一台机器是主 站并可以进行发送。而其它机器则不能发送。该机制可以是集 中式的，也可以是分布式的。i e e e 8 0 2 3 ，即通常所晚的以太网 ( e t h e r n e t ) ，就是一种基于总线的广播式网络，它使用分布式 控制，速度为10 m b s 或1 0 0 m b s 。以太网上的计算机在任意时 刻都可以发送信息，如果两个或更多的分组发生冲突，计算机 就等待一段时间，然后再次试图发送。在由电务维护、通信机、 备机以及显示设备组成的局域网由于本身数据传输的实时性要 求以及电务维护端数据交换的无规律性，网络设计中采用分布 式控制的以太网是最佳选择。 计算机 1 8 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 图2 2 两种广播式网络 ( a ) 总线型( b ) 环型 第二种广播式系统是环网，在环中，每个比特独自在网内 传播而不必等待它所在分组里的其它比特。典型地，每个比特 环绕一周的时间仅相当于发出几个比特的时间，常常还来不及 发送整个分组。和其它所有广播系统一样，也需要某种机制来 仲裁对环网的同时访问。已采用的方法很多，i e e e 8 0 2 5 ( i b m 令牌环) 就是常见的基于环型的l a n 。其速度为4 m b s 或 16 m b s 。也正是由于速度的局限，所以在江岸西调度表示系统 中没有采用这种环状局域网。 根据信道的分配方式，广播式网络还可以进一步划分为静 态和动态两类。典型的静态分配方法是把时间分成离散的区间， 采用循环算法，每台机器只能在自己的时段到来时才能进行广 播。在不需要发送时，静态分配算法就会浪费信道的容量。因 此，有些系统试图动态分配信道( 在需要时才分配) 。 公共信道的动态分配算法既可以是集中式的也可以是分散 式的。在集中式信道分配算法中存在一个独立的实体，例如总 线仲裁单元，由它决定下一个发送者是谁。仲裁单元可根据某 种内部算法接受申请和作出决定。在分散式信道分配算法中， 没有这样的中央实体，每台机器必须自己决定是否发送。基于 在铁路实时调度监督数据量不大的考虑，无论是定点数据传输 或者是广播方式，我所采用的都是先来先发的方式。 下面再介绍另外几种网络，虽然在江岸西这个项目上没有 用到m a n 和i n t e r n e t ，但可以作为增加知识面的广度而了解， 在今后的一些更大型的网络工程中有可能用到。 9 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调堕! 鱼簧墨堕! 塑堕旦 2 1 2 城域网( g _ a n ) 城域网( m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ) ，或者称为m a n ，基 本上是一种大型的l a n ，通常使用与l a n 相似的技术。它可能 覆盖一组邻近的公司办公室和一个城市，既可能是私有的也可 能是公用的。m a n 可以支持数据和声音，并且可能涉及到当地 的有线电视网。m a n 仅使用一条或两条电缆，并且不包含交换 单元，既把分组分流到几条可能的引出电缆的设备。这样作可 以简化设计。 把m a n 列为单独一类的主要原因是已经有了一个标准并且 正在被实施。这就是分布式队列双总线d q d b ( d i s t r i b u t e dq u e u e d u a lb u s ) 。也就是i e e e 8 0 2 6 。d q d b 由两条单向总线( 电缆) 组成，所有的计算机都连接在上面。如图2 - 3 所示，每条总线都 有端点( h e a d e n d ) ，这是一个启动传输活动的设备。目的计算 机在发送者右方时使用上方的总线。反之，则使用下方的总线。 总线a 上的流向_ 一 总线b 上的流向 图2 - 3d q d b 城域网的结构 2 0 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 m a n 的关键之处是使用了广播式介质( 8 0 2 6 ，使用两条电 缆) ，所有的计算机都连接在上面。 2 1 3 广域网 广域网( w i d ea r e an e t w o r k ) ，或者称w a n ，是一种跨越大 的地域的网络，通常包含一个国家或省( 州) 。它包含想要运行 用户( 即应用) 程序的机器的集合。如图2 - 4 ，按照传统的用法 称这些机器为主机( h o s t ) 。有时候也有叫作端点系统( e n d s y s t e m ) 。主机通过通信子网( c o m m u n i c a t i o ns u b n e t ，或简称 子网) 连接。予网的功能是把消息从一台主机传到另一台主机。 通过把网络纯粹通道部分( 子网) 和应用部分( 主机) 分丌， 整个网络的设计就简化了。 图2 4 主机和子网之间的关系 局域网 2 l 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 在大多数广域网中，子网由两个不同的部件组成，即传输线 和交换单元。传输线也称为线路( c i r c u i t ) 、信道( c h a n n e l ) 和 干线( t r u n k ) 在机器之间传送比特。 交换单元是一种特殊的计算机，用于连接两条或更多的传输 线。当数据从输入线到达时，交换单元必须为它选择一条输出 线以传递它们。目前还没有标准的技术术语来命名这些计算机。 它们被冠以不同的名字，如分组交换节点( p a c k e ts w i t c h i n g n o d e ) 、中介系统( i n t e r m e d i a t es y s t e m ) 、数据开关交换( d a t a s w i t c h i n ge x c h a n g e ) 等。作为交换计算机的一般名称，可以使 用路由器( r o u t e r ) 这个词。在这个模型中，每个主机都被连接 到一个带有路由器的l a n 上，虽然在某些情况下主机可以被直 接连接到路由器上。通信线路和路由器( 但不包括主机) 的集 合组成了子网( s u b n e t ) 。 “子网”的另一个含义也有必要况明一下。最初，它仅仅指 把分组从源主机传送到目的主机的路由器和通信线路的集合。 后来，它包含了与网络寻址有关的含义。 在大多数w a n 中，网络包含大量的电缆或电话线，每一条 都连接一对路由器。如果两个路由器间没有电缆连接而又希望 进行通信，则必须使用间接的方法，即通过其它路由器。当通 过中间路由器把分组从一个路由器发往另一个路由器时，分组 会完整地被每个中间路由器接收并存放起来。当需要的输出线 路空闲时，该分组就被转发出去。使用这种原理的子网被称为 点到点( p o i n t t o p o i n t ) 、存储转发( s t o r e a n d - f o r w a r d ) 或分 组交换( p a c k e t s w i t c h e d ) 子网。几乎所有的广域网( 除了使用 卫星的以外) 都使用存储转发子网。当分组很小并且大小相同 时，通常被称作信元( c e l l ) 。在江岸西调度表示系统的网络结 构中，将各个采集点组成的局域网( 或单机，可看成一个最小 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 单位的局域网) 以及上层显示设备、电务维护、通信机通信备 机连起来的广域网就是采用分组交换网所有相邻的局域网都是 通过路由器来将数据进行存储转发，这样就可以保证所有的局 域网都能访问到广域网上的数据( 虽然不一定需要这些数据) ， 这对保证数据的正确性起了很大的作用，便于核对和检查。 在使用点到点二严网时，重要的设计问题时路由器互联的拓扑 结构。图2 5 显示了几种可能的拓扑结构。与之相对比的是，局 域网设计通常是不规则的拓扑结构。在江岸西调度表示系统中 采取的是迂回环路，即f b ) 所示的结构，这种结构和其他几种相 比较，具有以下优点：通信线路简单，占用资源相对较少；安 全性高，数据传输有保障( 一条线路断了，还能走相反的方向 到达任何节点) ；出了故障也容易判断是哪一段的问题，便于维 护。 。 。 ( a ) 凰 ( d ) ( b ) ( e ) ( 1 2 ) 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术壅! 叁堕迥堕些塑墨堕主塑生墨 图2 - 6 点到点子网的一些可能拓扑结构 ( a ) 星型；( b ) 环型：( c ) 树型：( d ) 完整型；( e ) 相切型；( f ) 不规则型 w a n 的另一种可能设计是卫星或地面无线系统。每个路由器 都有天线，可以进行发送和接收。所有的路由器都可以收到卫 星的输出，并且在某些情况下，它们也可以收到其它路由器到 卫星的上行传输。有时候各路由器被连接成实际上是点到点的 子网，但仅有某些路由器有天线。卫星网络自然而然是广播式 的，并且当广播特性很重要时它尤其有用。这点虽然和本项目 关系不大，但作为为以后列车上的无线通信以及特殊情况下的 通信还是有很大意义的，所以值得了解。 2 1 4 互联网 此外，按规模划分，还有互联网( i n t e r n e t w o r k 或i n t e r n e t ) 。 常见的互联网是通过w a n 连接起来的l a n 集合。实际上，如 果把图2 - 4 中的“子网”换成“w a n ”就可以了。在这种情况下 和w a n 之间唯一的真正区别是主机是否出现。如果闭合曲线包 含的系统仅有路由器，它就是子网。如果它包含路由器和主机 及其用户，它就是w a n 。 子网( s u b n e t ) 、网络( n e t w o r k ) 、互联网( i n t e r n e t w o r k ) 常常令人迷惑。子网通常在谈到局域网时才有意义，它指由网 络经营者拥有的路由器和通信线路的集合。在谈到l a n 时，电 缆和主机构成网络，没有子网的概念。而因特网( i n t e r n e t ) 则 时互联网( i n t e r n e t ) 的著名例子。 当不同的网络连接起来时就组成了互联网。在我们看来， 把一个l a n 和w a n 连接起来或者连接两个l a n 就组成了互联 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调鏖堕督奄丝! 塑些旦 网。但是工业界对这些术语还没有达成一致的意见。 2 2网络软件 以前，在设计网络时，硬件被作为主要因素来考虑，软件 仅在事后才考虑。现在人们不再这样认为了。网络软件是高度 结构化的。下面我们来看软件结构化的技术。 2 2 1 协议分层 为了减少协议设计的复杂性，大多数网络都按层( 1 a y e r ) 或 级( 1 e v e l ) 的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不 同的网络，其层的数量、各层的名字、内容和功能都不尽相同。 然而，在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上一层提供 一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。 一台机器上的第n 层与另一台机器上的第n 层进行对话。通 话的规则就是第1 1 层协议( p r o t o c 0 1 ) 。协议基本上是通信双方 关于如何进行达成的致。而不同机器里包含对应层的实体叫 对等进程( p e e r ) 。换言之，正是对等进程利用协议进行通信。 图2 6 说明了一个5 层的协议。 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 4 5 层接口 3 4 层接口 2 3 层接口 1 2 层接口 主机l 第5 层 第4 层 第3 层 第2 层 第5 层协议 第4 层协议 第3 层协议 第2 层协议 主机2 第5 层 第4 层 第3 层 第2 层 i _ i 一。 苎! 量粤兰厂；燕 物 理 介质 图2 6 层、协议和接口 实际上，数据不是从一台机器的第n 层到另一台机器的第n 层，而是每一层都把数据和控制信息交给它的下一层，直到最 下层。第一层下是物理介质( p h y s i c a lm e d i u m ) ，它进行实际的 通信。在图2 - 6 中，点线表示虚拟通信，实线表示物理通信。 每一对相邻层之间都有一个接口。接口定义下层向上层提 供的原语操作和服务。当网络设计者在决定一个网络包括多少 层，每一层应当做什么的时候，其中很重要的一点就是要在相 邻层之间定义一个清晰的接口。为达到这些目的，又要求每一 层能完成一组特定的有明确含义的功能。除了尽可能地减少必 须在相邻层之间传递的信息的数量外，一个清晰的接口可以使 同一层能轻易地用一种实现来替代一种完全不同的实现( 如用 卫星信道来替代所有的电话线) ，只要新的实现能向上层提供旧 的实现所提供的同一组服务就可以了。层和协议的集合被称为 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 网络体系结构( n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) 。体系结构的描述必须包 含足够的信息，使实现者可以用来为每一层编写程序和设计硬 件，并使之符合有关协议。协议实现的细节和接口的描述都不 是体系结构的内容，因为它们都隐藏在机器的内部，对外部来 说是不可见的。只要机器都能正确地使用全部协议，网络上所 有机器的接口不必完全相同。某一系统所使用的协议列表，每 层一个协议，被称为协议栈( p r o t o c o ls t a c k ) 。 2 2 2 参考模型 这里我们看看两个重要的网络体系，即o s i 参考模型和 t c p i p 参考模型。 2 2 2 1o s i 参考模型 o s i 参考模型如图2 7 所示。该模型基于国际标准化组织 ( i s 0 ) 的建议，作为各种层上使用的协议国际标准化的第一步 而发展起来的( d a y 和z i m m e r m a n n ，1 9 8 3 ) 。这一模型被称作i s o o s i 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 i o n r e f e r t e n e em o d e l ) ，因为它式关于如何把开放式系统( 即为了与 其它系统通信而相互开放的系统) 连接起来的，所以被常简称 它为o s i 模型。 韭查銮望查兰堡主堂笪堡塞 堑茎塑竺垫查垄壁堕塑塞些塑墨竺竺窒旦 交换单元 的名字 彳 二i i i 二 曼要竺望 。二：! i ! a r 。u z 二：i j i 二 誊示协议二：i ! ! 三 r r 。u ， 二三 烹曼竺 二圣 s 删 。臣互1 蒜摹急 匦习啪u 一 通信子网边界 5 6 7 图2 7o s i 参考模型 其中p d u 的意思是协议数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t ) 。o s i 模型有7 层，其分层原则如下： 分组 帧 比特 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术连壁堕塑壁些塑墨竺! 塑壁旦 ( 1 ) 根据不同层次的抽象分层。 ( 2 ) 每层应当实现一个定义明确的功能。 ( 3 )每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标 准。 ( 4 ) 各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。 ( 5 ) 层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中， 但也不能太多，否则体系结构会过于庞大。 下面我简单介绍一下o s i 参考模型的各层。请注意o s i 模 型本身不是网络体系结构的全部内容，这是因为它并未确切的 描述用于各层的协议和服务，它仅仅告诉我们每一层应该做什 么。 物理层 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 涉及到通信在信道上传输的原始比 特流。这里的设计主要是处理机械的、电气的和过程的接口， 以及物理层下的物理传输介质等问题。 数据链路层 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 的主要任务是加强物理层传输 原始比特的功能，使之对网络层显示为一条无错线路。发送方 把输入数据分装在数据帧( d a t af r a m e ) 里，按顺序传送各f r a m e ， 并处理接收方回送的确认帧( a c k n o w l e d g e m e n tf r a m e ) 。 由于传输线路上突发的噪声干扰可能把帧完全破坏掉。因此 数据链路层要解决由于帧的破坏，丢失和重复所出现的问题。 数据链路层要解决的另一个问题( 在大多数层上也存在) 是 防止高速的发送方的数据把低速的接收方“淹没”。因此需要有 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 某种流量调节机制，使发送方知道当前接收方还有多少缓存空 间。通常流量调节和出错处理同时完成。 如果线路是用二f 双向传输数据，数据链路层还必须解决新的 麻烦，即从a 到b 数据确认帧将同从b 到a 的数据帧竞争线路 的使用权。 广播式网络在数据链路层还要处理新的问题，即如何控制对 共享信道的访问。 网络甚 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 关系到子网的运行控制，其中一个 关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。路由既可 以选择网络中的静态路由表，几乎保持不变，也可以在每一次 会话开始时决定( 例如通过终端对话决定) ，还可以根据当前网 络负载状况，高度灵活地为每一个分组决定路出。 能。 子网里的拥塞控制也属于网络层的范围。 网络层还常设有计算通过子网的分组、字符和比特的记数功 网络层还必须解决不同子网间协议转换的问题，使异种网络 能够互联。 在广播网络中，选择路由很简单。因此网络层很弱，甚至不 存在。 传输层 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 的基本功能是从会话层接收数据， 并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到 达对方的各段信息正确无误，而且，这些任务都必须高效率地 完成。从某种意义上讲，传输层使会话层不受硬件技术变化的 3 0 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 影响。 会话层每次请求建立一个传输连接，传输层就为其建立一 个独立的网络连接。如果传输连接需要较高的吞吐量，传输层 也可以为之创建多个网络连接，让数据在这些网络上分流以 提高吞吐量。反之，如果创建或维持一个网络不合算，传输层 也可以将几个传输连接复用到一个网络连接上，以降低费用。 在任何情况下，都要求传输层能使多路复用对会话层透明。 传输层也要决定向会话层，最终向网络用户提供什么样的 服务。最流行的传输连接是一条无错的，按发送顺序传输报文 或字节的点到点的信道。还有的传输服务是不能保证传输次序 的独立报文传输和多目标报文广播。采用哪种服务是在建立连 接时确定的。 传输层是真正的“端到端”的层。也就是说，在源端机上某 程序，利用报文头和控制报文与目标机上的类似程序进行对话。 在传输层以下的各层中，协议是每台机器和它相邻机器之间的 协议，而不是最终的源端机与目标机之间的协议，在它们中间 可能还有多个路由器。图2 7 说明了这种区别，1 层3 层是链 接起来的，4 层7 层是端到端的。 除了将几个报文流多路复用到一条通道上，传输层还必须 解决跨网络连接的建立和拆除。就是说在传输层还要有某中命 名机制。另外流量控制( f l o wc o n t r 0 1 ) 在传输层( 同样在其他 层) 中也扮演着关键角色。 会拓层 会话层( s e s s i o nl a y e r ) 允许不同机器上的用户建立会话 ( s e s s i o n ) 关系。会话层允许进行类似传输层的普通数据的传 输，并提供了对某些应用有用的增强服务会话，也可被用于远 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统专的应用 程登陆到分时系统或两台机器间传递文件。 会话层服务之一是管理对话。会话层允许信息同时双向传 输，或任一时刻只能单独传输。 一种与会话有关的服务是令牌管理( t o k e nm a n a g e m e n t ) 。 有些协议保证双方不能同时进行同样的操作，这一点很重要。 为了管理这些活动，会话层提供了令牌。令牌可以在会话双方 之间交换，只有持有令牌的一方可以执行某种关键操作。 另一种服务是同步( s y c h r o n i z a t i o n ) 。为了解决长文件传输 中途断开重新传输的问题，会话层提供一种方法，即在数据流 中插入检查点。每次网络崩溃后，仅需要重新传输最后一个检 查点以后的数据。现在我们一般称之为“短点续传”。 表示屡 表示层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 完成某些特定的功能，由于这 些功能常被请求，因此人们希望找到通用的解决办法，而不是 让每个用户来实现。值得一提的是表示层以下的各层只关心可 靠的传输比特流，而表示层关心的是所传输的信息的语法和语 义。 为了让采用不同计算法的计算机之间进行通信，交换中使 用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码 方式。表示层管理这些抽象数据结构，并且在计算机内部表示 法和网络的标准表示法之间进行转换。 瘦用屡 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 包含了人们普遍需要的协议。 为了使在不兼容的终端上使不同的屏幕格式、插入和删除文本 的换码序列、光标移动等看起来像是统一起来的，定义了一个 网络虚拟终端( n e t w o r kv i r t u a lt e r m i n a l ) ，编辑程序和其他所 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统e e f f o j i 用 有程序都面向该虚拟终端。而对没每一种终端类型，都写一段 软件来把网络虚拟终端映射到实际的终端。 另一个应用功能是文件传输。不同的系统之间传输文件所 需处理的各种不兼容问题，也同样属于应用层的工作。此外还 有电子邮件、远程作业输入、名录查询和其他各种通用和专用 的功能。 o s l 模型的数据传输 图2 8 将给出o s i 模型是如何传输数据的例子。发送进程 有些数据要发送给接收进程，它把数据交给了应用层，应用程 序在数据前面加上应用报头，即a h ( 也可以是空的) ，再把结 果交给表示层。 表示层可以有多种方式对此加以变换，也可以在前面加个 报头，然后把结果交给会话层。下面这一点是十分重要的，即 表示层并不知道也不应该知道应用层给它的数据中哪一部分是 a h ( 如果有的话) ，哪一部分是真正的用户数据。 这一过程重复进行直到数据到达物理层，然后被实际传输 到接收机。在接收机里，当信息向上传递时，各种报头被一层 层地剥去。最后，数据到达接收进程。 整个过程中的最关键的概念是，虽然数据的实际传输方向 是垂直的，但每一层在编程时却好象数据一直是水平传输的。 例如，当发送方的传输层从会话层得到报文时，它加上一个传 输层报头，并把报文发送给接收方的传输层。从发送方传输层 的观点来看，实际上它必须把报文传给本机内的网络层，但这 一事实只是不重要的技术细节。 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 歹 叫苎塑 斗 、 应用层 应用阱议 删塾塑 应用层 表示层 表示协议_ 一p h 数据斗表示层 会话层 会话协议一s h 敬据会话层 传输层 传输协议_ 一t h 数据斗 传输层 网络层 网络协议_ 一n h 数据网络层 数据链路层 叫d h 故槲d th数据链路层 物理层 _ 一m。卜_ 物理层 r 实际数据传输途径 图2 8 一个演示o s i 模型如何使用的例子 2 2 2 2t c p i p 参考模型 现在我们从o s i 参考模型转向计算机网络的祖父a p p a n e t 和其后继的因特网使用的参考模型。a p p a n e t 是由美国国防部 d o d ( u s d e p a r t m e n to fd e f e n s e ) 赞助的研究网络。逐渐地，它 通过租用的电话线连接了数百所大学和政府部门。当卫星和无 北方交通大学硕士学位论文 新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 限网络出现后，现有的协议在和它们互联时出现了问题，所以 需要一种新的参考体系结构。因此能无缝隙的连接多个网络的 能力是从一开始就确定的主要目标。这个体系结构在它的两个 主要协议出现后，被称为t c p i p 参考模型( t c p i pr e f e r e n c e m o d e l ) 。 由于美国国防部担心它们一些珍贵的主机、路由器和互联 网可能会突然崩溃，所以网络必须实现的另一个主要目标是网 络不受子网硬件损失的影响，已经建立的会话不会被取消。换 句话说，美国国防部希望只要源端和目的端机器都在工作，连 接就能保持住，即使某些中间机器或传输线路突然失去控制。 而且，整个体系结构必须相当灵活，因为已经看到了各种各样 从文件传输到声音传输的要求。 互联两瑟 所有的这些需求导致了基于无连接互联网络层的分组交换 网络。这一层被称作互联网层( i n t e r n e tl a y e r ) ，它是整个体系 结构的关键部分。它的功能是使主机可以把分组发送到任何网 络并使分组独立地传向目标( 可能经过不同的网络) 。这些分组 到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如果需要按发送及接 收时，高层必须对分组排序。必须注意到这里使用的“互联网” 是基于一般意义的，虽然因特网中确实存在互联网。 互联网层定义了正式的分组格式和协议，即i p 协议 ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 。互联网层的功能就是把i p 分组发送到应 该去的地方。分组路由和避免阻塞是这里主要的设计问题。由 于以上原因，可以说t c p i p 互联网和o s i 网络层在功能上是非 常相似的。 北方交通大学硕士学位论文新兴网络技术在铁路调度监督系统中的应用 下图2 - 9 显示了它们之间的对应关系。 o s i 应用 表示 会话 传输 网络 数据链路 物理 t c p i p 图2 - 9t c p i p 参考模型 传输层 在t c p i p 模型中，位于互联网层之上的那一层，现在通常 叫传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 。它的功能是使源端和目标端主机 上的对等实体可以进行会话，和o s i 的传输层一样。这里定义 了两个端到端的协议。第一个是传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o n c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。它是一个面向连接的协议，允许从一台机器 发出的字节流无差错地发往互联网的其他机器。它把输入的字 节流分成报文段并传给互联网层。在接收端，t c p 接收进程把 收到的报文再组装成输出流。t c p 还要处理流量控制，以避免 快速发送方向低速接收方发送过多的报文而使接收方无法处 理。 第二个协议是用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a m p r o t o c 0 1 ) a 它是一个不可靠的、无连接协议，用于不需要t c p 的排序和流量控制能力而是自己完成这些功能的应用