（电路与系统专业论文）hdlc协议在通信系统中的应用及其在fpga中的实现.pdf

h d l c 协议在通信系统中的应用厦其在f p g a 中的实现摘要 h d l c 协议在通信系统中的应用及其在f p g a 中的实现 付新虎 导师：丁铁夫 摘要 h d l c ( 高级数据链路控制) 协议是一种面向比特的链路控制规程，它的一 般实现方法为采用a s i c 器件和软件编程等。应用a s i c 器件时设计简单、使用 简易、功能针对性强、性能可靠，适合应用于特定用途的大批量产品中，但灵活性 较差：软件编程方法灵活发，但占用处理器资源多、执行速度慢、实时性( 信号的 时延和同步性) 不易预测；h d l c 的软件编程方法功能灵活，通过修改程序就可以 适用于不同的h d l c 应用，对于多路信号的h d l c 应用，处理器的资源占用率与 处理路数成正比，所以，软件h d l c 一般只能用于个别路数的低速信号处理。 本论文分两部分，第一部分利用z a r l i n k 公司生产的m t 8 9 5 2 与m t 9 1 7 2 芯片 实现基于h d l c 协议的通信系统，它是为利用现有的双绞线来传输数据而设计的。 m t 8 9 5 2 和m t 9 1 7 2 在通信范围为4 0 k m ，传输速率为1 6 0 k b i t s 时的环路衰减为 3 3 d b ，其中包括两个6 4 k b i t s 的b 通道和一个1 6 k b i t s 的信号d 通道。d 通道的 信号信息格式为h d l c 协议格式，主要是用来传输控制用的信令信号，它在数据 传输中起着非常重要的作用。这个典型应用主要用在建立在p a b x 上的个人网络 环境中。h d l c 协议控制芯片也可以作为d 通道接口，用在包含多个d n i c 的数 字线路卡上：第二部分是利用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编 程门阵列) 来实现h d l c 协议。由于h d l c 标准的文本较多，a s i c 芯片出于专 用性的目的难以通用于不同版本，缺乏应用灵活性。f p g a 采用硬件技术处理信 号，又可以通过软件反复编程使用，能够兼顾速度和灵活性，并能并行处理多路 信号，实时性能够预测和仿真。在中小批量通信产品的设计中，f p g a 是取代a s i c 实现h d l c 功能的一种合适选择。 关键词：高级数据链路控制规程，数字网络接口电路，u 接口，循环冗余校验 连续可变斜率增量调制 a p p l i c a t i o no f h d l c p r m o c o l i n c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d r e a l i z a t i o n i n f p g a a b s t r a c t 一 - a p p l i c a t i o no fh d l c p r o t o c o li nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dr e a l i z a t i o ni nf p g a f u x i n h u d i r e c t e db y ：d i n gt i e f u a b s t r a c t h d l ci sal i n kc o n t r o lp r o t o c o lw h i c hb a s e so nb i t a n di ti so f t e nr e a l i z e db y a s i cd e v i c e so rs o f t w a r e c o m p a r i n gt h et w om e t h o d s ，w ec a r lf i n dt h a tt h ef i r s to n e h a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa sm a k i n gt h ed e s i g ne a s i e r , g o o df u n c t i o np e r t i n e n c e ，a n d r e l i a b l ec a p a b i l i t y l , a n d a lo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r es u i t a b l ef o rt h em a s sp r o d u c t i o n u s e df o rs p e c i f i cp u r p o s e b u ti t1 a c k sf l e x i b i i i t y ：t h eo t h e rm e t h o df o rt h eh d l c p r o t o c o lr e a l i z a t i o ni ss o f t w a r e ，w h i c hi sf l e x i b l e ，b u tu s e sm o r er e s o u r c e s ，t h es p e e da n d t h er e a l t i m e c h a r a c t e r ( t h et i m e d e l a y o fs i g n a la n ds y n c h r o n i z a t i o 小c a n tb e p r e d i c t a t e d t h i sm e t h o dc a nb eu s e di no t h e rh d l ca p p l i c a t i o n sw i t hf e wc h a n g e s f o r t h ea p p l i c a t i o no f h d l ci nm u l t i s i g n a l ，t h eo c c u p y i n gr a t i oo f t h ep r o c e s s o r sr e s o u r c e i si nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ep r o c e s s i n gr o u t e s s ot h es o f t w a r eh d l cc a no n l yb eu s e d t op r o c e s sl o w s p e e ds i g n a l so f f e wr o u t e si nc o m m o n t h i st h e s i sc o n s i s t so ft w op a r t s t h ef i r s tp a r tr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h i c hb a s e so nh d l cp r o t o c o lb yt w od e v i c e s ( m t 8 9 5 2a n dm t 917 2 ) m a n u f a c t u r e db y z a r l i n k i ti sd e s i g n e df o rd a t at r a n s m i s s i o nu s i n gt w i s t e d p a i r a n dc a np r o v i d ea1 i n k w i t hal o o pa t t e n u a t i o no f u pt o3 3d bf 4 0k mo n2 4 a w g ( 国1 6 0 k b i d s ) c o n s i s t i n go f t w o 6 4 k b i d sb c h a n n e l sa n do n e1 6 k b w ss i g n a l i n gd c h a n n e l n l ed c h a n n e ls i g n a l i n g i n f o r m a t i o ni sf o r m a n e di nh d l cp r o t o c 0 1 i ti sm a i n l yu s e dt ot r a n s m i tc o n t r o l l i n g s i g n a l sa n dp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nd a t at r a n s m i s s i o n t h i st y p i c a la p p l i c a t i o ni su s e d i nap r i v a t en e t w o r ke n v i r o n m e n tt h a ti sf o u n d e db e h i n dap a b x t h eh d l cp r o t o c o l c o n t r o l l e rc a nb eu s e da sad c h a n n e li n t e r f a c ei nad i g i t a li i n ec a r dc o m p r i s e do f m u l t i p l ed n i c s t h es e c o n dp a r tu s e sf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) t or e a l i z e t h eh d l cp r o t o c 0 1 a sh d l cs t a n d a r di so fm o r et e x t s t h ea s i cc h i pw h i c hi sb a s e d o ns p e c i a l p u r p o s ec a n t b eu s e di dd i f i e r e n te d i t i o n sa n d1 a c k st h ef l e x i b i l i t yi n a p p l i c a t i o n f p g aa d o p t sh a r d w a r et e c h n o l o g y t o p r o c e s ss i g n a l s s o i tc a nb e p r o g r a m m e dr e p e t i t i o u s l ya n dc a nt a k ec a r eo ft h es p e e da n df l e x i b i l i t yt o o f p g ac a n p r o c e s sm u l t i c h a r m e ls i g n a l si np a r a l l e l t h er e a l t i m ec h a r a c t e rc a nb ep r e d i c t a t e da n d e m u l a t e d ，s ot h ef p g ai sa na p p r o p r i a t ec h o i c et or e p l a c et h ea s i ct or e a l i z eh d l c p r o t o c o lf i m c t i o ni nt h ed e s i g no f s m a l lb a t c hc o m m u n i c a t i o nm a n u f a c t u r e s k e yw o r d s ：h d l c ，d n i c ，u i n t e r f a c e ，c r c ，c v s d i i 第一章培 台 第一章绪论 1 1 主要研究内容和重点解决的问题 h d l c ( 高级数据链路控制) 的一般实现方法为采用a s i c 器件和软件编程等。 应用a s i c 器件时设计简单，但灵活性较差：软件编程方法灵活，但占用处理器 资源多，执行速度慢，实时性不易预测。f p g a 器件采用硬件处理技术，可以反 复编程，能够兼顾速度和灵活性，并能多路并行处理，实时性能够预测和仿真。 在中小批量通信产品的设计中，f p g a 是取代a s i c 实现h d l c 功能的一种合适 选择。本人所研究的就是先用a s i c 器件来设计一种基于h d l c 协议的数话同传 通讯板，当此系统可以稳定运行时，再在f p g a 中实现h d l c 协议。 本系统主要用在炮兵车载有线通信中，由于其使用场合的特殊性、对功能要 求的灵活可变性，以及为将来应用提供更好的升级性，所以在选用器件时，都留 有很大的余量，以方便将来的升级。由于使用场合的特殊性，并不要求系统吴有 很高的数据传输率，而更追求传输的远距离性。所以在日常语音通信中，只要能 听清话音，尽量减少干扰就可以。语音可采用不同的编码方式，其传输速率也不 定，用该系统可以灵活的控制系统整体传输速率，满足不同场合的需求，该系统 的语音传输速率主要选为1 6 k b p s ，但是考虑到将来发展的需要，正在考虑使用其 它编码方式，使传输速率进一步降低，传输距离得到更大的提升，预计可以达到 1 0 k m 以上。该论文在后续阶段用f p o a 实现h d l c 功能，进一步增强了系统的灵 活性，摆脱a s i c 芯片功能上的局限性。当然，目前在f p g a 中实现的功能还属 于最基本的，但是它为将来系统的升级奠定了基础。另外，为系统数据传输提供 了更好的保密性。该系统除了可以用来传输语音信号外，还可以将语音信道改用 为传输任意格式的数字信号，该数字信号可依据不同场合的需要，决定是否使用 协议功能。这使得系统在保证远距离传输的条件下，控制信息可达到更大的传输 速率。当需要传输的数据量很大或要传输更多路的数据时，可以考虑再增加一个 信道。 总之，该系统具有非常大的灵活性，满足军方在不同条件、不同时期下对系 统功能，性能的需求。 h d l c 协议在通信系统中的应用及其在f p g a 中的实现 重点解决的问题包括：h d l c 协议在f p g a 中实现时的装帧、拆帧、零插入 和删除以及帧校验序列( f c s ) 等功能的实现；以及语音传输过程中，信号在时 隙上的处理a 。 1 2 研究的意义 h d l c 的a s i c 芯片有m o t o r o l a 公司的m c 9 2 4 6 0 、s t 公司的m k 5 0 2 5 、z a r l i n k 公司的m t 9 9 5 2 b 等。这些集成电路使用简易，功能针对性强，性能可靠，适合 应用于特定用途的大批量产品中。但由于h d l c 标准的文本较多，a s i c 芯片出 于专用性的目的难以通用于不同版本，缺乏应用灵活性。例如c c i t t 、a n s i 、 i s o i e c 等都有各种版本的h d l c 标准，有的芯片公司还有自己的标准，对h d l c 的c r c ( c y c l i c a lr e d u n d a n c y c h e c k ，循环冗余码校验) 序列生成多项式等有不 同的规定。况且，专用于h d l c 的a s i c 芯片其片内数据存储器容量有限，通常 只有不多字节的f i f o ( 先进先出存储器) 可用。对于某些应用来说，当需要扩大 数据缓存的容量时，只能对a s i c 芯片再外接存储器或其它电路，a s i c 的简单易 用性就被抵销了。h d l c 的软件编程方法功能灵活，通过修改程序就可以适用于 不同的h d l c 应用，但程序运行占用处理器资源多，执行速度慢，对信号的时延 和同步性不易预测。对于多路信号的h d l c 应用，处理器的资源占用率与处理路 数成正比，所以软件h d l c 一般只能用于个别路数的低速信号处理。 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 采用硬件技术 处理信号，又可以通过软件反复编程使用，能够兼顾速度和灵活性，并能并行处 理多路信号，实时性能够预测和仿真。所以在f p g a 中实现h d l c 功能是一种合 适选择。 1 3 系统总体结构 系统硬件部分包括一片c p u ，本系统采用c y g n a l 高性能单片机c 8 0 5 1 f 0 2 3 ： 片f p g a ，选用a l t e r a 公司a c e x l 系列e p l k l 0 ，该系列器件是低价格，中等 密度的f p g a ，主要用来产生时钟信号，并对发送接收数据进行时隙调整：一片 m t 8 9 5 2 b ，用作协议控制器；一片m t 9 1 7 2 ，用作数字网络接口电路；一片 c m x 6 3 9 ，用于语音数据的编解码。 2 第一章绪论 图1 系统硬件框图 c p u 将从串口接收到的数据送到m t 8 9 5 2 bh d l c 协议控制器中，对数据进 行打包，增加帧校验序列，变成具有h d l c 协议功能的串行s t - b u s 格式数据， 然后送入m t 9 17 2 数字网络接口芯片，将数据格式进行转换，并在线路上以二相 差分码型传输。由于m t 8 9 5 2 b 只在d 通道上传输数据，在其它时隙上并无数据 传输，本系统将由c m x 6 3 9 编完码的数据叠加在第二和或第三时隙上，与具有 协议功能的d 通道数据一起送入数字网络接口电路中，该系统也可以用于传输其 它数字信息，只是必需在正确的时隙上进行操作。由于本系统对时钟信号要求很 严格，每个时钟都是有内在联系的，这个调节工作主要在f p g a 中来完成，它还 担负着对输入的数字信号进行时隙调整这一重要任务。从设备从线路上提取定时 信号，并对该信号进行锁相，分频，为从设备工作提供必要的时钟信号。其它操 作方式与主设备相同。这是一种简单的应用方式，在这种方式中h d l c 协议控制 器显得比较浪费。事实上，我们可以将一片m t 8 9 5 2 bh d l c 协议控制器采用分 时复用的方式与8 个数字线路电路相连，在这种方式中，分时共享操作主要由 m t 8 9 8 1 数字节点交换机( d x ) 来实现。 h d l c 协议在通信系统中的应用反其在f p g a 中的实现 2 1h d l c 协议 第二章h d l c 协议及i s d n 综述 2 1 1h d l c 的产生背景 在计算机通信的早期，人们就发现对于经常产生误码的实际链路，只要加上 合适的控制规程，就可以使通信变的比较可靠。那时a r p a n e t 和i b m 公司分别 使用了各自的控制规程，它们分别是i m p i m p 协议和b s c 规程( 也称为b i s y n c ， 即b i n a r ys y n c h r o n o u sc o m m u n c i a t i o n 的缩写) 。这些规程都是数据链路层的协 议，都是面向字符的。所谓面向字符，就是说在链路上所传送的数据都是由规定 的字符集( 例如a s c i i 码) 中的字符所组成的。而且，在链路上传送的控制信息 也必须由同一个字符集中的若干指定的控制字符构成。 面向字符的链路控制规程曾在计算机网络的发展过程中起了重要的作用，但 随着发展，这种规程就逐渐暴露出其弱点。就b s c 规程来说，其主要限制是： 1 通信线路的利用率低，因为它采用的是停止等待协议，收发双方交替地工作。 2 所有通信设备必须使用同样字符的代码，而不同版本的b s c 规程要求使用不同 的代码。 3 只对数据部分进行差错控制，若控制部分出错就无法控制，因而可靠性差。 4 不易扩展，每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符。 1 9 7 4 年，i b m 公司推出了著名的体系结构s n a 。在s n a 的数据链路层规程上 采用了面向比特的规程s d l c ( s y n c h r o n o u sd a t al i n kc o n 仃0 1 ) 。后来i b m 将此 规程提交美国国家标准协会a n s i 和国际标准化组织i s o ，建议成为国家和国际 标准。a n s i 把s d l c 修改为a d c c p ( a d v a n c e dd a t ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o l p r o c e d u r e ) 作为美国国家标准，而i s o 把s d l c 修改后称为h d l c ( h i g h l e v e l d a t a l i n kc o n t r 0 1 ) ，并作为国际标准i s 0 3 3 0 9 。我国的相应国家标准是g b 7 4 9 6 。c c i t t 则将h d l c 再修改后称为链路接入规程l a p ( l i n ka c c e s sp r o c e d u r e ) ，并作为 x 2 5 建议书的一部分( 即有关数据链路层协议的一部分) 。不久，h d l c 的新版 本又把l a p 修改为l a p b ，“b ”表示平衡型( b a l a n c e d ) ，所以l a p b 叫做链 第= 章h d l c 协议及i s d n 综述 路接入规程( 平衡型) 。这几个面向比特的链路规程均大同小异。a d c c p 与h d l c 没有多少区别，s d l c 虽然最早提出，但它实际上是h d l c 的一个子集。 h d l c 协议的两种链路配置和三种数据传送方式： 两种配置卜衡模式 异黧纛焉j 笔三：岱r 。茹。胤， l 平衡模式：异步平衡方式a b m ( a s y n c h r o n o u s b a l a n c e dm o d e ) 口i 等 彗艟占凸匦巨 没站；女站 响应 图2 i( a ) 非平衡配置( b ) 平衡配置 图2 - l 为链路的两种基本配置， ( a ) 是非平衡配置，它又分为点对点工作和 多点工作两种情况。它的特点是：由一个主站( p r i m a r ys t a t i o n ) 控制整个链路的工 作。主站发出的帧叫做命令( c o m m a n d ) ，受控的各站叫做次站或从站( s e c o n d a r y s t a t i o n ) ：次站发出的帧叫做响应( r e s p o n s e ) ，在多点链路中，主站与每一个次 站之间都有一个分开的逻辑链路；图中( b ) 是平衡配置，它只能是点对点工作， 它的特点是：链路两端的两个站都是复合站( c o m b i n e ds t a t i o n ) ；复合站同时具 有主站与次站的功能，因此每个站都可以发出命令和响应。 对于非平衡配置，可以有两种数掘传送方式。最常用的是正常响应模式n p d m ( n o r m a l r e s p o n s e m o d e ) ，其特点是只有主站才能发起向次站的数据传输，而 次站只有在主站向它发出命令帧进行轮询( p o l l ) 时，才能以响应帧的形式回答 主站。另一种是用得较少的异步响应模式a r m ( a s y n c h r o n o u sr e s p o n s em o d e ) 。 这种方式允许次站发起向主站的数据传输，即次站不需要等待主站发过来的命令， 而是可以主动向主站发送响应；但是，主站仍负责全线的初始化，链路的建立和 释放，以及差错恢复等。 对于平衡配置则只有异步平衡方式a b m ( a s y n c h r o n o u sb a l a n c e dm o d e ) ，其特 点是每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的允许。 2 1 2h d l c 的帧结构 i 各字段的意义 h d l c 协议在通信系统中的应用及其在f p g a 中的实现 数据链路层的数据传送是以帧为单位的。一个帧的结构具有固定的格式( 见 图2 - 2 ) ，从网络层交下来的分组，变成为数据链路层的数据，即该图中的信息字 段它的长度没有具体规定，包括起始和终止标志的信息块称为h d l c 的“数据 帧”。起始和终止标志采用相同的帧间隔符“0 l l l l “o ”，“帧”构成了通信双 方交换的最小单位。数据链路层在字段的头尾各加上2 4 b i t 的控制信息，这样就 构成了一个完整的帧。 8fn x 88n n1 68 facif c sf 起艚标意地址罕段控制罕段信息幢验玛结粟标怎 图2 2h d l c 一般帧格式 ( 1 ) f ( 帧间隔模式) ：“o l l l l l i o ”同步符号、帧之间的填充字符； ( 2 ) a ( 地址字段) ：通信对方的地址： ( 3 ) c ( 控制字段) ：用于区分帧的类型( 数据帧、监控帧、无编号帧) ； ( 4 ) i ( 信息字段) ：携带高层用户数据，可以是任意的二进制位串： ( j ) f c s ( 校验码) ：对a 、c 、i 字段进行循环校验，所校验的范围从地址字段 的第1 个比特算起，到信息字段的最末一个比特为止。 物理层要解决比特同步的问题，而数据链路层要解决帧同步的问题。为此， h d l c 规定了在一个帧的开头和结尾各放入一个特殊的标记，作为一个帧的边界。 这个标记就叫做标志字段f ( f l a g ) ；在接收端，只要找到标志字段，就可以很容 易地确定一个帧的位置。 2 0 比特插入法 在两个标志字段之间的比特中，如果碰巧出现了和标志字段f 一样的比特组 合，那么就会误认为是帧的边界。为了保证帧间隔符“0 1 1 1 1 1 l o ”的唯一性和帧 内数据的透明性，保证a 、c 、i 、f c s 中不出现0 1 1 1 1 1 1 0 的位模式，h d l c 采用 了零比特填充法，它的具体做法是： 发送端：当发送标志字段“0 1 1 1 1 l l o ”后，开始数据发送，并在数据发送过 程中，检查发送的位流，一旦发现连续的5 个l ，则自动在其后插( 附) 上1 个 0 ，并继续传输后继的位流：数据发送结束后，追加帧间隔符“0 1 1 1 1 1 1 0 ”。因 此，零比特填充后的数据，就可以保证不会出现6 个连续的l 。 第：章h d l c 协议及i s d n 综述 数落款烈： n l1 1 u l n1 i l l 南o o l l l o 0 0 1 1 1 1 1 l 南1 1 0 l l l l l ；0 1 1 1 0 l盟u 11 i 山山1 1 u l 发送判敞j ! 艘刹； 图2 3 “0 ”比特插入法示意图 接收端：执行相反的动作，一旦识别出帧间隔符“o 儿1 1 1 l o ”之后的位流不 是“0 1 1 1 1 1 1 0 ”，则启动接收过程：若识别出连续5 个1 和1 个0 ，则自动 丢弃该0 ，以恢复原来的位流：若识别出连续的6 个l ，表示数据结束，该 数据帧接收完成。这样就保证了在所传的比特流中，不管出现什么样的比特组合， 也不至于引起帧边界的判断错误。 采用零比特填充法可以传送任意组合的比特流，可实现链路层的透明传输。 在两个f 字段之间的“透明区间”就是这个意思。当暂时没有信息传输时，可以 连续发送标志字段，使收端一直和发端保持同步。 3 地址字段 在使用非平衡方式传送数据时，地址字段总是写入次站的地址：但在平衡方 式时( 采用a b m ) ，地址字段总是填入应答站的地址。全1 地址是广播方式。而 全0 地址是无效地址，因此，有效的地址共有2 5 4 个之多，这对一般的多点链路 是足够的。但如果使用分组传输，用户可能很多，地址字段就做成可扩展的。这 时用地址字段的第一位表示扩展位，其余7 位为地址位。当某个地址字段的第一 位为o 时，则表示下一个地址字段的后7 位也是地址位：当这个地址字段的第一 位为1 时，表示这已是最后一个地址字段了。 4 h d l c 控制帧格式 控制字段c 共有8 b i t ，是最复杂的字段。h d l c 的许多重要功能都要靠控制 字段来实现。根据其最前面两个比特的取值可将h d l c 帧划分为三大类，即信息 帧i ( i n f o r m a t i o n ) ，监控帧s ( s u p e r v i s o r y ) 和无编号帧u ( u n u m b e r e d ) 。 表2 1 控制字段的结构 12345678 信息帧i on ( s )p ，fn ( r ) 监控帧s 1o t y p e p fn ( r ) 无编号帧u l1m 1 p 疆 m 2 h d l c 协议在通信系统中的应用度其在f p g a 中的实现 1 ) 信息帧( i ) ： 信息帧用于传输用户数据，若控制字段的第1 比特为o ，则该帧为信息帧。 比特2 4 为发送序号n ( s ) ，而比特6 8 为接收序号n ( r ) 。n ( s ) 表示当前 发送的信号帧的序号，而n ( r ) 表示一个站所期望收到的帧的发送序号( 这个 发送序号是由对方填入的) 。由于是全双工通信，所以通信的每一方都各有一个n ( s ) 和n ( r ) ，因此，当讨论到n ( s ) 和n ( r ) 时，弄清是在发送方还是接 收方填入的序号很重要。n ( r ) 带有确认的意思，它表示序号为 n ( r ) 1 ( m 6 d 8 ) 的帧以及在这以前的各帧都已正确无误地收妥了。 为了保证h d l c 协议的正常工作，在全双工通信的收发双方都需要各设置两 个状态变量v ( s ) 和v ( r ) ，由这两个状态变量的值确定发送序号n ( s ) 和接 收序号n ( r ) 的值。 在信息帧中设有接收序号n ( r ) 这一字段，表示不必专门为收到的信息帧 发送确认应答帧。可以在本站有信息帧发送时，将确认信息放在其接收序号n ( r ) 中让本站发送信息帧时将确认信息捎带走( p i g g yb a c k i n g ) 。采用这种捎带的方法 可以提高信道的利用率。 控制字段的第5 个比特是询问终止( p o l l f i n a l ) 比特，简称p f 比特。这个比 特的功能较多，在监督帧和无编号帧中都使用这个比特。 2 ) 监控帧( s ) ： 若控制字段的第1 2 比特为1 0 ，则对应的帧为监督帧s 。监督帧共有4 种， 取决于第3 4 比特的取值( 见表2 2 ) 。 表2 - 24 种监督帧的名称和功能 第3 - - 4 比特帧名功能 00 r r ( r e c e i v er e a d y )准备收下一帧，确认序号为 接收准备就绪n ( r ) 1 及其以前的各帧 1o r n r ( r e e c e i v en o tr e a d y ) 暂停接收下一帧，确认序号为 接收未准备就绪n ( r ) 1 及其以前的各帧 0l r e j ( r e j e c t )从n ( r ) 起的所有i 帧都被否认但确 拒绝认序号为n ( r ) 1 及其以前的各帧 1】 s r e j ( s e l e c t i v er e j e c t )只否认序号为n ( r ) 的帧，但确认序 选择拒绝号为n ( r ) 1 及其以前的各帧 上面四种监督帧中，前三种用在连续a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 协议 中，而最后一种只用在选择重传a r q 协议中( 较少使用) 。 第= 幸h d l c 协议厦i s d n 综述 监督帧不需要有发送序号n ( s ) ，但监督帧中的接收序号n ( r ) 却是至关 重要的。在前两种监督帧中的n ( r ) 都具有同样的含义，因此这两种监督帧都 相当于确认帧a c k ；r e j 则相当于否认帧n a k ；而在r e j 帧中的n ( r ) 表示所 否认的帧号，不过这种否认帧还带有某种确认信息，即确认序号为n ( r ) r 及 其以前的各帧己正确收到。实际上，r r 帧和r n r 帧还具有流量控制的作用，r r 帧表示已做好接收帧的准备，希望对方继续发送，而r n r 帧则表示希望对方停 止发送。 监督帧的第5 比特也是p f 比特。若p f 值为零，则没有任何意义，只有当 p f 比特的值为1 时才具有意义。帧的传送过程中，为了更清楚地表示p f 比特的 作用，往往将它写为p 比特或f 比特。在非平衡配置的正常响应方式n r m 中， 次站不能主动向主站发送信息，次站只有收到主站发出的p 比特为1 的命令帧( s 帧或i 帧) 以后才能发送响应帧，若次站有数据发送，则在最后一个数据帧中将 f 比特置1 ，不过此时并不表示数据己发完。 信息帧和监督帧中的序号n ( s ) 和n ( r ) 都各占3 b i t ，即序号都是按模8 计数的。但当使用卫星链路时，由于传播时延太大，必须采用更多的比特数作为 编号之用。为此，h d l c 设有扩展的控制字段，当通信的双方预先商定采用扩展 的方式时，其控制字段即变为1 6 b i t 。具体的比特意义见表2 3 所示，从表可以看 出，采用扩展方式时，发送序号和接收序号都变为7 b i t ，并按模1 2 8 运算。 表2 3 扩展的控制字段( 占16 b i t ) 比特序号 信息帧 监督帧 l23456789l ol l1 21 31 41 5 1 6 0 n ( s )p fn ( r ) l - os0o0op fn ( r ) 3 ) 无编号帧( u ) ： 若控制字段的第l 一2 比特都是l 时，这个帧就是无编号帧u 。无编号帧本身 不带编号，即无n ( s ) 和n ( r ) 字段，而是用5 b i t ( 表2 1 中的第3 ，4 ，6 ，7 ， 8 比特) 来表示不同功能的无编号帧。虽然总共可以有3 2 个不同组合，但实际上 目前只定义了1 5 种无编号帧。表2 - 4 是几种常用的无编号帧。无编号帧主要起控 制作用，可在需要时随时发出。 无编号帧中的控制字段没有扩展方式，也就是说，无编号帧的控制字段都是 h d l c 协议在通信系统中的应用及其在f p g a 中的实现 8 b i t 长。但是无编号帧中却有三个帧与扩展方式有关，这三个帧与置正常响应方 式s n r m ，置异步平衡方式s a b m 以及置异步响应方式s a r m 三个无编号帧相 对应，即置扩展的正常响应方式s n r m e ( e 表示e x t e n d e d ) 、置扩展的异步平衡 方式s a b m e 和置扩展的异步响应方式s a r m e 。 表2 4 几种无编号帧 d i s c请求断开逻辑链踌连接 u a 无编号证实唢用于证实sa 日m 巳和oisc d m对0sc 的响应a 贞 f r m r帧拒绝竹对lap 日 无编号啧 s a 日m异步平新横式奶始化 s a b 砸增强sa 日m 丰螽式( 用于建立多帧方式的逻螬毯路) u i 无编号信息帧 x i d变换信息 其中表2 - 4 中的帧拒绝f r m r ( f r a m er e j e c t ) 是个响应帧，用来表示通过 重发同一个帧仍不能纠正的差错( 这时所收到的帧的循环冗余校验还是正确的) 。 例如，收到了没有指明的或实现不了的命令、收到了无效的控制字段、数据字段 过长、收到了无效的n ( r ) ( 即此n ( r ) 所确认的帧对方尚未发出) 、收到了长 度有错误的监督帧或无编号帧等等。无编号帧f r m r 有3 个或5 个字节的信息字 段，用以说明发送此帧的原因。 一般的应用及少需要使用h d l c 的全集。因此，h d l c 按照数据的三种不同 传送方式，给出了相应的三种基本的命令相应子集和1 4 个扩展的功能选项，供不 同的用户选择。当使用某一厂商的h d l c 时，一定要弄清楚该厂商所选用的子集 是什么。 2 1 3h d l c 窗口机制和捎带应答机制 为了减少应答次数，提高传输效率，h d l c 控制规程中引入了窗口机制和捎 带应答机制。 1 传输窗口：通信双方同意在同一条链路上连续使用的信息帧序号集。 2 窗口尺寸：通信双方协商同意的在同一条链路上可连续发送、且未被认可的信 息帧个数：h d l c 窗口尺寸确定为2 3 _ 1 = 7 ，即任一方可以最多连续发送7 帧而无 需对方的确认。在信息帧中用n ( r ) ，n ( s ) 来表示当前窗口的情况。 3 捎带应答：是h d l c 传输控制规程用于提高传输效率的又一措施，即允许在 反向传输的信息帧中附带确认信息。 第= 章h d l c 协议及i s d n 综述 4 超时重发：为了防止发送方无期限地等待接收方的确认，收发双方均设置计时 器。发送方在一定的时间内未收到接收方传来的确认，表示传输有故障，准备重 发所有未被确认的帧，即发送方：每发送一信息帧，计时，直到收到接收方的确 认( 包括捎带应答) ，若超时，则重发；接收方：在正确接收到信息帧后，计时， 若在一定的时间内未收到后继信息，则发r r 帧，准备接收，并告诉发送方前面 已接收。 2 1 4h d l c 规程分析 1 使用统一的帧格式：实现数据、命令和响应的传输，实施起来方便： 2 采用o 位插入法：使得规程可以支持任意的位流传输，保证了信息传输的透 明性： 3 采用窗口机制和捎带应答机制：全双工工作方式，允许在未收到确认的情况下， 连续发送多个帧，提高了信息传输的效率； 4 采用帧校验序列，并设置窗口序号，可以提高信息传输的正确性和可靠性。 总之，面向二进制位的控制规程比面向字符型的控制规程具有较高的优越性。 2 2l s d n ( 综合业务数字网) 综述 2 2 1i s d n 概念 1 i s d n 的由来及定义 为了适应社会经济发展对通信服务提出的新需求，人们开发建设了各种新的 业务网络，如电话网、用户电报网、公用电路交换数据网( c s p d n ) 、分组数据 网( p s p d n ) 等。网络种类增多且相互隔离，给用户和网络运营者都带来很多不 便，于是人们意识到，必须改变网络之间的隔离，用一个单一的网络来提供不同 类型的业务，实现完全的开放系统互连和通信。这就是综合业务数字网i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) 。i s d n 的概念最早出现在1 9 7 2 年，1 9 8 0 年c c i t t 第一次颁布了关于i s d n 的建议书。经不断研究发展，1 9 8 8 年的建议书 ( 蓝皮书) 成为相当完善的版本。3 。 在以往的电信史上，总是先出现实用技术和实际系统，然后逐渐形成标准或 规范。i s d n 则是人们依据过去的经验，预先经过精心设计的新通信网，是一种先 有标准( 规范书) 后有实际系统的“新”技术。 h d l c 协议在通信系统中的应用及其在f p g a 中的实现 c c i t t 对i s d n 的定义：i s d n 是以综合数字电话网( i d n ) 为基础发展演变而 成的通信网，能够提供端到端的数字连接，用来支持包括话音和非话音在内的多 种电信业务：用户能够通过有限的一组标准多用途用户网络接口接入网内。 2 i s d n 特点 ( 1 ) 端到端的数字连接：传统i d n 电话网中，用户终端和用户线都是模拟的， 这是i d n 网络中唯一一段，也是最后一段未能数字化的传输线路。由于用户线在 整个通信网的总投资中占有可观的比重，i s d n 的首要任务就是发展用户线数字传 输技术，将数字化推进到用户终端，既继承了原有通信网的线路资源，又实现端 到端的全数字化传输。 ( 2 ) 综合的业务：由于实现了端到端数字连接，它支持包括话音、数据。文 字、图象在内的各种业务。从理论上讲，任何形式的原始信号，只要能变成数字 信号，都可以用i s d n 来传送、交换，实现用户间的通信。i s d n 可能提供的各种 业务见表2 5 。 表2 - 5i s d n 提供的业务 带宽电话数据文字图像 6 4 k b i t s 电话，租用分组交换数据，电路交换用户电报，智能用视频终端，传真， 电话，信息数据，租用电路，遥测，户电报，租用电信息检索，监视 检索( 利用资金转移，信息检索，邮路，可视图文，信 话音分析政信箱，电子邮件，告警息检索，邮政信 及合成) 箱，电子邮件 6 4 k b i t s 音乐高速计算机通信，l a n 互电视会议，电视数 连，i n t e m e t 访问据，可视电视，电 缆电视 ( 3 ) 标准多用途入网接口，即不同的业务和不同的终端可以经同一接口接入 网络。 2 2 2i s d n 的技术基础 1 有关i s d n 的数字通信技术 信号的数字化：在原电话通信网中，信号的数字化是由网络设备完成的。在 i s d n 中，信号数字化要求由用户设备完成。 数字传输：数字传输制式有两种，一种是3 2 路p c m 制式( c - 7 3 2 ) ，即通常所 称的e 1 制式。另一种是2 4 路p c m 制式( g 7 3 3 ) ，即所谓的t l 制式。我国、欧洲 用e 1 制式，美日用t 1 制式。 第= 章h d l c 协议及i s d n 综逑 数字交换技术：为保证端端数字连接，要求网络传送信号的全过程必须 是数字化的，因此，交换环节必须是在数字信号基础上进行交换，采用数字传输 和数字交换的网络叫做综合数字网( i d n ) 。 分组交换概念：电路交换在通信开始之前必须在主叫和被叫终端之间建立一 个电路连接，可以是独占的线路，也可以是同步时分复用线上的一个信道，而在 整个通信期间，这条电路必须保持独占，直到通信结束时才能拆线。而分组交换 并不建立固定的电路连接，而是将终端发送的信息分割成一个个的分组，然后在 每个分组上贴上标记，说明它的序号及应到达的目的地。分组交换网中的每一个 节点都将这些分组看成是相互无关的“