（计算机科学与技术专业论文）业余无线电空间电台通信协议设计与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特别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，也不包含为获得北京邮电大学或其他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作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：j ! 宝也日翌：型型巨丝关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定)非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名：孟复丝日期：呈! ! 垒至旦! ! 冒导师签名：日期：妒f0 、弓，口北京邮电人学硕j ：研究生学位论文业余无线电空间电台通信协议设计与实现摘要业余无线电运动作为一项趣味性的科普运动，在科技教育方面以及在抢险救灾方面起到不可忽视的作用。当地震、水灾等自然灾害发生时，电力线路，通信线路和其它设施都会遭到破坏，此时通信对于抢险救灾来说起着非常重要的作用。另外业余无线电运动是一项技术性较强的运动，它综合了电子、外语、计算机，甚至天文、地理、地区文化等诸多知识，同时又有极强的趣味性，尤其是对于青少年，可培养他们的动手、动脑能力，确定一个好的人生目标，长大后成为对国家有用的人才。为了更好地发展业余无线电运动，并与国际先进水平接轨，研制自己的业余无线电空间电台显得格外重要。为了能够给业余无线电爱好者提供短信转发服务，并且与现有的地面设备保持兼容，业余无线电空间电台的软件研制必须遵循国际标准的a x 2 5 链路层协议，同时作为嵌入式系统通信软件必需具有实时性、可靠性、低功耗等特点。所以合理的运用设备有限的资源，选择合适的实时操作系统并有效的实现a x 2 5 协议是业余无线电空间电台系统软件实现的关键。本文围绕业余无线电空间电台软件系统中通信协议的设计与实现这课题展开。在对a x 2 5 标准协议进行深入理解和分析的基础上，按照协议工程的思想和方法，在嵌入式系统开发环境下有效的实现了a x 2 5 协议。本文首先分析了a x 2 5 协议的协议模型、帧结构、协议流程等，然后介绍了系统总体结构的设计以及系统需求分析，接着阐述了a x 2 5 协议的数据链路模块和管理数据链路模块的实现方法，并对h d l c 接口驱动的设计与实现方法以及协议的一致性测试进行了描述，最后还简要介绍了系统待改进的地方。关键词：业余无线电a x 2 5 协议f s ms d lh d l c北京邮电人学硕：i ：研究生学位论文d es i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fa m a t e u rr a d i os p a c es t a t i o na b s t r a c ta saf a s c i n a t i n gt e c h n o l o g yd i f f u s i o ns p o r t ，a m a t e u rr a d i os p o r ts t i l lh a si t se f f e c ti nt e c h n o l o g ye d u c a t i o na n dd i s a s t e rr e l i e f w h e nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s t r o y e db ye a r t h q u a k eo rs o m eo t h e rn a t u r a lh a z a r d s ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i s a s t e ra r e aa n dn o n - d i s a s t e ra r e ab e c o m e sv e r yi m p o r t a n t a d d i t i o n a l l y ，t h ea m a t e u rr a d i os p o r ti sn o to n l yah i g ht e c h n i c a ls p o r tw h i c hc o m b i n e se l e c t r o n i c ，e n g l i s h ，c o m p u t e r , e v e na s t r o n o m y , g e o g r a p h y ，e r e ，b u ta l s of u l lo fi n t e r e s t s ，e s p e c i a l l yf o ry o u n g s t e r s ，i ti m p r o v e st h e i rp r a c t i c a la n dt h i n k i n gs k i l l sf o rc o n t r i b u t i n gt h e i rb e s t sw h e n g r o w u p f o rb e t t e rs p r e a d i n ga m a t e u rp a c k e tr a d i os p o r ta n di n t e g r a t i n gw i t hg l o b a !c o m m u n i t y , s u p p l y i n gb e t t e rm e s s a g ef o r w a r ds e r v i c e sf o ra m a t e u rr a d i of u n sa n dd e v e l o p i n go u ro w na m a t e u rr a d i os p a c es t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t t h ea m a t e u rr a d i os p a c es t a t i o nm u s tk e e pc o n s i s tw i t ha x 2 5l i n ka c c e s sp r o t o c o lf o ra m a t e u rp a c k e tr a d i oi no r d e rt ok e e pc o m p a t i b l ew i t he x i s t i n gs t a t i o n s ，a n da l s oi tm u s th a v et h ef e a t u r e so fr e a l t i m e ，r e l i a b l e , l o wp o w e ra n de t c i naw o r d ，r e a s o n a b l eu s a g eo ft h el i m i tr e s o u r c e s ，c h o o s i n gas u i t a b l eo p e r a t i o ns y s t e ma n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea x 2 5p r o t o c o la r et h ek e y st od e v e l o pa na m a t e u rr a d i os p a c es t a t i o n t h em a i nt o p i co ft h i sp a p e ri sa r o u n dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fa m a t e u rr a d i os p a c es t a t i o n a c c o r d i n gt od e v e l o p i n gc o n c e p to fp r o t o c o le n g i n e e r i n ga n dt a k i n gc o n s i d e ro fl i m i tr e s o u r c e so fe m b e d d e ds y s t e r a ，t h i sp a p e rf o c u s e so l lh o wt oi m p l e m e n tt h ee f f i c i e n ta x 2 5p r o t o c o lb a s eo nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fa x 2 5p r o t o c 0 1 f i r s t l y ，t h eb a s i c so fa x 2 5p r o t o c o la r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gp r o t o c o lm o d e l ，f r a m es t r u c t u r ea n dp r o t o c o lf l o w s e c o n d l y ,t h ed e s i g no ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dt h es y s t e md e m a n d sa r ei n t r o d u c e d t h i r d l y ,t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h ed a t al i n k e rm o d u l ea n dm a n a g e m e n td a t al i n k e rm o d u l e o fa x 2 5p r o t o c o li ne m b e d d e de n v i r o n m e n ta r ed e s c r i b e d ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eh d l ci n t e r f a c ed r i v e ri sb r i e f l yi n t r o d u c e d a tt h el a s to ft h i sp a p e r , t h i ss u b j e c ti ss u m m a r i z e da n ds o m ew a y sf o ri m p r o v e m e n ta r ep r o p o s e d n北京邮l 乜人学顾i ：研究生学位论文k e yw o r d s ：a m a t e u rr a d i oa x 2 5h d l cf s ms d l1 1 i北京邮l u 人学硕i ：研究生学位论文第1 章1 11 21 31 41 5第2 章2 12 22 32 42 5第3 章3 13 23 33 43 53 6第4 章4 14 24 3目录绪论1研究背景1业余无线电空间电台系统概述21 2 1 基本概念21 2 2 发展现状2研究内容4结构安排4本章小结5a x 2 5 协议基础6协议相关理论基础62 1 1 协议分层思想62 1 2f s m 简介：92 1 3s d l 简介1 1协议模型12帧结构14协议流程19本章小结2 0a ) ( 2 5 协议设计与实现2 1系统的功能需求j 2 1系统的总体设计：2 1系统的工作流程2 2系统的设计原则2 3协议实现j 2 43 5 1 管理数据链路模块2 43 5 2 数据链路模块2 7本章小结3 7h d l c 驱动与系统移植3 8s t r 7 1 0 目标板简介3 8u c o s - il 操作系统简介3 9h d l c 驱动设计4 24 3 1 功能需求4 24 3 2 设计原则4 2i v北京邮i 【1 人学硕i ：g f 究生学位论文4 3 3 功能结构图4 24 4h d l c 驱动实现4 34 4 1h d l c 接口初始化4 34 4 2h d l c 管理任务的实现4 34 5 系统移植：4 44 6 本章小结4 5第5 章协议测试4 65 1 协议一致性测试4 65 1 1 测试方法和理论依据4 65 1 2 测试连接图4 65 1 3 协议测试条件4 65 1 4 协议测试信号4 65 1 5 协议测试类型4 75 1 6 一致性测试集的结构4 75 1 7 测试判定4 85 1 ，8 基本约定：4 85 1 9 测试应用范围4 95 2 测试环境4 95 3 测试结论5 05 3 1 测试结果总结5 05 3 2 系统改进探讨5 05 4 本章小结5 0第6 章结论与展望5 16 1 本文工作回顾5 16 2 工作创新总结5 16 3 工作展望5 2参考文献5 3致谢5 5攻读学位期间发表的学术论文5 6v北京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文第1 章绪论1 1 研究背景业余无线电运动作为一种趣味性的科普运动，曾经在二十世纪八十年代吸引了无数的业余无线电爱好者，而如今随着互联网技术及移动通信技术的快速发展及普及，业余无线电运动却渐渐的被人们疏远，然而业余无线电运动却以其独有的特点在科技教育方面以及在抢险救灾方面起到不可忽视的作用。业余无线电通信在抢险救灾中的作用不可忽视。当地震、水灾等自然灾害发生时，电力线路，通信线路和其它设施都会遭到破坏，其中通信线路是有线电话和移动通信的“神经”，也是构成互联网的硬件基础，因此，整个通信系统就极有可能陷于瘫痪，此时通信对于抢险救灾来说起着非常重要的作用。业余电台由于分布广泛，活动频繁，爱好者们又有良好的技术素质，甘愿奉献的高尚情操，他们会友好地协作起来，利用应急的通信设备，为救灾提供通信服务，这些在国外有许多感人的事例，如危地马拉及原苏联地震、美国的龙卷风和森林大火的救灾工作，业余电台都提供了及时有效的通信服务。另外业余无线电运动是一项技术性较强的运动，它综合了电子、外语、计算机，甚至天文、地理、地区文化等诸多知识，同时又有极强的趣味性，通过参与这项运动，可以得到很多的乐趣，提高生活质量。尤其是对于青少年，可培养他们的动手、动脑能力，确定_ 个好的人生目标，长大后成为对国家有用的人才。所以参加业余无线电活动，就能在兴趣、爱好的引导下，既学到了知识，培养了能力，又陶冶了情操，结交了朋友，是一项有益于身心健康的活动。如今我国业余无线电运动尚处于起步阶段，与发达国家相比，无论从技术上还是使用者人数和素质上都存在着一定的差距。但是随着国家对业余无线电运动的大力提倡，以及素质教育和科教兴国战略的实施，互联网的普及，为业余无线电运动提供了良好的发展机会。然而要想更好地发展业余无线电运动，并与国际先进水平接轨，研制自己的业余无线电空间电台显得格外重要，为了能够给业余无线电爱好者提供短信转发服务，业余无线电空间电台的软件研制必须遵循国际业余分组无线网标准协议a x 2 5 t 1 1 ，且必需具有实时性、可靠性、低功耗等特点。所以合理的运用电台设备有限的资源，选择合适的实时操作系统以及有效的实现a x 2 5 协议是业务业余无线电空间电台软件实现的关键。北京邮i u 人学硕j j 研究生学位论文1 2 业余无线电空间电台系统概述1 2 1 基本概念业余无线电空间电台一种嵌入式设备，主要功能是接收来自地面的业余无线电信号，处理后发送回地面，是业余无线电的空间中继电台，其拓扑结构图如图1 1 所示。- ，b f f ，彝7h。|喀下行盏c身，i争毒喜7 冉国。h图1 - 1 业余无线电空间电台通信拓扑结构图【2 j一为了协调无线电频率资源，联合国的专业机构国际电信联盟( i t u ) 根据不同的用途把全世界无线电通信划分为4 3 种业务，业余无线电通信被称为业余业务。业余业务是指经过正式批准的、对无线电技术有兴趣的人进行自我的训练、相互通信和技术研究的无线电通信业务，其通信活动纯系个人爱好而不涉及谋取商业利益。业余无线电空间电台的链路层采用a x 2 5 协议，即a m a t e u rp a c k e t r a d i ol i n k - l a y e rp r o t o c o l ，是国际业余无线联盟公布的分组无线网协议，它是在h d l c和x 2 5 协议的基础上改进而成的。它描述了主站d t e ( d a t a t e r m i n a le q u i p m e n t )与次站d c e ( d a t ac i r c u i tt e r m i n a t i n ge q u i p m e n t ) 之间的数据交换方式。a x 2 5 协议利用面向连接服务来确保数据包的按序发送，在结构上分三个部分：物理层、链路层和包封层。物理层主要完成底层的电信号及接口定义；链路层用来描述如何确保数据在d t e 和d c e 之间可靠传输，其主要功能是对物理层送来的比特流进行差错检测和控制发送方重发，从而向上层提供无差错的数据；包封层负责建立网络数据单元( p a c k e t ) 来包容控制信息和用户数据，包封层可以直接是应用层，或者是t c p i p 协议栈。1 2 2发展现状自1 9 6 1 年1 2 月1 2 日美国在地下车库制造的首颗业余无线电空间电台上天2北京邮电大学硕，l ：研究生学位论文后，俄罗斯、法国、日本以及印度、马来西亚、泰国的业余无线电空间电台先后上天，目前有1 0 0 多颗业余无线电空间电台在天上。这期间业余无线电空间电台的发展经历的几个阶段。第一阶段从1 9 6 1 年到1 9 7 2 年：这一时期的业余无线电空间电台寿命很短，只有2 0 开左右，主要用来进行空间技术实验，参与通信的业余无线电爱好者人数在几百人至几千人。第二阶段从1 9 7 2 年到1 9 8 0 年：这一时期的业余无线电空间电台有几年的工作寿命，有比较强的通信能力，业余无线电空间电台运行在近地轨道，更多的业余无线电爱好者加入了业余无线电通信的行列。第三阶段从1 9 8 0 年至今：业余无线电空间电台向更高、更强发展，业余无线通信使无线电爱好者在远距离通信方面达到了前所未有的可靠性和可预见性，业余无线通信也更加普及。如今我国业余无线电运动尚处于起步阶段，与发达国家相比，无论从技术上还是使用者人数和素质上都存在着一定的差距。但我国作为一个航天大国，有必要发射自己的业余无线电空间电台，为业余无线电领域做出一些贡献。1 1 科教兴国是我国的一项基本国策，业余无线电通信横跨航天技术和通信技术两大领域，是对青少年进行科普教育的有力手段，是简单廉价而且清晰地让青少年体验业余无线电通信全过程的有效手段。2 ) 业余无线电业务是联合国国际电信联盟确定的无线电通信业务之一，业余无线电空间电台作为通信系统的空问平台在业余无线电业务中起着支配性的作用。一3 ) 业余无线电业务是开放性的业务，业余无线电空间电台是全世界业余无线电爱好者的共同财富，目前我国成千上万的业余无线电爱好者每天都在使用太空中不同国家的业余无线电空间电台。我国不仅是一个大国而且是一个航天大国，我们应该而且能够在这个领域对世界有较大的贡献。4 ) 我国业余无线电通信爱好者群体己初具规模，他们除了使用国外的业余无线电空间电台进行各种探索外，对能够早日建立我国自己的业余无线电通信系统的愿望也越来越强烈，我国业余无线电通信爱好者中的积极分子们不只满足于现有的业余无线电通信活动，他们更希望能亲手设计和制造出自己的业余无线电空间电台，带领我国业余无线电通信活动达到一个新的高度，使我国在这个领域全面与国际接轨。5 ) 台湾省业余无线电爱好者策划的业余无线电空间电台计划已经在进行中，台湾第一颗业余无线电空间电台的正样已经制造并测试完毕，他们正在寻求外国帮助发射，我们应该能够比台湾省业余无线电爱好者对世3北京邮也人学顾1 ：r o f 究生学位论文界有更大的贡献。随着微电子技术和微电子机械技术的发展使以前难以实现的技术变得简单。许多政府部门和商业机构逐渐了解到业余无线电空间电台潜在的社会价值和商业价值，业余无线电爱好者的探索得到更多的支持。专业应用空间技术已经成熟，国际商业发射如同中天，空间技术的飞速发展使业余无线电空间电台有更多的搭载机会。1 3 研究内容本课题的主要研究目的是根据“业余无线电空间电台系统”的项目需求，实现用于链路层控制的a x 2 5 协议以及用于接收和发送a x 2 5 协议帧的h d l c 接口驱动，并其进行严格的功能、性能和异常测试，以保证系统稳定可靠的运行。根据研究目标确定具体的研究内容，包括：背景知识的研究。需要了解业余无线电通信相关的各种背景知识，深刻理解系统需求和设计约束，分析a x 2 5 协议的特点。学习了解系统平台及协议工程基础理论。包括协议分层、s d l 以及f s m相关理论学习和运用；u c o s i i 操作系统以及s t r 7 1 0 目标板相关知识。a x 2 5 协议实现。主要包括：协议模型及帧结构分析。协议流程及协议状态机分析。协议实现。包括代码编写、调试与单元测试。h d l c 接口驱动设计与实现、以及系统移植。a x 2 5 协议一致性测试。1 4 结构安排全文共分六章，各章节内容安排如下：第一章为绪论，介绍本论文的研究背景，分析了业余无线电空间电台的相关概念和发展历程，为后文论述确立范围和基础，最后阐述本文的主要研究内容和组织结构。第二章主要介绍a x 2 5 的协议模型、帧结构以及协议流程。并简要介绍了设计和实现a x 2 5 协议时所用到的一些协议相关理论知识，包括协议的分层思想、s d l 图以及f s m 。第三章介绍了业余无线电空间电台系统通信协议设计的功能需求、总体设计、工作流程以及设计原则，并根据a x 2 5 标准协议以及系统的基本需求对a x 2 5 协议进行了相应的裁剪和简化，主要实现了a x 2 5 协议的管理数据链路模块和数据链路模块。4北京邮i l 三人学顶l ：研究生学位论文第四章介绍了h d l c 接口驱动的实现和系统的移植。实现h d l c 接口驱动来进行a x 2 5 协议帧的收发，以及把系统移植到相应的硬件平台上。为a x 2 5协议的一致性测试提供了测试环境。第五章介绍了a x 2 5 协议的一致性测试，并介绍了测试环境，最后给出了测试结论，并分析了系统可以进一步改进的地方。第六章对全文进行了总结，并对未来业余无线电运动的发展做了一下展望。1 5 本章小结本章首先介绍了课题研究的背景以及发展现状，简述了课题“业余无线电空间电台的相关概念，为以后的章节提供总体上的指导和要求，最后说明课题研究的内容和本论文的结构安排。5北京邮i u 人学硕i ：g d z 生学位论文第2 章a x 2 5 协议基础2 1 协议相关理论基础2 1 1 协议分层思想在设计协议时，并不是设计一个单一的、庞大的协议来为所有可能形式的通信规定完整的细节，而是采取把问题划分成多个子问题，然后为每个子问题设计协议的方法。这样做使每个协议的设计、分析、实现和测试都比较容易。这就形成了现在在协议工程中普遍应用的协议分层思想【3 】，就是把通信问题分解为几个子问题，称为层，一个协议组通过对应每一层规定一个协议来进行设计。而且，每一层的协议规范应该包含如下内容：( 1 ) 协议数据单元( p d u ) 的类型、格式、各字段的定义和作用：( 2 ) 协议实体操作规程的描述，并用规范方法确切定义协议实体的操作；( 3 ) 传送每一类协议数据单元时所使用的服务。对等层的协议实体间通过交换协议数据单元彼此通信。协议数据单元是由用户数据和协议控制信息构成的。用户数据是上一层的协议数据单元，也称之为本层的服务数据单元，协议控制信息是为协调与上一层实体间共同操作，而在本层实体间传送的信息。把协议实体看成一个有限状态机或自动机模型，任何时刻协议实体只能处于某一种状态。自动机的当前操作状态及其状态信息，是由自动机保留的一组状态变量来维持的。自动机从一个状态转移到另一个状态是由自动机入事件激励的。某一层协议实体包含下列入事件：( 1 ) 来自与上一层接1 2 的服务原语；( 2 ) 来自与下一层接口的服务原语或p d u ；( 3 ) 来自本地实体，如实时器或管理子层接口的服务原语。层与层之间的接口是以输入和输出的形式实现的。来自输入队列的有效输入事件导致协议实体产生一个p d u ，该p d u 通过输出队列以出事件方式输出。所有入事件均以原子方式操作，一个协议实体在完成与当前事件相关的所有操作之后，才处理下一个入事件。一个协议实体在入事件激励下，从当前状态转入新的状态，有时候取决于一个或多个可能条件或谓词的当前状态。层的协议规范应包含如下规范文件：( 1 ) 所有接口上的入事件定义；( 2 ) 自动机状态定义；6北京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文( 3 ) 所有接口上的出事件定义；( 4 ) 层实体内部特定动作表；( 5 ) 与自动机动作有关的状态变量和谓词的定义；( 6 ) 事件状态表，包括所有可能的入事件和当前状态的组合，出事件和新状态，以及取决于谓词的其它可能事件和新状态的组合。a x 2 5 与o s lo s i 模型3 1 是典型的协议分层实例，它规定了一个网络协议的框架结构，它把网络协议从逻辑上分为：物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，其中下面的三层为低层协议，提供网络服务，上面的四层为高层协议，提供末端用户功能。a x 2 5 协议模型也规定了其协议分层结构，分为物理层和链路层。o s i 模型与a x 2 5 协议模型的对比如图2 1 所示。应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层o s i 协议a x 2 5 协议图2 - 1a x 2 5 与o s l 协议模型对比o s i 模型中各层的主要功能如下【3 】：( 2 ) 物理层。主要讨论在通信线路上比特流的传输问题，这一层协议描述物理传输介质的电气的、机械的、功能的和过程的特性；( 3 ) 数据链路层。主要讨论在数据链路中帧的传输问题。这一层协议的内容包括：帧的格式、帧的类型、比特填充技术、数据链路的建立和终止、信息流控制、差错控制。这一层协议的目的是保证在相邻的站与节点或节点与节点之间正确的、有序的传输数据帧以及控制共享信道的访问；( 4 ) 网络层。主要是处理分组在网络中的传输。这一层协议的功能是：路由选择、数据交换、网络连接的建立和终止，在一个给定的数据链路上网7北京邮l 也人学硕i ：研究生学位论文络连接的复用，根据从数据链路层来的错误报告而进行的错误检测和恢复，分组的排序和信息流的控制等；( 5 ) 传输层。处理报文从信息源到目的地之间的传输。这一层的主要功能是：把传输层的地址变换为网络层的地址，传输连接的建立和终止，在网络连接上对传传输连接进行多路复用，端到端的顺序控制，信息流的控制，错误的检测和恢复；( 6 ) 会话层。主要控制用户之间的会话。会话是指用户与用户的连接，会话可以使一个用户登录到一个远程分时系统或者在两台机器之间传送文件。这一层协议的功能是：把会话地址变换成它的传输地址，会话连接的建立和终止，会话连接的控制，会话连接的同步；( 7 ) 表示层。主要处理应用实体间交换数据的语法，其目的是解决格式和数。据表示的差别。表示层的协议，使计算机的文件格式能够经过变换而得以兼容；一( 8 ) 应用层。为应用进程提供访问o s i 环境的方法。a x 2 5 协议的链路层和物理层对应于o s i 模型中的链路层和物理层，链路层主要处理数据链路中a x 2 5 帧的传输问题，提供面向连接和面向无连接的帧的传输，物理层主要处理通信线路上比特流的传输问题。a x 2 5 与x 2 5x 2 5 是低速分组交换技术【4 】，有一套复杂的差错处理及重发机制，具有低误码率的特点。a x 2 5 作为x 2 5 协议的变种，在业余分组无线网领域广泛应用，它继承了h d l c 和x 2 5 的优点，增加了适应无线信道的特点，如增加了扩展的地址域和面向无连接的u i 帧。a x 2 5 协议分层和x 2 5 协议分层如图2 2 所示。分组层l a p b物理层链路层物理层x 2 5 协议a x 2 5 协议图2 2x 2 5 与a x 2 5 协议分层对比x 2 5 分层说明如下：( 1 ) 物理层：描述物理环境接口。该组包括三种协议：1 ) x 2 1 接1 ：3 运行于8 个交换电路上；2 ) x 2 1 b i s 定义模拟接口，允许模拟电路访问数字电路交换网络：3 ) v 2 4 使得d t e 能在租用模拟电路上运行以连接到包交换结点或集中器。8北京邮i 乜人学硕i ：j o f 究生学位论文( 2 ) 链路层：负责d t e 和d c e 之间的可靠通信传输。包括四种协议：1 )l a p b 源自h d l c ，具有h d l c 的所有特征，使用较为普遍，能够形成逻辑链路连接；2 ) 链路访问协议( l a p ) 是l a p b 协议的前身，如今几乎不被使用；3 ) l a p d 源自l a p b ，用于i s d n ，在d 信道上完成d t e 之间，特别是d t e 和i s d n 节点之间的数据传输；4 ) 逻辑链路控制( l l c ) 一种i e e e8 0 2l a n 协议，使得x 2 5 数据包能在l a n 信道上传输。( 3 ) 分组层( p l p ) 协议：描述网络层( 第三层) 中分组交换网络的数据传输协议。分组层是x 2 5 交换协议的核心，规定了关于虚电路( v c ) 的建立、释放过程以及分组的格式、分组传输控制过程、流控和异常情况的处理与恢复等。x 2 5 是以面向连接的虚电路服务为基础，p l p 负责虚电路上d i e 设备之间的分组交换。p l p 能在l a n 和正在运行l a p d的i s d n 接口上运行逻辑链路控制( l l c ) 。p l p 实现五种不同的操作方式：呼叫建立( c a l ls e t u p ) 、数据传送( d a t at r a n s f e r ) 、闲置( i d l e ) 、呼叫清除( c a l lc l e a t i n g ) 和重启( r e s t a r t i n g ) 。2 1 2f s m 简介在迄今出现的多种形式化模型中，有限状态机是最为重要的一种，它是多种形式化方法的基础。f s m 直观性强、易于实现且可与其它形式化方法组合和转换。有限状态机可定义为一五元组m = ( ，s ，s o ，6 ，f ) 。是输入字母表( 符号的非空有限集合) 。s 是状态的非空有限集合。s o 是初始状态，它是s 的元素。在非确定有限状态自动机中，s o 是初始状态的集合。6 是状态转移函数。f 是最终状态的集合，s 的( 可能为空) 子集。有限状态机( f i n i t es t a t em a c h i n e ) 又称有限状态自动机或简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。由一组状态、一个初始状态、输入和根据输入及现有状态转换为下一个状态的转换函数组成。f s m ( 有限状态机) 可以使用如图2 3 那样的状态图( 或状态转移图) 来表示。9北京邮i 乜人学顾j ：研究生学位论文0o图2 - 3 有限状态机实例说明：状态s l 表示在输入的字符串中有偶数个0 ，而s 2 表示有奇数个0 。在输入中1 不改变自动机的状态。当读完输入的字符串的时候，状态将显示输入的字符串是否包含偶数个0 。q = s l ，s 2 )= o ，1 )s = s if = s l 。对应的转移函数为：6 ( s i ，o ) = s 26 ( s l ，1 ) = s l6 ( s 2 ，0 ) = s l6 ( 8 2 ，1 ) = 8 2f s m 可以用来表示协议模型，但是纯粹的f s m 只反映了协议事件和协议状态之间的关系，不能表述另外三项重要的协议元素：协议变量、协议动作和谓词。协议变量是指存储协议运行的历史数据和参数的变量以及协议机制本身所设置的变量。每种协议通过协议动作的执行来实现协议功能，协议动作由协议事件驱动并执行一系列操作，这些操作包括产生输出事件、设置和清除定时器、修改协议变量和协议状态等。描述协议动作执行时受到的制约条件的语句称为谓词，包括输入参数、协议变量和协议运行环境等。要想达到协议过程的完整描述，协议变量、协议动作和谓词这三者必不可少，这些都是f s m 所不具备的能力。为此，人们提出扩展有限状态机模型来弥补f s m 描述能力的不足。e f s m 是对m e r o e和m e a l y 机的改进，在f s m 模型的基础上增加了变量、操作以及状态迁移的前置条件，由e f s m 描述的协议模型才是语义完整的模型。广泛应用在电信系统和协议设计领域的s d l 的数学模型就是基于e f s m 的，s d l 将在2 1 3 小结进行介绍。1 0北京邮i 乜人学硕二l 研究生学位论文2 1 3s d l 简介s d l ( s p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是19 7 6 年至19 9 2 年由i t i 卜- t发展和标准化的一种描述系统行为的语言，s d l 的数学模型是扩展有限状态机( e f s m ) ，是一种高层泛用型的用于事件驱动、实时和通信系统的描述语言，电信系统和协议是它主要应用领域之一。s d l 有图形和文本两种表示形式，s d l g r和s d l p r 。它既可以用来对系统的功能进行说明，也可以描述系统的内部结构和行为，因而应用范围很广，可以用于协议工程的各个阶段。s d l 采用一种层次结构来对系统进行描述和说明，结构和功能被清楚地划分。系统可以分为多个功能块，功能块表示系统内部功能相对独立的几个模块，它们之间通过信道相连。根据系统规模的大小，每个功能块还可以分为子功能块或进程。与传统f s m 类似，s d l 进程具有有限数量的被有限数量跃迁连接着的宏控制状态。通过一个输入信号( 也可称使能条件) 的接收、事先设置的定时器的定时或当前状态变量( 连续信号) 值所指定条件的确认，跃迁能够被触发。s d l 将直观的图形和固定的格式结合起来，使开发人员可以简洁高效地将规范和协议描述出来，s d l 的应用，可以缩短开发周期，降低系统的差错率，提高软件质量。现在越来越多的电信设备开发商开始使用s d l 进行协议软件开发。s d l 图指的是使用规范和说明语言( s d l ) 为通信和电信系统和网络创建面向对象的图表。图标本身是基于c c i t t 规范的。以下是描述a x 2 5 协议的一些s d l 实例【l 】。状态接收信号产生信号内部信号产生和接收保存一个信号直到进入一个新的状态过程厂1 0r e a d yil、。，一。北京邮也人学顾1 ：研究生学位论文条件测试子过程调用子过程开始子过程返回旷鼍哑。邗_ 画i 2 2 协议模型a x 2 5 协议模型的最低两层分别为数据链路层和物理层，可以被进一步分为几个不同的有限状态机，系统可以建立多个数据链路层连接，对于每个被实现的数据链路层连接，必须提供一个分离的数据链路状态机。图2 4 展现了一个含有多个数据链路的无线电端的例子。标准中所描述的链接多路复用器使得多个数据链路连接到同一物理连接。、v f - 1 1 , 4 1 8u l【 o n ，、，“u1 l 氏o r ，s e g m e n t e r s e g m e n t e dr e a s s e m b l e rr e a s s e m b l e rm a n a g e m e n tm a n a g e m e n td a t al i n kd a t al i n kd a t al i n k ( 2 )d a t al i n kd a t al i n kl i n k e rm u l t i p l e x e rn l ：1aa nj “p h y s i c a lp h y s i c a l ( 1 )s i l i c o n r a d i o，n j ：一oa t i 、图2 - 4a x 2 5 有限状态机模型( 多链) i l l数据链路访问点( d a t al i n ks a p )图4 1 中，数据链路访问点( d l s a p ) 用来为上一层( 第三层) 提供相应的接口函数。每一个数据链路访问点对应了一个或多个数据链路连接的端点。实体存在于每一层中，可能是链接多路复用器、数据链路、数据链路管理单元或分段组装器。处于不同通信系统中同一层中的实体被称作“对等实体 ( p e e r1 2北京邮i 乜大学硕，i ：研究生学位论文e n t i t i e s ) 。相邻层中的实体通过它们共同的界面接口进行交互。数据链路层为上层所提供的服务实际上是本层和其下层物理层所提供的服务和函数的集合。数据链路实体之问的协作是由实体所在特定层的p e e rt op e e r 协议管理的。举个例子来讲，当第三层的实体进行信息的交互时，a x 2 5 协议必须建立一个实体间的关联，这个关联通常被称作数据链路连接。数据链路连接是由两个或多个d l s a p 间的数据链路层提供的。第三层通过命令原语向数据链路层发送请求。这些被用于在相邻层之间进行交互的原语包括以下四种：请求原语：由上层向紧邻的下层请求服务的命令。指示原语：由下层向其紧邻的上层提供的服务，用以通知紧邻的上层有关服务的某一具体的行动。指示原语可能是上层对等实体发出请求原语后，本端紧邻的低层向上层作出通知的结果。应答原语：用于下层对其紧邻下层发来的指示原语作出相应的接受应答。a x 2 5 并不使用应答原语。证实原语：用于下层向发出请求的紧邻上层作出完成相应请求的确认。图2 - 5 展示了这些原语的使用方法。s t a t i o nad l s a pd l s a ps t a t i o nalld l - c o n n e c t ，r e q u e s t 1 一1。ls u b m f m r m ，。1。l咔呻d l - c o n n e c t i n d i c a t i o n1l“。l。卜u al，。u f m r n e + 。ld l - c o n n e c t 。c o n f i r m 砷lll图2 - 5a x 2 5 原语的使用实例【1 j。分段器和组装器( s e g m e n t e r r e a s s e m b l e r )分段有限状态机通过d l s a p 接收来自上层的输入数据。如果将要发送的数据单元超过一个a x 2 5 信息帧或无标号帧的帧长度，分段器将把这个数据单元划分为几个满足帧长度要求的段进行发送。同样的道理，接收到的段将被组装器按照一定的次序重组为原来的数据单元，通过d l s a p 交付给上层。一个分段器存在于每一个数据链路中。由于单一的设备有可能存在多条数据链路在同时进行操作，那么需要有多个独立运行的分段器存在这个设备中。数据链路( d a t al i n k )数据链路状态机是a x 2 5 协议的核心。该状态机提供了所有必要的逻辑，1 3北京邮电人学硕1 j 研究生学位论文通过面向连接的( 通过带有恢复手段的信息帧) 或无连接的( 通过无标号帧) 的方式来建立站设备之间的连接、释放连接和进行数据的交换。一个数据链路状态机存在于每个数据链路中。由于单一设备可能有多条链路同时进行操作，那么需要有多个独立运行的数据链路状态机存在这个设备中。链路管理器( m a n a g e m e n td a t al i n k )链路管理器主要负责a x 2 5 协议的参数协商功能。链路管理器状态机提供了所有必要的逻辑来进行站与站之间的参数协商操作。一个链路管理器状态机存在于每个数据链路中。由于单一设备可能有多条链路同时进行操作，那么需要有多个独立运行的链路管理器状态机存在这个设备中。链路复用器( l i n km u l t i p l e x e r )链路复用器状态机允许一个或多个数据链路共享同一物理信道。链路复用器提供了所有必要的逻辑，通过时间片轮转算法，来为每一条链路分配信道使用间隙。一个链路复用器状态机存在于每个物理信道中。由于单一设备可能有多条物理信道同时进行通信操作，那么需要有多个独立运行的链路复用器状态机存在这个物理信道中。物理介质( p h i s i c a d物理介质状态机管理了无线电信号的发送和接收。一个物理介质状态机存在于每个物理信道中。由于不同类型的无线电信道可能被使用，物理介质状态机可能以不同的形式存在。每种形式的物理介质状态机都使对应信道的特殊性质对上层状态机保持透明。2 3 帧结构链路层分组无线传输是以小块的数据为发送单元的，我们称称之为“帧”。a x 2 5 协议中定义了三种帧结构：信息帧( i 帧) 、监控帧( s 帧) 以及无标号帧( u 帧) 。每一帧是由更小的域构成的。表2 1 a 和表2 1 b 给出了三种基本帧结构，其中帧的发送顺序是由左至右的。表2 1 au 帧和s 帧的结构【1 jf l a ga d d r e s sc o n t r o li n f 0f c sf l a gl l l l l l o1 1 2 2 2 4 b i t s8 1 6 b i t sn 幸8b i t s1 6 b i t sl l l l l l o表2 1 bi 帧的结构1 1 l1 4北京邮l u 人学硕i ：研究生学位论文f l a ga d d r e s sc o n t r o lp i di n f of c sf l a gl l i l l l o1 1 2 2 2 4b i t s8 1 6 b i t s8b i t sn 幸8b i t s1 6 b i t s1 1 1 1 l l o说明：h l f o 域只存在于特定的帧中，f c s 为帧校验序列，p i d 为协议识别域。每个域都由整数个字节组成，除了f c s 域，所有的域都是低位优先传输。而f c s域高位优先传输。标志域( f l a g )标志域为一个字节长，作为划定帧界限的标志，存在于帧头和