第六章 数据通信基础.doc

第一部分 基础知识 数据通信基础 第五章 数据通信基础第一节 什么是数据通信数据通信是在本世纪60年代随着计算机技术的不断发展和广泛应用而发展起来的一种新的通信技术。计算机具有运算器、存储器和输入输出设备。它的工作速度之快、记忆能力之强和信息处理的准确性是人脑远远不及的，它可以帮助人们完成人本身无法完成的任务，因此计算机一出现就获得广泛的应用。计算机的应用经历了从单机到多机，从近距离到远距离的过程。初期，人们必须要到计算机房间里去使用计算机，感到很不方便，而且计算机的强大处理能力不能获得充分的利用，于是产生了远距离使用计算机的要求。随着计算机技术和信息处理技术的发展，人们需要使用在不同地点的计算机共同完成一些工作任务，这就需要在计算机之间用通信手段交换信息，于是产生了计算机和计算机之间以及人和计算机之间进行远程通信的要求。数据通信就是为了适应这种通信要求而发展起来的。现在数据通信已经成为为人类进行信息交流的十分重要的通信手段，并且在人类进入信息社会的进程中起着越来越重要的作用。为了便于理解，我们先把数据通信与大家已经非常熟悉的传统的电话通信做一个比较。1. 数据通信是实现计算机和计算机之间以及任何计算机之间的通信，而电话通信是实现人和人之间的通信。2. 数据传输的可靠性要求高。数据通信处理的信息是用二进制“0”“1”的比特码组表示的，一个码组中的一个比特在传输过程中产生错误，在接收端都可能被理解成完全不同，甚至是相反的含义。特别是对于像银行业务或军事上使用的自动控制系统，数据差错可能引起严重的后果，因此数据通信要达到很低的误码率。表 列出了数据和其它一些通信业务对传输误码率的基本要求。可以看出，数据通信可承受的误码率和误组率为最小。在实际应用中可能出现高于或低于表 所列数据的要求。3. 数据通信的“用户”是各种各样的计算机和终端设备。它们在通信速率、编码格式、同步方式和通信规程方面都会有很大的差异，为了能够实现它们之间的互相通信，数据通信网应当提供足够灵活的接口能力，适应各种用户的需要。第二节 数据通信基本概念在讨论数据通信技术之前，首先介绍以下数据通信中的一些最基本的概念。数据（Data）和消息(Information) 数据是传递信息的实体，而消息则是该数据的内容或解释。数据分模拟数据和数字数据两种，前者取连续值，后者去离散值。例如，声音和图象在强度上是连续变化的， 信号 信号是数据的电编码或电磁编码。它分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号是在各种介质上传送的连续变化的电磁波，可以用各种频率的信号在双绞线、电缆和光缆上传送。数字信号是在介质上传送的电压脉冲序列，其恒定的正电平代表“1”，恒定的负电平代表“0”。在数据通信中，数据以电信号的形式从一处传播到另一处。信道 在数据通信系统中，信道是指能传送电信号的一条通路。它由线路及其附属设备（如收发设备等）组成。模拟信号和数字信号 模拟和数字数据均可由模拟和数字信号代表和传播。通常，模拟数据（如声音数据）是时间的函数并占据有限的频谱。这种数据可直接由占有相应频谱的电磁信号表示。模拟数据也可以由数字信号代表和传播，这需要有一个将模拟信号转换位数字信号的设备，如声音数据，可以通过称做Codec的设备进行数字化。同样，数字数据可以由数字信号直接表示，也可以通过一个变换器（通常是MODEM设备），由模拟信号表示。它们之间的关系如图1-5-1所示。图1-5-1 模拟数据和数字数据的表示数字数据模拟数据模拟信号数字信号数字信号数字信号编码MODEM模拟信号模拟信号数字信号模拟信号Codec电话线模拟传输和数字传输 模拟传输是传输模拟信号的一种方法，与这些信号是代表模拟数据或数字数据无关。模拟数据可以代表模拟数据如声音，也可以代表数字数据如通过MODEM变换了的二进制数据。模拟信号传送一定距离后，由于幅度衰减二失真（变形）所以在长距离传送时，需在沿途加若干放大器将信号放大（补充能量）。当放大器同时放大了噪声，同样引起误差，且误差是沿途累加的。对于声音数据，有一点误差，还可以辨认，但对数字数据，一点误差都是不允许的。数字传输是传输数字信号，它可以直接传输二进制数据或编码的二进制数据（为了更合适传输介质的要求），也可以传输数字化了的模拟数据，如数字化了的声音。数字传输中，也会由于信号幅度的衰减而失真。但由于数字信号只包含有限个电平值（如二进制信号就只有“0”“1”两个电平值），所以只要在数字信号衰减到可能辨认不出的原电平之前，在沿途适当地方（一般位50公里）加一个重复器将该信号恢复原值，在继续传输。重复器比较简单，它的引入不会产生积累误差。这也是当今采用数字传输方法来传输模拟数据的原因。带宽 每种信号都要占据一定的频率范围，这个频率范围就叫做带宽。如声音的频率范围一般在3003400Hz之间，所以电话线一条花露的带宽是3100（3400-300）Hz，近似于3000Hz。又如一条电缆，可传送1MHz频率范围的信号，则称该电缆的带宽为1 MHz。数据率 即数据传输速率，指每秒传输的数据位数，单位是比特/秒或记做bit/s。数据率的大小由每位所占时间决定，所占时间越小，数据率越高。信道容量 指信道的最大数据传输速率。当信道上传输的信号数据率大于该信道容许的数据率时，该信号就根本不能在该信道上传输。这是信道的一个极限参数。误码率 请参见本节“数据通信系统的主要质量指标”部分。延迟 指在网络中发送第一位数据起，到最后一位数据被接收所经历的时间。该参数表示网络相应度，延迟越小，响应越快，性能越好。影响延迟的因素随网络技术而异，主要由传输延迟、传播延迟等等。吞吐量 吞吐量是表示网络或信道性能的一个参数。数值上等于网络或信道在单位时间内成功传输的总信息量。单位为bit/s。一、 数据通信系统概述1 数据通信的定义和特点数据通信是以传输数据为业务的一种通信方式，是计算机和通信相结合的产物，是计算机与计算机，计算机与终端以及终端与终端之间的通信，数据通信是按照某种协议连接信息处理装置和数据传输装置，进行数据传输及处理的。数据通信具有以下特点：（1） 数据通信是人-机或机-机通信，计算机直接参与通信是数据通信的重要特征。（2） 数据传输对准确性和可靠性要求高。（3） 传输速率高，要求接续和传输响应快。（4） 通信持续时间差异大。2 数据通信系统的构成数据通信系统由数据终端设备、数据电路和计算机系统三种设备组成，图1-5-2是数据通信系统的基本构成。由图可知，远端的数据终端设备（DTE）通过数据电路与计算机系统相连。其中数据电路由传输信道和数据电路终接设备（DCE）组成；数据链路由数据电路加上传输控制规程构成。由于数据链路遵循严格的传输控制规程，使得数据通信系统所提供的数据传输质量比数据电路所提供的数据传输质量高的多。数据终端设备 接口接口 数据终端设备 传输信道数据电路终接设备DCEDTE数据电路终接设备数据电路终接设备数据电路终接设备DCEDTE数据输入输出设 备传输控制器TC数据电路 数据链路 图1-5-2数据通信系统的基本构成3 数据终端设备数据终端设备是数据通信系统中用量最大、种类繁多、分布最广的设备。从计算机和计算机通信系统的观点来看，终端是人和计算机之间互相对话（或者说输入/输出）的工具。而从数据通信网络的观点来看，我们把与网络相连的计算机和中断都称为网络的数据终端设备，简称为终端。A 数据终端设备的功能1) 输入/输出功能(与操作人员的接口界面)：把人可以处理的数据转换成计算机可以处理的二进制信息。输入/输出可通过磁盘、键盘等多种形式进行；2) 传输控制功能(与数据网接口界面)：遵照所采用的传输控制规程，正确地收发数据，包括收发控制功能、差错控制功能和输入/输出控制功能等；3) 某些数据的处理功能。B数据终端设备的通信方式有自由方式和可控制方式两种。自由方式指在操作员控制下发送数据；可控制方式指终端发送数据受线路另一端控制(通常是计算机控制)。C. 数据终端类型在数据通信网环境中，可以将终端做如下分类：1) 分组式终端和非分组式终端请参见专业部分第二章第六节的内容。2) 同步终端和异步终端根据终端和计算机之间或终端和网络之间传输数据所采用的同步方式不同，可以将终端分为同步终端和异步终端两种类型。同步终端 指以帧同步方式和字符同步方式工作的终端。异步终端 通常指起止式(Start-Stop)终端，它是在每个字符的首尾加“起”比特和“止”比特，实现接收和发送之间的同步，字符和字符之间的间隙时间可以任意长，因此称为异步。3) 本地终端和远程终端本地终端 直接与本地计算机（或本地网络）相连的终端称为本地终端。远程终端 经过通信线路（或网络）与计算机或网络相连的终端。4 数据通信工作方式数据通信可以有单工、半双工和全双工三种通信方式。（1） 单工：数据只能单向传输。该方式结构简单，价格便宜，如无线电视、广播等属于该方式。（2） 半双工：在某一时刻通信线上只能以一种方向传输数据，当一个终端停止发送开始接受时，线路到向，每个终端不仅可以传输数据，而且可以传输命令。该方式软件设计要求较高，传输有一定时延。（3） 全双工：在同一时刻通信终端可以双向传输数据。5 数据传输方式1）并行传输和串行传输并行传输：数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。并行传输收、发双方不存在字符的同步问题，不需要另加“起”“止”信号或其他同步信号来实现收、发双方的字符同步，但必须有并行信道，不易实现。串行传输：数据流以串行方式，在一条信道上传输。该方式只需一条传输信道，易于实现，是目前主要采用的一种方式。串行传输需保持收发双方码组或字符同步，以正确区分每个字符。目前解决码组或字符的同步有两种方式，既异步传输方式和同步传输方式。2） 异步传输和同步传输异步传输：又叫起止同步方式，一般以字符为单位，不论所采用的字符代码长度如何，在发送每个字符代码时，其前、后分别加上“起”信号（长度为1个码元，极性为“1”）和“止”信号（长度为1或2个码元，极性皆为“0”），用于区分串行传输的字符，实现串行传输收发双方码组或字符的同步。该传输方式的特点是同步实现简单，收发双方的时钟信号不需严格同步，传输效率低。同步传输：以同步的时钟节拍来发送数据信号，在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的（即同步的）。接收端为正确的区分收到的数据流中的每个码元，必须首先建立准确的时钟信号，实现比特同步。为此一般有两种方法，一是发端同时将定时信号传给收端，一是收端从接收的数据信号中提取比特定时信号，在此基础上，通过数据流同步字符实现字符同步。该方式传输效率较高。6 数据通信系统的主要质量指标A传输速率数据传输速率包括码元速率和信息速率两种。（1） 码元速率，记为N，它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输的码元个数或脉冲个数（可以是多进制）。码元速率的单位是波特，即每秒的码元个数。（2） 信息速率，记为R，它表示单位时间内系统传输的信息量，即二进制码元数。在二进制通信系统中，信息速率R（比特/秒）等于码元速率。对于多进制系统有如下关系： R=Nlog2m(bit/s) 式中m为信号的进制数。B 频带利用率在比较不同通信系统的效率时，只看信息速率是不够的，或者说即使两个系统的信息速率相同，他们的效率也可能不同，所以还要看传输这样的信息所占的频带。通信系统占用的频带越宽，传输信息的能力应越大，可以认为两者成比例，用单位频带内的符号速率描述系统的传输效率，即每赫的波特数：=码元速率/频带宽度 （波特/赫）C 误码率误码率指接收码元中出现差错码元数与所传输的总码元数的比：误码率=差错码元数/传输总码元数误码率表征通信的可靠性，误码率越小，传输的信息越准确。二、 数据链路的传输控制 1数据链路数据链路由数据电路加上传输控制规程构成。它由通信线路，调制解调器，终端及通信控制器之间的接口构成。国际标准化组织（ISO）定义数据链路为：按照信息特定方式进行操作的两个或两个以上终端装置与互连线路的一种组合体。所谓特定方式是指信息速率与编码均相同。一般一个数据通信系统可包括一个或多个数据链路。 数据链路的结构分为点对点和点对多点两种。2数据链路控制规程对于数据通信系统，通信双方是计算机而不是人，它不能象人那样在通信过程中随时处理通信中发生的任何问题。所以为了可靠地进行数据传输，双方必须预先作一些共同遵守的约定和操作的步骤，我们将这些约定和步骤称为数据传输控制规程。数据通信的双方为有效地交换数据信息，所建立的一些规约，以控制和监督信息在通信线路上的传输和系统间信息交换，这些规约称为通信协议。数据链路的通信操作规程称为数据链路控制规程，它在已经形成的物理电路上建立起相对无差错的逻辑链路，以便在DTE与网路之间，DTE与DTE之间有效可靠地传送数据信息。数据链路控制规程有以下功能：帧同步、差错控制、顺序控制、透明性、线路控制、流量控制、超时处理、特殊情况、启动控制、异常状态的恢复等。3数据链路控制规程的分类按照传输信息的基本单位不同，可将传输控制规程分为两类：面向字符的传输控制规程：采用某些专用的字符来控制链路的操作，监视链路的工作状态。这类规程出现较早，国际标准化组织（ISO）已就这类规程作了标准规定，一般称为“基本型传输控制规程”除此外还有扩充基本型控制规程。面向比特的传输控制规程：采用特定的二进制标志序列作为帧的开始和结束，以一定的比特组合所表示的命令和响应实现链路的监控功能。命令和响应可以与信息一起传送。如HDLC、X.25属于这类规程。 三、 数据传输1 数据传输的基本方式1）基带传输电信号所固有的基本频带称为基带。数字信号的基本频带是从0至若干兆赫，由传输速率决定。当利用数据传输系统直接传送基带信号，不经频谱搬移时，则称为基带传输。2） 频带传输把二进制信号（数字信号）进行调制交换，成为能在公用电话网中传输的音频信号（模拟信号），将音频信号在传输介质中传送到接收端后，再由调制解调器将该音频信号解调变换为原来的二进制电信号。这种把数字信号经过调制后再传送，到接收端后又经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输。这种传输克服了目前长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，同时实现了多路服用，提高了通信线路的利用率。3） 数字数据传输利用PCM数字信道传输数据的方法。采用数字信道，提高了传输速率和质量。四、 信道复用技术在本章开始，我们提到过“信道”的概念，它是指传送电信号的一条通路。现有通信线路具有模拟信道和数字信道两种类型，它们都具有一定的传输能力。例如，在带宽为300-3400Hz的长途载波电话信道（模拟信道）上，通过加调制解调器可以提供9600bit/s的数据传输速率，在数字PCM信道上，一个话路（0次群）的数据传输速率可以达到64kbit/s。而数据终端的实际通信速率与信道带宽相比却是很低的。一个由人操作的数据终端产生的数据速率可能不到20bit/s，而且常常由于人的思考而停顿，这样，通信线路资源（传输能力）的浪费是很大的。经济有效地使用通信线路的方法是组合多个低速的数据终端共同使用一条高速的线路。这种方法叫做多路复用。按照复用方式的不同，多路复用技术基本上分为两类：频分多路复用和时分多路复用。 300 3400 f(Hz)信道1衰减 300 3400 f(Hz)信道2衰减 300 3400 f(Hz)信道3衰减信道1 f(Hz)衰减信道2 f(Hz)衰减信道3 f(Hz)衰减信道3 f(Hz)衰减信道2信道1 (a) (b) (c) (a)原信道频带 (b) 频率提升后各频带的频率 (c)组合各信道 图1-5-3 频分多路复用示意图1 频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）FDM是将具有一定带宽的线路划分为若干条占有较小带宽的子信道，每条子信道供一个用户使用，各条信道的中心频率不相重合，且保留一定的距离。当该用户没有数据传输时，其他的用户不能使用，此时，子通道保持空闲状态。图1-5-3所示为FDM的原理示意图。频分复用技术适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话和电缆电视（CATV）系统。在数据通信系统中，应和调制解调器技术结合使用。2 时分多路复用(TDM,Time Division Multiplexing)TDM是把时间划分为若干个时间段（时隙），每个用户分得一时间段，该用户只有在分配的时间段里向线路发送信息和接受信息，当在分配的时间内用户没有信息要传输时，这段时间不能由其他用户使用，而保持为空闲状态。在其占用的时间段内，该用户可使用信道的全部带宽。上述的频分和时分复用的方法都实现了多个用户对一条传输线路的资源共享，但是由于各个用户在传输数据时都可能出现暂时的停顿，而使各个子信道的传输呈现空闲状态。线路的传输能力不能获得充分利用。下面将要讨论的统计时分复用方法则克服了这个缺点。3 统计时分复用（STDM）STDM是一种根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的传输能力可以被其他用户使用。采用统计时分复用时，每个用户的数据传输速率可以高于平均速率，最高可达到线路总的传输能力。统计时分复用原理如图1-5-4所示。图1-5-4 统计时分复用原理缓冲器缓冲器缓冲器终端1终端2终端3G 1 B 2 Y 3 X 3 E 2 Q用户识别标记用户数据与前述两种复用方法相比，STDM在各个终端与线路的接口处要增加两个功能：l 缓冲存储l 信息流控制这两项功能用于解决各个用户争用线路资源时产生的冲突。由于计算机具有存储器并具有处理能力，所以可以用计算机实现上述两个功能，为各个终端动态地分配通信线路资源。五、 数字通信网交换方式对于计算机和终端之间的通信，交换是一个重要的问题，如果我们想使用任何遥远的计算机，若没有交换机，只能采用点对点的通信，这样需建立多条点对点信道。为避免建立多条点对点的信道，就必须使计算机和某种形式的交换设备相连。这种交换通过某些交换中心将数据进行集中和转送，可以大大节省通信线路。在当前的数据通信网中，有四种交换方式即，电路方式、分组方式、帧方式、信元方式。1 电路方式电路方式是从一点到另一点传递信息的最简单的方式。电路方式是基于电话网电路交换的原理，即当用户要求发送数据时，交换机就在主叫用户终端和被叫用户终端之间接续一条物理的双向数据传输通路。如图所示方式示意图。图中数据终端设备通过RS-232接口与调制解调器相连，然后通过用户线接至交换机，在对端采用对称的连接方式，构成一条实际的物理电路。电路方式属于预分配电路资源系统，即在一次接续中，电路资源预先分配给一对用户固定使用，不管这条电路上实际有无数据传输，电路一直被占用，直到双方通信完毕拆除连接为止。MODEMMODEM数据终端数据终端RS-232RS-232交换机 交换机 电路方式示意图采用电路方式进行数据交换，可利用公用电话交换网络（PSTN），也可采用专线方式，即数字数据网（DDN）。优点：1) 传输时延小。对于一个固定的连接，其信息传输时延是固定的。2) 电路是“透明”的，发送端用户送出的信息通过电路连接毫无限制地被传送到接收端。所谓“透明”指传输通路未对用户信息进行任何修正或解释。3) 信息传送的吞吐量大，可以根据信息量的大小选择所需要的传输速率的信道。缺点：占用固定的带宽，网络资源利用率低。2 分组方式分组方式是一种存储转发的交换方式。它将需要传送的信息划分为一定长度的包（也称为分组），以分组为单位进行存储转发。要求每个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识，并且在传送数据分组之前，必须首先建立虚电路，然后依序传送。特点:1) 传输质量高，分组交换方式具有差错控制功能，它在节点交换机之间和分组型终端均进行差错校验与重发，使电路误码率大大降低，一般在传输电路的误码率在1X10-5的情况下，网内全程比特差错率在1X10-10以下。2) 可靠性高，在电路交换方式中，一次呼叫的通信电路固定不便。而分组交换则不同。报文中的每个分组可以自由选择传输途径。由于分组交换机至少与另外两个交换机相连，当网内发生故障时，分组仍能自由选择一条避开故障地点的迂回路由传输，不会造成通信中断。3) 为不同种类的终端互相通信提供方便，由于分组交换网以存储转发交换方式工作，并且以X.25建议的规程向用户提供统一的接口，从而能够实现不同速率、不同码型一及不同传输控制规程终端间的互通，为异种计算机互通提供方便。4) 实现多路通信，由于每个分组都含有控制信息，所以分组型终端尽管和分组交换机间只有一条通信线路相连，但可以同时和多个用户终端进行通信。这是公用电话网和用户电报网等现有的公用网以及电路交换的公用数据网所不能实现的。5) 经济性好，电路利用律高，使用费用低。缺点：由于采用存储转发方式，传输时延大，实时性差；设备投资大。3 帧方式帧方式是在开放系统互连（OSI）参考模型第二层，即数据数据链路层上使用简化的方式传送和交换数据单元的一种方式。由于链路层的数据单元一般称为帧，故称为帧方式，帧方式的重要特点之一是将X.25分组网中通过分组节点间的重发、流量控制来纠正差错和防止拥塞的处理过程进行简化，将网内的处理移到网外端系统中来实现，从而简化了节点的处理过程，缩短了处理时间，这对有效利用高速数字传输信道十分关键。帧中继网路由器路由器 TH 帧中继分组 LAN分组LAN分组图1-5-6帧方式通信示意图帧方式的示意图见图1-5-5，在终端与帧中继网的接口上，需将用户信息转换成帧的格式，然后在帧中继网上传送。实现帧方式进行数据通信有两个最基本的条件，第一个条件是要保证数字传输系统的优良性能；第二个条件是计算机端系统具有差错恢复能力。这两个条件目前早已不成为障碍。帧方式是一种快速分组技术。它适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息，特别适用于局域网的互连。4 信元方式信元方式是将信息以信元为单位进行传送的一种技术。信元是一个长度固定的分组，它由信元头和信元净荷两部分构成，其中信元头包含地址和控制信息，信元净荷是用户数据。采用信元方式，网络不对信元的用户数据进行检查。但是信元头中的CRC比特将指示信元地址信息的完整性。如果地址信息丢失，网络将不能传送信元的信息。信元方式是一种快速分组技术，它适用于各种类型信息的传输，是提供综合业务的网络技术基础。信元方式仅是一个非常宏观的概念，在具体应用中，还需规范详尽的格式及协议，如宽带综合业务数字网中采用的异步转移模式（ATM）就是基于信元的交换方式。ATM是一种全新的面向连接的快速分组交换技术，它综合了分组交换和电路交换的优点，采用异步时分复用的方法，将信息流分成固定长度的信元，进行高速交换。它是下一代ISDN的基础和核心。ATM的主要特点：1) ATM采用分组交换中统计复用、动态按需分配带宽的技术。2) ATM将信息分为固定长度的交换单元信元。进行处理的信元的长度为53个字节。网内不处理纠错重发、流量控制等一系列复杂协议。由于采用固定长度信元的方式，可以用硬件逻辑完成对信元的接受、识别、分类和交换，保证了高速传输。3) ATM支持同步和非同步两种类型的业务。4) ATM提供适配层的功能。不同类型的业务在该层被转换成标准的信元，覆盖了从Nx64kbit/s到155Mbit/s和622Mbit/s的带宽。六、 数据通信规程及实现通信规程(Protocol)和规程参考模型(Protocol Reference Model,简称PRM)是现代用于描述数据通信和通信网的基本手段。本节我们就通信规程和规程参考模型做一简单介绍。1 通信线路、通信实体和通信规程对各种复杂的多种多样的通信给予足够的抽象，可以认为通信是两个相同的通信实体之间经过通信线路传送信息的过程。其中，通信线路连接两个通信实体，通信实体向它的用户提供某种通信能力。对于用户而言，上述通信线路和通信实体的整体，相当于一条等效的通信线路。实际通信线路等效通信线路用户用户通信实体通信实体图1-5-7通信实体和通信上述通信线路和通信实体都是抽象的概念。一条通信线路的功能是向它的两端提供某种通信能力，一个通信实体利用这种通信能力，向它的用户提供通信能力。例如可以把传真机看作一种通信实体。它利用电话线路提供的话音通信能力，向用户提供发送和接受图文传真的能力。为定义一条通信线路，需要定义它提供的通信能力。为定义一个通信实体，需要定义：(1) 它利用何种通信能力；(2) 向它的用户提供何种通信能力；第一层通信实体第一层通信实体第N-1层通信实体第N-1层通信实体第N层通信实体第N层通信实体等效通信线路实际通信线路用户用户图1-5-8 N层通信实体的级联(3) 提供上述能力的机制；(4) 它接受外部管理的能力和机制。上述定义内容称作通信规程。也称通信协议。2 分层的规程参考模型由于上述通信实体和通信线路可以等效地看作一条通信线路，所以它们又可用于连接另外两个通信实体，如此类推，可以得到一个N层通信实体级联的结构。（N+1）层（N）层（N-1）层（N+1）实体（N）实体（N-1）实体（N）SAP接口（N-1）SAP接口协议（N-1）连接图1-5-9 分层的概念（N）SAP：（N）实体的业务接入点把上述N个级联的通信实体看作一个通信实体的N个部件，从而得到N层的通信实体（如图1-5-7）。把一个通信实体分为N层分别予以描述，就得到N层的规程参考模型。如图1-5-8，在一个系统内的同一层内可以有一个或多个有效实体。称位于第N 层的通信实体为（N）实体。（N）实体执行（N）层的有关功能，也是与另一系统内的（N）实体的通信协议。实体可以是多处理系统内的一个进程，或仅是一个子程序。任一系统可以具有多个相同的（N）实体。两个同层实体间交换数据叫连接,在两个（N）实体之间可用一个（N-1）SAP内的连接终点CEP（connection endpoint）为每个（N）实体建立连接。（N）实体提供的通信功能叫做（N）服务。获得（N）服务的接口称作N层的业务接入点（SAP）。一个（N）实体由（N-1）实体的业务接入点获得（N-1）服务。又由N层的业务接入点向N+1层提供（N）服务。又称提供服务的低层实体为业务提供者（server）,称得到服务的高层实体为用户（client）。业务提供者和用户的概念都是相对的。一个（N）实体是（N-1）实体的用户，又是（N+1）实体的业务提供者。3 业务原语描述由业务接入点提供的服务使用业务原语，业务原语是一种抽象的描述方法。基本的四种业务原语是：（1） 请求原语（Request）：用户请求一种功能的原语。(N+1)层(N)层SAPSAPRequestConfirmResponsequestIndication 同等层协议图1-5-10 服务接入点及原语A用户B用户（2） 指示原语（Indication）：业务提供者请求一种功能或指示一种功能已经完成的原语。（3） 响应原语（Response）：用户表示已经完成由指示原语请求的功能的原语。（4） 证实原语（Confirm）：业务提供者表示已经完成由请求原语要求的功能的原语。例：在由用户A发起的一次通信中，用户A使用请求原语和证实原语，用户B使用指示原语和响应原语，透过各自所使用的（N）-层实体的业务接入点进行通信（如图1-5-9所示）。通信过程是：（1） A用户向A点的业务提供者请求把把一段数据发送 到B用户（原语Request）；（2） 经过实际信号的传送（在这个例子中实际信号的传送是透过N层通信实体，到达连接最低层实体的通信线路，到达对方的最低层实体，再透过N层通信实体，到达N层实体的业务接入点），A用户的数据到达B点。B点的业务提供者向B用户指示数据的到达（原语Indication）；（3） B用户向B点业务提供者证实受到了数据（原语Response）；（4） A点的业务提供者向用户A证实数据已传送到B用户（原语Confirm）。在通信不需要证实的场合，响应原语和证实原语都不再是必需的。上述四种通信原语适用于一般通信环境的描述。对于一种具体的通信环境，通过在通信原语前面附加前缀和后面附加参数来给出关于服务的具体描述。例如：原语PHY- DATA. Request (PHY-SDU)表示对于PHY层的数据通信的请求,请求内容是送出一个ATM信元。参数PHY-SDU即准备送出的信元。4 数据单元在分层的规程参考模型中，可以只考虑相邻实体间的数据传送和对等层实体之间的数据传送这两种情形。其中。一个（N）实体的相邻层实体指的是（N+1）实体和（N-1）实体；一个（N）实体的对等层实体指的是通信线路连接的对方的（N）实体。在对等层实体间传送的数据中，又包括为完成本层的通信规程而需要传送到对方的数据和本层的用户要求本层传送的数据。根据上面的分析，可以定义如下几中不同的数据单元：（1） 接口数据单元(Interface Data Unit,简称ICI)：层间传送的数据块整体。包括两种情形： 上层实体作为下层实体的用户，在下层实体的业务接入点送入的数据块。这个数据块的一部分被传送到对等层实体，一部分则被下层接受和处理。 下层实体作为上层实体的业务提供者，向上层实体送出的数据块。这个数据块的一部分来自对等层实体，一部分则是下层实体自身产生的送往上层实体的数据。（2） 接口控制信息（Interface Control Information,简称ICI）：仅在相邻层间传送的数据，用于层间的互控。ICI是IDU的一个组成部分。（3） 业务数据单元（Service Data Unit，简称SDU）：更高层次的对等通信实体之间传送的数据为本层的SDU。上层实体送入本层的IDU是由上层实体送入本层ICI和本层向下传送的SDU两部分组成。下层实体送入本层的IDU是由下层实体送入本层的ICI和下层实体向上传送的SDU两个部分组成。（4） 规程控制信息（Protocol Control Information，简称PCI）：在本层实体和对等层实体之间传送的为完成本层通信规程而产生的信息。规程数据单元（Protocol Data Unit，简称PDU）：本层的SDU和本层的PCI两者的组合叫做本层的PDU。在由用户向业务提供者发送信息的反方向上，第N层中的各种数据单元的关系如图1-5-10(a)所示。可以看到：（1） 在N层实体中，由N1层送到N层的IDU中的ICI被分离出来并被处理。其余部分作为N层的SDU。（2） N层产生PCI，并和N层的SDU合并，形成N层的PDU。（3） N层产生ICI，并和N层的PDU合并，形成N层向N1层传送的IDU。图1-5-11 层间各种数据单元的关系N-1层N层N层N-1层N+1层IDUICIICIPDUPCISDUIDUb)下层向上层传送数据a) 上层向下层传送数据N+1层IDUICIICIPDUPCISDUIDU在由业务提供者向用户发送信息的方向上，第N层中的各种数据单元的关系如图1-5-10（b）所示。可以看到：（1） 在N层实体中，由N1层送到N层的IDU中的ICI被分离出来并被处理。其余部分作为N层的PDU。（2） N层的PDU中的PCI被分离出来并被处理。其余部分作为N层的SDU。（3） N层产生ICI，并和N层的SDU合并，形成N层向N+1层传送的IDU。此外，还有下述两点未在图中注明，需要注意：1) 各层的SDU中，除了为它的用户传送SDU外，一般还有一些它自己的用于完成规程功能的SDU。这些SDU是在本层实体内部产生并在对等层实体中被处理，用户不知道这些SDU的存在。因此，从完成的作用和对它们的处理方式上看，这些SDU都类似于PCI。不同是：PCI是SDU的组成部分，而不是完整的SDU。2) 不是所有的规程中都由ICI。在没有ICI的情况，也就不再需要IDU概念 。此时，上层实体的PDU就是下层实体的SDU。在用户业务提供者方向，上层实体的PDU透过下层实体的SAP，成为下层实体的SDU。在业务提供者用户方向，下层实体的SDU透过下层实体的SAP，成为上层实体的PDU。5 开放系统互连参考模型“开放”指互通的系统能相互识别和支持可利用的一些标准，并不涉及互通的手段、方法、技术以及专用设备。由美国ISO组织制订的开放系统互连参考模型（OSI RM），目前已广泛作为各种类型计算机互通的共同准则，同时为国际电信联盟采用作为国际标准。 物 理 层 物 理 层数据链路层数据链路层 网 络 层 网 络 层 传 送 层 传 送 层 会 晤 层 会 晤 层 表 示 层 接口接口接口接口度微 u kou 口接口 物 理 层数据链路层 网 络 层接口接口接口接口接口接口 表 示 层 应 用 层 应 用 层 接口接口接口协议协议协议协议协议协议协议通信子网开放系统A开放系统B1234567互连物理媒体图1-5-12 开放系统互连七层模式示意图通信子网应用子网在OSI模型内把计算机网络在功能分为七层，每层都有特定的功能，同一系统层与层之间的关系由接口或下一层提供上一层的服务所规定，不同系统相同层之间的关系由协议或规程描述。功能分层的重要品质是详细地规定了相邻层间的接口，使每层都能独立开发而不改变其接口。例如用光纤网代替电缆网，只需改动有关的物理层，而不影响相关接口和其它层的服务。开放系统互连的七层模式示意图如图1-5-11所示。物理层：任何通信都必须通过一定的媒介或几种媒介的组合才能将信息传送到对端，从而可相互交流，所以OSI结构规定物理层为最低层，物理层只关心比特信息的传输而不涉及比特流中各比特之间的关系（包括信息格式及含义），对传输差错也不作任何控制。它的功能主要包括：信号电压的波动，比特的持续时间，以及有关建立、保留、拆除物理链路的机械、电气性能和操作规程。数据链路层： OSI的第二层，它是在物理层的基础上建立的。是通信双方有效、可靠、正确工作的基础。在这一层将用户数据形成一定的帧格式，实现传输差错监测，并提供必要的同步技术、差错控制、流量控制等传输控制功能，保证用户数据在物理链路上可靠的传输数据。常用的数据链路控制规程有两类。一是面向字符的传输控制规程，如基本型传输控制规程。另一类是面向比特的传输控制规程，如高级数据链路控制规程（HDLC）。网络层：位于数据链路的上面，也称通信子网层，用于控制通信子网的运行。路由选择，拥塞控制等面向网络的规程都集中在这一层。网络层为一对包括中间节点在内的运输实体之间提供一个与传输和交换技术无关的接续路径，负责接续任务的建立、保留和结束。 传送层：实现从发送端到接受端的数据传送控制，它在网络连接的基础上工作。一条传送连接通道可以建立在一条或多条网络连接通道上。传送连接提供端到端的纠正差错和流量控制等手段来保证运输可靠，使它的各上层实体不涉及在它们之间的数据运输问题。传送层是主机和网络的接口协议，它利用网络层服务，使用户进程和对端主机的用户进程建立运输连接。会晤层：用户与用户的逻辑上的联系（两个表示层进程的逻辑上的联系），如果忽略掉执行一定的数据转换功能的表示层，则会晤层是用户（应用进程）进网的接口。它与前面的几层一起提供分布式进程通信可靠的环境。会晤层的主要功能包括：1、确定当响应连接时的存取权，会晤层可最先检验存取控制数据和远端用户进程。2、监视运输连接，当失败时重新建立和提供同步点使用户进程处理运输连接。表示层：它有利于应用程序提供对结构数据的表示格式和管理有关的一套普通有用的功能。如字符集转换，对有剩余的字符流进行压缩和恢复，数据的加密与解密，实终端与虚终端之间的转换，从而提供标准化的应用程序接口和通用的通信服务，使在字符、格式等有差异的设备间相互通信，并提高通信效能，增强系统的保密性等。应用层：包括完成信息处理的各种应用进程，为应用进程访问网络环境提供工具，并提供它直接可用的全部OSI的服务。应用层的内容直接取决于各个用户，在特定的应用场合需制定相应的标准。OSI标准逐渐与ITU标准兼容，为大多数厂商及用户采用，它的优点是：u 与生产厂商无关：使用OSI 标准，可使不同的设备很简单的接入网内。u 与网络无关，当通信网络有变化时，只要修改低层协议，不影响用户使用。u 灵活，用户可按照通用的标准进入一些系统，真正体现了“开放”的概念。6 美国国防部数据通信协议（DOD标准）DOD标准的制订早于OSI协议，因而具体的分层各不相同。这一标准为IBM公司的SNA协议采用，所以在美国国内以及相应市场都在应用。由于INTERNET是有美国国防部的DARPA网首先建立的，因而INTERNET的通信规程也采用了DOD协议。TELNET用户TELNET服务器应用SMTPFTP本地邮件文件I/OTCP 主机-主机IP 网间层网络接入层终端I/O图1-5-13 DOD数据通信协议的概念性结构DOD协议以数据通信为基础，并设想有三种代理：进程、主机和网络。进程是通信基本实体，如报文传送操作，远程登录等，进程是在主机内执行的。主机支持多个同时发生的进程。各部主机连接在数据通信网上，网上的各部主机通过数据通信网交换数据，执行各个进程。所以通信网只需对各主机之间的交换数据选择路由，而由主机将有关数据导向有关进程。为此，DOD划分为四层协议（如图1-5-13），即： l 网络接入层l 网间层（采用IP协议）l 主机-主机层（采用TCP协议）l 进程层1、 网络接入层：涉及主机及其接入的通信网之间的数据交换，这层协议与使用的网络类型有关。如电路交换网（例如，X.21建议）、分组网（例如，X.25）、局域网（例如，IEEE802协议）等。主要是为连接同一网内的设备交换数据提供路由。2、 网间层：为连接在不同的网络内的主机提供交换数据的路由，需要有允许数据通过多个网络的操作规程。所以，这一套规程除驻留在主机内，还要驻留在连接不同网络的网关内。3、 主机-主机层：是与各种进程无关的，对交换数据提供可靠传输，为所有进程共享的可靠性措施，称为传输控制协议。4、 进程层：对各种不同的进程提供不同的协议。DOD协议与OSI协议的类似性如图。应用表示会话运输网络数据链路物理图 1-5-14 DOD与OSI协议的各层对应关系OSI DOD主机-主机进程Internet网络接入第三节 物理层规程一、 概述任何协议栈的最底层都是物理层。国际标准化组织和计算机工业部门已经制定了许多规程用于定义DCE（例如MODEM和数据服务单元DSU）和DTE（例如终端和计算机）之间的接口，使得不同厂家生产的设备能互相连接起来。物理层规程是在DTE和DCE之间用有线和无线信道实现的物理上的连接，它定义了描述物理接口四个方面的属性的协议：机械的、电气的、功能的、和规程的。机械特性描述连接器的尺寸、接口线的数量等。通常，数据线、信号线、控制线均在一个连接器中；电气特性描述电压（或电流）、电信号的定时和所有其他信号的特性（如分布电容值、信号上升时间等）；功能特性为特定电路指定功能。许多物理层规程将功能分为控制、定时、数据和接地等4类；规程特性交换数据是使用的规程。主要描述接口连接器做什么，以及在接口传输数据是时需要执行的事件顺序。著名的数据通信物理层接口包括EIA RS-232和RS-449。RS-449是RS-232的后继，它允许更长的电缆距离。CCITT公布的V系列物理层规程包括了DTE-DCE接口和DCE-DCE接口。其它的标准，如RS-232，只包括DTE-DCE接口。尽管RS-232没有说明DCE-DCE接口，但是许多制造商使用CCITTV系列建议的相关部分来描述物理层接口的这一部分。1DCE设备DCE（Data Communication Equipment）即数据电路终接设备。它通常指调制解调器（Modem）或其他类型的通信设备，DCE位于数据终端设备（DTE）和传输信息到另一个站点的线路之间，它提供了DTE和通信网络的互连，而且