三.--点-点数据链路.ppt

第3章点到点数据链路 3 1数据通信系统在数据通信网中 按一种链路协议的技术要求连接两个或多个数据站的电信设施 称为数据链路 简称数据链 数据链路 datalink 除了物理线路外 还必须有通信协议来控制这些数据的传输 若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上 就构成了数据链路 EIA 232接口 调制解调器 DTE A DTE B DCE A DCE B EIA 232接口 调制解调器 网络 拨号上网 两个DTE通过DCE进行通信的例子 DTE 数据终端设备 指的是位于用户网络接口用户端的设备 它能够作为信源 信宿或同时为二者 数据终端设备通过数据通信设备 例如 调制解调器 连接到一个数据网络上 并且通常使用数据通信设备产生的时钟信号 数据终端设备包括计算机 协议翻译器以及多路分解器等设备 DCE 数据通信设备或者数据电路终端设备 该设备和其与通信网络的连接构成了网络终端的用户网络接口 具有一定的数据处理能力和数据收发能力的设备 调制解调器和接口卡都是DCE设备的例子 数字通信系统的主要性能指标 衡量数字通信的质量指标 常用的有信息传输速率 频带利用率 误码率 信道的传输效率通常是以每秒所传输的信息量多少来衡量 信息传输速率是指每秒传送的信息量 信息量的度量单位是 比特 bit 一个二进制码元 一个 1 或一个 0 所含的信息量是一个 比特 所以信息传输速率的单位是比特 秒 bit s 1 信息传输速率 例如有一数字通信系统 它每秒传输600个二进制码元 它的信息传输速率是600比特 秒 600bit s 2 频带利用率 数字通信系统的效率不仅要看它们的信息传输速率 还要看传输这种信息所占的信道频带的宽度 通信系统所占用的频带愈宽 传输信息的能力应该愈大 所以真正用来衡量数字通信系统传输效率的有效性指标应当是单位频带内的传输速率 频带利用率可以表示为 3 误码率 在数字通信系统中 尤其是在信道中 存在噪声干扰 接收到的数字码元可能会发生错误 而使通信的可靠性受到影响 对于数字通信系统的可靠性指标主要用误码率PS来衡量 误码率的定义的接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例 误码率定义为接收端收到的错误码元数在发送端发出总码元数中所占的比例 用公式表示为 数字通信的特点 1 抗干扰能力强 无噪声积累 图1 3两类通信方式抗干扰性能比较 2 保密性能好 由于数字信号是将模拟信号变成 0 和 1 码 再经不同组合后才进行传输的 因而无法直接识别 具有固有的保密性 同时数字通信可以很容易地将复杂密码进行编码和解码 所以数字通信可以实现模拟通信无法达到的高质量保密性 3 便于组成现代化数字通信网 便于实现多媒体通信 由于各种信息 声音 图像 数据等 都可变换成统一的二进制数字信号 通过多路复用组合在一起 经同一信道传输而不互相干扰 故数字通信可以将各种业务和不同的终端用户组合在一个系统 形成综合业务数字网 ISDN IntegratedServicesDigitalNetwork 综合业务数字网 ISDN 能实现两重任务 一是各种通信业务的综合 二是数字传输与数字交换的综合 由于直接与计算机联网 所以大大提高了通信效率 4 占用信道频带宽 在模拟通信系统中 一路电话所占带宽为4kHz 当数字电话用PCM传输时 数码率为64kbit s 频带为64kHz 后者是前者的16倍 显然 它将使频带资源的利用率降低 一 电缆通信 二 光纤通信 三 卫星通信 四 移动通信 五 微波中继通信 3 2通信信道 3 2 1信道的分类 1 电缆通信 电缆通信是最早发展起来的一种通信方式 在光纤通信和移动通信发展之前 电话 电报 传真等用户终端与交换机的连接全靠市话中继电缆 电缆曾是长途通信和国际通信的主要手段 大平洋 大西洋均有大容量的越洋电缆 采用脉冲编码调制时分多路复用 在同轴电缆中的基带传输技术 使得数字电话容量可达6400路 但由于光纤通信的发展 长途通信已被光纤通信所取代 2 光纤通信 光纤通信具有容量大 成本低等优点 能抗电磁干扰 与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源 每芯光纤通话路数高达百万路 中继距离达到100km 光纤通信的主要发展方向是单模长波光纤通信 大容量数字传输技术和相干光通信 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展 我国已经不再敷设同轴电缆进行长途通信 新的工程将全部采用光纤通信新技术 3 卫星通信 我国自20世纪70年代起 开始将卫星通信用于国际通信业务 从1985年起开始国内卫星通信 目前已有多颗同步通信卫星与近200个国家和地区开通了国际卫星通信业务 卫星通信的特点是通信距离远 覆盖面积广 不受地理条件限制 且可以大容量传输 建设周期短 可靠性高等 卫星通信的发展趋势是采用数字调制和时分多址 向更高频段发展 采用多波束卫星和星上处理等新技术 地面系统的主要发展趋势是小型化 4 移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段 近10年来 在微电子技术和计算机技术的推动下 移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一个把有线 无线融为一体 固定 移动相互连通的全国规模 全球范围的通信系统 移动通信的发展方向是数字化 微型化和标准化 目前世界上存在多种不同的技术体制 互不兼容 因此标准化成为当务之急 数字化的关键是调制 纠错编码和话音编码方式的确定 微型化的目标是研制重量非常轻的多媒体个人携带手机 5 微波中继通信 微波中继通信始于20世纪60年代 它较一般电缆通信具有易架设 建设周期短等优点 它是目前通信的主要手段之一 主要用来传输长途电话和电视节目 微波通信的发展方向是采用数字通信方式 为了增加容量 提高频谱利用率 现已出现3256QAM17 1024QAM等超多电平调制的数字微波 在40MHz的标准频道间隔内可传送1920 7680路PCM数字电话 赶上和超过模拟微波通信容量 尽管微波通信受到光纤通信的严重挑战 但目前仍是长途通信的一个重要传输手段 3 2 2多路复用技术 复用 多个信息源共享一个公共信道为何要复用 线路成本 多路复用技术 多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理信道上进行传输 到接收端再用专门的设备将各路信号分离开来 这样使一条物理信道资源 被多路信号共享 多路复用技术包括 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 波分多路复用 WDM 码分多址 CDMA 频分多路复用 FDM 频分多路复用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 当传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需带宽的总和时 可以把多个信号调制在不同的载波频率上 从而在同一介质上实现同时传送多路信号 这就是频分多路复用 频分多路复用 续 时分多路复用 TDM 时分多路复用TDM TimeDivisionMultiplexing 当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时 可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用 每一路信号在自己的时间片内独占信道传输 这就是时分多路复用 时分多路复用可分为同步TDM和异步TDM 时分多路复用 续 时分多路复用TDM多用来传输数字信号 但并不局限于传输数字信号 有时也可以用来分时传输模拟信号 另外 对于模拟信号 有时可把TDM和FDM结合起来一起使用 比如第二代移动电话的GSM标准中 将一个传输系统的可用频带频分成许多子信道 每个子信道再利用时分多路复用来细分 时分多路复用 续 TDM多适用于数字信号传输 时分多路复用 续 统计 异步 TDM STDM TDM的缺点 某用户无数据发送 其他用户也不能占用该通道 将会造成带宽浪费 改进 使用统计时分多路复用 STDM 用户不固定占用某个通道 有空时间片就将数据放入 统计TDM 各数据之前要附有该路地址 以便接收方能分出各路信号 TDM和STDM的比较 时分多路复用 续 T1信道广泛用于北美和日本的电话系统中 每秒8000次采样 帧 一共24路信号 每路信号8位 含1比特控制 每帧还有1同步比特 数据传输率 193 8000 1 544Mbps 时分多路复用 续 E1信道用于北美和日本以外地区 包括中国 每秒8000次采样 帧 一共32路信号 其中2路作信令同步 每路信号8位 每帧还有1同步比特 速率为 8 32 8000 2 048Mbps 30路话音数据信道 2路控制信道 E1的时分复用帧 波分多路复用 WDM 目前一根单模光纤的传输速率可达到2 5Gb s 如能采用色散补偿技术解决光纤传输中的色散问题 指光脉冲中由于不同频率分量传输速率不同导致信号失真产生误码的现象 则一根单模光纤的传输速率可达到10Gb s 这已是当前单个光载波信号传输的极限值 波分多路复用 续 密集波分复用DensityWaveDivisionMultiplexing DWDM 在1 55微米波长区同时用4 8 16或n个波长 在一对光纤 少数系统采用单光纤 构成的光通信系统 由DWDM光纤系统组成的光纤网可迅速增加网络容量 还具有透明性 可传送语音 数据 图像等多媒体信息 由于多个光信道共用光放大器而显著降低了网络成本 在用DWDM系统构成的光网络中 可采用光线路保护技术 以提高可靠性与可用性 DWDM传输 常用在干线上传输 DWDM传输 续 前图中 8路2 5Gb s的光载波 波长1310nm 经光的调制后 分别将波长变换到1550 1557nm 经光复用器后在一根光纤中传输 传输总速率可达20Gb s 经一段距离传输后光信号衰减 使用掺铒光纤放大器EDFA放大 这种光放大器不需光电转换 能直接对光信号放大 两放大器间距120km 复用器分用器间无光电转换距离可600km 若光缆中有几十根这样的光纤 总数据率可达Tb s级 码分多址 CDMA 每个比特时间分成m个码片 每个站分配一个唯一的m比特码片序列 当某个站欲发送 1 时 它就在信道中发送它的码片序列 当欲发送 0 时 就发送它的码片序列的反码 满足条件 不同的码片序列之间是相互正交的 由于原始数字信号的频率被扩展 这种通信方式又叫做扩频通信 码片序列 每个站被指派一个唯一的m位码片序列 如发送比特1 则发送自己的m位码片序列如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码例如 S站的8位码片序列是00011011 发送比特1时 就发送序列00011011发送比特0时 就发送序列11100100为数学运算方便 将S站的码片序列表示成 1 1 1 1 1 1 1 1 设向量S表示站S的码片向量 T表示站T的码片向量 两个不同站的码片序列正交 必须向量S和T的归一化内积 innerproduct 为0 例如 设S 1 1 1 1 1 1 1 1 T 1 1 1 1 1 1 1 1 则 码片序列间要相互正交 CDMA接收 CDMA接收时 接收站从空中收到多站发送信号后的线性叠加码片序列的和 将其与某一发送站码片序列进行归一化内积运算 则可恢复出该站发送的数据 设接收站接收到的码片序列和为S 接收站要听码片序列为C的站发出的数据 并设站A发送1 站B发送0 站C发送1 则接收站计算C站发出的数据为 CDMA举例1 CDMA举例2 发送 CDMA举例2 接收 3 3数据通信的方式 1 串行与并行 并行 parallel 通信是指在多条并行的信道上同时进行传输 一次可以传输一组数据 如图3 1左图中4条并行的信道一次可以同时传4位数据 串行 serial 通信是指数据流在一条信道上一位接一位地顺序传输 如图3 1右图所示 2 单工 半双工 全双工 单工通信 simplex 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 半双工通信 halfduplex 通信的双方都可以发送信息 但不能双方同时发送 当然也就不能同时接收 全双工通信 fullduplex 通信的双方可以同时发送和接收信息 3 4物理层1 物理层 接口 的四大特性 物理层的功能是实现实体间的信息的按位传输 物理层建立在传输媒介的基础上 实现设备间的物理接口 物理层只是将信息做为一串二进制数 比特流 接收和发送 而不考虑信息的意义和结构 它描述了硬件接口的机械 电气 功能的规定 还定义电位的高低 变化的间隔 电缆和接头的类型等 物理层 接口 的四大特性 即 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸 引线数目和排列 固定和锁定装置等等 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 EIA 232接口 调制解调器 DTE A DTE B DCE A DCE B EIA 232接口 调制解调器 网络 拨号上网 两个DTE通过DCE进行通信的例子 3 EIA 232 COM 接口标准 接口特性机械特性 DB 25 标准 DB 9 常用 电气特性 1 5V 15V 0 接口速率 低速率 比特率 功能特性和过程特性DTE DataTerminalEquipment 是数据终端设备 是具有一定的数据处理能力和发送 接收数据能力的设备 DCE DataCommunicationEquipment 是数据通信设备 它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能 并且负责建立 保持和释放数据链路的连接 RS232接口是1970年由美国电子工业协会 EIA 联合贝尔系统 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准 它的全名是 数据终端设备 DTE 和数据通讯设备 DCE 之间串行二进制数据交换接口技术标准 该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定 还对各种信号的电平加以规定 随着设备的不断改进 出现了代替DB25的DB9接口 现在都把RS232接口叫做DB9 RS232 DB9 1DCD载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备好5SG信号地6DSR数据准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃提示 接口说明 RS232 DB25 1频蔽地线2TXD发送数据3RXD接收数据4RTS请求发送5CTS允许发送6DSR数据准备好7SG信号地8DCD载波检测9发送返回 10未定义11数据发送 12 17未定义18数据接收 19未定义20数据终端准备好DTR21未定义22振铃RI23 24未定义25接收返回 3 5数据链路层协议 数据链路层位于OSI模型的第二层 数据链路层的主要作用是把从网络层接收到的数据分割成可以被物理层传输的帧 数据链路层直接控制着网络层与物理层的通信 在OSI参考模型中 数据链路层介于物理层和网络层之间 它的基本功能是在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务 即在物理层提供物理连接和透明传输比特流的基础上 将物理层提供的不可靠的物理链路变成逻辑上无差错的数据链路 为网络层的分组 Packet 传输提供服务 数据链路层协议的任务和目的如下 1 链路管理 数据链路的建立 维持和终止 两个站之间帧传输的协调 这些都属于链路管理的范畴 2 帧同步 数据链路上传输的基本数据单元是帧 在传输过程中必须实现帧同步 以保证对帧中的各个字段的正确识别 3 信息流控制 接收站需要收到的帧加以存储 在这种情况下 帧流的传送速率必须控制在接收站允许的范围内 4 差错控制 对收到的帧进行校验 如果不符合要求 则要求发送站重发 5 定址 在多点数据链络中 帧必须能到达正确的接收站 6 同一数据链路上控制信号和数据信号的区别 接收站应当能够区别传输比特流中的控制信息和数据信息 尽管它们都是由数字脉冲信号所组成 与面向字符的链路控制规程相比 HDLC具有如下特点 1 传输的透明性 对于任何比特组合的数据均能传输 2 适应性 能适应各种不同类型的工作站和不同类型的链路 3 高效率 额外的开销比特少 允许高效的差错控制和信息流控制 4 高可靠性 能对传输中产生的错码进行差错检测和校正 当链路两端的结点进行通信时 必须首先建立一条数据链路 在数据传输时要维持数据链路 而在通信结束后要释放链路 数据链路的建立 维持和释放叫作数据链路管理 数据链路从结构和操作方式上被分为点 点式链路和多点式链路 其中点 点式链路又可以分为非平衡点 点式链路和平衡点 点式链路 数据链路层协议 数据链路层协议也称为链路控制规程或链路通信规程 数据链路层协议可以分为两大类 面向字符的链路控制规程和面向比特的链路控制规程 20世纪70年代初 IBM公司率先提出面向比特的同步数据链路控制规程SDLC SynchronousDataLinkControl 并被先后提交给ANSI和ISO 在SDLC的基础上 ANSI提出了高级数据通信控制规程ADCCP AdvercedDataCommunicationControlProcedure ISO提出了高级数据链路控制协议HDLC High levelDataLinkControl 并成为国际标准 HDLC链路结构和操作方式 HDLC定义了三种类型的站 两种链路配置和三种数据传输方式 三种类型站为 主站 对链路进行控制 发出命令帧 次站 在主站控制下进行操作 发出响应帧 复合站 具有主站和次站的双重功能 即可发出命令帧也可发出响应帧 HDLC链路结构和操作方式 HDLC定义了三种类型的站 两种链路配置和三种数据传输方式 两种链路配置是 非平衡配置 适于点 点和多点链路 由一个主站和一个或多个次站组成 支持全双工或半双工传输 平衡配置 仅用于点 点链路 这种配置由两个复合站组成 支持全双工或半双工 HDLC链路结构和操作方式 三种数据传输方式 正常响应方式 NormalResponseMode NRM 适用于非平衡配置 只有主站能启动数据传输过程 次站收到主站的询问命令时才能发送数据 异步平衡方式 AsynchronousBalancedMode ABM 适用于平衡配置 任何一个复合站都无需取得另一个复合站的允许就可以启动数据传输 异步响应方式 AsynchronousResponseMode ARM 适用于非平衡配置 次站无需取得主站的明确指示就可以启动数据传输 但仍需要主站对线路进行管理 链路结构 HDLC的帧结构 帧标志FHDLC用一种特殊的位模式01111110作为标志以确定帧的边界 由于帧中间出现位模式01111110时也会被当作标志 从而破坏了帧的同步 所以要使用比特填充技术 以实现透明的数据传输 比特填充法 用一组特定的比特组合 如HDLC中为01111110 标志一帧的起始与终止 为了不使数据信息中出现与特定的比特组合相同的比特串 可以在数据信息位中填充某一比特位 使两者不致混淆 从而实现数据的透明性 比特填充法很容易由硬件来实现 其性能也优于字符填充法 HDLC的帧结构 地址字段A用于标识从站的地址 用在点对多点链路中 地址通常是8位长 也可以采用更长的扩展地址 是8位组的整数倍 8位组的第一位指示是否是地址字段的结尾 其余7位组成了扩展地址字段 全为1的8位组 11111111 表示广播地址 HDLC的帧结构 HDLC定义了三种帧 可根据控制字段的格式区分 信息帧 I帧 管理帧 S帧 无编号帧 U帧 HDLC的帧结构 信息字段INFO只有I帧和某些无编号帧含有信息字段 这个字段可含有表示用户数据的任何比特序列 其长度没有规定 但具体的实现往往限定了最大帧长 帧校验序列FCSFCS中含有除标志字段之外的所有其他字段的校验和 通常使用16位的CRC CCITT标准产生校验序列 有时也使用CRC 32产生32位的校验序列 循环冗余编码方法 除数P 尾部加0 R x 0R x 0 f x 举例 HDLC的帧类型 信息帧信息帧用来承载用户数据外还包含帧的编号N S 以及捎带的肯定应答序号N R I帧包含一个P F位 在主站发出的命令帧中这一位表示P 即询问 Polling 在次站发出的响应帧中这一位是F位 即终止位 Final HDLC的帧类型 管理帧 S帧 管理帧用于进行流量和差错控制 当没有足够多的信息帧捎带管理命令 响应时 要发送专门的S帧实现控制 有4