第2章点对点通信14

第2章点对点通信14第一页，共80页。1点到点通信的基本问题2物理接口的内容与常用标准3帧同步与流量控制4差错控制技术5HDLC规程与PPP协议

【本章要点】2第二页，共80页。【本章目标】要求掌握点到点通信系统模型、物理接口

内容、帧同步的方法、速度匹配规程、差错控制技术、HDLC、PPP协议。

3第三页，共80页。2.1通信系统模型2.1.1通信系统模型2.1.2数字信号的编码方法2.1.3信道的最大数据速率2.1.4物理传输媒体与带宽2.1.5传输技术

4第四页，共80页。2.1.1通信系统模型点到点通信系统模型

5第五页，共80页。2.1.2信号模拟信号–-随时间连续变化的物理量数字信号--随时间离散变化（跳变）的物理量

6第六页，共80页。2.1.3数字编码技术7第七页，共80页。2.1.4数字调制技术8第八页，共80页。根据载波信号要素的改变方式，数字数据的调制主要分为下面4种：幅移键控、频移键控、相移键控、正交调幅。（见P26-27)（1）幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）（2）频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）（3）相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）（4）正交调幅（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）2.1.4数字调制技术9第九页，共80页。问题：计算机系统通过MODEM传输信号的工作过程？10第十页，共80页。2.1.5传输介质--------传输物理通路1．有线介质（1）双绞线RJ-11(2芯)--电话；RJ-45(8芯)-网络（2）同轴电缆RG-8,

RG-58:50Ω基带(数字）;RG-59:75Ω宽带（模拟）（CATV)..（3）光纤–利用光脉冲（有-1；没有-0）2．无线介质（P30-31)（1）无线电短波通信（2）地面微波接力通信（3）红外线和激光（4）卫星通信11第十一页，共80页。2.1.6数据传输1.数据传输类型（1）基带传输（数字）和宽带传输（模拟）（2）并行传输（多线）和串行传输（单线）2．数据通信的同步技术（1）异步传输模式（单字符起止位同步）（2）同步传输模式（数据块-多字符SYN同步）3．数据传输方式（1）单工通信（2）半双工通信（3）全双工通信12第十二页，共80页。4．数据传输质量指标

衡量传输质量的指标有两个：

有效性可靠性

有效性是指在一定条件下，单位时间内所传输的信息量越多越好，即传输效率要高。

可靠性是指数据信息传输的可靠程度。

13第十三页，共80页。5.信道的最大数据速率

奈奎斯特公式给出了无热噪声（热噪声是指由于信道中分子热运动引起的噪声，这里假定没有热噪声）时信道带宽对最大数据速率的限制，具体为：

C=2Hlog2L（b/s）H是信道的带宽（以Hz为单位），而L表示任何给定时刻数字信号可能取的离散值的个数。C则是该信道最大的数据速率。例如，若某信道带宽为4kHz，任何时刻数字信号可取0、1、2和3四种电平之一（即L＝4），则最大数据速率为：C=2*4000*log24=16000（b/s）。香农公式进一步研究了受噪声（服从高斯分布）干扰的信道的情况：C=Hlog2(1+S/N)

（b/s）

S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比。由于实际使用的信道，信噪比都要足够大，常用10log10（S/N）以及分贝（Decibel，记为dB）为单位来计量，在使用上述公式时要特别注意。例如，信噪比为30dB、带宽为4000Hz的信道最大的数据速率为：C=4000log2(1+1030/10)=4000*log21001=40000（b/s）。

14第十四页，共80页。2.1.7多路复用技术1．频分多路复用15第十五页，共80页。2.时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）将多路信号按一定的时间间隔相间传送，以在一条传输线上实现“同时”传送多路信号。16第十六页，共80页。3.波分多路复用波分多路复用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。17第十七页，共80页。4.码分多路复用（CodingDivisionMultiplexingAccess，CDMA）18第十八页，共80页。2.2物理层接口2.2.1物理接口的内容

2.2.2CCITTX·21（略见P39）2.2.3USB（略见P39-40）2.2.4RJ45

19第十九页，共80页。2.2.1物理接口的内容

物理接口—通信实体与传输介质的硬件连接接口主要有四大部分(RS-232COM1COM2)：（1）功能特性：接口电路的名称和功能定义；（2）电气特性：接口电路的信号源侧和负载侧的电压值、阻抗值和等效电路等；（3）规程特性：接口电路间的相互关系、动作条件等；（4）机械特性：接口所用接线器的形状、尺寸和引线分配等

20第二十页，共80页。2.2.4RJ45

定义(DTE/DCE)21第二十一页，共80页。颜色标志RJ45型T568A线序网线插头各脚与网线颜色标志的对应关系依次是：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙

，棕白，棕。而右图T568B线序依次是：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕。

22第二十二页，共80页。T568AT568A线序这种接法用于网络设备需要交叉互连的场合，所谓交叉是指网线的一端和另一端与RJ45网线插头的接法不同，一端按T568A线序接，另一端按T568B线序接，即有几根网线在另一端是先做了交叉才接到RJ45插头上去的，适用的具体场合有：（1）计算机与计算机连接，称对等网连接，即两台电脑之间只通过一条网线连接就可以互相传递数据；（2）集线器与集线器连接；（3）交换机与交换机连接。

23第二十三页，共80页。T568BT568B线序应用于两种场合，一是直连线互连（也称直通线，平行线），网线的两端均按T568B接。例如，PC与ADSLMODEM的连接；ADSLMODEM与ADSL路由器的WAN口的连接，PC与ADSL路由器的LAN口的连接；PC与集线器或交换机的连接。另一种是交叉互连（交叉线）网线的一端按T568B接，另一端按T568A接。

24第二十四页，共80页。2.3帧同步与流量控制

2.3.1信息包和帧的概念

2.3.2帧同步

2.3.3速度匹配（流控制）规程

2.3.3流量控制2.3.4链路管理

25第二十五页，共80页。2.3.1信息包和帧的概念

在进行报文传送时，要对较长的报文分成多个段，在每段上要加上一定的报头信息，指明该段的源地和目的地，它是属于那个报文，是该报文的第几段，是否是报文的首段或最后一段等，这样的报文段称为报文包或报文分组（packet），它是在计算机间进行通信传送的最小传送单位。在计算机间传送这些包时，为了进行差错控制，还要加上一层“封皮”这就构成帧（Frame），这层封皮分头尾两部分，并把包的内容放在中间，当一个帧从源点传送到目的点时，则帧的头尾被拆除，将包中的内容按报文段编号顺序组成原来的报文送交接收计算机进行处理。

26第二十六页，共80页。2.3.2帧同步

帧同步指的是接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止。

常用的帧同步方法有：.使用字符填充的首尾定界符法（转义字符DLE).使用比特填充的首尾标志法("0"插入技术--帧标志“01111110”）.违例编码法（违例编码--帧头、尾；高、低电平4种组合）.字节计数法(特殊字段加字节数）27第二十七页，共80页。2.3.3流量控制规程（l）目的设备向源设备发出其已准备就绪等待接收的信号。（2）源设备收到目的设备已准备就绪的信号后就可按预定速率向目的设备连续发送字符。（3）当目的设备感觉到已应付不了所接收到的字符时，就向源设备发出尚未准备就绪的信号。（4）源设备收到目的设备的尚未就绪信号后，立即停止向目的设备发送字符。（5）当目的设备感觉到有能力继续接收字符时，就又向源设备发出其已准备就绪的信号。（6）源设备收到目的设备的准备就绪信号后，又继续按规定速率向目的设备发送字符。

28第二十八页，共80页。2.3.4速度匹配控制技术速度匹配控制技术主要有三种:（1）XON／XOFF控制字符方法（缓冲器控制)。（2）ETX／ACK控制字符方法(数据块确认）。（3）反向通道信号方法（有一根专线）。这三种速度匹配控制技术，按照使用的普遍程度的顺序列表：XON／XOFF方法是最普遍的，而反向通道技术是使用得最不普遍的

29第二十九页，共80页。2.4差错控制技术1．差错概念--发接不一致2．差错控制的基本方法（1）“回声”法（2）“表决”法（3）ARQ(AutomaticRepeatreQuest)方法根据发送方发送报文方式的不同，ARQ协议可以分为：停等ARQ协议（Stop-and-WaitARQ）、后退N帧ARQ协议（Go-backNARQ）、选择性重传ARQ协议（SelectiveRepeatARQ）。（4）FEC(ForwardErrorCorrection)方法（5）HEC(HybridErrorCorrection)方法30第三十页，共80页。3．差错控制编码差错控制编码方法:（1）奇偶校验（2）方块校验（3）循环冗余校验（4）海明码31第三十一页，共80页。2.5.1数据链路层协议的分类

2.5.2HDLC规程

2.5.3PPP

2.5数据链路层协议

32第三十二页，共80页。2.5.1据链路层协议的分类数据链路层协议可分为两类:

异步协议--字符起始同步同步协议两类。--字符块时钟同步33第三十三页，共80页。

X.25的第二层采用ISO的HDLC中规定的术语及可选部分一个子集，并且有自己的特色。HDLC规程的内容:规程类型、帧结构和规程要素。

HDLC规程类型

HDLC规程类型规定了多种数据链路的结构及操作方式。可分为各种子集，它们与站点类型、链路结构和响应模式有关。

2.5.2HDLC规程34第三十四页，共80页。站类型--主站/次站/复合站主站的主要功能是启动数据链路，控制来自各次站以及到各次站的数据流，克服无法由重发解决的系统差错，当需要时在逻辑上拆除次站的连接。次站是服从于主站的，一般讲它是被动的，功能也较少，价格较主站便宜。复合站具有主站和次站二者的功能，也称组合站。35第三十五页，共80页。HDLC数据链路结构—三种(1)不平衡型结构有一个主站和一个或多个次站接至一条链路。(2)对称型结构实际上是两个独立点对点不平衡结构在一条链路上合并而成，在数据链路的每一端都有两个分开的主站和次站。(3)平衡型结构由两个复合站点对点连结构成。36第三十六页，共80页。HDLC操作方式---主站与次站间的关系用操作方式描述

HDLC有三种操作方式:正常响应方式（NRM）--主站轮询次站-发异步响应方式（ARM）--次站被轮询-发异步平衡方式（ABM）--复合站-同等发37第三十七页，共80页。操作方式(续)正常响应方式适用于点对点与多点场合，特别是多点场合。--当次站被主站轮询后次站才能发送，次站传输结束或发送顺序号达到最大值时，在这最后帧上的P/F比特置“1”，以表示传输结束或要求再次轮询。38第三十八页，共80页。操作方式(续)异步响应方式允许次站未被轮询就可发送信息.--通常它用于有一个主站和一个次站的点对点场合。--它也可用于多点情况，即有一个主站及多个次站场合，但工作时只允许一个次站接上线路，而其它次站暂处于离线状态，以免影响正常工作的进行。39第三十九页，共80页。操作方式(续)异步平衡方式提供通信双方有同等数据传送能力，每一方都为主／次站复合体，即复合站，任何一方无须征得对方允许（在链路已建立后）便可开始传送数据，并且都具有对数据链路的控制能力。它只适用于点对点情况，特别是计算机-计算机情况40第四十页，共80页。HDLC规程类型-三种由三种操作模式NRM、ARM、ABM定义三种应的规程类型:非平衡正常类型（UNC）非平衡异步类型（UAC）平衡异步类型（BAC，也称异步平衡类型）。定义规程类型的目的是组织和指导HDLC的应用。41第四十一页，共80页。

HDLC是一种面向位的通信控制规程。HDLC的帧格式如图所示，规定了帧标志（F）、地址（A）、控制（C）、信息（I）、帧校验序列（FCS）等5个字段。P52

HDLC的帧格式0比特插入删除技术HDLC帧结构42第四十二页，共80页。

HDLC规程要素

规程要素，规定不同格式帧的命令和相应的响应及其含义。HDLC规定了三种类型的帧(I/S/U)每类帧又包含若干命令和响应，它们分别由帧内的控制字段的不同编码来区分。下表列出了各种类型的帧及其各种命令和对这些命令的响应。P52-53

43第四十三页，共80页。

帧命令及其响应与控制字段

44第四十四页，共80页。

HDLC通信过程可分为链路建立、信息传送、链路复位和链路拆除四个阶段。链路复位只出现在故障处理过程，一般通信过程只有三个阶段。

HDLC通信过程45第四十五页，共80页。HDLC按停等协议方式工作的流程示意图接收方0→期待帧号（期待帧号+1）MOD8→期待帧号恢复报文送接口等待校验和检查收到帧的Seq=期待帧号确认帧号Ack=Seq(返回)不对对对不对数据帧到达0→发送帧号从接口取报文装配帧(seq=发送帧号)发送,并置计时器等待(发送帧号+1)MOD8=确认帧号（发送帧号+1）MOD8→发送帧号发送方对不对计时器超时发送数据帧ISeq发送确认帧RRSeq46第四十六页，共80页。停止等待协议的工作原理图示47第四十七页，共80页。停等协议方式（续）停等协议的最大缺点是由于发送方要停下来等待Ack返回后再继续发送而造成信道的浪费。设信道容量是Bbps，帧长度为Lbits，信号在信道中的往返传播延迟时间（propagationdelay）是2R，并假定返回的Ack帧长为H,发送的时间是H/B。在一个周期中实际用于发送的时间是(L-H)/B。而空等待的时间是2R。因此，信道的实际有效利用率只有

停等协议的信道利用率#

48第四十八页，共80页。实际上，若由于信道差错而收不到Ack而造成超时重传以及有效传送的数据必须加上帧头（包括用于校验的冗余位）构成帧来发送，它们也都会造成信道有效利用率的损失。B为信道容量（b/s） R为单程传播延迟时间（s） L为数据帧长度（bits） 并设 D为帧内有效数据的长度（bits） H为帧头的长度（bits） 显然有，L=H+D。 另外，可以认为Ack帧不含有用户数据，故其长度亦为H。又令 T表示等待Ack的超时间隔时间（s） P1和P2分别表示数据帧和Ack帧出错或丢失的概率 则每个数据帧不能正确发送和收到确认ACK的概率为最终发送成功的所需的平均发送次数：或者说，平均重传次数为：

49第四十九页，共80页。在时间内，真正用来发送有效用户数据的时间仅为D/B，即信道有效利用率为信道利用率的分析超时间隔T必须取得足够大，即T≥H/B+2R，才能使得在发送成功时不会由于太早超时而误重传。为了使U达到最大，可取T=H/B+2R。此时有50第五十页，共80页。停等协议的捎带确认51第五十一页，共80页。顺序接收的管道协议使用管道协议：要提高信道的有效利用率，就要允许发送方不等确认帧返回就再连续发送若干帧由于允许连续发出多个未被确认的帧，帧号就不能仅采用一位（只有0和1两种帧号），而要采用多位帧号才能区分凡是被发送出去尚未被确认的帧都可能出错或丢失而要求重发，因而都要保留下来。这就要求发送方有较大的发送缓冲区保留准备重发的帧52第五十二页，共80页。顺序接收的管道协议（续）“回退n”（gobackn）53第五十三页，共80页。顺序接收的管道协议（续）发送窗口为了控制发送方的发送速度以及受发送缓冲区大小的制约等因素都要求对发送方已发出但尚未经确认的数目帧的加以限制，这个数目就是“发送窗口”落在这个窗口内的帧号就是等待接收返回的Ack信息的帧号。由于帧号只有有限的位数，到一定时间后就又反复循环了接收窗口窗口的滑动54第五十四页，共80页。顺序接收的管道协议（续）滑动窗口（slidingwindow）协议若帧号取3位（即000~111，或0号到7号），发送窗口取值为2，则发送的过程图中发送方阴影所示代表了发送窗口，而接收方阴影所示则可相应地被视为接收窗口。在进行的过程中，窗口位置一直在滑动（停等协议可以看成是发送窗口等于1的滑动窗口协议的特例）55第五十五页，共80页。选择重传协议回退n的缺陷：允许已发送未被确认的帧越多，可能要退回来重发的帧也越多选择重传（selectiverepeat）的工作原理：

56第五十六页，共80页。选择重传协议（续）选择重传协议的优点：在某帧出错时减少了后面所有帧都要重传的浪费但接收方要有一个足够大的缓冲区来暂存未按顺序正确接收到的帧可以用滑动窗口的观点来统一看待停等、回退n和选择重传这三种协议，其差别仅在其窗口的大小窗口大小的值由协议类型、帧号位数、往返延迟、信道速率、帧长决定。57第五十七页，共80页。PPP（Point-to-PointProtocol点到点协议）是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。关于PPP58第五十八页，共80页。PPP协议包含几个部分:链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）负责创建，维护或终止一次物理连接；网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）；负责解决物理连接上运行什么网络协议，以及解决上层网络协议发生的问题。认证协议，最常用的包括口令验证协议PAP（PasswordAuthenticationProtocol）和挑战握手验证协议CHAP（Challenge-HandshakeAuthenticationProtocol）。59第五十九页，共80页。链路控制协议LCP为了在一个很宽广的环境内能足够方便的使用，PPP提供了LCP。LCP用于就封装格式选项自动的达成一致，处理数据包大小的变化，探测looped-back链路和其他普通的配置错误，以及终止链路。提供的其他可选设备有：对链路中同等单元标识的认证，和当链路功能正常或链路失败时的决定。60第六十页，共80页。网络控制协议NCP点对点连接可能和当前的一族网络协议产生许多问题。例如，基于电路交换的点对点连接（比如拨号模式服务），分配和管理IP地址，即使在LAN环境中，也非常困难。这些问题由一族网络控制协议（NCP）来处理，每一个协议管理着各自的网络层协议的特殊需求。61第六十一页，共80页。PPP的帧格式----与HDLC帧格式很相似

标志字段为7E（），地址字段为FF（），控制字段为03（）。这三个字段是固定不变的，所有PPP帧都应以07EFF03开始。协议字段占两个字节，当协议字段为0021时，PPP帧的信息就是IP数据报。若为C021，则信息字段是PPP链路控制数据。而8021表示这是网络控制数据。帧校验序列FCS与HDLC的相同。由于PPP不是面向比特的，因此帧的长度应为整数个字节。62第六十二页，共80页。协议字段值Value(inhex)ProtocolName

0001PaddingProtocol填料协议

c021LCP链路控制协议

c023PAP密码认证协议

c025LinkQualityReport链路品质报告

c223挑战-认证握手协议

新的协议的开发者必须从theInternetAssignedNumbersAuthority(IANA),。63第六十三页，共80页。信息字段信息字段是0或更多的字节。对于在协议字段里指定的协议，信息字段包含数据报。信息字段的最大长度，包含填料但不包含协议字段，术语叫做最大接收单元（MRU），默认值是1500字节。若经过协商同意，也可以使用其它的值作为MRU。64第六十四页，共80页。PPP的工作过程可通过PPP状态图来描述：

65第六十五页，共80页。（1）Dead:连接静止阶段（物理层未准备好）一个连接的开始和结束都要经历此阶段。当一个外部事件（例如检测到载波或网络管理人员配置）指示物理层已准备好并可以使用时，ＰＰＰ将进入建立连接阶段。在此阶段，ＬＣＰ协议自动机（后面将提到）处在初始或正在开始状态。当进入到建立连接阶段后会引发ＵＰ事件通知ＬＣＰ协议自动机。

66第六十六页，共80页。（2）建立连接阶段LCP负责创建链路。在这个阶段，将对基本的通讯方式进行选择。链路两端设备通过LCP向对方发送配置信息报文（ConfigurePackets）。一旦一个配置成功信息包（Configure-Ackpacket）被发送且被接收，就完成了交换，进入了LCP开启状态。

所有的配置选项都被假定为缺省值，除非在配置交互的过程中改变。67第六十七页，共80页。（3）认证阶段(鉴别阶段)

在某些连接时，在允许网络层协议数据包交换之前希望对对等实体进行认证。缺省时，认证不是必要的。如果应用时希望对等实体使用某些认证协议进行认证，这种要求必须在建立连接阶段提出。认证阶段应该紧接在建立连接阶段后。然而，可能有连接质量的决定并行出现。应用时绝对不允许连接质量决定数据包的交换使认证有不确定的延迟。认证阶段后的网络层协议阶段必须等到认证结束后才能开始。68第六十八页，共80页。（4）网络层协议阶段一旦ＰＰＰ完成了上述阶段，每一个网络层协议必须单独的由相应的网络控制协议（ＮＣＰ）配置。每一个网络控制协议可以随时打开或关闭。认证阶段完成之后，PPP将调用在链路创建阶段（阶段1）选定的各种网络控制协议（NCP）,例如ＩＰ、ＩＰＸ。选定的NCP解决PPP链路之上的高层协议问题，例如，在该阶段IP控制协议（IPCP）可以向拨入用户分配动态地址。

69第六十九页，共80页。（5）终止连接阶段PＰＰ连接可以随时终止。原因可能是载波丢失、认证失败、连接质量失败、超时计数器溢出，或者网络管理员关闭连接。

ＬＣＰ通过交换连接终止包来终止连接。当连接正在被终止的时候，ＰＰＰ会通知网络层以便它采取相应的动作。70第七十页，共80页。3、认证方式（1）口令验证协议（PAP）PAP是一种简单的明文验证方式。NAS（网络接入服务器，NetworkAccessServer）要求用户提供用户名和口令，PAP以明文方式返回用户信息。很明显，这种验证方式的安全性较差，第三方可以很容易的获取被传送的用户名和口令，并利用这些信息与NAS建立连接获取NAS提供的所有资源。所以，