《现场总线技术及应用》课件协议模型

第四节通信系统的协议模型协议：为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。在计算机之间进行通信时，为了使数据准确地送达，必须要有一个通信协议。在计算机网络中，协议模型是一种层次模型，即协议都是分层的。例：邮政系统的分层模型。

在这其中，写信人和收信人都是最终用户，处于最高层；邮局处于用户的下一层，是为用户服务的，对于用户而言，他只需知道如何按邮局的约定把信写好寄出去就得了，而无需知道邮局为他服务的，这个过程对用户是透明的；运输部门是为邮局服务的，并且负责实际的邮件的运送，处于邮政系统的最底层。OSI参考模型网络世界的法律!OSI参考模型：OpenSystemInterconnect开放系

统互连参考模型OSI参考模型是由ISO（国际标准化组织）定义的5.会话层6.表示层7.应用层4.传输层2.数据链路层3.网络层1.物理层4.传输层2.数据链路层3.网络层1.物理层5.会话层6.表示层7.应用层OSIReferenceModels数据网络设备传输数据的过程是按照OSI参考模型来运动的

从下面看到，网络中的数据不是从一台主机的第N层直接传送到另一台主机的第N层，而是每一层都把数据交给它的下一层，直到最底层，再将数据传送到对方的最底层，再一层层的往上送至第N层。网络中不同计算机中同一层的规则称为协议，同一计算机的不同功能层的通信规则称为接口。

层次结构模型中数据的实际传送过程如图，图中发送进程送给接收进程的数据，实际上是经过发送方各层从上到下传递到物理媒体；通过物理媒体传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。在发送方从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，即图中和H7、H6、...、H1，统称为报头。到最底层成为由“0”或“1”组成的数据比特流，然后再转换为电信号在物理媒体上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息。4.传输层2.数据链路层3.网络层1.物理层5.会话层6.表示层7.应用层面向用户应用面向数据传输OSI参考模型OSI模型每层都有自己的功能集层与层之间相互独立又相互依靠上层依赖于下层，下层为上层提供服务一、物理层物理层是OSI模型的最低层，其任务是为它的上一层提供一个传输数据的物理连接，主要作用是负责二进制信号在物理线路上的传输。物理层的传输单位是比特。物理层协议最关心的典型问题是：用多少伏电压表示“0”，多少伏电压表示“1”；一个比特持续多少微秒（传输数率）；数据传输是否可同时在两个方向上进行；最初的连接如何建立和完成后通信后连接如何终止；线路配置（设备与媒体的连接即物理接插件有多少针以及各针的功能）。

大多数物理层协议使用的模型是DTE/DCE模型，通常所说的数据通信，实际上DTE与DCE间的通信。DCE把DTE传送过来的数据变换为适合网络传输的信号，或反过来，将DCE接收到的网络传输信号变换为DTE数据。

这里的DTE(DateTerminalEquipment)指的是数据终端设备，是对属于用户所有的连网设备或工作站的统称，它们是通信的信源或信宿，如计算机、终端等；DCE(DateCommunicationsEquipment)，指的是数据通信设备，是对为用户提供入接点的网络设备的统称，如自动呼叫应答设备、调制解调器等。常用的DTE/DCE接口有RS-232C、RS-422A、RS-485

RS-232C接口是一种最常用的串行通信接口，下图给出了两台远程计算机通过电话网相连的结构图，RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网没有直接的关系。RS-232C标准接口也可以下图所示用于直接连接两台近地设备，此时既不使用电话网也不使用调制解调器。RS-232C的远程连接和近地连接

RS-232C的机械特性

规定使用一个25芯的标准连接器（DB-25），并对该连接器的尺寸及针或孔芯的排列位置等都做了详细说明。

RS-232C的功能特性定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根线做备用或末定义。其中最常用的10根信号的功能特性。表3.2

RS-232C功能特性引脚号信号线功能说明信号线型连接方向1

2

3

4

5

6

7

8

20

22AA

BA

BB

CA

CB

BB

AB

CF

CD

CE保护地线(GND)

发送数据(TD)

接收数据(RD)

请求发送(RTS)

清除发送(CTS)

数据设备就绪(DSR)

信号地线(Sig.GND)

载波检测(CD)

数据终端就绪(DTR)

振铃指示(RI)地线

数据线

数据线

控制线

控制线

控制线

地线

控制线

控制线

控制线

→DCE

→DTE

→DCE

→DTE

→DTE

→DTE

→DCE

→DTE

一些生产厂家为RS-232C标准的机械特性做了变通的简化，使用了一个9芯标准连接器将不常用的信号线舍弃(1芯的保护地线不用)。RS-232C的连接图

1

2

3

4

5

6

7

8

20

22RS-232C的DTE-DCE连接

RS-232C的DTE-DTE连接

RS-232C的电气特性

规定逻辑“1”的电平为-15至-5伏，逻辑“0”的电平为+5至+15伏，也即RS-232C采用+15伏和-15伏的负逻辑电平，+5伏和-5伏之间为过渡区域不做定义。二、数据链路层数据链路的建立和拆除，包括同步、地址确认、收发关系的确定、最后一次传输的表示；数据传输，包括数据格式、数量、序号、接收确认、数据流量调节方案等；差错控制，包括检查和纠正位出错、帧丢失、帧重复和帧乱序的方法；异常情况处理，包括异常情况的检测和处理，如永久故障的发现和恢复，无法修复时的上报机制等。数据链路层的主要功能：数据源地址帧检测序列类型目的地址可变2664XXXXXXXXXXXX由厂商分配给设备由IEEE分配给厂商(如:锐捷网络00-D0-F8)前导位MAC地址8单位:字节

EthernetII的帧格式三、网络层路由选择(通信子网为网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送的路径，这就是路由选择)

网络流量控制（对网络中信息通信量加以一定的控制，以防因通信量过大造成通信网络性能下降）网络层的主要任务逻辑地址路由选择四、传输层OSI七层模型中的物理层、数据链路层和网络层是面向网络通信的低三层协议，传输层负责端到端的通信，既是七层模型中负责数据通信的最高层，又与上面三层为用户提供各种服务。传输层的主要功能

运输层是OSI七层模型中最重要、最关键的一层，是唯一负责总体数据传输和控制的一层。运输层的两个主要目的是：第一，提供可靠的端到端的通信；第二，向会话层提供独立于网络的运输服务。世界上各种通信子网在性能上存在着很大差异。例如电话交换网、分组交换网、公用数据交换网、局域网等通信子网都可互联，但它们提供的吞量、传输速率、数据延迟通信费用各不相同。对于会话层来说，却要求有一性能恒定的界面。传输层就承担了这一功能。五、会话层会话层的作用主要是建立、维护、管理应用程序之间的会话。会话层的责任主要有：对话控制同步六、表示层表示层的功能数据的解码和编码数据的加密和解密数据的压缩和解压缩

表示层是各节点应用程序、文件传输的翻译官。

七、应用层应用层的作用主要是为应用程序提供接口，从而使得应用程序能够使用网络服务。常见的应用层协议http、ftp、smtp、pop3、telnet、dns等允许接入网络资源应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层建立、管理和终止会话将分组从源端传送到目的端；提供网络互联在媒体上传输比特；提供机械的和电气的规约对数据进行转换、加密和压缩提供可靠的进程到进程的报文传输和差错恢复将比特组装成帧；提供节点到节点方式的传输各层间的联系应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层互联网络层网络接口层TCP/IP协议

传输控制协议/互连网协议TCP/IP是一个使用非常普遍的网络互连标准协议。TCP/IP协议是美国的国防部高级计划研究局开发的。目前，众多的网络产品厂家都支持TCP/IP协议，TCP/IP已成为一个事实上的工业标准。

TCP/IP中的协议TCP协议TCP---传输控制协议TCP属于面向连接的协议TCP可以提供可靠的、有序的端到端之间的传输，并且进行流量控制源端口号

(16比特)目的端口号(16比特)顺序号(32比特)应答号

(32比特)窗口大小

(16比特)校验和(16比特)其它TCP控制信息（如SYN,ACK等）数据20网络位主机位1010110000010000

0111101011001100

172

16

122

204128

64

32

16

8

4

2

1

IP协议IP协议是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议，这个协议的一个重要构成就是IP地址。IP地址属于网络层地址，用于标识网络中的节点设备。IP地址由32bit构成，每8bit一组，共占用4个字节。为了方便人们的使用，IP地址经常被写成十进制的形式，中间使用符号“.”分开不同的字节。IP地址由两部分组成，网络号和主机号，网络号的位数直接决定了可以分配的网络数，主机号的位数则决定了网络中最大的主机数。IP地址的分类A类:B类:C类:D类: 多播组编号E类:用于实验NetworkHostHostHostNetworkNetworkHostHostNetworkNetworkNetworkHost8比特8比特8比特8比特1A类:0NNNNNNNHostHostHost891617242532(1-126)1B类:10NNNNNNNetworkHostHost891617242532(128-191)1C类:110NNNNNNetworkNetworkHost891617242532(192-223)1D类:1110MMMM多播组多播组多播组891617242532(224-239)IP地址的分类A类:至55B类:至55C类:至55私有地址(RFC1918)子网掩码子网掩码用于区分一个IP地址的网络位和主机