现场总线-工业通信与网络技术 教案 第7讲-通信基础3

工业通信与网络技术教案第1页课程题目第7讲现场总线通信基础（3）数据链路的差错控制、流量控制和高级数据链路控制（HDLC）课时2学时教学目的：1．了解数据帧传输的过程中的差错检测的原理；2．掌握高级数据链路控制操作方式。教学重点与难点：重点：高级数据链路控制（HDLC）中数据帧的传输过程；难点：数据帧的传输过程中的滑动窗口、停止等待、自动重传和差错检测。教学方法与手段：方法：讲授法；手段：课堂教学。教学内容与课时分配：1．流量控制、停止等待、自动重传、滑动窗口；1学时2.高级数据链路控制（HDLC）。1学时教具：作业与思考：教学后记：备注教学内容工业通信与网络技术教案第2页备注教学内容第7讲现场总线通信基础（3）差错控制、流量控制和高级数据链路控制数据链路控制协议包括：流量控制使接收方能够调整来自发送方的数据流，防止接收方的缓存溢出。差错检测差错控制对损坏帧重传。1、数据链路层功能向上层（网络层（对OSI），应用层（对多数现场总线））提供服务接口；组帧/拆帧、帧同步；差错检测；差错控制：纠正传输位差错；流量控制：调节数据流量；发送站发送帧的速度和接受站接纳这些帧的速度。寻址；对于多点线路，指明站点身份。同一链路上控制信息和数据均存在；链路管理：管理数据交换的初始化、维持以及终止等工作。2、流量控制流量控制是确保发送实体发送的数据不会超出接收实体接收数据能力的一种技术；防止接收方的缓存溢出。发送时间－Transmissiontime–两种表述；一个帧的所有位被发送到介质上所需的时间。从一个帧的第1位被源点发送至介质上的时刻起到整个帧被连续地完整地发送至介质上的时刻为止所经历的时间。传播时间－Propagationtime；一个位经过链路从源点到终点所需的时间。3、帧传输模型图3-42帧传输模型4、发送时间与传播时间发送时间（传输时间，发送时延）—tframe；一个帧的所有位被发送到介质上所需的时间；与帧的长度成正比；发送时间=L/R；L=以位为单位的帧长度，即帧的位数；R=链路的数据率（位速率），单位为bps或b/s。传播时间(传播时延)—tprop；一个位经过链路从源点到终点所需的时间；传播时间=d/V；d=链路的长度（源点与终点之间的距离），单位为m；V=传播速度，单位为m/s；5、停止等待流量控制最简单的流量控制形式；源实体发送一个帧；目的实体收到一个帧，并返回对刚刚收到的帧的确认，以表明自己愿意接受另一个帧；源实体发送下一个帧之前必须等待，直到收到确认；目的实体可以通过不发送确认而中止数据流；适合发送比较长的帧。6、流量控制－分割常见的情况是，源点将大数据块分割成小数据块，原因：接收方的缓存空间可能有限；对于较小的帧，有利于及早发现传输错误，且需要重传的数据量也少；防止一个站点长时间占用传输介质。停止等待流量控制不适合短帧，原因：线路利用效率（链路利用率）不高。7、停止和等待图3-43停止和等待8、停止等待链路利用率1）链路的位长度B：当位流完全占满整个链路时，链路上的位数量；a）B=R×(d/v) 非导向介质：v=3x108m/s；导向介质：v=2x108m/s。2）传送数据的总时间T=nTF=n(tframe+2tprop)；a）TF为发送一个帧并收到确认所需要的时间。b）TF=tprop+tframe+tproc+tprop+tack+tproc≈tframe+2tprop3）线路利用率或者效率；a）U=ntframe/（n(tframe+2tprop)）=tframe/(tframe+2tprop)=1/(1+2a)b）a=tprop/tframe4）发送时间归一化；a）传播时间即可表示为变量a。(a)a<1(b)a>1图3-44停止等待链路利用率a的另一个表达式；对于上图当a<1和a>1时，皆有:TF=1+2aU=1/(1+2a)例1:求ATM的链路利用率； L=424bits，d=1000km，R=155.52Mbps例2:求LAN的链路利用率；L=1000bits，d=0.1km~10km，R=10Mbps~1Gbps例3:求拨号数据链路利用率。L=1000bits，d=5000km，R=56kbps9、滑动窗口流量控制允许一次发送多个帧，提高链路利用率；接收器分配W个帧的缓存；发送器可以在没有确认的情况下发送W个帧；每个帧都有序号字段存放序号；标识哪些帧已被确认；标识哪些帧可被发送（对发送方）；标识哪些帧可被接收（对接收方）。确认（ACK）包含的序号（帧序号）n表明；n-1个帧或第n-1个帧以及其前的几个帧已被接收；希望接收以第n个帧开始的后W个帧。序号大小取决于序号字段的位数；k位长的序号字段：序号范围从0到2k-1；模编号为2k；滑动窗口流量控制（sliding-windowflowcontrol）；A（发送方）维护一张允许发送的帧序号的列表；B（接收方）维护准备接收的帧序号的列表；这两张列表都可以被认为是一个帧“窗口”；窗口是滑动的；“滑动窗口流量控制”名称由此而来。对于给定长度的序号字段，窗口的实际大小不必等于最大值。例如在3位序号的情况下，使用滑动窗口流量控制协议的站点可以将滑动窗口大小设置成5（而不必为7）。下面的描述是针对两个由全双工链路连接的站点A和B之间的数据（帧）的传输。(a)从发送者的角度观察(b)从接收者的角度观察图3-45滑动窗口的描述10、发送方滑动窗口当发送出数据时，滑动窗口从左边开始收缩；当收到确认时，滑动窗口向右扩展。图3-46发送方滑动窗口11、接收方滑动窗口当接收到数据时，滑动窗口从左边开始收缩；当发送确认时，滑动窗口向右扩展。图3-47接收方滑动窗口12、滑动窗口协议实例RR（接收就绪）3的含义是：“我已经接收到2号帧以及以前的所有帧，并且已经准备接收以3号帧为首的后7个帧。”图3-48滑动窗口协议实例（一）图3-49滑动窗口协议实例（二）13、滑动窗口的改进允许站点通过发送接收未就绪（RNR）(ReceiveNotReady)的报文来中断对方的帧流；确认了前几个帧；但禁止继续发送后面的帧；RNR5的含义：“我已经接收到第4号帧以及之前的所有帧，但是无法接受更多的帧。”站点必须发送一个正常的确认帧来重新启动滑动窗口；若是双向传输，则可使用“捎带”(piggybacking)确认技术。每个数据帧包括帧序号字段和确认序号字段；无数据发送时，使用独立的确认帧；如果只需发送数据而没有新的确认，那么也须重新发送上一次已经发送过的确认序号。14、差错控制差错控制：检测和纠正帧传输过程中出现的差错的机制；承认可能存在以下两种类型的差错：丢失的帧：帧没有到达另一方；损坏的帧：一个可辨认的帧到达，但其中的一些位有差错。最常用的差错控制技术：差错检测；肯定确认：终点为成功接收到的、没有差错的帧返回一个肯定确认；超时重传：在预定时间没有收到确认的情况下，源点会重新传输一个帧；否认与重传：终点为检测到差错的帧返回一个否认；源点重新传输这些帧。15、ARQ——自动重传请求上述机制都称为自动重传请求(automaticrepeatrequest，ARQ)，作用：使不可靠的数据链路变得可靠。有三种ARQ已经形成标准：停止等待ARQ（stop-and-waitARQ）；返回NARQ(go-back-NARQ)；选择拒绝ARQ(selective-rejectARQ)。16、停止等待ARQ基础是前面介绍过的停止等待流量控制技术；源点发送一个帧之后，必须等待一个确认(ACK)。发送器发送一个帧，等待ACK；对于损坏的帧，接收器检测出差错，丢弃这个帧；对于丢失的帧，接收器不知这个帧已被发送，自然不会返回；确认。针对这种差错：发送器设置定时器：超时，没有收到确认，重传同一个帧；（要求发送器保留发送帧的副本，直至接收到这个帧的确认）。ACK损坏，发送器无法辨认。重传；接收器接收到两个互为副本的帧；使用ACK0和ACK1。图3-50停止等待ARQ17、返回NARQ——基本信息NARQ是最常用的基于滑动窗口流量控制的差错控制形式；站点发送的是以某个最大值为模的顺序编号的帧序列；没有收到确认的帧的最大数目取决于窗口大小。无差错时，终点肯定确认（RR=接收就绪或捎带的确认）接收到的帧；现设站点A正在向站点B发送帧。在每次发送之后，A为刚被发送的帧设置确认定时器；假设B已经成功接收到前面的帧i-1，并且A刚刚发送了帧i。返回NARQ技术对下述异常事件做出反应。1）对存在损坏的帧的处理B检测到帧i出错，会为该帧发送一个否认（REJ=拒绝）REJi，并且丢弃该帧以及其后接收到的所有帧，直至（原来）有差错的帧被正确地接收到。REJi的含义：帧i被终点拒绝（丢弃），或终点根本没有收到过帧i；源点需重发帧i以及该帧之后的所有已发送过的帧。A接收到REJi后，必须重发（原来）有差错的该帧（帧i）以及之后的所有已发送过的帧。2）对存在丢失的帧的处理A发送的帧i丢失；B不知帧i的存在（不知A已发送了帧i、B该收到它），暂且不做任何动作。分两种情况：A接着发送帧i+1。在合理时间内，A接着发送帧i+1。B收到帧i+1后发现次序不对，于是发送一个REJi。A收到REJi后，必须重发帧i以及所有的后续帧。A并没有立即发送其他帧。A并没有立即发送其他帧；B没有收到帧i以及后续帧，并且B既不返回RR，也不返回REJ。A的定时器会超时，A会发送一个RR帧，其中包含一个称为P位的位，P位的值被置为1。B将这个RR帧中的P位为1解释成一条命令：要求B必须通过发送一个RR响应信号，来表明自己希望接收到的下一个帧，这里为帧i。A收到B的RR响应后，重发帧i。另一种情况:A的定时器超时，A也会重发帧i。3）对存在丢失或损坏的RR的处理。B接收到帧i并发送了RR(i+1)，而它在传输时丢失。分两种情况：A的定时器未超时；因确认是累积的，故在A发送了帧(i+n)(n=1,2,…)后，A有可能会接收到B的下一个帧的RR（RR(i+n+1)），并且这个RR在帧i的定时器超时之前到达。在这种情况下，A会发送后续帧。A的定时器超时A会发送一个RR命令，如2(b)中的情况；A还会设置另外一个定时器，称为P位定时器。B响应这个RR命令，做出相应的行为，如同2(b)中的B的行为。如果B没有响应这个RR命令，或者RR响应丢失或被损伤，那么A的P位定时器会超时。在这种情况下：A会通过发送一个新的RR命令重试一次，并重新启动P位定时器。这一过程将重复数次。在重试的次数超过一个最大值后，若A还没有获得确认，则A启动复位过程。4）对存在丢失或损坏的REJ的处理如同前面的2(b)图3-51返回NARQ例子18、选择拒绝ARQ——基本原理与要求选择拒绝ARQ也叫选择重传ARQ；被重传的只有那些接收到否认的帧或超时的帧；否认称为SREJ；SREJi的含义：帧i被终点拒绝（丢弃），或终点根本没有收到过帧i；源点只需重传帧i。重传帧的数量降低到了最小；终点必须维护一个足够大的缓存，以便保存拒绝帧（SREJ）后收到的帧；终点具有能够按照正确的顺序重新插入重传帧的逻辑；源点也需要具有能够发送失序帧的更为复杂的逻辑。图3-52选择拒绝ARQ——应用与例子选选择拒绝ARQ比返回NARQ应用少。因其复杂。选择拒绝ARQ可用于卫星链路。因其传播时延很长。19、高级数据链路控制(HDLC)－站点类型HDLC(IS03009，IS04335)是最重要的数据链路控制协议；本身使用最广泛；还是其他许多重要数据链路控制协议的基础。HDLC定义了三种类型的站点；主站；控制链路操作；发出的帧称为命令；为链路上的每个从站维护独立的逻辑链路。从站；在主站的控制下操作；发出的帧称为响应。混合站。结合了主站和从站的特点；发出的帧可以是命令或者是响应。HDLC定义了两种链路配置非平衡配置；由一个主站及一个或多个从站组成；可支持全双工或半双工传输。平衡配置。由两个混合站组成；可支持全双工或半双工传输；HDLC定义了三种数据传送操作方式正常响应方式(NRM)；非平衡配置；主站初始化到从站的数据传送；从站只通过发送数据来响应主站的命令；用于多点线路，多个从站连接到一个主站；主站对每个从站进行轮询并采集数据；有时也用于点对点链路，即一个主站通过链路连接一个从站。异步平衡方式(ABM)；平衡配置；两个混合站都能够初始化数据传输，不需要得到对方许可；使用最广泛，没有用于轮询的额外开销，故有效地利用了全双工点对点链路。异步响应方式(ARM)。非平衡配置；在主站没有明确允许下，从站能够初始化传输；主站仍对线路全权负责，包括初始化、差错恢复以及链路的逻辑断开；很少被使用，用于从站需要发起传输的某些特殊场合。20、高级数据链路控制(HDLC)－帧结构使用同步传输、所有传输均以帧的形式进行、一个独立的帧格式就能完全满足各种类型的数据和控制交换。帧格式图3-53高级数据链路控制帧格式帧的首部（头部）(header)：位于信息（数据）字段之前的标志字段、地址字段以及控制字段统称为首部（头部）。帧的尾部（trailer）：跟在数据字段后面的FCS和标志字段称为尾部。标志字段的值（位模式）：01111110，在帧的两端起定界作用某个标志字段可能既是一个帧的结束标志，也是下一个帧的起始标志接收方搜索标志序列（01111110）用于帧起始同步为避免在帧中间的某个地方出现01111110模式而破坏同步，使用一种称为位填充(bitstuffing)的处理过程位填充过程：在帧的传输起始标志和结束标志之间，每当出现连续的5个1之后，发送器就会插人一个附加的0。接收器在检测到起始标志后，会时刻注意总线位流，一旦发现有连续的5个1的模式出现，就会检查下个位（第6位）。若是0，则删除，即恢复原始数据；若是1，且第7为是0，则被认为是标志字段；若第6位和第7位都是1,则接收方指明此时应处于异常终止状态。图3-54位填充21、高级数据链路控制(HDLC)－地址字段标识了传输该帧或准备接收这个帧的从站；通常为8位；可以使用扩展格式，长度是7位的倍数，每个八位组的最低位是1或0取决于它是不是字段的最后一个八位组；八位组地址11111111，让主站广播帧，所有从站都能接收到帧。22、高级数据链路控制(HDLC)－控制字段HDLC定义了三种类型的帧，每种类型都具有不同的控制字段格式；信息帧（I帧）；携带的是向用户传输的数据；使用ARQ