計算機網(wǎng)絡-第2章

2.1引言

2.2物理層

2.3數(shù)據(jù)鏈路層

2.4網(wǎng)絡層

2.5傳輸層

2.6應用層第2章網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)返回主目錄

第2章網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

2.1引言一個計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)是由各個節(jié)點相互連接而成的，目的是實現(xiàn)各個節(jié)點之間的相互通信和信息交換，這里的節(jié)點是指具有通信功能的計算機系統(tǒng)。那么，怎樣構(gòu)造計算機系統(tǒng)上的通信功能才能實現(xiàn)計算機系統(tǒng)之間，尤其是異構(gòu)計算機系統(tǒng)之間的相互通信呢?這個問題必須通過網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)來解決。網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)通常采用層次化結(jié)構(gòu)定義了計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的組成方法和系統(tǒng)功能，它將一個網(wǎng)絡系統(tǒng)分成若干層次，規(guī)定了每個層次應實現(xiàn)的功能和向上層提供的服務，以及兩個系統(tǒng)各個層次實體之間進行通信應遵守的協(xié)議.

由于不同系統(tǒng)之間的相互通信是建立在各個層次實體之間互通的基礎上，因此一個系統(tǒng)的通信協(xié)議是各個層次通信協(xié)議的集合。網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)應當是開放的，任何兩個系統(tǒng)只要按照一種被公認的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)造其系統(tǒng)通信功能，并采用標準化的通信協(xié)議，它們之間就能夠?qū)崿F(xiàn)互通。一種被廣泛公認的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)是國際標準化組織(ISO)的開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，它采用了層次化的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，將一個網(wǎng)絡系統(tǒng)分成七層定義：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，并定義了每層實體應提供的功能和服務。OSI是一種理論模型，給出了構(gòu)造網(wǎng)絡系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，但它不是一種國際標準，實際的網(wǎng)絡系統(tǒng)很少使用完整的七層結(jié)構(gòu)來構(gòu)造。OSI參考模型的意義在于為研究和開發(fā)網(wǎng)絡協(xié)議體系提供了一個參照基準，規(guī)范了網(wǎng)絡協(xié)議的功能和服務。2.2物理層

關(guān)于物理層的功能,ISO的OSI參考模型和ITU的X.25建議書都給出相類似的定義。ISO/OSI參考模型對物理層的定義是:物理層在數(shù)據(jù)鏈路實體之間合理地通過中間系統(tǒng),為位傳輸所需的物理連接的激活、保持和取消提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的手段。

ITU在X.25建議書中對物理層的功能作如下定義:利用物理的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性在DTE和DCE之間實現(xiàn)對物理鏈路的建立、保持和拆除功能。

這里的DTE(DataTerminalEquipment)為數(shù)據(jù)終端設備,是指數(shù)據(jù)輸入/輸出設備、終端設備或計算機等終端裝置;DCE(DataCircuitterminalEquipment)為數(shù)據(jù)電路端接設備,是指自動呼叫應答設備、交換機以及其它一些中間裝置的集合。由此可見,物理層接口協(xié)議定義了網(wǎng)絡的物理接口,并規(guī)定了物理接口的機械連接特性、電氣信號特性、信號的功能特性以及交換電路的規(guī)程特性。這樣就保證了各個制造廠家按統(tǒng)一的物理層接口標準生產(chǎn)出來的通信設備能夠完全兼容。

2.2.1物理層接口標準

1.機械特性機械特性詳細說明了物理接口連接器的尺寸、插針的數(shù)目、排列方式以及插頭與插座的尺寸,電纜長度以及電纜所含導線的數(shù)目等。下面是幾種已被ISO標準化的機械接口。

①ISO-2110。數(shù)據(jù)通信用25針的DTE/DCE接口連接器與插針分配。EIARS-232C和EIARS-366A等均是與ISO-2110相兼容的標準,可用于音頻調(diào)制解調(diào)器、公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的接口中。②ISO-2593。數(shù)據(jù)通信用34針的DTE/DCE接口連接器與插針分配。可用于ITUV.35建議的寬帶調(diào)制解調(diào)器中。③ISO-4902。數(shù)據(jù)通信用37針和9針DTE/DCE接口連接器。可用于音頻和寬帶調(diào)制解調(diào)器中,與EIARS-449相兼容。④ISO-4903。數(shù)據(jù)通信用15針DTE/DCE接口連接器?？捎糜谟蒊TUX.20、X.21及X.22建議中所指定的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的接口中。⑤RJ-45。數(shù)據(jù)通信用8針DTE/DCE接口連接器?？捎糜谟蒊EEE802局域網(wǎng)中的10/100BASE-T網(wǎng)絡接口中。

2.電氣特性電氣特性說明了數(shù)據(jù)交換信號以及有關(guān)電路的特性。這些特性主要包括最大數(shù)據(jù)傳輸率的說明、信號狀態(tài)(邏輯電平,通/斷,傳號/空號)表示電壓或電平的說明,以及接收器和發(fā)送器電路特性的說明,并給出了與連接電纜相關(guān)的規(guī)則等。

圖2.1給出幾種ITU定義的物理接口電路的電氣特性，它們是：①V.10/X.26。新型非平衡式電氣性能。與之相兼容的標準有EIARS-423A等。②V.11/X.26。新型平衡式電氣特性。與之相兼容的標準有EIARS-422A等。③V.28。非平衡式電氣特性。與之相兼容的標準有EIARS-232C。

3.功能特性功能特性是指接口的信號根據(jù)其來源、作用以及與其它信號之間的關(guān)系而各自所具有的特性功能。下面是ITU對兩個交換電路的功能特性的定義。①V.24。通過電話交換網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的DTE/DCE和DTE/ACE(AutomaticCallingEquipment,自動呼叫設備)之間的交換電路。②X.24。公共數(shù)據(jù)網(wǎng)中的DTE/DCE交換電路，它是在X.20、X.21和X.22的基礎上發(fā)展而成的。

4.規(guī)程特性規(guī)程特性說明了交換電路進行數(shù)據(jù)交換的一組操作序列,由這些規(guī)程來完成位傳輸功能。

ITU建議在物理層使用的規(guī)程有V.24、V.54、V.25、V.22等V系列標準和X.20、X.21、X.20bis和X.21bis等X系列標準。兩個系列的不同標準分別適用于各種不同的交換電路中。2.2.2物理層接口標準舉例1.EIARS-232CEIARS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(ElectronicIndustryAssociation,EIA)制訂的物理接口標準。RS(mendedStandard)的意思是推薦標準,232是一個標識號碼,C表示該標準已被修改過的次數(shù)。RS-232C標準是為促進利用公共電話網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信而制定的,最初只提供一個利用公共電話網(wǎng)作為媒介,通過調(diào)制解調(diào)器進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)規(guī)范,參見圖2.2。

當使用RS-232C接口直接連接兩臺計算機時,引入了一種空調(diào)制解調(diào)器(NullModem)的電纜,以解決在不使用調(diào)制解調(diào)器的情況下,RS-232C接口需要DTE/DCE成對使用的問題。RS-232C標準適用于DTE/DCE之間的串行二進制通信,數(shù)據(jù)傳輸速率為0~20kb/s,電纜長度限制在30米內(nèi)?，F(xiàn)在,RS-232C接口不僅被廣泛用于利用電話交換網(wǎng)進行的遠程數(shù)據(jù)通信中,而且還被廣泛用于計算機與計算機之間、計算機與終端之間以及計算機與輸入/輸出設備的近程數(shù)據(jù)通信中。①機械特性：RS-232C的機械特性與ISO-2110相兼容,即規(guī)定使用25針的連接器。②電氣特性：RS-232C的電氣特性規(guī)定,邏輯“1”或有信號狀態(tài)的電壓范圍為-15V到-5V;邏輯“0”或無信號狀態(tài)的電壓范圍為+5V到+15V,所允許的線路電壓降為2V。③功能特性：RS-232C的功能特性定義了25針連接器中的20條連接線，它們定義了兩個信道：主信道和輔助信道。輔助信道可用于在連接的兩個設備之間傳送一些輔助的控制信息,且傳輸速率要比主信道低得多,一般很少使用。對于主信道,最常用的連接線有8條，參見表2.1。圖2.3給出RS-232C接口的連接圖。④規(guī)程特性：RS-232C的規(guī)程特性主要規(guī)定了控制信號在不同情況下有效(接通狀態(tài))和無效(斷開狀態(tài))的順序和相互的關(guān)系。例如,只有當CC和CD信號都處于有效狀態(tài)時,才能在DTE和DCE之間進行操作。如果DTE要發(fā)送數(shù)據(jù),則先要將CA置成有效狀態(tài);當?shù)鹊紻CE將CB置成有效狀態(tài)后,DTE方能在BA線上發(fā)送串行數(shù)據(jù)。這種握手信號對于半雙工通信是十分有用的。還有一些規(guī)程特性,這里就不一一介紹了。

2.EIARS-449

隨著數(shù)據(jù)通信業(yè)務的發(fā)展,對物理接口的傳輸速率和傳輸距離提出了更高的要求。RS-232C接口只能提供20kb/s的傳輸速率和30m的傳輸距離。

因此,EIA在1977年又頒布了一個標準：RS-449,它的電氣標準可以是RS-422A或RS-423A。RS-422A標準是平衡方式的,采用的是平衡發(fā)送器和差分接收器,使用雙線來傳輸信號,增強了抗共模干擾能力。在距離為10m時,速率可達10Mb/s;在距離增加到1000m時,速率仍可達100kb/s。ITUV.11建議中所規(guī)定的電氣特性與RS-422A電氣特性相類似。

RS-423A標準是非平衡方式的,采用的是單端發(fā)送器和差動接收器。由于采用了差分接收,可以獲得比RS-232C更好的傳輸特性。在距離為10m時,速率可達300kb/s;在距離增加到1000m時,速率為3kb/s。

由于在傳輸同樣數(shù)量的信號時,RS-422A和RS-423A需要用到更多的連接線,因此RS-449的機械特性規(guī)定使用37針的標準連接器。它和ISO-4902中所規(guī)定的連接器相兼容。

RS-449標準的一個重要目標是保持與RS-232C接口的兼容性,使得在采用新的接口標準時不必變更基于RS-232C接口的設備接口。這一方面是通過RS-449標準的電氣特性和功能特性實現(xiàn)的。

2.2.3調(diào)制解調(diào)器利用現(xiàn)有的模擬信道進行遠程數(shù)據(jù)通信或網(wǎng)絡連接時,必須使用調(diào)制解調(diào)器(Modem)。這是因為現(xiàn)有的模擬信道(如載波信道)是針對話音通話而設計的,從性能上側(cè)重于幅度—頻率特性,而對相位—頻率特性考慮得較少。在數(shù)據(jù)通信時,由于信道存在著頻帶限制及線路上噪聲和干擾影響,將導致“色散”現(xiàn)象而使誤碼上升。因此,在利用模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)時,預先要進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換,把脈沖序列轉(zhuǎn)換成適應模擬信道傳輸要求的模擬信號,這一過程稱為調(diào)制;在接收端再把模擬信號轉(zhuǎn)換成脈沖序列,稱為解調(diào)。將調(diào)制和解調(diào)功能結(jié)合在一起,就構(gòu)成了調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器是利用模擬信道進行數(shù)據(jù)傳輸必不可少的設備之一。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中,調(diào)制解調(diào)器與差錯控制以及呼叫自動應答設備等共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)電路終端設備(DCE)。

調(diào)制解調(diào)器的作用主要有如下幾個方面:①在發(fā)送端,調(diào)制解調(diào)器將來自信源的脈沖信號序列變換成與信道頻帶相匹配的模擬信號,以適應模擬信道傳輸?shù)囊?。在接收?則完成與發(fā)送端相反的變換,并對帶有畸變和干擾噪聲的混合波形進行處理,以恢復原來的脈沖信號序列。②在同步傳輸系統(tǒng)中,調(diào)制解調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)流中攜帶有同步信息,在接收端則將發(fā)送來的同步信息進行同步提取并鎖相,以產(chǎn)生與發(fā)送端同步、同相的載波,供接收端產(chǎn)生定時和取樣使用,以確保發(fā)送與接收兩端的同步。③補償某些可能對傳輸質(zhì)量有害的因素,提高數(shù)據(jù)在傳輸過程中的抗干擾能力。

因為信道傳輸?shù)挠行院涂垢蓴_性能是相互制約的,在背景噪聲十分嚴重的信道中,可采取犧牲有效性來換取抗干擾性能的提高;而提高抗干擾性能也可通過選擇不同的調(diào)制方式來達到。例如,調(diào)頻信號的傳輸頻帶比調(diào)幅信號的寬,但其抗干擾性能卻得以提高;其次,在短波信道中,為提高數(shù)字通信的質(zhì)量,通常使用擴頻技術(shù),以對抗短波信道中存在的衰落和多徑效應問題。④實現(xiàn)信道的復用。傳輸信號的參數(shù)小于信道允許的范圍,是實現(xiàn)信道復用可能性的前提條件,而調(diào)制技術(shù)則是信道復用的基本途徑。其理論基礎是多路信號復用所利用的信號正交性。在實際使用中,采取不同的編碼和調(diào)制技術(shù)可實現(xiàn)多路復用。

調(diào)制解調(diào)器是一種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信設備。進入90年代以來,調(diào)制解調(diào)器技術(shù)朝著小型化和智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在,一個話路的數(shù)據(jù)速率已達到56kb/s。ITU陸續(xù)公布了關(guān)于調(diào)制解調(diào)器的V系列建議,有力地推動了調(diào)制解調(diào)器的標準化工作。1.常用的調(diào)制方式來自信源的基帶信號對載波波形有關(guān)參量進行控制,使受控參量隨基帶信號的變化而改變,這樣就可實現(xiàn)信號的調(diào)制。由于正弦信號形式簡單,便于產(chǎn)生和接收,所以大多數(shù)通信系統(tǒng)都選用正弦信號作為載波。而正弦信號的幅度、頻率和相位三個參量均可攜帶信息,從而能夠構(gòu)成調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種基本調(diào)制方式,進而還可派生出其它調(diào)制方式。

調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制,在原理上兩者基本相同。模擬調(diào)制是對載波信號的參量進行連續(xù)地估值;而數(shù)字調(diào)制則是使用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳輸?shù)男畔?在接收端對載波信號的離散調(diào)制參量進行檢測。因此數(shù)字調(diào)制信號也稱鍵控信號,并形成幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)三種基本調(diào)制方式。為了克服絕對相移鍵控可能出現(xiàn)的相位模糊,在實際使用中均采用差分相移鍵控(DPSK),即以信號前后相鄰的相對相位,而不用某一固定的相位作為參考來判別相位的變化。

數(shù)字調(diào)制還可根據(jù)已調(diào)信號的不同頻譜結(jié)構(gòu)而分為線性調(diào)制和非線性調(diào)制兩大類。線性調(diào)制的已調(diào)信號頻譜結(jié)構(gòu)和基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同,不出現(xiàn)新的頻率成分,僅僅在頻率軸上搬移了一個位置;而非線性調(diào)制的已調(diào)信號頻譜結(jié)構(gòu)和基帶信號的頻譜結(jié)構(gòu)不同,出現(xiàn)了新的頻率成分,并非簡單的頻率搬移。幅移鍵控屬于線性調(diào)制,而頻移鍵控和相移鍵控屬于非線性調(diào)制。

ITU的V系列建議的調(diào)制解調(diào)器大體上可分成如下幾種調(diào)制方式。①頻移鍵控調(diào)制：頻移鍵控多用于低速、異步傳輸調(diào)制解調(diào)器，如V.21建議為300b/s調(diào)制解調(diào)器，V.23建議為600/1200b/s調(diào)制解調(diào)器等。②差分相移鍵控調(diào)制：差分相移鍵控調(diào)制多用于中速調(diào)制解調(diào)器，如V.22建議為差分相移四相調(diào)制,調(diào)制速率為600波特,數(shù)據(jù)速率為1200b/s；V.27建議為八相差分調(diào)制，調(diào)制速率為1600波特,數(shù)據(jù)速率為4800b/s。③調(diào)相調(diào)頻相結(jié)合的調(diào)制：V.29建議的調(diào)制解調(diào)器采用調(diào)相調(diào)頻相結(jié)合(8相4幅)的調(diào)制方式,它屬于正交雙帶邊調(diào)制,調(diào)制速率為2400波特,數(shù)據(jù)速率為9600b/s。④網(wǎng)格編碼調(diào)制：網(wǎng)格編碼調(diào)制是把糾錯編碼和調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的一種新型調(diào)制方式。通常,糾錯編碼有卷積碼和分組碼等,由于卷積碼易于實現(xiàn),故在實際應用中大多使用卷積碼。調(diào)制技術(shù)采用正交調(diào)幅調(diào)制法調(diào)制載波信號。正交調(diào)幅信號與四相相移鍵控信號形式相同,具有同樣的抗干擾性,但頻譜利用率卻提高了一倍,而且容易實現(xiàn),設備也比較簡單。

2.差錯控制與數(shù)據(jù)壓縮在高檔調(diào)制解調(diào)器中,一般都標有MNP及V.42/V.42bis的差錯控制與數(shù)據(jù)壓縮功能。下面簡單介紹一下通信系統(tǒng)中的差錯控制與數(shù)據(jù)壓縮功能。

MNP(MinimicroNetworkProtocol)是Minimicro公司開發(fā)的一種網(wǎng)絡協(xié)議,自70年代提出后曾風靡一時,各個生產(chǎn)廠商爭相采用。MNP共分七級(MNP1~7),MNP1~3已不再使用,目前使用的主要是MNP4和MNP5。MNP4為差錯控制約定(Convention),它采用了兩個新的概念:自適應(Adaptive)數(shù)據(jù)包組裝和數(shù)據(jù)階段優(yōu)化。在傳送數(shù)據(jù)時,MNP能監(jiān)視傳輸介質(zhì)的可靠性。當數(shù)據(jù)信道出現(xiàn)較少的差錯時,MNP會組裝較大的數(shù)據(jù)包來發(fā)送,以增加吞吐量;而當數(shù)據(jù)信道出現(xiàn)較多的差錯時,MNP會組裝較小的數(shù)據(jù)包來發(fā)送,提高數(shù)據(jù)一次性傳輸?shù)某晒β?減少了重發(fā)次數(shù),但協(xié)議開銷要加大。MNP5數(shù)據(jù)壓縮采用了自適應算法,可對實時性交互終端數(shù)據(jù)和文件進行壓縮,早期的壓縮算法的壓縮比為2∶1,平均約為1.6∶1,后來的版本壓縮比有所提高。V.42bis建議中也提供了數(shù)據(jù)壓縮功能,理論壓縮比為4∶1,平均大約為3.5∶1左右。在調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品標定的壓縮比,如2∶1或4∶1是理論值,實際獲得的壓縮比與所傳輸?shù)奈谋拘蛄杏嘘P(guān);對于不同的文本序列,其壓縮效果也不盡相同。例如,在傳輸中文文本時,由于中文的隨機性較大,重復性小,其壓縮比將會降低,最終的壓縮效果不明顯。

3.智能調(diào)制解調(diào)器智能化(Intelligent或Smarter)調(diào)制解調(diào)器是采用微處理器和大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的,具有體積小、重量輕、功能強及操作簡便等特點。它除了具備普通調(diào)制解調(diào)器所具有的同步/異步操作、二線撥號或二/四專線操作、自動撥號/應答和人工發(fā)起/應答、音頻/脈沖撥號、外部AT命令設置以及V.25bis同步/異步命令設置外,還包含安全呼叫返回、呼叫者ID檢測、MNP4/5級差錯糾正/數(shù)據(jù)壓縮、模擬/數(shù)字環(huán)路、流量控制、非易失性存儲器、發(fā)送和接收G3FAX能力(速率為14.4kb/s可變)、數(shù)據(jù)自動檢測或FAX呼叫、語音壓縮、自動降速、自動恢復所設定的速率、診斷及線路狀態(tài)監(jiān)視等新功能。

這里的自動降速是指自適應速率。也有人將自適應速率、自動速率協(xié)商及自動波特率統(tǒng)稱為自動降速；實際上,自適應速率、自動速率協(xié)商及自動波特率的概念是完全不同的。自適應速率是指當信道質(zhì)量變壞時,調(diào)制解調(diào)器的速率可自動降低;變好時,能自動恢復所設定的速率。一般的調(diào)制解調(diào)器是通過檢測矢量圖的分散程度來控制的,對同步和異步都適用。也有的調(diào)制解調(diào)器是根據(jù)差錯控制時某段時間內(nèi)的反饋重發(fā)次數(shù)的多少來實現(xiàn)的,只適用于異步帶差錯控制的調(diào)制解調(diào)器?？傊?自適應速率是針對信道質(zhì)量而言的。

自動速率協(xié)商是指兩個不同傳輸速率的調(diào)制解調(diào)器通過電話交換網(wǎng)建立連接時,較高速率的調(diào)制解調(diào)器能夠自動調(diào)低自己的速率,以適應對方調(diào)制解調(diào)器的速率,這樣雙方就能夠相互通信了。自動波特率是指當DTE(數(shù)據(jù)終端設備,即指連接到調(diào)制解調(diào)器上的計算機或終端)發(fā)出AT命令后,調(diào)制解調(diào)器的端口速率、數(shù)據(jù)格式等將根據(jù)對AT命令的檢測而自動跟蹤設置,進而和DTE相匹配。

V.34、V.32bis/V.32、V.22bis/V.22調(diào)制解調(diào)器均具備自動速率協(xié)商和自動波特率功能,而V.34、V.32bis調(diào)制解調(diào)器還具有自適應速率功能。2.3數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層提供了數(shù)據(jù)鏈路的流控和差錯校驗功能，將不可靠的物理鏈路變成可靠的數(shù)據(jù)鏈路，為網(wǎng)絡層提供傳送數(shù)據(jù)的功能和過程。數(shù)據(jù)鏈路層的通信規(guī)程主要有兩類:面向字符的通信規(guī)程和面向比特的通信規(guī)程。典型的面向字符的通信規(guī)程有IBM公司的二進制同步通信規(guī)程(BinarySynchronousCommunication,BISYNC或BSC)和ISO的基本型控制規(guī)程(即ISO-1745標準)。由于這種通信規(guī)程與特定的字符編碼集的關(guān)系過于密切,兼容性較差,并且在實現(xiàn)上也比較復雜,故在現(xiàn)代的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已很少使用。

面向比特的通信規(guī)程是由IBM公司于70年代初率先提出的,并將它稱為同步數(shù)據(jù)鏈路控制SDLC(SynchronousDataLinkControl)規(guī)程。美國國家標準化學會ANSI和國際標準化組織ISO在此基礎上進行了規(guī)范和發(fā)展,分別形成各自的標準,即ANSI的先進數(shù)據(jù)通信控制規(guī)程ADCCP(AdvancedDataCommunicationControlProcedure),ISO的高級數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC(HighlevelDataLinkControl)規(guī)程。此外,ITUX.25建議中的鏈路級也采用了一種HDLC的變種,稱為鏈路訪問規(guī)程LAP(LinkAccessProcedure)或平衡鏈路訪問規(guī)程LAPB(LinkAccessProcedureBalanced),并以LAPB為主要模式。IEEE802LLC協(xié)議也源于HDLC。這些通信規(guī)程盡管在一些細節(jié)上存在著差異,但總的來說是大同小異的。

2.3.1HDLC通信規(guī)程由于HDLC規(guī)程具有高效率、高可靠性以及能傳輸任意代碼等特點,故被廣泛采用，如X.25和幀中繼廣域網(wǎng)以及IEEE802局域網(wǎng)等。

1.基本概念作為鏈路層協(xié)議,應能滿足多種數(shù)據(jù)鏈路的要求,即:①點到點和點到多點鏈路;②半雙工和全雙工操作;③主次站結(jié)構(gòu)和對等站結(jié)構(gòu)間的相互作用;④長距離和短距離鏈路。

為此,HDLC定義了三種類型的站、兩種鏈路結(jié)構(gòu)和三種數(shù)據(jù)傳送操作方式。

(1)站類型

HDLC將站點分為三種類型:主站、次站和復合站。主站在通信過程中負責對數(shù)據(jù)鏈路實行全面的管理,包括發(fā)起傳輸、組織數(shù)據(jù)流、執(zhí)行鏈路級差錯控制與恢復等。次站則受控于主站,它只能按照主站的命令執(zhí)行相應的操作。復合站是指具有主站和次站雙重功能的站,兩個復合站之間可以完全對等地進行通信。換句話說,復合站具有平衡的鏈路控制能力。(2)數(shù)據(jù)鏈路所謂數(shù)據(jù)鏈路是指從發(fā)送端經(jīng)過通信線路到接收端之間物理上的傳送路徑和邏輯上的傳輸信道的總稱。兩個端點設備之間可以有一條或多條數(shù)據(jù)鏈路。

HDLC定義了兩種數(shù)據(jù)鏈路:不平衡式鏈路結(jié)構(gòu)和平衡式鏈路結(jié)構(gòu)，參見圖2.4。不平衡式鏈路結(jié)構(gòu)是由一個主站和多個次站通過一條鏈路連接而成的。該鏈路可以是點到點或點到多點、雙向交替或雙向同時、交換或非交換的。主站負責對鏈路實施控制,通過發(fā)送命令幀,將次站置于某種邏輯狀態(tài)和適當?shù)牟僮鞣绞?。次站響應主站的命?執(zhí)行相應的操作,并向主站回送應答幀作為響應。它們之間可以相互交換數(shù)據(jù)和控制信息,并按規(guī)定執(zhí)行鏈路級的差錯控制和恢復功能。(3)操作方式

HDLC規(guī)定了三種數(shù)據(jù)傳送操作方式:正常響應方式NRM(NormalResponseMode)、異步響應方式ARM(AsynchronousResponseMode)和異步平衡方式ABM(AsynchronousBalanceMode)。

NRM是一種不平衡式鏈路結(jié)構(gòu)的操作方式。在該方式下,次站只是在確切地接收到來自主站的允許傳輸?shù)拿钪?方可開始響應,傳送一幀或多幀數(shù)據(jù),同時保持占線狀態(tài)。次站必須明確地表示哪一幀是最后的響應幀。次站在發(fā)出最后的響應幀后,將停止發(fā)送,直到再次收到主站的確切的允許傳輸命令后才能重新開始傳輸。

這種異步傳輸可以是一幀或多幀;可以用來傳送數(shù)據(jù),也可以用來傳送次站的狀態(tài)變化信息。

ABM是一種平衡式鏈路結(jié)構(gòu)的操作方式。在該方式下,復合站可以自動地決定數(shù)據(jù)的傳輸,而不必得到另一個復合站的允許。這種異步傳輸可以是一幀或多幀;既可以用來傳送數(shù)據(jù),也可以用來傳送發(fā)送站的狀態(tài)變化信息。

2.HDLC幀結(jié)構(gòu)在HDLC中,不論傳送數(shù)據(jù)還是傳送控制或狀態(tài)信息,都是以幀(Frame)為基本單位的。HDLC幀的基本格式如圖2.5所示。HDLC幀格式中各個字段的含義如下:(1)標志(F)

標志F表示一個幀的開始和結(jié)束,其位模式為01111110。標志序列是用于幀同步的。在一個幀的中間不允許出現(xiàn)與標志相同的位模式,通常采用位插入的方法來實現(xiàn)透明性傳輸。(2)地址(A)

對于命令幀,該字段為對方的站地址;對于響應幀,則該字段指出的是本站地址。

(3)控制(C)

控制C用于定義幀類型。HDLC定義了如下三種幀(參見表2.2):①信息幀(I幀):用于信息的傳輸。每個I幀都有一個發(fā)送序號N(S)、一個接收序號N(R)和一個探詢/終止(P/F)位。發(fā)送站用N(S)來指出所發(fā)送幀的序號。接收站用N(R)給出確認,表示已正確接收到N(R)-1個幀。下一個要接收的幀序號為N(R)。P/F位隨傳輸過程而被置“1”或置“0”。

I幀的作用是提供面向連接的數(shù)據(jù)傳輸機制，它把含有信息字段的編號幀依次傳送到鏈路上。兩個站相互傳送信息幀時,其幀的編號相互獨立。在控制字段不擴展的情況下,幀的序號以8為模,這意味著發(fā)送站在沒有收到接收站應答確認的情況下,可連續(xù)發(fā)送I幀的數(shù)量最多為7(23-1)。②監(jiān)控幀(S幀):用于在面向連接的數(shù)據(jù)傳輸過程中執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路的監(jiān)控功能,如確認、要求重發(fā)和請求暫停等。其中,S字段用于定義S幀的類型,共有4種S幀：

·接收準備好(RR)：接收站使用RR幀對接收到的I幀進行應答，表示已準備好接收第N(R)號I幀，同時表示已正確接收到N(R)-1號以前所有的I幀。

·接收未準備好(RNR)：接收站使用RNR幀對接收到的I幀進行應答，表示暫時不能接收第N(R)號I幀，但同時表示已正確接收到N(R)-1號以前所有的I幀。發(fā)送站可以做好發(fā)送第N(R)號I幀的準備。

·請求重發(fā)(REJ)：接收站使用REJ幀對接收到的I幀進行應答，請求對方重發(fā)從N(R)號幀開始的各個I幀,同時表示已正確接收到N(R)-1號以前所有的I幀。

·選擇請求重發(fā)(SRE)：接收站使用SREJ幀對接收到的I幀進行應答，請求對方只重發(fā)第N(R)號幀,而其它編號的I幀已全部被正確接收。

S幀不含信息字段,故不設發(fā)送序號。③無編號幀(U幀):用于提供無連接數(shù)據(jù)傳輸和鏈路控制功能,如設置工作方式、拆除鏈路等。其中,M字段用于定義U幀的類型,共有19種U幀：

·設置NRM方式(SNRM)：主站用來設置次站按NRM方式操作。

·設置ARM方式(SARM)：主站用來設置次站按ARM方式操作。

·設置ABM方式(SABM)：復合站用來設置另一個復合站按ABM方式操作。

·設置擴展的NRM方式(SNRME)：擴展的NRM方式是指將幀控制字段擴展為2個字節(jié)的NRM方式。與此類似,還有SARME、SABME,它們分別與SARM和SABM相對應。

·斷開連接(DISC)：用來終止初始時所建立的各種操作方式。

·無編號確認(UA)：用來對命令幀進行肯定式應答。

·命令幀拒收(CMDR)：次站用來向主站報告接收到一個有錯誤的命令幀,并在信息字段中給出命令被拒收的原因?！o編號信息幀(UI)：發(fā)送站用來發(fā)送無編號的信息幀，實現(xiàn)基于無連接數(shù)據(jù)報方式的數(shù)據(jù)通信。

·無編號探詢(UP)：用來同時探詢多個站地址。

·置初始化方式(SIM)：主站用來初始化次站。當次站初始化操作完成后,要回送UA幀進行應答。

·請求初始化方式應答(RIM)：當主站使用命令設置操作方式時，如果次站未準備就緒且希望初始化時,可用RIM去應答主站的操作方式設置命令,并請求主站發(fā)送SIM命令。·復位命令(RSET)：在數(shù)據(jù)傳輸過程中,如果鏈路發(fā)生故障，則發(fā)送站可使用RSET命令通知接收站復位鏈路,這時雙方都要復位各自的幀編號。

·交換標識命令/應答(XID)：用于在兩個站之間交換標識信息。信息字段的格式和內(nèi)容由HDLC規(guī)程的使用者自行定義。

·請求斷開應答(RD)：次站用來請求主站發(fā)送斷開連接(DISC)的命令。

·斷開方式應答(DM)：次站用來響應主站的操作方式設置命令,拒絕按命令要求來設置操作方式。

(4)信息(I)

信息I用于傳送用戶數(shù)據(jù)。信息字段的長度是可變的,在理論上是不限長度的,但在實際中要受到FCS校驗能力、站點緩沖區(qū)大小等具體因素的限制。國際上較常用的信息字段長度是1000~2000bit。

(5)幀校驗(FCS)

采用16位的CRC校驗碼,其生成多項式為x16+x12+x5+1。關(guān)于HDLC幀格式，需要進一步說明的是:(1)地址和控制字段的擴展地址字段和控制字段可按8位位組的倍數(shù)進行擴展。

·地址字段的擴展。如果雙方事先約定地址字段是可以擴展的,則地址字節(jié)的第1位為0時,表示它后面的字節(jié)仍為地址字節(jié),依次類推,直到出現(xiàn)一個第1位為1的字節(jié)為止,該字節(jié)就是地址字段的最后一個字節(jié)。

·控制字段的擴展?？刂谱侄慰梢詳U展為兩個字節(jié)，擴展后的控制字段主要增加了N(S)和N(R)的長度,即由原來的3位增加到7位,序號的模數(shù)由原來的8增加到128?？刂谱侄蔚臄U展是通過相應的U幀來設置的。(2)無效幀無效幀是指沒有用兩個標志(F)作邊界的幀,或者兩個標志之間的位數(shù)小于32位的超短幀。

(3)P/F位的作用探詢位P是主站用來請求(探詢)次站發(fā)送信息或作出響應的。終結(jié)位F是次站用來響應主站探詢的。在NRM方式中,主站可以通過發(fā)送P位為1的S幀來請求I幀或響應。次站必須在收到P位為1的命令幀之后才能傳輸,當發(fā)送最后一幀時,將F位置1,表示本次傳送終結(jié)。直到再次收到主站的P位為1的命令幀后,才啟動下一輪的傳輸。

在ARM方式中,主站可以通過發(fā)送P位為1的幀來迫使次站對該幀作出響應。次站在收到P位為1的幀后,應回送一個F位為1的應答幀,作為對收到P位為1幀的響應。在ABM方式中,發(fā)送站可以通過發(fā)送P位為1的幀來要求接收站對該幀作出響應。接收站應回送一個F位為1的應答幀作為響應。此外,在主站或發(fā)送站在發(fā)送P位為1的命令幀后,必須等到次站或接收站發(fā)來的F位為1的應答幀之后,才能發(fā)送新的P位為1的命令幀。下面通過一個例子來說明HDLC的數(shù)據(jù)傳輸過程,參見圖2.6。

2.3.2IEEE802LLC協(xié)議在IEEE802局域網(wǎng)標準中，由IEEE802.2定義了邏輯鏈路控制(LogicalLinkControl,LLC)子層功能、特性和協(xié)議。LLC子層對應于ISO/OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層，它實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層大部分功能，還有一些功能由MAC(MediumAccessControl)子層實現(xiàn)。LLC協(xié)議是根據(jù)局域網(wǎng)的特點，對HDLC通信規(guī)程進行了適當?shù)暮喕椭囟x而制定的。

LLC子層協(xié)議定義了對等LLC子層實體之間進行數(shù)據(jù)通信的服務規(guī)范，提供了兩種服務：不確認無連接服務和面向連接的服務，并且還定義了網(wǎng)絡層與LLC子層接口和LLC子層與MAC子層接口。

1.LLC幀格式

LLC協(xié)議定義了LLC子層之間通信的幀格式，參見圖2.7。LLC幀格式中各個字段的含義如下:①服務訪問點(SAP)地址：SAP提供了一種多個高層協(xié)議進程使用一個LLC子層實體進行通信的機制。在一個網(wǎng)絡節(jié)點，一個LLC子層實體可能同時要為多個高層協(xié)議提供服務。為此，LLC協(xié)議定義了一種邏輯地址SAP及其編碼機制，允許多個高層協(xié)議進程可以使用不同SAP地址來共享一個LLC子層實體進行通信，而不會發(fā)生沖突。SAP機制還允許高層協(xié)議進程可以同時使用多個SAP進行通信，但一個SAP在某一時刻只能由一個高層協(xié)議進程使用，一次通信結(jié)束釋放了SAP后，它才能被其它高層協(xié)議進程使用。SSAP和DSAP地址字段分別定義了源LLCSAP地址和目的LLCSAP地址，其中DSAP的最高位為地址類型標志(I/G)位，I/G=0表示DSAP地址是一個單地址，LLC幀由DSAP標識的惟一的目的LLCSAP接收；I/G=1表示DSAP地址是一個組地址，LLC幀由DSAP標識的一組的目的LLCSAP接收。SSAP的最高位為命令/響應標志(C/R)位,C/R=0表示LLC幀是命令幀；C/R=1表示LLC幀是響應幀。②控制:用于定義LLC幀類型。LLC定義了如下三種幀:信息幀(I幀)、監(jiān)控幀(S幀)和無編號幀(U幀)，其含義與HDLC幀相同，但它根據(jù)局域網(wǎng)特點進行了調(diào)整和簡化，參見表2.3。

LLC幀中的控制字段可以擴展為兩個字節(jié)，擴展后的控制字段主要增加了N(S)和N(R)的長度,即由原來的3位增加到7位,序號的模數(shù)由原來的8增加到128。③信息：用于傳送用戶數(shù)據(jù)。信息字段的長度為8的整數(shù)(M)倍,M上限取決于所采用的MAC協(xié)議。

LLC與HDLC相比較，有以下的不同：

·在IEEE802局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層功能由LLC和MAC兩個子層實現(xiàn)，LLC幀必須封裝在MAC幀中進行傳輸，而不能單獨通過物理層傳輸。因此，LLC幀中沒有用于幀同步的標志字段以及用于驗證幀正確性的幀校驗字段；這些字段由MAC協(xié)議添加在MAC幀中，而LLC幀被封裝在MAC幀的信息字段中。MAC協(xié)議則與局域網(wǎng)類型有關(guān)，關(guān)于局域網(wǎng)MAC協(xié)議的詳細介紹請參閱第3章。

·LLC幀地址字段指示的是服務訪問點地址，它是一種邏輯地址，而不是用于指示網(wǎng)絡節(jié)點的物理地址的，節(jié)點的物理地址同樣是由MAC幀指示的。

·由于IEEE802局域網(wǎng)采用平衡式鏈路結(jié)構(gòu)，LLC協(xié)議只定義了一種數(shù)據(jù)傳送操作方式：擴展的異步平衡方式(ABME)。因此，簡化了LLC幀的種類，LLC幀只有14種，而HDLC幀有24種。

2.LLC服務在LLC協(xié)議中定義了兩種服務方式：

·不確認無連接服務。它是在不建立數(shù)據(jù)鏈路級連接的情況下提供數(shù)據(jù)傳輸服務的，因此不保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。數(shù)據(jù)傳輸模式可以是單播(點對點)方式、組播(點對多點)方式和廣播方式。這是一種數(shù)據(jù)報服務。

·面向連接服務。它是基于數(shù)據(jù)鏈路層的點到點連接提供數(shù)據(jù)傳輸服務的,因此它必須提供建立、使用、終止以及復位數(shù)據(jù)鏈路層連接所需的操作手段，并且還要提供數(shù)據(jù)鏈路層的定序、流控和錯誤恢復等功能。這是一種虛電路服務。LLC協(xié)議通過不同的操作類型來標識這兩種服務：

·類型Ⅰ操作：采用不確認無連接的服務方式，使用無編號的信息(UI)幀實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。與類型Ⅰ操作有關(guān)的LLC幀有UI、XID和TEST。

·類型Ⅱ操作:采用面向連接的服務方式，在建立連接時使用SABME幀；在數(shù)據(jù)傳輸時使用有編號的信息(I)幀；在斷開連接時使用DISC幀；在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用RR、RNR和REJ幀實施定序、流控和錯誤恢復等功能。除了UI、XID和TEST三種幀外，其余的LLC幀都是在類型Ⅱ操作中使用的。LLC協(xié)議的實現(xiàn)可采用兩種方法：只支持類型Ⅰ操作的LLC和同時支持兩種類型操作的LLC，具體取決于網(wǎng)絡產(chǎn)品開發(fā)商。

2.3.3流量控制算法數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能是采用流量控制(簡稱流控)和差錯控制技術(shù)將不可靠的物理鏈路變成可靠的數(shù)據(jù)鏈路。因此，不論HDLC規(guī)程還是LLC協(xié)議，都采用了某種流量控制和差錯控制技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的同步控制和可靠傳輸。流量控制是一種協(xié)調(diào)發(fā)送站的發(fā)送速率和接收站的接收速率一致性的數(shù)據(jù)傳輸同步技術(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送站將數(shù)據(jù)封裝成若干幀發(fā)送出去，發(fā)送速率是指生成和發(fā)送幀的速率，它是以每秒發(fā)送的幀數(shù)(f/s)為速率單位的，而一個幀內(nèi)數(shù)據(jù)的傳送速率則取決于物理層接口的能力，它是以每秒傳送的位數(shù)(b/s)為速率單位的，兩者是不同的。

接收站將接收到的數(shù)據(jù)幀先暫時存放在接收緩沖區(qū)中，然后再進行必要的處理，如幀頭有關(guān)字段處理、數(shù)據(jù)組裝處理等。接收速率是指從接收緩沖區(qū)取出幀進行處理的速率，它是以每秒處理的幀數(shù)(f/s)為速率單位的。如果發(fā)送速率大于接收速率，接收站就會來不及處理接收到的數(shù)據(jù)幀而產(chǎn)生接收緩沖區(qū)溢出，造成數(shù)據(jù)幀丟失，這種現(xiàn)象稱為同步失調(diào)。如果發(fā)送速率遠小于接收速率，接收站就會一直處于等待狀態(tài)，造成介質(zhì)空閑，介質(zhì)利用率過低。通過流控技術(shù)可以有效地解決同步失調(diào)和高效利用介質(zhì)問題。

停止—等待協(xié)議通信雙方的同步失調(diào)問題主要采用應答機制來解決。所謂應答機制是指發(fā)送站發(fā)送一個幀后要停下來等待接收站的應答幀，只有接收到應答幀后才發(fā)送下一個幀；接收站的接收緩沖區(qū)容量只能存放一個數(shù)據(jù)幀，在處理完一個數(shù)據(jù)幀后才發(fā)送應答幀，指示發(fā)送站發(fā)送下一個幀?；谶@種應答機制的通信協(xié)議稱為停止－等待協(xié)議，其工作流程如圖2.8所示。

滑動窗口協(xié)議停止－等待協(xié)議中的應答機制雖然解決了通信雙方的同步問題，但一幀一應答的同步方法的通信效率過低，不能充分利用介質(zhì)帶寬。為了提高介質(zhì)利用率，可以采用多幀一應答的同步方法，即接收站的接收緩沖區(qū)容量可以存放n個幀；發(fā)送站可連續(xù)發(fā)送n個幀后再停下來等待接收站的應答幀，當接收到應答幀后再發(fā)送下n個幀；接收站在處理完接收緩沖區(qū)中的n個數(shù)據(jù)幀后發(fā)送應答幀，指示發(fā)送站發(fā)送下n個幀?；谶@種多幀應答機制的通信協(xié)議稱為滑動窗口協(xié)議。在滑動窗口協(xié)議中,為了有效地進行多幀應答，每個幀都要順序地進行編號，如HDLC或LLC幀中的I幀，發(fā)送幀的序號為N(S)，應答幀的序號為N(R)。并且發(fā)送站和接收站分別要設置發(fā)送窗口尺寸和接收窗口尺寸。

發(fā)送窗口尺寸表示發(fā)送站在未收到對方應答幀的情況下能夠連續(xù)發(fā)送幀的最大數(shù)目。發(fā)送窗口的滑動可以用兩個計數(shù)器來實現(xiàn)，計數(shù)器1表示窗口上限，用來跟蹤最后發(fā)送的幀序號；計數(shù)器2表示窗口下限，用來跟蹤尚未收到應答幀的最小的幀序號。當開始發(fā)送幀時,窗口尺寸為0。每發(fā)送一個幀,窗口上限便向前滑動一格即計數(shù)器1加1)。當窗口上下限之差達到窗口最大尺寸時,表示包含在窗口內(nèi)的各個編號幀均已發(fā)送出去,尚未收到對方的應答幀,這時發(fā)送站要停下來等待對方的應答。每當接收到對方的應答幀后,窗口下限按應答幀的序號n向前滑動n格(即計數(shù)器2加n)。這時,發(fā)送站又可以發(fā)送后續(xù)的各個幀了。

接收窗口尺寸表示可連續(xù)接收幀的最大數(shù)目，它與接收站的接收緩沖區(qū)容量有關(guān)。接收窗口的滑動用一個計數(shù)器來實現(xiàn)。接收站只處理包含在接收窗口內(nèi)的各個幀，每當接收窗口中的n個幀全部處理完后，才發(fā)送應答幀，應答幀的序號為n，表示前n-1個幀已經(jīng)正確接收，下次希望接收的是從n號開始的幀。并且接收窗口按窗口尺寸m向前滑動m個窗口(即計數(shù)器加m)，接收站又可以接收后續(xù)的各個幀了。窗口的最大尺寸受幀序號字段長度的限制，因為在一個窗口內(nèi)，幀序號不能重復。例如，在HDLC或LLC幀中，如果序號字段長度為3位，則窗口的最大尺寸為23-1=7；如果序號字段長度為7位，則窗口的最大尺寸為27-1=127。

滑動窗口協(xié)議既解決了介質(zhì)利用率問題，又解決了多幀應答的同步問題，并且支持全雙工通信方式。它是一種被廣泛應用于各個層次面向連接通信協(xié)議中的流量控制，如面向連接的HDLC協(xié)議、X.25協(xié)議以及TCP協(xié)議?；瑒哟翱趨f(xié)議可分成固定窗口法和動態(tài)窗口法兩種。固定窗口法中的窗口尺寸是固定不變，實現(xiàn)起來比較簡單，但不能自適應網(wǎng)絡負載的變化，靈活性較差，如HDLC協(xié)議和X.25協(xié)議都采用固定窗口法。在動態(tài)窗口法中，發(fā)送窗口尺寸將根據(jù)接收站通報的接收緩沖區(qū)容量而動態(tài)設置，使發(fā)送站能夠自適應網(wǎng)絡負載的變化，更加有效地利用介質(zhì)帶寬，但實現(xiàn)起來比較復雜。2.3.4差錯控制算法

差錯檢測差錯檢測機制的基本思想是對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實施抗干擾編碼,并以此來檢測數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤。具體地說，通信規(guī)程必須在數(shù)據(jù)幀中設有一個幀校驗碼字段，并規(guī)定它所采用的幀校驗碼編碼方法。在數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送站對數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)碼元進行幀校驗編碼，編碼結(jié)果存放在幀校驗碼字段上，并隨數(shù)據(jù)幀一起傳送給接收站。接收站接收到數(shù)據(jù)幀后,采用相同的編碼方法對數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)碼元進行編碼，并與幀校驗碼字段上的校驗碼進行比較，以檢驗它們之間的一致性。如果不一致,則說明傳輸有差錯,需要采用某種方法來糾正錯誤。

校驗碼主要有奇偶校驗碼、循環(huán)冗余校驗CRC(CycleRedundancyCheck)碼等。由于CRC碼比較可靠,且易于實現(xiàn),故很多通信規(guī)程和網(wǎng)絡協(xié)議都采用了CRC碼。在國際標準中一般采用16位CRC碼和32位CRC碼,它們的數(shù)學表達式分別為:

16位:CRC=x16+x12+x5+1

32位:CRC=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

通過CRC多項式對數(shù)據(jù)序列進行校驗和計算，其計算結(jié)果作為幀校驗碼。通常，16位CRC碼用于廣域網(wǎng)的通信規(guī)程中，32位CRC碼用于局域網(wǎng)的通信協(xié)議中。

差錯糾正通過校驗碼發(fā)現(xiàn)傳輸差錯后必須予以糾正。在目前的通信規(guī)程中，基本上都是采用反饋重發(fā)糾錯法來糾正傳輸差錯的。反饋重發(fā)糾錯法規(guī)定接收站將傳輸是否正確的信息作為應答幀反饋給發(fā)送站,對于傳輸有誤的數(shù)據(jù)幀,發(fā)送站必須重新傳送,直至傳送正確為止,這樣就糾正了錯誤。在反饋重發(fā)糾錯法中，主要采用了下列機制實現(xiàn)差錯糾正的。①肯定應答。當接收站對接收到的數(shù)據(jù)幀校驗正確無誤后向發(fā)送站回送一個肯定式應答幀，表示已經(jīng)正確地接收了該幀，發(fā)送站可以繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。②超時重發(fā)。發(fā)送站在發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后開始計時，如果在一個規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到該幀的應答幀，則認為該幀出錯或丟失并重新發(fā)送該幀。③幀編號。與流量控制算法相同，每個幀都要順序地進行編號。因為接收站在正確接收到一個數(shù)據(jù)幀后回送一個應答幀，然而應答幀在傳輸過程中可能發(fā)生丟失，發(fā)送站超時后會重新發(fā)送該幀。這時，接收站將接收到兩個完全相同的數(shù)據(jù)幀，這也是一種差錯現(xiàn)象。因此，接收站必須通過數(shù)據(jù)幀的編號來排除重復幀，保持數(shù)據(jù)幀的惟一性，并通過帶編號的應答幀指出它是對哪個數(shù)據(jù)幀作出的應答。反饋重發(fā)糾錯法可基于上述的停止－等待協(xié)議和滑動窗口協(xié)議實現(xiàn)差錯控制。

1.帶有差錯控制的停止－等待協(xié)議在上述的停止—等待協(xié)議中，增加超時重發(fā)機制就可以實現(xiàn)簡單的差錯控制功能，其工作流程如圖2.10所示。這個通信協(xié)議仍是一種單幀應答協(xié)議。

2.帶有差錯控制的滑動窗口協(xié)議在多幀應答的差錯控制機制中，必須采用滑動窗口協(xié)議來解決通信雙方的同步問題。在滑動窗口協(xié)議中，允許發(fā)送站連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀后再停下來等待接收站的應答幀。在這些幀中，可能某個中間幀出現(xiàn)錯誤，而其它的幀都是正確的。發(fā)送站可采用兩種重發(fā)策略來糾正出錯的幀：一種是重發(fā)從出錯幀開始的所有幀，而不論后續(xù)的幀是否出錯，這種重發(fā)策略稱為后退n幀協(xié)議；另一種是只重發(fā)出錯幀，而保留后續(xù)正確的幀，這種重發(fā)策略稱為選擇重發(fā)協(xié)議。

(1)后退n幀協(xié)議在后退n幀協(xié)議中，通信雙方采用下列策略實施差錯控制：①發(fā)送站的發(fā)送窗口尺寸可以大于或等于1。發(fā)送站按照發(fā)送窗口尺寸連續(xù)發(fā)送各個編號幀，每發(fā)送一個幀，窗口上限向前滑動一格，直至最大的發(fā)送窗口尺寸，然后停下來等待接收站的應答幀。每當接收到一個應答幀，窗口下限向前滑動一格,發(fā)送站再按發(fā)送窗口尺寸發(fā)送后續(xù)的幀。如果窗口下限指示的幀超時沒有接收到應答幀，則重發(fā)窗口內(nèi)自超時幀起(由窗口下限指示)的后續(xù)各個編號幀。②接收站的接收窗口尺寸為1。接收站依次處理和校驗接收到的各個數(shù)據(jù)幀。如果幀的編號與接收窗口的序號相一致，并且?guī)ｒ炚_，則發(fā)送應答幀，同時接收窗口向前滑動一個窗口。

如果幀的編號與接收窗口的序號相不一致，或者幀校驗錯誤，則不發(fā)送應答幀，并且丟棄自出錯幀起的后續(xù)各個編號幀。由于應答幀在傳輸過程中可能發(fā)生丟失，發(fā)送站超時時后會重發(fā)幀，結(jié)果產(chǎn)生重復幀問題。因此，接收站必須通過接收窗口來驗證幀編號的一致性，以排除重復幀。例如，在圖2.11(a)中，發(fā)送站的發(fā)送窗口尺寸為7，發(fā)送站連續(xù)發(fā)送各個編號幀至最大窗口尺寸，然后停下來等待接收站的應答幀。如果窗口下限指示的第2號幀超時沒有收到應答幀，則重發(fā)窗口內(nèi)第2號幀及后續(xù)各個編號幀。接收站的接收窗口尺寸為1，如果發(fā)現(xiàn)第2號幀出錯，則不發(fā)送應答幀，并且丟棄第2號幀及后續(xù)各個編號幀。

(2)選擇重發(fā)協(xié)議在選擇重發(fā)協(xié)議中，通信雙方約定：發(fā)送站只重發(fā)出錯幀，而不是重發(fā)自出錯幀起的后續(xù)各個編號幀。接收站只丟棄出錯幀，而保留出錯幀以后各個正確的幀。這相當于接收窗口尺寸大于1的情況，接收站必須提供足夠的緩存空間來暫存和處理窗口內(nèi)的各個幀，當窗口內(nèi)所有的幀都正確無誤后再提交給高層協(xié)議。例如，在圖2.11(b)中，發(fā)送站只重發(fā)超時沒有收到應答幀的第2號幀，接收站只丟棄出錯的第2號幀，而保留第2號以后各個正確的幀。選擇重發(fā)協(xié)議的信道有效利用率比較高，但需要較大的緩存空間為代價。實際上，這兩種重發(fā)協(xié)議是在內(nèi)存空間和帶寬開銷上的折衷。2.4網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層為端到端傳輸數(shù)據(jù)提供面向連接的或無連接的服務。所謂端到端是指源端向目的端傳輸數(shù)據(jù)過程中可能要經(jīng)過很多中間節(jié)點，這些中間節(jié)點并不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容，而提供一種轉(zhuǎn)發(fā)設備，選擇適當?shù)穆窂睫D(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最終達到目的端。因此，中間節(jié)點的網(wǎng)絡層必須提供存儲轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇、擁塞控制以及網(wǎng)絡互連等功能，并通過網(wǎng)絡層/傳輸層接口向傳輸層提供透明的數(shù)據(jù)傳送服務。網(wǎng)絡層提供的端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務與數(shù)據(jù)鏈路層功能有很大的不同，數(shù)據(jù)鏈路層是為一個網(wǎng)段上或一段介質(zhì)上節(jié)點之間提供數(shù)據(jù)幀傳輸服務的。由于網(wǎng)絡層提供的服務是端到端的源端發(fā)送的數(shù)據(jù)要經(jīng)過很多中間節(jié)點或通信子網(wǎng)才能被傳遞到目的端，因此網(wǎng)絡層功能很多是針對中間節(jié)點定義的，如路由選擇、擁塞控制及網(wǎng)絡互連等。

2.4.1數(shù)據(jù)傳輸服務網(wǎng)絡層提供的數(shù)據(jù)傳輸服務可以是面向連接或無連接的，其中應用較廣泛的是基于無連接的網(wǎng)絡層協(xié)議，如IP協(xié)議等。網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)傳輸單位是分組(Packet)，每個分組由分組頭和分組數(shù)據(jù)兩部分組成，分組頭中包含了尋址信息和說明信息等，尋址信息指出了通信雙方的網(wǎng)絡層服務訪問點(NSAP)地址，定義了通信雙方的通信子網(wǎng)地址和子網(wǎng)中的節(jié)點地址。說明信息描述了數(shù)據(jù)傳輸時的某些特性，如服務類型、生存期等。網(wǎng)絡層分組將封裝在數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀中，作為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)部分進行傳輸，參見圖2.12。

由于網(wǎng)絡層提供了網(wǎng)絡互連服務，通過網(wǎng)絡層協(xié)議可以實現(xiàn)多個通信子網(wǎng)的相互通信。因此，網(wǎng)絡層NSAP地址指示的應當是通信雙方的通信子網(wǎng)地址和子網(wǎng)中的節(jié)點地址，利用NSAP地址，網(wǎng)絡層協(xié)議可以通過互連網(wǎng)絡將分組從源節(jié)點傳送到目的節(jié)點上。例如，IP協(xié)議是一種網(wǎng)絡層協(xié)議，它的NSAP地址就是IP地址。NSAP地址是一種由網(wǎng)絡層定義的邏輯地址，它連同分組一起封裝在數(shù)據(jù)幀中，而幀頭中的節(jié)點地址才是在物理網(wǎng)絡上標識實際節(jié)點的地址，稱為物理地址(在局域網(wǎng)中也稱MAC地址)，它是由數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義的，與具體網(wǎng)絡有關(guān)。為了在互連網(wǎng)絡上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡層協(xié)議定義了兩類節(jié)點：端節(jié)點(EndNode)和中間節(jié)點(IntermediateNode)。

端節(jié)點是一個具有通信功能的計算機系統(tǒng)，也稱主機(Host)。一次數(shù)據(jù)傳輸是從源端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)開始到數(shù)據(jù)被目的端節(jié)點全部正確接收而結(jié)束。源端節(jié)點主要完成下列功能：①數(shù)據(jù)分段。將上層協(xié)議傳送下來的較長數(shù)據(jù)報分解成若干個較短的分組，使每個分組長度不超過數(shù)據(jù)幀規(guī)定的最大數(shù)據(jù)長度，這樣才能將分組封裝在數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)字段中進行傳輸，而數(shù)據(jù)幀的最大數(shù)據(jù)長度與具體的物理網(wǎng)絡有關(guān)，如Ethernet規(guī)定數(shù)據(jù)幀的最大數(shù)據(jù)長度為1500個字節(jié)。②地址解析。將NSAP地址轉(zhuǎn)換成物理地址，并提交給數(shù)據(jù)鏈路層，以便數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議構(gòu)造數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀在物理網(wǎng)絡上的傳輸。NSAP地址轉(zhuǎn)換成物理地址是由一種稱為地址解析協(xié)議實現(xiàn)的，這一過程稱為地址解析。

2.4.2路由選擇算法網(wǎng)絡層概念是建立在互連網(wǎng)基礎上的，所謂互連網(wǎng)是各種通信子網(wǎng)通過網(wǎng)絡層互連設備(如路由器)和協(xié)議相互連接，形成一個很大的邏輯網(wǎng)絡，實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)通信，互連網(wǎng)模型如圖2.13所示。在互連網(wǎng)模型中，端節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)的分組和組裝，中間節(jié)點則基于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，負責選擇適當?shù)穆酚蓙磙D(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)分組；對于面向連接的傳輸方式，中間節(jié)點只是在建立連接時選擇一次路由，以后每個數(shù)據(jù)分組都沿著該路由進行傳輸；對于無連接的傳輸方式，中間節(jié)點要為每個數(shù)據(jù)分組選擇路由，每個數(shù)據(jù)分組的傳輸路徑可能是不同的。因此，路由選擇是中間節(jié)點網(wǎng)絡層的重要功能之一。

中間節(jié)點在選擇路由時主要基于如下原理：每個中間節(jié)點都采用適當?shù)穆酚蛇x擇算法支持路由選擇，并維持一個路由表來記錄有關(guān)路由信息，如端節(jié)點地址與線路(或端口)對應關(guān)系路由開銷等。在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時，路由器將根據(jù)數(shù)據(jù)分組的目的地址查找路由表獲取有關(guān)路由信息，并采用某種路由選擇算法計算最佳路由，然后按該路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。路由選擇的質(zhì)量關(guān)鍵在于路由選擇算法。路由選擇算法有很多種，大致可分成靜態(tài)算法和動態(tài)算法兩大類。

靜態(tài)路由選擇算法靜態(tài)路由選擇算法是指采用某種路由選擇算法預先計算出每個路由器的路由表，在路由器加電啟動時加載到路由器中。在路由器工作過程中，路由表內(nèi)容保持不變。如果網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)或其它網(wǎng)絡參數(shù)發(fā)生變化，則需要重新預先計算出各個路由器的路由表，并重新加載到路由器中。這種路由選擇算法也稱固定路由選擇算法。在靜態(tài)路由選擇算法中，有最短路徑(ShortestPath,SP)選擇和基于流量的路由(FlowbasedRouting,FR)選擇等。

1.最短路徑選擇在最短路徑選擇中，根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)將一個通信網(wǎng)絡表示成一個加權(quán)無向圖，參見圖2.14(a)。

圖中每個節(jié)點代表網(wǎng)絡中的路由器，連線代表通信線路，連線上標注的數(shù)字代表線路的權(quán)值。權(quán)值可以用線路長度、信道帶寬、平均通信量、通信費用、隊列長度、線路延時以及占用可用資源數(shù)量等加權(quán)函數(shù)計算出來。SP算法就是根據(jù)線路的加權(quán)值尋找出最短路徑。SP算法最初是由Dijkstra提出的，故也稱Dijkstra算法。

SP算法是一個逐步搜索過程，其搜索過程如下：①假如在第m步已經(jīng)搜索到一個最短路徑，該路徑上有n個距離源節(jié)點最近的節(jié)點，它們構(gòu)成了一個節(jié)點集合N；②在第m+1步，繼續(xù)搜索不屬于N的距離源節(jié)點最近的節(jié)點，并將搜索到的節(jié)點加入到N中；

在搜索過程中，每個節(jié)點用從源節(jié)點沿已知的最短路徑到本節(jié)點的距離來標注，例如，在B(2,A)標注中，B表示本節(jié)點名，2表示在最短路徑上源節(jié)點到本節(jié)點的距離(權(quán)值累加)，A表示最短路徑上的上游節(jié)點名。在初始時，由于最短路徑是未知的，故所有節(jié)點都標注為無窮大(∞)。隨著算法的進展和不斷搜索到最短路徑，節(jié)點的標注值也隨之改變，反映出一個較好的路徑。如果將該算法應用于圖2.14(a)，假設搜索從A到G的最短路徑，其搜索過程見表2.4，求出的最短路徑如圖2.14(b)所示。

每個路由器節(jié)點按照上述的SP算法計算出節(jié)點間的最短路徑，形成路由表，在路由器加電啟動時加載到路由器中。在路由器工作過程中，將根據(jù)數(shù)據(jù)分組中的目的地址查找路由表，找出最短的路徑來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。

2.基于流量的路由選擇

SP算法只是根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)計算最短路徑，而沒有考慮通信流量或負載。FR算法則考慮網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和通信流量兩方面因素進行路由選擇。在一些網(wǎng)絡中，節(jié)點之間的通信流量是相對穩(wěn)定和可預測的。在預先知道節(jié)點之間平均通信流量的條件下，采用適當?shù)乃惴▽νㄐ帕髁窟M行數(shù)學分析，可以優(yōu)化路由選擇。FR算法的基本條件是：

·必須知道網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)；

·必須知道節(jié)點之間平均通信流量；

·必須知道各條線路的容量；

·采用適當?shù)穆酚蛇x擇算法。

FR算法的基本原理是：對于一個給定的線路，如果知道該線路的負荷量和平均流量，則可以用排隊論計算出該線路的平均分組延遲。由所有的線路平均延遲可直接計算出流量加權(quán)平均值，從而得到整個網(wǎng)絡的平均分組延遲。于是，路由選擇問題就可歸結(jié)為如何找出產(chǎn)生網(wǎng)絡最小延遲的路由選擇算法。

以圖2.14為例，假設已經(jīng)預先得到該網(wǎng)絡的有關(guān)參數(shù)：網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、各條線路的平均流量F(分組/s)和線路容量C(分組/s)，并計算出各條線路的平均延遲時間T=1/(C-F)和權(quán)值，參見表2.5。通過表2.5中的參數(shù)可以求出整個網(wǎng)絡的平均延遲時間，即每條線路的平均延遲時間加權(quán)和。在本例中約為98ms。編寫不同的路由選擇算法程序，確定哪種算法求得的網(wǎng)絡平均延遲時間最小，該算法便是最好的路由選擇算法，所計算出的路徑就是最佳路由。這些計算是預先脫機進行的，可以不考慮計算開銷和費時問題。

動態(tài)路由選擇算法網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)和通信量是動態(tài)變化的，如路由器的加入或退出，網(wǎng)絡發(fā)生擁擠或阻塞等。如果路由器能夠及時獲得這些網(wǎng)絡動態(tài)變化情況，并以此作為路由選擇的依據(jù)，則會有助于路由器優(yōu)化路由選擇。動態(tài)路由選擇算法就是采用這一機理進行路由選擇的，它也稱自適應路由選擇算法?，F(xiàn)代計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)通常采用動態(tài)路由選擇算法，在動態(tài)路由選擇算法中，最常用的有距離矢量路由選擇和鏈路狀態(tài)路由選擇等兩種算法。

1.距離矢量路由選擇距離矢量路由選擇(DistanceVectorRouting,DVR)算法的基本原理是每個路由器都維護一個路由表，表中記錄有通向目的節(jié)點的最佳距離和線路，每個路由器都要與相鄰的路由器交換路由信息來更新路由表，使路由表中的信息總是反映網(wǎng)絡最新的動態(tài)變化情況。DVR算法最初應用于ARPANET中，后被其它網(wǎng)絡所采用，如DECnet、Novell的IPX協(xié)議、Apple的AppleTalk協(xié)議以及Cisco路由器等。著名的RIP(RoutingInformationProtocol)也是基于該算法開發(fā)的。

在DVR算法中，每個路由器都維護一個路由表，表中的每個表項都對應網(wǎng)絡中的一個路由器，每個表項包含兩部分內(nèi)容：一是通往目的節(jié)點的輸出線路；二是到達目的節(jié)點的距離或所需時間估算值，估算值的度量標準可以是節(jié)點數(shù)、時間延遲估算值、該路由的隊列長度等。路由器要選擇一種度量標準來估算本節(jié)點與目的節(jié)點之間的距離，如果選擇節(jié)點數(shù)，則一個距離長度為一個節(jié)點；如果選擇隊列長度，則路由器檢查每個隊列；如果選擇時間延遲，則路由器可以通過向相鄰路由器發(fā)送一個特殊的回應(Echo)分組請求對方回送帶有時間標記的分組來獲得時間延遲值。

在一個網(wǎng)絡系統(tǒng)中，每個路由器都按約定(或路由協(xié)議)采用某種度量標準來估算它到達目的節(jié)點的距離，并傳送給相鄰路由器；同時，它也會從相鄰路由器中得到類似的估算值，并以此更新路由表。這樣，路由器就可