數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)與技術(shù)（第2版） 課件ch08數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議國(guó)防電子信息技術(shù)叢書數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)與技術(shù)(第2版)第八章01網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念自20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算機(jī)通信已從深?yuàn)W的研究專題演變?yōu)樯鐣?huì)基礎(chǔ)設(shè)施的基本組成部分，網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用于各行各業(yè)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非?；钴S而且快速發(fā)展的新興領(lǐng)域，所以這個(gè)主題似乎顯得有點(diǎn)復(fù)雜，其中存在很多技術(shù)問題，并且每種技術(shù)都有各自的特點(diǎn)。許多公司陸續(xù)推出了各種新的、非常規(guī)技術(shù)的商用聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)。最終，由于這些技術(shù)可以用許多方法進(jìn)行組合和嫁接，從而使得聯(lián)網(wǎng)的問題變得復(fù)雜起來。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)編程用戶接觸的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和設(shè)施都是由應(yīng)用軟件提供的。某一計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)與另一計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)通信“數(shù)據(jù)通信”（DataCommunication）是指對(duì)通過物理媒介（如導(dǎo)線、電波和光束）實(shí)現(xiàn)信息傳送。由于涉及許多物理概念，數(shù)據(jù)通信似乎對(duì)我們理解聯(lián)網(wǎng)有些不相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念分組交換和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在20世紀(jì)60年代，一個(gè)新的概念使得數(shù)據(jù)通信發(fā)生了一場(chǎng)革命：分組交換。早期的通信網(wǎng)絡(luò)從電話和電報(bào)通信系統(tǒng)中演變而來，這兩種原始的系統(tǒng)只是利用一對(duì)物理導(dǎo)線將通信雙方連接起來形成一條通信線路。使用TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了一場(chǎng)革命一一因特網(wǎng)的設(shè)想。研究分組交換的許多專家一直努力尋求一種能滿足所有需求的分組交換技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念通信至少要涉及兩個(gè)實(shí)體，即發(fā)送信息的一方與接收信息的另一方。我們將看到，其實(shí)大多數(shù)分組交換通信系統(tǒng)還包含有中間實(shí)體（如分組轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備）。為保證通信成功，其中重要的一點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中所有參與通信的實(shí)體，必須在信息如何表示與溝通方面達(dá)成一致。通信協(xié)定包括許多細(xì)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念使用術(shù)語互操作性（Interoperability）來表達(dá)兩個(gè)實(shí)體進(jìn)行通信的能力，并且認(rèn)為如果兩個(gè)實(shí)體能夠相互通信而不產(chǎn)生任何誤解，那么它們就能正確地互操作。為了確保通信各方在通信細(xì)節(jié)上一致并遵從一組相同的規(guī)則，就必須制定一套精確的通信規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念圖8.1是TCP/IP和OSI分層模型示意圖。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念為了更好地理解協(xié)議是如何操作的，假定有兩臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)上都含有一套分層協(xié)議，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先將數(shù)據(jù)放置到一個(gè)分組中，然后使該分組向下傳遞通過協(xié)議的每個(gè)層次。一旦該數(shù)據(jù)分組穿過了發(fā)送計(jì)算機(jī)的所有協(xié)議層，分組就離開計(jì)算機(jī)并通過底層物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收計(jì)算機(jī)時(shí)，該分組將向上傳遞通過各協(xié)議層。如果接收計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)程收到數(shù)據(jù)后發(fā)出一個(gè)響應(yīng)，則整個(gè)過程逆向進(jìn)行。也就是說，這個(gè)響應(yīng)以同樣的方式向下傳遞通過各個(gè)層次，然后到達(dá)接收該響應(yīng)的計(jì)算機(jī)，再向上傳遞通過各個(gè)層次。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念02數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)形狀或者是它在物理上的連通性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是指用傳輸媒介互聯(lián)各種設(shè)備的物理布局，即用何種方式將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備連接起來。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，一般而言，對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，主要有星形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)、總線形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常見網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8.2所示。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)控站控制網(wǎng)絡(luò)中的從屬站對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連接。由于控制節(jié)點(diǎn)的存在，因此網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延性能并不會(huì)有太大影響，擴(kuò)展性能較好。但是一旦網(wǎng)控站遭到破壞，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將陷入癱瘓，因而抗毀能力不強(qiáng)。Link-11數(shù)據(jù)鏈即采用了這種有中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)控站，其他節(jié)點(diǎn)作為從屬站，如圖8.3所示。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在無中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)地位平等，如圖8.4所示。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意兩個(gè)站點(diǎn)之間均可以直接通信。只需指定一個(gè)節(jié)點(diǎn)擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)時(shí)間基準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)建立之后，如擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參考的節(jié)點(diǎn)失去功能，網(wǎng)絡(luò)可以指定其他節(jié)點(diǎn)擔(dān)任。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活性高，抗毀能力強(qiáng)，Link-16數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是基于這種無中心的分布對(duì)等方式的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)03數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和研究采用多層的體系結(jié)構(gòu)，如OSI和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，如圖8.1所示。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)不同層有不同的功能，采用不同的通信協(xié)議，彼此分工并相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能和性能指標(biāo)要求。需要指出的是，由于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是在分層原則（尤其是OSI）被廣泛使用之前設(shè)計(jì)出來的，其一些重要功能突破了層的界線，而且OSI體系結(jié)構(gòu)也并不完全適合Link-16數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)。OSI主要面向連接的、有線的信息通信，它規(guī)定的各層之間的聯(lián)系規(guī)則，并不完全適合數(shù)據(jù)鏈以廣播特性為主的、無線的通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)可表述如圖8.5所示的形式。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層。數(shù)據(jù)鏈路層。應(yīng)用層。傳輸層。物理層。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Link-16數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在Link-16數(shù)據(jù)鏈中，固定格式消息采用標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖封裝格式STDDP和兩倍壓縮單脈沖封裝格式P2SP時(shí)，時(shí)隙的開始一段時(shí)間不發(fā)送任何脈沖信號(hào)，這段時(shí)延稱為抖動(dòng)。抖動(dòng)的大小是由傳輸保密加密變量（TSEC）控制的。設(shè)置信號(hào)發(fā)射抖動(dòng)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，因?yàn)樗箶撤接捎诓恢蓝秳?dòng)延遲是如何隨時(shí)隙而變化，因而不能準(zhǔn)確判明時(shí)隙起點(diǎn)。數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)04無線MAC協(xié)議及其在數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用由第1章對(duì)數(shù)據(jù)鏈基本概念的論述可知，數(shù)據(jù)鏈本質(zhì)是一種高效傳輸、實(shí)時(shí)分發(fā)、保密、抗千擾、消息格式化的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。因此，數(shù)據(jù)鏈的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層體系結(jié)構(gòu)與無線通信網(wǎng)絡(luò)基本一致，不同之處在于具體各層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式不同，尤其是數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層和物理層。對(duì)于物理層來說，其主要功能是實(shí)現(xiàn)與射頻信號(hào)產(chǎn)生相關(guān)的信道編碼、調(diào)制解調(diào)、功率控制等技術(shù)，不同的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，其物理層技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式也不同。無線MAC協(xié)議及其在數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用無線通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議無線信道是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶的共享媒介，當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)傳輸，即同時(shí)嘗試接入信道時(shí)，將造成數(shù)據(jù)幀沖突（在物理信道上相互重疊）并影響接收，帶來通信性能的下降。因而信道帶寬是無線通信網(wǎng)中的寶貴資源，需要通信協(xié)議（MAC協(xié)議）提供信道共享的調(diào)度機(jī)制，安排大量用戶以相互協(xié)調(diào)和有效的方式接入信道，高效、合理地共享有限的無線帶寬資源，實(shí)現(xiàn)用戶之間的有效通信。無線MAC協(xié)議及其在數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用MAC協(xié)議的研究目的，就是確保多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)間公平、高效地共享相同的無線信道資源，它決定節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量。MAC協(xié)議的好壞直接影響無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等性能指標(biāo)的優(yōu)劣，一直是無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。在數(shù)據(jù)鏈的研究中，MAC協(xié)議強(qiáng)調(diào)在一定應(yīng)用場(chǎng)景下，將多個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)組成一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按需使用信道資源，實(shí)時(shí)可靠地傳輸作戰(zhàn)信息，最終完成作戰(zhàn)任務(wù)。無線MAC協(xié)議及其在數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要按照節(jié)點(diǎn)獲取信道的方式，分為固定分配協(xié)議、隨機(jī)接入?yún)f(xié)議、受控接入?yún)f(xié)議，如圖8.6所示。無線MAC協(xié)議及其在數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字化空地/空空通信，雖然都要求可靠、及時(shí)、準(zhǔn)確地通信，但偵察、突襲、攔截、格斗、精確打擊等不同的作戰(zhàn)任務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、通信時(shí)延、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量、業(yè)務(wù)類型及信息精度等具體指標(biāo)是不同的，其中通信時(shí)延是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的關(guān)鍵指標(biāo)之一。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的MAC協(xié)議無線MAC協(xié)議及其在數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用時(shí)隙分配算法在各節(jié)點(diǎn)分布式執(zhí)行。①節(jié)點(diǎn)首先查詢請(qǐng)求列表，各優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求隊(duì)列總數(shù)為請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)；②然后，判斷請(qǐng)求時(shí)隙