工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術(shù)教案第1頁課程題目第7講現(xiàn)場總線通信基礎（3）數(shù)據(jù)鏈路的差錯控制、流量控制和高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）課時2學時教學目的：1．了解數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)倪^程中的差錯檢測的原理；2．掌握高級數(shù)據(jù)鏈路控制操作方式。教學重點與難點：重點：高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）中數(shù)據(jù)幀的傳輸過程；難點：數(shù)據(jù)幀的傳輸過程中的滑動窗口、停止等待、自動重傳和差錯檢測。教學方法與手段：方法：講授法；手段：課堂教學。教學內(nèi)容與課時分配：1．流量控制、停止等待、自動重傳、滑動窗口；1學時2.高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）。1學時教具：作業(yè)與思考：教學后記：備注教學內(nèi)容工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術(shù)教案第2頁備注教學內(nèi)容第7講現(xiàn)場總線通信基礎（3）差錯控制、流量控制和高級數(shù)據(jù)鏈路控制數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議包括：流量控制使接收方能夠調(diào)整來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)流，防止接收方的緩存溢出。差錯檢測差錯控制對損壞幀重傳。1、數(shù)據(jù)鏈路層功能向上層（網(wǎng)絡層（對OSI），應用層（對多數(shù)現(xiàn)場總線））提供服務接口；組幀/拆幀、幀同步；差錯檢測；差錯控制：糾正傳輸位差錯；流量控制：調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流量；發(fā)送站發(fā)送幀的速度和接受站接納這些幀的速度。尋址；對于多點線路，指明站點身份。同一鏈路上控制信息和數(shù)據(jù)均存在；鏈路管理：管理數(shù)據(jù)交換的初始化、維持以及終止等工作。2、流量控制流量控制是確保發(fā)送實體發(fā)送的數(shù)據(jù)不會超出接收實體接收數(shù)據(jù)能力的一種技術(shù)；防止接收方的緩存溢出。發(fā)送時間－Transmissiontime–兩種表述；一個幀的所有位被發(fā)送到介質(zhì)上所需的時間。從一個幀的第1位被源點發(fā)送至介質(zhì)上的時刻起到整個幀被連續(xù)地完整地發(fā)送至介質(zhì)上的時刻為止所經(jīng)歷的時間。傳播時間－Propagationtime；一個位經(jīng)過鏈路從源點到終點所需的時間。3、幀傳輸模型圖3-42幀傳輸模型4、發(fā)送時間與傳播時間發(fā)送時間（傳輸時間，發(fā)送時延）—tframe；一個幀的所有位被發(fā)送到介質(zhì)上所需的時間；與幀的長度成正比；發(fā)送時間=L/R；L=以位為單位的幀長度，即幀的位數(shù)；R=鏈路的數(shù)據(jù)率（位速率），單位為bps或b/s。傳播時間(傳播時延)—tprop；一個位經(jīng)過鏈路從源點到終點所需的時間；傳播時間=d/V；d=鏈路的長度（源點與終點之間的距離），單位為m；V=傳播速度，單位為m/s；5、停止等待流量控制最簡單的流量控制形式；源實體發(fā)送一個幀；目的實體收到一個幀，并返回對剛剛收到的幀的確認，以表明自己愿意接受另一個幀；源實體發(fā)送下一個幀之前必須等待，直到收到確認；目的實體可以通過不發(fā)送確認而中止數(shù)據(jù)流；適合發(fā)送比較長的幀。6、流量控制－分割常見的情況是，源點將大數(shù)據(jù)塊分割成小數(shù)據(jù)塊，原因：接收方的緩存空間可能有限；對于較小的幀，有利于及早發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤，且需要重傳的數(shù)據(jù)量也少；防止一個站點長時間占用傳輸介質(zhì)。停止等待流量控制不適合短幀，原因：線路利用效率（鏈路利用率）不高。7、停止和等待圖3-43停止和等待8、停止等待鏈路利用率1）鏈路的位長度B：當位流完全占滿整個鏈路時，鏈路上的位數(shù)量；a）B=R×(d/v) 非導向介質(zhì)：v=3x108m/s；導向介質(zhì)：v=2x108m/s。2）傳送數(shù)據(jù)的總時間T=nTF=n(tframe+2tprop)；a）TF為發(fā)送一個幀并收到確認所需要的時間。b）TF=tprop+tframe+tproc+tprop+tack+tproc≈tframe+2tprop3）線路利用率或者效率；a）U=ntframe/（n(tframe+2tprop)）=tframe/(tframe+2tprop)=1/(1+2a)b）a=tprop/tframe4）發(fā)送時間歸一化；a）傳播時間即可表示為變量a。(a)a<1(b)a>1圖3-44停止等待鏈路利用率a的另一個表達式；對于上圖當a<1和a>1時，皆有:TF=1+2aU=1/(1+2a)例1:求ATM的鏈路利用率； L=424bits，d=1000km，R=155.52Mbps例2:求LAN的鏈路利用率；L=1000bits，d=0.1km~10km，R=10Mbps~1Gbps例3:求撥號數(shù)據(jù)鏈路利用率。L=1000bits，d=5000km，R=56kbps9、滑動窗口流量控制允許一次發(fā)送多個幀，提高鏈路利用率；接收器分配W個幀的緩存；發(fā)送器可以在沒有確認的情況下發(fā)送W個幀；每個幀都有序號字段存放序號；標識哪些幀已被確認；標識哪些幀可被發(fā)送（對發(fā)送方）；標識哪些幀可被接收（對接收方）。確認（ACK）包含的序號（幀序號）n表明；n-1個幀或第n-1個幀以及其前的幾個幀已被接收；希望接收以第n個幀開始的后W個幀。序號大小取決于序號字段的位數(shù)；k位長的序號字段：序號范圍從0到2k-1；模編號為2k；滑動窗口流量控制（sliding-windowflowcontrol）；A（發(fā)送方）維護一張允許發(fā)送的幀序號的列表；B（接收方）維護準備接收的幀序號的列表；這兩張列表都可以被認為是一個幀“窗口”；窗口是滑動的；“滑動窗口流量控制”名稱由此而來。對于給定長度的序號字段，窗口的實際大小不必等于最大值。例如在3位序號的情況下，使用滑動窗口流量控制協(xié)議的站點可以將滑動窗口大小設置成5（而不必為7）。下面的描述是針對兩個由全雙工鏈路連接的站點A和B之間的數(shù)據(jù)（幀）的傳輸。(a)從發(fā)送者的角度觀察(b)從接收者的角度觀察圖3-45滑動窗口的描述10、發(fā)送方滑動窗口當發(fā)送出數(shù)據(jù)時，滑動窗口從左邊開始收縮；當收到確認時，滑動窗口向右擴展。圖3-46發(fā)送方滑動窗口11、接收方滑動窗口當接收到數(shù)據(jù)時，滑動窗口從左邊開始收縮；當發(fā)送確認時，滑動窗口向右擴展。圖3-47接收方滑動窗口12、滑動窗口協(xié)議實例RR（接收就緒）3的含義是：“我已經(jīng)接收到2號幀以及以前的所有幀，并且已經(jīng)準備接收以3號幀為首的后7個幀。”圖3-48滑動窗口協(xié)議實例（一）圖3-49滑動窗口協(xié)議實例（二）13、滑動窗口的改進允許站點通過發(fā)送接收未就緒（RNR）(ReceiveNotReady)的報文來中斷對方的幀流；確認了前幾個幀；但禁止繼續(xù)發(fā)送后面的幀；RNR5的含義：“我已經(jīng)接收到第4號幀以及之前的所有幀，但是無法接受更多的幀。”站點必須發(fā)送一個正常的確認幀來重新啟動滑動窗口；若是雙向傳輸，則可使用“捎帶”(piggybacking)確認技術(shù)。每個數(shù)據(jù)幀包括幀序號字段和確認序號字段；無數(shù)據(jù)發(fā)送時，使用獨立的確認幀；如果只需發(fā)送數(shù)據(jù)而沒有新的確認，那么也須重新發(fā)送上一次已經(jīng)發(fā)送過的確認序號。14、差錯控制差錯控制：檢測和糾正幀傳輸過程中出現(xiàn)的差錯的機制；承認可能存在以下兩種類型的差錯：丟失的幀：幀沒有到達另一方；損壞的幀：一個可辨認的幀到達，但其中的一些位有差錯。最常用的差錯控制技術(shù)：差錯檢測；肯定確認：終點為成功接收到的、沒有差錯的幀返回一個肯定確認；超時重傳：在預定時間沒有收到確認的情況下，源點會重新傳輸一個幀；否認與重傳：終點為檢測到差錯的幀返回一個否認；源點重新傳輸這些幀。15、ARQ——自動重傳請求上述機制都稱為自動重傳請求(automaticrepeatrequest，ARQ)，作用：使不可靠的數(shù)據(jù)鏈路變得可靠。有三種ARQ已經(jīng)形成標準：停止等待ARQ（stop-and-waitARQ）；返回NARQ(go-back-NARQ)；選擇拒絕ARQ(selective-rejectARQ)。16、停止等待ARQ基礎是前面介紹過的停止等待流量控制技術(shù)；源點發(fā)送一個幀之后，必須等待一個確認(ACK)。發(fā)送器發(fā)送一個幀，等待ACK；對于損壞的幀，接收器檢測出差錯，丟棄這個幀；對于丟失的幀，接收器不知這個幀已被發(fā)送，自然不會返回；確認。針對這種差錯：發(fā)送器設置定時器：超時，沒有收到確認，重傳同一個幀；（要求發(fā)送器保留發(fā)送幀的副本，直至接收到這個幀的確認）。ACK損壞，發(fā)送器無法辨認。重傳；接收器接收到兩個互為副本的幀；使用ACK0和ACK1。圖3-50停止等待ARQ17、返回NARQ——基本信息NARQ是最常用的基于滑動窗口流量控制的差錯控制形式；站點發(fā)送的是以某個最大值為模的順序編號的幀序列；沒有收到確認的幀的最大數(shù)目取決于窗口大小。無差錯時，終點肯定確認（RR=接收就緒或捎帶的確認）接收到的幀；現(xiàn)設站點A正在向站點B發(fā)送幀。在每次發(fā)送之后，A為剛被發(fā)送的幀設置確認定時器；假設B已經(jīng)成功接收到前面的幀i-1，并且A剛剛發(fā)送了幀i。返回NARQ技術(shù)對下述異常事件做出反應。1）對存在損壞的幀的處理B檢測到幀i出錯，會為該幀發(fā)送一個否認（REJ=拒絕）REJi，并且丟棄該幀以及其后接收到的所有幀，直至（原來）有差錯的幀被正確地接收到。REJi的含義：幀i被終點拒絕（丟棄），或終點根本沒有收到過幀i；源點需重發(fā)幀i以及該幀之后的所有已發(fā)送過的幀。A接收到REJi后，必須重發(fā)（原來）有差錯的該幀（幀i）以及之后的所有已發(fā)送過的幀。2）對存在丟失的幀的處理A發(fā)送的幀i丟失；B不知幀i的存在（不知A已發(fā)送了幀i、B該收到它），暫且不做任何動作。分兩種情況：A接著發(fā)送幀i+1。在合理時間內(nèi)，A接著發(fā)送幀i+1。B收到幀i+1后發(fā)現(xiàn)次序不對，于是發(fā)送一個REJi。A收到REJi后，必須重發(fā)幀i以及所有的后續(xù)幀。A并沒有立即發(fā)送其他幀。A并沒有立即發(fā)送其他幀；B沒有收到幀i以及后續(xù)幀，并且B既不返回RR，也不返回REJ。A的定時器會超時，A會發(fā)送一個RR幀，其中包含一個稱為P位的位，P位的值被置為1。B將這個RR幀中的P位為1解釋成一條命令：要求B必須通過發(fā)送一個RR響應信號，來表明自己希望接收到的下一個幀，這里為幀i。A收到B的RR響應后，重發(fā)幀i。另一種情況:A的定時器超時，A也會重發(fā)幀i。3）對存在丟失或損壞的RR的處理。B接收到幀i并發(fā)送了RR(i+1)，而它在傳輸時丟失。分兩種情況：A的定時器未超時；因確認是累積的，故在A發(fā)送了幀(i+n)(n=1,2,…)后，A有可能會接收到B的下一個幀的RR（RR(i+n+1)），并且這個RR在幀i的定時器超時之前到達。在這種情況下，A會發(fā)送后續(xù)幀。A的定時器超時A會發(fā)送一個RR命令，如2(b)中的情況；A還會設置另外一個定時器，稱為P位定時器。B響應這個RR命令，做出相應的行為，如同2(b)中的B的行為。如果B沒有響應這個RR命令，或者RR響應丟失或被損傷，那么A的P位定時器會超時。在這種情況下：A會通過發(fā)送一個新的RR命令重試一次，并重新啟動P位定時器。這一過程將重復數(shù)次。在重試的次數(shù)超過一個最大值后，若A還沒有獲得確認，則A啟動復位過程。4）對存在丟失或損壞的REJ的處理如同前面的2(b)圖3-51返回NARQ例子18、選擇拒絕ARQ——基本原理與要求選擇拒絕ARQ也叫選擇重傳ARQ；被重傳的只有那些接收到否認的幀或超時的幀；否認稱為SREJ；SREJi的含義：幀i被終點拒絕（丟棄），或終點根本沒有收到過幀i；源點只需重傳幀i。重傳幀的數(shù)量降低到了最小；終點必須維護一個足夠大的緩存，以便保存拒絕幀（SREJ）后收到的幀；終點具有能夠按照正確的順序重新插入重傳幀的邏輯；源點也需要具有能夠發(fā)送失序幀的更為復雜的邏輯。圖3-52選擇拒絕ARQ——應用與例子選選擇拒絕ARQ比返回NARQ應用少。因其復雜。選擇拒絕ARQ可用于衛(wèi)星鏈路。因其傳播時延很長。19、高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－站點類型HDLC(IS03009，IS04335)是最重要的數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議；本身使用最廣泛；還是其他許多重要數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議的基礎。HDLC定義了三種類型的站點；主站；控制鏈路操作；發(fā)出的幀稱為命令；為鏈路上的每個從站維護獨立的邏輯鏈路。從站；在主站的控制下操作；發(fā)出的幀稱為響應?；旌险?。結(jié)合了主站和從站的特點；發(fā)出的幀可以是命令或者是響應。HDLC定義了兩種鏈路配置非平衡配置；由一個主站及一個或多個從站組成；可支持全雙工或半雙工傳輸。平衡配置。由兩個混合站組成；可支持全雙工或半雙工傳輸；HDLC定義了三種數(shù)據(jù)傳送操作方式正常響應方式(NRM)；非平衡配置；主站初始化到從站的數(shù)據(jù)傳送；從站只通過發(fā)送數(shù)據(jù)來響應主站的命令；用于多點線路，多個從站連接到一個主站；主站對每個從站進行輪詢并采集數(shù)據(jù)；有時也用于點對點鏈路，即一個主站通過鏈路連接一個從站。異步平衡方式(ABM)；平衡配置；兩個混合站都能夠初始化數(shù)據(jù)傳輸，不需要得到對方許可；使用最廣泛，沒有用于輪詢的額外開銷，故有效地利用了全雙工點對點鏈路。異步響應方式(ARM)。非平衡配置；在主站沒有明確允許下，從站能夠初始化傳輸；主站仍對線路全權(quán)負責，包括初始化、差錯恢復以及鏈路的邏輯斷開；很少被使用，用于從站需要發(fā)起傳輸?shù)哪承┨厥鈭龊稀?0、高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－幀結(jié)構(gòu)使用同步傳輸、所有傳輸均以幀的形式進行、一個獨立的幀格式就能完全滿足各種類型的數(shù)據(jù)和控制交換。幀格式圖3-53高級數(shù)據(jù)鏈路控制幀格式幀的首部（頭部）(header)：位于信息（數(shù)據(jù)）字段之前的標志字段、地址字段以及控制字段統(tǒng)稱為首部（頭部）。幀的尾部（trailer）：跟在數(shù)據(jù)字段后面的FCS和標志字段稱為尾部。標志字段的值（位模式）：01111110，在幀的兩端起定界作用某個標志字段可能既是一個幀的結(jié)束標志，也是下一個幀的起始標志接收方搜索標志序列（01111110）用于幀起始同步為避免在幀中間的某個地方出現(xiàn)01111110模式而破壞同步，使用一種稱為位填充(bitstuffing)的處理過程位填充過程：在幀的傳輸起始標志和結(jié)束標志之間，每當出現(xiàn)連續(xù)的5個1之后，發(fā)送器就會插人一個附加的0。接收器在檢測到起始標志后，會時刻注意總線位流，一旦發(fā)現(xiàn)有連續(xù)的5個1的模式出現(xiàn)，就會檢查下個位（第6位）。若是0，則刪除，即恢復原始數(shù)據(jù)；若是1，且第7為是0，則被認為是標志字段；若第6位和第7位都是1,則接收方指明此時應處于異常終止狀態(tài)。圖3-54位填充21、高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－地址字段標識了傳輸該幀或準備接收這個幀的從站；通常為8位；可以使用擴展格式，長度是7位的倍數(shù)，每個八位組的最低位是1或0取決于它是不是字段的最后一個八位組；八位組地址11111111，讓主站廣播幀，所有從站都能接收到幀。22、高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－控制字段HDLC定義了三種類型的幀，每種類型都具有不同的控制字段格式；信息幀（I幀）；攜帶的是向用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；使用ARQ