1、12本章内容 通信协议的概念和协议分层。开放系统互连参考模型（OSI-RM）。下三层通信协议。本章重点 开放系统互连参考模型以及各层功能。下三层通信协议。本章难点 OSI-RM各层关系以及通信过程。高级数据链路控制规程。3 掌握协议分层的基本概念和OSI参考模型的各层功能。掌握物理层常用接口标准：V.24/RS-232C接口。掌握高级数据链路传输控制规程：HDLC。掌握网络层协议：X.25建议。了解物理层、数据链路层和网络层的其他建议。4 5.1.1 通信协议的概念及作用 1通信协议的概念 在数据通信中把通信的发送和接收之间需要共同遵守的这些规定、约定和规程统称为通信协议。2通信协议的功能 分
2、段和重组、封装和拆装、连接控制、流量控制、差错控制、寻址、排序、复用以及附加服务等。3通信协议的组成要素 语法 语义 同步5 1分层通信的概念 协议采用分层结构，是把实现通信的网络在功能上视为若干相邻的层组成，各层完成自己特定的功能。每一层都建立在较低层的基础上，利用较低层的服务，同时为较高一层提供服务。这样通过协议分层，把复杂的协议分解为一些简单协议，再组合成总的协议。6 （1）系统 由一台或多台计算机、相关软件、外围设备、终端、操作员、物理过程及信息传递手段等组成的集合，形成了一个能够执行信息处理和信息传送的独立单元。（2）实体 OSI参考模型的每一层都执行一定的功能，功能的执行是由其系统
3、内的活动元素完成的，具有相对的独立性，称之为实体。7 （3）接口 指在相邻层之间进行数据传送的一组规则。它可以是硬件接口，也可以是软件接口。在协议分层中的接口称为“服务访问点（SAP）。（4）服务 指下一层以及以下各层通过接口提供给上层的一种能力。（5）应用进程 系统为某一具体应用而执行信息处理功能的一个元素称为应用进程。8 2OSI参考模型 由七个功能层组成。13层为低层组或下层组；47层为高层组或上层组。图5-1 OSI分层结构9 3OSI参考模型各层的基本功能 （1）物理层 提供用于建立、保持和断开物理连接的机械的、电气的、功能的和规程的特性。典型的物理层协议：RS-232C、X.21等
4、。（2）数据链路层 在终端与网络之间或网络相邻节点之间的数据链路上无差错地传送帧，并提供数据链路的建立、维持和拆除功能。常用协议有：基本型传输控制规程和HDLC。10 （3）网络层 数据交换、路由选择和流量控制等。（4）运输层 为从源端机到目的端机提供可靠的数据传输。（5）会话层 话层负责组织通信进程之间的对话，协调它们之间的数据流。（6）表示层：数据表示形式的控制层，处理应用实体间交换数据的语法。（7）应用层：实现终端用户应用进程之间的信息交换。11 4层次结构的优缺点 （1）优点 各层之间是独立的 灵活性好 结构上可分割开，便于模块化设计 易于实现和维护 促进标准化工作 （2）不足 传输效
5、率降低 功能有重复12 每一层都与对方的对等层之间有相应的协议（逻辑上的），在物理上它们之间信息的交换又必须通过它下一层提供的服务才能完成，直到物理层。图5-2 OSI和对等层协议 1OSI参考模型各层之间的关系13 相邻层之间实体的交互作用通过服务访问点（SAP）来完成。图5-3 层间接口 2OSI参考模型的层间接口14 3层间通信 OSI参考模型的不同层协议之间是互相独立的，实现方法是下一层在上一层提供的信息前面（链路层在前面和后面）增加新的协议控制信息。4OSI参考模型各层传送信息的单位 物理层，数据按位传送。数据链路层，数据按帧传送。网络层，数据以分组为单位传送。运输层，数据以报文为单
6、位传送。15图5-4 OSI参考模型的数据传送16 5.2.1 物理层功能及接口标准 1物理层的位置与接口标准 包括DTE与DCE及DCE与DCE之间的接口。ITU-T制定了V系列，X系列和I系列建议。IEEE制定了IEEE 802系列标准。EIA制定的RS-232系列标准以及RS-422A，RS-423A和RS-449接口标准。17图5-5 物理层接口的位置18 2物理层的功能 （1）在DTE和DCE及DCE与DCE接口处提供数据传输。（2）在设备之间提供控制信号。（3）提供时钟信号，用以同步数据流和规定比特速率。（4）提供电气地。（5）提供机械的连接器（如针、插头和插座）。19 物理层规程
7、描述了接口的4种基本特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。1机械特性 机械特性描述连接器即接口插件的插头（阳连接器）和插座（阴连接器）的规格、尺寸、针的数量与排列情况等。图5-6 ISO物理层连接器20 2电气特性：描述接口的电气连接方式和电气参数。（1）电气连接方式：不平衡型 半平衡型 平衡型 （2）电气参数：V.28建议 V.35建议 V.10建议 V.11建议 21 3功能特性 接口的功能特性描述了接口电路各条接口线的名称和功能。主要有V.24和X.24两个建议。每条接口线有一个功能，如V.24 每条接口线有多个功能，如X.24建议 接口线功能一般分为4类：数据线、控制线、定时线
8、和接地线。4规程特性 接口的规程特性描述了接口电路间的相互关系、动作条件和在接口传输数据时执行的事件顺序。有V.24、V.25和V.54。22 1V.24/RS-232C ITU-T的V.24建议定义了V系列接口电路的名称和功能。EIA的RS-232C建议与ITU-T的V.24建议有许多相同之处。（1）机械特性 V.24的连接器使用25针的D型插座和插头，称为DB-25连接器。引脚分为上下两排，分别有13根和12根引脚。RS-232C与V.24采用相同的连接器，只是各引脚的定义方式不同，RS-232C用英文缩写，V.24用阿拉伯数字。23 （2）电气特性 V.24和RS-232C建议中的电气特
9、性通常采用V.28建议。当电缆长度为15m时，数据传输速率最大为20kbit/s。（3）功能特性 V.24和RS-232C建议定义了接口电路中连接线的功能。从功能上可以将其分为4部分：信号地线与公共地线、数据电路、控制电路和定时电路。24图5-7 V.24与RS-232C接口电路25 针脚7：信号地（SG）：所有电路的公共地线。针脚2：发送数据（TD）：将用户数据信号由DTE送往DCE。针脚3：接收数据（RD）：用户数据信号由DCE送给DTE。针脚20：数据终端设备就绪（DTR）：由DTE发往DCE，表明DTE已做好准备，请求DCE立即接续电路。针脚6：数据设备就绪（DSR）：由DCE发往DT
10、E，表明DCE已接至线路，准备好与DTE进一步交换控制信号。针脚4：请求发送（RTS）：表明DTE有数据要发送。针脚5：清除发送（CTS）：用来指示DTE可以发送数据。针脚8：载波检测（DCD）：表示DCE已检测到远端调制解调器的载波信号。针脚22：振铃指示（RI）：用于指示DCE已收到来自信道的振铃信号。26 （4）规程特性：定义了各接口电路之间的相互关系和操作要求。图5-8 用RS-232C发送数据的典型用法27 （5）V.24和RS-232C的应用 计算机与Modem的接口；计算机与显示器终端的接口；计算机与串行打印机的接口。全双向标准连接 简化连接 DTE与DTE的连接 9针RS-23
11、2C 接口9针RS-232接口引脚功能 28 2RS-449/V.35 （1）机械特性 两种连接器：一种是37引脚的DB-37，另一种是9引脚的DB-9。（2）电气特性 采用RS-423A和RS-422A。RS-423A是半平衡电气接口电路，当DTE与DCE连接电缆长度不超过10m时，数据传输速率可达300kbit/s。RS-422A采用平衡电气接口电路，DTE与DCE连接电缆长度为10m时，数据传输速率可达10Mbit/s。（3）功能特性 RS-449的功能特性对更多条信号线作了功能性定义。（4）V.35 推荐的最高速率是2 048kbit/s，常用34引脚的连接器。29 3X系列建议 （1
12、）电气特性 由X.26和X.27规定。（2）功能特性 X.24则采用一线多功能、功能复用和用多根线的组合状态来决定工作状态等，使接口电路的数量只有11根。（3）规程特性 定义了X.20、X.21、X.20bis和X.21bis四种接口。多用X.21接口。30图5-13 X.21标准接口31 4数字网络接口建议和I系列建议 G.702建议规定了数字接口的比特率分级，我国常用数字接口速率是64kbit/和2Mbit/s接口；G.703建议定义了分级数字接口的物理/电气特性，及各种速率的接口的功能特性和电气特性。I系列建议是有关ISDN的标准。32 5光纤接口 常见的光纤接口类型有SC、ST和FC等
13、。SC为工程塑料材质的标准方形卡式接口，常用于局域网中的光纤连接；ST为工程塑料材质的圆形卡式接口；FC为金属材质的圆形螺纹接口。ST和FC接口一般用于通信网络中。33 在数据链路完成数据传输控制和管理功能的规则和程序称为数据传输控制规程。数据通信系统中将数据电路加上传输控制规程定义为数据链路，所以数据传输控制规程又称为数据链路传输控制规程。数据链路传输控制规程是通过数据链路层协议来完成的，习惯上数据链路传输控制规程也称为数据链路层协议。34 1数据链路的概念 （1）数据链路的构成 数据链路由数据电路和两端的通信控制器构。ISO的确切定义为：按照信息的特定方式进行操作的两个或两个以上的终端装置
14、与互连线路的组合体。图5-15 数据链路的构成35 （2）数据链路与物理连接 物理连接受时间限制，物理介质无时间性，是两个不同的概念。物理连接在数据链路的建立和拆除阶段是空闲的，数据链路释放后，物理连接并不一定清除。图5-16 物理连接和数据链路36 （3）传输数据过程 阶段1：接通线路。阶段2：建立数据链路。阶段3：数据传送阶段。阶段4：拆除链路。阶段5：拆线。37 2数据链路层的作用 （1）帧控制：将数据信息分为若干个码组，组成帧进行传输。（2）透明传送：用帧标志码标志。（3）流量控制：能够决定暂停、停止或继续发送信息。（4）差错控制：采用自动请求重发（ARQ）方式实现。（5）链路管理：数
15、据链路的建立、维护和释放等。（6）异常状态的恢复：数据码组不完整、应答帧丢失、码组流停止等，能够自动重新恢复到正常工作状态。38 3数据站的类型 （1）主站 （2）次站 （3）复合站 39 基本型传输控制规程是面向字符的的传输控制规程，适用于中低速异步或同步数据传输。高级数据链路控制规程（HDLC）是面向比特的传输控制规程。其特点是采用某些比特序列完成控制功能，传输效率和可靠性都高于面向字符型控制规程。是目前通信网中最常采用的通信规程。40 （1）HDLC的特点 透明传输。可靠性高。传输效率高。极大的灵活性。41 （2）HDLC的基本概念 HDLC的帧 帧是信息传输的基本单元。HDLC中所有信
16、息都以帧为单位进行传输。HDLC的链路结构 非平衡型是由一个主站和若干个次站组成。平衡型也可分成两种：一种是对称结构，指链路两端的站均由主站和次站组合而成；另一种是平衡结构，链路两端的站均由组合站构成。42图5-17 非平衡型链路结构图5-18 平衡型链路结构43 HDLC的通信操作方式 正常响应方式（NRM）异步响应方式（ARM）异步平衡方式（ABM）44 （3）HDLC的帧结构 图5-19 HDLC帧的基本格式45图5-20 “0”比特插入和删除 标志字段（F：Flag）采用8bit的01111110为标志序列，称为F标志。用于帧同步，表示一帧的开始和结束。为了使数据透明传输，采用“0”比
17、特插入技术。46 地址字段（A：Address）表示数据链路上发送站和接收站的地址。在命令帧中，地址字段标识该命令的目的站，在响应帧中标识发出响应的站。HDLC规定：全“1”比特为全站地址，用于对全部数据站的探询；全“0”比特为无站地址，用于测试数据链路的工作状态。当站的个数大于256个时，扩充为两个字节。47 控制字段（C：Control）8bit，用于表示帧的类型、帧编号以及命令、响应等。根据C字段的构成不同，可以3种类型的帧：信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）。信息字段（I：Information）链路所要传输的实际信息（用户数据及上层的控制信息）。帧校验字段（FCS：Fr
18、ame Check Sequence）帧校验字段用于对帧进行循环冗余校验，校验的范围从地址字段的第1个比特到信息字段的最后1个比特，但为透明传输而插入的“0”比特不在校验范围内。48 （4）控制（C）字段和参数 C字段决定了帧的类型，HDLC规定了3种C字段格式。图5-21 C字段格式49 信息（I：Information）帧 控制字段的第1个比特为0表示信息帧，实现数据信息的传输。在每个I帧中都包含N(S)和N(R)，N(S)指明当前发送I帧的编号，N(R)表示等待接收的I帧的编号，同时对已收到的编号为N(R)1的I帧作出肯定应答。使用N(S)和N(R)主要用于差错控制和流量控制。监控（S：
19、Supervision）帧 控制字段的第1、2比特为10表示监控帧，用于对数据链路的差错控制和流量控制，包含发送序号N(S)和接收序号N(R)。C字段的第3、4比特有4种组合，故S帧有4种格式。50 RR（接收准备好）：表示主站或从站已准备好接收I帧，并确认前面收到的至N(R)1为止的所有I帧。REJ（拒绝）：用于退回N步策略。主站或从站用它来请求重发编号为N(R)开始的所有I帧，而对编号为N(R)1及以前的I帧予以确认。RNR（接收未准备好）：主站或从站用RNR帧表示它正处于忙状态，不能接收后续的I帧，而对N(R)1及以前的I帧予以确认。SREJ（选择拒绝）：用于选择重传策略。主站或从站用S
20、REJ请求重传编号为N(R)的单个I帧，而对编号为N(R)1及以前的I帧予以确认。51 无编号（U：Uncode）帧 控制字段的第1、2比特为11表示无编号帧，用于链路的建立和拆除等多种控制功能。U帧中无顺序编号，故这些帧称作无编号帧。U帧用M字段（b3,b4,b6,b7,b8）定义了命令和响应，。（5）HDLC的运行 HDLC的运行包括I帧、S帧和U帧的交换，整个过程可以分为3个阶段：链路建立阶段、数据传送阶段和链路拆除阶段。52表5-5U帧的命令和响应名 称含义（C=命令，R响应）名 称含义（C=命令，R响应）SNRM设置正常响应模式（C）SARME设置扩展异步响应模式（C）SNRME设置
21、扩展正常响应模式（C）SABM设置异步平衡模式（C）SARM设置异步响应模式（C）SABME设置扩展异步平衡模式（C）DISC断开连接（C）RIM请求初始化模式（R）RESET重设（C）RD请求断开连接（R）SIM设置初始化（C）DM断开连接模式（R）UP无编号探询（C）UA无编号确认（R）UI无编号信息（C或R）TEST测试（C或R）XID交换标识（C或R）FRMR拒绝帧（R）53图5-22 HDLC的运行过程54 （6）HDLC的子集 LAP（链路接入规程）LAPB（平衡型链路接入规程）LLC（逻辑链路控制）LAPD（D信道链路接入规程）55 PPP是为在点对点的链路上传输多种网络层协议数
22、据包提供的一个标准方法，属于数据链路层协议。PPP的特点：能够控制数据链路的建立；能够对IP地址进行分配；允许同时采用多种网络协议；能够配置和测试数据链路；能够进行错误检测。56 1PPP的组成 链路控制协议（LCP）：LCP用于建立、设置并测试到Internet的数据链接。网络控制协议（NCP）：NCP是一簇协议，用于建立和配置不同的网络层协议。认证协议（PAP和CHAP）：在某些连接情况下，希望在允许网络层协议交换数据前对等实行认证。57 2PPP帧格式 PPP是面向字符型的，当信息字段中出现和标志字段一样的比特串“01111110”时，使用一特殊的字符填充法，解决信息透明传输。比HDLC
23、多了协议字段，兼容多种上层协议。常用协议字段：协议字段信 息 字 段协议字段信 息 字 段协议字段信 息 字 段0021HIP数据报8021H网络控制数据（NCP）C223HCHAP认证C021H链路控制数据（LCP）C023HPAP认证0023HOSI协议585.3.3 点对点协议（PPP）3PPP通信过程（1）配置和建立数据链路（2）网络层协议协商（3）数据传输阶段（4）NCP释放网络连接（5）LCP释放数据链路连接 4PPP的应用 PPPoE59 数据链路层的任务是在两个相邻节点间实现透明的无差错的信息帧传送。网络层则要把信息分组从源节点传送到目的节点。网络层协议就是要实现这种传送过程中
24、涉及的中间节点的路由选择和信息流量控制等。60 为实现源节点到目的节点之间的通信，网络层协议要解决的问题：（1）通信子网的工作方式，是采用数据报方式还是虚电路方式。（2）如何为信息分组提供路由选择。（3）怎样防止通信子网内部的拥塞和死锁。61 1X.25建议概述 X.25建议规定了DTE与DCE之间的接口。分组交换数据网也称为X.25网。（1）X.25建议的分层结构 物理层、数据链路层和分组层，对应于OSI参考模型的下3层。图5-26 X.25的分层结构62 物理层 在DTE和DCE接口处提供传输，提供控制信号，提供时钟信号，提供电气地，提供机械的连接器等。数据链路层 采用LAPB。分组层 X
25、.25的网络层称为分组层，主要负责建立连接，传输数据以及终止连接。63 （2）X.25各层信息的关系 图5-27 通过X.25各层的信息64 2X.25建议分组层 （1）分组层概述 在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道（LC）。通过逻辑信道号（LCN）来区分同每个用户呼叫有关的分组。为每个用户的呼叫连接提供有效的分组传输。提供SVC和PVC。提供建立和清除交换虚电路的方法。65 （2）分组和I帧的关系 （3）分组类型 呼叫建立分组 数据传输分组 恢复分组 呼叫释放分组图5-28 分组和I帧的关系66 （4）分组头 分组包括分组头和用户数据两部分。分组头由3个字节构成。图5-26 分组头
26、格式 67 （5）虚电路与逻辑信道的区别 虚电路是主叫DTE和被叫DTE之间建立的端到端的虚连接。逻辑信道是在DTE和DCE接口或网内中继线等逐段分配的，只在局部有意义，它代表子信道的一种号码资源。一条虚电路是由多个逻辑信道链接而成的，即经过交换机逻辑信道号会改变。每段线路的逻辑信道号在呼叫建立时分配，并且是独立进行的。虚电路有交换虚电路和永久虚电路两种，交换虚电路具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除过程；永久虚电路是在预约时由网络建立，也可以通过预约予以清除。逻辑信道号是客观存在的，可以占用和空闲，但是不会消失。68 3X.25建议分组层工作过程 （1）虚呼叫建立过程 （2）数据传输过程 （3）
27、虚呼叫清除过程 （4）分组层恢复过程 69图5-32 虚呼叫建立过程 图5-35 虚呼叫清除过程70图5-36 复位过程71 异步终端（也称起止式终端或字符终端）要想进入分组网，必须经过分组装/拆设备（PAD）。ITU-T制定了相关的标准X.3，X.28和X.29建议。图5-37 X.3，X.28和X.29协议作用范围72 （2）PAD的相关建议 X.3建议 X.3建议规定了PAD的工作特性和向终端提供的基本功能。X.28建议 定义了NPT和PAD之间的接口规程。X.29建议 描述了PAD和分组型终端之间或PAD之间的接口规程。73 1X.75的提出 X.75建议是为使不同的分组交换网之间互连
28、而制订的建议。2X.75建议的特点 （1）分为物理层、数据链路层和分组层，链路层采用LAPB规程，还支持多链路规程。（2）X.75是一个STE和另一个STE间的接口。（3）呼叫建立和释放分组，由STE透明地传送到STE，不回送。（4）在虚呼叫建立与释放分组中，X.75比X.25多一个网间业务字段，用于传送网间有关的计费及路由信息等。（5）X.25是DTE和DCE之间的接口，两者是不对称的，而X.75是DCE和DCE之间的接口，两者是对称的。74 图5-39 通过X.75的网间互连 75 PT通过电话网接入分组网时采用的协议是X.32建议。X.32是X.25的扩充，它在X.25建议基础上增加了拨
29、入、拨出功能和DTE与DCE之间的身份识别功能。76 1协议是通信双方共同遵守的约定，通信协议采用分层结构。2 OSI参考模型是国际标准化组织制定的正式标准，它提供概念性和功能性结构，利用层次结构可以把开放系统的信息交换分解在一系列层中。3OSI参考模型共分7层：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层，各层功能独立，每一层都利用下面各层提供的服务。4物理层建立在物理媒体的基础上，实现系统与物理媒体的接口。物理层接口描述了4种基本特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。常用的有V.24和RS232。77 5数据链路层是在物理层的基础上，提供相对无差错的帧传输。常用的数据链路层规程有基本型传输控制规程和高级数据链路控制规程两种。典型的数据链路层协议有HDLC、PPP等。6网络层主要实现源节点到目的节点的通信，典型的建议有X.25协议等。7PAD的相关标准有X.3、X.28和X.29建议。NPT与PAD之间的接口协议为X.28协议，而PAD内部功能按X.3操作，PAD之间、PT与PAD之间的通信协议为X.29协议。8X.75建议是分组交换网之间互连的协议，而X.32建议是PT通过电话网接入分组网时采用的协议。
