1、5.1 物理层的定义和功能（1）物理层的定义 ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。物理层的功能 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。研究内容 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。4.1 物理层的定义和功能（2）几点说明 连接方式（点到点，点到多点）通信方式（单工，半双工，全双工）位传输方式（串行，并行）物理层的四个重要特性 机械特性(mechanical characteristics)电气特性(electri
2、cal characteristics)功能特性(functional characteristics)规程特性(procedural characteristics)4.2 物理层的特性（1）机械特性 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。常用的标准接口 ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.224.2 物理层的特性（2）电气特
3、性 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。CCITT 标准化的电气特性标准 CCITT V.10/X.26：新的非平衡型电气特性，EIA RS-423-A CCITT V.11/X.27：新的平衡型电气特性，EIA RS-422-A CCITT V.28：非平衡型电气特性，EIA RS-232-C CCITT X.21/EIA RS-4494.2 物理层的特性（3）功能特性 主要定义各条物理线路的功能。线路的功能
4、分为四大类：数据 控制 定时 地 规程特性 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。4.3 典型的物理层标准接口（1）4.3.1 EIA RS-232-C 1960年美国电子工业协会EIA提出RS-232，1963年提出RS-232-A，1965年提出RS-232-B，1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。机械特性 25芯连接器，DTE为插头，DCE为插座。电气特性 采用非平衡型电气特性，低于-3V为“1”，高于+4V为“0”，最大 20Kbps，最长15m。非平衡传输（unbalanced transmission）：所有电路共享一个公用的地线。平衡传输（balan
5、ced transmission）：每个主要电路需要两根线，没有公用的地线。4.3 典型的物理层标准接口（2）功能特性 定义了21条线，许多子集，基本与CCITT V.24兼容。Fig.2-21 规程特性 对不同的功能子集，有不同的规程。RS-232-C 有14中不同的接口类型，适合于：单工，半双工，全双工，同步，异步 RS-232-C的不足与改进 不足 传输性能低，距离短，速率低。改进 重新设计，X.21；以RS-232-C为基础改进，1977年提出RS-449。Caption:RS-232 connectors,showing wiring for three-wire connectio
6、n.4.3 典型的物理层标准接口（3）4.3.2 EIA RS-449/422-A/423-A EIA RS-449 是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口。实际上是一体化的三个标准。主要改进 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率；增加了新的接口功能，例如，回送检查；解决了机械接口问题。机械特性 37芯或9芯连接器。电气特性 与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下 其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A 和RS-423-A，20Kbps 2Mbps4.3 典型的物理层标准接口（4）功能特性 定义了30条功能线。规程特性 基本
7、上以RS-232-C为基础。4.3.3 CCITT X.21 X.21：在公共数据网PDN中进行同步操作的DTE/DCE之间的通用接口。1980年的X.21由两部分组成：“通用接口”：真正的物理层部分；用于电路交换网络的呼叫控制规程，用于DTE之间的连接，涉及到许多数据链路层和网络层的功能。4.3 典型的物理层标准接口（5）机械特性 15针连接器，ISO 4903。电气特性 采用非平衡型电气特性和平衡型电气特性。传输速率：600，2400，4800，9600，48000bps DTE使用非平衡型电气特性和平衡型电气特性；DCE使用平衡型电气特性 功能特性 定义了8条功能线。规程特性 分成四个工
8、作阶段：空闲，呼叫控制，数据传送，清除5.2.数据链路层协议的分类 介绍 高级数据链路控制（High-level Date Link ControlHDLC）规程、点到点协议（Point to Point ProtocolPPP）和帧中继FR（Frame Relay）位定时：在逐位传送的串行通信中，接收端必须能识别每个二进制位从什么时刻开始 字符定时：除了位定时外，还需要在接收端能识别每个字符从哪位开始 5.2.1 数据链路层协议的分类（续）数据链路层协议可分为异步协议和同步协议两类 异步协议 把每个字符看作一个独立的信息，在每个字符起始处同步，但各个字符之间的间隔时间是可以变化的 由于发送器
9、和接收器近似于同一频率的两个时钟（要两个时钟频率严格完全相同是不可能的）能够在一段短时间内保持同步，就可以用字符起始处同步的时钟来采样该字符中的各位，而不需要每位都严格地同步了 同步协议 把许多字符组织成一个数据块（即前面所述的帧），除在该数据块的起始处同步外，还要在后面维持固定的时钟，实际上是发送端通过某种技术将时钟混合到数据中一起发送出来，而接收端又从输入数据中分离出时钟来 5.2.1 数据链路层协议的分类（续）同步与异步的主要区别在字符之间 同步是指连续传送的字符之间是同步的 实现起来较复杂 由于同步协议是许多字符组成一个数据块发送的，它能更有效地利用信道，也便于实现差错控制和其它更强的
10、控制功能 异步则指字符之间不是同步的 典型的异步数据链路层协议是起止式异步规程 5.2.1 数据链路层协议的分类（起止式异步规程）起止式异步规程（典型的异步数据链路层协议）它是一个字符一个字符传输的，字符与字符间没有固定的时间间隔要求 00/10/10/10/10/10/10/10/10/11起始位5至8位数据奇偶校验位（可有可无）空闲或前一字符的终止位1图5.17 起止式规程传输的格式 5.2.1 数据链路层协议的分类（起止式异步规程）采用起止式规程传输ASCII字符E（1000101），并带偶校验时，应如图5.18所示 偶校验位终止位11010001起始位数 据位图5.18 起止式规程传输
11、ASCII字符E 5.2.1 数据链路层协议的分类（起止式异步规程）上图示出了一个频率为位频率16倍的接收端时钟。利用这个时钟，接收端能在一个位周期1/16时间内决定字符的开始，并按如下步骤进行后面各位采样图5.19 用16倍频时钟采样 5.2.1 数据链路层协议的分类（起止式异步规程）当检测到起始位下降前沿时将某个计数器清零。16倍频时钟的每个脉冲使计数器加1。当计数器第一次到达值8时，表示已到达起始位的中间。此时采样值应为0，并把计数器清零。若采样值不为0，那末表示一开始检测到的下降沿不是真正起始位的前沿，而可能只是一次干扰，此次检测应作废。以后，计数器每次到达值16时，就采样输入波形，将
12、采样到的数值暂存起来，并将计数器清零。采样重复直至最后的终止位被采样。如果终止位采样正确（为1），那么字符被接收，由暂存处装入寄存器。若应该为终止位处采样到逻辑值0，说明同步或者传输有问题，该次采样的字符作废，不被接收。5.2.1 数据链路层协议的分类 同步式的数据链路层规程又可分为三种 面向字符的 面向比特的 面向字节计数的 同步式面向字符的 SYN是同步字符，每帧开始处有若干个SYN。同步字符表示一帧开始。接着的SOH（Start Of Header）标志着标题的开始，也是一种特殊定义的字符，称为序始字符。标题中可以包括源地址、目标地址和路由指示等有关的信息。STX（Start of Te
13、Xt）称为文始字符，该特殊定义的字符标志着传送的数据（正文）开始。数据段中就是要传送的正文本身的内容。数据段后面可以是组终字符 ETB（End of Transmission Block）或者是文终字符ETX（End of TeXt）。块校验码可以通过横向奇偶校验产生，此时若每个字符还带有纵向奇偶校验位（如带偶校验的ASCII码），则实际上是纵横奇偶校验。面向字符同步规程的帧格式 同步式面向字符的“数据透明”：规程应有将特定模式字符也作为普通数据字符处理的能力 可以使用转义字符DLE（Data Link Escape）来完成所需的“透明”通常的做法：将每个独立的控制字符都作为普通的数据字符对待
14、，因而它可以出现在数据正文段中，而不具有通信控制的含义 而只有在这些字符紧随着一个DLE转义字符后面时才具有通信控制的含义 同步式面向字符的 字符填充 图5.21 字符填充 同步式面向字符的（小结）同步比异步的优点：避免了异步方式中许多起始和终止信号，信道的有效利用率提高了（特别是在传输较长的数据时）由于有标题字段，可以具备更为复杂的通信控制能力，校验的功能也增强了。面向字符的缺点：它和特定的字符编码集的关系过于密切，不利于兼容 为了实现“数据透明”而采用的字符填充方法，无论用硬件或软件实现起来都较麻烦，而且它也要依赖于所采用的字符编码集同步式面向比特的 介绍 定义：帧中所传输的数据可以含有任
15、意数量的比特位，不必是某一特定字符码的整数倍，而且它是靠约定的比特模式，而不是靠使用特殊定义的字符（字符的编码与字符集密切相关）来定界帧的开始和结束的 由IBM率先推出图5.22 面向比特同步规程的帧格式 同步式面向比特的 比特位的填充图5.23 比特填充同步式面向字节计数的 面向字节计数的同步 典型代表是美国原数据设备公司DEC的数字数据通信报文协议DDCMP（Digital Data Communications Message Protocol）此时在两帧间就没有同步字符了 SOH（序始）字符标志着数据帧的开始 Count后面是两位标志（Flag）位 Ack、Seq和Addr字段的功能则
16、分别存放确认帧号、帧顺序号和目的地址 两段CRC校验码，它们分别对前面的标题部分和后面的数据部分进行校验 图5.24 DDCMP的帧格式 最早由IBM开发提出SDLC(sychronous data link control),ISO修改了SDLC，成为HDLC(high level data link control)。ITU修改了HDLC，成为 LAPB(link access procedure balanced)。2.HDLC(1)特点a.协议不依赖于任何一种字符编码集；b.数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现；c.全双工通信，不必等待确认便可连续发送数据
17、，有较高的数据链路传输效率；d.所有帧均采用CRC校验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重复，传输可靠性高；HDLC从站B主站A响应（B）命令（B）a.点对点工作二种配置：即非平衡配置与平衡配置链路上用于控制目的的站称为主站，其它的受主站控制的站称为从站。主站对数据流进行组织，并且对链路上的差错实施恢复。由主站发往从站的帧称为命令帧，而从从站返回主站的帧称为响应帧。b.多点工作主站从站从站命令（）或（）响应响应c.平衡配置复合站复合站响应命令命令响应2.数据传送方式：），）,）正常响应方式（Normal response mode)特点：只有主站才能发起向次站的数据传输,而次站以响应帧的形式
18、回答主站.）异步响应方式（Asynchronous response MD),特点：允许次站向主站的数据传输，可以主动向主站发送响应帧。）异步平衡方式（synchronous balanced MD），特点：每个站都可以平等的发起数据传输，不需要得到对方复合站的允许.(3)HDLC帧格式在HDLC中，数据和控制报文均以帧的标准格式传送。完整的HDLC帧由标志字段(F)、地址字段(A)、控制字段(C)、信息字段(I)、帧校验序列字段(FCS)等组成，其格式如下：F01111110标志A8位C8位IN位FCS16位F01111110地址控制信息 帧校验序列标志标志字段(F)：标志字段0111111
19、0的比特模式，用以标志帧的起始和前一帧的终止。采用“0比特插入法”可以实现数据的透明传输。地址字段(A)：地址字段的内容取决于所采用的操作方式。在操作方式中，有主站、从站、组合站之分，每一个从站和组合站都被分配一个惟一的地址。命令帧中的地址字段携带的地址是对方站的地址，而响应帧中的地址字段所携带的地址是本站的地址 控制字段(C)：控制字段用于构成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。发送方主站或组合站利用控制字段来通知被寻址的从站或组合站执行约定的操作；相反，从站用该字段作为对命令的响应，报告已完成的操作或状态的变化。信息字段(I)：信息字段可以是任意的二进制比特串。比特串长度未做严格限定
20、，其上限由FCS字段或站点的缓冲器容量来确定，目前用得最较多的是10002000比特;而下限可以为0,即无信息字段。但是，监控帧(S帧)中规定不可有信息字段。帧校验序列字段(FCS)：帧校验序列字段可以使用16位CRC，对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验。FCS的生成多项式由CCITT V.41建议规定为 X16+X12+X5+1。(3)HDLC的帧类型。HDLC有信息帧(I帧)、监控帧(S帧)和无编号帧(U帧)三种不同类型的帧，各类帧中控制字段的格式及比特定义如下表。控制字段中的第1位或第1、第2位表示传送帧的类型。第五位是P/F位，即轮询/终止(Poll/Final)位。当P/F位用
21、于命令帧(由主站发出)时，起轮询的作用，即当该位为“1”时，要求被轮询的从站给出响应，所以此时P/F位可称轮询位(或P)；当P/F位用于响应帧(由从站发出)时，称为终止位(或F位)，当其为“1”时，表示接收方确认的结束。为了进行连续传输，需要对帧进行编号，所以控制字段中包括了帧的编号。信息帧(I帧)：信息帧用于传送有效信息或数据，通常简称I帧。I帧以控制字段第三者位为“0”来标志。信息帧控制字段中的N(S)用于存放发送帧序号，以使发送方不必等待确认而连续发送多帧。N(R)用于存放接收方下一个预期要接收的帧的序号，如N(R)=5，即表示接收方下一帧要接收5号帧，换言之，5号帧前的各帧接收方都已正确接收到。N(S)和N(R)均为3位二进制编码，可取值07。监控帧(S帧)：监控帧 用于差错控制和流量控制，通常简称S帧。S帧以控制字段第1、2位为“10”来标志。S帧不带信息字段，帧长只有6个字节即使8个比特。S帧的控 制字段的第3、4位为S帧类型编码，共有四种不同组合，分别表示：接收就绪、拒绝、接收未就绪、选择拒绝。无编号帧(U帧)U帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能，这些控制功能用于个M位(M1M5，也称修正位)来定义，可以定义气32种附加的命令或应答功能。
