从而提高了Modem的有效传输速率课件.ppt

第四讲广域通信网西南林学院计算机与信息科学系,广域网,广域网的基本概念 广域网是地理分布范围在几十公里至几千公里，可以连接不同城市、不同国家、遍及全球的计算机网络。广域网可看作是局域网利用公用通信网络、互连设备连接起来的、可以实现远距离数据通信的计算机网络。,常用的广域网技术,公共交换电话网(PSTN)Public Switch Telephone NetworkX.25公共数据网帧中继网综合业务数字网（ISDN)ATM,公共交换电话网(PSTN),公共交换电话网全称是：Public Switch Telephone Network该网最初是为了话音通信而建立的网络，从20世纪60年代开始又被用于数据传输其特点是：采用电路交换现有网络设施完善，价格便宜传输速率低，最多达56Kbps采用模拟传输，抗干扰能力差将逐步被其他网络取代,X.25网,X.25标准X.25是CCITT在1974年建议、后经多次修订的公用分组交换网接口的标准，其重要特征是：只要网络产品制造商按此接口标准生产相应产品，就可应用于公用分组交换网，而不管其内部采用何技术手段实现。X.25所规定的接口在工作时的示意图如图所示。,X.25网络提供的服务是虚电路服务，图中的两条虚线VC1、VC2代表两条虚电路。X.25的接口分为三个层次，最下层为物理层、传送比特流；中间是数据链路层，传送数据帧；最高层是分组层，传送数据分组。其层次关系如图所示。(见书上P68页）,X.25的规定的DTEDCE接口,X.25的层次关系,帧中继网(P86页）,帧中继技术是在分组交换技术充分发展，数字与光纤传输线路逐渐代替已有的模拟线路，用户终端日益智能化的条件下诞生并发展起来的。帧中继是一种简单的面向连接的分组电路，是基于开放系统互连模型的数据链路层，此项技术的开发既可满足局域网互连所需的大容量的传送，也可满足用户对数据传输延时小的要求。其具有吞吐量大、时延小、适合突发性业务等特点，能充分利用网络资源。,综合业务数字网ISDN（P94页）将多种业务集成在一个网内，为用户提供经济有效的数字化综合服务，包括电话、传真、可视图文及数据通信等。ISDN使用单一入网接口，利用此接口可实现多个终端(ISDN电话、终端等)同时进行数字通信连接。ISDN的组成部件当多个设备同时接入一条ISDN线路时，可能需要网络终端、终端适配器、用户终端等设备，如图所示。,ATM(P97页）,ATM(异步传送模式)是一种传递模式，在这一模式中，信息被组成固定长度的信元在电信网中进行复用、交换、传输。它综合了电路交换和分组交换的优点，可传送任意速率的宽带信号，可传输话音、数据、图像和视频业务。,公众电话网络(PSTN)是目前普及程度最高、成本最低的公用通讯网络，它在网络互连中也有广泛的应用。尽管现在已经有许多速度更快、性能更好的接入技术，如后面将要介绍的ISDN、ASDL和Cable Modem等，但使用Modem接入仍然是接入Internet的一种选择。如图所示为Modem接入方式。,PSTN与Modem接入,Modem接入方式,1物理层概述 物理层是OSI参考模型的最低层，也是最基础的一层，它并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体，它向下是物理设备之间的接口，直接与传输介质相连接，使二进制数据流通过该接口从一台设备传给相邻的另一台设备，向上为数据链路层提供数据流传输服务。,公共交换电话网(PSTN)的物理层,公共交换电话网(PSTN)的物理层,1物理层概述 物理层主要考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流。物理层上的协议有时也称为接口。物理层协议主要规定物理信道的建立、保持及释放的特性，这些特性包括机械的、电气的、功能的和规程的4个方面特性。,公共交换电话网(PSTN)的物理层,在这里引入两个名词：DTE（Data Terminal Equipment）DCE（Data Circuit Equipment）DTE叫做数据终端设备，是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备，是数据的源或目的。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并且负责建立、保持和释放物理信道的连接。,公共交换电话网(PSTN)的物理层,DTE与DCE之间的接口,通信接口及设备,广泛使用的通信设备接口标准有：EIA RS-232C；EIA RS-499；ITU-T建议的X.21等标准。RS(Recommended Standard)表示推荐标准，232、499等为标识号码，而后缀（如RS-232C中的C）表示该推荐标准被修改过的次数。ITU-T也有一些相应的标准。与EIA RS-232C兼容的ITU-T V.24建议，与EIA RS-422兼容的ITU-T V.10等。,EIA RS-232C接口,在串行通信中，EIA RS-232C是应用最为广泛的标准，EIA在1969年公布的数据通信标准，其后为了改进RS-232C的局限性，提供更高的传输距离和数据速率，增加了新的功能，如环路测试功能，在1977年颁布了RS-499。由于RS-499标准太复杂，EIA于1987年颁布了与RS-232C兼容的改进版RS-232D。发送和接收数据的计算机或终端系统，称为数据终端设备（DTE），如计算机。用来实现信息的收集、处理和变换的设备称为数据通信设备（DCE），如调制解调器。,RS-232C接口的特性,RS-232C使用9针或25针的D型连接器DB-9或DB-25。目前，绝大多数计算机使用的是9针的D型连接器。RS-232D规定使用25针的D型连接器。RS-232C采用的信号电平515V代表逻辑“1”，515V代表逻辑“0”。在传输距离不大于15米时，最大速率为19.2kbps。,RS-232C接口各针脚的功能定义,RS232接口DB-9和DB-25的对应关系,RS-232接口的应用,异步应用两个DTE（计算机）设备通过电话线进行异步通信，并使用调制解调器作为数据通信设备。同步应用两个DTE设备通过RS-232C进行同步通信，使用DB-25针接口的第17和第24针脚提供外同步的时钟信号，实现数据的收发。由于9针的RS-232C接口不能提供时钟信号，因而不能进行同步通信。,RS-232接口的空Modem连接,当近距离的两个DTE之间进行通信时，可以不使用Modem，而是采用空Modem连接方式例如，两个DTE之间分别采用两个25针和两个9针RS-232C接口的空Modem连接方式。,空Modem的简单连接方式,在实际应用中，DTE与DCE之间、DTE和DTE之间可以使用最简单连接方式DTE与DCE相连时，DTE和DCE对应的针脚直连，且只需要使用发送TD、接收RD和信号地SIG。对于DTE与DTE相连时，相对的发送和接收针脚需要交叉相连，因此，有时也把空Modem线称为串口交叉线。,RS-232C接口的工作流程,RS-232C接口的工作流程是指按照各个针脚的状态有序地实现数据传输。例如：两个DTE之间采用租用线路实现全双工同步数据传输的全过程。建立连接阶段；数据传输阶段；释放连接阶段；,EIA RS-449接口,由于RS-232C标准采用的信号电平高，为非平衡发送和接收方式，而且其接口电路由于有公共地线，当信号线穿过电气干扰环境时，发送的信号将会受到影响，若干扰足够大，发送的“0”会变成“1”，“1”会变成“0”，所以存在数据传输速率低，传输距离短，串扰信号较大等缺点。为了改善RS-232C的性能，提高抗干扰能力，增加传输距离，EIA推荐了和RS-232C完全兼容的RS-449接口标准。,RS-449/V.35标准,RS-449标准规定的接口特性与CCITT V.35一致；采用37针和9针连接器，其中37针连接器包含了与RS-449相关的所有信号；每一个信号线均需采用一对导线；通过测试线可以自环进行测试，以检验通信设备是否有故障；RS-449有两个子标准，即平衡式的RS-422A标准和非平衡式的RS-423A标准。RS-423-A：规定电气特性为非平衡传输，有公共地，电缆长度10米，最大数据率为100kbpsRS-422-A：规定电气特性为平衡传输，无公共地，电缆长度100米，最大数据率为1Mbps;,X.21建议书,X.21是ITU-T推荐的数字接口，用于在公用数据网上进行同步操作的DTE和DCE之间的通用接口。X系列的X.21bis可以将X.21转换为适合于模拟信道的接口，起到从模拟信道过渡到数字信道的作用。机械特性：15根引脚；功能特性：8条信号线；,X.21接口的工作流程,X.21接口标准规定了在建立和释放呼叫，DTE与DCE之间交换的信息（DCE表示DTE和网络接口的设备）C:控制电路T:发送电路R:接收电路I:指示电路X.21bis 建议用于EIA-232-D/V.24设备 的过渡，使用模拟信道，DCE为同步MODEM；,调制解调器,Modem是为数字信号在具有有限带宽的模拟信道上进行远距离传输而设计的，是一种数据通信设备DCE。其主要功能是进行信号的调制和解调，在DTE和模拟传输线路之间起到数字信号与模拟信号之间的转换作用。计算机也可以通过Modem的传真和语音功能，发送传真以及提供电话录音留言和全双工的免持听筒服务。,调制解调器的组成,Modem一般由基带处理、调制解调、信号放大和滤波、均衡等几部分组成。,调制解调器的分类一,按通信设备分类可分为：拨号Modem拨号Modem主要用于公用电话网上传输数据。拨号Modem具有在性能指标较低的环境中进行有效操作的特殊性能。多数拨号Modem具备自动拨号、自动应答和自动拆线等功能。专线Modem专线Modem主要用在专用线路或租用线路上，它不必带有自动应答和自动拆线功能。专线Modem的数据传输率比拨号Modem要高。,调制解调器的分类二,按Modem速度分类传输速率在1200bps以下的为低速Modem，12009600bps之间的为中速Modem，9600bps以上的为高速Modem。按Modem调制方式分类一般Modem产品的调制方式有频移键控、差分相移键控、正交幅度调制等。按Modem内部控制方式分类分为智能Modem和非智能Modem两类。智能Modem的内部控制逻辑由微处理器实现，它能够接收一系列Modem控制命令（AT命令集）来完成通信过程的控制，并具有自动拨号、重复拨号、选择传输速率等功能。,调制解调器的分类三,按数据传输方式分类同步Modem异步Modem,调制解调器的分类四,按Modem与计算机的连接方式分类外置式Modem内置式Modem,调制解调器的标准,Modem标准主要是按ITU-T V系列建议的标准。,关于56K的调制解调器,对于56K的调制解调器，ITU-T为其制定的标准为V.90，它是一种传输速率非对称的调制解调器，其下行传输速率可以达到56Kbps，但上行传输速率是33.6Kbps。在用户使用56K的Modem拨号连接Internet时，只有当提供拨号接入的ISP具有数字中继线时，才可以使用用户Modem的下行传输速率达到56Kbps。若两个用户使用56Kbps的Modem进行直接拨号连接时，Modem的传输速率最高只能达到33.6Kbps。,调制解调器的压缩标准,数据压缩指的是发送端的Modem在发送数据以前先将数据进行压缩，而接收端的Modem收到数据后再把数据还原，从而提高了Modem的有效传输速率。通常使用的压缩技术有两种：ITU-T规范ITU-T规范的V.42bis标准，使用的是Huffman（霍夫曼）编码技术。Huffman压缩技术非常适合于压缩文本数据文件。Microcom网络协议MNP（Microcom Networking Protocol）：MNP是一组独立的差错控制和数据压缩标准，MNP有几种压缩编码方式。MNP5：在一行中发现有3个以上相同字符时则发送该字符及重复个数，从而达到压缩目的。对于图表文件，使用这种协议达到的压缩比很高，MNP5可以实现21的压缩比。MNP 7：根据字符对的频率进行编码字符，进一步提高压缩能力，MNP7的压缩比可以达到31。,调制解调器的差错技术标准,对于高速Modem，线路中的瞬间噪声可使Modem产生多位错误。因此必须采用差错控制技术，制定相应的标准。常用的差错控制标准有ITU-T和MNP标准ITU-T标准ITU-T的差错控制标准是V.42。MNP标准MNP标准使用的最广泛。MNP5和MNP7定义了数据压缩技术，MNP14以及MNP10用于描述差错控制技术。MNP4差错控制标准的Modem已得到广泛应用。V.42把MNP4作为选项。如果某个Modem应答时不支持V.42标准，则可用MNP4方式，从而做到兼容。MNP10是功能非常齐全的差错控制协议，可用于像蜂窝电话这样的噪声环境。使用ITU-T V.42和MNP4协议的Modem可以协商传输速率。如果通信线路在某个速率条件下连续出错次数超过一个设定值，则通信双方的Modem降低速度，直到可以正常传输数据为止。,数据链路层,4.1 数据链路层的基本概念4.2 数据链路控制协议4.3 流量控制4.4 高级数据链路控制协议HDLC4.5 因特网的点对点链路协议PPP,4.1 数据链路层的基本概念,物理层的问题：物理链路是有差错和不可靠的。物理设备之间可能存在传输速度不匹配的问题。数据链路层的作用：通过一些数据链路控制协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。,物理链路与数据链路,物理链路 是一条无源的点到点的物理线路段。其间无交换节点，但可以有中继器。网络中两台计算机之间的通路可以由多条链路串接而成。数据链路是在物理链路上通过控制协议建立起来的逻辑链路。一条物理链路上可以建立多个数据链路。,把实现这些协议的硬件和软件加到物理链路上，就构成了数据链路。,节点,帧的概念,数据链路层协议传送的数据单元(PDU)称为“帧”，是由网络层的协议数据单元以一对一的方式封装而成。数据链路就象一个数字管道，“帧”就是这条数字管道上传输的数据单元。“帧”如同信件一样，封套上载有源地址和目标地址，故能准确无误地地送达目的地。封套内的数据才是要传送的真正内容。,帧,帧,节点,帧的一般结构,对于不同的通信环境或不同的通信协议，“帧”的格式亦不尽相同。,“帧”分为面向字符型和面向比特型两类。前者由ASCII字符构成（IBM BSC协议）；后者由任意比特构成，更为灵活和高效（HDLC）。,设置数据链路层的目的,在网络实体间提供建立、维持和释放数据链路连接以及提供传输数据链路服务数据单元的功能和过程的手段；在物理链路上建立数据链路连接；检测和校正物理层出现的错误，为网络层提供可靠的无差错的数据链路。,为网络层提供的服务类型,OSI模型规定数据链路层应为网络层提供三种类型的服务：无确认无连接的服务有确认无连接的服务面向连接的服务,源节点不必建立连接，可直接向数据链路发送数据单元；目标节点不必对收到的数据单元进行确认。,源节点不必建立连接，可直接向数据链路发送数据单元；目标节点对每个接收到的数据单元应给予肯定确认或否定确认；源节点根据目标节点的确认信息，决定是重发原数据单元还是发送下一个数据单元。,源节点要发送数据之前先建立连接，然后进行数据传输，传输结束要拆除数据链路层连接；源节点对传输的每个数据单元进行编号，按顺序发送；目标节点对收到的数据单元给予肯定确认或否定确认。,数据链路层的功能,链路管理 为了提供面向连接的服务，数据链路协议要具备数据链路的建立、维护和释放的功能。帧同步流量控制差错控制透明传输寻址,链路管理帧同步 接收方应能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束位置。流量控制差错控制透明传输寻址,链路管理帧同步流量控制 当收方来不及接收数据时，必须能及时控制发方的发送速率。差错控制透明传输寻址,链路管理帧同步流量控制差错控制 采用抗干扰编码和链路控制协议进行差错检验和控制。透明传输寻址,链路管理帧同步 流量控制差错控制透明传输 能在数据链路上传输任意比特组合的数据。数据链路协议应能有效有效地区分数据信息和控制信息。寻址,链路管理帧同步流量控制差错控制透明传输寻址 在多点连接的情况下，能正确判断每一帧的目标地址和源地址。,帧同步技术,字节计数法用一个特殊字符作为帧的开始定界符，后面使用一个字段来表明帧的长度字节数。首尾定界法使用若干个特定字符作为帧的首尾标志。使用特殊比特模式表示帧的首尾标志。使用违例编码作为帧的首尾标志。,帧同步技术,数据封装的过程,帧同步技术,10101010 10101010|10101011,帧开始定界符SOF：10101011B。最后二位11表示SOF结尾。,前导码：是帧同步信号，每个字节均为二进制数10101010。,帧同步技术,帧同步技术,4.2 数据链路控制协议,物理链路是有差错和不可靠的。物理设备之间可能存在传输速度不匹配的问题。数据链路控制协议要实现差错控制和流量控制,数据链路层,主机A,缓存,主机B,AP2,AP1,缓存,发送方,接收方,高层,物理层,数据链路,帧,帧,物理链路,1.停止-等待协议,工作原理：发送方发送一块数据后，就停止发送动作，开始计时，等待接收方的反馈结果。接收方对收到的数据进行校验，并根据校验的结果向发送方作出肯定确认或否定确认。当发送方收到“正确”的确认(ACK)之后，继续发送后继数据块；如果发送方收到“否定”确认(NAK)，或者计时器超时，重新传送本数据块。,帧的序号,为了保证按顺序传输，为每一个数据帧带上不同的发送序号N(S)。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加 1。若节点 B 收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧，应将其丢弃，同时 向节点A 发送确认帧 ACK。为了减少数据传输的额外开销，应尽量使序号占用较少的比特数。由于停止等待协议每发送一个数据帧就停止等待，因此用一个比特来编号就够了。,数据帧在链路上的几种情形,正常 出错重传 超时重传,停等协议的特点,通信双方以半双工方式进行通信控制简单，易于实现。传输效率低。尤其对信道质量好、差错率低的情况。,2.拉回式连续ARQ协议,工作原理：发送方可以连续发送一系列数据帧，即不要求等待对方的确认，即可发送下一数据帧。当发送方收到了接收端发来的对某帧信息的确认帧时，就可以接着发送后继的数据帧。由于减少了等待时间，信道的利用率大大提高。,需要在发送方设置一个较大的缓冲区，用以存放待确认的数据帧。当发送方收到对某帧的确认后方可从缓存中删除该数据帧。发送方每发送完一个数据帧，就启动一个超时计时器。若到了超时计时器所设置的重传时间而仍未收到对方的确认帧，发送方就重传未得到确认的数据帧。,拉回式连续ARQ协议的工作原理,接收方只能按顺序接收帧。当某一帧出错时，接收方将丢弃出错帧及其后的帧，等待发方重传出错帧及其后的所有帧。,发送方A,接收方B,3.选择重传ARQ协议,为了提高信道的利用率，接收方可以开设较大的缓存区，以保存在出错帧之后正确接收的帧。发送方只需重传出错帧，而不必重复传送那些本来已经正确到达接收方的数据帧。接收方等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。,连续ARQ协议的工作方式,(a)拉回方式(b)选择重发方式,4.3 流量控制,所谓流量控制是指当收方来不及接收数据时，必须能及时控制发方的发送速率。在面向帧的同步通信中主要使用滑动窗口机制来实现流量控制。,拉回式连续ARQ协议的问题,发送方必须设置缓存保留已发送且未被确认的数据帧的副本，以备重传。计算机的硬件资源是有限的，缓存容量不能无限制增加。当未被确认的数据帧过多时，一旦有一帧出现错误，可能需要重传很多帧，造成很大的浪费，增加了传输的开销。为了对连续发送的大量数据帧进行编号，每帧的发送序号也要占用较多的比特，又增加了一定的开销。因此在连续ARQ协议中必须对连续发送的未被确认的帧数做一定的限制，这就是滑动窗口协议所研究的内容。,窗口机制,发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口。发送窗口用来对发送端进行流量控制。发送窗口的大小 WT 代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。,发送窗口控制发送端的速率,接收端设置接收窗口,在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。在连续 ARQ 协议中，接收窗口的大小 WR=1。只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置。同时发送对该帧的确认。,接收窗口的意义,滑动窗口的重要特性,只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时，就是停止等待协议。,发送窗口的最大值,当用n个比特对数据帧进行编号时，若接收窗口的大小为 1，则只有在发送窗口的大小 满足WT 2n 1时，连续 ARQ 协议才能正确运行。例如，当采用 3 bit 编码时，发送窗口的最大值是 7 而不是 8。,选择重传 ARQ 协议的窗口机制,选择重传ARQ协议要求加大接收窗口，先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧。等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。选择重传 ARQ 协议可避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧。但我们付出的代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间。对于选择重传 ARQ 协议，若用 n 比特进行编号，则接收窗口的最大值满足：WR 2n-1当接收窗口为最大时，WT=WR=2n-1,4.4 高级数据链路控制协议HDLC,4.4.1 HDLC概述 HDLC(High-Level Data Link Control)是ISO制定的面向比特型的同步数据链路控制协议（ISO 3309）；在IBM公司的SDLC(Synchronous Data Link Control)协议的基础上修订而成；用于广域网的同步串行链路；采用帧的首尾定界法实现帧的同步，以特殊比特模式01111110(7EH)作为帧的首尾标记。提供面向连接的虚电路服务。,HDLC的站点类型,主站：Primary Station 主站控制整个链路的工作；主站发出的帧称为“命令”，用来确定和改变链路的状态，确定次站、组织数据传输和链路恢复等。次站：Secondary Station 次站也称从站，受控于主站；次站发出的帧称为“响应”；主站与每一次站均维持一条独立的逻辑链路。复合站：Combined Station 复合站也称为组合站，同时具有主站和次站的功能。,HDLC的链路结构,不平衡链路结构 由一个主站和一个或多个次站构成。主站控制次站实现链路管理。信道可以是点对点链路，也可以是多点共享的链路。可支持全双工或半双工通信。,HDLC的链路结构,平衡链路结构 由两个复合站点对点地互连而成。两个站点地位均等，负有同等的链路控制责任。信道可支持全双工或半双工通信。,HDLC的数据响应方式,正常响应方式NRM 用于不平衡链路结构主站具有选择、轮询次站的能力，并可随时向次站发送命令或数据；次站只有在主站轮询时才能作出响应；异步响应方式ARM 用于不平衡链路结构主站具有初始化链路，差错校正、链路的建立和释放等功能；主站和次站都可以主动传输数据。异步平衡方式ABM 用于平衡链路结构任一组合站均可控制链路，发出命令或相应；双方均可主动传送数据。,帧标志F(01111110B，7EH)用于区分帧的轮廓，兼作同步与定时之用。采用0比特填充法来实现帧的透明传输。,HDLC协议,4.4.2 HDLC的帧结构,零比特填充法,HDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现连续的6 个 1。在发送端，当一串比特流数据中有连续的5 个 1 时，就立即填入一个 0。在接收帧时，先找到 F 字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现连续的5 个 1 时，就将其后的一个 0 删除，以还原成原来的比特流。,零比特的填充与删除,数据中某一段比特组合恰好出现和 F 字段一样的情况,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,会被误认为是 F 字段,透明传输,采用零比特填充法就可传送任意组合的比特流，即可实现数据链路层的透明传输。当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志字段 F 可以兼作后一帧的起始标志字段。当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志字段，使收端可以一直和发送端保持同步。,HDLC帧的地址,地址字段A在非平衡模式，用于指出次站的地址。；在平衡模式，用于指出响应站的地址。全1地址为广播地址，全0地址为无效地址。地址的最后一位为地址扩充标志，当该位为“1”时表示无扩充。,HDLC的帧结构,控制字段C用于表示命令和响应的类型。,数据信息I用于存放来自网络层的协议数据单元。,帧校验码采用16位CRC编码，g(x)=x16+x12+x5+1亦采用“0”比特填充技术。,HDLC的帧类型,8b 8nb 8b/16b 可变 16b 8b,信息帧(I),无编号帧(U),HDLC帧的类型有三种，由控制字段内的信息标识。,监控帧(S),HDLC的信息帧,HDLC的信息帧（I）用来传输数据信息。其中：N(S)是发送序号，表示当前发送的数据帧的序号。N(R)是接收序号，表示该站期待接收的下一帧的序号。P/F是探询（Poll）和终止（Final）位。P=1 表示主站询问，F=1 表示 响应终止。注意：控制字段的长度在标准格式中是8位，在扩展格式中是16位，序号的长度分别为3位和7位。,HDLC的监控帧,HDLC的监控帧（S）均为响应帧，主要用于差错控制和流量控制，分为以下4 种：RR帧，SS=00，接收准备就绪。RNR帧，SS=10，接收未准备好，暂停接收。REJ帧，SS=01，拒绝。否认N(R)起的所有帧。SREJ帧，SS=11，选择拒绝。只否认N(R)帧。注意：在上述响应帧中均对N(R)之前的所有帧进行捎带确认。,HDLC的流量控制,HDLC协议采用滑动窗口机制来实现流量控制。发送窗口的大小 满足：WT 2n 1接收窗口的的大小 满足：WR 2n/2=2n-1其中n为序号的比特数接收方通过RR帧和RNR帧控制窗口的向前滑动。,HDLC的无编号帧,HDLC的无编号帧（U）用于实现数据链路控制。不含帧序号，其类型由MM和MMM表示，可以定义出32种附加命令和附加响应功能。目前已定义了15种无编号帧。根据其功能可分为设置链路方式、传输信息、错误恢复、测试和交换标识等具体类别。,无编号命令和响应,HDLC的通信过程,4.4.3 HDLC的通信过程当采用交换型线路时，两个通信站的通信过程分为以下几个阶段：,建立物理连接,建立数据链路,传输数据帧,拆除数据链路,传输比特流,拆除物理连接,U，SNRM，P=1,I，N(S)=2，N(R)=3，P=1,I，N(S)=0，N(R)=0,I，N(S)=1，N(R)=0，P=1,U，UA，F=1,I，N(S)=0，N(R)=2,I，N(S)=1，N(R)=2,I，N(S)=2，N(R)=2，F=1,I，N(S)=3，N(R)=3,I，N(S)=4，N(R)=3，F=1,U，DISC，P=1,正常响应方式下数据通信过程示例,U，UA，F=1,U，SNRM，P=1,S，RR，N(R)=3,I，N(S)=0，N(R)=0,I，N(S)=1，N(R)=0，P=1,U，UA，F=1,S，REJ，N(R)=0,I，N(S)=0，N(R)=2,I，N(S)=2，N(R)=2,I，N(S)=3，N(R)=2,I，N(S)=4，N(R)=2，F=1,U，DISC，P=1,正常响应方式下数据通信过程示例,U，UA，F=1,出错,I，N(S)=0，N(R)=0,I，N(S)=1，N(R)=0，P=1,I，N(S)=1，N(R)=2,超时,HDLC的重发机制,超时重发：为了防止发送方无期限地等待接收方的确认，收发双方均设置计时器。发送方在一定的时间内未收到接收方传来的确认，表示传输有故障，准备重发所有未被确认的帧。发送方：每发送一信息帧，计时,直到收到接收方的确认(包括捎带确认)；若超时，则重发。接收方：在正确接收到信息帧后，计时；若在一定的时间内未收到后继信息，则发RR帧，准备接收，并告诉发送方前面已接收。,HDLC特点分析,使用统一的帧格式：实现数据、命令和响应的传输，实施起来方便；采用0比特填充法：使得协议可以支持任意组合的比特流传输，保证了信息传输的透明性；采用窗口机制和捎带应答：支持全双工工作方式，允许在未收到确认的情况下，连续发送多个帧，提高了信息传输的效率；采用帧校验序列，并设置窗口序号：可以提高信息传输的正确性和可靠性。面向二进制位的控制规程比面向字符型的控制规程具有较高的优越性。,链路访问过程LAPX,ITU开发了一系列基于HDLC的链路访问协议：平衡式链路访问规程LAPB：只提供在DTE和DCE之间通信所需要的基本控制功能，不包含轮询和选择特性。D信道链路访问规程LAPD：是ISDN网络的D信道的协议，专用于带外控制信令的传输。调制解调器链路访问规程LAPM：专门为调制解调器开发的HDLC简单子集。,4.5 因特网的点对点协议 PPP,4.5.1 PPP 协议概述点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）是因特网上最常用的一种数据链路协议。IETF在1992年推出了PPP协议，经过多次修订成为Internet的正式标准，RFC 1661、RFC 1662定义了PPP协议及其帧结构。PPP协议是各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案，广泛应用于各种点对点的广域链路，不仅可用于拨号电话线，并且可用于路由器路由器之间的专线上。,PPP协议的使用场合,PPP协议的物理层可以是同步电路或异步电路,PSTN/ISDN,接入服务器,PPP 封装,PPP协议的特点,PPP协议是在SLIP（Serial Line Internet Protocol）的基础上发展起来的面向字符型的协议，它具有以下特点：PPP协议具有差错检测功能；可以支持IP协议等多种网络层协议（例如IPX协议）；支持动态IP地址分配；既可以用于同步串行链路，又可以用于异步串行链路；能控制连接的建立；可以进行连接配置与连接质量测试。,PPP协议在OSI模型中的位置,PPP协议栈的组成,PPP主要由下列协议组成：链路控制协议LCP用于建立、拆除和监控PPP数据链路。网络控制协议族NCP（IPCP、IPXCP、ATCP等）用于协商在该数据链路上所传送的包的格式与类型。网络安全认证协议PAP和CHAP,LCP与NCP的作用,PPP协议,NCPs用于协商在该数据链路上所传送的包的格式与类型，提供对多种网络协议的支持。,LCP用于创建和维护链路,PPP 协议的帧结构,4.5.2 PPP协议的帧结构PPP采用帧的首尾定界法实现帧的同步，以特殊字符0 x7E作为帧的首尾标志。它的帧结构和 HDLC 的相似。地址字段 A 只置为 0 xFF，表示所有站点都接收地址。控制字段 C缺省设置为 0 x03，表明PPP在缺省情况下不使用编号，不提供捎带确认的可靠传输机制。但在线路噪声较大的环境中可以选用有编号的传输模式（RFC1663）。,1 1 1 2 1500 2/4 1,PPP的透明传输,PPP的帧首尾标志是7eH，如果在帧的其它字段出现该标志必须进行填充，以示区别（RFC1662）。当PPP用于同步传输链路时，由硬件来完成比特填充，做法与HDLC一样。当PPP用于异步传输链路时，使用特殊字符填充法：在7eH之前增加一个转义字符7dH，并将该字符的第6位取反变为7d5eH（7e7d5e）；如果信息字段出现了7dH，也采用同样的方法，用7d5dH表示（7d7d5d）；缺省情况下，对所有小于20H的字符也进行填充（如：0d7d2d）。,PPP帧的字段,协议字段用以标识所承载的上层协议(RFC1700)：若为0021H，则承载的信息是IP数据报；若为C021H，则承载的信息是PPP链路控制数据；若为8021H，则承载的信息IP控制协议的控制数据；若为C023H，则承载的是口令认证协议PAP包；若为C223H，则承载的是询问握手认证协议CHAP包。校验字段是CRC冗余码，缺省为2字节，可以协商为4个字节。,链路控制协议LCP,4.5.3 PPP 协议的子协议链路控制协议LCP负责建立、维护、配置及终止链路。提供协商机制去设置两个端点之间的选项：最大接收单元MRU、认证协议、协议字段压缩、地址字段与控制字段压缩等。LCP包分为三类：配置包、链路终止包和链路监管调试包。,网络控制协议LCP,网络控制协议NCP网络控制协议是一组控制协议，允许在PPP帧中封装来自网络层协议的数据，最常用的NCP是IPCP。主要的NCP包有三类：IPCP、IPXCP和ATCP。IPCP为传输IP数据包配置和协商网络活动的选项。,口令认证协议PAP,PAP是一种简单的明文认证协议。采用两次握手认证。PAP客户端（被认证方）首先发起认证请求，将自己的身份（用户名和口令）明文发送给对端的服务器，服务器作为主认证方检验用户的身份是否合法，口令是否正确。,询问握手认证协议CHAP,CHAP协议采用三次握手机制：主认证方向被认证的远程用户发送一个询问报文，其中包括本端主机名和一个随机生成的询问字串（不含口令）。CHAP的安全性比PAP高。,CHAP认证过程,远程客户必须根据询问报文，在本地数据库中查找对方的主机名、口令密钥，使用MD5单向哈希算法生成加密的询问报文，送回主认证方。主认证方收到应答后在本端查找用户主机名，和口令密钥，使用MD5单向哈希算法对保存的随机生成的询问报文进行加密，与被认证方的应答进行比较，根据比较结果决定是通过还是拒绝。,PPP的链路操作,4.5.4 PPP 协议的工作过程PPP协议提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除，以及上层协议协商、认证等问题：首先，PPP链路的每一端，必须发送LCP 包以便设定和测试数据链路。在链路建立之后，对端才可以被认证。接着，PPP必须发送NCP包以便选定网络层协议。一旦设定好网络层协议，来自各个网络层协议的数据报就能在链路上发送了。链路将保持通信设定不变，直到外在的LCP和NCP关闭链路，或者是发生一些外部事件的时候（休止时间到或者网络管理员干涉）。,PPP的工作流程,Dead 阶段,底层up,Establish 阶段,LCPup,down,Terminate 阶段,关闭,Authenticate 阶段,Network 阶段,当物理链路不通时，PPP链路处于处于静止（Dead）阶段。链路最终必须结束于该阶段。,建立链路,当物理链路接通时，进入建立（Establish）阶段。LCP开始协商一些配置选项：选择基本的通讯方式、最大帧长度、认证协议等：链路的一端首先发出配置请求帧（Configure Request）。对方若接受所有选项就发送配置确认帧（Configure Ack），对方若理解所有选项但不能接受就发送配置否认帧（Configure Nac），若无法识别所有选项可发送配置拒绝帧（Configure Reject）。一旦一个配置确认帧被成功发送且被接收，就完成了交换，链路创建成功，进入LCP开启状态。,PPP的用户认证,如果配置了PAP验证或CHAP验证，就进入用户认证Authenticate阶段，开始验证。PAP和CHAP认证协议在串行线路上提供安全认证机制，采用路由器名来识别身份，以拒绝非法访问。如果认证失败，转到链路终止Terminate阶段。拆除链路，LCP转为关闭状态；如果认证成功就进入网络协议Network阶段。,协商网络协议,在Network阶段，PPP将调用各种网络控制协议（NCP）来配置PPP链路之上的高层协议。例如，在该阶段IP控制协议（IPCP）可以向拨入用户分配动态地址。当一个NCP处于Opened状态时，PPP将携带相应的网络层协议packets。当相应的NCP不处于Opened状态时，任何接收到的被