《工業(yè)通信及網(wǎng)絡技術》第3章 現(xiàn)場總線通信基礎3.8-李中偉-2016.5.15-5.19佟改寫

1工業(yè)通信與網(wǎng)絡技術主講教師：李中偉佟為明

聯(lián)系電話/p>

E-mail：lzw@

課程郵箱：hitfieldbus@163.com

密碼：fieldbus2015哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所3.8

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2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：調節(jié)數(shù)據(jù)流量發(fā)送站發(fā)送幀的速度

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3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)送到介質上所需的時間從一個幀的第1位被源點發(fā)送至介質上的時刻起到整個幀被連續(xù)地完整地發(fā)送至介質上的時刻為止所經(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4幀傳輸模型5傳播時延

發(fā)送時延發(fā)送時間與傳播時間發(fā)送時間（發(fā)送時延）—tframe一個幀的所有位被發(fā)送到介質上所需的時間與幀的長度成正比發(fā)送時間=L/RL=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/Vd=鏈路的長度（源點與終點之間的距離），單位為mV=傳播速度，單位為m/s6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7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

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8停止和等待9FrameAckSrcDestnSrcDestn傳播時延

>發(fā)送時延發(fā)送時延

>傳播時延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

B=R×(d/v) 非導向介質：v=3x108m/s導向介質：

v=2x108

m/s傳送數(shù)據(jù)的總時間T=nTF=n(tframe+2tprop)TF

為發(fā)送一個幀并收到確認所需要的時間TF=tprop+tframe+tproc+tprop+tack+tproc

≈tframe+2tprop線路利用率或者效率

U=ntframe/（n(tframe+2tprop)）=tframe/(tframe+2tprop)=1/(1+2a)a=tprop/tframe發(fā)送時間歸一化傳播時間即可表示為變量a10停止等待鏈路利用率(2)

(a)

a<1(b)a>111停止等待鏈路利用率(3)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=56kbps12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）標識哪些幀可被發(fā)接收（對接收方）確認（ACK）包含的序號（幀序號）n表明

第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最大窗口大小是2k-113滑動窗口流量控制滑動窗口流量控制（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14滑動窗口的描述15(a)從發(fā)送者的角度觀察(b)從接收者的角度觀察發(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16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17滑動窗口協(xié)議實例16序號字段長度為3位，窗口大小為7(23-1)哈工大網(wǎng)絡與電氣智能化研究所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?！盧R

(Receive

Ready)又一個滑動窗口實例19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，該報文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?！闭军c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送數(shù)據(jù)而不沒有新的確認，那么也須重新發(fā)送上一次已經(jīng)發(fā)送過的確認序號20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：

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21ARQ

——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)22停止等待ARQ基礎是前面介紹過的停止等待流量控制技術源點發(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，接收器收到差錯，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ACK123停止等待ARQ

的優(yōu)勢和不足簡單低效率24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技術對下述異常事件做出反應25返回NARQ——損壞的幀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26返回NARQ——丟失的幀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）A接著發(fā)送幀

i+1在合理時間內，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。（b）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。27返回NARQ——丟失或損壞的RR3.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)

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。

（b）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。28返回NARQ——丟失或損壞的

REJ4.對存在丟失或損壞的REJ的處理如同前面的2(b)29返回NARQ——

例子30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SREJSREJi

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3132接收者緩存累計確認選擇拒絕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)出的幀稱為響應混合站結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33高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－鏈路配置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34高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－數(shù)據(jù)傳送方式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?5高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－幀結構（1）36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)和控制交換幀格式高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－幀結構（2）37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高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)－標志字段

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)38位填充39一個幀被分成兩個幀兩個幀合并成一個幀高級數(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40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