無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)課件：無(wú)線數(shù)據(jù)通信協(xié)議

無(wú)線數(shù)據(jù)通信協(xié)議7.1數(shù)據(jù)通信協(xié)議的概念及功能7.2數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程7.3無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的信道接入?yún)f(xié)議7.4無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議7.5無(wú)線寬帶數(shù)據(jù)通信協(xié)議本章小結(jié)習(xí)題與思考題

教學(xué)目標(biāo)

?掌握數(shù)據(jù)通信協(xié)議的概念及功能。

?了解OSI(開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型)。

?了解無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

?熟悉數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程的功能與分類。

?了解無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的信道接入?yún)f(xié)議。

?熟悉無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議。

?熟悉無(wú)線寬帶數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

重點(diǎn)、難點(diǎn)

?數(shù)據(jù)通信協(xié)議的概念及功能。

?高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)規(guī)程。

?載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)/碰撞回避機(jī)制。

7.1數(shù)據(jù)通信協(xié)議的概念及功能

7.1.1協(xié)議的概念及功能

數(shù)據(jù)通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用的“語(yǔ)言”，用來(lái)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，以達(dá)到互通、互控和互換的目的，通信的雙方要共同遵守這些約定。在現(xiàn)代通信網(wǎng)中，用戶通過(guò)應(yīng)用軟件來(lái)使用數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用軟件使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)并不直接同網(wǎng)絡(luò)硬件打交道，而是同給定的協(xié)議規(guī)則打交道，通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是通信網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的重要組成部分。

1.通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成要素

一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下三要素組成：

1）語(yǔ)法：規(guī)定通信的雙方以什么方式交流數(shù)據(jù)信息，即確定數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式。其內(nèi)容包括信息傳送的格式、接口標(biāo)準(zhǔn)、差錯(cuò)控制的方式等。

2）語(yǔ)義：規(guī)定通信的雙方要交流哪些數(shù)據(jù)信息，即確定需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動(dòng)作，以及返回什么應(yīng)答等。

3）定時(shí)關(guān)系：規(guī)定事件執(zhí)行的順序，即確定通信過(guò)程中的狀態(tài)變化，對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行編號(hào)，以免重復(fù)接收或丟失。

2.通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要功能

數(shù)據(jù)通信主要是人與機(jī)、機(jī)與機(jī)之間的通信，因此通信協(xié)議應(yīng)規(guī)范得十分詳盡才能保證通信的正常進(jìn)行。通信協(xié)議是一個(gè)復(fù)雜而龐大的通信規(guī)則的集合，它應(yīng)完成以下8種主要功能：

（1）信號(hào)的傳送與接收：規(guī)定的內(nèi)容包括信息傳送的格式、接口標(biāo)準(zhǔn)及啟動(dòng)控制、超時(shí)控制等功能。

（2）差錯(cuò)控制：使終端輸出的數(shù)據(jù)具有一定的差錯(cuò)控制功能，目的終端根據(jù)收到的數(shù)據(jù)可進(jìn)行相應(yīng)的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)操作。

（3）順序控制：對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行編號(hào)，以免重復(fù)接收或丟失。

（4）透明性：對(duì)用戶端所使用的代碼無(wú)任何約束性的限制，即應(yīng)采取必要的措施保證所傳送的數(shù)據(jù)信息為隨機(jī)的比特序列。

（5）鏈路控制與管理：能控制信息的傳輸方向，建立和結(jié)束鏈路的邏輯連接，顯示數(shù)據(jù)終端設(shè)備的工作狀態(tài)等。

（6）流量控制：能調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)鏈路上的信息流量，能夠決定暫?；蚶^續(xù)接收信息以避免鏈路阻塞。

（7）路徑選擇：可確定信息報(bào)文通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)和鏈路到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑和最優(yōu)的路徑選擇策略。

（8）對(duì)話控制：包括信息的處理、信息安全和保密、應(yīng)用服務(wù)等內(nèi)容。

3.功能與協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)通信協(xié)議是一個(gè)復(fù)雜而龐大的通信規(guī)則的集合，具有分層結(jié)構(gòu)，即把實(shí)現(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò)在功能上視為若干相鄰的層組成，每一層完成其特有的功能。每一層都建立在較低層的基礎(chǔ)上，利用較低層的服務(wù)，同時(shí)為較高一層提供服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)功能上的分層必然導(dǎo)致協(xié)議的分層，即把復(fù)雜的協(xié)議分解為一些簡(jiǎn)單的協(xié)議，再組合成總的協(xié)議。協(xié)議分層的好處有：

（1）各層相互獨(dú)立，需要知道的僅是層間接口所提供的服務(wù)。協(xié)議的一層是一種類型的功能的集合，它由許多功能塊組成，每一個(gè)功能塊執(zhí)行協(xié)議規(guī)定的一部分功能；接口是指穿越相鄰層之間界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的一組規(guī)則，它可以是硬件接口，也可以是軟件接口，如數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等；服務(wù)是指某一層及其以下各層通過(guò)接口提供給上層的一種能力。一層包含一系列的服務(wù)，每個(gè)服務(wù)則是通過(guò)某一個(gè)或某幾個(gè)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，而相鄰層之間通過(guò)接口通信。

（2）靈活性好。當(dāng)任何一層發(fā)生變化時(shí)，只要接口關(guān)系保持不變，則上下相連的層均不受影響，且層內(nèi)提供的服務(wù)可修改；當(dāng)提供的服務(wù)不再需要時(shí)，可將該層取消。

（3）結(jié)構(gòu)上獨(dú)立，各層可采用最合適的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）方便實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。

（5）促使標(biāo)準(zhǔn)化工作。

7.1.2開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型

1.基本概念

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1977年提出了一個(gè)試圖使各種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)互聯(lián)成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的開(kāi)放系統(tǒng)互連基本參考模型OSI/RM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)，簡(jiǎn)稱OSI。

“開(kāi)放”的意思是：只要遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標(biāo)準(zhǔn)的其他任何系統(tǒng)進(jìn)行通信。這里所說(shuō)的“系統(tǒng)”，只是在現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)中與互連相關(guān)的各部分，是一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的軟件、外圍設(shè)備、終端、終端操作員、物理過(guò)程及信息傳送手段等的集合。

OSI涉及的是為完成一個(gè)公共(分布的)任務(wù)而相互配合的系統(tǒng)能力及開(kāi)放式系統(tǒng)之間的信息交換，它不涉及系統(tǒng)的內(nèi)部功能和與系統(tǒng)互連無(wú)關(guān)的其他方面，也就是說(shuō)系統(tǒng)的外部特性必須符合OSI的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，而其內(nèi)部功能不受此限制。采用分層結(jié)構(gòu)的開(kāi)放系統(tǒng)互連大大降低了系統(tǒng)間信息傳遞的復(fù)雜性。

應(yīng)當(dāng)理解OSI參考模型僅僅是一個(gè)概念性和功能性結(jié)構(gòu)，并不涉及任何特定系統(tǒng)互連的具體實(shí)現(xiàn)、技術(shù)或方法。

OSI參考模型如圖7-1所示，共有7個(gè)功能層，自下而上分別是：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、會(huì)話層、表示層、應(yīng)用層。分別用各層英文首字母縮寫(xiě)PH、DL、N、T、S、P和A表示。

OSI模型所描述的范圍包括端開(kāi)放系統(tǒng)與中繼開(kāi)放系統(tǒng)。中繼開(kāi)放系統(tǒng)即指圖7-1中通信子網(wǎng)部分，連接點(diǎn)的物理傳輸介質(zhì)不在OSI范圍內(nèi)。

圖7-1開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型

2.各層功能概述

1）物理層

物理層并不是無(wú)線或有線物理媒介本身，它是開(kāi)放系統(tǒng)利用物理媒介實(shí)現(xiàn)物理連接的功能描述和執(zhí)行連接的規(guī)程。

物理層提供用于建立、保持和斷開(kāi)物理連接的電氣的、機(jī)械的、功能的和規(guī)程的特性。保證比特流的正確傳輸，提供有關(guān)同步和全雙工比特流在物理媒介上的傳輸手段。

對(duì)于無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，物理層是為高層信息提供的無(wú)線信道，即無(wú)線物理媒介上傳輸信息所需要的全部功能，如極化方式、調(diào)制與解調(diào)方式、頻率分配、信道劃分、傳輸定時(shí)、加密、功率設(shè)定和小區(qū)劃分等。

國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)鄰近空間鏈路物理層特性Proximity-1協(xié)議（Proximity-1是一個(gè)跨層協(xié)議，規(guī)定了鄰近空間鏈路物理層特性）詳細(xì)規(guī)定了物理層中的極化方式、調(diào)制與解調(diào)方式、頻率分配、信道劃分、傳輸定時(shí)、加密、功率設(shè)定和小區(qū)劃分等功能。

3G網(wǎng)絡(luò)的物理層關(guān)鍵技術(shù)有OFDMA、MIMO、AAS、AMC、LDPC等。

2）數(shù)據(jù)鏈路層

本層的主要功能是將物理層提供的物理傳輸信道處理成可靠的信道，即將數(shù)據(jù)組成適合于正確傳輸?shù)膸问降臄?shù)據(jù)塊。如無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的建立與維護(hù)、確認(rèn)模式的幀傳送與接收、信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙管理、廣播信息管理。

常用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議有基本型傳輸控制規(guī)程和高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程(HDLC)等。

3）網(wǎng)絡(luò)層

計(jì)算機(jī)(或數(shù)據(jù)終端)網(wǎng)絡(luò)是由一系列用戶終端、主機(jī)、具有信息處理和交換功能的節(jié)點(diǎn)(即交換機(jī))以及連接它們的傳輸線路組成。所以通常把計(jì)算機(jī)(或數(shù)據(jù)終端)網(wǎng)分成用戶子網(wǎng)(資源子網(wǎng))和通信子網(wǎng)(即數(shù)據(jù)通信網(wǎng))兩部分。用戶子網(wǎng)向用戶提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)，通信子網(wǎng)則提供網(wǎng)絡(luò)通信的能力。

網(wǎng)絡(luò)層提供系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)的連接，它負(fù)責(zé)將兩個(gè)終端系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用數(shù)據(jù)鏈路連接起來(lái)，完成一條通信通路。實(shí)際的傳輸設(shè)施是多種類型的，有用衛(wèi)星租用線路、光纜租用線路、交換線；有點(diǎn)到點(diǎn)、虛電路及分組網(wǎng)等，而網(wǎng)絡(luò)層只用于控制通信子網(wǎng)的運(yùn)行，它的存在使網(wǎng)絡(luò)布局和業(yè)務(wù)上的差異不會(huì)被其高層所察覺(jué)。換言之，在它的高層來(lái)看是透明的。上一層不需要了解網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸和交換的細(xì)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、拆除和通信管理的協(xié)議，通信管理包括數(shù)據(jù)交換、路由選擇、通信流量控制等。

網(wǎng)絡(luò)層提供系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)的連接，它負(fù)責(zé)將兩個(gè)終端系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用數(shù)據(jù)鏈路連接起來(lái)，完成一條通信通路。實(shí)際的傳輸設(shè)施是多種類型的，有用衛(wèi)星租用線路、光纜租用線路、交換線；有點(diǎn)到點(diǎn)、虛電路及分組網(wǎng)等，而網(wǎng)絡(luò)層只用于控制通信子網(wǎng)的運(yùn)行，它的存在使網(wǎng)絡(luò)布局和業(yè)務(wù)上的差異不會(huì)被其高層所察覺(jué)。換言之，在它的高層來(lái)看是透明的。上一層不需要了解網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸和交換的細(xì)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、拆除和通信管理的協(xié)議，通信管理包括數(shù)據(jù)交換、路由選擇、通信流量控制等。

4）運(yùn)輸層

運(yùn)輸層也稱傳輸層，是開(kāi)放系統(tǒng)之間建立、維持和拆除運(yùn)輸連接(注意在鏈路層中，僅保證節(jié)點(diǎn)間傳輸控制)。該層實(shí)現(xiàn)用戶的端到端的或進(jìn)程之間數(shù)據(jù)的透明傳送，保證端到端數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)丟失、無(wú)重復(fù)、無(wú)次序(分組)顛倒，進(jìn)行順序控制、流量控制。同時(shí)運(yùn)輸層還用于彌補(bǔ)各種通信子網(wǎng)的的質(zhì)量差異，對(duì)經(jīng)過(guò)低3層仍然存在的傳輸差錯(cuò)進(jìn)行差錯(cuò)控制、差錯(cuò)恢復(fù)。另外該層給予用戶一些監(jiān)督選擇，以便從網(wǎng)絡(luò)獲得某種等級(jí)的通信服務(wù)質(zhì)量?？傮w來(lái)說(shuō)，運(yùn)輸層是面向通信子網(wǎng)的低層和數(shù)據(jù)處理高層的接口。

5）會(huì)話層

為了兩個(gè)進(jìn)程之間的協(xié)作，必須在兩個(gè)進(jìn)程之間建立一個(gè)邏輯上的聯(lián)系，這種邏輯上的連接稱之為會(huì)話。會(huì)話層作為用戶進(jìn)入傳輸層的接口，負(fù)責(zé)進(jìn)程間建立會(huì)話和終止會(huì)話，并且控制會(huì)話期間的對(duì)話，在會(huì)話建立時(shí)提供會(huì)話雙方資格的核實(shí)和驗(yàn)證，確定由哪一方支付通信費(fèi)用，并提供對(duì)話方向的交替管理、故障點(diǎn)定位和恢復(fù)等各種服務(wù)?！皶?huì)話”的方式有雙方同時(shí)進(jìn)行、交替進(jìn)行或單向進(jìn)行。

6）表示層

表示層提供數(shù)據(jù)的表示方法，其主要功能是從應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)類型(字符、整數(shù)等)，并將其變換成通信對(duì)象的對(duì)等層能夠理解的句法，包括字符代碼(如ASCII)、數(shù)據(jù)格式、控制信息格式、加密等。即其功能是處理兩個(gè)應(yīng)用實(shí)體之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的語(yǔ)法變換、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)編碼的轉(zhuǎn)換。

7）應(yīng)用層

應(yīng)用層直接對(duì)用戶提供服務(wù)，為用戶進(jìn)入系統(tǒng)互連提供一個(gè)窗口(工具)，實(shí)現(xiàn)終端用戶應(yīng)用進(jìn)程之間的信息交換。與表示層不同，應(yīng)用層關(guān)心的是數(shù)據(jù)的語(yǔ)義。應(yīng)用層包含管理功能，提供公用的應(yīng)用程序，如作業(yè)管理、金融數(shù)據(jù)交換、電子信箱、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、事務(wù)處理、文件傳送和控制和網(wǎng)絡(luò)管理等。由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求很多，所以應(yīng)用層最復(fù)雜，所制定的應(yīng)用協(xié)議也最多。

在7層協(xié)議中，下面3層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層)稱為通信層或無(wú)線空中接口層，上面4層稱為用戶層。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)的低層協(xié)議決定了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸特性，如所采用的傳輸介質(zhì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及介質(zhì)訪問(wèn)控制方法等，這些協(xié)議通常由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。高層協(xié)議提供了與網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的，更加完善的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用環(huán)境，通常是由網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)際系統(tǒng)通信過(guò)程也并非都是經(jīng)過(guò)7層，大多數(shù)只有低4層，或者低3層的。另外，在具有功能層次相同的兩個(gè)不同系統(tǒng)上進(jìn)行的通信是在對(duì)等層進(jìn)行的，這種通信稱為虛通信。之所以成為虛通信，是因?yàn)閷?duì)等層與對(duì)等層之間并不是直接進(jìn)行物理通信，只有通過(guò)其下層直至最下面的物理層來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

7.1.3無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

1.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本元素

無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)包含了一系列的無(wú)線通信協(xié)議。例如Wi-Fi（WirelessFidelity）、3G、ZigBee協(xié)議等。為了更加準(zhǔn)確理解不同協(xié)議的特性，就要了解一些組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本元素。

1）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶是指具備無(wú)線通信能力，并可將無(wú)線通信信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效信息的終端設(shè)備。例如裝有Wi-Fi無(wú)線模塊的臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦或者是PDA（個(gè)人數(shù)字?jǐn)?shù)理）、裝有3G通信模塊的手機(jī)和裝有CC2420無(wú)線通信模塊的傳感器。

2）無(wú)線連接

無(wú)線連接是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶與基站或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶之間用以傳輸數(shù)據(jù)的通路。相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)中的電纜、光纜、同軸電纜等物理連接介質(zhì)，無(wú)線連接主要通過(guò)無(wú)線電波、光波作為傳輸載體。不同無(wú)線連接技術(shù)提供不同的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離。

3）基站

基站是將一些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶連接到網(wǎng)絡(luò)中。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶通過(guò)基站接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，基站將用戶的數(shù)據(jù)包發(fā)給它所屬的上層網(wǎng)絡(luò)，并將上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給指定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用戶。根據(jù)不同的無(wú)線連接協(xié)議，相應(yīng)基站的名稱和覆蓋的范圍是不同的。例如，Wi-Fi的基站被稱為接入點(diǎn)（AP），它的覆蓋范圍為幾十米；蜂窩電話網(wǎng)的基站被稱為蜂窩塔，在城市中它的覆蓋范圍為幾千米，而在空曠的平地中其覆蓋范圍可達(dá)幾十千米。只有在基站的覆蓋范圍內(nèi)，用戶才可能通過(guò)它進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。用戶除了通過(guò)基站與上層網(wǎng)絡(luò)交互的無(wú)線組織模式之外，還可以通過(guò)自組織的方式形成自組網(wǎng)。它的特點(diǎn)是無(wú)需基站和上層網(wǎng)絡(luò)支持，用戶自身具備網(wǎng)絡(luò)地址指派、路由選擇以及類似域名解析等功能。

2.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的劃分

在無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中，信道特性的非對(duì)稱性、長(zhǎng)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失及比特差錯(cuò)的嚴(yán)重性等，使其有別于有線通信環(huán)境。基于不同技術(shù)和協(xié)議的無(wú)線連接的傳輸范圍，IEEE802標(biāo)準(zhǔn)組織根據(jù)覆蓋范圍，將無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)劃分成4種，如圖7-2所示。

圖7-2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分類

1）無(wú)線廣域網(wǎng)

無(wú)線廣域網(wǎng)（WirelessWideAreaNetwork）的連接信號(hào)可以覆蓋整個(gè)城市甚至整個(gè)國(guó)家，其信號(hào)傳播途徑主要有兩種：一種是通過(guò)多個(gè)相鄰的地面基站接力傳播，另一種是通過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)傳播。當(dāng)前主要的無(wú)線廣域網(wǎng)包括2G、2.5G、3G和4G系統(tǒng)。2G系統(tǒng)的貢獻(xiàn)是使用數(shù)字信號(hào)取代了1G中的模擬信號(hào)進(jìn)行語(yǔ)音傳輸，它的核心技術(shù)包括全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GlobleSystemforMobileCommunications，GSM）和碼分多址數(shù)字無(wú)線技術(shù)；2.5G系統(tǒng)的帶寬為100～400kb/s；

3G系統(tǒng)使用獨(dú)立于2G系統(tǒng)的基本架構(gòu)，其核心技術(shù)包括CDMA-2000、時(shí)分同步碼分多址數(shù)字無(wú)線技術(shù)（TimeDivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess，TD-SCDMA）和WCDMA，相比2G系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率上有重大提升，其最大的帶寬約為2Mb/s；而4G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率在低速移動(dòng)情況下，下行峰值能達(dá)到1Gb/s，上行峰值速率為500Mb/s。這對(duì)視頻類和下載類業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)關(guān)系重大。

2）無(wú)線城域網(wǎng)

無(wú)線城域網(wǎng)（WirelessMetropolitanAreaNetwork）的信號(hào)可以覆蓋整個(gè)城市，在服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶可以通過(guò)基站訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)等上層網(wǎng)絡(luò)。全球微波互聯(lián)接入WiMax（WorldwideInteroperabilityforMicrowareAccess）是實(shí)現(xiàn)無(wú)線城域網(wǎng)的主要技術(shù)，IEEE802.16的一系列協(xié)議對(duì)WiMax進(jìn)行了規(guī)范。WiMax基站的視線（LineofSight，LoS）覆蓋范圍可達(dá)112.6km，所謂的“LoS”是指無(wú)線電波在相對(duì)空曠的區(qū)域以直線傳播；但在建筑相對(duì)密集的城市，無(wú)線電波會(huì)以非視線（NoneLineofSight，NLoS）方式傳輸，802.16a協(xié)議支持的基站的非視線覆蓋范圍為40km。

3）無(wú)線局域網(wǎng)

無(wú)線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork）是在一個(gè)局部的區(qū)域（如教學(xué)樓、機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳、餐廳等）內(nèi)為用戶提供可訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)等上層網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線連接。無(wú)線局域網(wǎng)是已有有線局域網(wǎng)的拓展和延伸，可使得用戶在一個(gè)區(qū)域內(nèi)隨時(shí)隨地訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。無(wú)線局域網(wǎng)有兩種工作模式，第一種是基于基站模式，無(wú)線設(shè)備（手機(jī)、上網(wǎng)本、筆記本電腦）通過(guò)接入點(diǎn)訪問(wèn)上層網(wǎng)絡(luò)；第二種是基于自組織模式，例如在一個(gè)會(huì)議室內(nèi)，所有與會(huì)者的移動(dòng)設(shè)備可以不借助接入點(diǎn)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于相互之間的文件、視頻數(shù)據(jù)的交換。IEEE802.11的一系列協(xié)議是針對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)制定的規(guī)范，大多數(shù)802.11協(xié)議的接入點(diǎn)的覆蓋范圍在十幾米內(nèi)。

4）無(wú)線個(gè)域網(wǎng)

無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WirelessPersonalAreaNetwork）在更小的范圍內(nèi)（約10m）以自組織模式在用戶之間建立用于相互通信的無(wú)線連接。藍(lán)牙傳輸技術(shù)和紅外傳輸技術(shù)是無(wú)線個(gè)域網(wǎng)中的兩個(gè)重要技術(shù)，藍(lán)牙傳輸技術(shù)通過(guò)無(wú)線電波作為載波，覆蓋范圍一般在10m左右，帶寬在1Mb/s左右；紅外傳輸技術(shù)使用紅外線作為載波，覆蓋范圍僅為1m左右，帶寬可為100kb/s左右。除此之外還有ZigBee技術(shù)。802.15.4協(xié)議是ZigBee技術(shù)協(xié)議，主要是針對(duì)低速個(gè)域網(wǎng)物理層和MAC層制定的標(biāo)準(zhǔn)。

上述四種類型的網(wǎng)絡(luò)各有自身的特點(diǎn)。無(wú)線廣域網(wǎng)有相對(duì)較大的覆蓋范圍，支持高機(jī)動(dòng)性無(wú)線設(shè)備，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低，其大部分的用戶為手機(jī)、PDA和上網(wǎng)本；無(wú)線局域網(wǎng)有相對(duì)較大的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是每個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋范圍有限且不支持高速移動(dòng)的設(shè)備。

7.2數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程

7.2.1數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程的功能與分類

1.數(shù)據(jù)鏈路的概念

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)給數(shù)據(jù)鏈路的確切定義為按照信息的特定方式進(jìn)行操作的兩個(gè)或兩個(gè)以上的終端裝置與互連線路的一種組合體。所謂特定方式是指信息速率和編碼均相同。

數(shù)據(jù)通信就是要在數(shù)據(jù)鏈路已建立的基礎(chǔ)上，通過(guò)兩端的控制裝置使發(fā)送方和接收方之間可以交換（傳輸）數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)鏈路的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)兩種，從鏈路邏輯功能的角度看，在數(shù)據(jù)鏈路上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備統(tǒng)稱為站。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路中，有主站、從站和組合站之分，主站是發(fā)送信息和命令的站，從站是接收信息和命令并發(fā)出認(rèn)可信息或響應(yīng)的站，組合站是兼有主站和從站功能的站，如圖7-3(a)所示。

圖7-3數(shù)據(jù)鏈路的結(jié)構(gòu)

在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)鏈路中，有控制站、輔助站、從站、主站和中性站之分。負(fù)責(zé)組織鏈路上的數(shù)據(jù)流，并處理鏈路上不可恢復(fù)差錯(cuò)的站稱為控制站，其余各站稱輔助站。如果控制站發(fā)送信息，輔助站接收信息，則此時(shí)控制站稱主站，接收信息的輔助站稱從站，其余輔助站稱中性站，如圖7-3(b)所示。

數(shù)據(jù)鏈路傳輸數(shù)據(jù)信息有3種不同的操作方式：信息只按一個(gè)方向傳輸?shù)膯蜗蛐?單工)；信息依次從一個(gè)方向傳輸，然后再?gòu)南喾捶较騻鬏數(shù)碾p向交替型(半雙工)；信息可在兩個(gè)方向上同時(shí)傳輸?shù)碾p向同時(shí)型(雙工)。

為了充分理解數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程的功能，我們先來(lái)分析一下一次數(shù)據(jù)通信的過(guò)程。與電話通信過(guò)程類似，一次完整的數(shù)據(jù)通信過(guò)程包括以下5個(gè)階段：

1）建立物理連接

物理連接就是物理層若干數(shù)據(jù)電路的互連。數(shù)據(jù)電路有交換型和專用型線路兩種。專用型線路為通信雙方提供永久性固定的連接，因此無(wú)須“建立物理連接”。交換型數(shù)據(jù)電路必須按交換網(wǎng)要求進(jìn)行呼叫連接。在電路交換網(wǎng)中，通常要求發(fā)送方完成自動(dòng)存取號(hào)碼、撥號(hào)、發(fā)送和應(yīng)答數(shù)據(jù)單音、控制呼叫應(yīng)答器與調(diào)制解調(diào)器之間的線路轉(zhuǎn)換等操作。該階段與電話通信的呼叫建立階段類似。如電話網(wǎng)的V.25和數(shù)據(jù)網(wǎng)的X.21呼叫應(yīng)答規(guī)程。

2）建立數(shù)據(jù)鏈路

建立數(shù)據(jù)鏈路階段類似于在電話通信中建立起物理連接之后，相互證實(shí)的過(guò)程。如主叫方詢問(wèn)被叫方“你是XXX？”，如果是要找的對(duì)象，雙方就進(jìn)入通話階段。而在數(shù)據(jù)通信的這個(gè)階段，為了能可靠而有效地傳輸數(shù)據(jù)信息，收發(fā)雙方也要交換一些控制信息，包括呼叫對(duì)方、確認(rèn)對(duì)方是否所要通信的對(duì)象；確定接收和發(fā)送狀態(tài)，即哪一方為發(fā)送狀態(tài)，哪一方為接收狀態(tài)；指定雙方的輸入/輸出設(shè)備。

由于數(shù)據(jù)鏈路的結(jié)構(gòu)不同，傳輸控制的方式也不同，因此必須采用不同的方式來(lái)建立數(shù)據(jù)鏈路。建立數(shù)據(jù)鏈路的方式有兩種：爭(zhēng)用方式和探詢/選擇方式。爭(zhēng)用方式是爭(zhēng)做主站建立鏈路的一種方式；探詢/選擇方式是在有控制站系統(tǒng)中，為防止?fàn)帄Z做主站，控制站按一定順序一次一個(gè)地引導(dǎo)輔助站變成主站(探詢過(guò)程)，主站用選擇序列引導(dǎo)一個(gè)或多個(gè)從站接收?qǐng)?bào)文(選擇過(guò)程)的方式。一般而言，對(duì)于兩點(diǎn)直通式的鏈路結(jié)構(gòu)常采用爭(zhēng)用方式，有時(shí)也采用探詢/選擇方式，但多點(diǎn)式的鏈路結(jié)構(gòu)通常只用探詢/選擇方式。

3）數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)傳送階段類似于電話通信中的通話階段。電話通信中雙方要進(jìn)行通話，首先必須使用相同的語(yǔ)言，否則要借助翻譯；其次雙方要相互配合，說(shuō)和聽(tīng)要有一定的順序，不能同時(shí)講和連續(xù)講而不管對(duì)方是否聽(tīng)懂；另外如果沒(méi)有聽(tīng)清或漏聽(tīng)對(duì)方的話，要求對(duì)方重講，直到聽(tīng)清為止。數(shù)據(jù)的傳送也類似，主站按規(guī)定的格式組織數(shù)據(jù)信息，并按規(guī)定的順序沿所建立的數(shù)據(jù)鏈路向從站發(fā)送，同時(shí)完成差錯(cuò)控制、流量控制等功能，使數(shù)據(jù)信息有效、可靠、透明地傳輸。

4）釋放數(shù)據(jù)鏈路

對(duì)于電話通信，當(dāng)確認(rèn)雙方均無(wú)信息傳送之后進(jìn)入通信結(jié)束階段。對(duì)于數(shù)據(jù)通信，在數(shù)據(jù)信息傳送結(jié)束后，主站發(fā)送通過(guò)規(guī)定的結(jié)束字符(結(jié)束傳輸?shù)拿?來(lái)拆除數(shù)據(jù)鏈路，各站返回中性狀態(tài)，數(shù)據(jù)鏈路被拆除。需注意的是拆除數(shù)據(jù)鏈路并不是拆除物理連接，該階段后可以又一次進(jìn)入第二階段，建立新的數(shù)據(jù)鏈路(即一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以建立一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)鏈路)，這就類似于主叫方同一個(gè)人講完話后，可能還想同另一個(gè)人講話，則進(jìn)入第二階段。

5）拆除物理連接

在電話通信中，通話結(jié)束后，任何一方掛機(jī)，交換網(wǎng)絡(luò)就拆除物理連接。在數(shù)據(jù)通信中，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路的物理連接是交換型電路時(shí)，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，只要任何一方發(fā)出拆線信號(hào)，便可拆除通信線路，雙方數(shù)據(jù)終端恢復(fù)到初始狀態(tài)。

以上5個(gè)階段，第2）到第4）階段屬于數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程的范圍，而第1）和第5）階段是在公用交換網(wǎng)上完成的操作。

2.數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程的功能

鏈路層協(xié)議在數(shù)據(jù)通信中稱為數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程，它應(yīng)具備如下功能：

1）幀控制

在數(shù)據(jù)鏈路中的數(shù)據(jù)是以一定長(zhǎng)度和一定格式的信息塊形式傳送的，這種信息塊稱為幀。不同的應(yīng)用，幀的長(zhǎng)度和格式可以不同?？刂埔?guī)程對(duì)幀的類型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)定，指出每幀由一些字段和標(biāo)志組成，標(biāo)志用于指明幀的開(kāi)始和結(jié)束，字段則根據(jù)不同用途分為地址字段、控制信息字段和校驗(yàn)字段等。

2）透明傳送

控制規(guī)程中應(yīng)采取必要的措施，保證所傳送的數(shù)據(jù)信息不能出現(xiàn)與標(biāo)識(shí)和字段相同的組合，如果出現(xiàn)，要求采取打亂措施，使用戶傳輸?shù)男畔⒉皇芟拗啤?/p>

3）差錯(cuò)控制

由于物理電路中存在各種各樣的干擾，數(shù)據(jù)信息在傳送過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)?？刂埔?guī)程應(yīng)能控制電路中產(chǎn)生的差錯(cuò)。常用的差錯(cuò)控制方式有檢錯(cuò)重發(fā)和前向糾錯(cuò)兩種。為防止幀的重收和漏收，必須采用幀編號(hào)發(fā)送，接收時(shí)按編號(hào)確認(rèn)。當(dāng)檢測(cè)出無(wú)法恢復(fù)的差錯(cuò)時(shí)，應(yīng)通知網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體作相應(yīng)的處理。

4）流量控制

為了避免鏈路阻塞，控制規(guī)程應(yīng)能調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)鏈路上的信息流量，能夠決定暫停、停止或繼續(xù)接收信息。常用流量控制的方法有發(fā)送等待方法、面向幀控制方向、滑動(dòng)窗口控制等多種方法。

5）鏈路管理

控制信息傳輸?shù)姆较?，建立和結(jié)束鏈路的邏輯連接，顯示數(shù)據(jù)終端設(shè)備的工作狀態(tài)等。

6）異常狀態(tài)的恢復(fù)

當(dāng)鏈路發(fā)生異常情況時(shí)，能夠自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

3.數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程的分類

根據(jù)幀格式，數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程有兩種：面向字符型和面向比特型。

典型的面向字符的控制規(guī)程有IBM公司的二進(jìn)制同步通信規(guī)程(BISUNC或BSC)，ISO的基本型控制規(guī)程(ISO-1745標(biāo)準(zhǔn))、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)規(guī)定的ASSIX3.28通信控制規(guī)程、歐洲計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)(ECMA)的ECMA-16基本型控制規(guī)程和我國(guó)數(shù)據(jù)通信基本型控制規(guī)程(GB3453-82)等。由于這種通信規(guī)程與特定的字符編碼集關(guān)系過(guò)于密切，兼容性較差，并且在實(shí)現(xiàn)上也比較復(fù)雜，所以現(xiàn)代的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已很少使用。

7.2.2面向字符型的傳輸控制規(guī)程

1.規(guī)程基本特征

面向字符型控制規(guī)程最基本的特征是

（1）字符編碼采用CCITT建議的國(guó)際5號(hào)編碼表。

（2）以字符為最小控制單位，它規(guī)定了10個(gè)控制字符用于傳輸控制，如表7-1所示。

（3）通信方式為雙向交替型(半雙工)。

（4）可采用起止式的異步傳輸方式和同步傳輸方式。

（5）檢錯(cuò)采用行列監(jiān)督碼。

（6）差錯(cuò)控制方式采用檢錯(cuò)重發(fā)(ARQ)的糾錯(cuò)方式。

2.報(bào)文格式

報(bào)文格式也叫文電格式，它規(guī)定了進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是編碼字符的排列形式。報(bào)文分為兩類：信息報(bào)文(信息文電)和監(jiān)控報(bào)文(監(jiān)控序列)。

1）信息報(bào)文(信息文電)格式

信息報(bào)文的4種格式如圖7-4所示。信息報(bào)文包括正文和標(biāo)題(報(bào)頭)。正文是要傳輸?shù)淖址畔ⅰ?biāo)題是與報(bào)文正文的傳送和處理相關(guān)的一組輔助字符信息，它包括發(fā)信地址、收信地址、優(yōu)先權(quán)、保密措施、信息報(bào)文名稱、報(bào)文級(jí)別、編號(hào)、傳輸路徑等。

圖7-4信息報(bào)文的4種格式

在上述格式中，信息的傳輸是不透明的，不允許在正文或標(biāo)題中出現(xiàn)與控制字符相同的序列，這樣大大限制了它的應(yīng)用。為了能透明傳輸，必須在控制字符SOH，STX等前面加上轉(zhuǎn)義字符DLE。如用DLESOH表示標(biāo)題開(kāi)始，DLESTX表示正文開(kāi)始等。這樣當(dāng)信息出現(xiàn)與控制字符相同的序列時(shí)，因?yàn)榍懊鏇](méi)有轉(zhuǎn)義字符DLE就不會(huì)被誤解。但是，如果在信息中出現(xiàn)與DLE相同的字符序列時(shí)，會(huì)出現(xiàn)特殊的問(wèn)題，解決的辦法是在該序列前面再加上一個(gè)DLE后發(fā)送，在接收端自動(dòng)刪除額外附加的DLE。

2）監(jiān)控報(bào)文(監(jiān)控序列)格式

監(jiān)控報(bào)文一般由單個(gè)傳輸控制字符或由若干圖形字符引導(dǎo)的單個(gè)傳輸控制字符組成。引導(dǎo)字符統(tǒng)稱為前綴，前綴的長(zhǎng)度不超過(guò)15個(gè)字符，它包含標(biāo)識(shí)信息、地址信息、狀態(tài)信息以及其他通信控制所需的信息。監(jiān)控報(bào)文按傳輸方向可分為兩種：正向監(jiān)控報(bào)文(正向監(jiān)控序列)和反向監(jiān)控報(bào)文(反向監(jiān)控序列)。

正向監(jiān)控報(bào)文與信息報(bào)文方向一致，是主站向從站發(fā)送的控制序列。主要用于通信雙方的呼叫應(yīng)答，以確保信息報(bào)文的可靠傳輸。正向監(jiān)控報(bào)文的形式如表7-2所示。在同步傳輸中把兩個(gè)或多個(gè)SYN序列放在前面，以建立和維持收發(fā)兩站的同步。

反向監(jiān)控報(bào)文與信息報(bào)文傳送方向相反，是從站向主站發(fā)送的控制序列。主要用于對(duì)詢問(wèn)的應(yīng)答和數(shù)據(jù)鏈路的控制。反向監(jiān)控報(bào)文的形式如表7-3所示。

對(duì)主站的信息報(bào)文和正向監(jiān)控報(bào)文，從站必須應(yīng)答，有肯定回答(ACK)、否定回答(NAK)等。主站發(fā)出結(jié)束報(bào)文后，若從站同意結(jié)束兩站之間的通信，回答(前綴)EOT，若從站也有信息需發(fā)送給主站，回答(前綴)ENQ。此時(shí)主從站的位置相互交換，即原來(lái)的從站變成了主站，原來(lái)的主站變成了從站。

7.2.3面向比特型的傳輸控制規(guī)程

在面向比特型的傳輸控制規(guī)程中，ISO制定的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程(HighLevelDataLinkControl，HDLC)所覆蓋的功能范圍最廣。下面就以HDLC為例，說(shuō)明面向比特型傳輸控制規(guī)程。

1.HDLC鏈路工作方式

HDLC是為了滿足各種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因而既能在交換線路上工作，也能在專用線路上工作；既能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，也能用于一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)；既能采用雙向交替方式傳輸，也能采用雙向同時(shí)的方式傳輸。根據(jù)通信雙方的鏈路結(jié)構(gòu)和應(yīng)答方式，HDLC為通信操作定義了兩種類型，即操作方式和非操作方式。

具體HDLC的操作方式有3種方式：

（1）正常響應(yīng)方式(NRM)：從站只有得到主站探詢之

后，才能傳送有關(guān)幀；

（2）異步響應(yīng)方式(ARM)：從站不必要得到主站的探詢，就可自動(dòng)地傳送有關(guān)幀；

（3）異步平衡方式(ABM)：鏈路兩端都為組合站，任何一站在任意時(shí)刻都可發(fā)送有關(guān)幀命令，無(wú)須對(duì)方的許可。

HDLC的非操作方式也有3種：

（1）正常斷開(kāi)方式(NDM)：處于這種方式時(shí)，從站在邏輯上與數(shù)據(jù)鏈路斷開(kāi)，不能發(fā)送和接收信息；

（2）異步斷開(kāi)方式(ADM)：處于這種方式時(shí)，從站和組合站在邏輯上與數(shù)據(jù)鏈路斷開(kāi)，不允許發(fā)送信息，但從站或作為命令接收器的組合站具有異步響應(yīng)方式的機(jī)會(huì)；

（3）初始化方式(IM)：在此方式中，從站和組合站的數(shù)據(jù)鏈路控制程序可以分別通過(guò)主站或另一個(gè)組合站進(jìn)行初始化或重新生成。

2.HDLC規(guī)程類別

相應(yīng)于HDLC的3種操作方式(NRM，ARM和ABM)，有3種規(guī)程類別，它們是：不平衡操作的正常響應(yīng)類別(UNC)、不平衡操作的異步響應(yīng)類別(UAC)和平衡操作的異步響應(yīng)類別(BAC)。

HDLC規(guī)程對(duì)上述3個(gè)基本規(guī)程定義了其命令/響應(yīng)子集。另外為了滿足特定系統(tǒng)的應(yīng)用要求，又規(guī)定了若干可選擇的功能。在通信雙方不了解對(duì)方使用什么規(guī)程類別和哪些可選功能時(shí)，可先通過(guò)使用XID命令(參見(jiàn)表7-4)進(jìn)行交換協(xié)商。

從鏈路訪問(wèn)規(guī)程來(lái)看，HDLC分為鏈路訪問(wèn)規(guī)程(LAP)、平衡型鏈路訪問(wèn)規(guī)程(LAPB)，ISDN的D信道鏈路訪問(wèn)規(guī)程(LAPD)

3.HDLC數(shù)據(jù)鏈路信道狀態(tài)

數(shù)據(jù)鏈路信道狀態(tài)分為工作和空閑兩種。鏈路處于工作狀態(tài)時(shí)，主站、從站或組合站發(fā)送的是一個(gè)幀，或者是連續(xù)發(fā)送7個(gè)“1”放棄某幀，或者在幀之間連續(xù)發(fā)送幀標(biāo)志序列來(lái)填充；鏈路處于空閑狀態(tài)時(shí)，可在一個(gè)站檢測(cè)出至少15個(gè)連“1”，表明遠(yuǎn)端站已停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.HDLC幀結(jié)構(gòu)

在HDLC中，無(wú)論是信息報(bào)文還是監(jiān)控報(bào)文都是以幀作為基本單位的，必須符合幀的格式，HDLC的幀格式如圖7-5所示。在HDLC幀結(jié)構(gòu)中含有標(biāo)志字段F、地址字段A、控制字段C、信息字段I和幀校驗(yàn)序列字段FCS5個(gè)字段。

圖7-5HDLC幀格式

1）標(biāo)志字段F

標(biāo)志字段用來(lái)表示一幀的開(kāi)始和結(jié)束，用于幀的同步。HDLC規(guī)程指定采用6個(gè)連續(xù)“1”的8bit序列01111110為標(biāo)志字段。在一個(gè)幀的中間(F～F)的任何位置不允許出現(xiàn)和標(biāo)志相同的比特序列，為此，HDLC規(guī)程采用“0”插入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)透明性傳輸?！?”插入與刪除技術(shù)可用圖7-6說(shuō)明。

圖7-6“0”插入與刪除技術(shù)示意圖

當(dāng)發(fā)送站發(fā)現(xiàn)有5個(gè)連續(xù)“1”的非標(biāo)志序列時(shí)，在第5個(gè)“1”后面自動(dòng)插入一個(gè)“0”。接收端檢查到非標(biāo)志序列的其他比特序列中有5個(gè)連“1”，自動(dòng)把后面“0”刪去?！?”插入技術(shù)的引入，使得HDLC幀所傳送數(shù)據(jù)達(dá)到透明傳送。

2）地址字段A

地址字段是發(fā)送站和接收站的地址。對(duì)于命令幀，該字段為對(duì)方的站地址；對(duì)于響應(yīng)幀，該字段指出的是發(fā)送響應(yīng)的數(shù)據(jù)站地址。

通常地址段有8位，其256種組合，表示256種編址。在HDLC規(guī)程中，約定全“1”比特為全站地址，用于對(duì)全部站點(diǎn)的探詢，全“0”比特為無(wú)站地址，用于測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路的工作狀態(tài)。

當(dāng)站的數(shù)目超過(guò)256個(gè)時(shí)，可進(jìn)行地址擴(kuò)展。擴(kuò)展方法為8位地址的最低位置“0”，表示后面緊跟的8位也是地址組成部分，當(dāng)最低位置“1”，說(shuō)明后續(xù)字節(jié)不是擴(kuò)展地址。使用地址擴(kuò)展后，低8bit的地址范圍就變成了128個(gè)。

3）控制字段C

控制字段用來(lái)表明幀類型、幀編號(hào)、命令和控制信息。

C字段為8bit，也允許擴(kuò)充到16bit

按幀功能可將C字段分成信息幀(I幀)、監(jiān)控幀(S幀)和無(wú)編號(hào)幀(U幀)3種，如圖7-6所示。各幀作用如下。

（1）信息幀I：控制字段C的第一個(gè)比特為0表示是信息幀，用來(lái)傳輸終端用戶的信息，并對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，另外還有執(zhí)行探詢命令的功能。這種幀格式發(fā)送時(shí)含有發(fā)送序號(hào)N(S)，指明當(dāng)前發(fā)送幀的編號(hào)，并有命令的含義。

幀中含有另一序號(hào)為接收序號(hào)N(R)，指明接收站所期待接收的幀號(hào)并確認(rèn)前面各個(gè)幀，具有應(yīng)答意義。例如，N(R)的值設(shè)置為4，收到該字段幀的數(shù)據(jù)站(主站、次站或組合站)就確認(rèn)，對(duì)方發(fā)送的0、1、2、3號(hào)幀都已被正確接收，而和它通信的那個(gè)站正等待N(S)為4的幀。一般在正常操作中，N(S)和N(R)都為3bit，因此表示的最大幀序號(hào)為7。

2）監(jiān)控幀S：控制字段的第1、2比特為10表示C字段此時(shí)為監(jiān)控幀或管理幀。該幀使用時(shí)不含信息字段，僅是用于執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路的監(jiān)控功能，如確認(rèn)、要求重發(fā)和請(qǐng)求暫停等。

根據(jù)該幀第3、4比特的組合可定義4種不同管理功能，它們所表示的意義見(jiàn)所示。監(jiān)控幀中有接收序號(hào)N(R)，而無(wú)發(fā)送序號(hào)N(S)。

另外，N(R)的含義隨S幀類型的不同而不同，它可以是命令幀，也可以是響應(yīng)幀。

（3）無(wú)編號(hào)幀U：控制字段的第1、2比特為11表示C字段此時(shí)為無(wú)編號(hào)幀。無(wú)編號(hào)幀不含有信息字段，也不包含任何用于提供工作方式設(shè)置、鏈路建立、鏈路拆除等附加的鏈路控制功能。由于幀中無(wú)順序號(hào)，故稱為無(wú)編號(hào)幀。它含有5個(gè)修飾比特的M，最多可定義32個(gè)附加控制功能。常用附加控制功能如表7-4所示。

（4）探詢/終止(P/F)位：在以上3種幀中，均有1bit的P/F位，表示命令的探詢或響應(yīng)的終止，只有置“1”時(shí)才有用。在信息(命令和響應(yīng))幀中，N(S)，N(R)和P/F的功能是相互獨(dú)立的；在監(jiān)控(命令和響應(yīng))幀中N(R)和P/F的功能是相互獨(dú)立的。

P/F位被主站和從站用來(lái)實(shí)現(xiàn)如下4種功能：

①P/F位在被主站使用時(shí)稱為P位，在被從站使用時(shí)稱為F位。在一條鏈路上，任何時(shí)刻都只能有一個(gè)P位可以存在(等待F位響應(yīng))。一般P位置“1”可以用做檢驗(yàn)點(diǎn)，用來(lái)探詢從站的狀態(tài)。檢驗(yàn)點(diǎn)在各種形式的自動(dòng)化中很重要，它是機(jī)器用來(lái)清除二義性，清理以前堆積的事務(wù)的一種技術(shù)。

②主站用P位請(qǐng)求從站發(fā)一個(gè)狀態(tài)響應(yīng)，P位還可以表示探詢，用于授權(quán)或啟動(dòng)從站傳輸信息。

③從站對(duì)主站P位的響應(yīng)，根據(jù)主站命令的不同，可分為信息幀、監(jiān)控幀或無(wú)編號(hào)幀，且?guī)位表示從站的響應(yīng)。另外，在正常響應(yīng)方式時(shí)，F(xiàn)位還可表示從站發(fā)送數(shù)據(jù)的末位，F(xiàn)置“1”，預(yù)告?zhèn)鬏敿磳⒔Y(jié)束。

P/F位可以用幾種方式來(lái)使用和解釋：

在NRM方式中，從站只有在收到一個(gè)P位為“1”的幀后才可以發(fā)信。主站要求從站發(fā)送信息幀(I)時(shí)，可以發(fā)一個(gè)P位為“1”的幀，或者發(fā)某些監(jiān)控命令幀(S)，如RR、REJ或SREJ等，并使P=1。在ARM方式和ABM方式中，不收到P位為“1”的命令也可以發(fā)送信息幀。這時(shí)P位為“1”用來(lái)請(qǐng)求盡快發(fā)一個(gè)F位為“1”的響應(yīng)。在ARM方式和ABM方式中，接到P位為“1”的命令后發(fā)送一個(gè)F位為“1”的準(zhǔn)備接收(RR)幀(這實(shí)際是非搶占優(yōu)先權(quán)問(wèn)題)。在雙向同時(shí)(全雙工)發(fā)送時(shí)，當(dāng)從站正在發(fā)信時(shí)收到一個(gè)P位為“1”的命令，那么在它后面最早的那個(gè)響應(yīng)中設(shè)置F位為“1”；發(fā)送F位為“1”的幀并不要求從站停止發(fā)信。在發(fā)了F位為“1”的幀后面還可以繼續(xù)發(fā)信?？梢?jiàn)在ARM方式和ABM方式中，從站并不把F位解釋成發(fā)信的結(jié)尾，它只是解釋成對(duì)前面那個(gè)幀的響應(yīng)。

4）信息字段I

信息字段用于傳送用戶數(shù)據(jù)。信息字段的長(zhǎng)度是可變的，理論上不限長(zhǎng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，其長(zhǎng)度由收發(fā)站的緩沖器的大小和線路的差錯(cuò)控制情況決定，通常不大于256字節(jié)。

5）幀校驗(yàn)序列字段FCS

幀校驗(yàn)序列字段用于對(duì)幀進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，校驗(yàn)的范圍包括除標(biāo)志字段之外的所有字段(A、C、I字段)的內(nèi)容，但為了進(jìn)行透明傳輸而插入的“0”不在校驗(yàn)范圍內(nèi)。該字段一般為16bit，CRC碼校驗(yàn)時(shí)的生成多項(xiàng)式為g(x)=x16+x12+x5+1。為了滿足更高的要求，也可采用32bit的CRC碼校驗(yàn)。

5.異常狀態(tài)的報(bào)告和恢復(fù)

鏈路異常是指?jìng)鬏敵霈F(xiàn)差錯(cuò)、數(shù)據(jù)站故障或誤操作等情況。

鏈路異常時(shí)應(yīng)執(zhí)行恢復(fù)規(guī)程，使鏈路恢復(fù)正常，常用的恢復(fù)措施有以下幾項(xiàng)：

（1）忙。接收站由于內(nèi)部緩沖器限制等原因暫時(shí)不能接收信息時(shí)，則稱其處在“忙”狀態(tài)，這時(shí)可通過(guò)發(fā)送RNR幀通知對(duì)方?！懊Α睜顟B(tài)的消除可以通過(guò)發(fā)送RR、REJ、SREJ，UA以及設(shè)置工作方式命令等來(lái)進(jìn)行，并可接收I幀。

2）N(S)差錯(cuò)。當(dāng)收到I幀無(wú)校驗(yàn)FCS差錯(cuò)，但該幀的N(S)不等于預(yù)期所要接收的順序號(hào)時(shí)，則表明N(S)順序出現(xiàn)了差錯(cuò)情況，處于異常鏈路工作狀態(tài)。根據(jù)差錯(cuò)出現(xiàn)的不同原因，響應(yīng)采取P/F檢驗(yàn)恢復(fù)、REJ恢復(fù)、SREJ恢復(fù)和超時(shí)恢復(fù)等措施。

（3）FCS校驗(yàn)差錯(cuò)。當(dāng)接收器發(fā)現(xiàn)某幀有校驗(yàn)差錯(cuò)時(shí)，將其丟棄。

（4）命令/響應(yīng)被拒絕。當(dāng)收到的幀無(wú)差錯(cuò)，但其控制字符包含了未定義或不能實(shí)現(xiàn)的命令或響應(yīng)、幀格式無(wú)效和信息字段長(zhǎng)度超過(guò)容許的最大長(zhǎng)度時(shí)，鏈路處于命令/響應(yīng)拒絕狀態(tài)。通常采用置工作方式命令去恢復(fù)。

（5）競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。當(dāng)同時(shí)有多個(gè)站去占用鏈路時(shí)，鏈路處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。常采用系統(tǒng)規(guī)定的超時(shí)條件去恢復(fù)。

6.HDLC傳輸過(guò)程舉例

例

7-1從站發(fā)送信息的正常響應(yīng)方式(NRM)下的雙向交替?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)鏈路的建立和數(shù)據(jù)傳輸。傳輸過(guò)程如圖7-7示。

圖7-7從站發(fā)送信息的NRM方式下數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

在初始狀態(tài)，主站A向從站B發(fā)送SNRM命令，以設(shè)置NRM工作方式，P=1表示主站發(fā)送的是命令，要求從站響應(yīng)。

從站收到命令后發(fā)送UA幀以示確認(rèn)，這時(shí)數(shù)據(jù)鏈路已建立完畢，F(xiàn)=1表示是從站送出的命令，要求主站響應(yīng)。

主站為了要求從站發(fā)送數(shù)據(jù)信息，發(fā)送RR命令，表示主站已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)信息，P=1表示允許從站發(fā)送數(shù)據(jù)。所以從站接收到RR命令后開(kāi)始發(fā)送I幀，幀序號(hào)用N(S)表示。

當(dāng)主站連續(xù)收到從站發(fā)送I幀的第3幀(N(S)=2)時(shí)，送出RR命令(P=1)以表示從站可以繼續(xù)發(fā)送I幀，同時(shí)對(duì)前面收到的3幀進(jìn)行確認(rèn)(N(R)=3)。

從站在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)，在最后一個(gè)I幀置F=l。

如果上面的數(shù)據(jù)鏈路中主站要向從站發(fā)送數(shù)據(jù)信息，則主站在收到從站送來(lái)的UA響應(yīng)幀后，就可以馬上發(fā)送I幀了。

例

7-2

NRM方式下雙向同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，傳輸過(guò)程如圖7-8所示。

在該傳輸方式下，數(shù)據(jù)鏈路的建立過(guò)程與例7-1相同（見(jiàn)圖7-7），但主站在送出第1個(gè)I幀時(shí)，P=l表示同時(shí)允許從站發(fā)送I幀，可雙向同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信息。注意在傳輸I幀的同時(shí)，要對(duì)收到的I幀進(jìn)行確認(rèn)（見(jiàn)圖7-8）。

圖7-8NRM方式雙向同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

例

7-3

退回N步的差錯(cuò)恢復(fù)過(guò)程如圖7-9所示。當(dāng)A站發(fā)送編號(hào)為7的I幀出錯(cuò)時(shí)，由接收站B站檢測(cè)出錯(cuò)情況，B站等待A站的詢問(wèn)，當(dāng)收到P=1的詢問(wèn)幀時(shí)，B站用RR幀響應(yīng)，并用N(R)=7要求A站重發(fā)編號(hào)為7以后的I幀，從而達(dá)到差錯(cuò)恢復(fù)。這種方式適用于雙向交替方式工作的鏈路，對(duì)于雙向同時(shí)方式工作的鏈路是不適用的。

圖7-9退回N步的差錯(cuò)恢復(fù)過(guò)程

例

7-4

用SREJ幀進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)過(guò)程如圖7-10所示，用SREJ幀來(lái)指出出錯(cuò)的幀號(hào)，發(fā)站A重發(fā)出錯(cuò)的幀，而對(duì)于已發(fā)送的未出錯(cuò)的幀不予重發(fā)，從而提高傳輸效率。

圖7-10SREJ幀進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)過(guò)程

7.數(shù)據(jù)鏈路傳輸控制規(guī)程比較

與字符型控制規(guī)程相比較，HDLC規(guī)程有以下特點(diǎn)：

（1）透明傳輸。HDLC規(guī)程對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的比特序列的結(jié)構(gòu)沒(méi)有限制，是靠“0”插入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。面向字符型的傳輸控制規(guī)程是靠轉(zhuǎn)義字符DLE實(shí)現(xiàn)，它降低了傳輸效率，增加了處理的復(fù)雜性。

（2）可靠性高。在HDLC規(guī)程中，差錯(cuò)校驗(yàn)的范圍為整個(gè)幀(除了F標(biāo)志之外)。

3）傳輸效率高。因?yàn)镠DLC的I幀的編號(hào)傳輸，在通信中可以不必等待對(duì)方響應(yīng)進(jìn)行確認(rèn)后才傳輸新的數(shù)據(jù)信息，而且也不必對(duì)每個(gè)I幀都予以確認(rèn)；在差錯(cuò)時(shí)，可以采用選擇重發(fā)的方法。這些都大大提高了工作效率。另外，從幀結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，幀內(nèi)用于尋址和控制所占的比例也大大小于字符型傳輸規(guī)程，這從另一個(gè)方面說(shuō)明HDLC的傳輸效率較高。

（4）應(yīng)用廣泛，適應(yīng)力強(qiáng)。從工作方式上看，HDLC能選擇采用雙向交替和雙向同時(shí)工作兩種工作方式；HDLC既適應(yīng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式工作，也能適應(yīng)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式工作；既能用于電路交換的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，也能用于分組交換的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，還能用于局域網(wǎng)和衛(wèi)星通信的鏈路控制。

（5）結(jié)構(gòu)靈活。在HDLC中，傳輸控制功能和處理功能分離，層次清楚，應(yīng)用非常靈活。盡管HDLC規(guī)程要比面向字符型的傳輸控制規(guī)程要復(fù)雜些，但由于計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、微處器、VLSI的發(fā)展，出現(xiàn)了許多專用或多用的面向比特的傳輸控制集成電路芯片，如Z8-SIO、Intel8274和MC68000等，所以實(shí)現(xiàn)該規(guī)程極為方便。

7.3無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中的信道接入?yún)f(xié)議

信道接入?yún)f(xié)議，即媒體訪問(wèn)控制(MAC)，是無(wú)線數(shù)據(jù)通信協(xié)議的重要組成部分。目前在無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)中常用的信道接入?yún)f(xié)議可分為：?jiǎn)涡诺澜尤雲(yún)f(xié)議與多信道接入?yún)f(xié)議。

7.3.1單信道無(wú)線接入?yún)f(xié)議

單信道接入是無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中常用的接入形式。在單信道條件下，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收只占用一個(gè)信道，工作于半雙工方式。常用的單信道基本接入?yún)f(xié)議主要有ALOHA，CSMA/CA，MACA等。

1.ALOHA協(xié)議

ALOHA協(xié)議是適用于在單信道條件下使用的一種隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。ALOHA協(xié)議規(guī)定：網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)共享信道，任何節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，卻不需要獲取信道工作狀態(tài)，隨時(shí)發(fā)送。檢測(cè)到碰撞時(shí)，再給每個(gè)用戶分配不同的重發(fā)間隔時(shí)間，重新發(fā)送。ALOHA協(xié)議簡(jiǎn)單，吞吐率較低（最大值只能達(dá)到18.4%），因此只適于在節(jié)點(diǎn)數(shù)較少、業(yè)務(wù)量較低的網(wǎng)絡(luò)中使用。

2.CSMA/CA協(xié)議

CSMA/CA(載波監(jiān)聽(tīng)/碰撞避免協(xié)議)是指節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先監(jiān)聽(tīng)信道的工作狀態(tài)，如果信道已經(jīng)被其他節(jié)點(diǎn)占用，則延遲發(fā)送以避免數(shù)據(jù)碰撞。

由于CSMA/CA中在發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽(tīng)了信道工作狀態(tài)，因此可以降低信道碰撞概率，但同時(shí)也增大了發(fā)送延時(shí)。

3.MACA協(xié)議

MACA協(xié)議(多址接入碰撞避免協(xié)議)包括RTS、CTS、DATA和ACK四個(gè)過(guò)程。由于它充分利用了RTS與CTS幀，避免了數(shù)據(jù)碰撞問(wèn)題。

MACA協(xié)議規(guī)定，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B進(jìn)行RTS-CTS握手時(shí)，將周圍的其他節(jié)點(diǎn)分成3類：

（1）第1類是既能監(jiān)聽(tīng)到RTS幀，也能監(jiān)聽(tīng)到CTS幀的節(jié)點(diǎn)。顯然這類節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍之內(nèi)，可以監(jiān)聽(tīng)到整個(gè)數(shù)據(jù)通信過(guò)程，因此在整個(gè)通信過(guò)程中，應(yīng)該保持靜默；

（2）第2類節(jié)點(diǎn)是只能監(jiān)聽(tīng)到RTS幀的節(jié)點(diǎn)。這類節(jié)點(diǎn)只處于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍之內(nèi)。在監(jiān)聽(tīng)到RTS幀后的一段時(shí)間內(nèi)保持靜默，以確保發(fā)送節(jié)點(diǎn)能正確地收到CTS幀。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，這類節(jié)點(diǎn)就不必保持靜默，因?yàn)樗幱诮邮展?jié)點(diǎn)通信范圍之外，不會(huì)對(duì)接收節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生干擾；

（3）第3類節(jié)點(diǎn)是只能監(jiān)聽(tīng)到CTS幀的節(jié)點(diǎn)。這類節(jié)點(diǎn)在監(jiān)聽(tīng)到CTS幀后，在一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持靜默，以避免干擾接收節(jié)點(diǎn)。

7.3.2多信道無(wú)線接入?yún)f(xié)議

多信道接入?yún)f(xié)議可實(shí)現(xiàn)利用2個(gè)以上的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一般來(lái)說(shuō)，多信道協(xié)議將可用信道劃分為2類：一類是控制信道，用于傳幀長(zhǎng)較短的控制幀；另一類是數(shù)據(jù)信道，用來(lái)傳輸幀長(zhǎng)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀。常用的多信道傳輸協(xié)議主要有：BTMA、DBTAM、基于擴(kuò)頻碼的信道接入?yún)f(xié)議等。

1.BTMA接入?yún)f(xié)議

BTMA(基于忙音的多信道接入?yún)f(xié)議)將信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道?？刂菩诺烙糜趥魉蚏TS幀、CTS幀和忙音。協(xié)議工作過(guò)程如圖7-11所示。

圖7-11BTMA協(xié)議示意圖

當(dāng)A節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)向B節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，A節(jié)點(diǎn)先在控制信道上發(fā)送RTS幀，B節(jié)點(diǎn)在收到RTS幀后，先在控制信道上響應(yīng)CTS幀，然后在控制信道上發(fā)送一個(gè)忙音，表示自己正處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，不希望其他節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)信道上干擾。

接下來(lái)A節(jié)點(diǎn)開(kāi)始在數(shù)據(jù)信道上發(fā)送DATA幀。處于B節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)收到忙音后，立即在數(shù)據(jù)信道上保持靜默，以免干擾B節(jié)點(diǎn)，直至B節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)接收為止。

從圖7-11可以看出，BTMA協(xié)議較為復(fù)雜，它可以有效地避免在接收數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生干擾問(wèn)題，但要實(shí)現(xiàn)BTMA協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要2個(gè)信道，且2個(gè)信道要能同時(shí)工作，這對(duì)接入設(shè)備要求較高。

2.基于擴(kuò)頻碼的信道接入?yún)f(xié)議

基于擴(kuò)頻碼的信道接入?yún)f(xié)議利用了擴(kuò)頻碼的正交特性，使得網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)占用信道而互不干擾。

1）基于接收端的擴(kuò)頻碼接入?yún)f(xié)議

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)(ID)，并且被分配了一個(gè)唯一的、正交的擴(kuò)頻碼。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先在信息數(shù)據(jù)中添加上接收節(jié)點(diǎn)的ID值，然后使用接收節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻碼對(duì)發(fā)送的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。在接收端，節(jié)點(diǎn)使用自身的擴(kuò)頻碼對(duì)接收到的信號(hào)解調(diào)，并根據(jù)其中的ID值決定是否接收該信息。使用該協(xié)議時(shí)，節(jié)點(diǎn)的接收設(shè)備較為簡(jiǎn)單，只要在系統(tǒng)干擾容限之內(nèi)，系統(tǒng)可以允許不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)占用信道。但是當(dāng)2個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，在接收端可能產(chǎn)生干擾。

2）基于發(fā)送端的擴(kuò)頻碼接入?yún)f(xié)議

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)(ID)，并且被分配了一個(gè)唯一的、正交的擴(kuò)頻碼。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先在信息數(shù)據(jù)中添加上接收節(jié)點(diǎn)的ID，然后本端的擴(kuò)頻碼對(duì)發(fā)送的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。在接收端，接收節(jié)點(diǎn)使用系統(tǒng)中所有可能的擴(kuò)頻碼對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后根據(jù)其中的ID值決定是否接入信息。在該協(xié)議中，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)仍然能夠?qū)蓚€(gè)信息區(qū)分開(kāi)來(lái)。但要實(shí)現(xiàn)這種協(xié)議，顯然要求節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)擴(kuò)頻信道同時(shí)解調(diào)的能力，接入設(shè)備的復(fù)雜程度較高。

3）基于公共擴(kuò)頻碼的接入?yún)f(xié)議

基于公共擴(kuò)頻碼的接入?yún)f(xié)議是指系統(tǒng)使用若干個(gè)公用的擴(kuò)頻碼，這些公用的擴(kuò)頻碼經(jīng)過(guò)優(yōu)選，相互之間有十分優(yōu)異的正交性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)，先通過(guò)監(jiān)聽(tīng)，在所有公共擴(kuò)頻碼中尋找一個(gè)尚未被使用的擴(kuò)頻碼，然后再用該擴(kuò)頻碼對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。接收端在使用所有可能的公共擴(kuò)頻碼對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，根據(jù)信息中包括的ID決定是否接收該信息?；诠矓U(kuò)頻碼的接入?yún)f(xié)議要求接收機(jī)具有多個(gè)擴(kuò)頻信道接收能力，但信道數(shù)量比基于發(fā)送端的擴(kuò)頻碼接入?yún)f(xié)議少。

從上述分析可知，由于擴(kuò)頻具有良好的正交性，可以容忍網(wǎng)絡(luò)中的一些數(shù)據(jù)碰撞。與單信道接入?yún)f(xié)議和多信道接入?yún)f(xié)議相比，基于擴(kuò)頻碼的信道接入?yún)f(xié)議中的其他協(xié)議可較好地解決不同節(jié)點(diǎn)之間爭(zhēng)用信道的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的效率，但是它占用的頻譜資源也較多，接入設(shè)備復(fù)雜程度較高。

7.3.3無(wú)線信道的隱終端和暴露終端問(wèn)題

從網(wǎng)絡(luò)通信的角度來(lái)看，無(wú)線信道具有開(kāi)放性、共享性的特點(diǎn)。開(kāi)放性意味著在通信距離范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都具有獲取信息資源的能力，而共享性意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都具有占用信道帶寬、發(fā)送信息的權(quán)限。無(wú)線信道的開(kāi)放性和共享性會(huì)導(dǎo)致隱終端和暴露終端問(wèn)題。

1.隱終端

隱終端問(wèn)題如圖7-12(a)所示，A、B、C、D共4個(gè)點(diǎn)分布位置如圖，B節(jié)點(diǎn)在A節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍之內(nèi)，C節(jié)點(diǎn)在A的覆蓋范圍之外。當(dāng)A節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給B節(jié)點(diǎn)，A先向B發(fā)送RTS幀。

由于C節(jié)點(diǎn)不在A節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍之內(nèi)，不可能監(jiān)聽(tīng)到A節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RTS幀。所以，此時(shí)如果C節(jié)點(diǎn)向D節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)干擾B節(jié)點(diǎn)對(duì)RTS幀的接收。這種情況下，稱C節(jié)點(diǎn)為隱終端。圖7-12隱終端和暴露終端問(wèn)題

2.暴露終端

暴露終端問(wèn)題如圖7-12(b)所示，A節(jié)點(diǎn)處于B節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍之內(nèi)，處于C節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍之外，D節(jié)點(diǎn)處于C節(jié)點(diǎn)通信覆蓋之內(nèi)，但處于B節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍之外。在理想情況下，如果B節(jié)點(diǎn)向A節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，C節(jié)點(diǎn)也可以向D節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)A節(jié)點(diǎn)應(yīng)該能正確收到B節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，因?yàn)锳節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離C節(jié)點(diǎn)，它不會(huì)受到C節(jié)點(diǎn)的干擾；同理，D節(jié)點(diǎn)也應(yīng)該能收到C節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，因?yàn)镈節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離B節(jié)點(diǎn)，它不會(huì)受到B節(jié)點(diǎn)的干擾。但是在某些協(xié)議中，B、C節(jié)點(diǎn)卻不能同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。例如在CSMA/CA協(xié)議中，當(dāng)C節(jié)點(diǎn)聽(tīng)到了B節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)啟動(dòng)避讓規(guī)則，暫緩向D節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這就增加了C節(jié)點(diǎn)到D節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。在這種情況下，稱C節(jié)點(diǎn)為暴露終端。

7.4無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議

7.4.1無(wú)線局域網(wǎng)解決方案與運(yùn)作模式

1.無(wú)線局域網(wǎng)解決方案

無(wú)線局域網(wǎng)解決方案主要有：

1）無(wú)線個(gè)人網(wǎng)(WPAN)

主要用于個(gè)人用戶工作空間，典型距離為覆蓋幾米，可以與計(jì)算機(jī)同步傳輸文件，訪問(wèn)本地外圍設(shè)備(如打印機(jī)等)。目前主要技術(shù)包括藍(lán)牙和紅外(IrDA)。

2）無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)

主要用于寬帶家庭、大樓內(nèi)部以及園區(qū)內(nèi)部，典型距離為覆蓋幾十米至上百米。

3）無(wú)線LAN-to-LAN網(wǎng)橋

主要用于大樓之間的聯(lián)網(wǎng)通信，典型距離為幾公里。

4）無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)和無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)

覆蓋城域和廣域環(huán)境，主要用于Internet/E-mail訪問(wèn)，但提供的帶寬比無(wú)線局域網(wǎng)要低很多。

2.無(wú)線局域網(wǎng)運(yùn)作模式

無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)目前主要技術(shù)為IEEE802.11系列。IEEE802.11定義了兩種運(yùn)作模式：特殊(AdHoc)模式和基礎(chǔ)(Infrastructure)模式。

1）AdHoc模式

在AdHoc模式下，不存在無(wú)線AP，無(wú)線客戶端直接相互通信。使用AdHoc模式通信的兩個(gè)或多個(gè)無(wú)線客戶端就形成了一個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)服務(wù)集。

2）Infrastructure模式

在Infrastructure模式下，至少存在一個(gè)無(wú)線AP和一個(gè)無(wú)線客戶端。無(wú)線客戶端使用無(wú)線AP訪問(wèn)有線網(wǎng)絡(luò)的資源。支持一個(gè)或多個(gè)無(wú)線客戶端的單個(gè)無(wú)線AP稱為一個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)集(BasicServiceSet，BSS)，BSS是無(wú)線局域網(wǎng)的基本單元，即前面說(shuō)的小區(qū)。在一個(gè)基本服務(wù)集BSS內(nèi)，所有的站均運(yùn)行同樣的MAC協(xié)議并以爭(zhēng)用方式共享同樣的媒體。

一個(gè)BSS可以通過(guò)AP連接到主干分配系統(tǒng)DS(DistributionSystem)。DS相當(dāng)于一個(gè)有線主干局域網(wǎng)。這些基本服務(wù)集通過(guò)分配系統(tǒng)連接在一起，如圖7-13所示。一個(gè)ESS是單個(gè)邏輯網(wǎng)段(也稱為一個(gè)子網(wǎng))，并通過(guò)它的服務(wù)集標(biāo)識(shí)符(ServiceSetIdentifier，SSID)來(lái)識(shí)別。如果某個(gè)ESS中的無(wú)線AP的可用物理區(qū)域相互重疊，那么無(wú)線客戶端就可以漫游，或從一個(gè)位置(一個(gè)無(wú)線AP)移動(dòng)到另一個(gè)位置(另一個(gè)不同的無(wú)線AP)，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)層的連接。

圖7-13IEEE802.11的基本服務(wù)集和擴(kuò)展服務(wù)集

7.4.2IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的物理層

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的物理層定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)特征和調(diào)制方法，并規(guī)范了有關(guān)傳輸介質(zhì)的特性標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹幾種常見(jiàn)的已經(jīng)產(chǎn)品化的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)。

（1）IEEE802.11a。工作在5GHz頻段，最大速率可達(dá)54Mb/s，采用OFDM調(diào)制技術(shù)，采用802.1la標(biāo)準(zhǔn)的WLAN，可以同時(shí)支持多個(gè)相互不干擾的高速WLAN用戶。

（2）IEEE802.11b。使用直接序列擴(kuò)頻DSSS調(diào)制技術(shù)，在2.4GHz頻帶實(shí)現(xiàn)11Mb/s速率的無(wú)線傳輸。由于DSSS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)比正交頻分復(fù)用OFDM容易，802.11b已成為當(dāng)今WLAN的主流標(biāo)準(zhǔn)。其最大特點(diǎn)是可以根據(jù)無(wú)線信道狀況的變化，在5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s之間進(jìn)行速率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（3）IEEE802.11g。在2.4GHz頻段使用OFDM調(diào)制技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率提高到20Mb/s以上；802.11g標(biāo)準(zhǔn)既能提供與802.11a相同的傳輸速率，又能與已有的802.11b設(shè)備后向兼容。在速率不大于11Mb/s時(shí)，仍采用DSSS調(diào)制技術(shù)；當(dāng)傳輸速率高于11Mb/s時(shí)，則采用調(diào)制效率更高的OFDM調(diào)制技術(shù)。

7.4.3IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的MAC子層

在網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，各種不同的傳輸介質(zhì)的物理層對(duì)應(yīng)著不同的MAC層。例如，以太網(wǎng)MAC層定義為802.3，無(wú)線局域網(wǎng)MAC層定義為802.11，各種不同傳輸介質(zhì)的物理層對(duì)應(yīng)的不同的MAC層，如圖7-14所示。

圖7-14不同傳輸介質(zhì)的物理層對(duì)應(yīng)的MAC層

由于以太網(wǎng)(Ethernet)成為現(xiàn)存局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要形式，CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)載波監(jiān)測(cè)多址接入?yún)f(xié)議也成為局域網(wǎng)采用最多的MAC協(xié)議。CSMA/CD適宜于總線型局域網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)型媒體訪問(wèn)控制?？偩€型網(wǎng)絡(luò)允許同一時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)(Node)發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦兩個(gè)或以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，數(shù)據(jù)不能正常發(fā)送和接收。CSMA/CD協(xié)議就是盡可能保證網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)“碰撞”概率。

為了盡量減少碰撞，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的MAC子層，包括分布式協(xié)調(diào)控制功能(DistributedCoordinationFunction，DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)控制功能(PointCoordinationFunction，PCF)，PCF也叫中心控制、集中控制。在BSS內(nèi)工作的一個(gè)站，能通過(guò)協(xié)調(diào)控制功能決定何時(shí)通過(guò)無(wú)線媒體允許發(fā)送和接收協(xié)議單元。

DCF是IEEE802.11MAC協(xié)議最基本的媒體接入方法，作用于基本服務(wù)群和基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可在所有站實(shí)現(xiàn)，主要采用CSMA/CA的分布式媒體接入方法，讓各個(gè)站通過(guò)爭(zhēng)用信道來(lái)獲取發(fā)送權(quán)。DCF向上提供爭(zhēng)用服務(wù)。

PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)集中控制)，用類似于輪詢的方法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個(gè)站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對(duì)于時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)，如分組語(yǔ)音，應(yīng)當(dāng)使用點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF，可支持無(wú)爭(zhēng)用型業(yè)務(wù)。

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的MAC子基本結(jié)構(gòu)如圖7-15所示。

圖7-15IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的MAC子層基本結(jié)構(gòu)

7.4.4載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)/碰撞回避機(jī)制

載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)/碰撞回避機(jī)制，即CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance)機(jī)制。

IEEE802.3總線型局域網(wǎng)(有線以太網(wǎng))在MAC層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)。所有的以太網(wǎng)，不論其速度或幀類型是什么，都使用CSMA/CD。圖7-16描繪了CSMA/CD的工作過(guò)程。

圖7-16CSMA/CD的工作過(guò)程

因?yàn)闊o(wú)線設(shè)備不能同時(shí)發(fā)射和接收，所以IEEE802.11使用的是碰撞回避策略，而不是如IEEE802.3使用碰撞檢測(cè)(CollisionDetection，CD)。在一個(gè)WLAN中，不是所有的無(wú)線設(shè)備都能夠直接通信。因此，IEEE802.11采用網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)。NAV是表示媒介空閑剩余時(shí)間的值。每個(gè)站點(diǎn)的NAV都是從媒介傳輸?shù)膸锶〕鰰r(shí)間長(zhǎng)度值來(lái)保持最新值。站點(diǎn)通過(guò)檢查NAV決定是否發(fā)送。有可能NAV表示媒介忙，而物理載波檢測(cè)卻顯示媒介空閑，這時(shí)站點(diǎn)不能發(fā)送。因此，NAV也被稱為虛擬載波檢測(cè)。通過(guò)物理載波檢測(cè)和虛擬載波檢測(cè)策略的結(jié)合，MAC得以實(shí)現(xiàn)CSMA/CA的碰撞避免機(jī)制。圖7-17描繪了CSMA/CA的工作過(guò)程。

圖7-17CSMA/CA的工作過(guò)程

從CSMA/CA的工作過(guò)程知道，查看介質(zhì)是否空閑可以通過(guò)載波偵聽(tīng)，如果源需要發(fā)送數(shù)據(jù)，它必須檢查傳輸介質(zhì)是否正在被別人使用，如果介質(zhì)未被別人使用，就發(fā)送數(shù)據(jù)包；反之，源主機(jī)就必須等待一段時(shí)間，等到介質(zhì)空閑后才能夠發(fā)送。源通過(guò)不斷發(fā)出RTS(RequestToSend，請(qǐng)求發(fā)送)包來(lái)檢查介質(zhì)的占用情況，在目的主機(jī)返回CTS(ClearToSend，允許發(fā)送)包后，源主機(jī)就可以發(fā)送了，即請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議(RTS/CTS)。

7.4.5RTS/CTS協(xié)議

RTS/CTS協(xié)議相當(dāng)于一種握手協(xié)議，主要用來(lái)解決“站點(diǎn)隱蔽”問(wèn)題?！罢军c(diǎn)隱蔽”是指用戶站A和用戶站C都未偵聽(tīng)，同時(shí)將信號(hào)發(fā)送至B引起信號(hào)碰撞，導(dǎo)致發(fā)送至B的信號(hào)都丟失了。RTS/CTS傳輸原理如圖7-18所示。

圖7-18CSMA/CA協(xié)議中的RTS和CTS

圖7-18(a)中用戶站A在向站B發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，先向B發(fā)送RTS幀，表明A要向B發(fā)送若干數(shù)據(jù)，在RTS幀中說(shuō)明將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度。RTS幀格式如圖7-19所示。

圖7-18(b)中用戶站B收到RTS幀后，就向站A響應(yīng)一個(gè)允許發(fā)送幀CTS。CTS幀格式如圖7-20所示。

圖7-20CTS幀格式圖7-19RTS幀格式

在A和B兩個(gè)站附近的一些站(站C、D、E)的反應(yīng)如下：

C在A的范圍內(nèi)能收到RTS，但收不到CTS，因?yàn)椴辉贐的范圍內(nèi)，D與C相反，而E既能收到RTS也能收到CTS，因此這3個(gè)站在整個(gè)過(guò)程都不影響A向B發(fā)送數(shù)據(jù)。

發(fā)送RTS幀的目的是將持續(xù)時(shí)間信息告知鄰近站點(diǎn)，收到RTS的站點(diǎn)就用收到的信息更新其NAV，從而防止這些站點(diǎn)在被告知時(shí)間段內(nèi)發(fā)送信息，以避免碰撞發(fā)生。RTS幀包含幀控制、持續(xù)時(shí)間、兩個(gè)地址和幀校驗(yàn)。在RTS幀中，持續(xù)時(shí)間信息是完成一次幀交換過(guò)程的所需時(shí)間。RA表示無(wú)線媒體上的一個(gè)站點(diǎn)的MAC地址，RA標(biāo)識(shí)的站點(diǎn)則發(fā)送RTS的應(yīng)答幀CTS。TA表示發(fā)送該RTS幀的站點(diǎn)的地址。FCS包括一個(gè)32位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC。

CTS包含幀控制、持續(xù)時(shí)間、一個(gè)地址和幀校驗(yàn)，該幀用于將持續(xù)時(shí)間信息告知鄰近站點(diǎn)。收到CTS的站點(diǎn)就用收到的信息更新其NAV，從而防止這些站點(diǎn)在被告知的持續(xù)時(shí)間內(nèi)發(fā)送信息，避免碰撞發(fā)生。

CTS幀是剛剛接收到的RTS的響應(yīng)幀，RA就是該RTS幀中的發(fā)送方地址TA的拷貝。CTS幀中的RA必須是某個(gè)站點(diǎn)的MAC地址。CTS幀中的持續(xù)時(shí)間數(shù)值也是從剛剛接收到的那個(gè)RTS中的持續(xù)時(shí)間域中獲得。持續(xù)時(shí)間以μs為單位。FCS同RTS幀中的FCS一樣。

使用RTS和CTS會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)效率下降，但他們相比于數(shù)據(jù)幀可以忽略，不使用這種控制幀，一旦發(fā)生碰撞導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，時(shí)間的浪費(fèi)就更大。

因此，協(xié)議802.11協(xié)議設(shè)有3種情況供用戶選擇：

（1）當(dāng)需要傳送大容量文件時(shí)，使用RTS和