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移动通信协议
移动通信协议
第一章
应用层
ISO/OSI模型
表示层
会话层
传输层
高层
底层
网络层
数据链路层
物理层
与计算机网络有关的几个概念:
1.带宽:
—电路层面的带宽传输层面的带宽
2传输方式:
—定义两个互相连接的设备之间信号流动的方向
单工半双工全双工
带宽(bandwidth):
又叫频宽,是指在固定的时间可传输资料数量,即在传输管道中可以传递数据的能力。
在数字设备中,频宽通常以bps表示,即每秒可传输之位数。
在模拟设备中,频宽通常以每秒传送周期或赫兹(Hz)来表示
带宽=时钟频率×总线位数/8.带宽就是传输速率,是指每秒钟传输的最大字节数(B/S)即每秒处理多少兆字节。
扩展:
•为了更形象地理解带宽、位宽、时钟频率的关系,我们举个比较形象的例子,工人加工零件,如果一个人干,在大家单个加工速度相同的情况下,肯定不如两个人干的多,带宽就像是加工零件的总数量,位宽仿佛工人数量,时钟工作频率相当于加工单个零件的速度,位宽越宽,时钟频率越高则总线带宽越大,其好处也是显而易见的
1.数数转换:
a)单极性编码
b)极化编码
c)双极性编码
单极性编码:
单极性编码只使用一个电压值,这个极性指定为两个二进制状态中的一个,通常是1,另一个状态通常是0,由0电压来表示。
(1是正电势)
示例:
01001110
单极性编码的主要缺点:
(1).直流分量问题,单极性编码信号的平均振幅不是零,不能由没有处理直流分量能力的介质传输
(2).同步问题,当数据流中包含一长串连1或连0时,就会产生同步问题。
极化编码:
(1).非归零编码
(2).归零编码
(3).双相位编码
非归零编码又分:
非归零电平编码NRZ-L(0正电势,1负电势)
非归零反相编码NRZ-L(遇1反,遇0不变)
01001110
归零编码:
使用了三个电平:
正电平、负电平和零。
在归零编码中,信号变化不是发生在比特之间而是发生在比特内在每比特间隔的中段将信号归零。
(0:
负电势--零电势)
(1:
正电势—零电势)
双相位编码:
信号在每比特间隔的中间发生改变但并不归零。
曼彻斯特编码:
(1:
负—正)
(2:
正—负)
差分曼彻斯特编码:
(遇0反相,遇1不变)
01001110
双极性编码:
使用三个电平值:
正电平、负电平和零,电平值零在双极性编码中是代表二进制0的,正负电平交替代表比特1
双极性编码分为:
传号交替反转3阶高密度双极性双极性8连0替换
(AMI)(HDB3)(B8ZS)
传号交替反转:
AMI意味着交替比特1的反转,一个中性的零值电平代表二进制0,二进制1由交替的正负电压代表
双极性编码B8ZS
只要出现8连0,B8ZS就根据前导的1(恰在连0比特出现之前的比特1)的电平值改变对应的比特模式。
如果前导的比特1是正电平,则8个比特编码为000正负0负和正
如果前导1的极性是负的,则扰动的模式相同而极性相反
双极性编码HDB3
如果遇到4个0比特时就改变比特模式,如果自最近一次替换后比特流中的1数目为奇则:
如果自最近一次替换后比特流中的1数为偶
模模转换
调幅AM调频FM调相PM
数模转换
为一组一个或多个的比特值分配一个特定的模拟信号
频率调制—FSK
幅度调制—ASK
相位调制—PSK
正交调制—QAM
模数转换
调制解调器检查进来的信号的振幅、频率和相移,并产生相应的数字信号
脉冲幅度调制PAM
脉冲码调制PCM
复用技术:
复用技术就是允许同时通过一条数据链路传输多个信号的一套技术。
MUX和DEMUX
MUX(复用器)将多个流量组合成一个单独的传输流(多合一)
DEMUX(分解器)将复用数据分解成原来的几个独立传输流(一分多)并将它们导向所期望的接收设备
复用类型:
●频分复用FDM
●波分复用WDM
●时分复用TDM
频分复用:
在FDM中,每个发送设备产生的信号用于调制不同的载波频率,调制后的信号再被组合成一个可以通过链路传输的复合信号。
分解器中采用了一些列过滤器来将复合信号分解称组成它的各个信号,每个信号随后被送往解调器,解调器将它们与载波信号分离并转发给等待的接收方。
波分复用WDM:
除了复用与多路分解包括通过光纤信道传输光信号之外,波分复用(WDM)在概念上与频分复用相同,同样,我们组合各种频率的信号,然而其不同之处是这些频率很高。
MUX和DEMUX都用棱镜完成。
在发送端将用不同源的窄带光组成一个宽带光
在接收器端,通过多路分解器将光信号分解。
时分复用TDM:
当传输介质的数据速率容量大于发送和接收设备所需要的数据速率时就可以采用它,在这种情况下,多道传输流通过细分链路和交织过程来使用单条链路。
同步时分复用:
这里的同步是指复用器在所有时间为每个设备都分配完全一样的时间片,不管该设备有没有数据要传输
帧:
一帧由时间片的一个完整循环组成,包括分配给每个发送设备的一个或多个时间片
交织:
同步时分复用可以比作快速旋转的开关,开关以恒定速率和固定顺序在设备间转换
帧定位比特:
每帧的开始通常附加了一个或多个同步比特,这些比特,称为帧定位比特,具有一定的模式且每帧都有,以便于多路分解器根据输入流进行同步,从而可以精确地分离各时间片
比特填充:
当设备互相间的速率不是整数倍数时,通过比特填充技术,可以把它们变成好像是整数倍数关系的。
异步时分复用
异步时分复用,也叫做统计复用,它的含义是可变的,不固定的复用速率
在异步时分复用中所有输入线路的速率之和可能比通路容量大
在相同的链路上,异步时分复用技术比同步时分复用技术支持的输入设备更多!
纠错:
纠错方式:
1.自动请求重传(ARQ)
2.前向纠错编码(FEC)
3.混合ARQ方式(HARQ)
纠正多比特差错和突发差错所需要的比特数非常巨大,很低效。
第二章:
数据链路控制协议:
是在OSI数据链路层采用的协议,它们的主要责任是管理和控制在两个站之间的帧流量。
在TCP/IP协议族中,链路层主要有三个目的:
—
(1).为IP模块发送和接收IP数据包;
—
(2).为ARP模块发送ARP请求和就收ARP应答
—(3).为RARP发送RARP请求和接收RARP应答
高级数据链路控制HDLC
其它面向比特的协议SDLC,ADCCP,LAP
二进制同步通信协议BSC
高级数据链路控制HDLC是ISO定义的一种在世界范围内广泛使用的、面向位(比特)的数据链路控制协议,它支持半双工和全双工通信。
HDLC是CISCO路由器使用的缺省协议,一台新路由器在未指定封装协议时默认使用HDLC封装
三种类型的工作站运行HDLC协议:
●主站(有时叫主机站或控制站)它通过发送命令给其他站和根据它们的响应采取行动来管理数据流。
●从站(有时叫目标站或客户站)它对来自主站的命令作出响应,此外,它一次只能对一个主站作出响应,它不发送命令给其他站(虽然它能发送数据)。
●联合站顾名思义,它既能扮演主站又能扮演从站角色。
它能发送命令给其它站和对来自其它联合站的命令作出响应。
运行HDLC站的三种通信模式
(1)常规响应模式(NRM)
主站控制:
点对点、点对多点通信中;
非平衡数据链路操作方式(非平衡正常响应方式)
(2)异步响应模式(ARM)
在主站和一个多个从站间通信。
ARM下的传输过程由从站启动(发数据或控制信息给主站)。
从站不能发送命令。
主站:
建立、维护和结束连接的责任
非平衡数据链路操作方式。
(3)异步平衡模式(ABM)
允许任何节点来启动传输。
平衡数据链路操作方式。
用于连接联合站结构中,每一个站能发送数据,控制信息或命令。
典型应用:
两台计算机间的连接、X.25接口标准中。
HDLC的构造:
位数
HDLC的帧格式:
8位8位8或16位可变的16或32位8位
标志
地址
控制
…数据…
FCS
标志
标志字段:
标志一帧的开始和结尾。
特殊位模式:
01111110.
为了避免数据和标志重复,数据段使用位填充。
发送站:
1).监控标志之间的胃
2).5连1补0
3).发送
接收方:
移除5个1后的0
标志字段不进行位填充。
位填充图例:
地址字段:
自解释性(8/16b)
帧由主站发送(主站为目的物理地址)
帧由从站发送(从站为源物理地址)
数据字段:
包含数据,长度≥0;
帧校验序列FCS:
用于CRC错误检测(16/32b)
控制字段(8/16b):
用来发送状态信息或发布命令。
—信息帧(I帧)
—监控帧(S帧)
—无号帧(U帧)
标准控制字段:
信息帧(I帧)
以0开头,主要用来传输信息,使用后n协议或选择重传滑动窗口协议。
●N(R)收到的帧号
●N(S)已经被发送的帧号
●P/F位轮询/终结位
监控帧(S帧)
被站用来指出站的状态或用于NAK未正确接收的帧以10开头。
N(R)和P/F位的作用与信息帧相同,却别在2位的S字段,其定义如下:
●00——接收就绪(RR)
●01——拒绝(REJ)
●10——接收未就绪(RNR)
●11——选择拒绝(SREJ)
监控帧(S)帧进行流量控制和差错控制。
无号帧(UnnumberedFrames)
以11开头,不含编号N(S)和N(R),提供对链路的建立拆除以及多种控制功能。
通过M位来发送命令(主站)或响应(从站)
下表列出了在一个无号帧中能够编码的可能的命令和响应
HDLC例子:
描述建立一个连接、交换帧和终止连接的过程
1.建立连接过程:
B站开始先发送一个无号帧RIM,向主
站要求发送一个无号帧SIM。
当B站收到SIM后,它
便开始初始化过程,并且通过发送另一个无号帧UA来
确认收到了SIM。
当A收到UA,它便知道B正在初始
化,在这种情况下,A决定响应模式为ARM,并且发送
另外一个无号帧SARM,当B收到这个帧后,它再一次
发送无号帧UA来确认。
当A收到了确认信号后,站B
便准备开始通信。
2.帧交换过程
由于响应模式是ARM,A和B都开始发送
信息帧(I帧)。
首先,B发送它最初的两个帧,帧号
N(S)=0和1,在两种情况下,N(R)都是0,
由于B还没有收到任何东西,它正在期待
第一个帧(帧号为0)
同时,A发送了它最初的三个帧,帧号为
1、1、和2,在前两个帧中,N(R)=0,因为
A还未收到任何东西,然而,A在发送完第
二帧后,将收到从B来的帧,因此,在第三
个帧中,A设置N(R)=1,来确认收到帧0。
下一步假设A发送的第二帧到达时坏了,B将
发送一个监控帧,含有功能码REJ并且N(R)=1.
这一帧做两件事情:
确认B收到了来自A的0
号帧;指出有错误发生并且A应该重发1号帧
之后的所有数据,同时,B仍在期待帧1,因此,当下一帧到达时
B将把它当作错需的帧而拒绝。
最后,A收到REJ帧,并且从指定的帧号重发帧,如果它有三帧需要
发送,包括N(S)=1、2、3,注意到在每一帧里,现在N(R)是2,这是因为
当我们正讨论B怎么处理损坏的帧时,A收到了另外一个(它的第二个)
I帧,这三个帧最后到达B。
然而,B已进入了静止期,不能够捎带任何
确认,因此,在帧1和帧2到达之间,计时器超时,它发送一个监控帧,带有功能码RR,再一次(周期性)确认B站仍然正准备接收帧;并确认收到了帧2(设置N(R)=3)
断开连接:
站A通过发送一个功能码为DISC的无号帧来决定现在
该断开连接了。
当B收到该帧时,通过发送一个UA帧来确认。
当A站
收到后,它便知道双方都同意断开连接,因此便终止连接。
做为面向比特的数据链路控制协议的典型,HDLC具有一下特点:
●协议不依赖于任何一种字符编码集
●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;
●全双工通信,不必等待确认便可连续发送数据,具有较高的数据链路传输效率;
●所有帧均采用CRC校验,对信息帧进行编号,可防止漏收或重份,传输可靠性高;传输控制功能与处理能力分离,具有较大灵活性和较完善的控制功能
●由于以上特点,目前网络设计普遍使用HDLC作为数据链路管制协议。
其它面向比特协议:
Ø同步数据链路控制(SDLC):
HDLC起源于SDLC,而SDLC是由IBM公司在70年代早期发展起来的,ISO对它进行修改并且命名为HDLC,也就是说SDLC是IBM的HDLC(也可以说,HDLC是ISO的SDLC)SDLC使用后退n帧协议,是IBM系统网络体系结构(SNA)的一部分,它典型地应用在IBM的终端到计算机的通信中。
Ø高级数据通信控制过程(ADCCP):
IBM也把SDLC交给了ANSI。
就像许多好的组织一样,ANSI把它改名为ADCCP;
Ø链路访问协议(LAP):
ITU接受了HDLC,并且把它修改以适合在X.25网络标准接口中使用。
最初它被标为LAP,很快它被标为LAPB(B是Balanced),它允许设备直接接在分组交换网上。
LAPB的一个变种是LAPD,综合服务数字网(ISDN)的链路控制。
ISDN是由ITU定义的完全的数字通信系统,它被设计来最终取代电话系统。
LAPD允许设备通过ISDN的D通道来通信。
Ø逻辑链路控制(LLC):
LLC(一个IEEE的标准)同HDLC相似,但使用在局域网中(LAN)。
它允许LAN同其他的LAN或广域网(WAN)相连接。
二进制同步通信协议BSC
Ø它经常和同步、半双工通信一道使用,使用停等协议。
Ø使用在点对点或多点联接系统中。
典型应用在主站为CPU、从站为终端的多点连接中。
Ø比以上面向比特的协议更老,但仍有足够多的应用。
以太网介绍:
IEEE802.3:
以太网(Xerox)
IEEE802.4:
令牌总线(GM)
IEEE802.5:
令牌环(IBM)
IEEE802.6:
分布式队列双总线(DQDB)
基带(Base)和宽带(Broad):
基Base:
数字信号(以太网:
曼彻斯特编码)。
宽Broad:
调制后的模拟信号(以太网:
PSK调制)。
基带规范:
10Base5,10Base2,10Base-T,1Base5和100Base-T。
带宽类规范:
10Broad36。
*最大电路长度的限制可以通过使用如中继器或网桥等网络设备加以改变。
第一个数字(10,1,100)指明了以Mbps为单位的数据传输速率;最后一个数字或字母(5,2或T)指明了最大电路长度或电路的类别。
访问方式CSMA/CD
Ø多用户无管制访问同一链路冲突。
Ø线路通信量增加冲突的可能性随之增加。
Ø访问控制机制:
协调LAN通信量,减少冲突。
ØCSMA/CD:
带冲突检测的载波侦听多路访问。
-以太网,802.3标准。
CSMA/CD的演进:
MA→CSMA→CSMA/CD
MA-—每个站点对线路访问具有相同的权利,并不提供通信量协调。
CSMA—-发送前先侦听(检测线路电压)。
冲突仍然可能发生。
CSMA/CD—-发前侦听,空闲才传。
发后继续侦听。
冲突则放弃传输,并等待一段时间再重新发送数据(退避算法)。
CSCD/MA的退避算法1:
非坚持算法
它的算法规则为:
⑴如果媒体是空闲的,则可以立即发送。
⑵如果媒体是忙的,则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后,再重复前一步骤。
优点:
采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
缺点:
即使有几个站点都有数据要发送,但由于大家都在延迟等待过程中,致使媒体仍可能处于空闲状态,使用率降低。
CSCD/MA的退避算法2:
1-坚持算法
它的算法规则为:
⑴如果媒体空闲的,则可以立即发送。
⑵如果媒体是忙的,则继续监听,直至检测到媒体是空闲,立即发送。
⑶如果有冲突(在一段时间内未收到肯定的回复),则等待一随机量的时间,重复步骤⑴~⑵。
优点:
只要媒体空闲,站点就立即可发送,避免了媒体利用率的损失;
缺点:
假若有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免。
CSCD/MA的退避算法3:
P-坚持算法
它的算法规则为:
⑴监听总线,如果媒体是空闲的,则以P的概率发送,而以(1-P)的概率延迟一个时间单位。
一个时间单位通常等于最大传播时延的2倍。
⑵延迟一个时间单位后,再重复步骤⑴。
⑶如果媒体是忙的,继续监听直至媒体空闲并重复步骤⑴。
P-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突,又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的折中方案。
问题在于如何选择P的有值,这要考虑到避免重负载下系统处于的不稳定状态。
(假如媒体是忙时,有N个站有数据等待发送,一旦当前的发送完成时,将要试图传输的站的总期望数为NP。
如果选择P过大,使NP>1,表明有多个站点试图发送,冲突就不可避免。
最坏的情况是,随着冲突概率的不断增大,而使吞吐量降低到零。
所以必须选择适当P值使NP<1。
当然P值选得过小,则媒体利用率又会大大降低。
)
链路层与OSI的关系
数据链路层负责一个网络中两个节点间的精确通信,包括成帧、错误检测和流量控制等,通常独立于网络拓扑。
进一步划分:
逻辑链路控制(LLC)和媒体访问控制(MAC)。
ØLLC(标准IEEE802.2)处理两个站点间的逻辑链接,是基于HDLC的。
LLC为网络层提供服务,并且为了具体的任务调用MAC。
Ø媒体访问控制MAC控制对传输媒体的访问,包括:
IEEE802.3(以太网)、802.4(令牌总线)、802.5(令牌环)。
以太网帧格式:
Ø前导(Preamble):
一个交替由0和1组成的7个8位位组(octet)模式被用作同步。
Ø帧分隔开始(StartofFrameDelimiter):
特殊模式10101011表示帧的开始。
Ø目的地址(DestinationAddress):
•第一位是0,这个字段指定了一个特定站点(单播)。
•第一位是1,该目的地址是一组地址(组播)。
•若所有的位均为1,该帧将被广播至所有的站点(广播)。
Ø源地址(SourceAddress):
说明一个帧来自哪儿。
Ø数据长度字段(DataLengthField):
说明在数据和填充字段里的8位字节的数目。
Ø数据字段(DataField):
自解释的待传送信息数据。
Ø填充字段(PadField):
数据字段必须至少是46个8位字节(或许更多)。
若没有足够的数据,额外的Octet被添加到数据中补齐。
Ø帧校验序列(FrameCheckSequence):
32位CRC校验码。
帧最小长度:
Ø帧的大小必须大于一个最小长度,以便一个发送站点可以在发送该帧的最后一个比特前检测到冲突。
Ø该长度由帧传输的传播速度、数据距离、比特的速率以及由中继器导致的延迟决定的。
Ø802.3标准定义了一个最小帧长度为512比特(64个8位位组)。
PC机通过网络向另一台PC机发送数据的步骤:
(1)发送端
①PC将数据写入内存,通过总线通知网卡;
②网卡产生帧;
③收发器监控网段,空闲时发送帧;
④检测到冲突,网卡即进行二进制指数退避算法;
(2)接收端
①收发器:
监控电缆的流量,复制帧,并将其路由到收端网卡;
②网卡:
执行循环冗余错误校验(CRC);
③检查帧中的目的地址;
④网卡缓存数据包,产生中断;
⑤PC机执行网络软件,按流量控制算法来确定该包是否可被接受。
-若可以,PC机从网络接口卡的内存中获取该包作进一步处理。
-若不可,网络软件根据其更高层的协议作出响应。
Ø超出传输线最大距离限制的通信可以使用由中继器联接的多路网段。
Ø中继器是一个接收信号、重新产生该信号、并重发该信号的设备。
Ø信号再生允许信号可以传输到较远的距离。
通常802.3标准允许两个PC机可以被不超过4个中继器来分开。
Ø标准以太网
Ø开始以太网只有10Mbps的吞吐量,使用的是CSMA/CD(带有碰撞检测的载波侦听多路访问)的访问控制方法,这种早期的10Mbps以太网称之为标准以太网。
以太网主要有两种传输介质,那就是双绞线和光纤。
所有的以太网都遵循IEEE802.3标准。
Ø快速以太网
1995年3月IEEE宣布了IEEE802.3u100BASE-T快速以太网标准(FastEthernet),就这样开始了快速以太网的时代。
•千兆以太网
–千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术,给用户带来了提高核心网络的有效解决方案,这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的优点。
•万兆以太网
–万兆以太网规范包含在IEEE802.3标准的补充标准IEEE802.3ae中,它扩展了IEEE802.3协议和MAC规范使其支持10Gb/s的传输速率。
•集线器的工作特点:
• 集线器多用于小规模的以太网,由于集线器一般使用外接电源(有源),对其接收的信号有放大处理。
在某些场合,集线器也被称为“多端口中继器”。
• 集线器同中继器一样都是工作在物理层的网络设备。
• 共享式以太网存在的弊端:
由于所有的节点都接在同一冲突域中,不管一个帧从哪里来或到哪里去,所有的节点都能接受到这个帧。
随着节点的增加,大量的冲突将导致网络性能急剧下降。
而且集线器同时只能传输一个数据帧,这意味着集线器所有端口都要共享同一带宽。
•交换机的工作原理:
• ·交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射,并将其写入MAC地址表中。
• ·交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较,以决定由哪个端口进行转发。
• ·如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中,则向所有端口转发。
这一过程称之为泛洪(flood)。
• ·广播帧和组播帧向所有的端口转发。
•交换机的工作特性:
• ·交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。
• ·交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内,也就是说,交换机不隔绝广播(唯一的例外是在配有VLAN的环境中)。
• ·交换机依据帧头的信息进行转发,因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备
•什么是路由器:
• 路由器是使用一种或者更多度量因素的网络设备,它决定网络通信能够通过的最佳路径。
路由器依据网络层信息将数据包从一个网络前向转发到另一个网络。
• 路由器的功能:
• ·隔绝广播,划分广播域
• ·通过路由选择算法决定最优路径
• ·转发基于三层目的地址的数据包
•IEEE802.5令牌环网
•光纤分布式数据接口FDDI
•光纤分布式数据接口FDDI2
•IEEE802.4令牌总线网
Ø令牌环局域网是由IEEE802.5标准定义的。
Ø令牌环是一种媒体访问控制(MAC)协议。
ØIBM的令牌环可以达到4、16或100
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