工作任務2

汽車數據傳輸系統的典型協議

導向

要求學生通過本領域的學習，掌握通信協議的基礎知識及目前的應用情況。

1.基礎知識

通信協議又稱通信規程，是指通信雙方對數據傳送控制的一種約定。約定中包括對數據格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式及控制字符定義等問題做出統一規定，通信雙方必須共同遵守，它也叫做鏈路控制規程。

電腦與電腦之間的溝通必須講述相同的語言，才能互相傳輸信息，自然資料在國際互聯網上傳遞，每一份都要符合一定的規格（即是相同的語言），否則中國送出的資料，在美國那邊要怎么收下呢？這些規格（語言）的規定都是事先由多個專門的組織共同商討好的，而這種在網絡上負責定義資料傳輸規格的協議，我們就統稱為通信協議。其實每一種網絡所使用的通信協議都不太一樣，但就以我們最常用的Internet為例，當資料要送到Internet上時，就必須要使用Internet用的通信協議。

目前，汽車多路信息通信系統中采用的通信協議有多種形式，主要有8種（表2-1）。

表2-1 典型的通信協議

注：SAE——美國汽車工程師學會；ISO—國際標準化組織。

由上表可以看出到目前為止，世界上尚無一個可以兼容各大汽車公司通信協議的通用標準，也就是說，想用某個公司的通信協議取代其他公司的協議，是很難做到的，因此，在汽車上就形成了多種類型的通信協議共存的局面。但是目前來講最有可能成為通用協議的就是BOSCH公司的CAN協議。

2.協議要素及其功能

（1）協議的三要素

①語法確定通信雙方之間“如何講”，即由邏輯說明構成，要對信息或報文中各字段格式化，說明報頭（或標題）字段、命令和應答的結構。

②語義確定通信雙方之間“講什么”，即由過程說明構成，要對發布請求、執行動作及返回應答予以解釋，并確定用于協調和差錯處理的控制信息。

③定時規則指出事件的順序及速度匹配、排序。

（2）協議的功能

協議的功能是控制并指導兩個對話實體的對話過程，發現對話過程中出現的差錯并確定處理策略。具體來說，每個協議都是具有針對性的，用于特定的目的，所以各協議的功能是不一樣的，但是有一些公共的功能是大多數協議都具有的。這些功能包括四個方面。

①差錯檢測和糾正。面向通信傳輸的協議常使用“應答—重發”，循環冗余檢驗CRC、軟件檢查和等機制進行差錯的檢測和糾正工作；而面向應用的協議常采用重新同步、恢復及托付等更為高級的方法進行差錯的檢測和糾正工作。一般來說，協議中對異常情況的處理說明要占很大的比重。

②分塊和重裝。用協議控制進行傳送的數據長度是有一定限制的，參加交換的數據都要求有一定的格式。為滿足這個要求，就需要將實際應用中的數據進行加工處理，使之符合協議交換時的格式要求，只有這樣才能應用協議進行數據交換。分塊與重裝就是這種加工處理操作。分塊操作將大的數據劃分成若干小塊，如將報文劃分成幾個報文分組；重裝操作則是將劃分的小塊數據重新組合復原，如將報文分組還原成報文。

③排序。對發送出的數據進行編號以標識它們的順序，通過排序，可達到按序傳遞、信息流控制和差錯控制等目的。

④流量控制。通過限制發送的數據量或速率，以防止在信道中出現堵塞現象。

3.協議的類型

協議可根據其不同特性進行分類，可分為：

（l）直接型/間接型

兩個實體間的通信，可以是直接的或間接的。例如，兩個系統若共享一個“點—點”鏈路，那么這些系統中的實體就可以直接通信；此時數據和控制信息直接在實體間傳遞而無任何中間的信息處理裝置，所需要的協議屬于直接型。

如果系統經過轉接式通信網或者兩個、兩個以上網絡串接的通信網，兩個實體要交換數據必須依賴于其他實體的功能，屬于間接通信。此時設計協議時，需要考慮對中間系統了解到怎樣程度，因而較為復雜。

（2）單體型/結構化型

在兩個實體間通信任務比較簡單的情況下，采用單一協議來控制通信，這種協議稱之為“單體型”協議。

實際上，計算機網絡內實體間通信任務是很復雜的，以致不可能作為一個單體來處理。面臨復雜的情況，可采用“結構化”型協議，即以展示為層次或分層結構的協議集合來代替單體型協議。此時，較低層次或較低級別的功能在較低層次的實體上實現，而它們又向較高層次的實體提供服務。換言之，較高層的實體依靠較低層次的實體來交換數據。

（3）對稱型/不對稱型

大部分的協議屬于對稱型，即它們關聯于同等的實體之間通信。不對稱的協議可以是交換邏輯的要求（例如，一個“用戶”進程和一個“服務”進程），或者是為了盡可能使實體或系統保持簡單。

（4）標準型/非標準型

一個部門或者一個國家都希望制定標準型協議，促進組建計算機網絡和分布處理系統。非標準型協議，一般都是發展中的產物，或者為特定通信環境所設計。

信息

1.通信協議的含義

兩個實體要想成功地通信，它們必須“說同樣的語言”，并按既定控制法則來保證相互的配合。具體地說，在通信內容、怎樣通信以及何時通信等方面，兩個實體要遵從相互可以接受的一組約定和規則。這些約定和規則的集合稱為協議。因此，協議可定義為在兩實體問控制信息交換的規則之集合。

2.通信協議的內容

OSI是Open System Interconnect的縮寫，意為開放式系統互聯。國際標準組織（國際標準化組織ISO）制定了OSI模型。這個模型把網絡通信的工作分為7層，分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，見表2-2。

表2-2 ISO/OSI基本參照模型

（1）物理層

物理層位于OSI參考模型的最低層，物理層上的協議有時也稱為接口，它直接面向實際承擔數據傳輸的物理媒體（通信通道），物理層的傳輸單位為比特（bit），即一個二進制位（“0”或“1”）。實際的比特傳輸必須依賴于傳輸設備和物理媒體，但是，物理層不是指具體的物理設備，也不是指信號傳輸的物理媒體，而是指在物理媒體之上為上一層（數據鏈路層）提供一個傳輸原始比特流的物理連接。物理層的主要功能包含為數據端設備提供傳送數據的通路，此外物理層要形成適合數據傳輸需要的實體，為數據傳送服務。一是要保證數據能在其上正確通過，二是要提供足夠的帶寬（帶寬是指每秒鐘內能通過的比特（bit）數），以減少信道上的擁塞。傳輸數據的方式能滿足點到點，一點到多點，串行或并行，半雙工或全雙工，同步或異步傳輸的需要。除此之外還要完成物理層的一些管理工作。在制定物理層協議時主要闡明以下的問題。

①機械特性。指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。這很像平時常見的各種規格的電源插頭的尺寸都有嚴格的規定。

②電氣特性。指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。

③功能特性。指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。

④規程特性。指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。

（2）數據鏈路層

數據鏈路層是OSI參考模型中的第二層，介乎于物理層和網絡層之間。數據鏈路層在物理層提供的服務的基礎上向網絡層提供服務，其最基本的服務是將源機網絡層來的數據可靠地傳輸到相鄰節點的目標機網絡層。為達到這一目的，數據鏈路必須具備一系列相應的功能，主要有：如何將數據組合成數據塊，在數據鏈路層中稱這種數據塊為幀（frame），幀是數據鏈路層的傳送單位；如何控制幀在物理信道上的傳輸，包括如何處理傳輸差錯，如何調節發送速率以使與接收方相匹配；以及在兩個網絡實體之間提供數據鏈路通路的建立、維持和釋放的管理。丟失信息、干擾信息及順序不正確在物理層中這些情況都可能發生，在數據鏈路層中必須用糾錯碼來檢錯與糾錯。數據鏈路層是對物理層傳輸原始比特流的功能的加強，將物理層提供的可能出錯的物理連接改造成為邏輯上無差錯的數據鏈路，使之對網絡層表現為一無差錯的線路。

（3）網絡層

網絡層是OSI參考模型中的第三層，介于運輸層和數據鏈路層之間，它在數據鏈路層提供的兩個相鄰端點之間的數據幀的傳送功能上，進一步管理網絡中的數據通信，將數據設法從源端經過若干個中間節點傳送到目的端，從而向運輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務。網絡層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、差錯檢測、排序、流量控制、加速數據傳送、復位、保持和終止等。

（4）傳輸層

傳輸層（Transport Layer）是OSI中最重要、最關鍵的一層，是唯一負責總體的數據傳輸和數據控制的一層。傳輸層提供端到端的交換數據的機制。傳輸層對會話層等高三層提供可靠的傳輸服務，對網絡層提供可靠的目的地站點信息。世界上各種通信子網在性能上存在著很大差異。例如電話交換網、分組交換網、公用數據交換網、局域網等通信子網都可互連，但它們提供的吞吐量、傳輸速率、數據延遲通信費用各不相同。對于會話層來說，卻要求有一性能恒定的界面。傳輸層就承擔了這一功能。它采用分流/合流，復用/介復用技術來調節上述通信子網的差異，使會話層感受不到。此外傳輸層還要具備差錯恢復，流量控制等功能，以此對會話層屏蔽通信子網在這些方面的細節與差異。傳輸層面對的數據對象已不是網絡地址和主機地址，而是和會話層的界面端口。上述功能的最終目的是為會話提供可靠的、無誤的數據傳輸。傳輸層的服務一般要經歷傳輸連接建立階段、數據傳送階段、傳輸連接釋放階段3個階段才算完成一個完整的服務過程。而在數據傳送階段又分為一般數據傳送和加速數據傳送2種。傳輸層服務分成5種類型。基本可以滿足對傳送質量、傳送速度、傳送費用的各種不同需要。

網絡層只是根據網絡地址將源結點發出的數據包傳送到目的結點，而傳輸層則負責將數據可靠地傳送到相應的端口。傳輸層的任務是根據通信子網的特性，最佳地利用網絡資源，為兩個端系統的會話層之間，提供建立、維護和取消傳輸連接的功能，負責端到端的可靠數據傳輸。在這一層，信息傳送的協議數據單元稱為段或報文。

傳輸層是整個協議層次結構的核心，是唯一負責總體數據傳輸和控制的一層。OSI七層模型中傳輸層是負責數據通信的最高層，同時又是面向網絡通信的低三層和面向信息處理的高三層之間的中間層。因為網絡層不一定保證服務的可靠，而用戶也不能直接對通信子網加以控制，因此在網絡層之上，加一層即傳輸層以改善傳輸質量。傳輸層利用網絡層提供的服務，并通過傳輸層地址提供給高層用戶傳輸數據的通信端口，使系統間高層資源的共享不必考慮數據通信方面和不可靠的數據傳輸方面的問題。它的主要功能是：對一個進行的對話或連接提供可靠的傳輸服務，在通向網絡的單一物理連接上實現該連接的復用，在單一連接上提供端到端的序號與流量控制、差錯控制及恢復等服務。

傳輸層提供了主機應用程序進程之間的端到端的服務，向會話層提供通信服務的可靠性，避免報文的出錯、丟失、延遲時間紊亂、重復、亂序等差錯。基本功能如下：

①分割與重組數據。

②按端口號尋址。

③連接管理。

④差錯控制和流量控制。

（5）會話層

會話層、表示層、應用層構成開放系統的高3層，面對應用進程提供分布處理，對話管理，信息表示，恢復最后的差錯等。會話層同樣要擔負應用進程服務要求，對傳輸層不能完成的那部分工作，給傳輸層功能差距以彌補。主要的功能是對話管理、數據流同步和重新同步。會話層提供的服務之一是管理對話控制。會話層允許信息同時雙向傳輸，或任一時刻只能單向傳輸。即對傳輸方式的確定。會話層主要功能如下：

1）為會話實體間建立連接

為給兩個對等會話服務用戶建立一個會話連接，應該做如下幾項工作。

①將會話地址映射為運輸地址。

②選擇需要的運輸服務質量參數。

③對會話參數進行協商。

④識別各個會話連接。

⑤傳送有限的透明用戶數據。

2）數據傳輸

這個階段是在兩個會話用戶之間實現有組織的、同步的數據傳輸。

3）連接釋放

連接釋放是通過“有序釋放”、“廢棄”、“有限量透明用戶數據傳送”等功能單元來釋放會話連接的。

會話層還向用戶提供組織和控制信息交換的手段并提供下述功能：

利用令牌技術來保證數據交換、會話同步的有序性；擁有令牌的一方可以發送數據，或者執行其他動作；令牌可以被申請和轉讓；利用活動和同步技術來保證用戶數據的完整性，并讓用戶知道整個交換的過程；利用分段和拼接技術來提高數據交換的效率，多塊用戶數據可以合并在一起進行傳輸；利用重新同步技術來實現用戶會話的延續性，支持傳輸過程中的故障恢復。

①會話和同步技術：“會話”是指用戶之間的信息交換過程。用戶之間為完成信息交換需要按一定規則在會話層實體之間建立起來的一種暫時的聯系，即“會話連接”。在會話連接過程中，可以把用戶之間的信息交換分成若干個邏輯工作段，即“活動”，活動的內容具有相對的獨立性和完整性。在每個活動中可以含有一個或多個“會話單元”，會話單元一般是一組意義上相對完整的數據塊傳輸。

同步：是對會話層實體的一種控制方法，保證會話交互的時序性。

同步技術：對用戶數據進行語義上的分段，便于接收方可對所接收的信息進行驗證。

引入活動和同步的目的：使用戶可以了解會話的進程，便于控制和管理，如果出現傳輸故障，可從指定的同步點處進行恢復，減少差錯重傳的數據量。

②令牌技術：令牌（有時也稱為“權標”），是會話連接的一種屬性。例如：數據令牌標識用戶發送數據的權利，誰掌握令牌，誰就有權發送數據；當通信的另一方需要發送數據時，首先要申請令牌。當掌握令牌的一方數據傳輸完畢或數據傳輸告一段落，可以釋放令牌，將令牌“傳遞”給通信的另一方。在半雙工工作方式下，通過數據令牌的申請和分配，保證用戶信息交換的順序性。如圖2-1所示。