车载网络技术讲义

1、第1章 绪论1.1 计算机网络基础知识1.1.1 计算机网络基础知识 1. 计算机网络的定义计算机网络定义为“以相互共享资源(硬件、软件和数据等方式)、以计算机间传输信息为目的而连接起来、且各自具备独立功能的计算机系统之集合”。“广义的”计算机网络是在协议控制下由一台或多台计算机、若干台终端设备、数据传输设备以及便于终端和计算机之间或者若干台计算机之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统之集合。这个定义，表明计算机网是在协议控制下通过通信系统来实现计算机之间的连接。网络的终端有很多并非是传统意义上的计算机或终端设备，可能是嵌入冰箱中的一个基于微处理器的控制模块，也可能是埋在交通路口马路地下的

2、一个智能传感器。 2计算机网络的类型 （1）按跨度分类从网络范围或网络上终端之间的距离角度，可以将计算机网络分为局域网、城域网和广域网三种类型。l 局域网（Local Area Network, LAN）局域网是在一个有限区域内连接的计算机网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网是最常见、应用最广的一种网络。一般是在一个特定的局部单位内连接的网络，局域网在计算机数量配置上没有太多的限制。在网络所涉及的地理距离上一般来说可以是几米至10公里以内，传输速率在102-105Kbps范围。局域网一般位于一个建筑物或一个单位内，不存在寻径问题。这种网络的特点就是：连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。

3、常见的有以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式接口网络（FDDI）、异步传输模式网（ATM）以及最新的无线局域网（WLAN）。汽车上的网络是多个局部网络的互联结构。l 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）这种网络一般来说是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10-100公里。MAN与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的

4、LAN等等。l 广域网（Wide Area Network, WAN）：广域网也称为远程网，它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。可以覆盖一个国家、一个地区或横跨几个洲，形成国际性的计算机网络。因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线。广域网通常可以利用公用网络（如公用数据网、公用电话网、卫星通信等）进行组建，将分布在不同国家和地区的计算机系统连接起来，达到资源共享的目的。例如：大型企业在全球各城市都设立分公司，各分公司的局域网相互连接，即形成广域网，广域网的连线距离极长，连接速度通常低于局域网或城域网，使用的设备也相当昂贵。覆盖范围大、传输距离远，可以遍布城市、国家甚至

5、更远。 （2）按用途分类 可以分成专用网络和公共网络两种类型。l 公共网络：是向社会开放的网络体系l 专用网络：是由个政府部门或一个公司组建经营，不允许其他部门和单位使用的网络 （3）按拓扑结构分类 计算机网络可有各种各样的拓扑结构。l 星型网在星型拓扑构型中，节点通过点到点通信线路与中心节点连接。中心节点控制全网的通信，任何两节点之间的通信都要通过中心节点。星型拓扑构型结构简单，易于实现，便于管理，但是网络的中心节点也是全网可靠性的瓶颈，中心节点的故障可能造成全网瘫痪。星型网由于其物理结构，使其具有以下特点：构造容易，适于同种机型互连；通信功能简单，可以根据需要由中心处理机分时或按优先权排队

6、处理；中心处理机负载过重，扩充困难；每台入网计算机均需与中心处理机有线路直接互连，因此线路利用率低，信道容量浪费较大，可靠性对中心机敏感。由于应用汽车网络的目的之一就是简化线束，所以这种结构不可能成为整车网络的结构，但有可能在一个部件或总成上使用。 星型网络l 总线型网 总线型网是从计算机的总线访问控制发展而来的。是一种比较简单的计算机网络结构，它采用一条称为公共总线的传输介质，将各计算机直接与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。它将所有的入网计算机通过分接头接入一条载波传输线，网络拓扑结构就是一条传输线。由于所有的入网计算机共用一条传输信道，因此总线型网的一个特殊问题就是信道的访问控制

7、权的分配，并由此产生一系列处理机制。总线型网络的特点是：由一条总线连接入网计算机，所以信道利用率较高；分时访问总线，网络长度和网络节点数受传输延时、驱动能力及访问机制的限制，适合于传输距离较短、节点数不是很多的情况。目前，局域网多采用此种方式。汽车上的网络多采用这种结构，尤其是低端网络。总线型网络 l 环型网环型网通过个转发器将每台入网计算机接入网络，每个转发器与相邻两台转发器用物理链路相连所有转发器组成一个拓扑为环的网络系统。环型网由于其点一点通信路由的唯一性，因此，不宜在广域范围内组建计算机网络。它也是一种较为实用的局域网拓扑结构，尤其是在实时性要求较高的环境。 环型网的主要特点是；由于一

8、次通信信息在网中传输最大时间是固定的，因此实时性较高；每个网上节点只与其他两个节点有物理链路直接互连因此传输控制机制较为简单，一个节点出故障可能会终止全网运行，因此可靠性较差；网络扩充需对全网进行拓扑和访问控制机制的调整，因此较为复杂。由于汽车上线控技术要求实时性好的网络系统，有一些车载网络系统支持这种结构，采用冗余通道提高可靠性。 环形网络 在实际应用中，上述三种类型的网络经常被综合应用，并形成互连网。互连网是指将两个或两个以上的计算机网络连接而成的更大的计算机网络。 l 树型网由多个星型网络构成的网络称为多级星型网络，多级星型网络按层次方式排列即形成树型网络，树型结构网是分级的集中控制式网

9、络，与星型网络相比，其通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，但除叶节点及其相连的线路外，任一节点及其相连的线路故障都会使系统受到影响。 树型网络 3计算机网络的功能（1）资源共享 网络中的计算机不仅可以使用本机的资源，还可以使用网络中其他计算机的资源。例如，某些地区或单位的数据库（如飞机机票、饭店客房等）可供全网使用；一些外部设备如打印机，通过网络可以使不具有这些设备的用户也能使用这些硬件设备。资源共享包括共享硬件资源、数据资源和应用程序。资源共享提高了网络中软、硬件的利用率，增强了网络中计算机的处理能力。这是计算机网络最主要的功能。 （2）数据通信 通过网络可以实现终端、计算机与计算机之

10、间的数据传递，包括文字信件、新闻消息、咨询信息、图片资料、报纸版面等，也可实现各计算机之间高速可靠地传送数据并进行信息处理，如传真、电子邮件（E-mail）、电子数据交换（EDI）、电子公告牌（BBS）、远程登录（Telnet）与信息浏览等通信服务。利用这一特点，可将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。这是计算机网络最基本的功能。 （3）均衡负载互相协作 当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成，这样处理能均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性。通过网络可以缓解用户资源缺乏的矛盾，使各种资源得到合理的

11、调整。 （4）分布处理 对大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分头处理，即通过网络将问题分散到多个计算机上进行分布式处理，可以充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，增强实用性，同时也可使各地的计算机通过网络资源共同协作，进行联合开发、研究等。 （5）提高计算机的可靠性 在单机的情况下，计算机若有故障容易引起停机。将计算机连成网络后，网络中各个计算机互为后备，这样网络可靠性会大大增高。当某一处计算机发生故障时，可由别处的计算机代为处理，还可以在网络节点上设置备用设备作为全网络公用后备，这样，整个计算机网络就不会由于某台设备出现故障而瘫痪，大大提高了计算机网络系统的可靠性和可用性。这对

12、于金融、军事、航空、实时控制等对可靠性要求较高的场合是至关重要的。1.1.2 计算机网络中的一些基本概念 1.节点：网络上的节点是网络活动的核心组成部分，包括终端节点和中间节点。终端节点一般是网络连接的应用系统和设备，他们利用网络发送或接收信息；中间节点提供信息的转送服务、信息流量控制等网络服务功能。 2. 介质：连接网络节点的信息传输载体，分有线和无线两种类型。常用的传输介质有： （1）双绞线双绞线是现在最普通的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为1毫米。 两根线绞接在一起是为了防止其电磁感应在邻近线对中产生干扰信号。双绞线分为屏蔽(shielded)双绞线和非屏蔽(Unshie

13、lded)双绞线， 非屏蔽双绞线有线缆外皮作为屏蔽层，适用于网络流量不大的场合中。屏蔽式双绞线具有一个金属甲套，对电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)具有较强的抵抗能力，适用于网络流量较大的高速网络协议应用。 （2）同轴电缆同轴电缆以单根铜导线为内芯， 外裹一层绝缘材料，外覆密集网状导体，最外面是一层保护性塑料。金属屏蔽层能将磁场反射回中心导体， 同时也使中心导体免受外界干扰，故同轴电缆比双绞线具有更高的带宽和更好的噪声抑制特性。 （3）光纤光导纤维是软而细的、利用内部全反射原理来传导光束的传输介质，光纤为圆柱状，由3个同心部分组成纤芯、包层和护套，每一路

14、光纤包括两根，一根接收，一根发送。与同轴电缆比较， 光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长(2公里以上)、传输率高(可达数千Mbps)、抗干扰性强(不会受到电子监听)， 是构建安全性网络的理想选择。（4）微波、电磁波、卫星传输等这几种传输方式均以空气为传输介质，以电磁波为传输载体，联网方式较为灵活。 3. 实体在通信中，任何一个可以作为信息发送的或接收的个体称为通信实体。4计算机网络拓扑结构 (Topology)所谓网络拓扑结构是指网络的链路和节点在地理上所形成的几何结构或物理布局。 5. 帧 是数据链路层的协议数据单元，也是独立的网络信息传输单元，是网络传输的最小单位 。6. 报文(m

15、essage)是网络中信息交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长度可变，报文传输过程中会不断的封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些信息段。可以将其看成是按照一定格式组织起来的数据。7. 协议：两个实体要想成功地通信，它们必须“说同样的语言”，并按既定控制法则来保证相互的配合。具体地说，在通信内容、怎样通信以及何时通信等方面，两个实体要遵从相互可以接受的一组约定和规则。这些约定和规则的集合称为协议。因此，协议可定义为在两实体间控制信息交换的规则之集合。一个通信协议通常对语法、语义和定时三个方面进行约定，即协议由三个要素组成： 语法

16、确定通信双方之间“如何讲”，即由逻辑说明构成，要对信息或报文中各字段格式化，说明报头(或标题)字段、命令和应答的结构； 语义 确定通信双方之间“讲什么”，即由过程说明构成，要对发布请求、执行动作以及返回应答予以解释并确定用于协调和差错处理的控制信息； 定时规则 指出事件的顺序以及进度匹配、排序。 协议的功能是控制并指导两个对话实体的对话过程，发现对话过程中出现的差错并确定处理策略。这些功能包括四个方面： 具体说来，每个协议都是具有针对性的，用于特定的目的，所以各协议的功能是不一样的。但是，有一些公共的功能是大多数协议都具有的。这些功能包括四个方面。 （1）差错检测和纠正面向通信传输的协议常使用

17、“应答一重发”循环冗余检验CRC、软件检查和等机制进行差错的检测和纠正工作；（2）分块和重装 用协议控制进行传送的数据长度是有一定限制的，参加交换的数据都要求有一定的格式。为满足这个要求，就需要将实际应用中的数据进行加工处理，使之符合协议交换时的格式要求。只有这样才能应用协议进行数据交换。分块与重装就是这种加工处理操作。分块操作将大的数据划分成若干小块，如将报文划分成几个报文分组；重装操作则是将划分的小块数据重新组合复原例如将报文分组还原成报文。 （3）排序 对发送出的数据进行编号以标识它们的顺序，通过排序可达到按序传递、信息流控制和差错控制等目的。 （4）流量控制通过限制发送的数据量或速率，

18、以防止在信道中出现堵塞现象。 8. 计算机网络信息的传送方式(1)电路交换电路交换就是两台计算机在相互通信时使用一条实际的物理链路在通信中自始至终使用该条线路进行信息传输，且不许他机共享该线路的信道容量。电路交换事实上来源于公共电话交换网，由于这种网的实用性和地域的宽广性，早期的计算机通信几乎都使用电路交换方式。 （2）报文交换当发送方有数据发送时，就将数据按一定格式构成数据块，即报文，然后发送出去，相邻的转接交换机收到这个报文后先存储这个报文，当这个报文传输所需的链路空闲时就将它转发出去，直到到达接收端。这也就是存储-转发方式，与信件的邮递方式相似。（3）分组交换分组交换就是每次传输的信息最

19、大长度是有限的，发送端将所要发送信息拆成一个个分组发送出去，转接交换机每次转发的是一个分组(而不像报文交换那样是一整段有意义的信息)、接收端把接收到的分组再逐段组装成报文。采用这种信息传输机制，既增加了通信线路利用率，又提高了数据通信的实时性，但报文的组装和拆卸以及各分组在网络上的传输都要进行附加的管理，这又增大了网络开销。9. 传输速率 单位时间传输的信息表明网络传输的速度，一般用单位时间传输的二进制位数表示。单位时间传输的二进制位数称为波特率，单位为bps（bit per second）。10. 网络访问的触发方式 按照节点访问网络的触发方式，网络协议可以分为基于时间触发的通信协议和基于事

20、件触发的通信协议。 在时间触发协议（TTP，Time Triggered Protocol）中，按一定规则安排每个节点发送信息的时刻和信息发送的延续时间。这种方式信息传送延时抖动小，实时性好。他的一个特点是网络事件发生的时间可以预知。 在事件触发协议（ETP，Event Triggered Protocol）中，节点在需要发送信息或请求发送信息时，才启动网络访问过程，否则处于接收状态。在一个节点要发送信息时，可能有信息在占用总线，或者有优先级高的信息要发送。因此，使用这种方式，节点从有数据要发送到接收节点接收到数据的延时有很大的不确定性，实时性差。11. 串行通信与并行通信并行通信传输中有多个

21、数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。

22、12同步通信与异步通信是串行通信的两种基本形式。异步通信所传输的数据帧格式是由1个起始位、19个数据位、12个停止位组成，依靠起始位和停止位保持同步；同步所传输数据帧格式是由多个字节组成的一个帧，每个帧都有两个（或一个）同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据。 13. 介质访问控制方式 介质访问控制方法决定着网络的主要性能（1）带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）： CSMA/CD是采用争用技术的一种介质访问控制方法，所谓载波监听（carrier sense），意思是网络上各个工作站在发送数据前都要监听总线上有没有数据传输。若有数据传输（称总线为忙），则不发送数据；若无数

23、据传输（称总线为空），则立即发送准备好的数据。所谓多路访问（multiple access），意思是网络上的所有工作站使用同一条总线收发数据，且发送数据是广播式的。所谓冲突（collision），意思是若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，哪个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数据冲突，又称碰撞。为了减少冲突发生后的影响，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其他工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision detected）。可将CSMA/CD形象地概括为用先听后发/边听边发的方法来共享传输介质。（2）

24、令牌环（Token Ring）访问控制 ： 令牌环介质访问控制方法，是通过在环型网上传递令牌的方式来实现对介质的访问控制的。令牌环上传输的小数据（帧）称为令牌，只有当令牌传送至环中的某个站点时，它才能利用环路发送或接收信息。当环线上的各站都没有帧发送时，令牌标记为01111111，称为空标记。当一个站要发送帧时，需等待令牌通过，并将空标记换为忙标记01111110，紧跟着令牌，用户站把数据帧发送至环上。因为是忙标记，所以其他站不能发送帧，必须等待。发送出去的帧将随令牌沿环路传送下去。在循环一周又回到原发送站点时，由发送站将该帧从环上移去，同时将忙标记换为空标记，令牌传至后面的站点，使之获得发送

25、的许可权。发送站在从环中移去数据帧的同时还要检查接收站载入该帧的应答信息，若为肯定应答，则表明发出去的帧已被正确接收，完成发送任务；若为否定应答，说明对方未能正确收到所发送的帧，原发送站点需在带空标记的令牌第二次到来时，重发此帧。采用发送站从环上收回帧的策略，不仅具有对发送站自动应答的功能，而且还具有广播特性，即可有多个站点接收同一数据帧。 接收帧的过程与发送帧不同，当令牌及数据帧通过环上的站点时，该站将帧携带的目标地址与本站地址相比较。若地址符合，则将该帧复制下来放入接收缓冲器，待接收站正确接收后，即在该帧上载入肯定应答信号；若不能正确接收，则载入否定应答信号，之后再将该帧送入环上，让其继续

26、向下传送。若地址不符合，则简单地将数据帧重新送入环中。所以当令牌经过某站点而它既不发送信息，又不接收信息时，会稍经延迟继续向前传送。 在系统负载较轻时，由于站点需等待令牌到达才能发送或接收数据，因此效率不高。但若系统负载较重，则各站点可公平共享介质，效率较高。使用令牌环介质访问控制方法的网络，需要有维护数据帧和令牌的功能。例如，可能会出现因数据帧未被正确移去而始终在环上循环传输的情况；也可能出现令牌丢失或只允许一个令牌的网络中出现了多个令牌等异常情况。解决这类问题的常用办法是在环中设置监控器，对异常情况进行检测并消除。令牌环网上的各个站点可以设置成不同的优先级，允许具有较高优先权的站点申请获得

27、下个令牌权。 （3）令牌总线（Token Bus）访问控制 ： 令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑环，令牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相同。它同时具有上述两种方法的优点，既具有总线网的接入方便和可靠性较高的优点，也具有令牌环网的无冲突和发送时延有确定的上限值的优点。因此，它是一种简单、公平、性能良好的介质访问控制方法。 14. 介质的多路复用 介质的多路复用是多个用户使用一条介质线路时线路资源的分配方式。主要由三种方式： （1）频分方式（Frequency Division Multiplexer，FDM） 不同用户使用不同的频率范围在一条线路上传送信息，即每个用户占用一个

28、特定的频带。由于频率不同相互之间不会干扰。 （2）时分方式（Time Division Multiplexer，TDM） 用户分时轮流使用通信线路，按照一定的算法确定轮换的次序和每个用户的使用时间。在一个特定的时间段，线路由一个用户独占。 （3）码分方式(Code Division Multiplexer，CDM) 不同用户使用不同的信息编码机制，使用相同编码的通信双方能够互相交流而不受其他用户的影响。15网关(Gateway)网关就是一个网络连接到另一个网络的“关口”，是连接不同网络能实现不同网络协议转换的设备。网关又叫协议转换器，是一种复杂的网络连接设备，可以支持不同协议之间的转换，实现不

29、同协议网络之间的互连。网关具有对不兼容的高层协议进行转换的能力，为了实现异构设备之间的通信，网关需要对不同的链路层、专用会话层、表示层和应用层协议进行翻译和转换。汽车上的各种网络就是通过网关连接成的车载互联网。16. 集线器集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI参考模型的第一层，即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备。1.1.3 计算机网络体系结构1开放系统互连(0SI)基本参考模型所谓“开放”，是强调对ISO标准的遵从。“开放”并不是指特定的系统实现具体的互连技术或手段，而

30、是对可使用的标准的共同认识和支持。一个系统是开放的，是指它可与世界上任何地方的遵守相同标准的任何系统通信。“开放系统互连”参考模型的目的是为协调系统互连标准的开发提供一个共同基础。在该参考模式中，提供的是概念性和功能性结构，而不是互连结构的设施和协议细节的精确定义。各层协议细节的研究是各自独立地进行的。OSI参考模式的另一作用是确定研究和改进标准的范围，并为维持所有有关标准的一致性提供共同的参考。然而，它不能用作为具体实现的规范说明，也不是评价实现的一致性之基础，因此，OSI参考模式及其各有关标准都只是技术规范，而不是工程规范。按ISO 7498的定义，OSI的体系结构具有七个层次，每个层次都

31、在完成信息交换的任务中担当一个相对独立的角色，具有特定的功能。其中，第七层是高层，第一层为最低层。中继开放系统中只有下三层，而一般开放系统中具有完整的七层。OSI中的低层协议通常是指物理层、数据链路层和网络层这三层的组合，它们实现的是OSI系统中面向通信的功能。以下简要讨论OSI参考模式为这七层规定的服务和功能。（1）物理层 物理层是组成计算机网络的基础，所有的通信设备、主机等均需用物理线路互连起来，因此，它是OSI七层参考模式的最低层第一层。 定义物理层协议是为了使所有厂家生产的计算机和通信设备都能从传输设备和接口上兼容，并使厂家生产的设备都符合这些接口定义。物理层定义了传输线和接口硬件的机械、电气和电信号特征及功能，它主要是针对通信设备间传输电气信号的物理特征。（2）数据链路层 为保证数据通信的可靠性、在O