通信系统二三事（4）

通信协议

与我们日常生活中要遵守的交通法规和规则一样，通信协议就是利用信道进行信息传输所需要遵守的规则。在不同的通信系统中，由于通信系统应用的环境、信息传输需求和用户使用方法等方面的不同，导致通信系统设计中采用了不同的通信方式，设计有针对性的通信协议。在有线通信中，常见的通信协议包括TCP/IP、FC、CAN、AFDX、TSN、TTE、RS485、USB、PCIe等等；在无线通信中，常见的通信协议包括GSM、TDSCDMA、WCDMA、LTE、Ad Hoc、802.11系列、蓝牙、UWB等等。

为了充分利用系统的信道传输资源，满足通信过程中不同的通信需求，同时充分考虑的通用性和可扩展性，通信协议通常采用分层设计的方式，分层次满足系统通信的需求；每个协议层级均为上一层提供相应的数据传输服务，各个协议层直接实现的功能既是相对独立的，又是彼此依赖的。

在数据通信的过程中，对于接收到的信息，由最底层的协议开始进行处理，处理完成之后，去掉本层协议引入的开销，再提交给上层协议处理，直至用户完成最终信息的处理；对于发送的信息，由最顶层的协议层级开始进行处理，根据自身提供的服务完成处理之后，转交给下层协议进行进一步的处理。由于在信息接收和响应处理的过程中，信息流的处理过程和栈的处理方式一致，所以我们也经常会把通信协议成为通信协议栈。

在经典的OSI 7层模型中，通信协议栈由应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层组成。其中，应用层主要代表了用户对数据的处理，表示层和会话层也相对偏向信息的应用，在一般的通信系统设计中涉及得也比较少，因此，后续会参照道路交通领域，以自下而上的顺序对剩余的四个协议层次进行介绍。

物理层协议定义了物理传输介质上的信号传输的方式和要求，包括但不限于信号的频率、幅度、调制、编码和校验方式等等。在道路交通领域中，也会类似地对于道路上车辆的类型、重量、高度和速度等内容进行限制。

数据链路层协议定义了物理传输的介质的使用方式，包括物理信道的分类和使用方式、逻辑信道的分类和使用方式以及逻辑信道和物理信道的映射关系。通信系统的物理信道可以根据信息传递的方向，分为上行信道和下行信道，与之类似的是道路交通领域中的单向和双向车道；按照功能划分，则可以分为控制信道和业务信道，与之类似的是道路交通领域里的机动车和非机动车道、主路和辅路等等。通信系统的逻辑信道根据承载的信息的内容进行划分，可被分为广播信道、控制信道、接入信道和数据信道等等，与之类似的是道路交通中的公交车车道、小客车车道和货车车道等。由于物理信道的资源是有限的，多个逻辑信道复用一个物理信道的方式就是逻辑信道和物理信道的映射关系，与之类似的是道路交通领域中，某些时间段里某些车道只被用作公交车道，其他车辆都无法行驶，而在剩余的时段和道路上，则没有这样的限制。

网络层协议通常定义了网络管理以及信息路由的方式。网络管理主要包括网络成员角色的划分和管理、网络建立、入网和退网流程、网络资源（信道资源）的使用和分配方式、网络定时方式等等，总体而言，基本与交管局制定的法律法规类似。信息路由则是数据能从信源被传输到信宿的保证，当然路由方式也多种多样，我们既可以一开始就打开导航软件选定一条固定的线路，也可以走到一个地方再跟进路标和行人的提示选择自己后续的方向。

传输层协议在网络层协议的基础之上，为上层协议提供了不同质量服务等级（QoS）的传输服务。UDP和TCP是典型的无连接和有链接传输服务协议的代表，其中，无连接的传输服务，无法保证信息被按正确的顺序正确的被传输到目的地，但是协议的开销很小，实时性相对较好，使用起来方便灵活，特别适合用于传输周期产生的状态信息或者其它质量服务等级要求不高的信息；也可以在其上层扩展自定义的带有确定性传输的协议，增强传输的确定性。有连接的传输服务，能够提供信息传输的确定性，但是协议开销很大，实时性相对较差，适用于信令、控制指令等质量服务等级要求较高的信息的传输。在FC协议簇中，FC-AE-ASM提供了无连接传输服务。FC-AE-1553协议提供了部分有连接的服务，即NC到NT方向的有连接服务，NT到NC方向的是无连接服务；由于通常情况下，控制系统中主节点向从节点下发的是控制指令，从节点上主节点上报的状态信息，与FC-AE-1553协议提供的传输服务相匹配，因此，FC-AE-1553协议特别适合用于需要高速数据传输的控制系统。

综上所述，通信协议是一个通信系统的运行法则，决定了一个通信系统的信息传输的效率。通信协议采用分层设计的方式，不同层次的协议层次实现不同的功能；不同的通信系统由于其应用场景、信息传输需求等不同，往往会对通信协议采取针对性的设计；一般通信协议设计工作主要针对物理层、数据链路层、网络层和传输层进行。其中，物理层协议定义了物理传输介质上的信号传输的方式和要求，包括但不限于信号的频率、幅度、调制、编码和校验方式等等；数据链路层协议定义了物理传输的介质的使用方式，包括物理信道的分类和使用方式、逻辑信道的分类和使用方式以及逻辑信道和物理信道的映射关系；网络层协议通常定义了网络管理以及信息路由的方式；传输层协议在网络层协议的基础之上，为上层协议提供了不同质量服务等级（QoS）的传输服务。

写在最后

这个系列的文章算是自己对于通信系统的一些理解，分享这些内容其实是为了帮助大家能够更好的进行通信系统的设计，不过对于通信系统设计的经验总结却先于本文完成，具体内容参见通信系统二三事（5）。

之前三篇文章的链接如下：

通信系统二三事（1）

通信系统二三事（2）

通信系统二三事（3）

终于算是完成了半年前想要写完的文稿，自己的拖延症也不算太严重。

第99篇（99/1000），2019年11月30日，于北京，装修完成了一半的办公室。