．网络纵横
张 雷 ， 梁建武 ， 陈 英
伸 南大学信息科学与工程学院 ，长沙 410075)
摘 要 ：分析 了串行异步通信协议中涉及的传榆模式、流量控制、传榆透明性、数据校验、加密方式等问题，
提 出了开发一个高效的 串行异步通信协议的方法，并以实例进行 了具体描述。
关键词：串行通信协议；异步通信 ；流量控制
引 言
目前，工程上利用微机串口进行数据通讯的方法
已得到了广泛的应用。在设计数据传输协议时。设计
人员通常在物理层接 口标准的基础上直接 自行设计
数据链路层传输协议和高层协议。对于物理层来说．
其协议已是国际标准f】】。可以根据实际应用场合对速
率和传输距离的要求选择物理层协议。而数据链路层
和高层的协议在设计中基本上是根据需要设计成不
同的帧结构或干脆就是无帧形式的数据字节流f2i。缺
乏统一的规范和标准。本文旨在提出一种通用的方法
和协议格式，以使协议更加高效和规范 。
同步通信的数据链路层协议的设计．基本上都是
根据其需要设计成各种不同的帧结构或干脆就是无
帧形式的数据字节流传输方式．也可以参照现有的标
准协议作相应简化而得。同步通信协议的典型代表面
向比特的高级数据链路控制规程 HDLC (High Level
Data Link Contro1)和面向字符的二进制同步通信协议
BSC(Binary Synchronous Communication)。异步通信的
链路层协议一般采用起止式异步协议 ．由于异步通信
的数据链路层每帧仅传送一个字符，因此需要在高层
形成必要的包格式。 ．
1 协议研究与设计
(1)异步通信的特点
异步通信所采用起止式异步协议一般用在数据
速率较慢的场合(小于 19．2kbit／s)。在异步通信方式
下，接口自动生成起正式的帧数据格式。每个字符及
伴随的位作为一帧，构成一个字符的那些数据单元被
称为数据位 ，在数据位的前后要加上起始位 、停止位
和奇偶校验位。一个字符所使用的数据位数根据不同
协议而不同．通常为8位或7位。由于一帧仅包含一
个字符 ，缺乏必要的数据格式 ，传输数据时可 以参照
各种文件传输协议 ．如 ZModem、YModem、XModem、
Kermit等制定 自己的包格式。
(2)ASCII码方式和 RTU 方式
串行异步通信的传输模式可以分为 ASCII码方
式和 RTU(Remote Terminal Unit)方式。在 ASCII模式
下消息中的每个 8 Bit字节都作为两个 ASCII字符
发送。用 RTU模式传输的数据是 8位二进制字符。
如欲转换为 ASCII模式．则每个 RTU字符首先应分
为高位和低位两部分，这两部分各含 4位，然后转换
成十六进制等量值 。ASCII模式使用的字符虽是
RTU模式的两倍 ，但 ASCII数据 的译玛和处理更为
容易一些。ASCII可打印字符便于故障检测，而且对
于用高级语言编程的主计算机及主 PC很适宜。RTU
模式编码的自由度大 ，适用于机器语言编程的计算机
和 PC主机。显然RTU模式的传输效率是 ASCII方式
的两倍[41，且 RTU模式的保密性好。
(3)传 输 的透明性
所谓透明传输就是不管所传的数据是什么样的
比特组合，都应当能够在链路中传送。在同步传输中
我们一般采用比特填充和字符填充的方法来解决。在
异步通信中除了使用字符填充来解决传输透明性问
题之外，可以采用固定的长度和格式来解决数据信息
中的字符与控制信息的字符一致而引起的混乱。
(4)流量控 制
由收方控制发方 的数据流是计算机网络 中流量
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控制的一个基本方法。握手信号提供了一种控制数据
流的方法 ，即接收设备可 以控制发送设备的数据发
送。流量控制的方法分为硬件握手、软件握手和 EXT／
ACK。
硬件握手采用接 口线中的 RTS／CTS 当接收方准
备好接收数据，置高RTS线，如果发送方也就绪．它
置高 C 。表示它即将发送数据。
软件握手信号是在数据线上进行传送的、用来代
替硬件握手巾在专门握手线上传送的握手信号。对于
软件握手人们已经建立 了一些标准协议，最通用的是
XON／XOFF协议
在 EXT／ACK fEnd—of—Transmission／Acknowledge)
中数据被分组发送，它要求对发送出去的分组数据进
行确认。发送端和接受端分别设定发送窗口和接受窗
口。发送窗口对发送端的流量进行控制。当接收端收
到的数据分组的发送序号落入接收窗口内时才将该数
据分组收下。当收到一个或几个正确的数据分组后，接
收窗口向前移动并对最后一个分组发确认信息。
使用滑动窗口协议可提高串行通信的效率，这一
点在通信线路具有一定时延的情况下表现得尤为突
出【5]。在互联网 ICP／IP协议 中，为了实现流量控制 ，
滑动窗口的长度 (分组数)是变化的 而在工业控制
网络通信中，为简化程序设计 ，宜采用长度固定的滑
动窗口。
在实际应用中一般采用硬件握手和软件握手，或
EXT／ACK相结合的方法。
假设PLC或单片机系统通过调制解调器和上位
机进行通信。调制解调器使用硬件握手的方法与PLC
或单片机系统联系，同样上位机和它的调制解调器之
间也使用硬件握手的方法。但上位机和PLC或单片
机系统之间将使用软件握手或 EXT／ACK的方法进行
通信。上位机和PLC或单片机系统自动监视硬件握
手信号，它们等待握手信号变高以后送出一个字符，
所 以在协议和软件的设计中只需要处理软件握手信
号和 EXT／ACK信号就可以了。
f51数据校验 方式
差错控制的基本方法是接收方进行差错检测 ，并
向发送方应答 ，告知是否正确接收 ，m错则 自动重传。
异 步 通信 中单 个 字 符 采 用 的 是 奇 偶 校 验 (Parity
Checking)的方法 在原始数据字节的最高位增加一个
奇偶校验位，使结果中 l的个数为奇数(奇校验)或偶
数f偶校验1。此方法只能检测出奇数个比特位错。
为了提高数据的可靠传输 ，可采用异或校验或者
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循环冗余校验 CRC(Cyclic Redundancy Check1的方
法 。MODBUS协议和 OMRON公司的 HOSTLINK协
议中的 ASCII传输模式采用的均是异或校验。异或校
验适用于传输数据量较小的场合。当传输的数据量比
较大时可以采用 CRC。MODBUS协议中的 RTU传输
模式采用 CRC。在 CRC中将传输的位串看成系数为
0或 1的多项式 ．收发双方约定一个生成多项式 G(x)．
发送方存帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多
项式能被 C(x)整除。接收方收到后 ，用 C(x)除多项式 ，
若有余数 ，则传输有错 。校验和是 l6位或 32位的位
串，CRC校验的关键是如何计算校验和
f61加 密方式
近年来对串行通信协议的剖析已经取得一定成
果，一般通过猜测串口设置参数来监听专用设备之间
的通信．然后分析其数据格式，最后达到剖析协议的
目的 。为了保证传输的保密性 ，可以根据需要采用自
己的加密方式 以防止别人对于协议 的剖析研究带来
的不必要的经济损失。
由此可得到如图 1所示的通用包结构。
包头『目的地址J源地址『序号J控制字I头校验I数据I数据校验I包尾
图 1 通用 包格式
2 实现与应用
笔者在某系统中采用无线 MODEM实现多机主
从式通信。上位机作为基站，通过轮询的方式实现多
个 PLC和单片机系统之间的数据通信。考虑到硬件
的限制只能采用异步通信的方式。在无线通信中要减
小差错的概率必须尽可能减少数据的传输量 ，且考虑
到数据的保密性问题，本系统使用了传输效率较高且
保密性相对好的RTU传输模式。采用的包结构如图2
所示
I皇 I里 些 I翌些 I笙 兰I墼堡l笙堕I皇墨l
图 2 包格式示例
其中由于传输数据量小和采J{{固定的包结构 ，传
输的透明性得到了保证。
流量控制采用硬件握手和 EXT／ACK相结合的机
制 ．采用的滑动窗 口分组数为一，即采用停等方式解
决收发双方速率不匹配的问题。其思想是：发送方发
完一帧数据后，一直等到接收方的应答之后才进行下
I 一次发送。由于采用的滑动窗口数为一，所以包结构
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中并没有序号。
由于传输的数据量小 ．在差错控制中采用 了异或
校验的形式 ，如果出错则会请求重传。
由于无线通信的特殊性．加密方式采用一次一密
的形式，即每次通信前先协商密码，然后用协商的密
码来加密通信内容，有效保证通信的安全性。但由于
密钥的传输的非保密性，此系统也存在一定的安全漏
洞。
结 语
对于串行通信协议的设计．若采用同步通信的方
式 ，则数据链路层 的协 议可 以根据标准 的协议如
HDLC和BSC等加以简化或扩展，若采用异步通信的
方式，则数据链路层的协议为起止式协议．而高层 的
协议可以根据本文所论述的内容形成必要的包格式 ．
既达到了规范通信协议的目的，又实现了数据传输的
有效性 、可靠性和保密性。
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参考文献
[1】姚予疆．通信设备接口协议手册．北京：人民邮电出版社，
2005．9
[2】赵炯等．串行数据传输协议的剖析研究．计算机工程，
20()4．5
[3】马玉春等．串行通信协议的研究及应用．计算机应用研
究．2004
[4】宫克存等．一种高效 的串行通信协议及实现．长春科技
大学学报．2000，1
[5】孙光等．高效率串行通信协议的设计．仪表技术，2002，3
[6】张敏等．PC间实时全双工同步通信的实现．计算机应用，
2003．12
[7】李卫忠等．微机串行通信协议研究．计算机工程，2001，4
(收 稿 日期 ：2006—05—31)
The Study and I mplementation of
SeriaI Communication ProtocoI
ZHANG Lei ，LIANG Jian—Wll ， CHEN Ying
(School of Information Science＆Engineering，Central South University，Changsha 410075 China)
Abstract：This paper analyzes problems of transport mode
， flow control，transport transparency，data check—up
encryption mode in serial asynchronous communication protoco1
． The method of developing a high—
efficiency serial asynchronous communication protocol is presented and described with an application
．
Key words：Serial Communication Protocol；Asynchronous Communication：Flow Contm1
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