《数据通信与网络教程》第一章 整理

 

1 通信、标准和协议简介

 

1.1    为什么学习通信

很简单,因为通信是一个历史悠久而又具有广阔发展前景的技术领域,需要有大量的人去了解它、掌握它,一起创造通信事业的美好未来。

 

1.1.1 简短回顾

1837年,Samuel Morse 发明了电报

1876年,Alexander Graham Bell 进一步发展了电报技术,不仅消息能被转换为电信号,声音也能直接被转换为电信号, 然后由一条电压连续变化的导线传输出去,这就是电话

1945年,世界上第一台电子计算机ENIAC(电子数字计算机)问世,它是被设计用来计算第二次世界大战中弹道轨迹。它是第一台能真正处理电子信息的设备,其表现出的计算和决策能力在当今的通信系统中至关重要。

1947年,电子晶体管问世,这使得生产更小更便宜的计算机成为可能,计算机与通信技术也逐渐紧密地联系起来。60年代出现了新一代的计算机,使诸如为电话调度进行路由选择和处理等新的应用变得经济可行。

电子通信的另一个里程碑是PC(个人计算机)的发展,桌面的计算能力产生了存取信息的全新方式(芬诺依曼)。在这么多人有计算机,客观上要求计算机之间能够更简便地交换信息。

90年代诞生了万维网,这一应用使得世界各地的信息都能够在个人的桌面上轻易地得到。计算机和通信发展如此迅猛,以致于一旦失去它们,大多数的企业和学校将无法正常运作。我们如此依赖于它们,所以必须学习它们,并且要知道它们的能力和局限性。

 

1.1.2 应用

       通信卫星、无线电通信、微波通信、计算机通信(局域网和广域网)

 

1.1.3 焦点问题

       多次提到“连接”或其他类似含义的词语。但究竟怎样连接呢?用什么实现连接呢?是用导线、电缆,还是用光纤呢?不用它们可以吗?需要传送的信息量将影响通信设备的连接方式。一旦确定了连接方式,就得建立一些通信标准。必须建立一些标准以防止信息发生冲突,或解决冲突。安全问题、兼容性、开放系统都是当今通信领域的焦点问题。

 

 

1.2    计算机网络

 

1.2.2 星形拓扑结构


优点
:中央控制的方式使责任明确

缺点:中心计算机故障将直接导致整个系统的崩溃

 

通常星形网络中包括一台为多台终端和二级存储设备提供服务的大型机。使用适当的终端模拟软件,PC机就能和大型机通信。终端间或终端与存储设备之间的数据传输只能通过大型机进行。

 

1.2.3 环形拓扑结构

 

缺点:当一个节点要往另一个节点发送数据时,它们之间的所有节点都得参与传输。这样,比起总线拓扑来,更多的时间被花在替别的节点转发数据上。只要一个节点发生故障,就会导致环中的所有节点无法正常通信。

 

1.2.4 全连接拓扑结构

这是一种极端的方案。由于不再需要竞争公用线路,通信变得非常简单。任意两台设备可以直接通信,而不用涉及其他设备。然而,每一对设备直接连接必然使费用增加。而且,肯定有很多连接得不到充分利用。

 

1.2.5 组合拓扑结构

 

很多网络组合使用各种拓扑结构。图1-10给出了一个可能的组合方案。网络中有一条公共总线,有时称为主干(Backbone)。把网络划分为几个连接P C和其他设备的环形、星形或总线拓扑的局域网。同一局域网内的设备遵照各自拓扑结构的通信标准进行通信。如果是跨网传输,必须通过连接两网的网桥。

 

1.3    标准和标准化组织

 

1.3.1          对标准的需要

目前有两种类型的标准。因被广泛使用而产生发展的标准称为事实标准(De Facto Standard)。事实标准是在生产中逐渐成为人们共同遵守的法则。第二种标准是由那些得到国家或国际公认的机构正式认证并采纳的标准。

 

1.3.2          制订标准的机构

美国国家标准协会American National Standards Institute, ANSIANSI是一个非政府部门的私人机构。本身也是国际标准化组织,或简称ISO的一个成员。光纤分布式数据接口(FDDI)、美国标准信息交换码(ASCII

国际电子技术委员会International Electrotechnical Commission, IEC)一个为办公设备

的互连、安全以及数据处理制定标准的非政府机构。图像专家联合组(JPEG),为图像压缩制定标准。

国际电信联盟International Telecommunicatons Union, ITU)其前身是国际电报电话咨询委员会(CCITT)。ITU是一家联合国机构,共分为三个部门。ITU-R负责无线电通信;ITU-D是发展部门;而与本书相关的是ITU-T,负责电信。

电子工业协会Electronic Industries Association, EIAEIA的成员包括电子公司和电信设备制造商。它也是ANSI的成员。EIA-232标准,大多数PC机与调制解调器或打印机等设备通信的规范。

电气和电子工程师协会Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEEIEEE是世界上最大的专业技术团体,由计算机和工程学专业人士组成。802局域网标准

国际标准化组织International Organization for Standardization, ISOISO是一个世界性组织,它包括了许多国家的标准团体。七层协议结构的开放系统互连模型(OSI

国家标准和技术协会National Institute of Standards and Technology, NIST)其前身是美国的国家标准局(National Bureau of Standards, NBS)。数据加密标准(DES

国际商用机器公司International Business Machine, IBM)尽管IBM不是一个标准机构,但仍不能忽视它。因为它的许多规范已成为事实标准。系统网络体系结构(SNA扩展二十进制交换码(EBCDIC

 

 

1.4    开放系统和开放系统互连模型(OSI

OSI模型是一个7层模型(图1-11)。每一层实现特定的功能,并且只与上下两层直接通信。高层协议偏重于处理用户服务和各种应用请求。低层协议偏重于处理实际的信息传输。

 

两个不相兼容的站点,只要都支持OSI模型,就能互相通信(见图1-13)。从逻辑上讲,两个站点的对等层直接通信。而实际上,每一层都只与相邻的上下两层直接通信。当程序需要发送信息时,它把数据交给应用层。应用层对数据进行加工处理后,传给表示层。再经过一次加工后,数据被送到会话层。这一过程一直继续到物理层接收数据后进行实际的传输。

 

1.4.1          模型概述

最高层,即应用层Application Layer)直接与用户和应用程序打交道。另外,应用层也定义了一些协议集。

表示层Presentation Layer)以用户可理解的格式为上层用户提供必要的数据。表示层也提供数据的安全措施。

会话层Session Layer)允许不同主机上的应用程序进行会话,或建立虚连接。会话层也处理差错恢复。用户层次上的单一事务机制也是由会话层来实现的。

4层是运输层Transport Layer)。它是处理端对端通信的最低层(更低层处理网络本身)。运输层负责选择通信使用的网络。

网络层Network Layer)管理路由策略。网络层控制着通信子网(Communications Subnet)。

数据链路层Data Link Layer)负责监督相邻网络节点的信息流动。它使用检错或纠错技术来确保正确的传输。另外,数据链路层还管理数据格式。

最后,物理层Physical Layer)负责在网络上传输数据比特流。

总的来说,下面3层主要处理网络通信的细节问题。它们一起向上层用户提供服务。上面4层主要针对端对端的通信。它们定义用户间的通信协议,但不关心数据传输的低层实现细节。

 

 

1.4.2          物理层

物理层由两个主要部分组成:传输媒体和连接策略。传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤、卫星、微波塔和无线电波。连接策略有电路交换、报文交换和分组交换。

在电路交换(Circuit Switching)中,两节点间的线路将一直保持到其中一方终止通信。

用报文交换(Message Switching)的方式。当有报文(单位信息)需要传送时,网络使用报文交换来建立路由。由于报文被每个经过的节点存储起来,所以使用这一方法的网络也称为存储转发网络(Store-and-Forward Network)。

分组交换:如果报文很长,它将被划分成更小的单元,即分组。分组的长度随设计而定。每一个分组都带有目标节点的地址,还携带着其他由网络协议所规定的说明该分组从哪里来到哪里去的附加信息。当所有分组到达后,他们就被重新装配。

在分组交换网络中,有数据报和虚电路两种常用的路由方式。采用数据报方式,每个分组被独立地传输。也就是说,网络协议将每一个分组当作单独的一个报文,对它进行路由选择。这种方式允许路由策略考虑网络环境的实际变化。如果某条路径发生阻塞,它可以变更路由。

采用虚电路方式,网络协议在发送分组前,首先建立一条线路(虚电路)。所有分组通过同一条路径传输,以确保正确地按次序到达目标节点。区别是线路不是专用的。也就是说,不同的虚电路可以共享一条公共网络线路。每一个节点上的逻辑部件负责存储接收到的分组,并为它们安排行程。

 

 

1.4.3          数据链路层

当物理层发送和接收数据时,在它上面的数据链路层负责确保它正确地运作。

有时设备通过侦听总线来避免冲突。总线忙,设备就暂时不传输。若电路检测出总线空闲,设备就立刻传输。如果两台设备都检测到总线空闲,并同时开始传送数据,就会发生冲突。我们把这种解决竞争的方法称为带冲突检测的载波侦听多路访问。

令牌传递(Token Passing)是另一种防止冲突的竞争机制。在这里,把一串循环通过所有网络节点的特定比特流称为令牌。当节点要进行传输时,它必须等待令牌的到来,并把令牌附加到要发送的报文末端。它还得改变令牌的控制位,以指示出该令牌已被占用。接着报文被送到目标节点,于是目标节点得到了令牌。根据不同的协议,目标节点可以获取令牌并进行传输(如果它有报文要发送的话),也可以把令牌传给下一节点。

 

奇偶校验位可能是最简单的一种检测手段。奇偶校验位是添加到每个帧或每个数据比特流序列中去的一个附加位。

 

1.4.4          网络层

网络层为运输层提供建立端对端通信的功能。

网络层包含在两点间寻找最佳路径的算法。

 

1.4.5          运输层

运输层是一个过渡性的层次。它下面的三层主要处理网络通信(见图1 – 2 1)。发送方和接收方之间的每一个节点都必须执行协议,以确保信息被准确有效地传输。运输层及其上面的三个层次为用户提供各种服务。它们主要工作于发送节点和接收节点,确保信息正确到达目标节点,并答复发送节点。

 

       运输层的功能有:提供可靠有效的网络连接、多路复用、缓冲和连接管理、负责在网络节点上的缓冲任务等。

 

1.4.6          会话层

会话层包括在两个端用户间建立和保持一个连接或会话所必需的协议。

 

1.4.7          表示层

表示层必须了解自己服务的系统,同时还得知道它从其他系统接收来的数据的格式。它必须确保信息在网络上正确地传输。

表示层的另一个功能是数据压缩(Data Compression)。

 

1.4.8          应用层

负责与用户和应用程序进行通信,包含网络应用。

 

1.4.9          小结

较低的3个层次主要处理网络通信的具体问题。物理层负责发送和接收比特流,而不管其具体含义,也包含连接策略。电路交换在节点间建立和保持专有线路。报文交换经由网络传送报文,没有专有的线路连接特定的节点。分组交换把报文划分为多个分组,然后分别进行传送。

数据链路层为物理层提供错误检测。错误检测技术包括奇偶校验位和其他检错码或纠错码,也包括竞争策略。冲突检测让多个同时发起传输的设备能够检测到冲突的存在。于是每个设备都等待一段随机时间后重新进行传输。而在令牌网中,随着令牌的传递,令牌在网络节点中循环流动。只有获得令牌的节点才能传输数据。

底部3个层次的最高层就是网络层。它包含路由策略。路由算法负责在两节点间寻找最便宜的路径,路径上的每一个节点都知道它的后继节点。但最便宜的路径可能随网络情况的变化而变化,因此可以使用适当的路由策略来检测网络发生的变化,并相应地作出改动。

顶部的4个层次为用户服务。其中的最低层是运输层。它提供缓冲、多路复用和连接管理等功能。连接管理确保被延迟的报文不会给正常的连接建立或释放请求带来影响。

会话层负责管理用户间的会话。在半双工通信中,会话层决定谁可以说话,谁必须收听。同时它还允许定义同步点,以应付在高层出现的故障。在主同步点间的数据必须缓存起来,以备恢复。当一系列请求要么不被处理,要么就必须一起处理时,会话层也允许将这些请求加以封装。

表示层解决数据表示中存在的差异问题。它允许两个信息存储方式不同的系统交换信息。表示层也提供数据压缩功能,以减少传输量。另外它还实现加密和解密。

最后,也是最高层,即应用层,它包括许多用户服务,比如电子邮件、文件传输和虚拟终端等。它直接与用户或应用程序通信。

 

 

1.5    数据通信的未来(提到的几乎都已实现)

电子电话簿(Electronic Telephone Directory)电话将被通信终端所取代。

移动电话(Portable Telephone)带着你的电话到处走。

电子邮件,因特网已经可以让全世界的人们相互交换电子邮件了。

全数字式电话系统(All-Digital Telephone System

电子媒体访问(Electronic Media Access

视频会议(Video Conferencing

三维成像(Three-Dimensional Imaging

电子定位器(Electronic Locator

语音通信(Voice Communication

意识通信(Mind Communications