第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 1.1 计 算 机 网 络 的 发 展 计 算 机 网 络 是 现 代 计 算 机 技 术 与 通 讯 技 术 相 结 合 的 产 物, 是 随 着 社 会 对 信 息 共 享 和 信 息 通 信 的 日 益 增 强 的 要 求 而 发 展 起 来 的 追 溯 计 算 机 网 络 的 发 展 历 史, 经 历 了 由 简 单 到 复 杂, 由 低 级 到 高 级 的 过 程 计 算 机 网 络 的 演 变 可 以 总 结 为 以 下 三 个 阶 段 : 第 一 阶 段 : 面 向 终 端 的 计 算 机 网 络 由 一 台 中 央 主 计 算 机 通 过 通 信 线 路 连 接 大 量 的 终 端 而 构 成 的 系 统, 用 户 通 过 终 端 共 享 使 用 主 机 ( 见 图 1-1) 这 种 终 端 通 信 线 路 计 算 机 的 系 统 构 成 了 早 期 的 计 算 机 网 络, 严 格 的 来 讲, 这 种 计 算 机 网 络 和 现 在 的 计 算 机 网 络 有 根 本 的 区 别 这 种 系 统 的 特 征 主 要 如 下 : 1 主 机 承 担 数 据 处 理, 终 端 没 有 自 主 处 理 功 能, 终 端 围 绕 主 机 分 布 在 各 地 2 随 着 终 端 数 目 的 增 多, 可 以 设 置 前 端 机 和 集 线 器, 从 而 减 轻 主 机 的 负 载 我 们 将 这 样 的 系 统 称 为 面 向 终 端 的 计 算 机 通 讯 网 络 图 1-1 面 向 终 端 的 计 算 机 通 讯 网 络 示 意 图 面 向 终 端 的 计 算 机 通 信 网 络 存 在 着 两 个 主 要 缺 点 : 1 终 端 没 有 数 据 处 理 功 能, 主 机 既 要 承 担 数 据 处 理 任 务, 又 要 承 担 网 络 通 信 任 务, 负 担 较 重 2 终 端 设 备 独 占 通 信 线 路, 使 线 路 利 用 率 较 低 第 二 阶 段 : 以 通 讯 子 网 为 中 心 的 计 算 机 网 络 面 向 终 端 的 计 算 机 通 讯 网 络 是 以 单 个 主 机 为 中 心 的 星 型 拓 扑, 终 端 通 过 通 信 线 路 直 接 共 享 主 机 的 硬 件 与 软 件 资 源, 其 交 换 技 术 为 电 路 交 换, 从 资 源 分 配 的 角 度 看, 电 路 交 换 是 一 种 预 先 分 配 传 输 带 宽 的 交 换 技 术, 类 似 于 电 话 网 络 的 工 作 方 式 用 户 在 开 始 通 信 之 前, 首 先 要 申 请 建 立 一 条 从 发 送 端 到 接 收 端 的 物 理 链 路, 只 有 在 此 物 理 链 路 建 立 之 后, 双 方 才 能 进 行 通 信, 在 整 个 通 信 过 程 中, 用 户 始 终 占 用 端 到 端 的 固 定 传 输 带 宽, 这 种 交 换 方 式, 对 于 以 突 发 式 间 歇 性 通 信 为 主 的 计 算 机 网 络 通 信 而 言 是 一 种 严 重 的 浪 费 为 了 提 高 计 算 机 网 络 的 通 信 线 路 利 用 率, 一 种 新 的 交 换 方 式 分 组 交 换 技 术, 首 先 在

2 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 1969 年 建 立 的 美 国 ARPANET(Advanced Research Projects Agency Network) 网 中 得 到 采 用 该 网 络 的 基 本 构 成 为 : 主 机 通 过 接 口 信 息 处 理 机 (IMP. Interface Message Processor) 相 联, 各 地 的 终 端 均 与 本 地 的 主 机 连 接,IMP 实 现 网 络 中 信 息 的 路 由 存 储 与 转 发 1972 年 ARPANET 又 增 设 了 终 端 接 口 处 理 机 (TIP) 实 现 与 终 端 的 直 接 相 联 ( 见 图 1-2) 当 用 户 需 要 访 问 远 程 主 机 信 息 时, 先 经 本 地 主 机 将 信 息 传 送 到 本 地 的 IMP, 再 从 IMP 传 送 到 目 的 地 的 IMP, 最 后 送 达 目 的 主 机 图 1-2 具 有 交 换 功 能 的 计 算 机 网 络 示 意 图 ARPNET 是 由 一 种 通 信 子 网 (Communication Subnet) 和 资 源 子 网 (Resource Subnet) 组 成 的 两 级 结 构 的 计 算 机 网 络 由 接 口 报 文 处 理 机 IMP(Interface Message Processor) 和 它 们 之 间 互 联 的 通 信 线 路 一 起 负 责 主 机 Host 之 间 的 通 信 任 务, 构 成 了 通 信 子 网, 实 现 信 息 传 输 与 交 换 由 通 信 子 网 互 联 的 主 机 组 成 资 源 子 网, 它 负 责 信 息 处 理 运 行 用 户 应 用 程 序 向 网 络 用 户 提 供 可 共 享 的 软 硬 件 资 源 当 某 主 机 ( 例 如 H1) 要 与 远 地 另 一 主 机 ( 例 如 H2) 通 信 交 换 信 息 H1 首 先 将 信 息 送 至 本 地 直 接 与 其 相 联 的 IMP 暂 存, 通 过 通 信 线 路 沿 着 适 当 的 路 径 ( 按 一 定 原 则 静 态 或 动 态 的 选 择 的 ) 转 发 至 下 一 IMP 暂 存, 依 次 经 过 中 间 的 IMP 中 转, 最 终 传 输 至 远 地 的 目 的 IMP, 并 送 入 与 之 直 接 相 联 的 目 的 主 机 如 此, 由 IMP 组 成 的 通 信 子 网, 完 成 信 息 在 通 信 双 方 各 IMP 之 间 的 存 储 / 转 发 (Store And Forward) 任 务 采 用 这 种 方 式, 使 通 信 线 路 不 为 某 对 通 信 双 方 所 独 占, 大 大 提 高 昂 贵 的 通 信 线 路 的 利 用 效 率 ARPANET 中 存 储 / 转 发 的 信 息 基 本 单 元 是 分 组 (Packet), 它 是 将 整 个 要 交 换 的 信 息 报 文 (Message) 分 成 若 干 信 息 分 组, 对 每 个 分 组 按 存 储 / 转 发 的 方 式 在 通 信 子 网 上 传 输, 因 此 把 这 种 以 存 储 / 转 发 方 式 传 输 分 组 的 通 信 子 网 又 称 为 分 组 交 换 数 据 网 (PSDN) ARPANET 不 仅 开 创 第 二 代 计 算 机 网 络 它 的 影 响 之 深 远, 还 在 于 由 它 开 始 发 展 成 今 天 在 世 界 范 围 广 泛 应 用 的 国 际 互 联 网 络 Internet 它 的 TCP/IP 协 议 族 就 已 成 为 事 实 上 的 国 际 标 准 从 资 源 分 配 的 角 度 看 : 分 组 交 换 的 核 心 思 想 是 存 储 转 发, 即 采 用 动 态 分 配 传 输 带 宽 的 方 法 使 用 通 信 线 路 这 对 于 传 送 突 发 式 的 计 算 机 网 络 数 据 是 非 常 适 合 的, 它 大 大 提 高 了 通 信 线 路 的 利 用 率 在 基 于 分 组 交 换 的 计 算 机 网 络 中,IMP TIP 以 及 通 信 链 路 构 成 了 分 组 交 换 网

1.2 计 算 机 网 络 的 定 义 和 功 能 3 的 通 信 子 网 采 用 分 组 交 换 的 计 算 机 网 络 由 早 期 以 主 机 为 中 心 的 星 型 网 络 拓 扑 结 构 演 变 为 以 通 信 子 网 为 中 心 的 网 状 结 构 主 机 和 终 端 处 在 网 络 的 外 围, 构 成 用 户 资 源 子 网, 用 户 不 仅 可 以 共 享 通 信 子 网 的 资 源, 而 且 可 以 共 享 用 户 资 源 子 网 的 硬 件 和 软 件 资 源 第 三 阶 段 : 开 放 式 标 准 化 的 计 算 机 网 络 诚 然, 这 些 大 量 出 现 的 第 二 代 计 算 机 网 络, 促 进 了 计 算 机 网 络 的 发 展 和 应 用 但 由 于 这 些 网 络 大 多 是 由 研 究 单 位 大 学 应 用 部 门 或 计 算 机 公 司 各 自 研 制 开 发 利 用 的, 没 有 统 一 的 网 络 体 系 结 构 如 果 要 在 更 大 的 范 围 内, 把 这 些 网 络 互 联 起 来, 实 现 信 息 交 换 和 资 源 共 享, 有 着 很 大 困 难 客 观 需 要 计 算 机 网 络 体 系 结 构 要 由 封 闭 式 走 向 开 放 式 国 际 标 准 化 组 织 ISO (International Standards Organization) 及 下 属 的 计 算 机 与 信 息 处 理 标 准 化 技 术 委 员 会 TC97, 经 过 多 年 卓 有 成 效 的 努 力, 于 1984 年 正 式 颁 布 了 一 个 称 为 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 OSI(Open System Interconnection Basic Reference Model) 的 国 际 标 准 ISO/OSI 7498 自 此, 计 算 机 网 络 开 始 了 走 向 国 际 标 准 化 网 络 的 时 代 国 际 标 准 化 网 络 将 具 有 统 一 的 网 络 体 系 结 构, 遵 循 国 际 标 准 化 的 协 议 目 的 是 能 支 持 各 厂 商 生 产 的 计 算 机 系 统 互 联 这 个 阶 段 的 计 算 机 网 络 解 决 了 计 算 机 网 络 与 互 联 标 准 化 的 问 题, 提 出 了 计 算 机 网 络 开 放 式 系 统 互 联 参 考 模 型 (OSI/RM), 从 而 极 大 地 促 进 了 计 算 机 网 络 技 术 的 发 展 20 世 纪 90 年 代 以 后 计 算 机 网 络 向 现 代 网 络 技 术 和 协 同 计 算 技 术 方 向 发 展, 随 着 计 算 机 网 应 用 业 务 的 增 长, 地 理 范 围 的 扩 大, 联 网 站 点 数 的 增 加, 网 络 产 品 的 层 出 不 穷, 促 使 网 络 互 联 迅 速 发 展 通 过 网 络 互 联 把 各 种 信 息 孤 岛 连 接 成 超 级 网 络 实 现 其 互 操 作 和 协 同 工 作 成 为 人 们 研 究 如 何 利 用 网 络 支 持 协 同 工 作 的 一 个 方 向 计 算 机 支 持 的 协 同 工 作 CSCW 这 一 概 念 最 早 是 在 1984 年 由 美 国 MIT 的 Irene Greif 和 DEC 的 Paul Cashman 这 两 位 研 究 人 员 用 于 描 述 他 们 正 在 组 织 安 排 的 有 关 如 何 用 计 算 机 支 持 交 叉 学 科 的 人 们 共 同 工 作 的 课 题 时 提 出 来 的 计 算 机 支 持 的 协 同 工 作 定 义 为 : 地 域 分 散 的 一 个 群 体 借 助 计 算 机 及 其 网 络 技 术, 共 同 协 调 与 协 作 来 完 成 一 项 任 务 它 包 括 协 同 工 作 系 统 的 建 设 群 体 工 作 方 式 研 究 和 支 持 群 体 工 作 的 相 关 技 术 研 究 应 用 系 统 的 开 发 等 部 分 通 过 建 立 协 同 工 作 的 环 境, 改 善 人 们 进 行 信 息 交 流 的 方 式, 消 除 或 减 少 人 们 在 时 间 和 空 间 上 的 相 互 分 隔 的 障 碍, 节 省 工 作 人 员 的 时 间 和 精 力, 提 高 群 体 工 作 质 量 和 效 率, 从 而 提 高 企 业 机 关 团 体 乃 至 整 个 社 会 的 整 体 效 益 和 人 类 的 生 活 质 量 例 如, 共 享 文 件 系 统 提 供 的 资 源 共 享 能 力, 电 子 邮 件 和 多 媒 体 会 议 系 统 提 供 的 人 与 人 之 间 的 通 信 支 持 功 能, 工 作 流 和 决 策 支 持 系 统 的 组 织 管 理 功 能, 一 个 企 业 如 果 有 效 地 利 用 这 些 基 本 工 具 构 造 其 企 业 协 同 管 理 信 息 系 统, 必 将 提 高 企 业 的 管 理 水 平 和 效 益 我 们 把 支 持 协 同 工 作 的 计 算 机 软 件 称 为 群 件 (Groupware) CSCW 是 一 个 多 学 科 交 叉 的 研 究 领 域, 不 仅 需 要 计 算 机 网 络 与 通 信 技 术 多 媒 体 技 术 等 计 算 机 技 术 的 支 持, 还 需 要 社 会 学 心 理 学 管 理 科 学 等 领 域 学 者 共 同 协 作 计 算 机 协 同 工 作 将 计 算 机 技 术 网 络 通 信 技 术 多 媒 体 技 术 以 及 各 种 社 会 科 学 紧 密 地 结 合 起 来, 向 人 们 提 供 了 一 种 全 新 的 交 流 方 式 1.2 计 算 机 网 络 的 定 义 和 功 能 随 着 技 术 的 进 步 应 用 的 扩 大, 计 算 机 网 络 技 术 也 在 不 断 发 展 这 里, 我 们 按 照 计 算 机 网 络 所 具 有 的 特 性 来 定 义 : 计 算 机 网 络 是 通 过 通 信 设 施 ( 通 信 网 络 ), 将 地 理 上 分 散 的 具 有 自 治 功 能 的 多 个 计 算 机 系 统 互 联 起 来, 进 行 信 息 交 换, 实 现 资 源 共 享 互 操 作 和 协 同 工 作 的 系 统

4 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 这 是 一 个 广 义 的 定 义, 它 具 有 这 样 的 一 些 特 征 : 首 先, 计 算 机 网 络 是 一 互 联 的 计 算 机 系 统 的 群 体 这 些 计 算 机 系 统 在 地 理 上 是 分 布 的, 可 能 在 一 个 房 间 内, 在 一 个 单 位 里 的 楼 群 里, 一 个 或 几 个 城 市 里, 甚 至 在 全 国 乃 至 全 球 范 围 其 次, 这 些 计 算 机 系 统 是 自 治 的, 即 每 台 计 算 机 是 独 立 工 作 的, 它 们 是 在 网 络 协 议 控 制 下 协 同 工 作 的 第 三, 系 统 互 联 要 通 过 通 信 设 施 ( 网 ) 来 实 现 通 信 设 施 一 般 都 由 通 信 线 路 相 关 的 传 输 交 换 设 备 等 组 成 第 四, 系 统 通 过 通 信 设 施 执 行 信 息 交 换 资 源 共 享, 互 操 作 和 协 作 处 理, 实 现 各 种 应 用 要 求 互 操 作 (Interoperation 或 Interoperability) 和 协 作 处 理 (Interworking) 是 计 算 机 网 络 应 用 中 更 高 层 次 的 要 求 特 性 它 需 要 有 一 种 机 制 能 支 持 互 联 网 络 环 境 下 的 异 种 计 算 机 系 统 之 间 的 进 程 通 信 互 操 作, 实 现 协 同 工 作 和 应 用 集 成 不 同 的 计 算 机 网 络 是 为 不 同 的 目 的 需 求 而 设 计 和 组 建 的, 它 们 所 提 供 的 服 务 和 功 能 也 有 所 不 同 下 面 列 举 了 计 算 机 网 络 可 能 提 供 的 一 些 功 能 : 1 数 据 通 信 : 终 端 与 计 算 机 计 算 机 与 计 算 机 之 间 能 够 进 行 通 信, 相 互 传 送 数 据, 从 而 方 便 地 进 行 信 息 收 集 处 理 交 换 例 如, 文 件 传 输 (FTP) 电 子 信 箱 (E-mail) 网 络 传 呼 (QICQ) 网 络 浏 览 (WWW) 等 2 资 源 共 享 : 用 户 可 以 共 享 计 算 机 网 络 范 围 内 的 系 统 硬 件 软 件 数 据 信 息 等 各 种 资 源 3 网 络 计 算 : 提 供 分 布 处 理 和 均 衡 计 算 机 负 荷 的 功 能, 降 低 软 件 设 计 复 杂 性, 提 高 系 统 效 率 4 集 中 控 制 : 通 过 计 算 机 网 络 可 对 地 理 上 分 布 的 系 统 进 行 集 中 控 制, 对 网 络 资 源 进 行 集 中 的 分 配 和 管 理 5 提 高 系 统 的 可 靠 性 : 借 助 冗 余 和 备 份 的 手 段 提 高 系 统 可 靠 性 在 计 算 机 网 络 中, 各 台 计 算 机 可 以 互 为 后 备, 资 源 冗 余 以 及 结 构 上 可 动 态 重 组, 这 样 提 高 了 计 算 机 系 统 的 可 靠 性 6 网 络 新 服 务 : 开 辟 大 量 新 的 应 用 服 务 项 目 1.3 计 算 机 网 络 的 拓 扑 及 分 类 计 算 机 网 络 的 拓 扑 结 构 是 指 网 络 中 各 个 节 点 的 地 理 分 布 和 互 联 关 系 上 的 几 何 图 形 下 面 介 绍 6 种 常 见 的 网 络 拓 扑 结 构 : 星 型 树 型 总 线 型 环 型 混 合 型 以 及 全 连 接 结 构 1.3.1 星 型 结 构 星 型 拓 扑 是 由 中 央 节 点 和 通 过 点 到 点 的 链 路 与 中 心 站 相 连 的 各 个 站 点 组 成 图 1-3 给 出 了 星 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 示 意 图 星 型 网 采 用 的 交 换 方 式 有 电 路 交 换 和 报 文 交 换 两 种 星 型 拓 扑 结 构 的 优 点 是 : 控 制 简 单 故 障 诊 断 容 易 方 便 服 务 很 容 易 在 网 络 中 增 加 新 的 站 点 数 据 的 安 全 性 和 优 先 级 容 易 控 制 缺 点 是 : 中 心 节 点 负 担 较 重, 一 旦 发 生 故 障 会 引 起 整 个 网 络 瘫 痪

1.3 计 算 机 网 络 的 拓 扑 及 分 类 5 图 1-3 星 型 结 构 1.3.2 树 型 结 构 图 1-4 给 出 了 树 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 图 1-4 树 型 结 构 树 型 结 构 可 以 看 成 是 星 型 拓 扑 结 构 的 扩 展, 并 不 是 所 有 的 设 备 都 直 接 连 接 到 中 央 控 制 器 上, 绝 大 多 数 的 设 备 是 首 先 连 接 到 一 个 次 级 控 制 器 上, 再 由 次 级 控 制 器 连 接 到 中 央 控 制 器 上 树 型 拓 扑 结 构 的 优 点 和 缺 点 基 本 与 星 型 拓 扑 相 似, 但 次 级 控 制 器 的 引 入 带 来 两 个 优 势 : 1 允 许 更 多 的 设 备 相 联 并 且 增 加 了 数 据 传 输 距 离 2 允 许 网 络 隔 离 不 同 计 算 机 的 通 信 以 及 为 不 同 计 算 机 设 定 通 信 的 优 先 级 例 如, 一 台 连 到 某 个 次 级 控 制 器 的 计 算 机 可 能 获 得 比 连 接 在 另 一 个 次 级 控 制 器 上 的 计 算 机 更 高 的 优 先 级 1.3.3 总 线 型 结 构 总 线 拓 扑 结 构 采 用 一 个 信 道 作 为 传 输 媒 体, 网 络 中 所 有 的 站 点 共 享 这 一 条 数 据 传 输 媒 体, 该 媒 体 称 为 总 线, 任 何 一 个 站 点 发 送 的 信 号 都 沿 着 传 输 媒 体 传 播, 而 且 被 其 他 站 点 所 接 收, 图 1-5 给 出 了 总 线 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 总 线 型 网 络 安 装 简 单 方 便, 需 要 铺 设 的 电 缆 最 短, 成 本 低, 某 个 站 点 的 故 障 一 般 不 会 影 响 整 个 网 络, 但 介 质 的 故 障 会 导 致 整 个 网 络 瘫 痪, 总 线 网 的 安 全 性 较 低, 传 输 距 离 有 限 监 控

6 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 比 较 困 难, 增 加 新 站 点 也 不 如 星 型 容 易 图 1-5 总 线 型 结 构 1.3.4 环 型 结 构 环 型 拓 扑 结 构 由 站 点 通 过 通 信 介 质 连 成 一 个 封 闭 的 环 形 图 1-6 给 出 了 环 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 每 个 站 点 能 够 接 收 一 端 链 路 传 来 的 数 据, 并 以 同 样 的 速 度 把 数 据 送 到 另 一 端 链 路 信 号 在 闭 环 中, 按 照 设 备 连 接 顺 序 单 向 传 输 环 形 网 的 优 点 是 容 易 安 装 和 监 控, 可 以 使 用 光 纤 或 者 电 缆, 每 一 个 节 点 都 可 以 中 继 信 号, 通 讯 距 离 较 长 缺 点 是 容 量 有 限, 故 障 检 测 困 难, 一 旦 节 点 发 生 故 障 会 引 起 全 网 络 的 瘫 痪 图 1-6 环 型 结 构 1.3.5 混 合 型 结 构 图 1-7 给 出 了 混 合 型 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 通 常 一 个 网 络 会 将 几 个 不 同 拓 扑 结 构 的 子 网 连 接 在 一 起, 组 成 一 个 大 的 网 络, 整 个 网 络 连 接 成 一 个 混 合 型 的 拓 扑 结 构

1.3 计 算 机 网 络 的 拓 扑 及 分 类 7 图 1-7 混 合 型 结 构 1.3.6 全 连 接 结 构 图 1-8 给 出 了 全 连 接 计 算 机 网 络 拓 扑 结 构 图 图 1-8 全 连 接 结 构 任 意 两 个 节 点 间 都 存 在 一 条 直 接 路 经 ( 即 直 连 两 个 节 点 的 路 径 ), 这 就 是 说, 如 果 网 络 中 总 共 有 n 个 节 点, 总 的 路 径 数 将 是 n(n-1)/2 全 连 接 结 构 优 点 是 健 壮 性 安 全 性 和 私 有 性 缺 点 是 费 用 昂 贵 而 且 安 装 和 重 新 配 置 十 分 困 难 1.3.7 计 算 机 网 络 的 分 类 一 个 计 算 机 网 络 可 以 从 地 域 范 围 拓 扑 结 构 信 息 传 输 交 换 方 式 或 协 议 网 络 组 建 属 性 或 用 途 等 不 同 角 度 加 以 分 类

8 第 1 章 计 算 机 网 络 的 基 本 概 念 1. 按 地 域 范 围 分 类 按 照 网 络 的 作 用 与 地 理 范 围 来 分, 计 算 机 网 络 类 型 大 致 可 分 为 以 下 3 大 类 : (1) 局 域 网 LAN(Local Area Network) 一 般 限 定 在 较 小 的 区 域 内, 小 于 10 km 的 范 围, 通 常 是 一 个 办 公 室, 一 个 建 筑 物 或 是 校 园 内, 最 常 见 的 局 域 网 拓 扑 图 有 星 型 总 线 型 和 环 型 (2) 城 域 网 MAN(Metropolis Area Network) 规 模 局 限 在 一 座 城 市 的 范 围 内,10~100 km 的 区 域 城 域 网 可 以 是 单 一 的 网 络, 也 可 以 是 通 过 许 多 局 域 网 络 连 接 成 一 个 更 大 的 网 络 (3) 广 域 网 WAN(Wide Area Network) 网 络 跨 越 国 界 洲 界, 甚 至 全 球 范 围 广 域 网 通 常 利 用 电 信 部 门 提 供 的 分 组 交 换 网 卫 星 通 信 信 道 和 无 线 分 组 交 换 网 等, 将 分 布 在 不 同 的 地 区 的 计 算 机 系 统 互 联 起 来, 达 到 资 源 共 享 的 目 的 目 前 局 势 网 和 广 域 网 是 计 算 机 网 络 的 热 点 局 域 网 是 组 成 其 他 两 种 类 型 网 络 的 基 础, 城 域 网 一 般 都 加 入 了 广 域 网, 广 域 网 的 典 型 代 表 是 Internet 网 2. 按 拓 扑 结 构 分 类 网 络 拓 扑 结 构 是 从 网 络 拓 扑 的 观 点 来 讨 论 和 设 计 网 络 的 特 性 也 就 是 讨 论 网 络 中 的 通 信 节 点 和 通 信 线 路 或 信 道 的 连 接 所 构 成 的 各 种 网 络 几 何 构 形, 用 以 反 映 出 网 络 各 组 成 成 分 之 间 的 结 构 关 系, 从 而 反 映 了 整 个 网 络 的 整 体 结 构 外 貌 实 际 上, 这 儿 考 虑 的 得 更 多 的 是 通 信 子 网 的 拓 扑 结 构 问 题 一 般 地 讲, 通 信 子 网 可 以 设 计 成 两 种 通 信 ( 信 道 ) 类 型 : 点 对 点 通 信 (Point-to-Point) 和 广 播 通 信 (Broadcast) 点 对 点 信 道 : 其 特 点 是 一 条 线 路 连 接 一 对 节 点 两 台 主 机 常 常 经 过 几 个 节 点 相 连 接 信 息 的 传 输 采 用 存 储 转 发 方 式 这 种 信 道 成 的 通 信 子 网 常 见 的 拓 扑 结 构 有 :1 星 型,2 树 型, 3 全 连 接 型,4 不 规 则 形 式 分 布 式 广 播 信 道 : 其 特 点 是 只 有 一 条 供 诸 结 点 共 享 的 通 信 信 道 由 这 种 信 道 构 成 的 通 信 子 网 的 拓 扑 结 构 可 有 三 种 形 式 :1 总 线 型,2 环 型,3 卫 星 或 无 线 广 播 通 信 方 式 3. 按 信 息 传 输 交 换 方 式 分 类 根 据 信 息 在 网 内 传 输 交 换 方 式, 可 分 为 : 电 路 交 换 和 存 储 转 发 交 换 而 存 储 转 发 又 可 以 分 为 报 文 交 换 和 分 组 交 换 分 组 交 换 包 括 数 据 报 交 换 和 虚 电 路 交 换 电 路 交 换 是 通 信 双 方 建 立 一 条 物 理 连 接 后, 数 据 沿 着 该 连 接 到 达 目 的 地, 数 据 传 送 时 独 享 该 连 接 ; 存 储 转 发 指 数 据 被 分 成 若 干 段, 每 段 按 照 交 换 设 备 选 定 的 路 由 独 立 地 从 源 到 目 的 地 4. 按 网 络 组 建 属 性 分 类 一 个 计 算 机 网 络, 根 据 其 组 建 经 营 和 用 户, 特 别 是 它 的 数 据 传 输 和 交 换 系 统 的 拥 有 性, 可 以 分 为 公 用 网 和 专 用 网 两 类

1.4 计 算 机 网 络 的 组 成 9 1.4 计 算 机 网 络 的 组 成 计 算 机 网 络 从 其 构 成 的 软 硬 件 可 以 分 为 传 输 / 交 换 设 备 用 户 设 备 和 网 络 软 件 传 输 / 交 换 设 备 : 线 路 设 备 互 联 设 备 传 输 设 备 一 般 包 括 双 绞 线 同 轴 电 缆 和 光 纤 等 交 换 设 备 一 般 包 括 网 桥 中 继 器 网 关 交 换 机 和 路 由 器 等 用 户 设 备 : 主 机 终 端 服 务 器 网 络 软 件 : 网 络 操 作 系 统 网 络 协 议 软 件 用 户 程 序 1.5 计 算 机 网 络 协 议 标 准 化 计 算 机 网 络 协 议 标 准 可 分 为 两 类 : 1 事 实 标 准 (From The Fact) 由 厂 家 制 定 的, 未 经 有 关 标 准 化 组 织 审 定 通 过, 但 由 于 广 泛 使 用 形 成 了 事 实 标 准 2 法 定 标 准 (By Law) 经 有 关 标 准 化 组 织 审 定 通 过 的 标 准 相 关 标 准 化 组 织 国 际 电 信 联 盟 (ITU,International Telecommunication Union) 它 的 任 务 是 国 际 电 信 的 标 准 化 它 有 3 个 主 要 的 部 门 :ITU-R,Radio Communications Sector;ITU-T, Telecommunications Sector;ITU-D,Development Sector ITU-T 的 工 作 为 电 信 标 准 化, 它 的 前 身 为 CCITT 它 的 成 员 为 政 府 部 门 和 电 信 厂 商 国 际 标 准 化 组 织 (ISO,International Standards Organization), 它 的 成 员 为 国 家 标 准 化 组 织, 如 美 国 的 ANSI(American National Standards Institute) 它 的 标 准 化 程 序 : 从 CD(Committee Draft) 到 DIS (Draft International Standard), 再 到 IS(International Standard) Internet 体 系 结 构 委 员 会 (IAB,Internet Architecture Board), 它 是 一 个 非 正 式 的 标 准 化 组 织 它 分 成 IRTF(Internet Research Task Force) 和 IETF(Internet Engineering Task Force), 前 者 关 注 长 期 的 研 究, 后 者 处 理 短 期 的 工 程 问 题 它 的 标 准 化 程 序 : 草 案 标 准 (DS,Draft Standard) 到 RFC (Request For Comments), 再 到 IS(Internet Standards)

第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 2.1 协 议 与 分 层 结 构 计 算 机 网 络 由 若 干 个 相 互 联 接 的 点 组 成, 这 些 节 点 之 间 要 不 断 地 进 行 数 据 交 换 为 达 到 正 确 的 数 据 交 换 目 的, 它 们 之 间 必 须 具 有 共 同 的 语 言 交 换 什 么, 怎 么 交 换, 何 时 交 换, 每 个 节 点 必 须 遵 守 一 些 事 先 约 定 好 的 通 信 规 则, 这 些 规 则 就 是 网 络 协 议 (Protocol) 网 络 协 议 是 这 些 为 了 计 算 机 网 络 中 的 数 据 交 换 而 建 立 的 规 则 标 准 或 约 定 的 集 合 网 络 协 议 主 要 由 下 列 三 个 基 本 要 素 组 成 : 1 语 法 (Syntax): 涉 及 数 据 与 控 制 信 息 的 结 构 或 格 式 如 数 据 格 式 编 码 和 信 号 电 平 等 规 定 2 语 义 (Semantics): 用 于 协 调 和 差 错 处 理 而 发 出 控 制 信 息 描 述 控 制 信 息 的 含 义 完 成 何 种 动 作, 以 及 作 出 何 种 应 答 等 3 时 序 (Time): 即 事 先 顺 序 的 详 细 说 明, 包 括 速 度 匹 配 和 顺 序 由 于 计 算 机 网 络 是 一 个 复 杂 的 系 统, 分 层 是 系 统 分 解 的 最 好 方 法 之 一 网 络 协 议 通 常 采 用 层 次 结 构 网 络 协 议 分 层 有 以 下 几 点 好 处 : 1 各 层 之 间 是 独 立 的 一 个 层 次 不 需 要 知 道 它 下 面 的 一 层 是 如 何 实 现 的, 而 仅 需 知 道 该 层 通 过 层 间 的 接 口 所 提 供 的 服 务, 及 调 用 此 程 序 所 需 要 的 格 式 和 参 数 2 灵 活 性 好 当 任 何 一 层 发 生 变 化 时, 只 要 接 口 关 系 保 持 不 变, 则 其 他 层 次 均 不 受 影 响 3 结 构 上 可 分 隔 开 各 层 可 以 采 用 合 适 的 技 术 来 实 现 4 易 于 实 现 和 维 护 这 种 结 构 使 得 一 个 复 杂 系 统 的 实 现 和 调 试 变 得 简 单, 因 为 整 个 系 统 已 被 分 解 为 若 干 个 小 的 易 于 处 理 的 部 分 5 有 利 用 标 准 化 工 作 每 一 层 的 功 能 以 及 向 其 他 层 所 提 供 的 服 务 都 有 了 精 确 的 说 明, 因 此 对 于 标 准 化 工 作 是 十 分 方 便 的 计 算 机 网 络 各 个 层 次 之 间 的 关 系 及 其 相 关 协 议 的 集 合 称 为 网 络 体 系 结 构 网 络 体 系 结 构 与 其 他 具 体 实 现 是 不 同 的 网 络 体 系 结 构 是 抽 象 的, 是 对 功 能 的 精 确 描 述 而 实 现 是 具 体 的, 是 真 正 运 行 的 硬 件 和 软 件 划 分 层 的 原 则 : 1 当 需 要 由 一 个 不 同 等 级 的 抽 象 时 就 应 当 有 一 个 相 应 的 层 次 2 每 一 层 的 功 能 应 当 时 非 常 明 确 的 3 层 与 层 的 边 界 应 选 择 的 使 通 过 这 些 边 界 的 信 息 量 尽 量 少 些, 否 则 不 方 便 4 层 数 太 少, 会 使 每 一 层 的 协 议 太 复 杂, 但 层 数 太 多 又 会 在 描 述 和 综 合 各 层 功 能 的 系 统 工 程 任 务 时 遇 到 较 多 的 困 难

2.2 OSI 参 考 模 型 11 2.2 OSI 参 考 模 型 计 算 机 网 络 在 20 世 纪 70 年 代 迅 速 发 展, 特 别 在 ARPANET 建 立 以 后, 世 界 上 许 多 计 算 机 大 公 司 都 先 后 推 出 了 自 己 的 计 算 机 网 络 体 系 结 构 例 如 IBM 公 司 的 系 统 网 络 结 构 SNA, DEC 公 司 的 分 布 式 网 络 结 构 DNA 等, 但 这 些 网 络 体 系 结 构 具 有 封 闭 的 特 点, 它 们 只 适 合 于 本 公 司 的 产 品 连 网, 其 他 公 司 的 计 算 机 产 品 很 难 入 网, 这 就 妨 碍 了 实 现 异 种 计 算 机 互 联 以 达 到 信 息 交 换 资 源 共 享 分 布 处 理 和 分 布 应 用 的 需 求 客 观 需 求 迫 使 计 算 机 网 络 体 系 结 构 由 封 闭 走 向 开 放 式 国 际 标 准 化 组 织 ISO(International Standards Organization) 在 1979 年 建 立 了 一 个 分 委 员 会 来 专 门 研 究 一 种 用 于 开 放 系 统 互 联 的 体 系 结 构 (Open Systems Interconnection) 简 称 OSI 经 过 多 年 努 力 于 1984 年 提 出 了 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 ISO/OSI-RM, 从 此 开 始 了 有 组 织 有 计 划 地 制 定 一 系 列 网 络 国 际 标 准 图 2-1 OSI 体 系 结 构 的 参 考 模 型 ISO 7498 信 息 处 理 系 统 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 (ISO 7498,Information Processing Systems Open Systems Interconnection Basic References Model) 是 OSI 标 准 中 最 基 本 的 一 个 它 从 OSI 体 系 结 构 方 面 规 定 了 开 放 系 统 在 分 层 相 应 层 对 等 实 体 的 通 信 标 识 符 服 务 访 问 点 数 据 单 元 层 操 作 OSI 管 理 等 方 面 的 基 本 元 素 组 成 和 功 能 等, 并 从 逻 辑 上 把 每 个 开 放 系 统 划 分 为 功 能 上 相 对 独 立 的 七 个 有 序 的 子 系 统 所 有 互 联 的 开 放 系 统 中, 对 应 的 各 子 系 统 结 合 起 来 构 成 开 放 系 统 互 联 基 本 参 考 模 型 中 的 一 层 这 样,OSI 体 系 结 构 就 由 如 图 示 功 能 上 相 对 独 立 的 7 个 层 次 组 成

12 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 图 2-2 OSI 体 系 结 构 的 参 考 模 型 的 信 息 格 式 开 放 的 意 思 是 只 要 遵 循 OSI 体 系 结 构 的 标 准, 一 个 系 统 可 以 和 位 于 世 界 上 任 何 地 方 的, 也 遵 循 OSI 标 准 的 其 他 任 何 系 统 进 行 互 联 国 际 标 准 化 组 织 经 过 反 复 研 究, 在 已 有 的 网 络 体 系 结 构 ( 如 DNA SNA 等 ) 的 基 础 上, 制 定 了 开 放 系 统 互 联 参 考 模 型 (Open Systems Inter Connection Reference Model;OSI/RM) 即 OSI 参 考 模 型,OSI 包 括 体 系 结 构 服 务 定 义 和 协 议 规 范 三 级 抽 象 OSI 体 系 结 构 定 义 了 一 个 7 层 模 型, 如 图 2-1 2-2 所 示, 分 别 是 物 理 层 数 据 链 路 层 网 络 层 传 输 层 会 话 层 表 示 层 和 应 用 层 OSI 的 服 务 定 义 描 述 了 各 层 所 提 供 的 服 务 以 及 层 与 层 之 间 的 抽 象 接 口 和 交 互 使 用 的 服 务 原 语 OSI 的 协 议 规 范 精 确 的 定 义 了 控 制 信 息 的 发 送 和 解 释, 它 只 是 一 个 为 定 制 标 准 而 提 供 的 概 念 性 框 架 OSI7 层 模 型 的 主 要 功 能 如 下 : 1 物 理 层 (Physical): 物 理 层 的 任 务 就 是 为 它 的 上 一 层 提 供 一 个 物 理 连 接, 定 义 了 为 建 立 维 护 和 拆 除 物 理 链 路 所 需 的 机 械 的 电 气 的 功 能 的 和 规 程 的 特 性 如 规 定 使 用 电 缆 和 接 口 的 类 型, 传 送 信 号 的 电 压 等 物 理 层 使 用 原 始 的 数 据 位 流, 传 输 数 据 单 位 是 比 特 2 数 据 链 路 层 (Data Link): 它 把 相 邻 两 个 节 点 间 不 可 靠 的 物 理 链 路 变 成 可 靠 的 无 差 错 的 逻 辑 电 路, 数 据 链 路 层 传 输 信 息 的 单 位 是 帧 (Frame) 每 帧 包 括 一 定 数 量 的 数 据 和 一 些 必 要 的 控 制 信 息, 在 每 帧 的 控 制 信 息 中, 包 括 同 步 信 息 地 址 信 息 差 错 控 制 信 息 流 量 控

2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 13 制 信 息 等 数 据 链 路 层 负 责 建 立 维 护 和 释 放 数 据 链 路 数 据 链 路 层 还 要 协 调 收 发 双 方 的 数 据 传 输 率, 进 行 流 量 控 制 3 网 络 层 (Network): 网 络 层 将 数 据 链 路 层 提 供 的 帧 组 成 数 据 分 组 (Packet) 进 行 传 输 主 要 任 务 是 要 选 择 合 适 的 路 由 交 换 结 点, 完 成 任 意 两 个 结 点 之 间 的 连 接 主 要 解 决 如 何 使 数 据 分 组 跨 越 通 信 子 网, 从 源 节 点 传 送 到 目 的 节 点 的 问 题 数 据 包 中 封 装 有 网 络 层 包 头, 其 中 含 有 逻 辑 地 址 信 息, 源 站 点 和 目 的 站 点 的 网 络 地 址 以 上 三 层 组 成 网 络 的 通 信 子 网, 通 信 子 网 负 责 把 一 个 地 方 的 数 据 可 靠 地 传 送 到 另 一 个 地 方, 但 并 未 实 现 两 个 主 机 进 程 之 间 的 通 信 通 信 子 网 的 主 要 功 能 是 面 向 通 信 的 4 传 输 层 (Transport): 传 输 层 是 资 源 子 网 与 通 信 子 网 的 桥 梁 完 成 资 源 子 网 中 两 个 节 点 的 通 信 真 正 地 实 现 了 端 到 端 的 连 接, 即 主 机 之 间 的 连 接 把 数 据 可 靠 地 从 一 方 的 用 户 进 程 传 送 到 另 一 方 的 用 户 进 程 这 一 层 的 控 制 通 常 由 通 信 两 端 的 计 算 机 完 成, 中 间 节 点 一 般 不 提 供 这 一 层 的 服 务, 传 输 层 传 送 的 信 息 单 位 是 报 文 (Message) 传 输 层 向 上 层 提 供 一 个 可 靠 的 端 到 端 服 务, 使 上 一 层 看 不 到 下 面 几 层 的 通 信 细 节 因 此, 传 输 层 是 网 络 体 系 结 构 中 最 为 关 键 的 一 层 有 时 又 称 为 中 间 层 5 对 话 层 (Session): 又 称 会 话 层 主 要 功 能 是 组 织 和 同 步 不 同 主 机 上 各 种 进 程 间 的 通 信, 负 责 两 个 会 话 层 实 体 之 间 进 行 对 话 连 接 的 建 立 和 拆 除, 双 方 相 互 确 认 身 份, 协 商 对 话 连 接 的 细 节 ; 还 可 管 理 对 话 是 双 向 的, 还 是 单 向 的 对 话 层 还 提 供 在 数 据 流 中 插 入 同 步 点 机 制, 在 每 次 网 络 出 现 故 障 后 可 以 返 重 传 最 近 一 个 同 步 点 以 后 的 数 据, 而 不 必 从 头 开 始 6 表 示 层 (Presentation): 主 要 解 决 用 户 信 息 的 语 法 表 示 问 题 表 示 层 将 数 据 从 适 合 于 某 一 系 统 的 语 法 转 变 为 适 合 于 OSI 系 统 内 部 使 用 的 语 法 具 体 地 讲, 表 示 层 对 传 送 的 用 户 数 据 进 行 翻 译 或 解 释 编 码 和 变 换, 使 得 不 同 类 型 的 机 器 对 数 据 信 息 的 不 同 表 示 方 法 可 以 相 互 理 解 数 据 加 密 解 密 信 息 压 缩 等 都 是 表 示 层 的 典 型 功 能 7 应 用 层 (Application): 应 用 层 的 主 要 任 务 是 确 定 进 程 之 间 通 信 的 性 质 以 满 足 用 户 需 要, 以 及 提 供 网 络 与 用 户 应 用 软 件 之 间 的 接 口 服 务 例 如, 虚 拟 终 端 协 议 文 件 传 送 协 议 电 子 邮 件 等 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 所 谓 网 络 体 系 结 构 (Architecture), 是 指 计 算 机 网 络 的 分 层 各 层 协 议 和 层 间 接 口 的 集 合, 也 就 是 网 络 及 其 部 件 所 应 完 成 的 功 能 的 精 确 定 义 因 此 体 系 结 构 是 计 算 机 网 络 的 一 种 抽 象 的 层 次 化 的 功 能 模 型 下 面 我 们 以 OSI/RM 为 主, 介 绍 网 络 体 系 结 构 的 一 些 基 本 概 念 2.3.1 基 本 概 念 1.(N) 层 子 系 统 ( N ) 实 体 我 们 知 道,OSI 参 考 模 型 的 基 本 构 造 技 术 是 分 层 它 将 开 放 系 统 的 全 部 功 能 划 分 为 7 个 层 次, 每 个 划 分 称 为 一 个 子 系 统 处 于 参 考 模 型 (N) 层 的 子 系 统 记 为 (N) 子 系 统, 同 一 开 放 系 统 的 相 邻 层 及 其 子 系 统 分 别 用 (N+1) ( N ) ( N - 1 ) 层 子 系 统 来 表 示 ( N ) 层 表 示 某 一 特 定 的 层, 那 么 (N+1) 表 示 相 邻 高 层,( N - 1 ) 表 示 相 邻 低 层 此 种 表 示 方 法 也 适 用 于 与 这 些 层 有 关 的 概 念, 如 (N) 协 议 ( N+1) 服 务 ( N - 1 ) 实 体 等

14 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 图 2-3 子 系 统 图 2-4 开 放 系 统 子 系 统 实 体 协 议 和 层 的 关 系 一 个 (N) 子 系 统 在 逻 辑 上 可 认 为 由 一 个 或 多 个 实 体 (Entity) 组 成 或 者 说,( N ) 实 体 是 (N) 子 系 统 内 的 活 动 元 素, 执 行 (N) 层 的 功 能 它 具 有 两 个 方 面 : 类 型 和 一 组 实 例 ( N ) 实 体 类 型 是 指 该 ( N ) 实 体 所 能 执 行 的 (N) 层 功 能 的 特 定 集 合 ( N ) 实 体 类 型 的 实 例 是 指 在 与 该 (N) 实 体 类 型 相 关 的 开 放 系 统 中 对 该 (N) 实 体 类 型 ( 即 功 能 ) 的 一 次 特 定 的 调 用 在 不 同 的 开 放 系 统 中, 同 一 层 的 实 体 称 为 对 等 实 体 (Peer Entites) 2.(N) 服 务 与 (N) 协 议 每 一 个 (N) 实 体, 只 能 与 同 一 开 放 系 统 中 上 一 个 相 邻 实 体 即 (N+1) 实 体 和 下 一 相 邻 实 体 即 (N-1) 实 体 通 过 它 们 的 共 同 边 界 直 接 通 信 ; 而 同 层 内 处 于 不 同 开 放 系 统 的 通 信 必 须 通 过 相 邻 的 低 层 及 其 以 下 各 层 的 通 信 来 完 成 的 从 最 高 层 应 用 层 起, 依 次 类 推, 直 到 最 低 层 物 理 层 物 理 层 内 两 个 对 等 实 体 则 通 过 它 们 的 物 理 媒 体 直 接 通 信 在 此 我 们 看 到, 对 等 (N+1) 实 体 间 的 通 信 只 能 通 过 相 邻 的 对 等 (N) 实 体 完 成 ( N )

2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 15 实 体 向 (N+1) 实 体 提 供 它 们 间 的 通 信 能 力 的 一 组 业 务 (Facilities) 称 为 (N) 服 务 因 此, (N+1) 实 体 必 须 请 求 (N) 实 体 的 服 务 才 能 完 成 通 信 而 (N) 实 体 提 供 给 (N+1) 实 体 的 服 务 则 是 通 过 调 用 (N-1) 实 体 提 供 的 服 务 和 执 行 (N) 层 内 的 功 能 来 实 现 (N) 实 体 在 执 行 (N) 层 功 能 时, 确 定 (N) 对 等 实 体 间 通 信 行 为 的 一 组 规 则 ( 语 义 ) 和 格 式 ( 语 法 ) 称 为 (N) 协 议 因 此,( N ) 层 ( N - 1 ) ( N+1) 之 间 协 议 和 服 务 的 关 系 是 :( N ) 层 实 体 利 用 (N-1) 层 提 供 的 服 务 和 执 行 (N) 层 协 议 来 对 (N+1) 提 供 服 务 3.(N) 层 服 务 访 问 点 (N)-SAP 和 (N) 服 务 原 语 (N) 层 实 体 向 (N+1) 层 实 体 提 供 服 务,( N+1) 层 实 体 向 (N) 层 实 体 请 求 服 务, 从 概 念 上 讲, 这 是 通 过 位 于 (N) 层 和 (N+1) 层 的 界 面 上 的 服 务 访 问 点 ( N )-SAP(N-Service Access Point) 来 实 现 的 ( N ) -SAP 是 一 个 访 问 工 具, 由 一 组 服 务 元 素 和 抽 象 操 作 组 成, 并 由 (N+1) 实 体 在 该 点 调 用 我 们 把 (N) 层 中 提 供 (N) 服 务 的 那 些 (N) 实 体 总 称 为 (N) 服 务 提 供 者 ; 而 把 调 用 (N) 服 务 的 (N+1) 实 体 称 为 (N) 服 务 用 户, 如 图 2-5 所 示 图 2-5 服 务 模 型 服 务 的 请 求 与 提 供 是 通 过 在 服 务 访 问 点 SAP 上 服 务 原 语 (Primitive) 的 发 送 与 接 收 来 实 现 的 这 要 求 (N)- 服 务 用 户 与 (N)- 服 务 提 供 者 跨 服 务 访 问 点 (N)-SAP 进 行 交 互, 它 指 出 了 相 应 的 服 务 和 必 须 执 行 的 抽 象 操 作 服 务 原 语 是 一 种 原 子 动 作, 它 由 服 务 用 户 发 出 也 可 由 服 务 提 供 者 发 起 原 语 所 描 述 的 交 互 只 是 一 种 抽 象 的 交 互, 并 不 涉 及 交 互 实 体 在 服 务 访 问 点 (N)-SAP 上 如 何 具 体 交 换 信 息 从 实 现 的 角 度 看, 一 个 服 务 要 求 可 能 包 含 着 一 组 原 语 的 调 用 和 在 一 定 的 时 间 内 执 行 一 系 列 的 交 互 例 如, 连 接 建 立 服 务 元 素 调 用 相 关 服 务 原 语 的 情 形 : 开 放 系 统 A 的 (N+1) 实 体 欲 与 开 放 系 统 B 的 (N+1) 实 体 建 立 连 接, 则 A 的 (N+1) 实 体 通 过 (N)-SAP 发 出 (N) 连 接 建 立 请 求 (N)CONNECTION.request 原 语 ;(N) 实 体 ( 即 (N) 服 务 提 供 者 ) 接 受 此 原 语, 执 行 相 应 的 (N) 协 议 功 能 及 有 关 操 作, 在 B 的 (N)-SAP 处 向 (N+1) 实 体 发 出 (N+1) 连 接 建 立 指 示 (N)CONNECTION.indication 原 语, 指 出 A 的 (N+1) 实 体 欲 与 其 建 立 (N) 连 接 若 B 的 (N+1) 实 体 同 意 建 立 连 接, 则 通 过 (N)-SAP 向 (N) 实 体 发 出 连 接 建 立 响

16 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 应 (N)CONNECTION.response 原 语, 执 行 (N) 协 议 功 能 及 相 关 操 作, 在 A 的 (N)-SAP 处 (N) 服 务 提 供 者 向 (N+1) 实 体 发 出 (N) 连 接 建 立 确 认 (N)CONNECTION.confirm 原 语, 至 此, 对 等 实 体 (N+1) 实 体 间 的 (N+1) 连 接 建 立 图 2-6 服 务 请 求 与 提 供 的 过 程 示 意 A 图 2-7 服 务 请 求 与 提 供 的 过 程 示 意 B 服 务 元 素 类 型 : 通 信 双 方 实 体 对 的 交 互 关 系 需 要 有 不 同 类 型 的 服 务 元 素 有 3 种 类 型 服 务 元 素 : 确 认 服 务 非 确 认 服 务 仅 由 服 务 提 供 者 发 起 的 服 务, 如 图 2-8 所 示 通 过 以 上 讨 论, 我 们 可 以 明 确 一 个 完 整 的 服 务 定 义 应 包 含 以 下 几 个 方 面 : 1 服 务 元 素 集 合 2 哪 些 服 务 元 素 是 必 有 的 或 由 服 务 提 供 者 可 选 的 或 由 服 务 用 户 可 选 的 3 服 务 元 素 是 确 认 型 非 确 认 型 或 由 提 供 者 发 起 的 4 服 务 原 语 及 相 关 的 参 数 5 在 SAP 发 出 的 原 语 的 应 用 限 制

6 服 务 提 供 者 处 理 服 务 原 语 的 队 列 模 型 7 服 务 质 量 QOS(Quality Of Service) 2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 17 图 2-8 服 务 元 素 类 型 及 相 应 原 语 调 用

18 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 4. 连 接 连 接 端 点 地 址 如 前 所 述, 对 等 (N+1) 实 体 间 的 彼 此 通 信 交 换 信 息 是 通 过 调 用 相 应 (N)-SAPs 上 的 ( N ) 服 务 来 实 现 的 连 接 是 其 中 的 一 项 重 要 服 务 它 是 根 据 (N+1) 对 等 实 体 的 要 求, 由 (N) 对 等 实 体 的 (N)-SAPs 间 建 立 的 一 种 逻 辑 连 接 每 条 (N) 连 接 由 两 个 连 接 点 (N)CEPs (Connection End Points) 及 相 应 的 连 接 端 点 标 识 符 (N)CEPs-identifiers 加 以 定 义, 如 图 2-9 所 示 这 样 有 关 (N) 连 接 可 用 3 个 属 性 加 以 描 述 : (1) 标 题 与 标 题 域 图 2-9 (N) 连 接 与 (N)CEP 标 题 (Title) 是 一 个 实 体 的 永 久 标 识 符 在 OSI 环 境 中, 用 以 命 名 该 实 体 命 名 实 体 的 所 有 标 题 的 集 合 称 为 全 局 标 题 域 或 标 题 空 间 标 题 空 间 的 任 一 子 集 称 为 标 题 域 因 此, 标 题 域 可 以 包 含 在 全 局 标 题 域 内, 也 可 以 包 含 在 另 一 个 标 题 域 内 为 了 标 识 标 题 域, 需 要 给 标 题 域 命 名, 它 是 OSI 环 境 中 唯 一 标 识 该 标 题 域 的 标 识 符 因 此, 标 题 有 全 局 标 题 和 局 部 标 题 之 分, 它 们 应 该 是 无 歧 义 的 全 局 标 题 可 以 由 标 题 域 名 和 该 标 题 域 内 的 局 部 标 题 组 成 在 OSI 环 境 内, 分 层 的 标 题 域 中, 全 局 标 题 可 以 由 该 层 的 标 题 域 名 和 该 层 内 的 局 部 标 题 组 成 例 如, 会 话 层 局 部 标 题 为 abc 的 实 体, 它 的 全 局 标 题 则 为 Sabc 运 输 层 内 端 点 的 实 体, 它 的 局 部 标 题 也 可 为 abc, 但 其 全 局 标 题 则 为 Tabc 因 此, 会 话 层 和 运 输 层 中 的 实 体, 它 们 各 自 目 的 局 部 标 题 相 同, 但 它 们 在 不 同 的 层 中, 因 此 而 它 们 在 OSI 环 境 中 的 全 局 标 题 则 是 不 相 同 的, 表 2-1 列 出 了 这 些 情 况

2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 19 表 2-1 标 题 与 标 题 城 的 关 系 特 定 层 名 标 题 域 名 局 部 标 题 实 体 相 应 的 全 局 标 题 Application A e1,e2 Ae1,Ae2 Presentation P e3 Ae3 Session S Abc Sabc Transport T Abc Tabc Network N Data-link DL Physical PH (2) 地 址 也 称 (N) 服 务 访 问 点 地 址, 是 用 来 标 识 (N) 服 务 访 问 点 的 标 识 符, 它 标 识 了 连 接 某 个 (N+1) 实 体 的 一 个 特 定 的 (N) 服 务 访 问 点 当 该 (N+1) 实 体 从 这 个 服 务 访 问 点 脱 开 时, 该 (N) 地 址 不 再 提 供 对 该 (N+1) 实 体 的 访 问 若 该 ( N ) 服 务 访 问 点 又 新 连 到 一 个 不 同 的 ( N+1) 实 体, 则 该 (N) 地 址 标 识 了 这 个 新 的 (N+1) 实 体, 而 不 是 原 来 的 那 个 (N+1) 实 体 一 个 (N+1) 实 体 可 以 通 过 一 个 或 多 个 (N)SAP 与 一 个 或 多 个 (N) 实 体 相 连, 如 图 2-10 所 示 图 2-10 实 体 SAP Address 关 系 图 (3) 连 接 端 点 标 识 符 (N)-CEP indentifier 用 来 标 识 (N) 连 接 端 点 (N)-CEP 当 (N+1) 实 体 与 某 一 个 对 等 (N+1) 实 体 建 立 (N) 连 接 时, 支 持 该 (N) 连 接 的 每 个 (N) 实 体 将 赋 予 相 应 的 (N+1) 实 体 一 个 (N) 连 接 端 点 标 识 符 一 个 (N) 服 务 访 问 点 内 可 以 有 多 个 (N) 连 接 端 点, 但 每 个 连 接 端 点 标 识 符 在 该 (N) 服 务 访 问 点 内 则 是 唯 一 的 因 此,( N ) 连 接 端 点 标 识 符 由 两 部 分 组 成 : 即 该 (N) 连 接 端 点 所 在 的 (N) 服 务 访 问 点 地 址 (N)-address 和 该 (N) 连 接 端 点 后 缀, 它 唯 一 地 标 识 在 该 (N) 服 务 访 问 点 的 一 个 连 接 端 点 这 样 一 个 (N) 连 接 端 点 标 识 符 可 表 示 为 [(N)address,(N)CEP-suffix] 有 序 二 元 组 对 于 每 条 (N) 连 接 有 两 个 (N) 连 接 端 点 及 相 应 的 两 个 (N) 连 接 端 点 标 识 符, 为 了 标 识 (N) 连 接, 用 一 个 (N) 连 接 标 识 符 来 表 示

20 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 5. 数 据 单 元 在 OSI 环 境 内, 信 息 传 送 发 生 在 一 层 的 已 建 立 起 连 接 的 对 等 实 体 之 间, 也 可 发 生 在 同 一 开 放 系 统 相 邻 子 系 统 的 实 体 之 间 因 此, 采 用 不 同 类 型 的 数 据 单 元 来 表 示 这 种 不 同 传 送 方 式 的 信 息 (1)( N ) 协 议 数 据 单 元 (N)PDU 已 建 立 起 连 接 的 同 层 对 等 (N) 实 体 间 交 换 信 息 的 单 元 称 为 ( N ) 协 议 数 据 单 元 (N)-PDU [(N)Protocol Data Unit] 每 一 个 (N)-PDI 有 两 个 主 要 部 分 组 成 : 协 议 控 制 信 息 (N)-PCI 和 用 户 数 据 (N)-UD (N)-UD 是 (N) 实 体 从 其 用 户 [ 即 (N+1) 实 体 ] 接 收 到 的 内 容 一 旦 收 到 (N)-UD,( N ) 实 体 就 用 ( N ) -PCI 为 用 户 数 据 加 上 前 缀, 形 成 (N) 的 协 议 数 据 单 元 (N)-PDU ( N ) -PCI 中 通 常 包 含 (N) 协 议 标 识 符 ( N ) -PDU 类 型 地 址 信 息 及 其 他 有 关 信 息 等 对 等 (N) 实 体 间 的 通 信 不 是 直 接 进 行 的, 而 是 通 过 相 邻 层 及 以 下 各 层 来 进 行 的, 即 源 系 统 发 送 实 体 (N) 的 PDU, 要 经 过 逐 层 的 PCI 的 封 装, 到 达 物 理 层, 通 过 物 理 媒 体 把 信 息 传 送 目 的 系 统 的 物 理 层, 然 后 逐 层 向 上 脱 掉 其 各 层 的 PCI, 最 后 到 达 目 的 系 统 接 收 实 体 (N) ( 2 )( N ) 服 务 数 据 单 元 (N)-SDU 从 相 邻 两 层 实 体 交 换 信 息 是 服 务 提 供 者 与 服 务 用 户 之 间 交 换 信 息 的 角 度 来 考 虑 引 入 (N) 服 务 数 据 单 元 (N)SDU 概 念 ( N ) 实 体 通 过 ( N ) SDU 在 (N)-SAP 向 (N+1) 实 体 提 供 服 务, 或 者 说 (N+1) 实 体 在 (N)-SAP 从 (N)SDU 索 取 (N) 实 体 的 服 务, 如 图 2-11 所 示 图 2-11 (N) 服 务 数 据 单 元 (N)SDU

2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 21 (3)( N ) 接 口 数 据 单 元 (N)IDU 由 上 可 知,( N+1) 实 体 与 (N) 实 体 的 信 息 交 换 形 成 (N+1)PDU 与 SDU 的 变 换, 这 是 发 生 在 跨 越 (N+1) 层 与 (N) 层 的 接 口 上, 因 此, 需 要 有 一 种 接 口 控 制 信 息 ICI 来 协 调 这 种 联 合 操 作 因 这 发 生 在 (N+1) 与 (N) 层 边 界 上, 把 (N+1) 实 体 与 (N) 实 体 交 换 的 信 息 通 称 为 (N) 接 口 数 据, 记 为 (N)ID, 相 应 的 ICI 记 为 (N)ICI ( N ) ICI 与 (N)ID 组 成 了 (N) 接 口 数 据 单 元 (N)IDU, 如 图 2-12 所 示 一 个 (N)ID 可 以 是 一 个 (N)SDU, 也 可 以 是 部 分 (N)SDU, 或 者 一 个 (N)SDU 可 以 分 为 一 个 或 多 个 (N)IDU 图 2-12 接 口 数 据 单 元 (N)IDU 2.3.2 层 操 作 要 素 对 于 面 向 连 接 的 通 信 中, 连 接 建 立 数 据 传 送 和 连 接 释 放 是 层 操 作 中 三 个 最 主 要 的 公 共 操 作 1. 连 接 建 立 (N) 对 等 实 体 间 的 ( N ) 连 接 建 立 是 作 为 向 (N+1) 实 体 提 供 的 一 种 服 务, 以 便 使 (N+1) 实 体 之 间 能 交 换 信 息 建 立 (N) 连 接 要 具 备 两 个 条 件 : 1 支 持 该 (N) 连 接 的 实 体 之 间 存 在 着 可 用 的 (N-1) 连 接 ; 2 对 等 (N) 实 体 都 处 于 能 够 执 行 连 接 建 立 的 状 态 如 果 尚 无 可 用 的 (N-1) 连 接, 则 先 要 建 立 (N-1) 层 对 等 实 体 间 的 (N-1) 连 接, 这 时, 所 要 求 的 条 件 和 上 述 1,2 两 条 件 相 同 如 此, 这 两 个 条 件 递 归 调 用, 直 到 有 可 用 的 连 接, 或 直 遇 到 OSI 的 物 理 介 质 为 止 (N) 连 接 是 一 种 确 认 型 的 服 务, 如 图 2-13 所 示 其 一 组 原 语 为 (N)CONNECTION.request (N)CONNECTION.indication (N)CONNECTION.response (N) CONNECTION.confirm

22 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 图 2-13 N+1 实 体 通 过 调 用 N 连 接 建 立 原 语 组 来 建 立 N 连 接 2. 连 接 释 放 已 经 建 立 了 (N ) 连 接 的 对 等 (N+1) 实 体, 由 于 下 列 原 因 之 一, 需 要 释 放 它 们 之 间 的 (N ) 连 接 (1) 正 常 释 放 当 对 接 (N+1) 实 体 间 完 成 数 据 传 送, 任 何 一 方 (N+1) 实 体 可 以 发 起 释 放 它 们 之 间 的 ( N ) 连 接, 如 图 2-14 所 示 正 常 释 放 原 语 为 (N) DISCONNECT.request 以 及 (N) DISCONNECT.indication (2) 有 序 释 放 在 OSI 的 某 些 层, 设 有 释 放 权 标 一 种 有 权 发 起 释 放, 只 有 持 有 释 放 权 标 的 (N+1) 实 体 才 可 以 发 起 释 放 (N) 连 接, 如 图 2-15 和 图 2-16 所 示 有 序 释 放 原 语 有 : (N) RELEASE-request (N) RELEASE-indication (N) RELEASE-(accept)response (N) RELEASE-(accept)confirm (N) RELEASE-(reject)response (N) RELEASE-(reject)confirm

2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 23 图 2-14 正 常 释 放 N 连 接 图 2-15 有 序 释 放 N 连 接 被 接 受 图 2-16 有 序 释 放 N 连 接 被 拒 绝 (3) 异 常 释 放 当 发 生 异 常 情 况, 不 再 进 行 (N) 连 接 上 的 数 据 传 送, 必 须 立 即 发 起 释 放 (N) 连 接 根 据 发 生 异 常 情 况 位 置 的 不 同, 可 有 两 种 异 常 释 放, 即 (N) 服 务 用 户 发 起 异 常 释 放 ( 如 图 2-17)

24 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 和 (N) 服 务 提 供 者 发 起 的 异 常 释 放 ( 如 图 2-18) 异 常 释 放 原 语 有 : (N) 服 务 用 户 发 起 释 放 (N) -U-ABORT.request (N) -U-ABORT.indication (N) 服 务 提 供 者 发 起 释 放 (N) -P-ABORT.indication 图 2-17 服 务 用 户 发 起 释 放 图 2-18 服 务 提 供 者 发 起 释 放 3. 传 送 数 据 建 立 (N) 连 接 后, 对 接 的 (N+1) 实 体 间 可 调 用 数 据 传 送 原 语 组 来 传 送 数 据 所 传 送 的 数 据 有 常 规 数 据 加 速 数 据 特 权 数 据 等 几 类 : (1) 常 规 数 据 传 送 (N+1) 实 体 调 用 (N)-DATA.request 原 语 向 (N) 实 体 请 求 发 送 数 据, 接 收 方 (N) 实 体 接 收 发 送 过 来 的 数 据 DT(N)PDU, 产 生 相 应 的 (N) 服 务 原 语 (N)-DATA.0indication, 送 给 其 相 应 的 (N+1) 实 体, 完 成 了 (N) 连 接 上 的 数 据 传 送 但 在 运 输 层 网 络 层 数 据 链 路 层 中, 为 了 保 证 数 据 传 输 的 可 靠 性, 接 收 (N) 实 体 对 接 受 到 的 数 据 单 元 DT(N)PDU 是 否 正 确 收 妥 产 生 确 认 信 息 给 发 方 (N) 实 体 若 是 正 确 收 到, 则 发 送 一 个 确 认 数 据 单 元 ACK(N)PDU 若 接 收 的 DT(N)PDU 发 生 某 种 错 误, 则 接 收 方 (N) 实 体 不 产 生

2.3 网 络 体 系 结 构 的 基 本 理 论 25 (N)-DATA-indication 原 语, 而 是 对 接 收 的 DT(N)PDU 产 生 一 个 拒 收 的 (N) 协 议 数 据 单 元 RJ(N)PDU 给 发 送 方 (N) 实 体, 并 要 求 重 发 该 DT(N)PDU, 如 图 2-19 图 2-20 和 图 2-21 所 示 图 2-19 无 确 认 数 据 传 送 图 2-20 确 认 数 据 传 送 图 2-21 拒 绝 确 认 数 据 (2) 加 速 数 据 传 送 加 速 数 据 传 送 是 传 送 比 常 规 数 据 特 权 数 据 优 先 级 高 的 服 务 数 据 单 元 加 速 数 据 传 送 服 务 常 用 于 传 送 数 据 和 中 断, 它 的 传 送 不 受 数 据 权 标 的 控 制 加 速 数 据 传 送 也 有 是 否 需 要 妥 收 确 认 回 答 的 问 题

26 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 (3) 特 权 数 据 传 送 在 OSI 某 些 层 中 ( 如 会 话 层 ), 对 数 据 传 送 服 务 可 以 设 置 一 个 数 据 权 标, 它 是 该 层 的 一 种 属 性 在 某 一 时 刻 它 被 动 态 地 分 配 给 一 个 服 务 用 户, 表 示 该 用 户 允 许 使 用 数 据 传 送 服 务 不 分 配 有 数 据 权 标 的 服 务 用 户 不 允 许 使 用 数 据 传 送 服 务 在 一 个 (N) 连 接 上, 只 允 许 存 在 一 个 权 标, 分 配 给 一 个 (N) 服 务 用 户 因 此, 持 有 数 据 权 标 的 服 务 用 户 具 有 数 据 传 送 服 务 的 独 占 使 用 权 但 是, 不 持 有 数 据 权 标 的 服 务 用 户 可 以 通 过 某 种 手 段 获 得 数 据 权 标 例 如, 具 有 数 据 权 标 的 (N) 服 务 用 户 即 (N+1) 实 体, 通 过 调 用 转 让 权 标 原 语 (N)-TOKEN GIVE, 把 数 据 权 标 送 给 对 等 (N+1) 实 体, 然 后 该 对 等 (N+1) 实 体 就 可 传 送 数 据 了 因 此 具 有 数 据 权 标 控 制 的 数 据 传 送 可 以 实 现 数 据 的 半 双 工 传 送 2.3.3 连 接 映 射 特 性 复 用 与 解 复 用 分 流 与 合 流 (N) 实 体 在 (N) 连 接 上 为 (N+1) 实 体 提 供 的 (N) 服 务 是 通 过 在 (N-1) 连 接 上 的 服 务 实 现 的 ( N ) 连 接 上 的 服 务 被 变 换 为 (N-1) 连 接 上 的 (N-1) 服 务, 而 (N) 连 接 则 被 映 射 为 (N-1) 连 接 如 此,( N - 1 ) 连 接 被 映 射 为 (N-2) 连 接, 等 等 映 射 可 能 是 以 下 三 种 之 一 1. 一 对 一 映 射 一 条 (N) 连 接 被 映 射 成 唯 一 的 (N-1) 连 接, 如 图 2-22 所 示 图 2-22 一 对 一 映 射 2. 多 对 一 映 射 多 个 (N) 连 接 被 映 射 成 一 个 (N-1) 连 接 这 时, 在 发 送 方, 一 个 (N-1) 连 接 支 持 多 个 (N) 连 接, 称 为 (N) 实 体 的 多 个 (N) 连 接 复 用 一 个 (N-1) 连 接 (Multiplexing) 在 接 收 方 必 须 要 有 一 个 解 复 用 (de-multiplexing) 的 过 程 复 用 可 以 更 有 效 和 经 济 地 使 用 连 接, 如 图 2-23 所 示

2.4 TCP/IP 参 考 模 型 27 图 2-23 多 对 一 映 射 3. 一 对 多 映 射 一 个 (N) 连 接 被 映 射 成 多 个 (N-1) 连 接 这 时, 在 发 送 方, 用 多 个 (N-1) 连 接 支 持 一 个 (N) 连 接,( N ) 实 体 的 这 种 功 能 称 为 分 流 (Splitting), 如 图 2-24 所 示 在 接 收 方 就 需 要 一 个 叫 做 合 流 的 过 程 (Recombining) 使 用 分 流 和 合 流 功 能 可 以 提 高 可 靠 性 和 吞 吐 量 图 2-24 一 对 多 映 射 2.4 TCP/IP 参 考 模 型 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 的 简 写, 中 文 译 名 为 传 输 控 制 协 议 / 互 联 网 络 协 议,TCP/IP 协 议 是 美 国 国 防 部 高 级 计 划 研 究 局 DARPA 为 实 现 ARPANET 互 联 网 而 开 发 的 目 前, 众 多 的 网 络 产 品 厂 家 都 支 持 TCP/IP 协 议,TCP/IP 实 际 上 已 经 成 为 互 联 网 通 信 的 标 准, 作 为 互 联 网 上 的 传 输 协 议,TCP/IP 使 得 全 球 范 围 以 内 的 计 算 机 能 够 互 相 通 信 2.4.1 TCP/IP 的 参 考 模 型 TCP/IP 协 议 的 参 考 模 型 通 常 分 为 4 个 层 次, 如 图 2-25 所 示

28 第 2 章 计 算 机 网 络 体 系 结 构 基 本 理 论 应 用 层 传 输 层 网 络 层 网 络 接 层 Telnet FTP DNS HTTP SMTP 和 E-mail TCP 和 UDP IP ICMP ARP RARP 设 备 驱 动 和 接 口 卡 图 2-25 TCP/IP 协 议 族 的 4 个 层 次 每 一 层 具 有 不 同 的 功 能 : 1 网 络 接 口 层 : 通 常 包 括 操 作 系 统 中 的 设 备 驱 动 程 序 和 计 算 机 中 对 应 的 网 络 接 口 卡 它 们 组 合 一 起 处 理 与 电 缆 ( 或 其 他 任 何 传 输 媒 介 ) 的 物 理 接 口 细 节 2 网 络 层 有 时 也 称 为 互 联 网 际 层, 处 理 分 组 在 网 络 中 的 传 输 例 如, 分 组 的 路 由 在 TCP/IP 协 议 族 中, 网 络 层 协 议 包 括 IP 协 议 ( 网 际 协 议 ) ICMP 协 议 (Internet 互 联 网 控 制 报 文 协 议 ), 以 及 IGMP 协 议 (Internet 组 管 理 协 议 ) 等 3 传 ( 运 ) 输 层 : 主 要 为 两 台 主 机 上 的 应 用 程 序 提 供 端 到 端 的 通 信 在 TCP/IP 协 议 族 中, 有 两 个 不 同 的 传 输 层 协 议 :TCP( 传 输 控 制 协 议 ) 和 UDP( 用 户 数 据 报 协 议 ) 在 应 用 进 程 中 两 种 运 输 层 协 议 具 有 不 同 的 用 途 TCP 为 两 台 主 机 提 供 高 可 靠 性 的 数 据 通 信 UDP 则 为 应 用 层 提 供 一 种 非 常 简 单 快 捷 的 服 务 4 应 用 层 : 负 责 处 理 特 定 的 应 用 程 序 细 节, 处 理 用 户 和 网 络 的 应 用 接 口 TCP/IP 提 供 下 面 这 些 通 用 的 应 用 程 序 : Telnet: 远 程 登 录 FTP: 文 件 传 输 协 议 SMTP: 简 单 邮 件 传 送 协 议 SNMP: 简 单 网 络 管 理 协 议 TCP/IP 协 议 族 是 一 组 不 同 的 协 议 组 合 在 一 起 构 成 的 协 议 族, 尽 管 通 常 称 该 协 议 族 为 TCP/IP 协 议, 但 TCP/IP 只 是 其 中 的 两 种 协 议 在 TCP/IP 协 议 族 中, 网 络 层 IP 提 供 的 是 一 种 不 可 靠 的 服 务 它 只 是 尽 可 能 快 地 把 分 组 从 源 结 点 传 送 到 目 的 结 点, 但 是 并 不 提 供 任 何 可 靠 性 保 证 TCP 在 不 可 靠 的 IP 层 上 提 供 了 一 个 可 靠 的 传 输 层 为 了 提 供 这 种 可 靠 的 服 务,TCP 采 用 了 超 时 重 传, 发 送 和 接 收 端 到 端 的 确 认 等 机 制 由 于 运 输 层 提 供 了 高 可 靠 的 端 到 端 的 通 信, 因 此 应 用 层 可 以 忽 略 网 络 通 信 的 细 节 由 此 可 见, 传 输 层 和 网 络 分 别 负 责 不 同 的 功 能 2.4.2 TCP/IP 的 协 议 族 TCP/IP 协 议 是 由 很 多 种 协 议 组 成, 称 为 TCP/IP 协 议 族 图 2-26 给 出 了 这 些 协 议 之 间 的 关 系 网 络 接 口 层 定 义 了 地 址 解 析 协 议 ARP(Address Resolution Protocol) 和 逆 向 地 址 解 析 协 议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol) 来 提 供 TCP/IP 协 议 的 数 据 结 构 和 实 际 物 理 网 络 之 间 的 接 口, 进 行 IP 层 和 实 际 的 物 理 网 络 地 址 间 的 转 换 IP(Internet Protocol) 网 际 协 议 是 工 作 在 网 络 层 上 的 主 要 协 议, 同 时 被 TCP 和 UDP 所 使 用 TCP 和 UDP 的 数 据 包 都 是 通 过 端 系 统 和 中 间 路 由 器 中 的 IP 层 在 互 联 网 中 进 行 传 输 ICMP(Internet Control Message Protocol) 网 际 控 制 报 文 协 议, 是 IP 协 议 的 附 属 协 议,IP 层 用 它 来 与 其 他 主 机 或 路 由 器 交 换 错 误 报 文 和 其 他 控 制 信 息 尽 管 ICMP 主 要 被 IP 使 用, 但 应 用 程 序 也 有 可 能 访 问 它 诊 断 程 序 Ping 和 Traceroute 都 使 用 了 ICMP ICMP(Internet Croup Message Protocol) 是 网 际 组 管 理 协 议, 主 要 用 来 把 一 个 UDP 数 据 报 多 播 到 多 个 主 机

2.4 TCP/IP 参 考 模 型 29 用 户 进 程 用 户 进 程 用 户 进 程 用 户 进 程 应 用 层 TCP UDP 传 输 层 ICMP IP ICMP 网 络 层 ARP 硬 件 接 口 RARP 网 络 接 口 层 图 2-26 TCP/IP 协 议 族 中 不 同 层 次 的 协 议 关 系 TCP(Transmission Control Protocol) 传 输 控 制 协 议 和 UDP(User Datagram Protocol) 用 户 数 据 报 协 议 是 两 个 最 为 常 用 的 传 输 层 协 议,TCP 提 供 一 种 面 向 连 接 的 可 靠 的 传 输 层 服 务 UDP 提 供 一 种 面 向 非 连 接 的, 不 可 靠 的 传 输 层 服 务, 它 不 能 保 证 数 据 报 能 安 全 无 误 地 到 达 最 终 目 的 TCP/IP 定 义 了 很 多 应 用 层 协 议, 包 括 SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 简 单 邮 件 传 送 协 议 DNS(Domain Nome Service) 域 名 服 务 FTP(File Transfer Protocol) 文 件 传 输 协 议 Telnet 远 程 终 端 访 问 协 议 SNMP(Simple Network Manager Protocol) 简 单 网 络 管 理 协 议 HTTP(Hypertext Transfer Protocol) 超 文 本 传 输 协 议, 等 等

第 3 章 数 据 通 信 基 础 3.1 数 字 信 号 富 氏 变 换 分 析 在 19 世 纪 初 期, 法 国 数 学 家 吉 傅 立 叶 (Jean-Baptiste Fourier) 证 明 : 任 何 正 常 的 周 期 为 T 的 函 数 g(t), 都 可 以 由 ( 无 限 个 ) 正 弦 和 余 弦 函 数 合 成 在 数 据 通 信 中, 要 通 过 抽 样 量 化 将 模 拟 信 号 数 字 化 那 么, 抽 样 信 号 和 原 来 的 连 续 时 间 信 号 是 否 等 效 呢? 这 就 是 抽 样 定 理 所 要 回 答 的 通 过 傅 立 叶 分 析 的 方 法 可 以 证 明, 一 个 信 号 的 频 谱 如 果 只 在 一 个 有 限 的 频 率 范 围 内, 它 就 可 以 由 一 定 间 隔 的 抽 样 信 号 完 全 确 定, 这 就 是 抽 样 定 理 的 内 容 抽 样 定 理 在 时 域 上 表 述 为 : 设 有 一 个 频 带 限 制 在 0~f m Hz 内 的 模 拟 信 号 x(t) 进 行 等 间 隔 抽 样, 则 x(t) 可 被 所 得 到 的 抽 样 值 完 全 地 确 定, 或 者 说 可 以 通 过 这 些 抽 样 值 无 失 真 地 重 建 x(t) 满 足 上 述 抽 样 定 理 的 抽 样 频 率 是 f s >=2f m, 称 为 奈 奎 斯 特 频 率 (Nyquist Frequency) 应 当 指 出, 抽 样 频 率 f s 不 是 越 高 越 好,f s 太 高 时, 将 会 降 低 信 道 的 利 用 率, 也 会 增 加 设 备 的 复 杂 性, 所 以 只 要 能 满 足 f s >2f m, 并 有 一 定 频 带 的 防 卫 带 即 可 3.2 数 据 通 信 基 本 原 理 3.2.1 数 据 通 信 定 义 与 分 类 1. 通 信 的 定 义 人 类 在 长 期 的 社 会 活 动 中 需 要 不 断 地 交 往 和 传 递 信 息 这 种 传 递 信 息 的 过 程 就 叫 做 通 信 在 古 代, 通 信 的 方 式 非 常 简 单, 人 与 人 之 间 的 交 往 主 要 是 靠 手 势 动 作 和 表 情 来 实 现 的 ; 但 随 着 科 技 的 日 益 发 展, 通 信 这 一 概 念 无 论 从 手 段 方 法 内 容, 还 是 从 技 术 上 来 说, 都 产 生 很 大 变 化, 已 经 形 成 了 一 门 独 立 的 学 科 特 别 是 在 社 会 已 步 入 信 息 时 代 的 今 天, 通 信 技 术 与 电 子 技 术 计 算 机 技 术 自 动 控 制 技 术 和 人 工 智 能 等 高 新 技 术 紧 密 结 合, 广 泛 地 应 用 于 社 会 各 个 方 面, 业 已 成 为 人 们 生 活 中 不 可 缺 少 的 组 成 部 分, 并 且 在 国 民 经 济 中 扮 演 着 越 来 越 重 要 的 角 色 2. 信 息 系 统 的 模 型 随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展, 人 们 传 递 信 息 的 手 段 也 在 不 断 进 步, 从 本 质 上 说, 无 论 是 电 话 电 报 图 像 计 算 机 还 是 短 波 与 移 动 通 信 等, 都 可 以 抽 象 地 概 括 为 图 3-1 所 示 的 一 般 通 信 系 统 模 型 下 面 就 通 信 系 统 模 型 中 的 各 个 组 成 部 分 及 其 功 能 予 以 简 单 介 绍

3.2 数 据 通 信 基 本 原 理 31 图 3-1 通 信 系 统 一 般 模 型 需 要 指 出 的 是, 图 3-1 所 示 的 通 信 系 统 是 一 个 一 对 一 的 单 向 通 信 系 统, 实 际 的 通 信 系 统 往 往 是 双 向 的 ; 另 外, 当 有 多 个 信 源 对 多 个 信 宿 进 行 通 信 时, 为 了 有 效 地 利 用 线 路, 通 常 要 在 信 道 中 加 入 交 换 设 备, 这 也 就 构 成 了 通 信 网 络 此 外, 还 应 指 出 的 是 图 3-1 是 适 于 各 类 通 信 系 统 的 一 个 抽 象 模 型, 它 概 括 地 反 映 各 种 通 信 系 统 的 共 性, 根 据 研 究 对 象 与 研 究 问 题 的 不 同, 还 会 有 不 同 形 式 的 具 体 通 信 系 统 的 模 型, 这 些 将 在 后 续 的 相 关 章 节 中 给 出 (1) 信 源 顾 名 思 义, 是 信 息 产 生 的 源 泉 它 可 以 是 人 或 者 机 器, 所 发 出 的 信 息 可 以 是 多 种 多 样 的, 如 语 音 文 字 图 像 数 据 等, 这 些 信 息 可 以 是 离 散 的, 也 可 以 是 连 续 的 (2) 发 送 器 发 送 器 有 很 多 种 类 型, 所 要 完 成 的 功 能 也 很 多, 如 调 制 放 大 滤 波 发 射 等 等, 在 数 字 通 信 系 统 中 还 要 编 码 一 般 地, 发 送 器 含 有 与 传 输 线 路 匹 配 的 接 口, 其 基 本 作 用 是 将 信 源 发 出 的 信 息 变 换 成 一 种 便 于 传 输 的 信 号 即 所 谓 的 编 码 对 于 模 拟 和 数 字 通 信 系 统, 发 送 器 的 功 能 有 很 大 不 同 (3) 信 道 是 传 递 信 息 的 通 道, 又 是 传 递 物 质 信 号 的 设 施, 信 道 可 以 是 明 线 电 缆 波 导 光 纤 无 线 电 波, 等 等 (4) 干 扰 源 它 是 整 个 系 统 噪 声 与 干 扰 的 总 折 合, 用 以 表 征 信 息 在 信 道 上 传 输 时 受 到 的 干 扰 情 况 对 于 任 何 通 信 系 统 来 说, 干 扰 的 性 质 与 大 小 都 是 影 响 系 统 性 能 的 重 要 因 素 (5) 接 收 器 其 作 用 与 发 送 器 的 作 用 相 反, 主 要 是 将 信 道 中 的 信 号 接 收 下 来, 并 将 其 变 换 成 与 发 送 时 物 理 形 式 相 同 的 信 息, 再 传 给 信 宿, 即 完 成 所 谓 的 译 码 过 程 对 接 收 器 的 基 本 要 求 是 能 够 从 受 干 扰 的 信 号 中 最 大 限 度 地 提 取 信 源 输 出 的 信 息, 并 尽 可 能 复 现 信 源 的 输 出 (6) 信 宿 它 是 信 息 传 输 过 程 中 的 接 收 者, 即 接 收 消 息 的 人 或 机 器 3.2.2 消 息 定 义 如 前 所 述, 通 信 系 统 所 传 输 的 消 息 是 多 种 多 样 的, 但 是, 就 其 特 性 来 说, 都 可 以 把 它 们 归 纳 为 两 类 : 连 续 消 息 与 离 散 消 息 连 续 消 息 又 称 模 拟 消 息, 它 是 指 状 态 连 续 变 化 的 消 息, 如 语 音 信 号 和 图 像 信 号 等 ; 离 散 消 息 又 称 数 字 消 息, 是 指 状 态 变 化 为 可 数 或 离 散 型 的 消 息, 如 符 号 文 字 和 数 据, 等 等 通 常, 人 们 所 说 的 信 息 就 蕴 藏 在 这 些 被 传 递 的 消 息 之 中 既 然

32 第 3 章 数 据 通 信 基 础 通 信 系 统 的 作 用 就 是 用 来 传 递 信 息 的, 那 么, 在 传 送 时, 代 表 各 种 消 息 的 语 音 文 字 图 像 或 编 码 都 必 须 首 先 被 转 换 成 电 信 号 才 能 被 传 送 给 收 信 者 所 以, 不 难 建 立 这 样 一 个 概 念 : 信 息 寄 寓 于 消 息 之 中, 消 息 又 以 电 信 号 作 为 载 体 依 据 用 来 传 递 消 息 的 电 信 号 有 模 拟 信 号 与 数 字 信 号 之 分, 通 信 系 统 可 以 分 为 模 拟 通 信 和 数 字 通 信 两 大 类 1. 模 拟 通 信 模 拟 通 信 是 指 在 通 信 系 统 中 所 传 输 的 是 模 拟 信 号 具 体 的 模 拟 通 信 系 统 的 框 图 参 见 图 3-2 图 中, 信 源 传 出 的 是 模 拟 信 号, 即 其 状 态 变 化 为 连 续 的 图 形 发 送 器 被 简 化 为 调 制 器, 接 收 端 设 备 简 化 为 解 调 器 事 实 上, 图 3-2 中 还 应 有 放 大 滤 波 变 频 等 过 程, 这 里 将 它 们 都 合 并 到 信 道 中 去 以 强 调 调 制 在 模 拟 通 信 系 统 中 的 重 要 作 用 因 为 从 根 本 上 说, 只 有 调 制 和 解 调 才 对 信 号 的 变 换 起 着 决 定 性 作 用, 并 且 是 保 证 通 信 质 量 的 关 键 图 3-2 模 拟 通 信 系 统 框 图 2. 数 字 通 信 数 字 通 信 是 指 在 通 信 系 统 内 所 传 输 的 是 二 进 制 或 多 进 制 数 字 信 号 的 一 种 通 信 方 式 它 的 主 要 特 点 是 在 实 现 调 制 之 前 要 经 过 两 次 编 码, 相 应 地, 在 收 端 解 调 后 也 要 有 两 次 译 码, 图 3-3 为 数 字 通 信 系 统 的 原 理 框 图 图 3-3 数 字 通 信 系 统 的 原 理 框 图 数 字 通 信 具 有 抗 干 扰 能 力 强 易 于 保 密 灵 活 性 高 和 设 备 简 单 经 济 便 于 集 成 等 特 点, 近 年 来 发 展 十 分 迅 速, 在 通 信 领 域 中 占 有 越 来 越 大 的 比 例 特 别 是 随 着 计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展, 数 字 通 信 可 与 计 算 机 网 络 技 术 完 全 融 合, 通 信 的 数 字 化 将 成 为 通 信 的 主 导 3.2.3 数 据 通 信 系 统 的 基 本 构 成 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 和 计 算 机 技 术 与 通 信 技 术 结 合 的 日 益 紧 密, 在 通 信 领 域 中 又 产 生 了 一 个 分 支, 即 数 据 通 信 所 谓 数 据 通 信 是 指 信 源 本 身 发 出 的 就 是 数 字 形 式 的 消 息, 如 电 报 计 算 机 数 据 及 指 令, 等 等 数 据 通 信 系 统 框 图 与 数 字 通 信 系 统 的 类 似, 仍 可 用 图 3-1 表 示 它 与 数 字 通 信 系 统 之 间 最 大 的 不 同 点 在 于, 其 信 源 发 出 的 为 数 字 信 号, 无 需 经 过 模 / 数 转 换, 而 只 需 考 虑 对 信 源 进 行 压 缩 编 码 以 降 低 信 源 的 冗 余 度, 提 高 有 效 性

3.2 数 据 通 信 基 本 原 理 33 数 据 通 信 的 信 道 可 以 为 模 拟 的, 也 可 以 为 数 字 的 特 别 是 在 远 程 通 信 时 多 采 用 模 拟 方 式 这 主 要 是 考 虑 经 济 的 原 因, 应 尽 量 利 用 原 有 信 道 但 随 着 数 据 通 信 业 务 的 增 长, 以 及 对 通 信 速 率 要 求 的 不 断 提 高, 数 据 通 信 的 信 道 越 来 越 倾 向 于 宽 带 化 高 速 率 化, 而 现 有 的 模 拟 信 道 已 远 远 不 能 满 足 相 应 的 要 求 因 此, 数 据 通 信 和 数 字 通 信 是 密 不 可 分 的 技 术 整 体, 可 以 说, 数 字 通 信 是 数 据 通 信 的 技 术 基 础, 数 据 通 信 是 数 字 通 信 技 术 与 计 算 机 技 术 结 合 的 成 果 3.2.4 数 据 通 信 系 统 的 基 本 构 成 1. 协 议 在 计 算 机 网 络 中, 不 同 系 统 的 实 体 之 间 将 会 发 生 通 信 一 个 通 信 实 体 是 指 能 够 发 送 和 接 收 信 息 的 任 何 事 物 例 如, 应 用 程 序 文 件 传 输 包 浏 览 器 数 据 库 管 理 系 统 以 及 电 子 邮 件 软 件 一 个 系 统 是 包 含 有 一 个 或 多 个 实 体 的 物 理 对 象, 例 如 计 算 机 和 终 端 但 是 两 个 实 体 间 仅 发 送 二 进 制 位 就 指 望 对 方 能 理 解 所 传 送 的 信 息 的 内 容 是 不 可 能 的 为 了 进 行 通 信, 实 体 之 间 一 定 要 达 成 一 个 协 议 正 如 在 数 据 通 信 组 成 部 分 中 所 定 义, 协 议 就 是 控 制 数 据 通 信 的 一 组 规 则 一 个 协 议 定 义 了 通 信 内 容 是 什 么, 通 信 如 何 进 行 以 及 何 时 进 行 协 议 的 关 键 要 素 是 语 法 语 义 和 时 序 (1) 语 法 语 法 是 指 数 据 的 结 构 或 格 式, 指 数 据 表 示 的 顺 序 例 如, 一 个 简 单 的 协 议 可 定 义 数 据 的 前 八 个 比 特 是 发 送 者 地 址, 第 二 组 八 个 比 特 是 接 收 者 地 址, 而 剩 下 的 比 特 流 就 是 消 息 本 身 (2) 语 义 语 义 指 比 特 流 每 部 分 的 含 义 一 个 特 定 的 比 特 模 式 该 如 何 理 解? 基 于 这 样 的 理 解 该 采 取 何 种 动 作? 例 如, 一 个 地 址 指 的 是 要 经 过 的 路 由 器 还 是 消 息 的 目 的 地 址? (3) 时 序 时 序 包 括 两 方 面 的 特 性 : 数 据 何 时 发 送 以 及 以 多 快 的 速 率 发 送 例 如, 如 果 发 送 方 以 100 Mbps 速 率 发 送 数 据 而 接 收 方 仅 能 处 理 1 Mbps 速 率 的 数 据, 这 样 的 传 输 将 使 接 收 者 负 载 过 重 并 导 致 大 量 数 据 丢 失 在 数 据 通 信 中, 一 个 协 议 是 一 组 用 来 控 制 信 息 通 信 的 各 个 方 面 的 规 则 2. 标 准 出 于 有 多 种 因 素 要 求 同 步, 即 使 排 除 传 输 正 确 性 和 效 率 因 素, 仅 仅 考 虑 通 信 的 建 立, 在 网 络 节 点 之 间 的 大 量 协 调 也 是 必 需 的 一 个 小 生 产 厂 商 可 以 使 它 自 己 的 产 品 协 作 得 很 好, 但 如 果 某 些 满 足 用 户 需 求 的 最 好 的 部 件 并 不 是 出 自 一 家 厂 商 生 产 的 呢? 如 果 一 台 电 视 机 仅 能 接 收 某 些 频 率 的 信 号, 而 当 地 电 视 台 根 本 不 播 送 这 些 信 号 又 如 何? 没 有 标 准, 就 出 现 了 困 难 数 据 通 信 标 准 可 以 分 为 两 大 类 : 事 实 标 准 和 法 定 标 准 法 定 标 准 是 那 些 被 官 方 认 可 的 组 织 制 订 的 未 被 官 方 认 可 的 但 却 在 实 际 应 用 中 被 广 泛 采 用 的 标 准 称 为 事 实 标 准 事 实 标 准 通 常 都 是 那 些 试 图 对 新 产 品 进 行 功 能 定 义 的 生 产 厂 商 建 立 的 事 实 标 准 可 以 进 一 步 分 为 两 类 : 私 有 的 和 非 私 有 的 私 有 标 准 是 最 初 由 一 个 企 业 组 织 为 本 身 产 品 的 操 作 制 订 的 基 础 因 为 该 标 准 由 制 订 它 的 企 业 完 全 拥 有, 所 以 称 为 私 有 标 准 这 些 标 准 也 被 称 做 封 闭 式 标 准, 因 为 它 不 提 供 与 别 的 厂 商 产 品 间 的 通 信 能 力 非 私 有 标 准 是 最 初 由 某 些 组 织 或 委 员 会 制 订 并 推 向 公 共 领 域 的 标 准, 他 们 也 被 称 为 开 放 标 准, 因 为 他 们 提 供

34 第 3 章 数 据 通 信 基 础 了 不 同 系 统 之 间 的 通 信 能 力 3. 标 准 化 组 织 标 准 是 由 标 准 化 委 员 会 论 坛 以 及 政 府 管 理 机 构 共 同 合 作 制 订 的 (1) 标 准 化 委 员 会 尽 管 同 时 存 在 着 许 多 标 准 化 组 织, 但 是 北 美 的 数 据 和 电 信 方 面 的 标 准 主 要 依 据 于 以 下 一 些 机 构 : 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T, 原 为 CCITT) 美 国 国 家 标 准 化 协 会 (ANSI) 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 贝 尔 中 心 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 成 员 主 要 由 世 界 各 个 国 家 的 政 府 的 标 准 制 订 委 员 会 的 成 员 参 加, 是 一 个 国 际 性 组 织 1 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T, 原 为 CCITT) ITU-T 制 订 的 标 准 中 最 广 为 人 知 的 是 : 规 定 了 通 过 电 话 线 进 行 的 数 据 通 信 标 准 的 V 系 列 标 准 (V.32,V.33,V.42); 规 定 了 通 过 公 用 数 字 网 络 进 行 传 输 的 标 准 的 X 系 列 标 准 (X.25,X.400,X.500); 电 子 邮 件 和 目 录 服 务 标 准 以 及 包 含 了 其 他 标 准 系 列 的 部 分 内 容, 并 规 定 了 国 际 数 字 网 络 融 合 标 准 的 综 合 服 务 数 字 网 (ISDN) 标 准 现 在 正 在 进 行 的 项 目 包 括 ISDN 标 准 的 一 个 扩 展 宽 带 ISDN, 也 就 是 通 常 所 说 的 信 息 高 速 公 路 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T) 是 与 联 合 国 有 关 的 制 订 电 信 业 标 准 的 国 际 标 准 组 织 它 制 订 的 两 个 普 及 的 标 准 系 列 有 V 系 列 和 X 系 列 标 准 2 美 国 国 家 标 准 化 协 会 (ANSI) ANSI 的 成 员 来 自 专 家 团 体 工 业 协 会 政 府 和 管 制 机 构 以 及 顾 客 群 体 当 前 讨 论 的 领 域 包 括 网 际 互 联 工 程 及 规 划 ISDN 业 务 信 令 以 及 体 系 结 构 以 及 光 纤 系 列 (SONET) 美 国 国 家 标 准 化 协 会 (ANSI) 是 在 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 和 国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 (ITU-T) 中 全 权 代 表 美 国 的 非 赢 利 机 构 3 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 是 世 界 上 最 大 的 专 业 工 程 师 社 团 IEEE 关 注 着 在 计 算 和 通 信 领 域 的 国 际 标 准 的 发 展 和 采 纳 应 用 完 成 了 802 项 目 ( 例 如,802.3 802.4 802.5 标 准 ) 的 委 员 会 就 是 IEEE 中 为 局 域 网 设 立 的 一 个 专 门 委 员 会 电 气 电 子 工 程 师 协 会 (IEEE) 是 最 大 的 制 订 计 算 通 信 电 子 工 程 以 及 电 子 方 面 标 准 的 国 际 专 业 组 织 4 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 与 ANSI 结 盟 的 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 是 一 个 致 力 于 促 进 电 子 产 品 生 产 的 非 赢 利 组 织 电 子 工 业 联 合 会 (EIA) 是 美 国 电 子 产 品 生 产 商 的 联 合 会 它 负 责 制 订 EIA-232-D 和 EIA-530 等 标 准 5 贝 尔 中 心 指 贝 尔 通 信 研 究 所, 是 贝 尔 实 验 室 的 一 个 派 生 机 构 贝 尔 中 心 为 电 信 技 术 的 改 进 提 供 研 究 和 开 发 的 资 源 它 是 ANSI 的 标 准 草 案 的 重 要 提 供 方 (2) 论 坛 电 信 技 术 的 发 展 速 度 远 远 超 过 了 标 准 化 组 织 批 准 标 准 的 能 力 标 准 化 组 织 是 严 格 程 序 化

3.3 信 道 和 信 道 参 数 35 的 机 构, 因 而 进 展 迟 缓 为 了 满 足 对 实 际 模 型 和 协 定 的 需 求 和 推 动 标 准 化 进 程, 许 多 有 专 门 兴 趣 的 团 体 成 立 了 许 多 由 感 兴 趣 的 公 司 组 成 的 论 坛 论 坛 与 高 等 院 校 和 用 户 一 起 协 作 来 测 试 评 价 和 标 准 化 某 些 新 技 术 通 过 把 注 意 力 集 中 到 特 定 的 技 术 上, 论 坛 能 够 加 速 这 些 技 术 在 电 信 团 体 内 的 推 广 和 应 用 过 程 论 坛 会 将 他 们 的 结 论 提 交 给 标 准 化 组 织 电 信 领 域 重 要 的 论 坛 包 括 : 帧 中 继 论 坛 ATM 论 坛 和 ATM 协 会 国 际 互 联 网 社 团 和 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 1 帧 中 继 论 坛 帧 中 继 论 坛 是 由 DEC 北 方 电 信 Cisco 网 络 公 司 和 StrataCoM 公 司 共 同 组 建, 目 的 在 于 促 进 帧 中 继 技 术 的 实 现 和 推 广 的 组 织 目 前, 它 已 经 拥 有 来 自 北 美 欧 洲 和 环 太 平 洋 地 区 的 40 多 个 成 员 机 构 正 在 审 议 的 发 布 文 稿 包 括 流 控 制 封 装 和 多 点 投 递, 其 结 果 被 提 交 给 国 际 标 准 化 组 织 (ISO) 2 ATM 论 坛 和 ATM 协 会 ATM 论 坛 和 ATM 协 会 是 为 了 异 步 传 输 模 式 (ATM) 技 术 的 推 广 和 应 用 而 成 立 的 ATM 论 坛 由 用 户 前 端 设 备 ( 例 如 PBX 系 统 ) 提 供 商 和 中 央 交 换 部 门 ( 例 如 电 话 交 换 局 ) 提 供 商 组 成 它 主 要 关 心 保 证 互 操 作 性 的 各 项 业 务 的 标 准 化 ATM 协 会 由 支 持 ATM 技 术 的 软 硬 件 产 品 的 供 应 商 组 成 3 国 际 互 联 网 社 团 和 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 国 际 互 联 网 社 团 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 (IETF) 关 注 于 加 速 国 际 互 联 网 通 信 技 术 的 成 长 和 演 化 国 际 互 联 网 社 团 集 中 关 心 包 括 TCP/IP 协 议 的 增 强 在 内 的 用 户 事 务 国 际 互 联 网 工 程 任 务 组 (IETF) 是 国 际 互 联 网 自 身 的 标 准 化 组 织 它 审 查 国 际 互 联 网 的 软 硬 件 技 术, 其 主 要 贡 献 包 括 简 单 网 管 协 议 (SNMP) 和 网 桥 路 由 器 和 路 由 协 议 的 性 能 标 准 审 核 (3) 管 理 机 构 所 有 的 通 信 技 术 都 要 受 到 诸 如 美 国 的 联 邦 通 信 委 员 会 (FCC) 的 政 府 机 构 的 管 束 这 些 机 构 的 目 的 是 通 过 对 无 线 电 电 视 和 有 线 通 信 的 管 束 来 保 护 公 共 利 益 联 邦 通 信 委 员 会 (FCC) 在 与 通 信 有 关 的 国 际 国 内 商 务 领 域 具 有 权 威 性 任 何 一 项 通 信 技 术 在 推 向 市 场 前 必 须 获 得 FCC 的 同 意 ( 在 电 话 机 底 部 可 以 见 到 FCC 认 可 标 志 ) FCC 的 责 任 范 围 包 括 : 审 查 电 报 电 话 供 应 商 的 收 费 率 和 收 费 状 况 审 查 通 信 硬 件 的 技 术 特 性 规 定 合 理 的 通 信 公 司 平 均 利 润 率 划 分 和 分 配 无 线 电 频 率 段 为 无 线 电 和 电 视 广 播 分 配 载 波 频 率 3.3 信 道 和 信 道 参 数 3.3.1 信 道 定 义 信 道 是 信 号 从 发 送 端 到 接 收 端 之 间 进 行 传 输 的 路 径 这 一 术 语 也 是 线 路 电 路 链 路 数 据 链 路 通 路 等 术 语 的 同 义 语 这 个 术 语 实 际 上 是 指 把 两 种 DCE 通 信 设 备 连 接 起 来 的 设 施, 包 括 传 输 介 质 和 有 关 中 间 通 信 设 备 但 信 道 概 念 的 含 义, 并 不 是 实 际 的 电 缆 电 线 等, 而 是 指 数 据 流 过 的 由 介 质 提 供 的 路 径

36 第 3 章 数 据 通 信 基 础 3.3.2 信 道 参 数 作 为 信 道 组 成 的 传 输 介 质 分 有 线 和 无 线 两 类, 这 些 传 输 介 质 有 以 下 特 性 : 信 息 流 方 向 : 单 工 半 双 工 全 双 工 传 送 信 号 的 类 型 : 模 拟 的 和 数 字 的 传 输 速 率 : 用 比 特 率 和 波 特 率 表 示 带 宽 : 在 通 信 信 道 上 可 以 传 输 的 频 率 范 围 称 带 宽 不 同 的 介 质 有 不 同 的 带 宽 一 般 带 宽 越 宽, 可 在 该 介 质 上 发 送 的 传 输 速 率 越 高 带 宽 也 决 定 信 道 的 容 量, 如 果 将 传 输 速 度 ( 以 比 特 每 秒 计 ) 提 高 到 超 过 信 道 可 以 处 理 的 容 量 时, 将 会 增 大 对 方 接 收 时 的 差 错 量 信 道 的 基 本 特 性 可 以 用 带 宽 和 容 量 来 说 明 1. 带 宽 (Band Width) 带 宽 就 是 信 道 的 通 带 (Pass Band), 由 上 下 限 截 止 频 率 fc1 和 fc2 来 限 定 一 条 传 输 信 道 上 允 许 传 输 信 息 的 频 率 范 围, 即 能 从 信 道 上 通 过 的 最 高 信 号 频 率, 是 传 输 系 统 的 一 个 重 要 指 标, 系 统 所 追 求 的 带 宽 是 系 统 应 用 的 函 数 系 统 带 宽 由 传 输 介 质 接 口 部 件 传 输 设 备 传 输 协 议 及 传 输 信 息 的 特 性 等 因 素 所 决 定 为 了 发 送 一 个 理 想 的 方 波, 就 需 要 发 送 无 穷 多 的 频 率 通 过 发 送 介 质, 但 这 是 不 可 能 的, 所 有 的 发 送 介 质, 不 管 发 送 者 或 接 收 者, 它 所 能 通 过 的 频 率 都 是 受 到 限 制 的 一 根 导 线 和 一 台 设 备 所 能 容 纳 的 频 率 的 范 围, 其 最 高 和 最 低 频 率 之 差 就 叫 做 带 宽 带 宽 可 能 是 一 种 设 备 的 物 理 性 质, 或 是 以 相 应 的 理 由 所 强 加 的 限 制 ( 此 话 有 点 别 扭 ) 例 如, 人 耳 仅 能 听 到 声 音 的 频 率 范 围 大 约 在 20~20 000 Hz, 其 实 际 值 取 决 于 各 个 人 和 其 年 龄, 因 此 其 带 宽 即 为 20~ 20 000 Hz 实 际 上 人 耳 的 频 率 范 围 是 从 300~3 400 Hz, 带 宽 为 3 100 Hz, 其 范 围 是 根 据 实 际 需 要 加 以 限 制 的 如 果 该 设 备 或 介 质 的 带 宽 受 到 限 止, 这 意 味 着 组 成 方 波 的 某 些 成 分 不 能 通 过 该 设 备 或 介 质 由 于 一 些 组 成 部 分 的 波 被 消 除, 减 少 了 频 率 阶 次, 方 波 将 变 形 如 果 足 够 多 的 组 成 部 分 的 波 不 能 通 过 介 质, 则 所 接 收 到 的 波 将 难 于 辨 认, 因 此 用 来 发 送 信 息 的 设 备 和 介 质 必 须 具 有 足 够 的 带 宽, 允 许 足 够 的 波 的 组 成 部 分 通 过, 以 使 接 收 器 能 正 确 地 识 别 该 信 号 其 实 际 所 需 带 宽 值 取 决 于 在 发 送 之 后 怎 么 能 容 易 识 别 信 号 频 率 范 围 的 要 求, 限 制 了 我 们 能 通 过 任 何 介 质 发 送 的 方 波 的 频 率 方 波 的 频 率 越 高, 则 主 要 的 组 成 部 分 的 单 一 波 频 率 越 高, 其 所 需 要 的 带 宽 越 宽 所 以 波 形 的 带 宽 值 是 一 个 频 率 范 围, 在 此 频 率 范 围 内 分 布 着 这 个 波 形 的 绝 大 部 分 能 量 或 功 率 频 率 宽 度 定 义 有 多 种, 最 常 用 的 定 义 是 3dB 带 宽 由 于 10lg(1/2)=-3, 所 以 沿 频 率 轴 的 正 半 轴 单 边 频 率 函 数 的 值 在 两 边 下 降 到 其 最 大 值 的 一 半 的 两 个 点 所 对 应 的 频 率 差, 被 定 义 为 3dB 带 宽 该 定 义 的 优 点 是 带 宽 可 直 接 从 单 边 频 率 函 数 的 图 形 上 读 出 但 若 图 形 下 降 很 缓 慢, 则 此 定 义 就 与 在 带 宽 范 围 内 包 含 波 形 的 绝 大 部 分 能 量 或 功 率 的 要 求 有 所 出 入 此 外 若 图 形 具 有 多 峰 值, 按 此 定 义 可 能 导 致 某 些 非 唯 一 的 结 果 另 一 种 定 义 是 把 单 边 频 率 函 数 和 横 轴 之 间 的 面 积 的 90% 所 对 应 的 频 率 范 围 定 义 为 带 宽, 利 用 此 定 义 所 得 的 带 宽 结 果 总 是 唯 一 的, 但 对 于 尾 部 下 降 缓 慢 的 单 边 频 率 而 言, 不 易 计 算 准 确

3.4 数 据 信 息 传 输 的 基 本 形 式 37 2. 信 道 容 量 (Capacity) 信 道 容 量 是 指 它 每 秒 能 传 输 的 最 大 比 特 数, 即 信 道 的 极 限 传 输 速 率 比 特 传 输 率 越 高, 信 道 的 容 量 也 就 越 大 (1) 连 续 信 道 的 信 道 容 量 根 据 香 农 (Shannon) 定 律, 在 高 斯 白 噪 声 干 扰 下 的 信 道 中, 信 道 容 量 为 C=Blg(1+S/N) (b/s) 式 中 :B 为 信 道 带 宽 ;S 为 信 号 功 率 ;N 为 白 噪 声 功 率 白 噪 声 是 指 在 所 有 频 率 上 噪 声 强 度 都 一 样, 就 像 白 光 所 包 含 的 各 种 频 率 的 光 波 基 本 上 都 一 样 强 那 样, 而 且 服 从 高 斯 型 的 概 率 分 布 这 就 是 小 幅 度 的 噪 声 出 现 的 概 率 较 大, 大 幅 度 噪 声 出 现 的 概 率 急 剧 下 降 (2) 离 散 信 道 的 信 道 容 量 根 据 取 样 定 理, 可 以 得 到 无 噪 声 的 信 道 容 量, 这 是 因 为 已 把 信 道 的 带 宽 与 信 道 上 传 送 的 最 大 符 号 率 建 立 了 关 系 在 只 有 两 个 离 散 值 的 二 元 信 道 中, 即 一 个 符 号 以 1 比 特 发 送, 那 么 信 道 就 能 发 送 2 Bb/s 当 符 号 具 有 L 个 离 散 值 时, 无 噪 声 信 道 容 量 为 C=2Blog2L (b/s) 在 有 噪 声 的 情 况 下, 要 造 成 传 输 差 错, 损 失 信 息 和 降 低 信 道 容 量 以 二 元 信 道 为 例, 通 过 理 论 计 算, 得 出 信 道 收 到 的 一 个 符 号 的 信 息 量 最 大 值 是 : 1 1 1 pelb (1 pe) lb (b) p 1 p e 式 中 :Pe 为 发 生 差 错 的 概 率 上 式 计 算 的 条 件 是 原 发 符 号 中 出 现 1 和 0 的 概 率 都 是 1/2, 后 面 两 项 是 信 号 损 失, 因 此 这 种 二 元 信 道 的 信 道 容 量 为 1 1 C = 2B[1 Pe lb (1 pe ) lb ]( b / s) (3-1) p 1 p e 若 假 设 Pe=0.1 则 由 上 式 算 出 C=0.53(2B), 这 说 明 一 个 二 进 制 符 号 只 能 传 输 0.53 b 的 信 息, 使 有 效 的 信 息 速 率 降 低 一 半 3.4 数 据 信 息 传 输 的 基 本 形 式 e e 3.4.1 调 制 基 本 概 念 调 制 是 使 载 波 信 号 的 幅 度 频 率 或 相 位 ( 其 中 的 一 种 或 几 种 ) 随 发 送 信 号 变 化 的 过 程 载 波 信 号 是 利 用 信 号 发 生 器 产 生 的 高 频 正 弦 波 发 送 信 号 ( 模 拟 数 据 或 数 字 数 据 ) 一 经 调 制, 就 将 作 为 模 拟 信 号 ( 已 携 带 发 送 信 号 的 载 波 已 调 波 ), 通 过 送 信 介 质 发 送 出 去 在 接 收 端 接 收 后 要 进 行 解 调 ( 从 已 调 波 中 取 出 发 送 信 号 的 过 程 ), 再 变 换 成 原 来 的 信 号 形 式 3.4.2 基 带 传 输 由 计 算 机 或 终 端 产 生 的 信 号, 包 含 有 直 流 低 频 和 高 频 等 分 量 是 一 串 脉 冲 信 号, 随 着 频

38 第 3 章 数 据 通 信 基 础 率 的 升 高, 其 相 应 幅 度 减 小, 最 后 趋 于 零 这 种 由 计 算 机 或 终 端 产 生 的 频 谱 从 零 开 始, 而 未 经 调 制 的 数 字 信 号 所 占 用 的 频 率 范 围 就 叫 基 本 频 带 ( 这 个 频 带 从 直 流 起 可 高 到 数 百 千 赫, 甚 至 若 干 兆 赫 ), 简 称 基 带 (Base Band), 这 种 数 字 信 号 就 称 基 带 信 号 例 如, 在 有 线 信 道 中, 直 接 用 电 传 打 字 机 进 行 通 信 时, 其 传 输 的 信 号 就 是 基 带 信 号 传 送 数 据 时, 以 原 封 不 动 的 形 式, 把 基 带 信 号 送 入 线 路, 称 为 基 带 传 输 基 带 传 输 不 需 要 调 制 解 调 器, 设 备 花 费 小, 适 用 于 短 距 离 的 数 据 传 输 中, 如 在 一 个 企 业 工 厂 内, 可 以 来 用 这 种 方 式 将 大 量 终 端 接 于 主 计 算 机 局 域 网 中 采 用 基 带 同 轴 电 缆 作 传 输 介 质 进 行 数 据 传 输 3.4.3 频 带 传 输 在 计 算 机 远 程 通 信 线 路 中, 不 能 直 接 传 达 原 始 的 电 脉 冲 信 号 ( 即 基 带 信 号 ) 因 此 除 市 内 线 路 外, 不 能 传 输 近 似 于 零 频 率 的 分 量 为 此 需 要 利 用 频 带 传 输, 就 是 用 基 带 脉 冲 对 载 波 波 形 的 某 些 参 量 进 行 控 制, 使 这 些 参 量 随 基 带 脉 冲 变 化, 也 就 是 调 制 经 过 调 制 的 信 号 称 为 已 调 信 号 已 调 信 号 通 过 线 路 传 输 到 接 收 端, 然 后 经 过 解 调 恢 复 为 原 始 基 带 脉 冲 频 带 传 输 不 仅 克 服 了 目 前 许 多 长 途 电 话 线 路 不 能 直 接 传 输 基 带 信 号 的 缺 点, 而 且 能 实 现 多 路 复 用 的 目 的, 从 而 提 高 了 通 信 线 路 的 利 用 率 不 过 频 带 传 输 在 发 送 端 和 接 收 端 都 要 设 置 调 制 解 调 器 3.4.4 宽 带 传 输 所 谓 宽 带, 是 指 比 音 频 带 宽 (4 khz) 更 宽 的 频 带, 包 括 大 部 分 电 磁 波 频 谱 使 用 这 种 宽 频 带 进 行 传 输 的 系 统, 称 为 宽 带 传 输 系 统, 它 可 以 容 纳 全 部 广 播, 并 可 进 行 高 速 数 据 传 输 对 于 局 域 网 来 说, 宽 带 这 个 术 语 专 门 用 于 使 用 传 输 模 拟 信 号 的 同 轴 电 缆 可 见 宽 带 传 输 系 统 是 模 拟 信 号 传 输 系 统, 它 允 许 在 同 一 信 道 上 进 行 数 字 信 息 和 模 拟 信 息 服 务 基 带 和 宽 带 的 区 别 还 在 于 数 据 传 输 速 率 的 不 同 基 带 数 据 传 输 速 率 为 0~10 Mb/s, 更 典 型 的 是 1~2.5 Mb/s, 通 常 用 于 传 输 数 字 信 息 宽 带 是 传 输 模 拟 信 号, 数 据 传 输 速 率 范 围 为 0~400 Mb/s, 而 通 常 使 用 的 传 输 速 率 是 5~10 Mb/s 而 且 一 个 宽 带 信 道 可 以 被 划 分 为 多 个 逻 辑 基 带 信 道 这 样 就 能 把 声 音 图 像 和 数 据 信 息 的 传 输 综 合 在 一 个 物 理 信 道 中 进 行, 以 满 足 办 公 自 动 化 系 统 中 电 话 会 议 图 像 传 真 电 子 邮 件 事 务 数 据 处 理 等 服 务 的 需 要 因 此 宽 带 传 输 一 定 是 采 用 频 带 传 播 技 术 的, 但 频 带 传 输 不 一 定 就 是 宽 带 传 输 3.5 数 据 编 码 技 术 3.5.1 数 据 通 信 编 码 作 用 在 数 据 通 信 中, 编 码 的 作 用 是 用 信 号 来 表 示 数 字 信 息 例 如, 单 极 性 编 码 极 化 编 码 双 极 性 编 码 等 数 据 通 信 中 还 有 另 一 类 编 码, 称 为 差 错 控 制 编 码 它 的 作 用 是 通 过 对 信 息 序 列 作 某 种 变 换, 使 原 来 彼 此 独 立 相 关 性 极 小 的 信 息 码 元 产 生 某 种 相 关 性, 从 而 在 接 收 端 就 利 用 这 种 特 性, 来 检 查 或 进 而 纠 正 信 息 码 元 在 信 道 传 输 中 所 造 成 的 差 错 正 如 我 们 前 面 所 讨 论 的, 在 通 过 通 信 媒 体 发 送 信 息 之 前, 信 息 必 须 被 编 码 形 成 信 号 当 我 们 将 数 据 由 一 地 传 送 到 另 一 地 时, 必 须 将 其 转 换 为 信 号 信 息 的 编 码 方 式 依 赖 于 它 的 原 始 的 格 式 和 通 信 硬 件 采 用 的 格 式 如 果 用 户 想 用 烟 火 信 号 来 发 送 一 封 情 书, 必 须 在 点 起 火 堆 之 前 知 道 哪 一 种 烟 火 模 式 对 应 用 户 的 消 息 中 的 哪 一 个 词