1、第1章 通信、标准和协议简介通信技术的现状和发展趋势通信技术的现状和发展趋势 1. 光纤通信光纤通信 光纤通信具有容量大、成本低等优点，且不怕电磁干扰，与同轴电缆相比可以大量节约有色金属和能源。因此，自1977年世界上第一个光纤通信系统在芝加哥投入运行以来，光纤通信发展极为迅速，新器件、新工艺、新技术不断涌现，性能日臻完善。由于长波长激光器和单模光纤的出现 ，使每芯光纤通话路数可高达百万路，中继距离将达到100 km，市话中继光纤成本也连续大幅度下降。 我国近几年来光纤通信已得到了快速发展，目前光缆长度累计近几十万km。我国已不再敷设同轴电缆，新的工程将全部采用光纤通信新技术。1.1通信技术通
2、信技术 2. 卫星通信卫星通信 卫星通信的特点是通信距离远， 覆盖面积广， 不受地理条件限制，可以大容量传输，建设周期短，可靠性高等。自1960年第一颗卫星发射成功以来，卫星通信发展特别迅猛。 目前， 卫星通信的使用范围已遍及全球，仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。卫星通信的广泛应用，使国际间重大活动能及时得以实况转播， 它使全世界人与人之间的“距离”缩短。 3. 移动通信移动通信 移动通信是现代通信中发展最为迅速的一种通信手段，它是随着汽车、飞机、轮船、火车等交通工具的发展而同步发展起来的。 近10年来， 在微电子技术和计算机技术的推动下，移动通信从过去简单的无线对讲或广播方式发展成为一
3、个把有线、 无线融为一体，固定、移动相互连通的全国规模，甚至全球范围的通信系统。 移动通信的发展方向是数字化、微型化和标准化。20世纪90年代将是蜂窝电话迅速普及的年代。但目前世界上存在八种不同的技术体制，互不兼容，因此标准化成为当务之急。数字化的关键是调制、纠错编码和话音编码方式的确定。微型化的目标是研制重量非常轻的个人携带的手机。 4. 微波中继通信微波中继通信 微波中继通信始于20世纪60年代，它较一般电缆通信具有易架设，建设周期短等优点。它是目前通信的主要手段之一，主要用来传输长途电话和电视节目，其调制主要采用SSB/FM/FDM等方式。 微波中继通信的主要发展方向是数字微波，同时要不
4、断增加系统容量，增加容量的途径是向多电平调制技术发展。目前采用的调制方式有16QAM和64QAM，并已出现256QAM、1024QAM等超多电平调制的方式。采用多电平调制，在40 MHz的标准频道间隔内，可传送1920至7680路PCM数字电话。 1.2 计算机网络u计算机网络大体上可以分为四个阶段：面向终端的计算机网络计算机-计算机网络开放式标准化的计算机网络目前所处的网络计算的新阶段。 v面向终端的计算机网络五十年代中至六十年代 实际上是以单个计算机为中心的远程联机系统，远程联机系统，虽然历史上也曾称它为计算机网络，但现在为了更明确地与后来出现的多台计算机互连的计算机网络相区分，也称为面向
5、终端的计算机网络面向终端的计算机网络。例子：v50年代，美国半自动地面环境SAGE（Semi-Automatic Ground Environment）防空系统 v60年代初期美国航空公司投入使用的由一台中心计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机票预订系统SABRE （Semi-Automatic Business Research Environment）图1.1 面向终端的计算机网络FEP(Front End Processor,简称为前端机): 前端处理机TC (Terminal Controller): 终端控制器M (Modem) : 调制解调器T (Terminal): 代表
6、终端终端u计算机-计算机网络六十年代末至七十年代末 多台计算机通过通信线路互连起来而为用户提供服务，即是计算机-计算机网络 和以单台计算机为中心的远程联机系统的显著区别：都是具有自主处理能力的，不存在主从关系 这才是我们目前常称的计算机网络 例子ARPA网(ARPANET) ：目前称为DARPADefense Advanced Research Projects Agency, ARPANET也由此被公认为是第一个真正的计算机网络。 H(host): 主机IMP(Interface Message Processor):接口报文处理机即交换机(switch)或路由器(router) 存储转发(
7、store and forward) 图1.2 存储转发的计算机-计算机网络u开放式标准化的计算机网络八十年代初至九十年代初 它具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化的协议 例子：因特网(Internet)它是在原ARPANET基础上经过改造而逐步发展起来的，它是对任何计算机开放的，只要遵循TCPIP协议簇的标准，并申请到IP地址就都可以通过信道接入Internet 两个核心协议：TCP(传输控制协议, Transmission Control Protocol)和IP(网际协议或互联网协议, Internet Protocol )网络计算(Network Computing): 以网络为中心
8、的计算(Network Centric Computing) 或者以网络为基础的计算(Network-based Computing) 计算机网络的定义u一般定义：计算机网络计算机网络看成是由各自具有自主功能而又通过是由各自具有自主功能而又通过各种通信手段相互连接起来以便进行信息交换、各种通信手段相互连接起来以便进行信息交换、资源共享或协同工作的计算机组成的复合系统资源共享或协同工作的计算机组成的复合系统 构成：计算机网络由通信子网和资源子网资源子网两部分构成 使整个网络的设计与运行简化 图1.4 计算机网络的构成H(host): 主机计算机网络的发展方向u计算机网络向高速宽带化发展 以远距离
9、网络为例CCITT X.25建议组建的公用分组交换数据网的数据速率只有64K b/s 帧中继帧中继（Frame Relay）技术已可提高至2M b/s 异步传送模式异步传送模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）又可达到155M b/s、622M b/s甚至2.5G b/s的数据速率 波分多路复用波分多路复用WDM（Wave Division Multiplexing）技术 密集波分多路复用密集波分多路复用DWDM（Dense WDM），高达6400G b/s 网络多媒体应用，服务质量，组播(Multicast)虚拟局域网VLAN (Virtual Local Are
10、a Network) 、虚拟专网VPN (Virtual Private Network) 、无线局域网WLAN (Wireless LAN) 、新一代的网际协议IPv6、对等计算(Peer-to-peer Computing) 、网格(Grid) 、移动自组网(Mobil Ad Hoc Network) 和主动网(Active Network) 等拓扑结构 1. 总线型拓扑结构 (1) 总线型拓扑结构的组成 1. 总线型拓扑结构(2) 总线型拓扑结构的优点 布线容易、电缆用量小。总线型网络中的节点都连接在一个公共的通信介质上，所以需要的电缆长度短，减少了安装费用，易于布线和维护。 可靠性高。
11、总线结构简单，从硬件观点来看，十分可靠。 易于扩充。在总线型网络中，如果要增加长度，可通过中继器加上一个附加段；如果需要增加新节点，只需要在总线的任何点将其接入。 易于安装。总线型网络的安装比较简单，对技术要求不是很高。 1. 总线型拓扑结构(3) 总线型拓扑结构的局限性 故障诊断困难。虽然总线拓扑简单，可靠性高，但故障检测却不容易。因为具有总线拓扑结构的网络不是集中控制，故障检测需要在网上各个节点进行。 故障隔离困难。对于介质的故障，不能简单地撤消某工作站，这样会切断整段网络。 中继器配置。在总线的干线基础上扩充时，需要增加中继器，并重新设置，包括电缆长度的裁剪，终端匹配器的调整等。 通信介
12、质或中间某一接口点出现故障，会导致整个网络瘫痪。 终端必须是智能的。因为接在总线上的节点有介质访问控制功能，因此必须具有智能，从而增加了站点的硬件和软件费用。 2. 星型拓扑结构(1) 星型拓扑结构的组成 2. 星型拓扑结构(2) 星型拓扑结构的优点 可靠性高。在星型拓扑的结构中，每个连接只与一个设备相连，因此，单个连接的故障只影响一个设备，不会影响整个网络。 方便服务。中央节点和中间接线都有一批集中点，可方便地提供服务和进行网络重新配置。 故障诊断容易。如果网络中的节点或者通信介质出现问题，只会影响到该节点或者通信介质相连的节点，不会涉及整个网络，从而比较容易判断故障的位置。 2. 星型拓扑
13、结构(3) 星型拓扑结构的缺点 星型拓扑结构虽然有许多优点，但是也有缺点： 扩展困难、安装费用高。增加网络新节点时，无论有多远，都需要与中央节点直接连接，布线困难且费用高。 对中央节点的依赖性强。星型拓扑结构网络中的外围节点对中央节点的依赖性强，如果中央节点出现故障，则全部网络不能正常工作。 3. 环型拓扑结构(1) 环型拓扑结构的组成 3. 环型拓扑结构(2) 环型拓扑结构的优点 电缆长度短。环型拓扑结构所需的电缆长度与总线型相当，但比星型要短。 适用于光纤。光纤传输速度高，环型拓扑网络是单向传输，十分适用于光纤通信介质。如果在环型拓扑网络中把光纤作为通信介质，将大大提高网络的速度和加强抗干
14、扰的能力。 无差错传输。由于采用点到点通信链路，被传输的信号在每一节点上再生，因此，传输信息误码率可减到最少。 3. 环型拓扑结构(3) 环型拓扑结构的缺点 可靠性差。在环上传输数据是通过接在环上的每个中继器完成的，所以任何两个节点间的电缆或者中继器故障都会导致整个网络故障。 故障诊断困难。因为环上的任一点出现故障都会引起网络络的故障，所以难于对故障进行定位。 调整网络比较困难。要调整网络中的配置，例如扩大或缩小，都是比较困难的。 全连接拓扑结构组合拓扑结构v包含多种拓扑形式协议协议(protocol) ：两台计算机通信时对传送信息内容的理解、信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵循一个
15、共同的约定 体系结构体系结构(architecture) ：在一个计算机网络中将协议按功能分成了若干层次。如何分层，以及各层中具体采用的协议的总和，称为网络的体系结体系结构构 第一阶段计算机网络的远程联机系统以被各终端共享的单台计算机为中心 第二阶段计算机-计算机网络以通信子网为中心 1.3 标准u开放式标准化的计算机网络八十年代初至九十年代初 它具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化的协议 国际标准化组织ISO (International Standards Organization) 制定了开放系统互连基本参考模型开放系统互连基本参考模型(Open System Interconnect
16、ion Basic Reference Model, OSI/RM)的国际标准ISO 7498，也被称为OSI七层模型七层模型 1.4 层次模型 图1.7 计算机网络的层次模型u要点归纳如下 除了在物理媒体上进行的是实通信外，其余各对等层实体间进行的都是虚通信 对等层的虚通信必须遵循该层的协议。 n层的虚通信是通过n-1n层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信(通常也是虚通信)来实现的。 u如何分层有些主要的原则可以遵守。比如说：每层的功能应是明确的，并且相互独立的。当某一层具体实现方法更新时，只要保持层间接口不变，不会对邻层造成影响 层间接口清晰，跨越接口的信息量应尽可能少层数应适中
17、。若太少，则层间功能划分不明确，多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太复杂。若太多，则体系结构过于复杂，各层组装时的任务要困难得多 uOSI模型共分为七层从下到上依次为物理层(physical layer)、数据链路(data link)层、网络(network)层、运输(transport)层、会话(session)层、表示(presentation)层和应用(application)层。u在主机中要有七层，但通信子网中的IMP中却不一定要有七层，通常只有下三层，甚至可以只有下两层 1.4.1概述概述用英语首字母缩写PH, DL，N，T，S，P和A来代表从下到上的物理层、数据链路层、网络层
18、、运输层、会话层、表示层和应用层七个层次 图1.8 ISOs OSI层次模型1.4.2 连接策略v电路交换 是以电路联接为目的的交换方式是电路交换方式。 电话网中就是采用电路交换方式。人们可以打一次电话来体验这种交换方式。打电话时，首先是摘下话机拨号。拨号完毕，交换机就知道了要和谁通话，并为双方建立连接，等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，为双方各自开始一次新的通话做好准备。因此，可以体会到，电路交换的动作，就是在通信时建立(即联接)电路，通信完毕时拆除(即断开)电路。至于在通信过程中双方传送信息的内容，与交换系统无关。 v报文交换 这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。 结点把要
19、发送的信息组织成一个数据包报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储转发网络。其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文。 交换结点对各个方向上收到的报文排队，对找下一个转结点，然后再转发出去，这些都带来了排队等待延迟。报文交换的优点是不建立专用链路，线路利用率较高，这是由通信中的等待时延换来的。 电子邮件系统（E-mail）适合采用报文交换方式。v分组交换 分组交换是以分组为单位进行信息
20、传输和交换的方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出。 分组由分组头和其后的用户数据部分组成，分组头包含接收地址和控制信息，其长度为3-10B，用户数据部分长度是固定的，平均为128B，最长不超过256B。 分组交换路由选择确定了输出端口和下一个节点后，必须使用交换技术将分组从输入端口传送到输出端口，实现输送比特通过网络节点。 1.4.3物理层u各层功能物理层：在物理媒体上传输原始的数据比特流信号 EIA-RS-232C 物理层的功能是为在物理媒体上建立、维持和终止传输数据比特流信号的物理连接提供机械、电气、功能和过程的手段 1.4.4数据链路层数
21、据链路层：将比特组合成数据链路协议数据单元DL-PDU帧帧(frame) ：数据链路协议数据单元是OSI标准中使用的术语，又称帧流量控制(flow control) 例子：高级数据链路控制HDLC (High-level Data Link Control)规程 1.4.5网络层 网络层 通信子网的运行控制，主要解决如何把网络协议数据单元(通常我们称为分组)从源传送到目标 通信子网中进行路由路由(routing)选择 1.4.6运输层运输层 第一个端对端，也就是主机到主机的层次 高层用户就可利用运输层的服务直接进行端到端的数据传输，从而不必知道通信子网的存在 分流分流(splitting) :
22、 用于提高吞吐量复用复用(multiplexing) ：将多个运输通信合用一条网络连接 处理端到端的差错控制和流量控制的问题 总之，运输层为上层用户提供端对端的透明优化的数据传输服务1.4.7会话层会话层允许不同主机上各种进程之间进行会话 运输层是主机到主机的层次，而会话层是进程到进程之间的层次。会话层组织和同步进程间的对话 全双工或半双工 提供同步服务 1.4.8表示层表示层 为上层用户提供共同需要的数据或信息语法表示变换 为了让采用不同编码方法的计算机通信交换后能相互理解数据的语义，可以采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式。管理这些抽象的数据结构，并把计算机内部的表示
23、形式转换成网络通信中采用的标准表示形式都是由表示层来完成的。 1.4.9应用层 应用层 开放系统互连环境的最高层 网络环境下不同主机间的文件传送、访问和管理文件传送、访问和管理FTAM(File Transfer, Access and Management)；网络环境下传送标准电子邮件的文电处理系统文电处理系统MHS(Message Handling System)；方便不同类型终端和不同类型主机间通过网络交互访问的虚拟终端虚拟终端VT(Virtual Terminal)协议等，都属于应用层的范畴 u基本概念基本概念服务访问点服务访问点SAP(Service Access Point) ：接
24、口处提供服务的地方 服务是通过一组服务原语服务原语来执行的。OSI模型中，将服务原语划分为四类 请求请求(request)： 由服务用户发往服务提供者，请求它完成某项工作，如发送数据。指示指示(indication)： 由服务提供者发往服务用户，指示发生了某些事件。 响应响应(response)： 由服务用户发往服务提供者，作为对前面发生的指示的响应。 证实证实(confirm)： 由服务提供者发往服务用户，作为对前面发生的请求的证实。 图1.9四类服务原语服务原语的简单例子v连接请求连接请求： 呼叫方服务用户请求建立一个连接。v连接指示连接指示： 连接请求通过服务提供者的虚通信传到被叫方后，
25、被叫方服务提供者向被叫方服务用户指示有建立连接的请求。v连接响应连接响应： 若被叫方服务用户准备建立连接，则通过此原语告诉本方服务提供者。v连接证实连接证实： 呼叫方服务提供者通过虚通信得知被叫方同意建立连接后，由此原语告知呼叫方服务用户。通过以上四步就建立了一条呼叫方与被叫方间的连接，可在其中传输数据 数据请求数据请求： 呼叫方服务用户通过此原语请求本方服务提供者将数据送给被叫方。数据指示数据指示： 被叫方服务提供者收到对方送来的数据后通知服务用户。断连请求断连请求： 任何一方用户可通过此原语请求释放连接，由服务提供者传至对等方。断连指示断连指示： 对等方服务提供者通过此原语告诉本方服务用户
26、释放连接。服务分证实和非证实v证实：如连接服务，要使用请求、指示、响应和证实四类原语 v非证实：数据传送服务和断连服务，只使用请求和指示两类原语 图1.10 数据的实际传递过程1.4.10因特网络参考模型 图1.11 Internet 层次参考模型u基本概念Internet 实际上不是一个单一的网络，网际网 互连网层：互连各种各样的通信子网，该层运行IP协议Internet实际上并没有具体规定子网层运行的协议，任何一种通信子网只要在其上的服务可以支持IP协议，都可接入Internet，并通过它互连 通信子网在ISOs OSI模型中对应于物理层、数据链路层和部分网络层的功能 Internet层次
27、模型中的互连网层大致对应于ISO 8648中规定的网络层中子网无关汇合（Sub Network Independent Convergence, SNIC）子层和中继及路由（Relay & Routing, RR）子层，即ISOs OSI模型网络层中高层子层的功能。Internet中的运输层与ISOs OSI中的运输层几乎是完全对应的，在两个模型中都是第一个完成端到端数据传输的层次。 TCP和UDP间的主要区别在于，前者提供的是面面向连接的服务向连接的服务（connection-oriented service），而后者提供的是无连接的服务无连接的服务（connectionless servi
28、ce） 在OSI的网络层中同样允许有两种服务，即提供面向连接的网络服务或者是无连接的网络服务。但是，在Internet的互连网层提供的仅是无连接的服务，这是它与OSI参考模型的不同点之一 Internet应用层中常用的三个协议的名称，即文件文件传送协议传送协议FTP（File Transfer Protocol）、简单简单报文传送协议报文传送协议SMTP(Simple Message Transfer Protocol)和远程网络登录协议远程网络登录协议TELNET（TELecommunication NETwork） 图1.12 Internet 使用的协议及与OSI的关系uOSI与因特网参考模型的相同点：它们都是层次结构的模型；其最低层都是面向通信子网的；它们都有运输层，且都是第一个提供端到端数据传输服务的层次，都能提供面向连接或无连接两种运输服务；其最高层都是向各种用户应用进程提供服务的应用层等 uOSI与因特网参考模型的不同点：两者所划分的层次数不同；Internet中没有表示层和会话层；Internet没有明确规定通信子网的协议，也不再区分通信子网中的物理层、数据链路层和网络层；还有，Internet中特别强调了互连网层，其中运行的IP协议是Internet的核心协议，且互连网层向上只提供无连接的服务，而不提供面向连接的服务
