第1章通信、標準和協(xié)議

第1章通信、標準和協(xié)議簡介通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.光纖通信光纖通信具有容量大、成本低等優(yōu)點，且不怕電磁干擾，與同軸電纜相比可以大量節(jié)約有色金屬和能源。因此，自1977年世界上第一個光纖通信系統(tǒng)在芝加哥投入運行以來，光纖通信發(fā)展極為迅速，新器件、新工藝、新技術不斷涌現(xiàn)，性能日臻完善。由于長波長激光器和單模光纖的出現(xiàn)，使每芯光纖通話路數(shù)可高達百萬路，中繼距離將達到100km，市話中繼光纖成本也連續(xù)大幅度下降。我國近幾年來光纖通信已得到了快速發(fā)展，目前光纜長度累計近幾十萬km。我國已不再敷設同軸電纜，新的工程將全部采用光纖通信新技術。1.1通信技術2.衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信的特點是通信距離遠，覆蓋面積廣，不受地理條件限制，可以大容量傳輸，建設周期短，可靠性高等。自1960年第一顆衛(wèi)星發(fā)射成功以來，衛(wèi)星通信發(fā)展特別迅猛。目前，衛(wèi)星通信的使用范圍已遍及全球，僅國際衛(wèi)星通信組織就擁有數(shù)十萬條話路。衛(wèi)星通信的廣泛應用，使國際間重大活動能及時得以實況轉播，它使全世界人與人之間的“距離”縮短。3.移動通信移動通信是現(xiàn)代通信中發(fā)展最為迅速的一種通信手段，它是隨著汽車、飛機、輪船、火車等交通工具的發(fā)展而同步發(fā)展起來的。近10年來，在微電子技術和計算機技術的推動下，移動通信從過去簡單的無線對講或廣播方式發(fā)展成為一個把有線、無線融為一體，固定、移動相互連通的全國規(guī)模，甚至全球范圍的通信系統(tǒng)。移動通信的發(fā)展方向是數(shù)字化、微型化和標準化。20世紀90年代將是蜂窩電話迅速普及的年代。但目前世界上存在八種不同的技術體制，互不兼容，因此標準化成為當務之急。數(shù)字化的關鍵是調制、糾錯編碼和話音編碼方式的確定。微型化的目標是研制重量非常輕的個人攜帶的手機。4.微波中繼通信微波中繼通信始于20世紀60年代，它較一般電纜通信具有易架設，建設周期短等優(yōu)點。它是目前通信的主要手段之一，主要用來傳輸長途電話和電視節(jié)目，其調制主要采用SSB/FM/FDM等方式。微波中繼通信的主要發(fā)展方向是數(shù)字微波，同時要不斷增加系統(tǒng)容量，增加容量的途徑是向多電平調制技術發(fā)展。目前采用的調制方式有16QAM和64QAM，并已出現(xiàn)256QAM、1024QAM等超多電平調制的方式。采用多電平調制，在40MHz的標準頻道間隔內(nèi)，可傳送1920至7680路PCM數(shù)字電話。1.2計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡大體上可以分為四個階段：面向終端的計算機網(wǎng)絡計算機-計算機網(wǎng)絡開放式標準化的計算機網(wǎng)絡目前所處的網(wǎng)絡計算的新階段。面向終端的計算機網(wǎng)絡五十年代中至六十年代實際上是以單個計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)，雖然歷史上也曾稱它為計算機網(wǎng)絡，但現(xiàn)在為了更明確地與后來出現(xiàn)的多臺計算機互連的計算機網(wǎng)絡相區(qū)分，也稱為面向終端的計算機網(wǎng)絡。例子：50年代，美國半自動地面環(huán)境SAGE（Semi-AutomaticGroundEnvironment）防空系統(tǒng)60年代初期美國航空公司投入使用的由一臺中心計算機和全美范圍內(nèi)2000多個終端組成的飛機票預訂系統(tǒng)SABRE（Semi-AutomaticBusinessResearchEnvironment）圖1.1面向終端的計算機網(wǎng)絡FEP(FrontEndProcessor,簡稱為前端機):前端處理機TC(TerminalController):終端控制器M(Modem):調制解調器T(Terminal):代表終端計算機-計算機網(wǎng)絡六十年代末至七十年代末多臺計算機通過通信線路互連起來而為用戶提供服務，即是計算機-計算機網(wǎng)絡和以單臺計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)的顯著區(qū)別：都是具有自主處理能力的，不存在主從關系這才是我們目前常稱的計算機網(wǎng)絡例子 ARPA網(wǎng)(ARPANET)：目前稱為DARPA——DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,ARPANET也由此被公認為是第一個真正的計算機網(wǎng)絡。

H(host):主機IMP(InterfaceMessageProcessor):接口報文處理機即交換機(switch)或路由器(router)存儲轉發(fā)(storeandforward)圖1.2存儲轉發(fā)的計算機-計算機網(wǎng)絡開放式標準化的計算機網(wǎng)絡八十年代初至九十年代初它具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡體系結構、遵循國際標準化的協(xié)議例子：因特網(wǎng)(Internet)它是在原ARPANET基礎上經(jīng)過改造而逐步發(fā)展起來的，它是對任何計算機開放的，只要遵循TCP／IP協(xié)議簇的標準，并申請到IP地址就都可以通過信道接入Internet兩個核心協(xié)議：TCP(傳輸控制協(xié)議,TransmissionControlProtocol)和IP(網(wǎng)際協(xié)議或互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,InternetProtocol)網(wǎng)絡計算(NetworkComputing):以網(wǎng)絡為中心的計算(NetworkCentricComputing)或者以網(wǎng)絡為基礎的計算(Network-basedComputing)計算機網(wǎng)絡的定義一般定義：計算機網(wǎng)絡看成是由各自具有自主功能而又通過各種通信手段相互連接起來以便進行信息交換、資源共享或協(xié)同工作的計算機組成的復合系統(tǒng)

構成：計算機網(wǎng)絡由通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)兩部分構成使整個網(wǎng)絡的設計與運行簡化圖1.4計算機網(wǎng)絡的構成H(host):主機計算機網(wǎng)絡的發(fā)展方向計算機網(wǎng)絡向高速寬帶化發(fā)展以遠距離網(wǎng)絡為例CCITTX.25建議組建的公用分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)速率只有64Kb/s

幀中繼（FrameRelay）技術已可提高至2Mb/s

異步傳送模式ATM（AsynchronousTransferMode）又可達到155Mb/s、622Mb/s甚至2.5Gb/s的數(shù)據(jù)速率波分多路復用WDM（WaveDivisionMultiplexing）技術密集波分多路復用DWDM（DenseWDM），高達6400Gb/s

網(wǎng)絡多媒體應用，服務質量，組播(Multicast)虛擬局域網(wǎng)VLAN(VirtualLocalAreaNetwork)、虛擬專網(wǎng)VPN(VirtualPrivateNetwork)、無線局域網(wǎng)WLAN(WirelessLAN)、新一代的網(wǎng)際協(xié)議IPv6、對等計算(Peer-to-peerComputing)、網(wǎng)格(Grid)、移動自組網(wǎng)(MobilAdHocNetwork)和主動網(wǎng)(ActiveNetwork)等拓撲結構

1.總線型拓撲結構

(1)總線型拓撲結構的組成

1.總線型拓撲結構(2)總線型拓撲結構的優(yōu)點①布線容易、電纜用量小?？偩€型網(wǎng)絡中的節(jié)點都連接在一個公共的通信介質上，所以需要的電纜長度短，減少了安裝費用，易于布線和維護。②可靠性高?？偩€結構簡單，從硬件觀點來看，十分可靠。③易于擴充。在總線型網(wǎng)絡中，如果要增加長度，可通過中繼器加上一個附加段；如果需要增加新節(jié)點，只需要在總線的任何點將其接入。④易于安裝?？偩€型網(wǎng)絡的安裝比較簡單，對技術要求不是很高。1.總線型拓撲結構(3)總線型拓撲結構的局限性①故障診斷困難。雖然總線拓撲簡單，可靠性高，但故障檢測卻不容易。因為具有總線拓撲結構的網(wǎng)絡不是集中控制，故障檢測需要在網(wǎng)上各個節(jié)點進行。②故障隔離困難。對于介質的故障，不能簡單地撤消某工作站，這樣會切斷整段網(wǎng)絡。③中繼器配置。在總線的干線基礎上擴充時，需要增加中繼器，并重新設置，包括電纜長度的裁剪，終端匹配器的調整等。④通信介質或中間某一接口點出現(xiàn)故障，會導致整個網(wǎng)絡癱瘓。⑤終端必須是智能的。因為接在總線上的節(jié)點有介質訪問控制功能，因此必須具有智能，從而增加了站點的硬件和軟件費用。2.星型拓撲結構(1)星型拓撲結構的組成2.星型拓撲結構(2)星型拓撲結構的優(yōu)點①可靠性高。在星型拓撲的結構中，每個連接只與一個設備相連，因此，單個連接的故障只影響一個設備，不會影響整個網(wǎng)絡。②方便服務。中央節(jié)點和中間接線都有一批集中點，可方便地提供服務和進行網(wǎng)絡重新配置。③故障診斷容易。如果網(wǎng)絡中的節(jié)點或者通信介質出現(xiàn)問題，只會影響到該節(jié)點或者通信介質相連的節(jié)點，不會涉及整個網(wǎng)絡，從而比較容易判斷故障的位置。2.星型拓撲結構(3)星型拓撲結構的缺點星型拓撲結構雖然有許多優(yōu)點，但是也有缺點：①擴展困難、安裝費用高。增加網(wǎng)絡新節(jié)點時，無論有多遠，都需要與中央節(jié)點直接連接，布線困難且費用高。②對中央節(jié)點的依賴性強。星型拓撲結構網(wǎng)絡中的外圍節(jié)點對中央節(jié)點的依賴性強，如果中央節(jié)點出現(xiàn)故障，則全部網(wǎng)絡不能正常工作。3.環(huán)型拓撲結構(1)環(huán)型拓撲結構的組成3.環(huán)型拓撲結構(2)環(huán)型拓撲結構的優(yōu)點①電纜長度短。環(huán)型拓撲結構所需的電纜長度與總線型相當，但比星型要短。②適用于光纖。光纖傳輸速度高，環(huán)型拓撲網(wǎng)絡是單向傳輸，十分適用于光纖通信介質。如果在環(huán)型拓撲網(wǎng)絡中把光纖作為通信介質，將大大提高網(wǎng)絡的速度和加強抗干擾的能力。③無差錯傳輸。由于采用點到點通信鏈路，被傳輸?shù)男盘栐诿恳还?jié)點上再生，因此，傳輸信息誤碼率可減到最少。3.環(huán)型拓撲結構(3)環(huán)型拓撲結構的缺點①可靠性差。在環(huán)上傳輸數(shù)據(jù)是通過接在環(huán)上的每個中繼器完成的，所以任何兩個節(jié)點間的電纜或者中繼器故障都會導致整個網(wǎng)絡故障。②故障診斷困難。因為環(huán)上的任一點出現(xiàn)故障都會引起網(wǎng)絡絡的故障，所以難于對故障進行定位。③調整網(wǎng)絡比較困難。要調整網(wǎng)絡中的配置，例如擴大或縮小，都是比較困難的。全連接拓撲結構組合拓撲結構包含多種拓撲形式協(xié)議(protocol)：兩臺計算機通信時對傳送信息內(nèi)容的理解、信息表示形式以及各種情況下的應答信號都必須遵循一個共同的約定體系結構(architecture)：在一個計算機網(wǎng)絡中將協(xié)議按功能分成了若干層次。如何分層，以及各層中具體采用的協(xié)議的總和，稱為網(wǎng)絡的體系結構

第一階段計算機網(wǎng)絡的遠程聯(lián)機系統(tǒng)以被各終端共享的單臺計算機為中心第二階段計算機-計算機網(wǎng)絡以通信子網(wǎng)為中心1.3標準開放式標準化的計算機網(wǎng)絡八十年代初至九十年代初它具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡體系結構、遵循國際標準化的協(xié)議國際標準化組織ISO(InternationalStandardsOrganization)制定了開放系統(tǒng)互連基本參考模型(OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel,OSI/RM)的國際標準ISO7498，也被稱為OSI七層模型

1.4層次模型圖1.7計算機網(wǎng)絡的層次模型要點歸納如下除了在物理媒體上進行的是實通信外，其余各對等層實體間進行的都是虛通信對等層的虛通信必須遵循該層的協(xié)議。

n層的虛通信是通過n-1／n層間接口處n-1層提供的服務以及n-1層的通信(通常也是虛通信)來實現(xiàn)的。如何分層有些主要的原則可以遵守。比如說：每層的功能應是明確的，并且相互獨立的。當某一層具體實現(xiàn)方法更新時，只要保持層間接口不變，不會對鄰層造成影響層間接口清晰，跨越接口的信息量應盡可能少層數(shù)應適中。若太少，則層間功能劃分不明確，多種功能混雜在一層中，造成每一層的協(xié)議太復雜。若太多，則體系結構過于復雜，各層組裝時的任務要困難得多OSI模型共分為七層從下到上依次為物理層(physicallayer)、數(shù)據(jù)鏈路(datalink)層、網(wǎng)絡(network)層、運輸(transport)層、會話(session)層、表示(presentation)層和應用(application)層。在主機中要有七層，但通信子網(wǎng)中的IMP中卻不一定要有七層，通常只有下三層，甚至可以只有下兩層1.4.1概述用英語首字母縮寫PH,DL，N，T，S，P和A來代表從下到上的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層、會話層、表示層和應用層七個層次圖1.8ISO’sOSI層次模型1.4.2連接策略電路交換是以電路聯(lián)接為目的的交換方式是電路交換方式。電話網(wǎng)中就是采用電路交換方式。人們可以打一次電話來體驗這種交換方式。打電話時，首先是摘下話機撥號。撥號完畢，交換機就知道了要和誰通話，并為雙方建立連接，等一方掛機后，交換機就把雙方的線路斷開，為雙方各自開始一次新的通話做好準備。因此，可以體會到，電路交換的動作，就是在通信時建立(即聯(lián)接)電路，通信完畢時拆除(即斷開)電路。至于在通信過程中雙方傳送信息的內(nèi)容，與交換系統(tǒng)無關。報文交換這種方式不要求在兩個通信結點之間建立專用通路。結點把要發(fā)送的信息組織成一個數(shù)據(jù)包——報文，該報文中含有目標結點的地址，完整的報文在網(wǎng)絡中一站一站地向前傳送。每一個結點接收整個報文，檢查目標結點地址，然后根據(jù)網(wǎng)絡中的交通情況在適當?shù)臅r候轉發(fā)到下一個結點。經(jīng)過多次的存儲——轉發(fā)，最后到達目標，因而這樣的網(wǎng)絡叫存儲——轉發(fā)網(wǎng)絡。其中的交換結點要有足夠大的存儲空間（一般是磁盤），用以緩沖收到的長報文。交換結點對各個方向上收到的報文排隊，對找下一個轉結點，然后再轉發(fā)出去，這些都帶來了排隊等待延遲。報文交換的優(yōu)點是不建立專用鏈路，線路利用率較高，這是由通信中的等待時延換來的。電子郵件系統(tǒng)（E-mail）適合采用報文交換方式。分組交換分組交換是以分組為單位進行信息傳輸和交換的方式，即將到達交換機的分組先送到存儲器暫時存儲和處理，等到相應的輸出電路有空閑時再送出。分組由分組頭和其后的用戶數(shù)據(jù)部分組成，分組頭包含接收地址和控制信息，其長度為3-10B，用戶數(shù)據(jù)部分長度是固定的，平均為128B，最長不超過256B。分組交換路由選擇確定了輸出端口和下一個節(jié)點后，必須使用交換技術將分組從輸入端口傳送到輸出端口，實現(xiàn)輸送比特通過網(wǎng)絡節(jié)點。1.4.3物理層各層功能物理層：在物理媒體上傳輸原始的數(shù)據(jù)比特流信號EIA-RS-232C

物理層的功能是為在物理媒體上建立、維持和終止傳輸數(shù)據(jù)比特流信號的物理連接提供機械、電氣、功能和過程的手段1.4.4數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層：將比特組合成數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元DL-PDU幀(frame)：數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議數(shù)據(jù)單元是OSI標準中使用的術語，又稱幀流量控制(flowcontrol)例子：高級數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC(High-levelDataLinkControl)規(guī)程1.4.5網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層通信子網(wǎng)的運行控制，主要解決如何把網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)單元(通常我們稱為分組)從源傳送到目標通信子網(wǎng)中進行路由(routing)選擇1.4.6運輸層運輸層第一個端對端，也就是主機到主機的層次高層用戶就可利用運輸層的服務直接進行端到端的數(shù)據(jù)傳輸，從而不必知道通信子網(wǎng)的存在分流(splitting):用于提高吞吐量復用(multiplexing)：將多個運輸通信合用一條網(wǎng)絡連接處理端到端的差錯控制和流量控制的問題總之，運輸層為上層用戶提供端對端的透明優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸服務1.4.7會話層會話層允許不同主機上各種進程之間進行會話運輸層是主機到主機的層次，而會話層是進程到進程之間的層次。會話層組織和同步進程間的對話全雙工或半雙工提供同步服務 1.4.8表示層表示層為上層用戶提供共同需要的數(shù)據(jù)或信息語法表示變換為了讓采用不同編碼方法的計算機通信交換后能相互理解數(shù)據(jù)的語義，可以采用抽象的標準方法來定義數(shù)據(jù)結構，并采用標準的編碼表示形式。管理這些抽象的數(shù)據(jù)結構，并把計算機內(nèi)部的表示形式轉換成網(wǎng)絡通信中采用的標準表示形式都是由表示層來完成的。1.4.9應用層

應用層開放系統(tǒng)互連環(huán)境的最高層網(wǎng)絡環(huán)境下不同主機間的文件傳送、訪問和管理FTAM(FileTransfer,AccessandManagement)；網(wǎng)絡環(huán)境下傳送標準電子郵件的文電處理系統(tǒng)MHS(MessageHandlingSystem)；方便不同類型終端和不同類型主機間通過網(wǎng)絡交互訪問的虛擬終端VT(VirtualTerminal)協(xié)議等，都屬于應用層的范疇基本概念服務訪問點SAP(ServiceAccessPoint)：接口處提供服務的地方服務是通過一組服務原語來執(zhí)行的。OSI模型中，將服務原語劃分為四類請求(request)：由服務用戶發(fā)往服務提供者，請求它完成某項工作，如發(fā)送數(shù)據(jù)。指示(indication)：由服務提供者發(fā)往服務用戶，指示發(fā)生了某些事件。響應(response)：由服務用戶發(fā)往服務提供者，作為對前面發(fā)生的指示的響應。證實(confirm)：由服務提供者發(fā)往服務用戶，作為對前面發(fā)生的請求的證實。圖1.9四類服務原語服務原語的簡單例子連接請求：呼叫方服務用戶請求建立一個連接。連接指示：連接請求通過服務提供者的虛通信傳到被叫方后，被叫方服務提供者向被叫方服務用戶指示有建立連接的請求。連接響應：若被叫方服務用戶準備建立連接，則通過此原語告訴本方服務提供者。連接證實：呼叫方服務提供者通過虛通信得知被叫方同意建立連接后，由此原語告知呼叫方服務用戶。通過以上四步就建立了一條呼叫方與被叫方間的連接，可在其中傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)請求：呼叫方服務用戶通過此原語請求本方服務提供者將數(shù)據(jù)送給被叫方。數(shù)據(jù)指示：被叫方服務提供者收到對方送來的數(shù)據(jù)后通知服務用戶。斷連請求：任何一方用戶可通過此原語請求釋放連接，由服務提供者傳至對等方。斷連指示：對等方服務提供者通過此原語告訴本方服務用戶釋放連接。服務分證實和非證實證實：如連接服務，要使用請求、指示、響應和證實四類原語非證實：數(shù)據(jù)傳送服務和斷連服務，只使用請求和指示兩類原語圖1.10數(shù)據(jù)的實際傳遞過程1.4.10因特網(wǎng)絡參考模型圖1.11Internet層次參考模型基本概念Internet實際上不是一個單一的網(wǎng)絡，網(wǎng)際網(wǎng)互連網(wǎng)層：互連各種各樣的通信子網(wǎng)，該層運行IP協(xié)議Internet實際上并沒有具體規(guī)定子網(wǎng)層運行的協(xié)議，任何一種通信子網(wǎng)只要在其上的服務可以支持IP協(xié)議，都可接入Internet，并通過它互連通信子網(wǎng)在ISO’sOSI模型中對應于物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和部分網(wǎng)絡層的功能Internet層次模型