07通信和网络

第七章通信和网络我们今天使用的大多数信息系统需要网络和通信技术。全世界大大小小的公司正在使用网络系统和因特网来寻找供应商和买主，与他们洽谈合同以及为他们的交易服务。网络应用正在研究、组织协调和控制方面激增。网络系统是电子交易和电子商务的基础。第一节数据通信数据通信系统是计算机网络的重要组成部分，其主要任务是将地理位置不同的计算机或终端设备联结起来，高效率地完成数据传输、信息交换和通信处理的任务。一、数据通信方式信号从发送端传输到接收端时，有多种通信方式和数据编码可以选择。事实上，许多网络采用不同的传送方式和代码。（一）模拟信号与数字信号声音，包括人的语音，是通过模拟信号传输的。模拟信号（analogsignal）是连续的正弦波。多数计算机使用数字信号通信。数字信号（digitalsignal）分为“开”、“关”两种离散的电脉冲。与模拟信号相比，数字信号的优势在于，它能够更容易地减少或消除传输中的噪音及错误信号，这一点在长距离传输中表现得尤为突出。另一个优点是，它与数字计算机系统相兼容，这样就不必在计算机系统使用数字传输通路时进行多次模拟或数字转换。（二）异步传输与同步传输异步传输是以字符为单位进行传输和识别的。每传一个字符的数据，先在字符前传送一个起始码，一个字符传送完，再插入一个或两个终止码。这样，在接收端可以通过识别接收到的起始码和终止码，而得到两者之间的传输字符。同步传输是以一段报文（字符序列）为单位进行传输和识别的。为了使接收方确定报文的开始和结束，每个报文前用一个或多个同步字符开始，这样在接收端可以从接收到的信号中通过提取同步字符来获得每个比特的同步信息。显然同步方式插入的附加码的位数少得多，因此比异步方式速度快，但对线路要求高，通信控制过程复杂。（三）单工、半双工、全双工传输有些网络的通道能够单向传输信息，称为单工传输。商用无线电广播网络系统即为单工网络系统。有些网络的通道允许信息双向传输，但在某一特定时刻，仅有一个方向允许信息传送，如无线电收发装置，成为半双工传输。有些网络的通道允许同时向两个方向传输信息，称为全双工传输。公用电话网采用全双工的通道。（四）数据交换要将数据从发送端传输到接收端，最简单直接的方法是在两端之间建立专用通信线路，但在通信网络中，为提高线路的使用效率，就要使线路能够多路复用，因此，采用数据交换方式。所谓数据交换，就是从发送端发出的数据要通过网络的中间节点，这些中间节点作为交换设备将数据从一个节点传到另一个节点，直至达到接收端。常用的3种基本交换方式是线路交换、报文交换和分组交换。线路交换线路交换是在需要进行数据通信时，由交换设备（交换机）在数据发送方和数据接收方建立起一个实际的线路连接，一旦线路接通，就按照收发双方设定的数据格式、速率进行传输，不受交换机的任何干预，直至全部传输完毕。报文交换在报文交换中，发送端将要传输的数据处理成一定大小的报文，以一个完整报文为单位进行传输。交换机收到报文后，检查报头中的目的地址，按照地址将报文传送到另一个交换机上，或直接发送到接收端。与线路交换中的两端直接连通不同，报文交换采用了存储转发技术，即报文传到交换机上后，就中断传送线路，将报文暂时存储在交换机上，待交换机根据报文中的目的地址找到最佳可用路径后，在将报文转发出去。分组交换分组交换也采用存储转发方式，但与报文交换不同的是，在发送端将报文分解成固定长度的数据分组，并在分组的前后加上分组编号、目的地址、分组校验码以及一些协议信息，形成报文分组，以报文分组作为独立的存储转发单位，从而大大提高了传输和交换转接的灵活性。报文分组也称为包，因此分组交换有时也叫作包交换。二、通信信道通信信道（channel）是通过数据被从网络上的一个设备传送到另一个设备的手段。一个信道可以利用不同的通信传送介质，如双绞线、光缆、同轴电缆、微波、卫星和其他无线传送设备等。每一种都有各自的优点和局限。一般而言，高速的传送介质比较昂贵，但是它们可以处理比较大的容量，这就减少了每一位的费用。图6.1传送介质的速度介质速度费用双绞线300BPS—10MBPS低微波256BPS—100MBPS卫星256BPS—100MBPS同轴电缆56BPS—200MBPS光缆500BPS—10GBPS高BPS=比特每秒KBPS=千比特每秒MBPS=兆比特每秒GBPS=吉比特每秒三、数据通信系统一个数据通信系统由以下关键部件组成：1．处理信息的计算机。2．传送或者接收数据的终端或者任何输入/输出设备。3．通信信道：通过信道连接，数据或者声音在网络中的发送和接收设备之间被传送。4．通信处理器：诸如调制解调器、控制器和前端机等提供对数据传送和接收的支持功能。5．控制通信网络的输入/输出活动和管理其他功能的通信软件。前端处理机前端处理机（front-endprocessor）是一个专用于通信管理、紧挨着主机的专用计算机。前端处理机执行诸如错误控制、格式化、编辑、控制、路由安排以及速度和信号转换等通信处理。协议转换器由于网络系统发展需经历若干年，设计过程中常常采用折衷原则。在这期间，组织可能经历几番合并与重组以及技术上的多次革新。其结果是企业网由许多不同类型的设备、信道、传输方式、编码混合而成。协议转换器将信息从一个系统转换到另一个系统，以实现不同设备之间的通话。调制解调器目前使用的电话线多数是模拟信道。为在这种信道中传输数据，需要把数据转化为模拟信号。但计算机使用数字信号而不使用模拟信号。为在语音或模拟信道上传输大量数字信息，就必须先将这些数字量转化为模拟量，而在信道的另一端模拟量又必须被还原为数字量以被终端识别、使用。为提供这一转换，调制解调器调制并解调模拟信号代表的数字信号。图6.2调制解调器的功能计算机调制解调器调制解调器计算机1111000000数字数字模拟终端连接设备将多个终端或工作站接入网络系统或服务器的连接设备有控制器、多路复用器、集线器等。每个终端连接一条线路的方式不符合成本——效益原则。许多通讯系统利用操作终端与传输线路速度不同的特点，将若干慢速终端的信息放在一条线路上快速传输。集线器集线器（concentrator）是一个可编程的计算机，它收集和临时存储来自终端的信息，直到信息量足够，它就经济地把信息发送出去。集线器把大量的信号传给主机。控制器控制器（controller）是监控中央处理单元以及诸如终端和打印机等外围设备之间通信量的专用计算机。控制器管理来自于这些设备的信息，并且把它们传送给中央处理单元。它还把来自于中央处理单元的输出安排路由传给合适的外围设备。多路复用器多路复用器（multiplexer）是能够使一个单一的通信信道从多个源同时运载数据传送的设备。多路转换器把通信信道划分，这样它可以被多个传送设备共享。多路转换器可以把一个高速的信道划分成多个速度比较慢的信道，或者分配给每一个传送源一个很小的时间片来使用该高速信道。网络连接设备一些设备允许网络系统与其他一个或多个网络系统连接。典型的网络连接设备有：交换机、路由器、网桥、中继器。中继器当长距离传输信号减弱时，中继器起到增强信号的作用。这样，中继器可以用于两个远程网络的连接。网桥当两个网络由中继器连接后，从一个系统发出的信号都会传输到另一个系统。原本正常畅通的两个网络系统就会因为承载对方的负荷而变得拥挤，响应时间过长。为了避免发生这类问题，需要使用网桥。网桥也可以转发信号，但只有当发送目的地址不在本网络范围内时，信号才会被发送到另一网络。路由器网桥不是连接多个网络的有效设备。由于网桥将不是将发送到本网络的信号传输到其他网络中，当多个网络使用网桥相连时，网络会因为其他网桥信号堵塞而溢出，为了避免这一问题，可以使用路由器。路由器不会毫无选择地将其收到的报文向外发送，它要首先确定信号发送的目的地，然后决定到达目的地的路径，最后选择最短的路径将信号以最快的速度送往接收方。第二节计算机网络存在着许多把远程通信部件组织起来形成一个网络的不同方法，所以也就有多种网络分类方法。网络可以按照形状或者拓扑结构来分类。网络还可以按照地理范围和所提供的服务类型来分类。一、网络拓扑结构网络拓扑结构（topology）是指网络的链路和节点在地理上所形成的几何图形。目前，计算机网络的基本拓扑结构有三种形式：星形、总线形和环形。（一）星形网络星形网络（starnetwork）其工作站以星形方式连接，以控制整个网络的主控计算机为中央节点，各工作站间相互通信时必须通过中央节点。这种结构的网络具有传输速度快，网络构形简单、建网容易、便于控制和管理等优点。但当工作站数量增加时，中央节点的负荷会很重，从而会降低系统的性能。图6.3星形网络拓扑结构（二）总线形网络总线形网络（busnetwork）为线状连接，是将各节点设备和一根总线相连。网络上的所有工作站都通过总线进行信息传输。总线网络连接简单，在总线上添加工作站方便。如总线上某一节点出现故障，可简单地把它从总线上断开，并不会影响网络的整体运行。图6.4总线形网络拓扑结构（三）环形网络环形网络（ringnetwork）是网络中各节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的闭合环形结构，是一种闭合的总线结构。这种结构节点与节点之间的通信要通过重发器进行，信息在环上沿一个方向进行传递，由被寻址的节点获取信息。由于重发器是一个有源器件，易于实现高速传递和传送的控制。环形结构的缺点是当某一节点发生故障时，会影响到整个网络的正常工作。图6.5环形网络拓扑结构二、网络的类型根据计算机网络系统中各个计算机的地理区域分布及组网方式，一般把网络分为：局域网、广域网、企业网和国际互联网。（一）局域网局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是指传输距离在0.1～10㎞，传送速率在1Mb/s～10Mb/s的范围较小的一种网络。局域网通常用来连接公司办公室或企业内部的个人计算机和工作站，以共享软、硬件资源。局域网是计算机网络发展最快的一个分支，经过60年代的技术准备、70年代的技术开发和80年代的商品化阶段，现在已经在企、事业单位中发挥着重要的作用，目前正朝着多平台、多协议、异机种方向发展，数据速率和带宽也在不断提高。（二）广域网广域网（WideAreaNetwork，WAN）是局域网的扩展。一般由相距较远的局域网经由公共电信网络互连而成。数据传输速率一般在1.2kMbps～1.554Mbps，传输距离可遍及全球。（三）企业网企业网（Intranet）是近几年兴起的一种利用Internet技术连接企业内各局域网的企业内部网。Intranet利用的技术主要有TCP/IP通信协议、HTTP超文本传输协议、Web服务器软件及客户机浏览器软件等。Intranet可以通过接入方式成为Internet的一部分，也可独立自成体系。（四）InternetInternet即“因特网”，是最大的国际互联网。该网起源于美国国防部的ARPA，包含各种不同领域的应用系统，能够提供商务、政治、经济、娱乐、新闻、科技等各类信息，实现全球范围的信息资源共享。Internet发展很快，目前，Internet已形成覆盖全球的网络，成为远程网络的代名词。我国CHINANET、CERNET等都是该网的一部分。三、网络协议及分层网络通常按层或级的方式来组织，每一层都建立在它的下层之上。不同的网络，层的名字、数量、内容和功能都不尽相同。但是每一层的目的都是向它的上一层提供服务，这一点是相同的。层和协议的集合被称为网络体系结构。作为具体的网络体系结构，当前最重要的和广泛使用的是OSI参考模型和TCP/IP参考模型。OSI参考模型基于国际标准化组织（ISO）的建设，其全称是ISO的OSI开放系统互联参考模型。OSI模型分为7层，其分层原则如下：1．根据不同层次的抽象分层。2．每层应当实现一个定义明确的功能。3．每层功能的选样应该有助于制定网络协议的国际化标准。4．各层边界的选择应尽量减少跨越接口的通信量。5．层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，以免体系结构过大。