第7章 数据通信与计算机网络

1. 第7章 数据通信与计算机网络

2. 本章学习目标 • 本章介绍了数据通信的一些基本术语和数据传输的原理，计算机网络中常用的传输媒体，计算机网络的功能及组成以及计算机网络协议体系结构的基本概念。本章重点是掌握数据通信的基本原理、理解网络协议和协议体系结构的概念。

3. 7.1 计算机网络概述

4. 7.1.1 计算机网络的定义 • 1. 计算机网络的定义 • 计算机网络是当今世界上最为活跃的技术因素之一。计算机网络就是把分布在不同地点的多个计算机物理地连接起来，按照网络协议相互通信，以共享软件、硬件和数据资源为目标的系统。也可以说：将分散的计算机、终端、外围设备通过通信媒体互相连接在一起，能够实现互相通信的整个系统。或者说通过通信媒体互连起来的自治的计算机集合体，叫做计算机网络。

5. 2. 计算机网络的产生和发展过程 • 计算机网络从60年代发展到现在，可分为四代： • 第一代：以单计算机为中心的联机系统。 • 第二代：计算机——计算机网络。以远程大规模互连为主要特点，由ARPANET发展和演化而来。 • 第三代：遵循网络体系结构标准建成的网络。依据标准化水平可分为两个阶段：各计算机制造厂商网络结构标准化，遵循国际网络体系结构标准-ISO/OSI构建的网络。 • 第四代：Internet时代。

6. 7.1.2 计算机网络的功能 • 建立计算机网络的目的是：通过数据通信，实现系统的资源共享，增加单机的功能，提高系统的可靠性。因此，计算机网络主要有四种功能。 • 1.数据传送 • 2.资源共享 • 3.提高计算机的可靠性和可用性 • 4.分布处理

7. 7.1.3 计算机网络的分类 • 计算机网络最常用的分类标准是根据网络范围和计算机之间互连的距离来分类。按地域范围分，计算机网络可分为三类：局部地区网络LAN（局域网），广域网WAN和城域网MAN。若简单地分，计算机可分成远程网和局域网。 • 局域网LAN用于将有限范围内（如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互连成网。连接相隔较远的两个或更多局域网的网络被称作广域网WAN。Internet就是一个纵横全球的很复杂且具有扩展性的广域网。由于广域网要从比局域网距离远得多的地方传送数据，所以广域网需要的技术和传输媒体与局域网稍微有点差别。城市地区网络常简称为城域网。城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络。

8. 计算机网络还可按其他的角度分类：如按通信媒体分为有线网和无线网；按速率分为低、中、高速；根据对信道的使用情况，可分点到点通信方式以及多点共享信道模型；按使用范围分为公用网和专用网；按网络控制方式分为集中式和分布式等等。计算机网络还可按其他的角度分类：如按通信媒体分为有线网和无线网；按速率分为低、中、高速；根据对信道的使用情况，可分点到点通信方式以及多点共享信道模型；按使用范围分为公用网和专用网；按网络控制方式分为集中式和分布式等等。

9. 7.1.4 计算机网络的组成 • 1. 计算机网络的逻辑组成 • 从逻辑功能上看，整个网络可划分成资源子网和通信子网两大部分，资源子网包括网络中的所有主计算机、I/0设备、各种软件资源和数据库，负责全网数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。通信子网是由用作信息交换的节点处理机和通信链路组成的独立的数据通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和变换等通信处理工作。计算机网络的逻辑构成如图7.1所示：

10. 图7.1 通信子网和资源子网

11. 2. 信道和数据传输媒体 • 通常将在通信过程中产生和发送信息的设备或计算机称为“信源”，把在通信过程中接收和处理信息的设备或计算机称为“信宿”，而信源和信宿之间的通信线路称为“信道”。也可以说，数据信号传输的必经之路称为“信道”。

12. 物理信道由传输媒体及有关设备组成。如双绞线、铜轴电缆、光纤、电磁波等都是可传输物理信号的媒体，它们都可以用于构成物理信道。网络中两个节点之间的物理通道常称为通信链路。逻辑信道是建立在物理信道上的一种抽象信道概念，在信号的发收点之间存在一条间接的连接。这样的信道是抽象意义下的信道，所以称为逻辑信道。一条物理信道可被分为几条逻辑信道，多条物理信道亦可合为一条逻辑信道。通常把逻辑信道称为“连接”。物理信道由传输媒体及有关设备组成。如双绞线、铜轴电缆、光纤、电磁波等都是可传输物理信号的媒体，它们都可以用于构成物理信道。网络中两个节点之间的物理通道常称为通信链路。逻辑信道是建立在物理信道上的一种抽象信道概念，在信号的发收点之间存在一条间接的连接。这样的信道是抽象意义下的信道，所以称为逻辑信道。一条物理信道可被分为几条逻辑信道，多条物理信道亦可合为一条逻辑信道。通常把逻辑信道称为“连接”。

13. 按传输媒体的不同，物理信道可分为有线信道、无线信道、卫星信道。按在信道上传输信号的不同，可分为传输正弦波模拟量的模拟信道和传输二进制脉冲电信号的数字信道。按传输媒体的不同，物理信道可分为有线信道、无线信道、卫星信道。按在信道上传输信号的不同，可分为传输正弦波模拟量的模拟信道和传输二进制脉冲电信号的数字信道。 • 局域网常用的传输媒体包括双绞线、同轴电缆和光导纤维，另外，还有通过大气的各种形式的电磁传播，如微波、红外线和激光等。 • 红外线和激光都对环境干扰特别敏感。微波对环境干扰不敏感，对方向性要求不强，但存在着窃听、插入和干扰等一系列不安全问题。

14. 3. 计算机网络的拓扑结构 • 所谓网络的拓扑结构（topology），是指连网的计算机(又称节点)在地理分布和连接关系上的几何构形。常见的网络拓扑结构有总线形、星形和环形。

15. 图7.2 网络的拓扑结构

16. 7.2 数据通信基础

17. 7.2.1 模拟通信与数字通信 • 1. 模拟数据与数字数据 • 模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。 • 数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。

18. 2.模拟信号与数字信号 • 信号是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲或光脉冲。可选择适当的参量来表示要传输的数据。 • 当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输媒体；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。

19. 当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤媒体将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤媒体将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。 • 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。

20. 3.模拟通信与数字通信 • (1) 模拟数据通信 • 目前广泛使用公用电话线路来传输语音或计算机数字数据对应的模拟信号，也可以使用公共有线电视网来传输视频和计算机数字数据对应的模拟信号；而微波与卫星通信传输的也可以是模拟数据或数字数据对应的模拟信号。

21. 为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的远距离传输，一般不直接传输模拟信号(包括由数字信号转换而来的模拟信号)，而是在发送方使用某一频率的电磁波作为载波(Carrier)，然后用模拟信号或数字信号对其进行调制(Modulation)，调制后的载波信号(为模拟信号)占有以该载波频率为中心的一段频谱，并能在适于该载波频率的媒体上传输；而在接收方则通过解调(Demodulation)还原叠加于载波上的模拟信号或数字信号。可完成调制和解调的装置称为调制解调器(Modem)。调制解调器是一种转換数字信号和模拟信号的设备，由调制器(MOdulation)和解调器(DEModualtion)兩种设备組合而成。调制解调器是家用个人计算机连接Internet的必要设备。为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的远距离传输，一般不直接传输模拟信号(包括由数字信号转换而来的模拟信号)，而是在发送方使用某一频率的电磁波作为载波(Carrier)，然后用模拟信号或数字信号对其进行调制(Modulation)，调制后的载波信号(为模拟信号)占有以该载波频率为中心的一段频谱，并能在适于该载波频率的媒体上传输；而在接收方则通过解调(Demodulation)还原叠加于载波上的模拟信号或数字信号。可完成调制和解调的装置称为调制解调器(Modem)。调制解调器是一种转換数字信号和模拟信号的设备，由调制器(MOdulation)和解调器(DEModualtion)兩种设备組合而成。调制解调器是家用个人计算机连接Internet的必要设备。

22. 图7.3 转换模拟信号和数字信号的设备Modem

23. 4. 数字信号和模拟信号之间的转换 • 根据信道上传输的是数字信号或模拟信号，相应的传输方式称为数字传输或模拟传输。数字传输传输的是数字信号，模拟传输传输的是模拟信号。可以使用专门的设备将模拟数据变换成数字数据，或将将数字信号变换成模拟信号进行传输。

24. (1) 数字信号的调制 • 数字信号在模拟信道上传输时，要将数字信号转换为模拟信号，这个过程称为调制。到达目的地后要将该模拟信号转换为数字信号，该过程称为解调。调制的方式有3种：振幅调制AM、频率调制FM和相位调制PM。其中振幅调制以无载波代表“0”，有载波代表“1”、频率调制以不同的频率分别代表“0”和“1”，相位调制则是在由“0”到“1”或由“1”到“0”跳变时相位改变180度。

25. (2) 模拟数据转换成数字数据 • 与模拟传输相比，数字传输的失真少，误码率低，数据传输率高。对于要求较高的模拟信号，可将其数字化，以数字信号的形式在数字信道上传输。将模拟信号数字化的变换的设备称为模拟信号编码译码器（Codec）。在该数字信号到达目的地后也要使用Codec转换为模拟信号。将模拟数据转换成数字数据的常用调制方式是脉冲编码调制（PCM编码），它是将一个模拟信号转换为二进制数码脉冲序序列的过程。

26. 5. 差错检测与控制 • 数据通信中，由于信号的衰减和外部电干扰，接收端收到的数据与发送端的数据不一致的现象，称为传输差错。传输中出错的数据是不可用的，不知道是否有错的数据同样不可用。判断数据经传输后是否有错的手段和方法称为差错检测，确保传输数据正确的方法和手段称差错控制。网络中纠正出错的方法通常是让发送方重传出错的数据块。所以，通常差错检测更重要。

27. 7.2.2 数据通信系统的主要技术指标 • 通信系统的主要技术指标是有效性和可靠性。数字通信系统的有效性是指数据传输的最大速度，也就是数字信道的容量；可靠性指误码率，即传输中出错码与传输总码数之比。 • 1. 带宽 • 在模拟信道中，常用带宽表示信道传输信息的能力。带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差，即信号的频谱范围。理论分析表明，模拟信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。

28. 2. 信道容量 • 对于数字通信系统，有时用信道的容量，即用单位时间内最大可传输信息的位数，作为信道传输信息的最大能力的指标。信道容量与信道频带、可用时间及能通过的信号功率与干扰功率比值有关。 • 在实际应用中，信道容量应大于传输速率，否则高的传输速率不能发挥作用。

29. 3. 位速率 • 数据传输速率是指传输线上传输信息的速度。数据传输速率有两种表示方法，即位速率（信号速率）和波特率（调制速率）。 • 在数字信道中，位速率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒位数(bps)、每秒千位数(Kbps)或每秒兆位数(Mbps)来表示。位速率也称信号速率，常用S来表示。

30. 4. 波特率 • 波特率也称调制速率，也称码元速率。码元是对网络中传输的二进制数字中每一位的通称。调制速率B是脉冲信号在调制过程中信号状态变化的次数，或者说是信号经过调制后的传输速率，单位以波特（Baud）表示。通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。 • 位速率和波特率之间有如下关系： • S=B*log2N • 其中N是一个脉冲信号所表示的有效状态，在2进制方式中，N=2，故S=B。即数据传输速率和调制速率相等。

31. 5. 误码率 • 误码率指信息传输的错误率，是衡量传输系统可靠性的指标。误码率以在接收的码元中的错误码元占总传输码元的比例来衡量。通常应低于10-6。

32. 7.2.3 网络的分层结构与OSI模型 • 为了使网络内不同结点之间同层的对等实体能正常进行数据通信，通信双方就必须有一套彼此能够相互了解和共同遵守的规则和约定，即一套语义和语法规则，用以规定有关部件通信过程中的操作，同时为各软件开发者提供一个统一的标准，这就是网络协议。网络协议中的语法（Syntax），指的是数据格式和信号电平等；而语义（Semantics）则包括用于相互协调及差错处理的控制信息。

33. 1. 网络分层结构 • 网络系统是一个功能庞大而复杂的系统。为了方便设计、调试和实现，在开发协议的时候，通常把协议定义成一组规则和格式 (语义和语法)，以一个协议解决一个特定的问题。并将一系列具有既定用途的协议综合起来，明确定义这些协议之间的相互作用，将庞大而复杂的功能分为功能相对独立的若干层。每一层可与相邻的层通信，每一层都建立在它的下层之上。下一层为上一层提供服务，并把该服务如何实现的细节向上一层加以屏蔽。在设计调试中更改某层功能的实现时，其它层不受影响。依靠各层次之间的功能组合，为每个用户与另一节点用户之间提供存取通路。这就是分层结构。分层结构的概念的提出有助于定义每个协议的功能，并可定义协议之间相互作用的方式 (或者说，是定义协议之间的通信方式的协议)。

34. 2. OSI模型 • 1981年，国际标准化组织ISO(International Standard Organization)提出了开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open System Interconnect/Reference Model）。OSI模型用结构描述方法，将整个网络的通信功能划分成七个层次。每个层次完成各自的功能，通过各层间的接口和功能的组合与其相邻的层连接，从而实现两系统间、各节点间信息的传输。OSI定义的异种机连网标准的框架结构，得到国际上的承认，成为各种计算机网络系统结构靠拢的标准，推动了网络的发展。

35. OSI的七层协议从低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中物理层、链路层和网络层一起组成通信子网。会话层、表示层和应用层一起组成资源子网。传输层起着上三层和下三层的连接作用。OSI的七层协议从低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中物理层、链路层和网络层一起组成通信子网。会话层、表示层和应用层一起组成资源子网。传输层起着上三层和下三层的连接作用。

36. 表7.1 ISO/OSI模型

37. 7.2.4 网络互连 • 网际互连的能使某个网络上的用户能访问其它网络上的资源，使不同网络上的用户互相通信和交换信息。这不仅有利于资源共享，也可以从整体上提高网络的可靠性。 • 网间互连的复杂性取决于要互连的网的帧、分组、报文和协议的差异程度。

38. 1. 常见的网络互连设备 • 网际互连并不单指不同的通信子网在网络层的互连。实际上，两个网络之间要互连时，它们之间的差异可以表现在OSI七层模型中的任一层上。用于网络之间互连的中继设备称为网络互连设备。按它们对不同层次的协议和功能转换，网络互连设备处在OSI七层模型的位置及它们的用途如表7.2所示。

39. 表 7.2网络互连设备在OSI七层模型的位置及其用途

40. 2. 公共传输系统和宽带接入技术 • LAN-WAN互连扩大了数据通信网的连通范围，由于协议差异很大，一般采用路由器或网关，并利用公共传输系统联网。 • （1）公共电话交换网PSTN • PSTN是以模拟技术为基础的电路交换网络，因此两个站点经PSTN通信时，中间必须经双方Modem实现数/模信号的转换，其特点是：比较廉价，但带宽有限，中间没有存储转发功能，难以实现变速传输。常通过借用普通拨号电话线或租用一条电话线经PSTN转接入公共分组交换网的方式联网。

41. （2）多兆位数据交换服务SMDS • SMDS是基于城域网MAN协议的包交换公共数据网络，它和ATM一样都是同类高速包交换协议。 • （3）数字数据网DDN • DDN是一种利用数字信道提供数据信号传输的数据传输网，也是面向所有专线或专网用户的基础电信网。DDN网的特点：传输速率高、质量好、距离远、多协议支持、安全可靠、费用低廉。DDN提供的业务有专用电路、帧中继、压缩语音/G3传真业务和虚拟专用网等。DDN接入方式非常丰富，常用的有：二线模拟传输方式、二线（四线）频带调制解调器传输方式、2B+D数据终端单元（DTU）传输方式等等。

42. （4）X.25分组交换网 • X.25网的特点是：网内个节点具有存储转发能力，能接入不同类型的用户设备、可靠性高、多路复用、流量控制和拥塞控制、点对点协议（不支持广播）、支持多种协议，可与其他公用网互连。 • （5）帧中继 • 帧中继在X.25的基础上，简化了差错控制、流量控制和路由选择功能，使数据能快速传输，提高网络吞吐量而形成的一种新型的交换技术。因此帧中继可为原X.25用户提供性能更高或范围更广的业务，另外，帧中继也可基于DDN网等平台上实现。

43. (6) 综合业务数字网ISDN • 现在所说的ISDN，一般指的是窄带综合业务数字网，我国电信部门称为“一线通”。它利用现有公共电话网，将原用户模拟环路改为数字环路。以 64kbps和128kbps速率传送数字信号，可以在打电话的同时传送数据。由于N－ISDN网络分布范围广，使用费用相对低廉，又有较宽的速率范围，因此比较适合作为家庭、小型办公室等离散用户的接入网络。

44. (7) ATM • ATM是由ISDN技术衍生而来的宽带网络技术，也称为宽带ISDN（B－ISDN），采用同步数字体系（SDH）／同步光纤网（SONET）为传输媒体，以异步传输方式为通信标准。ATM的数据单元为整齐划一的53字节，便于交换机的高速处理、存储和交换。ATM主干线可达155M或622M，同时支持25M的桌面机接入速率。而且利用ATM的局域网仿真（LANE）能力，用户可以直接使用局域网设备接入ATM网络，保持了技术的延续性和通用性，客观上降低了系统投资。

45. (8) XDSL • DSL是数字用户环路（Digital Subscriber Line）的简称，xDSL中的x表示A/H/S/C/I/V/RA等。xDSL同样基于公共电话网或有线电视网，比传统的Modem更加高速，同时也更加复杂。xDSL只是利用现有的公共电话网或有线电视网的用户环路，而不是整个网络，采用xDSL技术需要在原有话音或视频线路上叠加传输，在电信局和用户端分别进行合成和分解，为此需要配置相应的局端设备。此外当传输距离越长，信号衰减越大，越不适合高速传输，故xDSL只能工作在用户环路上，传送距离有限。

46. (9) Cable Modem • 电缆调制解调器(Cable Modem)技术利用有线电视混合光纤同轴（HFC）网，以数字方式传送数据及音视频信号。由于我国已经建成世界最大的有线电视网络，所以这项宽带技术最有可能在我国得到广泛应用。其主要优点是速度快、收费低廉、永久连接。

47. (10) 无线接入技术：作为有线接入的补充，在不便于有线接入的地区，用无线通信设备把用户接入市话交换网，统称为无线接入系统。无线本地环路系统技术来源于以下三个方面：来源于蜂窝移动通信系统；来源于大区制通信系统、数字无绳电话系统、数字微波和卫星通信系统。大区制系统主要指集群通信系统。来源于专用的无线本地环路系统，采用大功率、大覆盖、低成本。以其独特的优点，很快被市场接受，发展十分迅速。目前世界各大通信公司几乎都有典型产品。 • CDMA（码分多址）和其衍生的无线本地环路技术有着其他无线接入技术不可比拟的优点，代表无线接入技术的发展方向。

48. 接入技术的发展充分体现了“三网合一”的应用趋势：ADSL是利用原来的语音载体电话线传递数据，线缆调制解调器则利用原有的图像载体有线电视传递数据，大家熟悉的IP电话则是通过各类数据载体传送语音。因此，今后的数据网、电视网和电话网将不再相互隔离，共同承揽数据、语音、图像集成的业务，缓解了Internet的带宽压力。接入技术的发展充分体现了“三网合一”的应用趋势：ADSL是利用原来的语音载体电话线传递数据，线缆调制解调器则利用原有的图像载体有线电视传递数据，大家熟悉的IP电话则是通过各类数据载体传送语音。因此，今后的数据网、电视网和电话网将不再相互隔离，共同承揽数据、语音、图像集成的业务，缓解了Internet的带宽压力。

49. 7.3 Internet 概述

50. 7.3.1 TCP/IP 协议族 • Internet就是由许多小的网络构成的国际性大网络，在各个小网络内部可能会使用不同的协议，为了使这些网络之间进行信息交流，通常使用TCP/IP协议。 • 在20世纪60年代后期，美国高级研究计划署ARPA（Advanced Research Projects Agency）与各大学和计算机制造商结盟开发了一组通信标准，这成为TCP/IP 的基础。 • TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）不是单一的协议，实际上是一族协议，有自己的模型，被称为TCP/IP协议栈。 • TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统。作为一个协议组件，TCP/IP是一组不同层次上的多个协议的组合。TCP/IP模型中的每一层负责不同的功能。TCP/IP各协议与OSI的七层模型的比较如表7.3所示。