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数据通信与网络基础知识1.1数据通信1.1.1数据通信的基本概念数据通信是计算机和通信相结合而产生的一种新的通信方式，它是各类计算机通信网赖以建立的基础。数据通信的发展已经有30年的历史，在人类进入信息社会的过程中，数据通信正起着越来越重要的作用。数据通信具有许多不同于传统的电报、电话的特点，由于它主要是“人－机”通信或“机－机”通信，因而产生了一系列的要求。如：很多通信过程都需要能自动实现，在传输中发生差错时能自动地进行校正。同时由于信息处理内容与处理方式的不同，对通信的要求会有很大的差别。终端类型、传输代码、相应时间、传输速率、传输方式、系统结构、差错率等，需要考虑的因素比较复杂。1.1.2数据通信系统早期计算机网络都是一些面向终端的网络，以一台或几台主机为中心，通过通信线路与多个远程终端相联，构成一个集中式网络。如图1-1所示，一台主机通过通信线路连接了许多用户终端，各个用户终端可以共享主机的资源，包括它的数据处理能力、存储能力和信息资源。该主机也可以具有交换功能，实现各个用户之间的互相通信。在这种结构中，每个终端用户都在通信线路的终点，每条通信线路为它所连接的终端用户所专用。当然，图中的终端用户也可以是另一台计算机。图1-1集中式网络60年代末，以美国国防部高级规划研究局计算机网（ARPA）的诞生为起点，出现了计算机与计算机之间的通信和资源共享，开辟了计算机技术发展的一个新领域－网络化与分布处理技术。如图1-2所示：主机和终端都和具有交换功能的通信网络连接，从网络的观点它们具有相同的地位，各个终端通过交换网络共享主机的资源，主机和终端也共享交换网络的资源。交换网由交换机和把它们连接成网络的通信线路组成，各个终端用户可以通过交换网互相通信，也可以通过主机互相通信。图1-2交换式网络1.2分组交换原理1．1．1数据交换技术由于数据通信用户的许多不同的特点和要求，这就要求发展几种不同于电话交换的交换技术，现有的主要有以下三种：（一）电路交换数据通信的电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种交换发式，其过程类似于打电话，当用户要求发送数据时，交换网就在主叫用户终端和被叫用户终端之间接通一条物理的数据传输通路。电路交换的主要优点是：(1)信息的传输时延小，对一次连接来说，传输时延固定不变。(2)信息以信号形式在数据通路中“透明”传输，交换机对用户的数据信息不存储、分析和处理，交换机在处理方面的开销比较小。对用户的数据信息也不需要附加许多的用于控制的信息，信息传输的效率比较高。(3)信息的编码方法和信息格式不受限制。电路交换的主要缺点是：(1)电路的接续时间较长，在数据传输开始之前，呼叫信号必须经过若干交换机，得到各交换机的认可，并传到最终被呼叫方，这个过程常常需要10秒甚至更长时间，短报文通信效率低。(2)电路资源被通信双方独占，电路利用率低(3)通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等方面要完全兼容，这就限制了各种不同速率、不同代码格式、不同通信规程的用户终端之间的互通。(4)有呼损。即可能由于用户终端设备忙或交换网负载过重而叫不通。电路交换适合于传输信息量较大，通信对象比较固定的用户。世界各国对电路交换方式有过一段热潮时期，并且投资建设了电路交换数据通信网，但是，由于它在实现各种不同类型和特性的数据终端设备（包括计算机）之间的互通方面灵活性很差，它的发展不如分组交换方式，但是到目前为止电路交换原理在电话通信中一直占着统治地位，步进制、纵横制、程序控制的各代电话交换机都是基于电路交换原理。DDN（数字数据网）提供了一种以专线方式入网的高速通信方式。用户终端通过DTU（数据终端单元）以专线方式接入DDN网，网内的DDN交换机之间以光纤联系，大大提高了信息传输的速度，如图1-3。图1-3DDN网（二）报文交换为了克服电路交换的缺点，人们提出了报文交换的思想，它的基本原理是“存储－转发”，即如果用户A要向用户B发送信息，A用户不需要先叫通和B用户之间的电路，而只需与交换机接通，由交换机暂时把A用户要发送的报文接收和存储起来，交换机根据报文提供的B用户的地址在交换网络中确定路由，并将报文送到输出线的队列上排队，等到该输出线空闲时立即将该报文送到下一个交换机，最后送到终点用户B。报文交换的特征是：(1)报文以存储转发方式通过交换机，输入输出线路的效率、代码格式等可以不同，很容易实现在不同类型终端之间的互相通信。(2)在报文交换（从A用户到B用户）的过程中没有接续过程。来自不同用户的报文可以在一条线路上以报文为单位进行多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，大大提高了线路利用率。(3)用户不需要叫通对方就可以发送报文，无呼损，并可以节省通信终端操作人员的时间。如果需要，同一报文可以由交换机转发到许多不同的收信地点。报文交换的主要缺点是：(1)信息通过交换机时产生的时延大，而且时延的变化也大，不利于实时通信。(2)交换机要有能力存储用户发送的报文，其中有的报文可能很长，要求交换机有高速处理能力和大的存储容量。一般要配备磁盘和磁带存储器，交换机的设备比较庞大，费用较高。(3)报文交换不适用于立即对话的通信方式。报文交换适用于公众电报和电子信箱业务。电子信箱是目前应用较为广泛的远程信箱处理系统，它利用存储转发方式为用户提供多种类型的信箱交换，其最基本的特点是用户可以在任何时间、任何地点发送和接收信件，而不管通信对方处于何种状态。但该业务显然不适于实时通信。（三）分组交换前面所介绍的电路交换不利于实现不同类型的数据之间的相互通信，而报文交换传输信息时延又太长，不满足许多通讯系统的实时性要求，分组交换技术较好地解决了这些矛盾。分组交换仍采用了报文交换的“存储－转发”方式，但不象报文交换那样以报文为单位交换，而是把报文截成许多比较短的、被规格化了的“分组”（PACKET）进行交换和传输。由于分组长度较短，具有同一的格式，便于在交换机中存储和处理，“分组”进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队和处理。一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端。分组穿过交换机或网络的时间很短（分组穿过一个交换机的时延平均为数毫秒或更短），能够满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。分组交换的主要优点是：（1）向用户提供了不同速率、不同代码、不同同步方式、不同通信规程的数据终端之间能够互相通信的灵活的通信环境。（2）信息的传输时延较小，而且变化范围不大。能够较好的反映会话型实时通信的实时性要求。（3）实现线路的动态统计时分复用，通信线路（包括中继线和用户线）的利用率很高，在一条物理线路上可以提供多条信息通路。（4）可靠性高。每个分组在网络上传输时可以在中继线和用户线上分别独立的进行差错校验。使信息在分组交换网中传输的比特误码率大大降低，一般可达10E-10以下。由于分组在交换网络中传输的路由是可变的，当网络的线路和设备发生故障时，分组可以自动选择一条新的路由避开故障点，而通信不会中断。（5）经济性好。信息以分组为单位在交换机中存储和处理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了用户的通信费用。分组交换网通过网络控制和管理中心〔NCC〕对网内设备实行比较集中的控制和维护管理，节省了维护和管理费用。分组交换的主要缺点是：(1)由网络附加的传输信息多，对长报文通信的传输效率比较低。我们把一份报文划分成许多分组在交换网中传输，为了保证这些分组能够按照正确的路径安全准确的到达终点，要给每个数据分组加上分组信息(分组头)。除此之外，我们还要设计许多不包含数据信息的控制分组，用它们来实现数据通路的建立、保持和拆除，并进行差错控制以及数据流量控制等。(2)技术实现复杂，分组交换机要对各种类型的分组进行分析处理，为分组在网络中的传输提供路由，并且在必要时自动进行路由调整为用户提供速率、代码和规程的交换，为网络的维护管理提供必要的报告信息等，要求交换机要有较高的处理能力。分组交换网与DDN网比较可以得到如下结果：DDN网可提供的通讯速率较高，比较适合于动态图象、可视图文等的传输，但投资大、通信费用高；分组交换网投资小、通信费用低，适合于传输一般的文件、报表等。对于一般的银行业务，如通存通兑、储蓄对工等，性能绰绰有余1.2.2分组交换原理分组交换的最基本的思想就是实现通信资源的共享，它的出现使得越来越便宜的计算机的处理能力能够充分利用昂贵的通信资源。1．2．2．1通信线路的资源共享为了经济有效的使用通信线路，我们使用多路复用的方法，即组合多个低速的数据终端共同使用一条高速的线路。可以使用各种不同的多路复用方法。从如何分配传输资源的观点可以分为两类：〔一〕预分配资源法或固定分配资源法〔1〕时分复用(TDM)把线路传输的时间轮流分配给每个用户，每个用户只在分配的时间里向线路发送信息和接收信息。当在分配的时间里用户没有信息要传输时，这段时间不能由其他用户使用，而保持为空闲状态，如图1-4。12341234图1-4时分复用〔2〕频分复用把线路的频带资源分成多个子频带，分别分配给用户，形成数据传输子通路。每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输。当该用户没有数据传输时，别的用户不能使用。此通路保持空闲状态。如图1-5。图1-5频分复用上述两种方法都实现了由多个用户对一条传输线路的资源的共享。但是由于在传输数据时都可能出现暂时的停顿，而使各个子信道的传输呈现空闲状态，线路的传输能力不能获得充分的利用，这就是预分配的缺点。〔二〕动态分配资源法(统计时分复用STDM)为了克服预分配资源的缺点，我们采用用户有数据要传输时才给它分配资源的方法，即动态分配或按需分配，这种根据用户需要分配线路资源的方法称为统计时分复用。这时每个用户的数据传输速率可以高于平均速率。最高可达到线路总的传输能力，如图1-6。TDMTDMCBAFDCBBGAAE计算机终端1终端2终端3终端4TDMTDMCBAFDCBBGAAE空闲状态图1-6统计时分复用统计时分复用和预分配复用方式相比在各个终端与线路的接口处要增加两个功能：缓冲控制信息流控制这两项功能用于解决使用线路资源时产生的冲突。1．2．2．2数据同步方式要正确地传输数据，必须在发送端和接收端之间实现数据的同步，异步实际上也是同步的一种方法。〔一〕起止式同步起止式同步也称异步方式，其方法是在每一个字符的前面和后面分别增加了一个“起”比特和一个“止”比特，“起”比特和“止”比特具有相同的格式，起比特的长度和数据比特相同，电压特性与数据“0”相同，止比特的长度可以选择为数据比特的1、1.5、2倍，它的电压极性与“1”相同。如果止比特结速时下一个起比特未开始，则止比特可以任意延长。如图1-7。止比特字符2起比特止比特字符1起比特图1-7起止式同步由此可见，字符之间可以是不等间隔的，因此称为异步方式。起止式同步在一些人工操作的或低速的数据终端上获得广泛的应用，实现方法简单，价格低，它的缺点是每一个字符都要增加2－3个比特的开销，传输效率较低，但它不需要在发送和接收之间另外发送位定时信号，节省接口线，这是它的优点。当进行异步通信时，发送方和接收方在如下参数上必须保持一致，否则不能正确译码：停止位个数字符长度，即每个字符的比特数终端1终端2终端3终端4缓冲器缓冲器缓冲器缓冲器G1B2Y3X3F1用户数据用户识别标记速率起止式同步在传输数据时，用户面对的是字符流，在传输过程中还可能发生畸变，对数据的可靠性由用户程序完成，因此其应用程序就非常复杂。（二）字符同步方式字符同步方式是在发送和接收已经实现了位同步的基础上用于正确识别数据字符的一种同步方法。如图1-8，它是在一连串的数据字符的前面加1个或2个同步字符(SYN)来实现同步的。SYN字符N………………………字符2字符1SYNSYN图8字符同步方式同步字符SYN是事先定义的特殊字符，是由发送设备在发送数据之前加入的，在数据源发送的信息中不应出现同步字符。接收端如果在同步字符之后接收到非同步字符，则认为是数据信息的开始。为防止传输错码而导致同步的错误识别，通常连续发送两个