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RA000010教材CDMA原理数据通信基础0609B12

RA000010

数据通信基础

（cover）

ISSUE1.2

课程说明3

课程介绍3

课程目标3

相关资料

《数据通信自学教材V1.0》

《IP协议介绍》

第1章数据通信概述

按传统的应用范围来划分，与人们密切相关的电子通讯有三种：

视频通讯，对应无线和有线电视网（CATV）；语音通讯，对应公共交换电话网（PSTN）；数据通讯，对应的是数据网络。

1.1电话交换网

电话通讯的主要特点是：

绝大部分的通讯是在两个人之间进行，通讯是双向的，通讯过程要求平稳性和实时性，由于语音具有一定的频率范围，所以可以设计为具有固定带宽的通讯。

从最早期人工接线的机械式交换机到现在功能强大的数字程控交换机无不为满足这一基本的需求而设计。

打电话之前先拨电话号码，建立起两个人之间的连接线路，然后通话、挂断，这种通讯方式称为面向连接的交换，又因为通讯的两者有一条电路存在，所以称为电路交换，电话交换机的主要功能是控制和实现电话机之间的连接。

同样，数据网络设备的种类尽管繁多，基本功能也是完成通讯者之间的连接。

电话网络是分布非常广泛的交换网络，数据业务的发展在电话网络之后，所以利用电话网传输数据是一种很自然的想法，早期通过Modem拨号上网传输速率是每秒300bps，后来有2400bps、9600bps、14.4Kbps、28.8Kbps、33.6Kbps，现在是56Kbps。

对于拨号上网，在电话网上需要有相应的设备处理这种数据信号，并且将这种信号连接到数据网络上，这种设备就叫做接入服务器，也称为访问服务器，是数据网络领域中一个分支。

通过公共电话网提供的基本接入形式有基于传统模拟电话的方式和基于ISDN的方式。

ISDN在用户端通常提供2B+D线路，可以在上网的同时接听电话，所以又叫一线通，与PSTN相比，ISDN的主要优势是提供综合业务的能力比模拟话路有保障，上网速度比模拟modem速度快。

利用电话网络进行数据传输的方式有多种方式，上面介绍的采用Modem的方式是主流，占有绝大多数的市场份额，另外一种常用的技术是xDSL技术，x代表多种，D为数字，S为用户，L是线路，这种技术可以利用电话线进行高速的传输，最高可以达到6M～8M，通常是1.5～2M。

1.2视频通讯网

现在视频采用模拟信号通讯，通讯带宽约6M，采用广播方式，即一个发射点对应若干终端电视机，不能进行交互式的传输，终端共享频道，通讯要求具有比较好的实时性和平稳性，目前的模拟电视具有NTSC和PAL两种制式，称为"N制"、"p制"，N制每秒25帧，p制每秒30帧，我国采用p制。

目前CATV网络传输也分为光纤骨干和用户端的同轴电缆。

这是一种带有屏蔽的用75欧姆终端电阻匹配的线缆，称为75欧姆同轴线缆。

在CATV系统上，加上适当的终端适配器，也可以进行交互式的数据传输，这种系统叫做HFC，终端适配器就是我们通常说的CableModem。

CATV传输数据的优点在于同轴电缆具有比较高的带宽开发潜力，由于CATV系统基于广播、单向、共享方式组建的网络结构，有线电视网具有区域性，这种结构和数据网络，电话网具有比较大的差别，所以在三种网络相互渗透、融合的过程中，电话网和数据网融合的比较快，CATV则发展比较慢。

1.3数据通信网

数据网络相对于以上的两种网络，在技术实现上要零乱的多，实现的设备种类也多得多，数据网络又是一项在技术上更新换代非常快的技术，这是掌握数据技术的难点之所在，为此我们从几个侧面认识数据网络技术。

数据通讯通常具有多对一，多对多，一对一等各种通讯方式。

对于各种不同的应用，对速度和延时的要求也不同，传统的应用几乎没有任何要求，带宽可高可低，也可以不平稳，它追求的是通讯中不能发生错误。

众所周知，打电话时声音有些失真，有线电视图象质量有点差都是可以使用的，如果使用数据网络传输的文件，发生了错误绝对不可用，为了能够纠正传输中会发生的错误，实现"准确传输"始终是设计数据通讯网络的重要要求。

由于数据应用的这些基本特征，传统数据网络被设计成无连接的网络，无连接的意思是说通讯的两者之间，不具备唯一独立的链路，它采用的主要技术是包交换技术，将欲传输的数据打成包，实际上是具有特殊标记的Byte，每个包有目的地址、源地址、错误控制信息等等，这样的数据包具有自己去找目的地的能力，这种非独占性传输的好处是，许多应用可以共享一个很小的带宽，利用率可以比较高。

基于电路交换的PSTN在语默期同样占有64K的时隙，数据通讯的链路却可以为多个使用者所共享，例如整个高校校园网只有2M的国际出口，却可以有非常多的人同时上网浏览，这被认为是数据网络的优势所在。

采用数据包的形式，将数据划分成为一个个的单元，便于错误的恢复和重传，这种结构增加了实现数据网络的复杂性，但却适合数据的应用特点。

由于数据网络具有效率高，传输灵活这一重要特性，人们试图利用数据网承载新型的应用，IPPhone的发展就是一个非常具体的体现，语默期不占用通讯资源，数据压缩技术节约了通讯带宽是IPPhone技术上的两个主要优势。

由于数字化浪潮的兴起，许多传统的应用，也考虑用数据网络传输，对数据网络提出了新的要求。

其中提供宽带，可以平稳传输，具有质量保证的数据通讯是数据通讯发展的主流，实现这种要求的方案一种是ATM技术，另外一种技术是对传统IP网络进行改进，以保证带宽和质量。

第2章网络的分层模型和网络协议

2.1TCP/IP分层模型

计算机与计算机之间要相互通信，就必须"听"的懂对方的"语言"，这种语言就是网络协议，计算机必须运行相同的协议，才能相互通信。

由于网络的种类繁多，网络协议自然也各式各样，但是，大多数网络协议的设计都有一个共同的特点-协议分层。

分层和模块化的概念已经深入人心，这是研究复杂事物的方式，在计算机网络中通过分层的方式实现各种功能和不同种网络的通讯。

协议分层大大简化了网络协议的复杂性，这是各种技术互通性的基础，这实际也是自顶向下，逐步细化的程序设计方法的很好的应用。

网络协议按功能组织成一系列"层"，每一层建筑在它的下层之上。

分成的层数，每一层的名字、功能、都可以不一样，但是每一层的目的都是为上层提供一定的服务，屏蔽低层的细节。

当前，TCP/IP已经成为网际互连事实上标准，它不同于OSI的七层模型，TCP/IP使用更为简单的五层模型，如图2-1所示。

图2-1TCP/IP分层模型

TCP/IP五层模型中的下两层构成了子网访问层，它主要为网络设备提供数据通路的作用。

TCP/IP对传输子网的支持是很广泛的，从传统的以太网、令牌环网到当今的ATM、SDH、SONET等无所不包，几乎所有可以利用的网络介质都可以支持TCP/IP。

在分层模型中，对等是一个很重要的概念，因为只有对等层才能相互通讯，一方在某层上的协议是什么，对方在同一层次上也必须是什么协议。

理解了对等的含义，则很容易把网络互连起来：

如果两个网络在物理层就相同，使用中继器就可以连起来；

如果两个网络物理层不同，链路层相同，使用桥接器就可以连起来；

如果两个网络物理层、链路层都不同，而网络层相同，使用路由器就可以互连；

如果两个网络协议完全不同，使用协议转换器（网关）也可以互连。

分层和协议是数据网络中最重要的概念，分层是一种研究和设计方法，协议满足了网络互通性的要求，协议的发展也是网络满足新型业务的基础。

2.2Internet的互连网协议-IP

全球INTERNET网的广泛应用使IP协议深入人心。

IP协议以其简单、有效、开放性成为事实上的工业标准。

IP协议使异种网互联方便可行，尤其值得一提的是它对下层通信技术的巨大包容性。

IP协议作为通信子网的最高层，提供无连接的数据报传输机制。

IP协议是点到点的，核心问题是寻径。

它向上层提供统一的IP数据报，使得各种物理帧的差异性对上层协议不复存在。

互连网协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一，与IP协议配套使用的还有三个协议：

地址转换协议ARP（AddressResolutionProtocol）

反向地址转换协议RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）

Internet控制报文协议ICMP（InternetControlMessageProtcol）

图2-2画出了这三个协议和IP协议的关系。

在这一层中，ARP和RARP画在最下面，因为IP经常要使用这两个协议。

ICMP画在这一层的上部，因为它要使用IP协议。

这三个协议将在后面陆续介绍。

顺便指出，有时会听到一种不准确的说法-"我们用TCP/IP协议进行网络互连"。

我们要请读者注意，TCP是与互连网协议IP配套使用的一个运输协议。

TCP相当于OSI的运输层协议而不是一个互连网协议，因此TCP和网络互连并没有直接的关系，只不过是TCP与IP经常配合起来使用而已。

图2-1IP及配套协议

2.2.2IP地址的表示方法

我们把Internet看成为一个网络，所谓IP地址就是给每一个连接在Internet上的主机分配一个唯一的32bit地址。

IP地址的结构使我们可以在Internet上很方便地进行寻址，这就是先按IP地址中的网络号码net-id把网络找到，再按主机号码host-id把主机找到。

所以IP地址并不只是一个计算机的号码，而是指出了连接到某个网络上的某个计算机。

IP地址由美国国防数据网DDN的网络信息中心NIC进行分配。

为了便于对IP地址进行管理，同时还考虑到网络的差异很大，有的网络拥有很多的主机，而有的网络上的主机则很少。

因此Internet的IP地址就分成为五类，即A类到E类。

这样，IP地址（图2-3）由三个字段组成，即：

图2-1IP地址的五种类型

●类别字段（又称为类别比特），用来区分IP地址的类型

●网络号码字段net-id

●主机号码字段host-id

D类地址是一种组播地址，主要是留给Internet体系结构委员会IAB（InternetArchitectureBoard）使用。

E类地址保留在今后使用。

目前大量IP地址仅A至C类三种。

A类IP地址的网络号码数不多，目前几乎没有多余的可供分配，现在能够申请到的IP地址只有B类和C类两种。

当某个单位向IAB申请到IP地址时，实际上只是拿到了一个网络号码net-id，具体的各个主机号码host-id则由该单位自行分配，只要做到在该单位管辖的范围内无重复的主机号码即可。

为方便起见，一般将32bit的IP地址中的每8个比特用它的等效十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点。

例如，有下面这样的IP地址：

10000000000010110000001100011111

这是一个B类IP地址，可记为128.11.3.31，这显然更方便得多。

在使用IP地址时，还要知道下列地址是保留作为特殊用途的，一般不使用。

全0的网络号码，这表示"本网络"或"我不知道号码的这个网络"。

全1的网络号码。

全0的主机号码，这表示该IP地址就是网络的地址。

全1的主机号码，表示广播地址，即对该网络上所有的主机进行广播。

全0的IP地址，即0.0.0.0。

网络号码为127.X.X.X.，这里X.X.X为任何数。

这样的网络号码用作本地软件回送测试（Loopbacktest）之用。

全1地址255.255.255.255，这表示"向我的网络上的所有主机广播"，原先是使用0.0.0.0。

这样，我们就可得出表2-1所示的IP地址的使用范围。

网络类别

最大网络数

第一个可用的网络号码

最后一个可用的网络号码

每个网络中的最大主机数

126

16777214

16382

128.1

191.254

65534

2097150

192.0.1

223.255.254

254

表2-1IP地址的使用范围

IP地址有一些重要的特点：

IP地址有一些是一种非等级的地址结构，这就是说，和电话号码的结构不一样，IP地址不能反映任何有关主机位置的地理信息。

当一个主机同时连接到两个网络上时（作路由器用的主机即为这种情况），该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号码net-id是不同的，这种主机称为多地址主机（multihomedhost）。

按照Internet的观点，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号码net-id。

在IP地址中，所有分配到网络号码net-id的网络（不管是小的局域网还是很大的广域网）都是平等的。

图2-4画出了用路由器（用有R字的圆圈符号表示）和网桥（用有B字方框符号表示）连接起来的一个互连网，图中的小圆圈表示需要有一个不同的IP地址。

可以看出，一个计算机若要和网络号码不同的计算机通信，就必须经过路由器。

图2-2什么地方需要一个IP地址

2.2.3子网的划分

IP地址的设计有不够合理的地方。

例如，IP地址中的A至C类地址，可供分配的网络号码超过211万个，而这些网络上的主机号码的总数则超过37.2亿个，初看起来，似乎IP地址足够全世界来使用（在70年代初期设计IP地址是就是这样认为的），其实不然。

第一，当初没有预计到微机会普及得如此之快，各种局域网和局域网上的主机数目急剧增长。

第二，IP地址在使用时有很大的浪费。

例如：

某个单位申请到了一个B类地址，但该单位只有1万台主机。

于是，在一个B类地址中的其余5万5千多个主机号码就白白地浪费了，因为其他单位的主机无法使用这些号码。

从1985年起，为了使IP地址的使用更加灵活，在IP地址的网络号码net-id，而后面的主机号码host-id则是受本单位控制，由本单位进行分配。

本单位所有的主机都使用同一个网络号码。

当一个单位的主机很多而且分布在很大的地理范围是，往往需要用一些网桥（而不是路由器，因为路由器连接的主机具有不同的网络号码）将这些主机互连起来。

网桥的缺点较多，例如容易引起广播风暴，同时当网络出现故障时也不太容易隔离和管理。

为了使本单位的各子网之间使用路由器来互连，因而便于管理。

需要注意的是，子网的划分纯属本单位内部的事，在本单位以外是看不见这样的划分。

从外部看，这个单位只有一个网络号码。

只有当外面的分组进入到本单位范围后，本单位的路由器再根据子网号码进行选路，最后找到目的主机。

若本单位按照主机所在的地理位置划分子网，那么在管理方面就会方便得多。

这里应注意，TCP/IP体系的"子网"（subnet）是本单位网络内的一个更小些的网络。

图2-1子网掩码的定义

图2-5说明在划分子网时要用到的子网掩码（subnetmask）的意义。

图2-5（a）举了一个B类IP地址作为例子，图2-5（b）表示将本地控制部分再增加一个子网字段，子网号字段究竟选为多长，由本单位根据情况确定。

TCP/IP体系规定用一个32bit的子网掩码来表示子网号字段的长度。

具体的做法是：

子网掩码由一连串的"1"和一连串的"0"组成。

"1"对应于网络号码和子网号码字段，而"0"对应于主机号码字段（图2-5（c））。

多划分出一个子网号码字段是要付出代价的。

例如，对于图2-5的例子，本来一个B类IP地址可以容纳65534个主机号码。

但划分出6bit长的子网字段后，最多可有62个子网（去掉全1和全0的子网号码）。

每个子网有10bit的主机号码，即每个子网最多可有1022个主机号码。

因此主机号码的总数是62×1022=63364个，比不划分子网时要少了一些。

若一个单位不进行子网的划分，则其子网掩码即为默认值，此时子网掩码中"1"的长度就是网络号码的长度。

因此，对于A、B和C类IP地址，其对应的子网掩码默认值分别为255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0。

2.2.4地址的转换

上面讲的IP地址还不能直接用来进行通信。

这是因为：

IP地址中的主机地址只是主机在网络层中的地址，相当于前面讲过的NSAP。

若要将网络层中传送的数据报交给目的主机，必须知道该主机的物理地址。

因此必须在IP地址和主机的物理地址之间进行转换。

用户平时不愿意使用难于记忆的主机号码，而是愿意使用易于记忆的主机名字，因此也需要在主机名字和IP地址之间进行转换。

在TCP/IP体系中都有这两种转换的机制。

对于较小的网络，可以使用TCP/IP体系提供的叫做hosts的文件来进行从主机名字到IP地址的转换。

文件hosts上有许多主机名字到IP地址的映射，供主叫主机使用。

对于较大的网络，则在网络中的几个地方放有域名系统DNS（DomainNameSystem）的名字服务器nameserver，上面分层次放有许多主机名字到IP地址转换的映射表。

主叫主机中的名字转换软件resolver自动找到DNS的nameserver来完成这种转换。

域名系统DNS属于应用层软件。

图2-1主机名字、主机物理地址与IP地址的转换

图2-6中设名字为host-a的主机要与名字为host-b的主机通信，通过DNS从目的主机host-b得出其IP地址为209.0.0.6。

IP地址到物理地址的转换由地址转换协议ARP来完成。

图2-6还表示出从IP地址209.0.0.6通过ARP得出了目的主机48bit的物理地址08002B00EE0A（现在假设此主机连接在某个局域网上，如网络是广域网，则转换出主机在广域网上的物理地址）。

由于IP地址有32bit，而局域网的物理地址（即MAC地址）是48bit，因此它们之间不是一个简单的转换关系。

此外，在一个网络上可能经常会有新的计算机加入近来，或撤走一些计算机。

更换计算机的网卡也会使其物理地址改变。

可见在计算机中应当存放一个从IP地址到物理地址的转换表，并且能够经常动态更新。

地址转换协议ARP很好地解决了这些问题。

每一个主机都有一个ARP高速缓存（ARPcache），里面有IP地址到物理地址的映射表，这些都是该主机目前知道的一些地址。

当主机A欲向本局域网上的主机B发送一个IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。

如有，就可查出其对应的物理地址，然后将该数据报发往此物理地址。

也有可能查不到主机B的IP地址的项目，这可能是主机B才入网，也可能是主机A刚刚加电，其高速缓存还是空的。

在这种情况下，主机A就自动运行ARP，按以下步骤找出主机B的物理地址：

A、ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组，上面有主机B的IP地址。

B、在本局域网上的所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组。

C、主机B在ARP请求分组中见到自己的IP地址，就向主机A发送一个ARP响应分组，上面写入自己的物理映射。

D、主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到物理地址的映射。

在很多情况下，当主机A向主机B发送数据报时，很可能以后不久主机B还要向主机A发送数据报，因而主机B也可能要向主机A发送ARP请求分组。

为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到物理地址的映射写入ARP请求分组。

当主机B收到主机A的ARP请求分组时，主机B就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中，这对主机B以后向主机A发送数据报时就更方便了。

在进行地址转换时，有时还要用到反向地址转换协议RARP，RARP使只知道自己物理地址的主机能够知道其IP地址，这种主机往往是无盘工作站。

这种无盘工作站一般只要运行其ROM中的文件传送代码，就可用下行装载方法，从局域网上其他主机得到所需的操作系统和TCP/IP通信软件，但这些软件中并没有IP地址。

无盘工作站要运行ROM中的RARP来获得其IP地址。

RARP的工作过程大致如下。

为了使RARP能工作，在局域网上至少有一个主机要充当RARP服务器，无盘工作站先向局域网发出RARP请求分组（在格式上与ARP请求分组相似），并在此分组中给出自己的物理地址。

RARP服务器有一个事先做好的从无盘工作站的物理地址到IP地址的映射表，当收到RARP请求分组后，RARP服务器就从这映射表查出该无盘工作站的IP地址，然后写入RARP响应分组，发回给无盘工作站。

无盘工作站用这样的方法获得自己的IP地址。

2.2.5IP数据报格式

在TCP/IP的标准中，各种数据格式常常以32bit（即4字节）为单位来描述。

图2-7是IP数据报的格式。

图2-1IP数据报格式

从图2-7可看出，一个IP数据报由首部和数据两部分组成。

首部的前一部分长度是固定的20个字节，后面部分的长度则是可变长度。

在IP数据报中含有数据源和目的地的地址。

协议字段占8bit，它指出此数据携带的运输层数据是使用何种协议，以便目的主机的IP层知道应将此数据报上交给哪个进程。

常用的一些协议和响应的协议字段值（写在协议后面的括弧中）是：

UDP（17）、TCP（6）、ICMP

（1）、GGP（3）、EGP（8）、IGP（9）、OSPF（89）、以及ISO的TP4（29）。

2.2.6路由段与路由表

在互连网中进行路由选择要使用路由器，它平等地看待每一个网络，不论是较大的广域网还是较小的局域网，在路由器看来都只是一个网络。

因此在图2-8中将每一个网络画成为一片云，表示路由器不知道在每一个网络中一个分组是如何选择具体的路由。

路由器只是根据所收到的数据报上的目的主机地址选择一个合适的路由器（通过某一个网络），将数据报传送到下一个路由器，通路上最后的路由器负责将数据报送交目的主机。

图2-1路由段的概念

路由器将分组在某一个网络中走过的通路（从进入网络算起到离开网络为止）从逻辑上看成是一个路由单位，并将此路由单位称为一个路由段（hop），或简称为段。

例如在图2-8中，主机A到主机C共经过了3个网络和2个路由器，因此共经过3个路由段；主机A到主机B则经过了5个网络和4个路由器，即经过5个路由段。

在图中用粗的箭头表示这些路由段。

由此可见，若一结点通过一个网络与另一结点相连接，则此二结点相隔一个路由段，因而在互连网中是相邻的。

同理，相邻的路由器是指这两个路由器都连接在同一个网络上。

一个路由器到本网络中的某个主机路由段数算作零。

至于每一具体路由段又由哪几条链路构成，路由器并不关心。

在互连网的情况下，只能计算各条通路所包含的路由段数。

由于网络大小可能

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