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计算机与信息通信cch1
数据与计算机通信
第一部分概述
第一部分内容
第一部分的目标是为本书其他部分提供背景资料及相关情况。
在这一部分中将会介绍数据与计算机通信领域所囊括的范围很广的各种话题，并详细讨论有关协议和协议体系结构的基本概念。
第一部分导读引言
第1章是对全书的总体介绍，向读者展示本书的“全貌”。
从本质上说，本书所涉及的内容有四项：
经由传输链路的数据通信、广域网、局域网、协议与TCP/IP协议体系。
第1章对所有这些内容简单加以介绍，同时讨论了一些主要的标准化组织。
第2章协议和体系结构
第2章对第1.4节所讨论的协议和协议体系结构等问题进行了详细论述。
这一章可以紧接在第1章之后阅读，也可以推迟到第三、四或五部分开始之前阅读。
本章讨论了协议的主要特性。
接着描述了两个最重要的协议体系结构：
开放系统互联（OSI）模型和TCP/IP模型。
虽然在谈论数据与计算机通信时，人们通常认为OSI模型是基准体系，但事实上最具商业价值的通用产品的基础却是TCP/IP协议族，它也是本书第五部分所要讲述的重点。
第1章引言
●本书内容范围甚广，主要包括三个方面的内容：
数据通信、网络连接以及协议
●数据通信的任务是如何以可靠高效的手段来传输信号。
要讨论的内容包括信号传输、传输媒体、信号编码、接口、数据链路控制以及复用。
●网络连接讲的是用于连接各种通信设备的通信网络的技术及其体系结构。
通常人们将其划分为局域网（LAN）和广域网（WAN）两部分。
●对通信协议的讨论包括对协议体系结构的论述以及对体系结构中不同层次上各种不同协议的具体分析。
在20世纪的70和80年代，计算机科学逐渐与数据通信技术融合，令目前已经合并的计算机通信产业在技术、产品和公司等各方面都发生了巨大变化。
虽然还不完全清楚此次革命性大合并的结局是什么，但合并已成为事实，任何对数据通信领域的研究都必须在这一新背景下进行。
计算机通信革命带来以下这些重要事实：
●数据处理设备（计算机）和数据通信设备（交换传输设备）之间不再有本质上的区别。
●数据通信、话音通信和视频通信之间也不存在本质上的区别。
●单处理器计算机、多处理器计算机、局域网、城域网和远距离网络之间的区别也日趋模糊。
这些趋势导致了计算机产业与通信产业的日趋重合，从元器件制造到系统集成皆是如此。
另一影响是发展出了能够传输和处理各种类型数据和信息的集成系统。
不论是技术本身还是制定技术标准的组织，都被迫向能够完成各种通信的单一的公用网络系统发展，通过这种网络能够简单且统一地访问到全世界的信息源和各种信息。
能够向读者展示数据和计算机通信这一广袤领域是本书的宏伟目标。
从书中的章节结构可以看出，作者力图将此庞大的主题细化成更易于理解的部分，并一步步带领读者纵览这一高新技术。
本章作为引言，首先介绍一个简单通信模型，然后介绍并讨论本书的四个主要部分，最后向大家介绍标准的重要作用。
1.1通信模型
让我们从一种简单的通信模型开始，参见图1.1a。
图1.1简化的通信模型
一个通信系统要达到的最基本目的是完成双方的数据交换。
图1.1（b）所示为工作站和服务器之间通过公用电话网进行通信的例子。
另一个例子是在两部电话机之间通过同样的网络来交换话音信号。
该模型中的几个要素分别是：
●源站（Source）：
源站设备产生传输的数据，例如电话机和个人电脑。
●发送器（Transmitter）：
通常源系统生成的数据不会以它最初生成时的格式直接传输，而是通过一个发送器将这些信息转化并编码成为能够在各种传输系统中进行传输的电磁信号。
例如，调制解调器从与之相连的设备上获得一个数字比特流（比如从个人电脑上），并将此比特流转化成能够在电话网上传输的模拟信号。
●传输系统（Transmissionsystem）：
它有可能是一根单独的传输线，也可能是连接在源设备和目的设备之间的复杂网络系统。
●接收器（Receiver）：
接收器接收来自传输系统的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。
例如，调制解调器接收来自网络或传输线路上的模拟信号，并将其转换成数字比特流。
●目的站（Destination）：
目的站设备从接收器获取传送来的信息。
上面这段简单的文字叙述掩盖了技术上的复杂性。
为了使读者对此复杂性有所认识，表1.1列出了数据通信系统必须完成的一些主要任务。
表1.1并不很严谨：
还可以增加一些条目；表中的有些条目是可以互相合并的；有些条目表示的若干任务是在系统的不同层次上完成的。
虽然如此，它还是基本上囊括了本书所有的内容。
表1.1通信的主要任务
传输系统的利用寻址
接口路由选择
信号产生恢复
同步报文的格式化
交换的管理安全措施
差错检测和纠正网络管理
流控制
第一项是传输系统的利用，它指的是如何充分利用传输设施，通常这些传输设施会被多个正在通信的设备共享。
有多种技术（称为复用）可在几个用户之间分配传输系统的总传输能力。
为了保证系统不会因过量的传输服务请求而超载，就需要引入拥塞控制技术。
任何设备要通信，都必须与传输系统有接口。
实际上，本书讨论的任何通信形式都离不开在传输媒体上传播的电磁信号。
因此，一旦建立了接口，要进行通信还需要信号的产生。
信号的性质，如信号格式及信号强度，必须做到以下两点：
（1）能够在传输系统上进行传播；
（2）能够被接收器转换为数据。
仅根据传输系统和接收器的要求生成信号还是不够的，必须在发送器和接收器之间达成某种形式的同步。
接收器必须能够判断信号在什么时候开始到达，什么时候结束。
它还必须知道每个信号单元的持续时间。
要使双方顺利通信，除了决定信号的特性和定时这些基本要求之外，系统还要收集很多其他信息，我们将其归纳为交换的管理。
如果在一段时间内数据的交换是双向的，那么双方必须合作。
例如，双方进行电话交谈，有一方必须拨打另一方的电话号码，拨号产生的信号引起被叫方电话振铃。
被叫方拿起电话双方就完成了连接。
对数据处理设备来说，仅仅建立简单的连接还不够，在此基础上必须完成其他一些协商工作。
接收器必须能够判断信号何时开始到达，并在何时结束。
它还必须知道每个信号元素的持续时间长度。
接下来的两个条目也可看作交换管理，但由于十分重要，有必要将它们独立分列出来。
任何通信系统都有出现差错的可能性，譬如传送的信号在到达终点之前失真过度。
在不允许出现差错的环境中就需要有差错检测和纠正机制，这种情况通常发生在数据处理系统中。
例如，当一台计算机向另一台计算机发送文件时，如果文件的内容被意外地改变了，这肯定是无法接受的。
为了保证终点设备不会因源站设备将数据发送得太快以致无法及时接收和处理这些数据而导致超载，就需要流控制。
下面将谈到寻址和路由选择，这是两个相关但又截然不同的概念。
当传输设施被两个以上的设备共享时，源站系统必须给出其目的站系统的标识。
传输系统必须保证只有目的站系统才能接收到数据。
此外，传输系统本身还可能是具有不只一条路径的网络，那么还必须在这个网络中选择某条特定的路径。
恢复（recovery）与差错纠正（errorcorrection）是两种不同的概念。
当信息正在交换时，譬如数据库处理或文件传输时，由于系统某处发生了故障而导致传输中断，那么在这种情况下就需要使用恢复技术。
它的任务就是从中断处开始继续工作，或者至少应该把系统被涉及的部分恢复到数据交换开始之前的状态。
报文的格式化是双方必须就数据交换或传输的格式达成一致的协议。
例如，双方都使用同样的二进制字符编码。
在数据通信系统中采取某些安全措施常常是很重要的。
发送数据方可能希望确保只有它期望的接收方才能接收到数据，而数据接收方则可能希望保证接收到的数据在传送过程中没有被改变过，且此数据确实来自正确的发送方。
最后，数据通信设施是一个十分复杂的系统，它不可能自动创建或运行，于是就需要各种网络管理功能来设置系统，监视系统状态，在发生故障和过载时进行处理，并为系统进一步发展作出合理的规划。
就这样，我们已经从简单的源站和目的站之间进行数据通信的概念出发，完成了对相当复杂的数据通信任务的介绍。
我们还将在本书中进一步阐述这些任务，以期全面描述数据和计算机通信这一概念下涉及的一系列工作。
1.2数据通信
本书前两章之后的内容被分为四个部分。
第二部分介绍的是通信功能的基础知识，重点是以一种可靠且高效的方式来传输数据。
第二部分的标题是“数据通信”，虽然这个标题似乎也包含了第三、四、五部分中的部分甚至是全部的内容，但我们认为这个标题还是比较适合的。
为了更加形象地说明第二部分的重点，如图1.2所示，我们将从一个新的角度来考察图1.1（a）中的通信模型。
下面以电子邮件为例，一步步地详细解说图1.2。
图1.2简化的通信模型
假设图中的输入设备和发送器都是一台个人电脑的组件。
使用这台PC机的用户希望向另一用户发送一条消息m。
用户激活PC机上的电子邮件程序，并用键盘（输入设备）录入这条消息。
此时字符串暂时保存在主存储器里。
我们将此字符串视为主存储器中的一比特序列（g（t））。
这台PC机通过I/O设备，如局域网收发器或调制解调器与某种传输媒体相连接，例如局域网或电话线。
输入的数据以一连串高低变化的电压［g（t）］的形式传递给发送器，这个电压变化代表了某些通信总线或缆线上的比特序列。
发送器直接与传输媒体相连，并将输入的电压序列［g（t）］转换成适于传输的信号［s（t）］。
具体实现这一过程的其他方法将在第5章中详细讲解。
在传输媒体上传送的信号s（t）在到达接收器之前会受到多种形式的损伤，这将在第3章中讨论。
因此，接收到的信号r（t）很可能与s（t）不完全相同。
接收器将根据r（t）以及它对该传输媒体的了解，尽力估算出s（t）的原貌，并产生比特序列g′（t）。
这些比特被送到输出端的个人电脑上，在这里它们以比特块（g′）的形式暂存在主存储器中。
在很多场合下，目的站系统会试图判断是否有差错产生，如果有，它将与源站系统合作，并最终获得没有差错的完整数据块。
然后，这些数据通过输出设备，如打印机或屏幕展现在用户面前。
在正常情况下，用户看到的消息（m′）是与原消息（m）完全一样的副本。
现在假设电话交谈的情况。
在这种情况下，消息（m）以声波的形式输入电话机。
电话机将声波转换成同频率的电信号，这些电磁信号不经过任何形式的改变直接在电话线上传输。
因此，输入信号g（t）与被传输的信号s（t）是一致的。
信号s（t）在传输媒体上会受到某些形式的失真，因此接收到的信号r（t）与s（t）并不完全一样。
虽然如此，信号r（t）不经过任何形式的差错纠正或信号质量的提高，直接被转换回声波。
因此m′与m并不完全一致。
但是，对收听者来说接收到的声音消息通常是可以理解的。
以上的讨论并没有涉及到数据通信的其他几个关键性问题，包括用来控制数据流并检测、纠正差错的数据链路控制技术，以及用于提高传输效率的复用技术。
所有这些问题将在第二部分中讨论。
1.3数据通信网络连接
一般说来，两个通信设备点对点地相互直接连接是不可行的。
比如有以下一种（或两种）情况发生：
●两个设备之间的距离很远。
比如说要在两台相距几千千米远的设备之间用一条专线连接，其花费将惊人地昂贵。
●有一组设备，其中每台设备都可能需要在不同的时间与不同的设备连接，例如全世界的所有电话机或是某个组织拥有的所有终端和计算机。
除非设备很少，否则要在每两台设备之间提供一条专线是不实际的。
这一问题的解决办法是将所有设备都连接到一个通信网络上。
图1.3表示出了图1.1（a）的通信模式在这种情况下将会是什么样的。
同时图1.3也展示出通信网络被传统地分为两大类：
广域网（WAN）和局域网（LAN）。
近年来,不管是从技术的角度还是应用的角度来说，这两种网络之间的区别已经变得越来越模糊，但不管怎样，这种划分对我们的讨论来说还是很有用的。
图1.3简化的网络模型
1.3.1广域网
通常，广域网覆盖了很大的地理范围，需要通过公共信道，并且至少有一部分依靠的是由电信公司建立的电路进行传输的网络。
一个典型的广域网内部包含了多个相互连接的交换节点。
所有传输过程都是从一个设备出发，路经这些网络节点，最后到达某个终点设备的。
这些节点（包括网络边缘的节点）并不关心所传输的数据具体是什么内容，它们只是提供交换功能，将数据从一个节点转交给另一个节点，直至这些数据到达终点。
传统上，广域网的建立采用以下两种技术中的一种：
电路交换和分组交换。
直到最近，帧中继和ATM才开始担当主要角色。
电路交换
电路交换网在两个站点之间建立一条专用通信路径，这条专用路径途经多个网络节点。
这一路径是由连接节点和节点的一连串物理链路组成的，每段物理链路都会为这一连接建立一条专用的逻辑通道。
由源站点生成的数据沿着这条专用通路被尽可能快速地传送。
对每个节点来说，接收到的数据无延迟地被选路传输或交换至适当的出口通道。
电路交换最常见的例子就是电话网。
分组交换
在分组交换里使用的是完全不同的方法。
在这种情况下没有必要建立一条独占传输能力的贯通网络的专用通道。
事实上，数据是以一连串小块数据的形式发送出去的，这些小块数据就称为分组。
每个分组都将沿着从源站点到目的站点的路径，途中经过一个个的节点，穿越整个网络。
对每个节点来说，它接收完整的分组，先将其暂存，然后再传送给下一个节点。
分组交换网常用于终端计算机和计算机-计算机的通信中。
帧中继
在分组交换网络发展的时代，远距离数字传输设施与今天相比，还存在相当高的误码率。
为了减少差错，分组交换机制中引入了大量的额外开销。
这些额外开销使每个分组中都要附加一些额外的比特位，因而导致了终端以及途经节点上的冗余或额外的处理，用以检测差错和从差错中恢复。
有了现代的高速电信系统后，这些额外开销就变得没有必要，甚至妨碍发展。
说它没有必要，是因为误码率已大大降低，即使发生了误码，也可以由终端系统通过分组交换逻辑层之上的高层逻辑来轻松解决。
说它妨碍发展，是因为即使网络能够提供较高的性能，也将被这些额外开销大块大块地消耗掉。
帧中继的发展正是充分利用了这种高数据率和低误码率。
传统的分组交换网络能够达到的终端用户数据率大约为64kb/s，而帧中继网络的终端用户传输速率可高达2Mb/s。
达到这一高数据率的关键是它抛弃了绝大多数与误码控制有关的额外开销。
ATM
异步传输模式（ATM）有时也称作信元中继，它是电路交换和分组交换领域近25年来各方面发展的结晶。
ATM可被视为是从帧中继发展而来的。
帧中继和ATM之间最大的区别在于帧中继使用的是称为帧，即长度可变的分组；而ATM使用的是称为信元，即长度固定的分组。
和帧中继一样，ATM几乎不为差错控制提供额外开销，差错控制依赖于传输系统自身的稳定性，以及终端系统中检测和纠正差错的高层逻辑。
由于使用了固定长度的分组，ATM需要处理的额外开销比帧中继还要少。
因此，ATM设计的工作范围在几十到几百Mb/s之间，甚至可以工作在吉比特范围内。
ATM也可看作是从电路交换系统发展而来的。
在电路交换系统中，对终端系统来说使用的电路总是数据率固定的。
ATM允许定义多条虚通路，而这些虚通路的数据率是在它被创建时动态定义的。
ATM因为使用了尺寸不大且长度固定的信元而变得效率非常高，以至于即使是使用分组交换技术也能提供固定数据率的通路。
就这样，ATM扩展了电路交换技术，允许多条通路的存在，且每条通路的数据率又可根据要求动态定义。
ISDN和宽带ISDN
随着通信和计算机技术的不断融合和发展，加之对效率的要求越来越高，对信息的采集、处理和发布的及时性的要求越来越高，导致了那些能够传输和处理所有数据类型的综合系统得到了发展。
以上这些趋势带来的一个重要产物就是综合业务数字网（ISDN）。
ISDN的设计思想是取代现有的公用电信网络，并提供广泛而多样的服务。
ISDN由用户接口标准来定义，由一系列的数字交换机和信道组成，可支持范围很广的传输类型，并可提供增值处理业务。
在实际应用中，它是以国家为界的多个网络，但是在用户看来，只存在一个世界范围的完全可访问的网络。
尽管事实上ISDN还没有达到预期的全球性规模，但它已经发展到了第二代。
它的第一代，有时称作窄带ISDN，将64kb/s的信道作为其基本交换单位，并且是面向电路交换的。
窄带ISDN在技术上做出的最大贡献是帧中继技术。
第二代ISDN，被称为宽带ISDN，可支持很高的数据率（数百Mb/s），是面向分组交换的。
宽带ISDN在技术作出的最大贡献是异步传输模式（ATM），也称作信元中继。
1.3.2局域网
与广域网一样，局域网也是一种由各种设备相互连接，并向这些设备提供交换信息手段的通信网络。
局域网和广域网之间有以下几点主要区别：
1.局域网的范围较小，通常是一栋楼或一片楼群。
正如我们将要看到的，这种地理范围的不同导致了不同的技术解决方案。
2.在通常情况下，局域网和与局域网相连接的设备属于同一个组织。
而对广域网来说，这种情况很少见，或者至少有很大一部分网络资产并不属于使用者。
这里隐含了两层意思。
首先，如果选择了局域网就必须注意，可能需要一大笔资金的投入（与广域网的拨入费或租用费相比较），用于系统的购买和维护。
第二，局域网的网络管理完全由用户承担。
3.通常，局域网内的数据率比广域网要高得多。
习惯上，局域网使用网络广播的方法，而不是交换方法。
对一个广播通信网来说，网内不存在交换节点。
各站点上的发送器/接收器通过共享的传输媒体与其他站点之间通信。
任何一个站点传输的数据都以广播的形式发出，并为其他所有站点接收。
数据通常以分组的形式传输。
由于传输媒体是共享的，所以在同一时间只有一个站点能够发送数据分组。
最近也出现了交换局域网，特别是交换以太网局域网。
另外两个著名的例子是ATM局域网和光纤通道，其中ATM局域网就是ATM网络在本地范围内的应用。
我们将在第四部分详细介绍这些局域网，以及更为常见的广播局域网。
1.4协议与协议体系结构
当计算机、终端和/或其他数据处理设备互相交换数据时，我们要考虑的范围就远远超出了1.2和1.3节中讨论的范围。
例如，假设在两台计算机之间传送一个文件，那么在这两台计算机之间必定存在一条数据通道，可能是直接连接的，也可能会经过一个通信网络。
但是仅有这些还不够，一般说来还需要完成以下这些工作：
1.源系统必须激活直接连接的数据通信路径，或者向通信网络提供目的系统的标识。
2.源系统必须确定目的系统已经准备好接收数据。
3.源系统上的文件发送应用程序必须确定目的系统上的文件管理程序已经准备好为某个用户接收并储存文件。
4.如果两个系统上使用的文件格式不一致，那么其中的一个系统必须执行格式转换功能。
计算机和计算机之间为了互相合作而进行的信息交流通常称为计算机通信。
类似地，当两个或更多的计算机通过一个通信网络互相连接时，这些计算机系统就称作计算机网络。
由于不论是计算机还是终端用户都需要同样的合作关系，因此当某些通信实体是终端时，这些术语仍然有效。
在讨论计算机通信和计算机网络时，有两个非常重要的概念：
●协议
●计算机通信体系结构，或协议体系结构。
当位于不同系统内的实体进行通信时，就需要使用协议。
术语“实体”和“系统”是一种笼统的说法。
诸如用户应用程序、文件传送软件、数据库管理系统、电子邮件工具以及终端等都叫实体。
而计算机、终端、遥感器等都称为系统。
请注意，在某些情况下，实体和实体所属的系统指的是同样的东西（如终端）。
通常，任何能够发送和接收信息的东西都是实体，而系统则是指包含了一个或多个实体且在物理意义上明确存在的物体。
要想让两个实体顺利通信，它们必须“讲同样的语言”。
通信的内容是什么、如何通信、何时通信都必须在通信的实体之间达成大家都能接受的协定，这些协定就称为协议。
也可将协议定义为监督和管理两个实体之间数据交换的一整套规则。
协议主要包括以下几个要素：
语法（Syntax）：
包括诸如数据格式和信号电平之类的东西。
语义（Semantics）：
包括用于相互协调及差错处理的控制信息。
同步（Timing）：
包括速率匹配和排序。
既然我们已经对协议的概念有所了解，下面就来介绍一下协议体系结构的概念。
显然，两台计算机之间必须有密切无间的合作。
我们并不是把用于完成这一任务的所有逻辑以单一模块的形式实现，而是将这一任务划分成一些子任务，并且分别独立地完成这些任务。
例如，图1.4表示了一个文件传送工具是如何完成工作的。
这里使用了三个模块。
本书前面提到的那张任务表中的任务3和任务4可由文件传送模块来完成。
分别位于两个系统上的两个文件传送模块互相交换文件和命令。
但是，在具体处理如何传送数据及命令这些细节问题时，文件传送模块依靠的是各自的通信服务模块，而不是亲自来处理这些细节问题。
这个通信服务模块的任务就是确保数据和文件传送命令在两个系统之间可靠地进行交换。
这个模块，再加上其他一些功能，就完成了任务2。
由此看来，系统之间的交换性能完全独立于连接系统的网络自身性能。
同样，我们在通信服务模块中也没有涉及有关网络接口的细节情况，而是引入了第三个模块——网络接入模块，由它来与网络交互作用，从而完成了任务1。
图1.4文件传送的简化体系结构
总的说来，文件传送模块中包含了所有文件传送应用特有的逻辑，如传输口令、文件命令以及文件记录等等。
在这里，准确无误地传输文件和命令是非常必要的。
但是对于其他各种应用（如电子邮件、文档发送工具），也有类似的传输可靠性的要求。
因此，可以再用一个独立的通信服务模块来满足这一需要，而这个通信服务模块可以被各种不同的应用程序共享。
通信服务模块关心的是两个计算机系统是否保持活动状态，是否已经为数据传送做好了准备，并跟踪被传输的数据，以保证数据传送成功。
不过，这些任务与使用什么样类型的网络无关，因此真正和网络打交道的逻辑又被划分到一个独立的网络接入模块中。
这样，即便是所使用的网络改变了，也只会影响到网络接入模块。
如此看来，通信功能是由一组结构化的模块，而不是单一的模块来完成的。
这种模块结构就称为协议体系结构。
本节以下内容将从上面这个例子中归纳出一个简单的协议结构，之后了解一下现实应用中更复杂的例子：
TCP/IP和OSI。
1.4.1一个三层模型
从总体上看，我们认为通信涉及到三个机构：
应用程序、计算机和网络。
应用程序的一个例子就是文件传送操作程序。
应用程序在计算机上运行，且计算机通常可以支持多个应用程序并发运行。
计算机与网络连接，被交换的数据通过网络从一台计算机传送到另一台计算机上。
因此，两个应用程序之间的数据传输首先要做的是将数据交给应用程序所在的计算机，然后另一方计算机上相应的应用程序才能获得这些数据。
了解了这些概念之后，我们自然而然地会将通信任务划分为以下三个相对独立的层次。
●网络接入层。
●传输层。
●应用层。
网络接入层关心的是计算机与所连网络之间的数据交换。
发方计算机必须向网络提供目的计算机的地址，这样网络才能够将数据沿正确的路径传送到相应的终点。
发方计算机可能需要调用某些由网络提供的特殊服务，如优先级等。
网络接入层使用什么样的软件取决于所使用的网络类型。
针对电路交换、分组交换、局域网等不同类型的网络开发出了不同的标准。
因此，将这些与接入网络有关的功能划分为一个独立的层次是合理的。
这样一来，位于网络接入层之上的其他通信软件就不需要关心所使用的网络类型。
换句话说，不管与计算机相连的是何种网络，上层软件都能正常工作。
不论进行数据交换的是什么样的软件，通常都要求数据能够可靠地交换。
就是说，我们希望确保所有数据都能顺利到达目的应用程序，并且在到达时与它们在发送时的顺序是一致的。
如同将要看到的，提供可靠性的机制本来就与应用程序的类型无关。
因此，有理由将这些机制集合到同一层中，并由所有的应用程序共享。
这一层就称为传输层。
最后，应用层所包含的是用于支持各种用户应用程序的逻辑。
对各种不同类型的应用程序，如文件传送程序，需要一个独立的专门负责该应用的模块。
图1.5和1.6描绘了这个简单的体系结构。
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