计算机网络技术

     数据通信技术是构成现代计算机网络的重要基石之一。随着计算机网络的发展，计算机技术与数据通信技术融为一体，密不可分。数据通信系统一般由数据传输设备、传输控制设备和传输控制规程及通信软件组成。这里简单介绍一些有关数据通信的基本知识，以便于大家能更好的理解计算机网络。

 基本概念

数据通信        数据通信系统是通过传输媒体将信息从一个地方传送到另一个地方的电子系统。在通信过程中，数据以信号形式出现。信号有模拟信号（信号连续取值，如话音信号）和数字信号（信号取值是离散的，如计算机中所用二进制代码）两种形式。 对一个通信系统来说，它必须具备信源、传输媒体、信宿三个基本要素。其中，信源是信息的发源地；传输媒体是信息传输过程中承载信息的媒体；信宿是接收信息的目的地，如图8.2.1所示。       数据编码        ·数字信号编码       数字信号编码就是将二进制数字数据用两个不同的电平值或电压极性来表示，形成矩形脉冲电信号。常用的方法有： ① 非归零编码 用高电平（电压）代表1，低电平（电压）代表0。 ② 曼彻斯特（Manchester）编码 将每个码元分为前后两个相等的部分，当前半部分为高电平，后半部分为低电平时代表1，反之代表0。其波形如图6.2.2所示，两条虚线之间为一个码元的信号。 ③ 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是码元中间的电平跳变仅作为时钟，用于信号传输的同步。用每个码元开始边界是否发生跳变来决定值（与前一码元后半部分电平相比较），有跳变为0，无跳变为1，其波形如图8.2.3所示，。 图8.2.2 曼彻斯特编码波形 图8.2.3 差分曼彻斯特编码波形 图8.2.4所示为数据10011010对应的三种编码波形示意（假定差分曼彻斯特编码的第一个波形为1）。      ·模拟信号编码       模拟信号是连续变化的。一次波形循环是从波峰到波谷，再从波谷回到波峰的过程。描述模拟信号的波形需要用到3个参数：振幅、频率和相位。将数字信号进行模拟传输时，需要将数字信号转换成模拟信号，数字信号转换成模拟信号实质就是频谱变换。其方法是选取某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波，用要传输的数字信号改变载波的振幅、频率或相位，达到运载所要传输的数字信号的目的。这种将数字信号放到载波上的过程称为调制。最基本的调制方式有以下几种： ① 调幅 载波的振幅随数字信号变化。例如0对应无载波输出，1对应有载波输出。 ② 调频 载波的频率随数字信号变化。例如0对应频率f1，1对应频率f2。 ③ 调相 载波的初始相位随数字信号变化。例如1对应相位角0O，而0对应相位角180O，或相反设置。 三种调制方式示意如图8.2.5所示。       信道       在传输介质电路中，用信道表示向某一个方向传送信息的媒体。一般可以将信道视为一条通信电路的逻辑部分。信道按照传输介质可分为有线信道、无线信道和卫星信道；按照使用权限可分为专用信道和公用信道；按照传输信号的种类，又可分为模拟信道和数字信道。不同类型的信道具有不同的特性和使用方式，模拟信道传输的是连续变化的、具有周期性的正弦波信号；而数字信道传输的是不连续的、离散的二进制脉冲信号（对称的方波波形）。在通信网的发展初期，所有的通信信道都是模拟信道。但由于数字技术的高速发展，数字信道可提供更高的通信服务质量，因此，过去建造的模拟信道正在被数字信道所代替。现在计算机通信所使用的通信信道在主干线路上已基本是数字信道。       带宽      带宽是指信道能传送信号的频率宽度，也就是可传送的信号的最高频率与最低频率之差。例如，一个标准电话话路的频带为300Hz ~3 400Hz，即带宽为3 100Hz。由于传输信号时会产生各种失真，外界的干扰也会以各种不同的方式进入信道，在实际使用中只能利用频带中间的一段，其带宽约为2 400Hz左右。 通常我们用带宽来描述传输介质的传输容量，介质的容量越大，带宽就越宽，通信能力就越强，传输率也越高。 衡量传输能力的指标可以使用比特率或波特率。比特率描述数字信号的传输速率，即单位时间内传输二进制代码有效位数，单位为bps（bits per second）或b/s。波特率描述调制速率，即线路中每秒传送的波形的个数，其单位为波特（baud）。两者的换算关系为： 比特率 = 波特率 × log 2 N 其中，N为一个脉冲信号表示的有效状态数。例如，当脉冲信号仅表示为0、1两种状态时，N=2。 在二元调制方式中，比特率和波特率的值相等，习惯上二者可通用（注意：两者在概念上是不同的）。当在多元调制方式中，由于log 2 N ≠ 1，则应将它们区分开来。       基带与宽带       所谓基带就是电信号所固有的基本频率。简单说来，基带就是将全部介质带宽分配给一个单独的信道，直接用两种不同的电压来表示数字信号0与1。当传输系统直接传输基带信号时，则称之为基带传输。     宽带是指比音频带宽更宽的频带，它包括了大部分电磁波频谱。使用这种宽频带进行信息传输的系统，称为宽带传输系统。宽带传输数据速率为0~400Mbps，常用的是5~100Mbps。 频分多路复用:在宽带上可以分割成多个信道，每一路使用不同的频段，它们之间不会互相干扰。这样做就可以在一条线路中同时传送多路信号，因而提高了线路的利用率。 时分多路复用:即将时间分割成许多时间片，轮流交替传送多路信号。 波分复用理论：以波长不同的有色光作为载体，在一条光纤中传送大量的信息。       数据传输方式        在数据通信中，数据以什么方式传输，关系到通信设备的选择。数据传输的方式可分为并行传输与串行传输两种。 并行传输是以字符为单位一个字节一个字节地传送，即在多条线路上同时传输一组比特位，如图8.2.6所示。在单位时间内并行传输传送的信息量比串行传输提高了几倍，但它需要多条传输线路，传输设备的费用也就相应提高，所以并行传输适于近距离传输。 串行传输就是以比特为单位，按照字符所包含的比特位的顺序，一位接一位地传送，到达目的地后，通信接收装置将串行比特流还原成字符，如图6.2.7所示。串行传输虽然速度较慢，但在发送端和接收端之间只需要一根传输线，因而造价便宜，适用于长距离传输数据。在计算机网络中普遍采用串行传输方式。 对于串行传输，其通信方式有单工通信、半双工通信和全双工通信三种方式。通信方式示意如图6.2.8所示。 ① 单工通信 发送端负责发出信息，接收端接收信息，信息流是单方向的且不能改变，适用于一些简单的通信。显示器、打印机的工作过程；无线电广播等都属于此类通信方式。 ② 半双工通信 通信双方都可以发送和接收信息，但不能同时双向进行。例如双向无线电对讲设备，可以发送信息、接收信息，但必须轮流进行。 ③ 全双工通信 通信双方可同时收、发信息，双向传送。 在计算机内部的数据通信通常以并行传输方式进行。用于并行传输的数据线叫做总线，总线的位数取决于并行的数据位，例如，能并行传输32位的数据线就叫做32位总线。计算机之间的通信通常使用全双工方式。       同步技术       1）异步传输 异步传输是以字符为单位的数据传输。在每个发送的字符前加入一个起始位，后面插入一个（或两个）停止位，以便接收设备将自己的内部时钟与发送端的计时设置同步，如图6.2.9所示。起始位的编码值为0，停止位的编码值为1。当没有数据发送时，发送器就连续发出停止码1，接收器根据从1至0的跳变来识别一个新字符的开始。 异步传输要附加发送起止位，所以传输效率有所损失。但是由于每个字符是独立的，故可以以不同的速率发送，因而叫异步传输。 2）同步传输 同步传输是以数据块为单位的数据传输。在每一个数据块的开始处和结束处各附加一个或多个特殊的字符或比特序列，用于标记数据块。这些组合称为帧。接收端接收到同步脉冲序列后，根据同步脉冲来确定数据的起始与终止，从而实现发送端信号和接收端信号同步的目的。同步传输示意如图8.2.10所示。

 信息交换技术与差错控制

交换技术       交换是网络中实现数据传输的一种手段。数据从信源到信宿的传输过程中，采用的交换技术可分为线路交换和存储转发交换两大类。常用以下三种方法： 1）线路交换     线路交换是一种直接交换方式。在数据传输期间，发送点与接收点之间构成一条实际连接的专用物理线路。线路交换的通信过程分为线路建立、数据传输和线路释放三个阶段。在数据传输的全部时间内用户始终占用端到端的通路，数据传输速度快，但线路利用率较低。 2）报文交换     在通信技术中，将需要传输的整块数据加上控制信息后称为报文。报文主要包括报文的正文信息，收发控制信息（包括数据地址信息）等，报文长度不固定，结构如图6.2.11所示。 3）分组交换     分组交换也称为包交换，它是现代计算机网络的技术基础。 当一个主机向另一个主机发送数据时，首先将需要发送的数据划分成一个个平均大小保持不变的小组作为传送的基本单位，在每一个数据段前加上收发控制信息，就构成了一个分组。每个分组都携带一些相关的目的地址信息和分组序号（报文中不用分组序号），系统根据分组中的目的地址信息，利用网络系统中数据传输的路径算法选择路由，确定分组的下一个结点并将数据发送到所确定的结点，分组数据被一步步传下去，直至目的计算机。到了目的地的分组数据根据分组序号再被重新装配起来。       通信服务形式       在计算机网络中数据进行交换的通信服务形式可分为面向连接通信和无连接通信两种。 1）面向连接服务     面向连接通信服务整个过程分为建立连接、数据传输、连接释放三个阶段。它的特点是所有的数据在一次连接中完成交换。我们借用日常生活中打电话的过程来说明面向连接通信服务。用户拨号过程为建立连接，电话可能拨通，也可能遇到忙音拨不通，若电话拨通则从主叫端到被叫端建立了一条物理通路，这个过程称为通信双方的握手。当电话接通后可开始通话，通话过程就是数据传输，通话结束后必须挂机。用户挂断电话的动作就是取消连接，释放这条物理通路。在面向连接通信服务中，到达目的站点的数据与发送时的顺序保持一致。这如同通话过程中按所讲的语句的先后顺序被对方听到一样。     面向连接通信服务和线路交换的许多特性很相似，因此面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。 2）无连接服务     无连接通信服务是指在两个实体间进行通信时，不需要事先建立好一个连接，即发送端和接收端的两个实体不需要同时处于活跃状态。当发送端的实体在发送时，它必须进入活跃状态。这时，接收端的实体不一定是活跃的。只有当接收端的实体正在进行接收时，它才必须是活跃的。     无连接服务只要在每一个发送的分组中携带完整的目的站点的地址信息，便可由分组独立地选择路由。在无连接通信时，由于每个分组独立地选择路由，所面临的网络状态和路由选择的策略不同，故不能保证所有分组按发送顺序交付给目的站点的主机。这如同一群人分乘几辆出租车要到同一目的地，行驶路径由驾驶员自行决定，可能先发车的那辆车比后启动的出租车晚到。在分组传送过程中同样存在先发送的分组晚到的现象，故在目的结点机上需要根据分组号重新装配数据。     无连接服务的优点是灵活方便、迅速，但它不能防止报文的丢失、重复。       差错控制      差错控制的核心是差错控制编码。差错控制编码的基本思想是通过对信息序列的某种变换，使原来彼此独立、没有相关性的信息码元序列产生相关性，接收端据此来检查和纠正传输序列中的差错。差错控制编码分检错码和纠错码两种。检错码是能够自动发现错误的编码；纠错码是能够发现错误，又能自动纠正错误的编码。 检错码采用的基本策略只是在要发送的数据块上附足够的冗余位，使接收端能知道有错误发生，但不知道什么样的差错，然后接收端发出重发请求，让发送端重发该数据块。纠错码采用的策略是在要发送的数据块上附加足够的冗余信息，使接收端能够推导出所发送的字符。在大多数情况下，采用检错码加重发可获得更高的效率。常用的检错码有奇偶校验码和循环冗余校验码。 1）奇偶校验码     奇偶校验码以字符为单位进行校验。在发送的数据后加一位校验码，该位的取值由采用的校验方法和原始数据中的1的个数奇偶性决定。例如，传输的数据为1101001，采用偶校验，附加位为0，则发送的数据为11010010；采用奇校验，附加位为1，则发送的数据为11010011。接收方只要根据校验方法即可知道接收的数据是否有错。 2）循环冗余校验（CRC）码     CRC采用多项式方法编码，把发送的数据看作一个多项式f(x)的系数，在发送端用收发双方预先约定的生成多项式g(x)去除f(x)，得到余数多项式，将余数多项式系数加到发送的数据之后发送到接收端。在接收端用同样的生成多项式g(x)去除接收到的数据多项式f(x)，得到计算余数多项式。若计算余数多项式与传送余数多项式相同，则表示传输无误；否则表示传输有误，由发送端重发数据，直到正确为止。

 数据传输介质