华北电力大学现代数字通信系统计算机通信网络（internet）调研报告

1、现代数字通信系统调研报告 计算机通信网络（Internet）概述（1）Internet概述以大写字母I开始的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的，开放的，由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族，且其前身是美国的APPANET。Internet从结构上由主干网、骨干网及国际出口、用户接入层3个层次构成。从性能上看，Internet具有灵活多样的入网方式，采用分布式的客户-服务器方式，网络与多媒体超文本技术相融合，具有丰富的信息资源、友好的接口、收费低廉等优点。而信息网络的安全问题突出、信息存储和管理风扇、信息服务种类繁多以及发展模式的自由化等，

2、则是Internet网络的缺点。（2）网络的网络起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。网络由若干结点和连接这些结点的链路组成，网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等，网络和网络通过路由器互联，构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网，因此互联网是网络中的网络。因特网是世界上最大的互连网络，习惯上，大家把连接在因特网上的计算机都称为主机。因特网也常用一朵云来表示，网络把许多计算机连在一起，而因特网则是把许多网络连接在一起。还有一点应该特别注意，就是网络互连并不是把计算机仅仅简单地在物理上连接起来，因此这样做并不能达到计算机之间能够相互交换信息的目的。我们还必须在

3、计算机上安装许多使计算机能够交换信息的软件才行。因此当我们谈到网络互连时，就隐约的表示在这些计算机上已经安装了适当的软件，因此在计算机之间可以通过网络交换信息。上面所说的网络中一定有计算机，像这样含有计算机的网络，以及用这样的网络加上许多路由器组成的互联网，都可通称为计算机网络。当然，实际上最大的互联网因特网，也是一种计算机网络。（3）因特网发展的三个阶段因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进，但这三个阶段在时间划分上并不是截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的而不是在某个日期突然发生了变化。第一阶段是从单个网络APPANET向互联网发展的过程，一个分组交换网APPANET最

4、初只是一个单个的分组交换网络，要连接在APPANET上的主机都直接与最近的结点交换机相连。随着APPA开始研究多种网络互连的技术，导致后来互联网的出现，这样的互联网成为因特网的雏形。1983年TCP/IP协议成为APPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互联网相互通信。第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。从1985年起，NSF围绕留个大型计算机中心建设计算机网络。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网，它们成为因特网中的主要部分。第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。在许多情况下，因特网服务提供者ISP就是一个进行商业活动的公司，根据

5、提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同的层次。（4）因特网的标准化工作标准的制定过程和复杂，需要综合考虑诸多因素，因特网在制定其标准上很有特色，其中一个最大的特点就是面向公众，这种方式对因特网的迅速发展影响很大。制定因特网的正式标准要经过以下的四个阶段【RFC2026）】因特网草案-在这个阶段还不是RFC 文档。建议标准-从这个阶段开始就成为RFC文档。草案标准4）因特网标准（5）计算机通信网络随着计算机应用技术的发展和计算机硬件价格的下降，不同公司或部门常拥有多台计算机系统。这种以传输信息为主要目的而用通信线路将主机系统连接起来的计算机群，称为计算机通信网络，

6、其结构如下图。图 SEQ 图 * ARABIC 1 计算机通信网络结构图系统结构把计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，换种说法，计算机体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精准定义。总之，体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。（1）计算机网络体系结构的形成计算机网络是个非常复杂的系统，连接在网络上的两台计算机要相互通信要考虑的问题也很多，要求相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作。为了解决设计复杂的计算机网络，APPANET设计时即提出了分层的方法。开放式系统互连基本参考模型OSI/RM的提出，1983年提出了ISO7498国际标准，

7、也就是所谓的七层协议的体系结构。但由于种种原因，现今规模最大的覆盖全世界的因特网并未使用OSI标准，得到最广泛应用的是非国际标准TCP/IP。（2）协议与划分层次为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，网络协议主要由语法、语义、同步三要素组成。APPANET的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的。使用分层带来的好处有：各层之间是相互独立的。灵活性好结构上可分割易于实现和维护5）能促进标准化工作（3）具有五层协议的体系结构图 SEQ 图 * ARABIC 2 具有五层协议的原理体系结构1）应用层应用层是原理体系结构中的最高层。应用层确定进程之间通信

8、的性质以满足用户的需要(这反映在用户所产生的服务请求)。2）运输层运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段(segment)。运输层具有复用和分用的功能。因特网的运输层可使用两种不同协议。即面向连接的传输控制协议TCP和无连接的用户数据报协议UDP。3）网络层网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。在网络层，数据的传送单位是分组或包。在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报4）数据链路层数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。数据链路层有时也常简称为链路层。数据链路层就把一条有可

9、能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看去好像是一条不出差错的链路。5）物理层物理层的任务就是透明地传送比特流。“透明”是一个很重要的术语。它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。（4）实体、协议、服务和服务访问点实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程，许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。协议：通信双方在通信中必须遵守的规则，在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，下面的协议对上面的实体是透明的。服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给

10、其相邻上层。服务点：在同一系统中相邻两层的实体进行交互（信息交换）的地方，通常称为对等层：两个不同系统的同级层次。对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。服务访问点。（5）TCP/IP的体系结构图 SEQ 图 * ARABIC 3 TCP/IP体系结构的对比TCP/IP的体系结构只有四层，如上图所示。图 SEQ 图 * ARABIC 4 TCP/IP协议栈还有一种方法，就是分层次画出具体的协议来表示TCP/IP 协议族，如上图所示，它的特点是上下两头大而中间小：应用层和网络接口层都有很多协议，而中间的IP层很小，上层的

11、各种协议都向下汇聚到一个IP协议中。这种像沙漏计时器形状的TCP/IP协议族表明：TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务，同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行，正因为如此，因特网才发展到今天的这种全球规模。举例分析信号流的传输过程计算机通信网络中传输的是数字信号，通过光纤、同轴线、双绞线等媒介传输，信号没有通过移动网、微波网。假设主机H1向主机H2通过计算机网络发送语音信号M，结合数字通信系统模型及计算机网络中各层机构及使用的协议，主机H1、H2分别对应数字通信系统中的信源和信宿，信道对应计算机通信网络中所使用的各种传输媒体，噪声源引起系统的误码率、误信率

12、。图 SEQ 图 * ARABIC 5 数字通信系统结构图（1）主机H1通过外围设备录入语音信号，通过调制，编码等过程将原始模拟信号转变成数字信号。主机H1中数据传输方向为从高层到底层，主机H2中数据传输方向为从低层到高层。图 SEQ 图 * ARABIC 6 数据在各层之间的传输过程（2）假定两主机直接相连，主机H1将处理过后的语音数字信号M分别经过应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层 再经最底层的通信媒体传输语音信号，主机H2中对应的各层对接收到的语音数字信号分别处理，最后上交给主机的应用进程，完成数据间的传输。1）物理层物理层传送的数据为数字信号0和1的各种组合，单位为比特。 =

13、1 * GB3 计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，物理层的作用要尽可能地屏蔽掉这些差异，使上面的数据链路层感受不到这些差异 。物理层的任务就是透明地传送比特流。 = 3 * GB3 物理层提供的服务就是给数据链路层提供在物理传输媒体上传送和接收比特流的能力，其功能有通信设备之间接口处提供数据链接、设备间提供控制信号和时钟信号、提供机械连接器。2）数据链路层 = 1 * GB3 数据链路层像个数字管道，常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。 = 2 * GB3 数据链路层的主要功能有链路管理、帧定界 、差错控制、将数据和控制信息区分开

14、、透明传输和寻址。 = 3 * GB3 主机 H1 向 H2 发送数据 图 SEQ 图 * ARABIC 7 从数据链路层观察帧的流动图 SEQ 图 * ARABIC 8 从层次上看数据的流动 = 4 * GB3 数据链路层使用的协议有停止等待协议，连续ARQ协议和选择重传ARQ协议，面向比特的链路层协议HDLC，因特网的点对点协议PPP等。使用停止等待协议完全理想化的数据传输为下图所示：图 SEQ 图 * ARABIC 9 理想化的数据传输主机H1将其数据发至缓存器，缓存到一定数量后以帧为单位，在数据链路层中传输，接收主机接收数据将其存在缓存器中，再上交给上层。3）网络层 = 1 * GB3

15、 网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以分为两大类，一是无连接的网络服务（数据报服务），二是面向连接的网络服务（虚电路服务）。图 SEQ 图 * ARABIC 10 虚电路服务 = 2 * GB3 网际协议IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议，ARP,PARP,ICMP,IGMP图 SEQ 图 * ARABIC 11各层协议关系图 = 3 * GB3 网络层传输的是IP数据报，IP数据报根据网络的目的地址确定下一跳路由，采用分组转发算法转发数据。 = 4 * GB3 主机H1经网络向主机H2 发送数据，要采用一系列的形式，如内部网关协议IG

16、P和外部网关协议EGP等 。 = 5 * GB3 网络层分组在互联网中的传输过程图 SEQ 图 * ARABIC 12 分组在互联网中的传输过程 = 6 * GB3 数据在网络层是以IP数据报传输的，一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。 IP数据报的格式如下图所示：图 SEQ 图 * ARABIC 13 IP数据报的格式4)运输层 = 1 * GB3 运输层的主要功能有：运输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）；运输层还要对收

17、到的报文进行差错检测；运输层需要有两种不同的运输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP = 2 * GB3 若采用面向连接的传输控制协议TCP，在运输层中以报文段进行传输，数据格式为TCP首部和数据部分。TCP可靠传输的实现需要以自己了为单位的滑动窗口，还需设定超时重传，设置流量控制和拥塞控制方法。 = 3 * GB3 运输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信，如下图所示：图 SEQ 图 * ARABIC 14 运输层提供逻辑通信 = 4 * GB3 若采用TCP协议传送信号，则在运输层其信号流图为下图所示：图 SEQ 图 * ARABIC 15采用TCP协议传送信号的信号流图5)应用

18、层因特网采用层次结构的命名树作为主机的名字，并使用分布式的域名系统 DNS。域名到 IP 地址的解析是由若干个域名服务器程序完成的。域名服务器程序在专设的结点上运行(3) Internet可以视为一个分组交换系统，TCP/IP协议本质上所采用的的是分组交换技术。其核心思想是把数据分割成信息包来传输。Internet在进行信息传输是要完成的任务主要有两项：一是正确分割源文件并在目的地将改文件的数据包准确地重组起来；二是将数据包准确的送往目的地，即实现信息数据的分解、传输与整合。通过TCP协议来保证数据包的正确传输以及IP协议传输地址的唯一有效性，保证数据信息在Internet上的传输。当前的发展

19、状况和发展方向（1）当前的发展状况Internet是近几年来最活跃的领域和最热门的话题。而且发展势头迅猛。成为一种不可抗拒的潮流。一些国家的通信部门瞄准计算机联网的发展趋势，或者是迫于通信资源的需求浪潮，大力加强发展公用通信网的建设，尤其是数字通信网和数字数据网（DDN）的建设，为计算机网络提供充裕的资源，这样，不仅加快了建网速度，提供经济的通信线路，而且也有利于通信资源的跟有效利用。 世界进入21世纪以来，以因特网作为强大的信息互连互通环境，形形色色的利用计算机网络的应用信息系统，正在无孔不入地渗透到人类社会的各个领域，这就是信息化社会。（2）随着Internet的不断扩大和新业务的不断出现

20、，其发展呈现出一些新的趋势：1）发展商业化趋势，Internet为商业活动开辟了一条崭新的信息交流渠道，提高了商业活动的范围和效率，目前已出现了主要业务建立在Internet上的企业。2）全民化趋势，从前期的科研和教育工作者为主要服务对象到如今服务对象已扩展到各行各业及各个年龄段。3）全球化趋势，从上世纪90年代以来Internet出现了明显的全球化趋势，如今已成为最大的全球性网络。（3）网络未来的发展随着网络技术的发展和各种网络应用需求的发展，计算机网络应用的范围还在不断扩大，应用领域越来越宽，越来越深入，许多新的计算机网络应用系统不断地被开发出来，从目前的发展状况来看，网络技术正在向以下几

21、个方面发展。1）三网合一信息高速公路是网络未来发展的反响，它将以传输速率很高的光纤为传输媒体，建成三网合一的全球信息高速公路网。三网合一中的三网是指因特网、通信网、和电视网。 通过三网合一可将目前的数据通信网、 网和邮箱电视网资源有效利用起来，通过IP、光纤等技术实现不同类型信息的统一传输，可以节省大量的布线工作与成本。2）云计算云计算是一个极具网络吸引力的网络应用模式，云计算通过网络以按需、扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务。它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等特性。云计算是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产