计算机数据通信基础知识及体系结构

1、第2章 计算机数据通信基础知识及体系结构2.1 数据通信基础知识2.2 计算机通信接口2.3 异种系统的互连2.4 网络体系与层次结构2.5 ISO/OSI开放系统互连参考模型2.6 TCP/IP协议综述2.7 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较2.8 本章小结练习题12.1 数据通信基础知识2.1.1 数据通信的基本概念1. 信息、数据和信号在计算机网络中，通信的目的是传输信息或消息。信息(Information) 是消息 (Message) 所包含的内容，它的载体是数字、文字、语音、图形和图像等。数据 (Data) 是传递信息的实体，它总是和一定的形式相联系的，而信息(Inform

2、ation)则是该数据的内容或解释。数据分两种：模拟数据和数字数据。前者取连续值，后者取离散值。模拟数据反映的是连续消息，如话音和图像等。话音的声压是时间的连续函数。2数字数据反映的是离散消息，就是用一系列符号代表的消息，而每个符号只可以取有限个值。数字数据在传送时，一段时间内传送一个符号，因此在瞬间内数据是离散的。因此，用来反映取值上离散的文字或符号的数据是数字数据。信号(Signal)是数据的电编码或电磁编码。它分为两种：模拟信号和数字信号。模拟信号是一种连续变化的电信号，它用电信号模拟原有消息。 3显然，模拟信号的取值可以有无限多个，图2-1 (a) 表示话音声压随时间连续变化的消息，图

3、2-1(b) 表示与之相应的电流幅度随时间变化的电信号。数字信号是一种离散信号，它的取值是有限个，比如计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号。 4图2-1 模拟信号52信道及信道的类型1) 信道传输信息的通路称为“信道”。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。2) 物理信道和逻辑信道在计算机网络中，有物理信道和逻辑信道之分。 3) 有线信道和无线信道根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。 64) 模拟信道和数字信道如果按照信道中传输的数据信号的类型来分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道。模拟信道传输的是模拟信号，而数字信道

4、直接传输二进制数字脉冲信号。5) 专用信道和公共交换信道如果按照信道的使用方式来分，又可以将信道分为专用信道和公共交换信道。 7专用信道有两种连接方式：一种是点对点式连接(点点连接)；另一种是点对多点式连接(多点连接)，参见图2-2。8图2-2 通信信道连接类型(a) 点对点式连接；(b) 点对多点式连接93数据通信系统的主要技术指标比特(bit)是二进制(Binary Digit)的缩写，即计算机中常用的术语“位”，在数据通信中用它来度量消息的信息量。“码元”是对计算机网络中传送的二进制数字中每一位的通称，或称为“码位”。二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”，在7

5、位ASCII码中，这个码字就是字母A。101) 数据传输率S数据传输率又称比特率，是指数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数，单位用比特每秒(b/s)表示。数据传输率S可用以下公式计算：S=lb n11式中：T信号脉冲重复周期；n一个脉冲信号代表的有效状态数，是2的整倍数，例如，二进制的一个脉冲可表示“0”和“1”两个状态，故n2；lb n单位脉冲能表示的比特数，如n4时，表示一个单位脉冲为2 bit。在实际应用中，常用的数据传输速率单位有：kb/s、Mb/s、Gb/s和Tb/s，其中：1 kb/s=103b/s，1Mb/s=103 kb/s，1Gb/s=1

6、03 Mb/s，1 Tb/s=103 Gb/s12 2) 波特率B波特率是一种调制速率，也称波形速率或码元速率。它是指模拟信号传输过程中，从调制解调器上输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的次数；或者说，在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特(Baud)。从调制速率的意义来理解，它是脉冲信号经过调制后的传输速率，通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。若以T表示波形的持续时间，则调制速率B可以表示为B= (波特) 13比特率和波特率之间有下列关系：SB lb n其中，n为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二进制中，一个脉冲的“有”和“无”表示1和0两种状态。在二

7、相调制中，n2，故SB，即比特率与波特率相等。但在更高相数的多相调制中，S与B就不相同了。例如，在四相调制中，n4，如果B1200 bit，则信号传输速率S2400 b/s。这一点希望读者使用时注意。143) 出错率出错率是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错误率，也称误码率。传输可靠性指标由于传输中信息的最小单位不同而不同。信息的单位可以是比特、码元、码字、一组码字，因此，出错率有以下几种表示方法：(1) 误比特率Pb：接收的错误比特数占传输总比特数的比例，即： Pb15(2) 误码率Pe：接收码元中错误码元数占传输总码元数的比例，即：Pe计算机网络通信系统中，要求误码率低于109。(

8、3) 误字率Pw：实际应用中，常由若干码元组成一个码字，因此衡量传输可靠性也用误字率表示。误字率指接收的错误码字占传输总码字的比例，即： 16Pw传输中，有时一个码字中有两个或更多个码元出错，这和错一个码元的效果一样，因为它们都导致这个码字出错，两种情况的误字率相同，但误码率不同。可见，误字率不一定等于误码率。(4) 误组率PB：数据通信中，可将所传输的信息中的若干字组成一组，一组一组地传送，此时接收信息中的错误组数与传输的总组数之比称误组率，即：PB 174) 信道容量信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用带宽来描述。模拟信道的容量指信道传输信号的可接收频率范围，其带宽为传输信号的最高

9、频率和最低频率的差值。如话音电路接收的语音频率为3003400Hz，则其带宽为3400300=3100 Hz(一般话音电路带宽取4 kHz)。在数字信道中，一般用单位时间内最大可传送比特数来描述带宽。例如，某传输媒体最大的传输速率为9600b/s，则其带宽为9600b/s。18任何通信信道都不是理想的，由于信道带宽的限制及信道干扰的存在，信道的数据传输速率总会有一个上限。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出在具有理想低通矩形特性信道情况下的最高码元传输速率公式：理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是2Baud每秒，我们称为奈氏准则。例如，话音电路的带宽为4kHz，则其最高码元传输

10、速率是8000Baud每秒；假设1Baud携带3bit的信息，则最高传输速率为24000b/s。对于具有理想带通矩形特性的信道，奈氏准则变为理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是1Baud每秒。19奈氏准则描述的是有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽之间的关系。如考虑信道噪声问题，可用香农(Shannon)定律来表述，它描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。信道的最大信息传输速率为C：C=W lb b/s其中，W为信道的带宽(以Hz为单位)，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。20其中，W为信道的带宽(以H

11、z为单位)，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。香农(Shannon)定律表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的最高传输速率就越高。对于3.1kHz带宽的话音电路，如果信噪比S/N=2500，那么由香农定律可知，无论采用何种编码技术，信息的传输速率都不超过3100lb(1+2500)35 kb/s。信道容量由信道的带宽W、可使用的时间T以及信道质量(即信号功率与干扰功率之比)决定。由于噪音的干扰，实际应用中的传输速率要小于信道容量，高传输速率将被信道容量限制而得不到充分利用。例如，56kb/s的调制解调器在较差的 线路上只能达到28.8kb/s甚至14.4 kb/s

12、的传输速率。212.1.2 数据传输1数据传输方式1) 并行传输与串行传输(1) 并行传输。 如图2-3所示，两数据设备之间一次传输n位并行数据，每条连线对应一条信道，用于传输代码的对应位，n条信道组成了n位并行信号。 22图2-3 并行传输方式23(2) 串行传输。串行传输时，数据一位一位地在一条信道上传输。如图2-4所示，数据发送端向数据接收端发出了“01001101”的串行数据。 24图2-4 串行传输方式252) 数据的通信方式数据传输是有方向的，这是由传输电路的能力和特点所决定的。按传输的方向不同，数据传输可分为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信和全双工通信。(1) 单工通信。

13、(2) 半双工通信。(3) 全双工通信。 263) 数据同步方式数据在线路上传输时，为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误接收，要求发送端和接收端的收发动作必须控制在同一时间内进行，即发送端以某一速率在一定的起止时间内发送数据，接收端也必须以同一速率在相同的起止时间内接收数据。 常用的同步方式有两种：异步方式和同步方式。(1) 异步方式。图2-5(a)、(b)分别给出5位字符和8位字符的异步方式结构。27图2-5 异步方式字符结构28(2) 同步方式。如图2-6所示。发送前，发送端和接收端应先约定同步字符的个数及每个同步字符的代码，以便实现接收与发送的同步。 29图2-6 同步传输302数

14、据传输类型1) 基带传输由计算机或数字终端产生的信号是一连串的脉冲信号，它包含有直流、低频和高频等分量。在基带传输中，需要对数字信号进行编码，即用不同电压极性或电平值代表数字信号的“0”和“1”。常见的编码方法有三种：非归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。(1) 非归零编码。非归零编码NRZ(Non-Return to Zero)如图2-7 (a) 所示。NRZ 码可以规定为用负电压代表“0”，正电压代表“1”。当然也可以有其他表示方法。 31(2) 曼彻斯特编码。曼彻斯特(Manchester)编码是目前广泛使用的编码方法之一。它的编码规则是：每比特的时钟周期的1/2都有跳变，该跳变既

15、可代表本地时钟，也可代表数字信号的取值；由高电位向低电位跳变代表“1”，由低电位向高电位跳变代表“0”。典型的曼彻斯特编码波形如图2-7(b)所示。曼彻斯特编码的缺点是效率较低。 (3) 差分曼彻斯特编码。其典型波形见图2-7(c)。32图2-7 数字信号三种编码的波形332) 频带传输基带传输是数据通信中一种非常重要的传输形式，但是它只能在信道上原封不动地传输二进制数字信号。传统的 通信信道是为传输语音信号而设计的，它只适用于传输音频范围为3003400 Hz的模拟信号，不适用于直接传输计算机的数字基带信号。为了利用 交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。为此，需

16、要在发送端选取音频范围内的某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过 信道将其送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的信号波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。 34其中，由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为“调制”(Modulation)，相应的调制设备称为“调制器”(Modulator)；在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为“解调”(Demodulation)，相应的设备称为“解调器”(Demodulator)。同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”(Modem)。在调制过程中，选用

17、的载波信号可以表示为yA(t)cos(t+)其中，振幅A、角频率、相位是载波信号的三个电参量，它们是正弦波的控制参数，称为调制参数。它们的变化将对正弦载波的波形产生影响，通过改变这三个参量可以实现对模拟数据信号的编码，相应的调制方式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制。35 (1) 幅度调制。幅度调制又称为“振幅键控”(ASK，Amplitude-Shift Keying)。在幅度调制中，频率和相位都是常数，振幅为变量，即载波的幅度随发送的信号而变化，表示为(t)= 0(t)=0A(t)=A1，A2，An 图2-8(a)是具有0、1两个幅度值的调幅波形(二元制调幅波)，具有一定幅度的载波信号表

18、示“1”，幅度等于0的载波信号表示“0”。为提高传输速度，可采用多幅度调制，即调制电平有4个、8个或更多。36图2-8(a)是具有0、1两个幅度值的调幅波形(二元制调幅波)，具有一定幅度的载波信号表示“1”，幅度等于0的载波信号表示“0”。为提高传输速度，可采用多幅度调制，即调制电平有4个、8个或更多。(2) 频率调制。频率调制又称“移频键控”(FSK，Frequency-Shift Keying)。在频率调制中，振幅和相位为常量，频率为变量，表示为A(t)=A0(t)=0(t)= 1，2，n37在二元制中，数字信号“0”和“1”分别用两种不同频率的波形表示，如图2-8(b)所示，“1”调制为

19、频率为1的波，“0”调制为频率为2的波。频率调制的电路简单，抗干扰能力强，频带利用率低，适用于传输较低速的数字信号。38图2-8 三种调制方式的波形 39(3) 相位调制。相位调制又称“移相键控”(PSK，Phase-Shift Keying)。在相位调制中，振幅、频率为常量，相位为变量，其函数表达式为A(t)=A0(t)= 0(t)=1,2,n在二元制情况下，信号“0”和“1”分别用不同相位的波形表示，如图2-8(c)所示。相位调制又分绝对相位调制和相对相位调制两种。绝对相位调制中，数字“0”和“1”的载波信号起始相位不同，即0代表数字“1”180代表数字“0”，反之也成立。40在多相制中，

20、相位有多种变化。如在四相制中，相位角有四种变化：0，90，180，360，它们分别代表数字00、01、10、11。相对相位调制中，传送数字“1”时，相邻两波形相位不变；传送数字“0”时，相邻两载波相位变化为180。相位调制占用频带较窄，抗干扰性能好，实际应用中常使用这种方式。3多路复用技术在数据传输时，为了高效合理地利用资源，通常采用多路复用技术，使多路数据信号共同使用一条线路进行传输，如图2-9所示。41图2-9 多路复用技术42多路复用技术通常分为频分多路复用技术FDM、时分多路复用技术TDM(同步时分复用技术和异步时分复用技术)、波分多路复用技术WDM和码分多路复用技术CDMA等，其中频

21、分多路复用技术在早期 系统和无线电模拟通信中用得较多；在数据通信和计算机网络通信中使用时分多路复用技术；随着光纤技术在数据通信中的应用，光纤通道采用了波分多路复用技术；码分多路复用技术常称为码分多址CDMA技术，多使用在 等移动通信中。43 1) 频分复用技术(FDM)频分复用原理如图2-10所示。 图2-10 频分复用原理 442) 同步时分复用技术(STDM)同步时分复用技术采用固定时隙分配方式，即将传输时间按特定长度连续地划分成特定时间段(称为帧)，再将每一帧划分成固定长度的多个时隙(时间片)。各时隙以固定的方式分配给各路数字信号(如图2-11所示)，即将这些时隙分配给固定的用户终端，并

22、且周期地重复分配每一帧。 45图2-11 同步时分复用技术463) 异步时分复用技术(ATDM)异步时分复用技术又被称为统计时分复用或智能时分复用(ITDM)技术，它能动态地按需分配时隙，避免每帧中出现空闲时隙。 2.1.3 数据差错检测与控制1差错的检测数据在通信线路上传输时，由于传输线路上的噪声或其他干扰信号的影响，往往使发送端发送的数据不能正确地被接收端接收，这就产生了差错。差错可用误码率Pe来度量： 47Pe =(1) 选择好的通信线路，即改善通信线路的电气性能，使误差的出现概率降低到系统要求的水平。 (2) 在通信线路上，设法检查错误，采取措施对错误进行差错控制，即在数据传输时，采取

23、一定的方法发现并纠正错误。 482抗干扰编码的控制方式1) 反馈重发纠错反馈重发纠错简称ARQ，其工作原理是：由发送端发出能够检测出错误的码检错码，接收端按该码的编码规则判断传输中有无差错；若有差错，通过反馈信道把判定结果告诉发送端，发送端重发该信息，直至接收端接收正确为止。当干扰出现频繁时，发送端重发的次数也就随之增加。多次重发某一信息会使传送信息的连贯性差，但由于该方式只要求发送端发送检错码，接收端只要求检查有无错误，无需纠正错误，因此设备简单。 492) 前向纠错前向纠错简称FEC，其工作原理是：由发送端送出纠错码，接收端通过接收译码器不仅可发现错误，而且能自动纠正错误。该方式不需反馈信

24、道就可实现一个对多个用户的通信，但译码设备比较复杂，且因所选用的纠错码与信道干扰情况有关，某些情况下，为了纠正差错，要求附加的冗余码较多，故传输效率较低。503几种冗余校验方法1) 垂直冗余校验垂直冗余校验是以字符为单位的校验方法。一个字符由8位组成，其中低7位是信息码，最高位是冗余校验位。校验位可以使每个字符代码中“1”的个数为奇数或为偶数。若字符代码中“1”的个数为奇数，称奇校验；“1”的个数为偶数，称偶校验。例如，一个字符的7位代码为1010110，有4个“1”(偶数个)，若为奇校验，则校验位为1，即整个字符为11010110，如下图所示。5152同理，若为偶校验，则校验位应为0，即整个

25、字符为01010110。垂直冗余校验能发现传输中任意奇数个错误，但不能发现偶数个错误。2) 水平冗余校验水平冗余校验把数个字符组成一组，对一组字符的同一位(水平方向)进行奇或偶校验，得到一列校验码。发送时，一个接一个地发送字符，最后发送一列校验码。如：一组字符包括五个字符，如表2-1所示，每个字符的信息代码是7位，传送时先顺序传送0、1、2、3、4五个字符的blb7位，最后传送校验码，假设水平校验采用偶校验。水平冗余校验能发现长度小于字符位数(现在为7位)的突发性错误。53表2-1 水平冗余校验543) 水平垂直冗余校验同时进行水平和垂直冗余校验就得到水平垂直冗余校验。具体地说，就是对表2-1

26、中的5个字符均再增加一位校验位b8。如表2-2所示。b8是垂直校验位，每行的最右一位是水平校验位。它们可以是奇校验或偶校验。表2-2均是偶校验。水平垂直校验码也称方阵码，这种码有较强的检错能力，它不但能发现所有一位、二位或三位的错误，而且能发现某一行或某一列上的所有奇数个错误。方阵码广泛应用于计算机网络通信及计算机的某些外部设备中。55表2-2 水平垂直冗余校验564) 循环冗余校验循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)是一种较为复杂的校验方法。它利用事先生成的一个二进制校验多项式g(x)去除(采用模2算术，运算时不进位和借位)要传送的二进制信息多项式m(x)，得

27、到的余式就是所需的循环冗余校验码，它相当于一个n位长的二进制串。采用循环冗余校验的信息编码如图2-12所示，它在要传送的信息位后附加若干校验位，发送时，将信息码和冗余码一同传送至接收端；接收时，先对传送来的码字用发送时的同一多项式去除，若能除尽，则说明传输正确，否则说明传输出错。57图2-12 循环冗余校验编码方式58循环冗余校验码的纠错能力与校验码的位数有关，校验码位数越多，检错能力就越强。此外，产生循环冗余校验码的规则也影响检错能力，这里不再多阐述。校验多项式g(x)有以下几种：CRC-16x16+x12+x2+1CRC-CCITTx16+x12+x5+1CRC-32x32+ x26+ x

28、23+ x22+ x16+ x12+ x11+x10+ x8+ x7+x5+ x4+ x2+x+1592.2 计算机通信接口2.2.1 RS-232接口标准RS-232是美国电子工业协会(EIA，Electronic Industries Association)1962年制定的著名物理层标准，其中RS(RS，Recommended Standard)表示推荐标准，232是一个编号；1969年修订为RS-232-C，C表示第三个修订版本；1987年1月，修订为EIA-232-D标准；1991年又修订为EIA-232-E标准。由于修改的内容不多，故现在人们仍旧使用RS-232这一名称。 60图2

29、-13 RS-232串口标准的典型应用611RS-232的电气特性RS-232采用负逻辑，属于不平衡型电气特性(所有电路共用一个公共地)。 2RS-232的机械特性一般RS-232用的接插件是25pin(引脚)的D型接插件，以其接头的不同(针或孔)分为DB-25P(公)与DB-25S(母)，引脚分为上、下两排，分别有13和12根引脚，如图2-14所示，引脚编号分别规定为113和1425，都是从左到右排列的(引脚指向人时)。 62图2-14 RS-232用的25 pin接插件63针对PC机的特殊用途(如鼠标接口等)，RS-232也提供了9pin的接插件，以便于连接。9pin接口省略了部分插针功能

30、。在PC机中，9pin接口一般设定为com1，而25pin接口多设定为com2。 RS-232的插针定义规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根及该引脚的作用。图2-15描述了常用的10根引脚的作用，括号中的数字为引脚的编号。图中引脚7为信号地，引脚2和引脚3分别是发送数据线和接收数据线(数据发送和接收都是针对DTE而言的)。把图2-15中的保护地(引脚1)去掉，就变成了9pin接口。64图2-15 RS-232引脚定义653RS-232互连方式图2-16中给出在某些应用场合，比如近在同一机房内的两台计算机或终端间相互通信、交换数据时所使用的“空Modem”接法，该接法省去了通信双方的Mo

31、dem(DCE)，仍用RS-232C连接方式。这种接法对DTE是透明的。6号线“DCE就绪”和22号线“振铃指示”与对方DTE的20号线“DTE就绪”相连，当“DTE就绪”出现时，另一方即振铃，表示有呼叫进来，此时“DTE就绪”也产生。因此，只要双方DTE准备好，就同时给双方产生DCE准备好信号。由于4号线“请求发送”和5号线“允许发送”接在一起，因此只要有请求就允许发送，对方8号线就收到信号，这种连接可实现全双工通信。在图2-16中，若把通信双方端的4、5、8号线相连；6、20号线相连；22号线悬空，则连接就更简单了。66图2-16 计算机与终端直接连接674RS-232的通信过程现以终端通

32、过Modem及 线与远程计算机中心主机以半双工方式通信为例说明RS-232通信过程。参看图2-16，设终端先向远程主机发送数据，具体过程如下： 首先，当终端接至线路上时，20号线(DTE就绪)为高电平(通状态)，表示通知Modem(DCE)要求与线路接通，Modem响应，通过6号线(DCE就绪)发信号，以高电平回答，表示Modem(DCE)已准备好，同时向远程Modem(远程DCE)发载波。以上属于数据通信连接建立阶段。68接下来，若终端想发送数据，就使4号线(请求发送)处于通状态，表示请求发送，并向对方发送载波。与终端连接的Modem收到发送请求，用5号线(允许发送)响应，使其接通，表示准备

33、好发送，此时终端就可通过2号线(发送数据)发送数据。与此同时，对方Modem(远程DCE)收到载波后通过8号线(载波检测)向主机(远程DTE)发信号，表示已检测到接收数据载波，准备接收数据，并经3号线(接收数据)接收数据。以上属于数据通信阶段。 最后，当数据发送完毕后，4号线变成低电平(断开状态)，5号线也随之降低，恢复成原始状态，数据通信连接断开。RS-232只适于短距离，一般规定DTE与本地DCE设备的连接电缆不超过15m，即通过虚Modem时，两端的DTE连接线总长不能超过30m。692.2.2 其他计算机接口标准RS-232接口标准有较大的弱点：通信速度较慢(20kb/s)，DTE与本

34、地DCE设备的连接电缆短(15m)，需提供额外电压。因此，出现了以下一些改良的接口标准。1RS-4492RS-422ARS-422A属于平衡型接口，该接口有如下优点：(1) 抗噪声能力较强，较适合于通信。(2) 电源电压使用5V，不需使用额外电压。3RS-423A702.3 异种系统的互连在日常生活中，如果遇到这样的问题：两个不同国度的外交官讨论外交事务，可是两人不懂对方的语言，那么他们在讨论外交事务时怎么才能让对方听懂呢? 我们会说，“可以请翻译呀！”现假设问题是这样的：一位只讲英语的巴基斯坦外长甲告诉只讲汉语的中国外长乙：“我喜欢中国。”可又没有既懂英语又懂汉语的翻译，该怎么办？ 71像这

35、种情况，一般我们可以请两个翻译：翻译A和翻译B，其中A会讲英语、法语，B会讲法语、汉语。如图2-17所示，外交官甲将要讨论的外交事务通过英语告诉翻译A，翻译A将英语翻译成法语(法语在这里成为了中间语言)再传给翻译B，翻译B将法语翻译成汉语再传给外交官乙，外交官乙就明白了外交官甲的意思。值得注意的是，这里翻译们只管翻译语言，并不需要知道外交领域的事务，同样外交官也不需要懂语言翻译领域的事。72图2-17 外交官问题73计算机网络是由许多像Apple机和IBM PC机那样的计算机和各类终端通过通信线路连接起来的复合系统。计算机网络标准化所遇到的首要问题是系统的互连，它不仅涉及基本的数据传输，还涉及

36、网络的应用和有关的服务。 742.4 网络体系与层次结构2.4.1 协议分层1网络协议计算机网络中不同系统的两实体间只有在通信的基础上，才有可能相互交换信息，共享网络资源。一个网络协议主要由以下三个要素组成：(1) 语法，即数据与控制信息的结构或格式。(2) 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。(3) 同步，即实体通信实现顺序的详细说明。752协议分层层次结构如图2-18所示。 76图2-18 “外交官”问题的层次结构 77为简化问题、减少协议设计的复杂性，大多数网络都采用类似于“外交官”问题的层次结构，按层或级的方式来组织网络，因此协议也是分层次的，每一层都建立在其下

37、层之上，每一层的目的都是为上层提供一定的服务，并对上层屏蔽服务实现的细节；各层协议互相协作，构成一个整体，常称之为协议簇(Protocol Family)或协议套(Protocol Suite)。78不同系统中的相同层实体叫对等实体(Peers)。对等实体间通信须遵守同层协议。一台机器上的n层实体与另一台机器上n层实体间通信所使用的协议，称为第n层协议。实际上，数据并不是在两个对等实体间直接传送时的，而是由发送方实体将数据逐次传递给它的下一层，直至最下层，通过物理介质实现实际通信，到达接收方；由接收方最下层逐层向上传递，直至对等实体，完成对等实体间的通信。因此，我们有必要区分虚拟通信和实际通信

38、，图2-19有助于我们理解这个问题。其中，实线表示实际通信路径，虚线表示虚拟通信路径。79每一对相邻层之间有一个预先定义的界面，我们称之为接口，接口定义了原语操作和下层向上层提供的服务。如果网络中每一层都有一个定义明确的功能集合，相邻层之间有一个定义清晰的接口，就能尽量减少必须在相邻层间传递的信息的数量。同时，修改本层的功能也不会影响到其他层。也就是说，只要能向上层提供完全相同的服务集合，改变下层功能的实现方式并不影响上层。这为新通信技术和通信材料的使用提供了方便(如用卫星信道代替现用的 线)。 80图2-19 协议层次结构81各层设计问题在计算机网络的设计中，有些问题显得很关键，是各层或大多

39、数层都需要解决的。我们简述其中一些问题： (1) 每一层都必须有一个建立连接和拆除连接的机制，以便网络中欲进行通信的两个进程之间能彼此定位。 (2) 由于物理通道和各层通常不会完全可靠，因此，差错控制是另外一个重要问题。(3) 为避免高速发送方发送数据过快致使低速接收方难以应付而丢失数据，甚至引起网络死锁，必须进行数据流量的控制。82 (4) 需确定数据传输的方式是单工通信、双工通信，还是半双工通信。(5) 当源端与目标端间存在多条通路时，必须从中选择一条合适的路径。(6) 当网络中分组很多时，就可能发生拥挤或阻塞现象，必须对网络实行拥塞控制。无论哪一层都不可能接收任意长的信息，因此需要对信息

40、进行分割、封装、传送与重组。 (7) 任何一层都可采用多路复用技术，以降低成本，提高效率。832.4.2 服务与协议1服务类型在计算机网络协议的层次结构中，层与层之间具有服务与被服务的单向依赖关系，下层向上层提供服务，而上层则调用下层的服务。因此，我们可称任意相邻两层的下层为服务提供者，上层为服务调用者。下层为上层提供的服务可分为两类，它们是面向连接的服务(Connection-oriented Service)和无连接服务(Connectionless Service)。84面向连接的服务类似 系统的服务模式。无连接服务类似邮政系统的服务模式。我们用可靠性这一指标来衡量不同服务类型的质量和特

41、性。 多数无连接服务不支持确认重传机制，因此多数无连接服务可靠性不高。2服务原语相邻层之间通过一组服务原语(Service Primitive)建立相互作用，完成服务与被服务的过程。服务原语可划分为四类，分别是请求(Request)、指示(Indication)、响应(Response)和确认(Confirm)。由不同层发出的每条原语完成各自确定的功能，参见表2-3。 85表2-3 四类服务原语 863服务与协议服务和协议是两个不同的概念。服务描述两层之间的接口，定义了该层能够代表它的调用者所完成的操作。下层是服务提供者，上层是服务调用者。它们之间通过一组服务原语完成服务过程，但并不涉及如何实

42、现操作的细节。协议是有关对等实体间交换数据的格式和意义的一组规则。通信的两实体利用协议来实现它们的服务定义。只要不改变提供给服务调用者的服务，实体就可转换它们之间的协议。即协议关系到服务的实现，但对服务调用者来说是透明的。协议与服务的分离，使得在计算机网络中采用新通信技术替换落后的通信手段更容易，增加了所设计的计算机网络的适应性。872.5 ISO/OSI开放系统互连参考模型1OSI参考模型层次划分原则OSI开放系统互连参考模型如图2-20所示。 88图2-20 OSI参考模型及协议 89网络分层按下述规则进行：(1) 根据不同层次的抽象分层。(2) 每层应当实现一个定义明确的功能。 (3)

43、每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。(4) 各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。 (5) 层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会过于庞大，并将增加各层服务的开销。902. OSI参考模型的七层协议及其功能OSI模型并未确切地描述用于各层的协议和服务，它仅仅告诉我们每一层应该做什么，其本身不包含网络体系结构的全部内容。不过，ISO已经为各层制定了标准，但它们并不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标准公布的。下面我们将从最下层开始，依次讨论OSI参考模型各层的功能。911) 物理层 (Physical Layer)物理层完成的主要功能： (

44、1) 二进制在线路上的表示和传输二进制“位”信号。(2) 指定传输方式的要求。(3) 当建立、维护与其他设备的物理连接时，提供需要的机械、电气、功能特性和规程特性。在物理层中，数据传输的单位是比特(bit)。922) 数据链路层 (Data Link Layer)数据链路层完成的主要功能有：(1) 数据链路的建立、维护与释放的管理工作。(2) 将传输数据增加的同步信息、校验信息及地址信息封装成数据帧。(3) 数据帧传输顺序的控制。(4) 差错检测与控制。(5) 数据流量控制。933) 网络层 (Network Layer)网络层完成的功能如下：(1) 通过路径选择将信息从最合适的路径由发送端传

45、送到接收端。(2) 防止通信子网信息流量过大造成网络阻塞。(3) 网络连接的建立和管理。4) 传输层(Transport Layer )传输层主要完成的功能有：(1) 分割和重组报文。(2) 提供可靠的端到端的服务。(3) 传输层的流量控制。(4) 提供面向连接的和无连接数据的传输服务。945) 会话层(Session Layer)会话层完成的主要功能如下：(1) 允许用户在设备之间建立、维持和终止会话。(2) 管理会话。(3) 使用远程地址建立连接。6) 表示层(Presentation Layer)综上可知，表示层可提供以下服务：(1) 数据转换：编码和字符集的转换。(2) 格式变换：修改

46、数据位的组合格式。(3) 语法选择：根据所用的转换形式进行初始选择和后继修改。95表示层完成的主要功能有：(1) 对数据编码格式进行转换。(2) 数据压缩与恢复。(3) 建立数据交换格式。(4) 数据的安全与保密。(5) 其他特殊服务。967) 应用层(Application Layer)应用层完成的主要功能如下：(1) 作为用户应用程序与网络间的接口。 (2) 使用户的应用程序能够与网络进行交互式联系。3. OSI模型的数据流向图2-21表示OSI模型的数据流向。发送端的发送进程有数据要发送给接收进程，它把数据交给了应用层，应用程序在数据前面加上应用报头，即AH(也可以是空的)，再把结果交给

47、表示层。97图2-21 OSI模型的数据流向 984. OSI模型的缺陷OSI模型仍处在几个关节的结合阶段，并没有完全实现，这是因为：(1) OSI模型协议制定的时机较晚，OSI协议出现时，TCP/IP协议已大量应用在大学和科研机构，人们不会轻易改动协议。(2) OSI模型设计亦有一定缺陷。首先会话层对大多数应用没有用，表示层几乎是空的；而数据链路层和网络层功能太多，因而又把它们分成了几个子层，每个子层都有不同的功能。(3) OSI模型以及与其相关的服务定义和协议极其复杂，实现起来困难且操作效率不高。992.6 TCP/IP协议综述2.6.1 开放的TCP/IP协议环境各种计算机网络都有各自特

48、定的通信协议，如Novell公司的IPX/SPX、IBM公司的SNA、DEC公司的DNA(DECnet)等，这些通信协议相对于自己的网络都具有一定的排它性。在很多情况下，需要把不同的系统连接在一起，以提高不同网络之间的通信能力，但上面的通信协议由于其专用性，使得不同系统之间的连接变得十分困难。 100TCP/IP协议很好地解决了这一问题。TCP/IP协议提供了一个开放的环境，它能够把各种计算机平台，包括大型机、小型机、工作站和微型计算机很好地连接在一起，从而达到了不同网络系统互连的目的。 由于TCP/IP协议的开放性，使得各种类型的网络都可以容易地连入Internet，并且随着Internet

49、的发展，将会有越来越多的网络连入Internet，使用其丰富的资源。 可以说，TCP/IP协议是一个很好的实现了国际网络工业标准的协议。随着TCP/IP协议的大量使用，它已成为国际事实上的网络标准。1012.6.2 TCP/IP协议的层次结构和作用TCP/IP协议也采用了层次体系结构，所涉及的层次包括网络接口层、传输层、网间网层和应用层。每一层都实现特定的网络功能，其中TCP负责提供传输层的服务，IP协议实现网间网层的功能。这种层次结构系统遵循着对等实体通信原则，即Internet上两台主机之间传送数据时，都以使用相同功能进行通信为前提，这也是Internet上主机之间地位平等的一个体现。TC

50、P/IP协议模型如图2-22所示。102图2-22 TCP/IP协议模型103下面我们介绍TCP/IP协议各层实现的具体功能和作用。1网络接口层2网间网层(Internet Layer)网络接口层只提供了简单的数据流传送服务，而在Internet中网络与网络之间的数据传输主要依赖于网间网层中的IP协议(Internet Protocol)。IP的功能包括如下三项。1) 管理Internet中的地址 (1) IPv4地址。 104IP地址根据适用范围的不同分五类：A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址，主要划分依据是网络号和主机号的数量，如图2-23所示。其中格式的IP地址属于A类地址

51、，A类IP地址通常用于大型网络；格式的IP地址属于B类地址，B类地址适应于中等规模的网络；格式的IP地址属于C类地址，这种编址适用于一些小公司或研究机构；格式的IP地址属于D类地址，用于特殊目的，如多目广播；格式的IP地址属于E类地址，暂时保留，用于某些实验或留待将来使用。105图2-23 基本的IP地址106以上五大类IP中，只有A类、B类、C类地址可以供一般主机使用，使用时应注意：网络号不能是127，127是用来进行循环测试的地址，不可挪作他用，如利用命令进行循环测试，以检查网卡与驱动程序是否正常运行；网络号和主机号的二进制数不可以全部是1，也不可以全部是0(其对应的十进制数是255与0)

52、，如不能将主机IP设为。255代表广播信息，如果给这个地址送信息，则表示将信息发送(广播)给网上的所有主机；如果给这个地址送信息，则表示将信息发送(广播)给网络号为的网络内的所有主机。107必须到管理机构去申请公用IP才能联入公网中；如只想在内部联网(如构建Intranet)，可使用私有IP地址。私有IP地址范围为、，这类地址不能联入Internet，仅供Intranet使用。108(2) 子网掩码。IP地址中的“主机号”字段可继续划分为“子网号”字段和“主机号” 字段。一般来说，当一个单位分配到的IP地址中主机数量很大时(比如一个B类地址最多可以有2162=65534台主机)，为了便于隔离和

53、管理本单位的网络，同时防止网络内由于主机数量太多出现“广播风暴”问题而采用划分子网的方法。如图2-24所示，判断两台主机是否在同一个子网中，需要用到子网掩码或子网模。子网掩码同IP地址一样，是一个32bit的二进制数，只是网络部分(包括IP网络和子网)全为“1”，主机部分全为“0”。判断两个IP地址是否在同一个子网中，只需判断这两个IP地址与子网掩码做逻辑“与”运算的结果是否相同，相同则说明在同一个子网中。如C类地址的子网掩码为。 109图2-24 子网掩码的作用110(3) IPv6地址。 2) 路由选择功能数据报在传输过程中，要由IP通过路由选择算法在源方与目的方之间选择一条最佳的路径。3

54、) 数据报的分片与重组数据报在传输过程中要经过多个网络，因为每种网络所规定的分组长度不等，所以当数据报经过分组长度较小的网络时，就需要将数据报分割成小段才能通过。当数据报全部到达目的方后，还需要由IP将它们重新组装。111与IP配合使用的还有三个协议：(1) Internet控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)，用于报告差错和传输控制信息。 (2) 地址转换协议ARP(Address Resolution Protocol)，用于将IP地址转换成物理地址。(3) 反向地址转换协议RARP(Reverse Address Resolution

55、 Protocol)，用于将物理地址转换成IP地址。1123传输层(Transport Layer)传输层中的TCP协议提供了一种可靠传输的方法，解决了IP协议的不安全因素，为数据报正确、安全地到达目的地提供了保障。这里定义了两个端到端的协议：TCP和UDP。第一个是传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)第二个协议是用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)。TCP和UDP都使用了端口(port)进行寻址。 1134应用层(Application Layer)TCP/IP协议没有会话层和表示层，传输层的上面是应用层，它包含所有

56、的高层协议。 2.6.3 TCP/IP协议的缺陷像OSI模型一样，TCP/IP模型和协议也有自己的问题。(1) 该模型没有明显地区分服务、接口和协议的概念。好的软件工程实践要求概念规范，这一点OSI非常小心地进行了处理，而TCP/IP模型就做得不够。因此，对于使用新技术来设计新网络，TCP/IP模型不是一个太好的模板。(2) TCP/IP模型完全不是通用的，并且不适合描述除TCP/IP模型之外的任何协议栈。例如，试图用TCP/IP模型描述IBM网络体系结构SNA几乎是不可能的。114 (3) 网络接口层在分层协议中根本不是通常意义下的层。它是一个接口，处于网间网层和数据链路层之间。接口和层间的

57、区别是很关键的，不能粗心大意。(4) TCP/IP模型不区分(甚至不提及)物理层和数据链路层。这两层完全不同，物理层必须处理铜缆、光纤和无线通信的传输特点；而数据链路层的工作是区分帧头和帧尾，并且以通信需要的可靠性把帧从一端发送到另一端。好的模型应把它们作为分离的层，而TCP/IP模型并没有这么做。(5) 虽然IP和TCP协议被仔细地设计并且很好地实现了，但还有许多其他协议未曾良好实现就被免费发送并被大量应用，因此很难被替换，到现在就出现了一些难堪的情况。 1152.7 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较OSI模型对这三个概念之间的区分是非常明确的：(1) 每一层都为它上面的层提供哪些

58、服务，服务定义该层做什么，而不管上面的层如何访问它或该层如何工作。(2) 某一层的接口告诉上面的进程如何访问它，定义需要什么参数以及预期结果是什么样的。同样，接口也和该层如何工作无关。(3) 某一层中使用的对等协议是该层的内部事务。可以使用任何协议，只要能完成工作(例如提供承诺的服务)，也可以改变某一层使用的协议而不会影响到它上面的层。116OSI参考模型产生在具体协议之前。这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。但不利之处是设计者在协议方面没有太多的经验，因此不知道该把哪些功能放到哪一层最好。 而TCP/IP却正好相反，首先出现的是协议，模型实际上是对已有协议的描述，因此不会出

59、现协议不能匹配模型的情况，它们配合得相当好。惟一的问题是该模型不适合于任何其他协议栈。因此，它对于描述其他非TCP/IP网络并不特别有用。117现在我们从一般问题转向更具体一些的问题，两个模型间明显的差别是层的数量：OSI模型有7层，而TCP/IP模型只有4层。它们都有网络层(网间网层)、传输层和应用层，但其他层并不相同。TCP/IP和OSI的另一个差别是面向连接的和无连接的通信。OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信，这是它所依赖的(因为传输服务对用户是可见的)。然而TCP/IP模型在网间网络层仅有一种通信模式(无连接)，但在传输层支持两种模式，给了用户选

60、择的机会。这种选择对简单的请求-应答协议是十分重要的。1182.8 本章小结计算机网络是现代计算机技术和通信密切结合的产物，因此我们在学习计算机网络时，必须了解数据通信的基本原理：数据通信的目的是传输信息，信息的表现形式是数据。数据分模拟数据和数字数据。信号是数据的电编码或电磁编码，信号有模拟信号和数字信号两种。数据传输方式有基带传输和频带传输，在传输过程中需要保证收发双方同步并进行出错处理；同步方式有同步传输和异步传输。为保证传输数据的正确和高效，一般要为传输的数据进行抗干扰编码，即给被传送的数据码元按一定的规则增加冗余码；冗余校验码有奇、偶校验和CRC校验。119在计算机网络中通信必须借助