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计算机网络及通信技术
计算机网络及通信技术
随着计算机科学与技术的迅猛发展和信息社会的到来,面对浩如烟海的信息和知识,单个计算机是难以发挥重大作用的。
计算机网络及通信技术是充分发挥计算机资源利用率和实现大范围资源共享的有效途径。
同时由于企业或组织中的信息处理也都是分散的,需要通过通信网络把这些分散的信息集成起来,这是管理信息系统的主要运行方式。
因而计算机网络及通信技术是管理信息系统的基本实施技术。
第一节基本通信技术
从19世纪的模拟电话、电报通信到20世纪的Internet,人类的通信手段发生了翻天覆地的变化。
今天,通过将分布在不同位置的计算机连接起来,实现计算机之间的通信和数据交换,才能发挥其巨大作用。
通信技术是计算机互联的基础。
一、通信系统的组成
所谓通信就是信号通过传输媒体进行传递的过程,而实现信息传递所需要的一切设备构成通信系统。
通信系统要解决两大问题:
一是如何表示信息,即信息采用什么样的符号表示,如何编码;二是如何传输信息,即如何根据通信媒体的物理特性来传输编码数据。
通信系统一般由五个部分构成,其概念模型如图5-1。
图5-1通信系统的概念模型
(一)信息源
按照信息源输出信号的性质来分,信息源可以分为模拟信源和数字信源。
模拟信源输出连续幅度的信号,如声音的强度、温度的高低变化等都是模拟信号。
数字信源输出离散的值,每个离散值代表一个符号,如计算机、电传机产生输出的数据等。
(二)发送设备
发送设备是将信源产生的信号变换成能够在传输媒体中便于传送的信号形式,送往传输媒体。
(三)传输媒体
传输媒体是指从发送设备到接收设备信号传递所经过的物理媒体。
传输媒体可以是有线的,如同轴电缆、双绞线、光纤等;也可以是无线的,如微波、通信卫星、移动通信等。
无论哪种传输媒体,由于其固有的物理特性,信号在传递过程中都会产生干扰和信号的衰减。
(四)接收设备
接收设备用于信号的识别,它将接收到的信号进行解调、译码操作,还原为原来的信号,提供给接收者。
(五)接收者
接收者将接收设备得到的信息进行利用,从而完成一次信息的传递过程。
二、通信媒体
所谓通信媒体就是传输媒体,前面已介绍过包括有线的和无线的,它们具有不同的物理特性。
数据传输的特征和质量是由传输媒体的特征和信号的特征决定的,每一种传输媒体在带宽、延迟、成本和安装维护等方面各不相同。
(一)双绞线
双绞线(Twistedpaircable)由螺旋状扭结在一起的两条绝缘导线组成,线对的扭结可以有效的减少串扰。
双绞线有屏蔽和非屏蔽双绞线两种类型。
其中屏蔽双绞线具有较高的带宽,因成本高而较少出现,非屏蔽双绞线因成本低而流行。
两对线型的接插头称为RJ11,四对线型的接插头称为RJ45。
现行双绞线电缆中一般包含4个双绞线对,具体为橙/白橙、蓝/白蓝、绿/白绿、棕/白棕。
双绞线结构如图5-2所示。
图5-2非屏蔽双绞线结构示意图
双绞线既可以传输模拟信号,也可以传输数字信号。
对于模拟信号,双绞线的中继距离为5~6km。
采用频分多路复用技术可进行多个音频通道的复用,每个通道的容量为3kHz。
(二)同轴电缆
同轴电缆(Coaxialcable)以硬铜线为芯,外包一层绝缘材料。
这层绝缘材料用密织的网状导体环绕,网外又覆盖一层保护性材料。
其网状环绕导体可以将被传输的电磁信号反射回中心导体,也屏蔽掉外界干扰信号对传输信号的影响。
同轴电缆结构如图5-3所示。
图5-3同轴电缆结构示意图
同轴电缆又分基带同轴电缆(阻抗50欧姆,即沿电缆导体各点的电磁电压对电流的比)和宽带同轴电缆(阻抗75欧姆)。
基带同轴电缆用来传输数字信号,信号占据整个频宽,电缆上只有一个信道。
主要用于局域网,采用曼切斯特编码,传输速率为10Mb/s。
宽带同轴电缆的频带可达300~450MHz,可以分为多个信道,用于频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)的模拟信号的发送,还用于不使用频分多路复用的高速数字信号和模拟信号的发送。
闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆。
(三)光纤
光纤(FiberOptic)是光导纤维的简称,是一种能够传导光信号的极细的传输介质。
光纤由纤芯、覆层和保护层三个部分构成,结构如图5-4所示。
纤芯为光通路,由纯净的玻璃和塑胶材料制成,每一路光纤包括两根,一根接收,一根发送。
覆层包围着纤芯,由多层反射玻璃纤维构成,光密度比纤芯部分低,可将光线反射到纤芯上。
保护层起保护和提供光纤强度的作用,防止光纤受到弯曲、外拉、折断和温度等影响。
图5-4光纤结构示意图
与同轴电缆比较,光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、传输距离长(2km以上)、传输率高(可达数千Mbps)、抗干扰性强(不会受到电子监听),是构建安全性网络的理想选择。
(四)无线通信
无论使用双绞线、同轴电缆还是光纤作为通信媒体,都要在通信设备之间建立物理连接。
而无线通信媒体都不需要架设或铺埋电缆或光纤,而是通过大气进行传输,目前主要有三种技术:
微波、红外线、激光。
无线通信已广泛用于电话的领域构成蜂窝式无线电话网。
由于便携式计算机的出现以及在军事、野外等特殊场合下移动式通信联网的需要促进了数字化无线通信的发展。
无线通信利用物理学的电磁波理论,电磁波是发射天线感应电流而产生的电磁振荡辐射。
电磁波在自由空间传播,被接收天线感应,从而达到信息传输的目的。
微波是波长约1m--1mm(相应的频率为300MHz--300GHz)的电磁波,其工作频率很高,可同时传送大量信息,如一个带宽2MHz的频段可容纳500条话音线路,用来传输数字信号,可达若干Mbps。
微波有两个重要特性:
第一,微波是直线传播的。
第二,大气条件和障碍物将妨碍微波的传播。
由于地球表面是曲面的,微波在地面的传播距离有限,为了使微波通信传输更远的距离,需要建立若干的中继站。
在中继站内,配备信号放大器和安装双向天线,这些双向天线以点到点方式聚集其他点发出的电磁波或无线电波能量。
卫星传输是微波传输的一种,也需通过在地球上空的同步地球卫星作中继来转发微波信号,才可以克服地面微波传输距离的限制,如图5-5所示。
图5-5卫星通信
另外两种无线通信技术也像微波通信一样,有很强的方向性,沿直线传播,所不同的是红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号,直接在空间传播。
这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线(LineofSight)通路,有时被统称为视线媒体。
这三种视线媒体都不需要铺设电缆,对于连接不同建筑物内的局域网特别有用。
三、数据传输模式
传输模式(TransmissionMode)是指比特串从一台设备传送到另一台设备的方式,包括串行、并行、传输的方向性等内容。
(一)串行和并行通信
串行通信(serialcommunication,也称串行传输serialtransmission)是指代表数据字符的比特在单个通信信道上,以每次一个比特的方式顺次的传输,即利用一条线路逐个传送比特位的传输方式,如图5-6(a)所示。
并行通信(parallelcommunication,也称并行传输paralleltransmission)是指表示数据字符的所有比特在各个单独的信道上同时传输,即每个比特使用一条独立的线路,同时可以传输多个比特,这些线路通常被捆扎在一条电缆里,如图5-6(b)所示。
和并行传输相比,串行传输使用的线路少,因此价格较低,长距离传输更加可靠。
并行传输的应用很多,但并不适合长距离通信,因为使用多条导线,线路昂贵。
主要用于两个短距离设备之间的通信。
例如,主机和打印机、显示器、硬盘等外围设备的连接等。
并行传输的传输速度非常快。
由于新的高速度的信号传输技术的出现,串行通信中的速度问题正在解决。
通用串行总线(UniversalSerialBus,USB)提供了多兆比特的串行接口,能够替代PC机上对并行端口的需要。
(二)同步和异步通信
所谓同步,就是要求数据在传输时的定时与在接收时的定时在时间上基本保持一致,即发送和接收节点彼此间“处于同步(insync)”状态。
同步传输(SynchronousTransmission)采用对比特流分组,不是单独的发送每个字符,而是将多个字符组合成一个大的组一起发送。
每一个组合成为一个数据帧,简称帧(Frame)。
同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号的,因此在一个串行的数据流中,各信号码元之间的相对位置都是固定的(即同步的)。
接收端为了从收到的数据流中正确地区分出一个个信号码元,首先必须建立准确的时钟信号。
数据的发送一般以组(或称帧)为单位,一组数据包含多个字符收发之间的码组或帧同步,是通过传输特定的传输控制字符或同步序列来完成的,传输效率较高。
异步通信(asynchronouscommunication)通过使用特殊的开始和停止比特封装的数据流(称为信元)来实现。
键盘和计算机的通信是一个异步传输的例子,用户每一次按键就发送一个字符对应的一个比特串(字符的编码,如ASCII码)。
由于按键的速度是不确定的,因此内部硬件必须能够在任何时刻接收输入的字符。
为此,异步通信通过开始比特通知接收方数据已经到达了,这给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间。
终止比特表示一次传输的结束,它在传输一个信元后出现。
(三)单工和双工通信
串行、并行、同步、异步通信表示不同的数据传送技术,而实现这些技术的特定类型的电路有单工、半双工和全双工。
这些数据传送方式规定了发送和接收节点在传送数据时所遵循的协议。
单工通信(SimplexCommunication)是指数据传输是单方向的,一个设备承担发送者的角色,另一个承担接收者的角色,而且两者不能颠倒。
单工通信的一个例子是电视传输。
半双工通信(Half-duplexCommunication)指双方可以互相通信,但是同一时间不能进行发送和接收数据的操作,发送和接收数据必须轮流进行,即每次仅在一个方向传输。
例如使用无线对讲机通信。
全双工通信(Full-duplexCommunication)是指传输的双方可以同时对数据进行发送和接收,即在两者之间的传输通道中,允许两个方向的数据流动。
四、通信信道的速度和容量
所谓通信信道的速度表示数据速率,即数据从一个节点多快到达另一个节点;容量表示通信信道所能承载的数据总量。
下面我们就来讨论关于信道的速度和容量的一些概念。
(一)带宽和数据速率
在模拟通信中,带宽(bandwidth)指通信信道的总容量。
它是在信道上能够承载的最高频率和最低频率的差值。
带宽越大,在给定频率范围内能够承载的信号就越多。
在数字通信中,带宽指数据速率(datarate),表示在给定的时期内在通信媒体上可以传输的数据总量。
数据速率以比特每秒(bit/s)为单位,不同类型信道的数据速率变化很大。
如,局域网的数据速率范围从4×106bit/s到1000Mbit/s(称为兆比特每秒,Mbit/s);使用调制解调器的拨号连接的带宽范围从300bit/s到33600bit/s或56000bit/s(即33.6bit/s~56kbit/s);使用广域网的带宽范围从1.5Mbit/s到622Mbit/s,甚至更高。
(二)吞吐量
吞吐量(throughput)是一个容易与带宽相混淆的概念。
带宽代表以比特每秒表示的通信信道的理论容量,而吞吐量是指通信信道实际的数据传输速率。
通信信道在实际传输时其数据传输总量会受到许多外部因素的影响,比如节点的处理能力、输入/输出处理器的速度、操作系统的开销、通信软件的开销、给定时间网络上的业务量等等。
第二节计算机网络技术
计算机网络就是计算机和其他设备(节点)的集合,它利用通信设备和线路将分布在不同地理位置的计算机连接在一起,再利用功能完善的网络软件,包括通信协议、信息交换方式以及网络操作系统等,实现计算机之间的信息传递和资源共享。
一、计算机网络概述
(一)计算机网络的发展
最早出现的计算机网络是在20世纪50年代出现的计算机与终端之间的通信网络,亦称面向终端的计算机网络。
20世纪60年代初期美国航空公司的预订飞机票系统SABREI就是这种通信网络的代表。
随着终端个数的增多,主干中心计算机与各终端间通信的任务必然加重,使得以数据处理为主要任务的主干中心计算机增加了许多管理数据传输的额外开销,实际工作效率下降,由此出现了数据处理和通信的分工。
到了20世纪60年代后期,才实现计算机与计算机之间的通信,即将多个计算机系统用通信线路连接起来,使计算机之间可以彼此互相交换信息、共享软硬件资源,从而形成现代意义上的计算机网络。
此时计算机网络的典型代表就是ARPAnet(AdvancedResearchProjectAgencyNetwork)。
此后,从局域网到广域网,从大型机网到微机网,从数据通信网到综合业务数字网,各种各样的网络技术与产品不断涌现。
目前,计算机网络的发展方向是以多样化的通信手段和通信传输介质,形成能同时传输数据、文本、声音、图形和图像等多媒体信息的综合业务数字网(IntegratedServiceDigitalNetwork,ISDN)。
(二)计算机网络的功能
计算机网络的实现,为用户构造分布式的网络计算环境提供了基础。
它的功能主要表现在如下几个方面:
1、信息传递
通过计算机网络人们将计算机连接在一起,信息的传递通过网络完成,从而保证了数据的一致性,大大提高了人们的工作效率。
2、资源共享
资源共享包括硬件资源的共享、软件资源的共享和数据资源的共享。
(1)硬件资源共享。
在计算机网络环境下,可以提供对处理资源、存储资源、输入输出资源等昂贵设备的共享,如巨型计算机、具有特殊功能的处理部件、高分辨率的激光打印机、大型绘图仪以及大容量的外部存储器等,从而使用户节省投资,也便于集中管理和均衡分担负荷。
(2)软件资源共享。
软件共享是指在网络环境下,人们可以将某些重要的或大型的软件安装到网络的特定计算机上,而无需在每台计算机上安装一个备份。
这些计算机可以通过网络来使用安装在这个特定计算机上的软件。
一方面节省了大量计算机资源,另一方面可以更好地进行软件版本的控制。
(3)数据资源共享。
随着计算机的发展,计算机应用的领域越来越广,在一个企业或组织内部各部门,组织之间都分散有大量的数据,这些数据需要统一使用,提高使用效率。
在计算机网络中,人们可以建立基于整个企业、甚至行业的基础数据库,为需求者提供数据资源。
3、提高了计算机系统的可靠性
计算机网络中拥有可替代的资源,从而提高了整个系统的可靠性。
4、分担系统负荷
利用计算机网络可以分担各资源主机间的负荷,使得在某时刻负荷特别重的主机可以将任务传送给其他空闲的计算机处理。
尤其对于地理跨度大的远程网,还可以利用时间差来均衡日夜负荷不均的现象。
一个计算机网络中的各个主机在网络操作系统的合理调度和管理下可以协同工作来解决一个靠单个计算机无法解决的大型任务,这称为协同计算。
(三)标准和标准化组织
在计算机网络中,各设备由于采用不同的体系结构、不同的数据表达形式和数据存储方式、不同的通信模式等,导致设备间的不兼容,如何在不兼容的设备间进行通信成为网络系统中主要问题。
因此人们想到制定一种标准(又称协议),设备间的通信必须遵守共同的通信协议,才能保证通信有条不紊地进行。
标准一般有两种类型,一种是事实标准,它是因为广泛使用而产生发展的标准,是在生产中逐渐成为人们共同遵守的法则。
只有符合这种标准的产品才有广泛的市场;另一种标准是由得到国家或国际公认的标准机构认证并正式采纳的标准。
标准一经通过,它将规范厂商的产品设计和生产。
下面介绍几个国际上著名的标准化组织,计算机网络中的许多标准是由这些组织制定的。
1、国际标准化组织ISO
国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization)简称ISO,是一个全球性的非政府组织,是国际标准化领域中一个十分重要的组织。
ISO的任务是促进全球范围内的标准化及其有关活动,以利于国际间产品与服务的交流,以及在知识、科学、技术和经济活动中发展国际间的相互合作。
它显示了强大的生命力,吸引了越来越多的国家参与其活动。
在计算机和通信领域,ISO制订了著名的开放系统互连模型(OSI模型)。
2、电气电子工程师协会IEEE
电气电子工程师协会(TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE)的前身是1884年成立的美国电气工程师协会(AIEE)和1912年成立的无线电工程师学会(IRE)。
1963年,这两组织合并为电气电子工程师学会(IEEE)。
它是在世界范围内很有影响的跨国专业学术组织。
协会成立的目的在于为电气电子方面的科学家、工程师、制造商提供国际联络交流的场合,为他们交流信息,并提供专业教育和提高专业能力的服务。
在电子和计算机工业中的很多重要标准都是由该组织制订的。
在计算机通信领域中,该组织成立了IEEE802委员会,制定了一系列局域网标准。
3、电子工业协会EIA
电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation,EIA)主要规范电气和数据的物理传输,主要成员包括设计生产电子元件、部件、通信系统和设备的美国制造商,在提高美国制造商的竞争力方面起到了重要的作用。
著名的标准包括RS-232(EIA-232),成为PC机和调制解调器、打印机等设备的通信规范。
4、美国国家标准协会ANSI
美国国家标准协会(AmericanNationalStandardsInstitute,ANSI)成立于1918年,是一个非政府部门的机构,成员包括制造商、用户和其他相关企业。
同时为ISO成员。
标准有美国标准信息交换码(ASCII码)、光纤分布式数据接口FDDI标准等。
二、计算机网络的组成
(一)系统功能的组成
从系统功能的角度来看,计算机网络主要由资源子网和通信子网两部分组成。
资源子网包括提供资源的主机(HOST)和请求资源的终端机(Terminal),它们都是信息传输的源节点和宿节点,有时也统称端节点。
通信子网主要由网络节点和通信链路组成。
网络节点又称为转接节点或中间节点,它们的作用是控制信息的传输和在端节点之间转发信息。
根据不同的作用,网络节点可以是分组交换设备、分组装配/拆卸设备、网络控制中心、网络连接器或它们的组合。
这些功能一般都是由专门用于通信的计算机完成,所以也常将网络节点统称为接口信息处理机(InterfaceMessageProcesser,IMP)。
通信链路即传输信息的通道,它们可以是双绞线、同轴电缆或光纤,也可以是无线电、卫星或微波通信。
(二)网络硬件的构成
从网络硬件的构成来看,局域网通常由服务器、客户机、网卡、中继器、集线器、传输线等基本部件组成。
扩展到广域网后,还可能用到网桥、交换机、路由器等硬件设备。
1、服务器
服务器(即主机)是计算机网络的核心部分,负责网络资源管理和对用户服务。
服务器分为文件服务器和应用服务器两种。
文件服务器为网络提供文件共享和文件打印服务;应用服务器不仅要具有文件服务器功能,而且还要求能完成用户交给的任务。
随着计算机性能的大幅度提高,中小型网络普遍采用微机作为服务器。
为提高网络性能,有的也采用专用微机和小型机作为服务器。
2、客户机
客户机或工作站是共享网络资源的用户计算机。
网上任何一台客户机都能共享网络资源。
对于文件型网络来说,工作站以共享文件、数据和设备为目标,最重要的是共享服务器的硬盘。
3、网卡
又称网络适配器(NetworkInterfaceCard,NIC),插在服务器或工作站的扩展槽中。
服务器和工作站通过各自的网卡经电缆或双绞线等连到一起。
实际上,网卡在计算机和连接线之间起到数据转换和缓冲作用。
根据速度的不同,网卡有10Mbps和100Mbps之分,也有10M/100Mbps自适应网卡。
4、中继器
中继器(Repeater)属于网络物理层互连设备,用来连接两个以上同类网络的网段。
中继器的作用是对信号进行整形,防止因线路的阻抗造成信号的衰减和畸变,增加信息传输的距离。
5、集线器
集线器(Hub)与中继器类似,也属于网络物理层互连设备,可以说是多端口的中继器。
每个端口可连接一个节点。
作为网络传输介质间的中央节点,它克服了介质单一通道的缺点。
以集线器为中心的优点是:
当网络系统中某条线路或某节点出现故障时,不会影响网上其他节点的正常工作。
6、桥连接器
网桥(Bridge)类似于中继器,它是在数据链路层连接两个网。
网间通信从网桥传送,而网络内部的通信被网桥隔离。
网桥检查帧的源地址和目的地址,如果目的地址和源地址不在同一个网络段上,就把帧转发到另一个网络段上;若两个地址在同一个网络段上,则不转发,所以网桥能起到过滤帧的作用。
网桥的帧过滤特性很有用,当一个网络由于负载很重而性能下降时可以用网桥把它分成两个网络段并使得段间的通信量保持最小。
例如,把分布在两层楼上的网络分成每层一个网络段,段间用网桥连接。
这样的配置可最大限度地缓解网络通信繁忙的程度,提高通信效率。
同时,由于网桥的隔离作用,一个网络段上的故障不会影响另一个网络段,从而提高了网络的可靠性。
7、交换机
交换机(Switch)属于数据链路层互联设备,可看作是多端口的桥(Multi-PortBridge)。
传统的集线器(Hub)是将某个端口传送来的信号经过放大后传输给所有其他端口。
而交换机能够通过检查数据包中的目标物理地址来选择目标端口。
交换机可以在很大程度上减少冲突的发生,因为交换机为通讯的双方提供了一条独占的线路。
比如,一个16端口的交换机理论上在同一时刻允许8对网络接口设备交换数据。
在网络传输密集的场合,交换机的效率要远高于Hub。
8、路由器
路由器(Router)属于网络层互联设备,用于连接多个逻辑上分开的网络。
路由器有自己的操作系统,运行各种网络层协议(如IP协议、IPX协议、AppleTalk协议等),用于实现网络层的功能。
路由器的主要功能是路由选择和数据交换,当一个数据包到达路由器时,路由器根据数据包的目标逻辑地址,查找路由表,如果存在一条到达目标网络的路径,路由器将数据包转发到相应的端口。
如果目标网络不存在,数据包被丢弃。
一般说来,异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。
在通过路由器进行网络之间的数据转发时,要求网络层及以上各层协议相同,而以下两层(物理层和数据链路层)可以不同。
除了上述节点所用到的硬件设备外,计算机网络还要靠传输线来进行传输。
传输介质主要有:
同轴电缆、双绞线、光纤和无线传输等,这些前面已经介绍过了,这里不再赘述。
三、计算机网络的分类
按照不同的方法可以对计算机网络进行如下分类。
(一)按网络的分布范围分类
按地理分布范围来分,计算机网络可以分为局域网和广域网两类。
1、局域网
局域网(LocalAreaNetwork,LAN)是指地理分布范围较小的计算机网络,一般用于短距离内的计算机通信。
可以是一个大楼内或者是一组相邻的建筑物之间,或者是一个办公室内部计算机的互连。
一般来说,LAN技术具有价格低、可靠性高、安装方便和管理方便等优点。
2、广域网
广域网(WideAreaNetwork,WAN)使用通信专线或公共通信线路在长距离的传输线路上传送信号,用计算机将一组传输线路组织成一个有机的系统。
WAN在每一个地点有一台专用计算机与传输线路相连,该专用计算机使网络独立于网络上的计算机而运行。
专用计算机接收从其他地点传来的信息,并将这些信息传递给本地的计算机。
或者是接收本地计算机传来的信息,再通过通信线路发送到目的地。
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