数据通信与计算机网络——绪论

主要内容

·数据通信

·网络

·因特网

·协议和标准

一、数据通信

数据通信系统的四个要素

        数据通信是指在两台设备之间通过诸如线缆的某种形式的传输介质进行的数据交换。为衡量数据通信的效率，我们从以下四个要素出发：

传递性：系统必须将数据传递到正确的目的地。

准确性：系统必须准确的传递数据。

及时性：系统必须以及时的方式传递数据。

抖动性：分组到达时间的变化，音频或视频的分组在传递过程中延迟个不相同。

        另外，对于一个信息来说，它的数据表示可以有文本、数字、图像、音频、视频等等。

数据通信系统的五个组件

        数据系统由报文（message）、发送方（sender）、接收方（receiver）、传输介质（medium）、协议（protocol）五部分组成，他们的关系如下图所示：

图 1.1   数据通信系统的五个组件

数据流

        a.单工：数据只能从一个节点单向传输到另一个节点。

        b.双工：数据可以在两个节点之间相互传输，但是同一时间段只能由一个节点单向传输到另一个节点。

        c.全双工：数据可以同时在两个节点之间相互传输。

图1.2    数据流（a.单工,   b.半双工,   c.全双工）

二、网络

        网络（network）是用通信链路连接起来的设备（通常称之为节点）的集合。一个节点可以是计算机、打印机，或者是能够发送、接收由该网络上其他节点产生的数据的任何设备。

        网络准则：性能（吞吐量和延迟）、可靠性、安全性。

图1.3   物理结构之连接类型:   点到点连接与多点连接

网络拓扑结构分类

        网络拓扑结构可以分为网状、星型、总线、环状，是所有链路及其相互连接的设备之间关系的几何表示。

图1.4   网络拓扑结构分类

1、全连接网状拓扑结构

图1.5   全连接网状拓扑结构

优点：

        高可靠性：由于每个节点都与其他所有节点相连，即使某些节点或链路出现故障，数据仍然可以通过其他路径传输，从而保证了网络的稳定性和连续性。

        灵活性强：网状拓扑结构允许新设备的加入而不影响现有数据传输，因为每个节点都是独立的，可以单独进行配置和调整。

        高性能：由于每个节点都可以直接通信，减少了数据转发的次数，提高了传输效率。

        易于管理：虽然初期设置复杂，但一旦建立，网络的管理和维护相对简单。

缺点：

        成本高昂：需要大量的物理连接和设备来实现全连接，导致建设和维护成本显著增加。

        布线复杂：随着节点数量的增加，所需的布线数量呈指数级增长，导致布线复杂且难以管理。

2、星型拓扑结构

图1.6   连接4个工作站的星型拓扑结构

优点：

        易于管理：由于所有节点都连接到一个中心点，因此管理和维护工作可以集中在这个点上进行，简化了网络的监控和故障处理。

        良好的隔离性：每个节点与中央节点之间的连接都是独立的，这意味着单个节点的故障不会影响到其他节点的运行，从而提高了网络的稳定性。

        易于扩展：当需要添加更多节点时，只需将新节点连接到中央节点即可，不需要对现有网络结构进行大规模的改动。

缺点：

        单点故障：如果中央节点出现故障，整个网络可能会瘫痪，因为所有的数据传输都依赖于这个节点。

3、总线拓扑结构

图1.7   连接3个工作站的总线拓扑结构 

优点：

        经济实用：总线型拓扑结构所需的线缆较少，因此成本相对较低，适用于小型网络的搭建。

        布线简单：由于所有设备共享同一条传输线路，因此布线相对简单，维护也比较容易。

        公平共享资源：所有节点都可以公平地访问和共享网络资源，没有主节点的概念，每个节点都有机会发送和接收数据。

缺点：

        带宽受限：由于所有节点都共享同一条传输介质，当多个节点同时发送数据时，会导致带宽的竞争和拥塞现象，从而影响整体网络性能。

        单点故障：如果总线发生故障或损坏，整个网络将无法正常工作，这意味着一旦总线出现问题，所有节点的通信都会受到影响。

4、环状拓扑结构

图1. 8   连接6个工作站的环状拓扑结构

 优点：

        高数据传输率：在环形拓扑结构中，数据以单一方向传输，这减少了碰撞的机会，提高了数据传输的整体速度。

        易于识别和排除问题：由于每台设备只与另外两台设备相连，这使得故障定位相对容易，有助于快速解决问题。

缺点：

        带宽有限：环形拓扑结构中的带宽由网络中的所有设备共享，如果网络中有许多设备，这可能导致拥堵和数据传输缓慢。

        单点故障：如果环形网络被破坏，整个网络就会瘫痪，这在大型网络中可能是一个问题，且难以确定问题的来源。

        有限的可扩展性：环形拓扑结构的可扩展性有限，每个设备只与另外两个设备相连，限制了可以添加到网络中的设备数量。

5、混合型拓扑结构

图1.9  混合型拓扑结构：一个星型结构为主干并具有三个总线结构的网络

网络分类 

        局域网：覆盖范围较小，相连设备通常属于一个组织，速率较高。

        广域网：覆盖范围较广，通常需要穿越公共设施，比如电信运营公司，速率较局域网低。

        二者界限越来越模糊。

图1. 10   12台计算机连接到一个集线器的独立局域网 

图1. 11  广域网: 交换广域网（X.25/FR/ATM）和点到点广域网

图1. 12   由四个广域网和两个局域网组成的混合网络

三、因特网

        因特网：即Internet，最早由美国国防部高级研究计划局（DARPA）设计，称为ARPANet（阿帕网），目的是把各种计算机连在一起。

        形成过程：

                1967年在ACM会议上提出ARPANet的概念

                1969年建立阿帕网实验工程

                1970年代初，开始设计第二代网络协议：网络控制协议NCP

                1970年代中，国际信息处理联合会进一步补充和完善，导致了TCP/IP协议出现

                1980年代初，伯克利大学将TCP/IP加入UNIX内核

                1983年，美国国防部将NCP完全过渡到TCP/IP

                与此同时，SUN将TCP/IP引入商业领域

                1990年代TCP/IP网络即Internet得到全面推广。

图1.13   因特网层次结构组织 

四、协议和标准

协议

        协议：规则的同义词，指用来管理数据通信的一组规则；或者说，对等层之间的数据由格式受限于一组规则或规约的数据块完成，这些规则或规约称为协议。

        协议规定了通信的内容、通信的方式和通信的时间，包括3个核心要素：

                语法（syntax）：数据的结构或格式，即它们是以何种顺序表示的。

                语义（semantics）：每一个字段的含义，通常包括用于相互协调及差错处理的控制信息。

                时序或定时关系（time）：报文发送的时间或顺序及速率。

标准

        标准——经协商达成一致，被销售商和制造商采纳的协议称为标准。

        两类数据通信标准：

                事实标准：未经组织认可但已经广泛使用

                法定标准：由官方认可的团体制定

标准和协议的关系

        网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则标准或约定的集合。网络协议标准即网络中(包括互联网)传递、管理信息的一些规范。网络协议在应用层面有许多是厂家自定义的，而网络标准是一些协会和标准化组织定义的。 例如目前常用的无线网标准主要有美国IEEE (电机电子工程师协会，The Institute of Electricaland Electronics Engineers)所制定的802.11标准(包括802.11a、802.11b及802.11g等标准)，蓝牙 (Bluetooth) 标准以及HomeRF(家庭网络)标准等。

一些标准化组织