计算机网络及其通信.pdf

写在前面我们在学习计算机网络这门课时，对实践和理论知识的学习过程应 按 照“低级实践部份”一“理论部份”一“高级实践部份”三个阶段来循序渐进地学习。低级实践：在进行计算机网络实践操作之前不需要学习任何网络理论知识或只需要先学习极少的理论知识点，就可以直接进行操作的内容叫做低级实践。低级实践部份的操作直观简单，列出具体的操作步骤后，照着多做几遍，基本都能学会。假如先进行了与在校学生学习及生活密切相关的低级实践部份的直观操作，引起了学生对学习的兴趣之后，再来学习理论部份，就能较容易理解理论知识，而且学习的主动性和积极性就会大大提高。纯理论知识是对实践知识进行逻辑上的抽象性总结，因而觉得枯燥难懂。学生在学习网络理论时，往往是学得一头的雾水。但是理论知识恰恰是学习的重点、难点、是真正的精华、是计算机网络工程应用技术人员设计组建以及管理维护一切网络工程的指导依据。区分计算机网络专业人士与非专业人士的标准除了要看实践操作能力这个指标外，另一最重要的指标就是要看对计算机网络理论知识点的理解是否透彻与全面掌握的程度。（怎样才算是将理论知识学通了？以什么标准作为衡量？）在校学生学习的终极目标就是要将全部理论彻底学通。在学任何理论知识点时都要从五个方面来学：技术需求是怎样产生的、为何如此构思来发明某项技术、某种技术采用什么样的材料、网络电气设备的功能特性、标准是如何规定的（包括材料、设备、协议标准）。高级实践：必需要先学习大量的极其抽象的理论知识点，然后才可以进行的实践操作，称为高级实践。所 以在学习高级实践之前一定要先打好理论基础。在校学生想在校园内就将高级实践学得非常精通，这是不太可能的，毕竟校园不是进行社会工程实践的场所，不可能有大量复杂的实践场地供学生练习，在校园内的实践部份学习只能是尽可能地模拟社会工程环境来学习，想达到和社会上一模一样的大量复杂环境来进行实践活动是不现实的。其实高校教师都意识到理论的重要性，绝大部份网络理论书籍的编写不可说用词不准确，亦不能说不简短精练，但在编教材时往往会将计算机网络几十年历史中不同时期的技术理论知识点按类别的方式放在一起作对比讲解，而不采用以时间为线索的方式，将理论知识点在历史上出现的先后顺序串连起来，这就导致了对很多理论专业术语定义的提出缺少逻辑连惯性和严密性，这种方式似乎不太适合没有多少网络实践经验的在校入门级学生。只适合有丰富实践经验的网络工程人员作为理论工具书来查阅。英国作家柯南道尔笔下的世界著名侦探 福尔摩斯的故事对人才的启发之大，就连爱因斯坦在写V V 物理学的进化 一书时，也忍不住用他来作全书的开头。爱因斯坦从福尔摩斯的侦破过程来说到科学家寻找科学技术奥秘的一般方法。那么福尔摩斯有什么过人之处呢？柯南道尔在 血字的研究 一文中给我们开出了一张怪有意思的福尔摩斯的学识范围简表，其中有：地质学知识 偏于实用，但也有限。但他（福尔摩斯）一眼就能分辨出不同的土质。他在散步回来后，曾把溅在他的裤子上的泥点给我看，并且能根据泥点的颜色和坚实程度说明是在化敦什么地方溅上的。惊险文学 很广博，他似乎对近一世纪中发生的一切恐怖事件都深知底细。以上简表中的两条给我们的重要启发是：第一，本专业的实践知识可以有限，但一定要偏于实用。第二，理论知识要很广博且理解透彻，对本专业近一百年中发生的一切历史事件都要深知明晓。现在，我们就来学习计算机网络的发展历史，这可以帮助我们全面理清前面已经学习过的计算机网络低级实践技术以及支持低级实践活动所必需的理论知识点的来龙去脉。在网络发展史中，从1978年TCP/IP协议基本定型开始至如今,在对近30年左右的历史讲述中,还包含着支持计算机网络高级实践技术的理论知识精华部份。我们要学习计算机网络发展史，最好先从信息通信的发展史入手。因为在计算机网络初期是从信息通信技术中继承和借鉴了相当多的技术知识后，伴随着信息通信的发展而不断向前发展的，其后两者之间是相互促进，交替发展密不可分的，就象文史不分家及电磁不分家的道理一样。最后才着眼于当前最新的网络技术的学习。计算机网络及其通信技术之理论部份第一章信息通信基础人类与周围环境相联系的能力是一种与生俱来的本能。这种本能促使人类通过道路用车马连接了各个城市和国家，通过海洋用船泊连接了欧、亚、非等各大陆板块，通过无线电磁波用卫星连接了地球和外部宇宙空间。在二十世纪的后五十年中，人类通过光或电流来携带光电信号，用各种电缆、光缆以及光电信号的转换设备来互联计算机,以形成网络的方式使这种本能进化发展到了相当的程度。我们穿越过幽长的时空隧道，发现：人类运用这种本能的起点是路漫漫兮其也远。早 在 3000多 年 前“烽火传战事”时，发现敌情，白天便点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄；夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴,使火光通明，事先约定好用烟或火光的有无，两种简单的状态信号来表示有无敌情信息，用以传递紧急军情。后来又有了用灯光闪烁、旗语、书信等传递信息的方法。从“传递信号所使用的物质材料”和“事先约定好信号表示什么信息”这两个角度，来对比以上各种传递信息的方法。产生及传递信号使用的物质材料事先约定好哪种信号状态表示什么信息烽火传递柴草、狼粪、硫磺、硝石及空气；浓雾、雨、雪天气及中间有障碍物时，就辨不清或看不见信号，信号不稳定用烟或火光的有无状态来作信号以表示敌情的有无等相当简单的信息灯光闪烁灯罩、油、棉灯芯及空气；浓雾、雨、雪天气及中间有障碍物时，就辨不清或看不见信号，信号不稳定用光的有无及闪烁的次数等状态来作信号以表示相当简单的信息旗语布匹；浓雾、雨、雪天气及中间有障碍物时，就辨不清或看不见信号，信号不稳定用旗的颜色及挥舞旗的动作状态来作信号以表示相当简单的信息书信锦书布、纸张、墨；锦布或纸张浸水或破损后就辨不清或看不见信号，信号不稳定收信人地址、收信人名称、发信人地址分别写在信封上中下位置；用文字或图形语言来表示正文信息；收信人名字写在信纸头部表示下面才是正文；祝贺语及年月日写在信尾表示正文结束了。可以看出：以上传递信息的方法都是非常原始，简单的视觉信息传递方式，不能称为完全意义上的远程信息通信。信息传递所具有的特点：信号传输的距离近、传播面窄、速度慢、信号不稳定可靠。信息通信所具有的特点：信号传输的距离远、传播面广、速度快、信号平稳且可靠。想要平稳且快速地进行远程信息通信必先解决两个先决条件：1、找到合适的物质材料能远距离地快速传输大量信号；2、要发明出：事先约定好各种信号用来表示信息的方法，这些方法要既简单同时又能表示大量的复杂信息。其后很多年中，人类一直没能力解决这两个先决条件，信息通信几乎没有什么发展，直到对电磁这两种特殊物质取得了技术上的突破才使发展远程通信具备了物质上的先决条件；并让信息通信第一次出现了质的飞跃。最早的远程信息通信是从美国艺术家莫尔斯利用当时人类刚刚掌握不久的电磁技术于1 8 4 4年发明出了有线电报机开始。当年在美国的华盛顿与巴尔的摩两个城市之间开通了有线电报通信。拍电报时，电报机的金属电键按下或提起，只表现出两种状态：按下键时接通电路，有电流，称“传号”，事先约定好用“1”表示；提起键时断开电路，无电流，叫“空号”，用“0”表示。将按下电键接通电路的时间分别为0.1秒和0.3秒的“传号”命名为:“点”和“划”。“点”用“1.0”，嵬！用“L L L 0”来表示。将要传送的电报内容中的字母或数字用多个不同排列顺序的“点和划”来表示，这就是莫尔斯电报码。在电报码中还必须首先约定好报文的传输格式,多少位的码长（电报中的码究竟是什么概念）（这里最好要举一个例子），什么样的码字表示开始正式发报，什么样的码字表示结束发报，什么位置表示发报人的名字和地址等，拍报双方要事先约定好报文的各种格式所代表的含意，就象早在“鸿雁送家书”中就将收信人地址、收信人名称、发信人地址，分别写在信封的上中下的位置，这样，大家一看就都懂了。可以看出，电报通信与原始的烽火传递信息相比，人们事先约定好表示信息的方法已经变得较复杂了。电报通信在很大程度上继承了书信中文字书写格式所表示含意的方法；同时借鉴并丰富发展了“烽火传战事”中用有烟、无烟的信号状态来表示信息的方法。即：在电报通信中用电流的通断这两种相反的信号状态表示1和0；又用不同个数的1和。一起表示点和划，再用多个点和划进行排列组合表示文字信息，是事先约定好的一种：一级套一级共有三级表示信息的方法。电报通信使人类首次认识到运用金属良导电体来传输电流的同时还可以使用电流的通断状态来表示信号，并进行远程信息通信。电报机的发明是电信行业的第一个里程碑。它使一个新行业 电信行业诞生了。在此之前传递信息的行业只有邮政行业。从1844年开通了电报通信后，经过了 50年时间，1894年无线电报通信出现了。意大利的马可尼在继承沿用了莫尔斯的电报机技术基础之上，发明出了无线电报机。可以看出：于1894年，人类进一步较全面地掌握了电磁技术（懂得了不需要金属导线也能传播电磁波）。在发明出无线电报机之前，1876年美国的亚历山大格雷厄姆呗尔就已经发明出了一种同时采用电流和磁场技术的通信 设 备 一一电话。电话的发明是电信行业的第二个里程碑。从此电信局除了有线电报业务之外，又多了一项业务：电话业务。电话机从发明开始发展至今，结构上都离不开话筒和听筒。（在这里要补一张话筒连至目的话机听筒的连接图）在晚上房间熄灯甚至停电的时候，我们一拿起话筒的同时，可看到电话机的数字键下面亮微弱的红灯，因为电话线中有微弱的电流流进电话机，话筒中就会有电场存在。当人们对着话筒讲话时，空气的振动引起话筒里的一薄膜片也跟着发生振动（那个膜片类似人的耳膜一样，非常薄，弹性非常好,在膜片振动的过程中，振幅和频率会随着人对着话筒说话声音的大小而同时也大小变化着），从而带动固定在膜片中央的一个非常小的金属电极也跟着发生振动，根据电磁不分家的原理，有电场必有磁场，膜片中央的电极就会进行切割磁力线运动，从而引起通过话筒的电流随膜片的振幅和频率大小变化而强弱变化着，这就是话筒把声音的大小变化转变成电流的强弱变化，成为了话音电流。电话线路把这忽强忽弱的电流传送到接听电话的听筒，听筒在忽强忽弱的话音电流作用下，磁场就会忽强忽弱，根据同性相斥，异性相吸的原理，使固定在听筒内薄膜片上的小电极振动，从而带动膜片振动，振幅和频率随着话音电流强弱变化而忽大忽小地变化着，膜片又振动空气发出高低变化的声音被耳朵接收，即是听筒把忽强忽弱的电流状态变化转换成磁场的变化而引起振膜的振动，还原出声音的变化。于是，人们对电话的话筒说话，声音信息就转变成电流信号，经过电话线路的传输，流到了接收方的电话机听筒中，再还原成声音信息，接收方就能听到呼叫方的说话了。）基本上所有的有线通信在通信设备中都有强电流通过（如：集线器、交换机、路由器等通信设备）以及在通信线路中有弱电流通过（如：电话线、有线电视线、监控线、计算机网络线）。从“能远距离传输信号的物质材料”、“表示信息的方法”和“电器设备理解信号的自动化程度”这三个角度来对比电报与电话通信。电报通信电话通信物质材料电流及金属有线传输线路电流、磁场及金属有线传输线路事先约定电流的通与断这两种状态信号来表示点电流的忽强忽弱的状态信号来模的信号表与划这两种高一级信号，进而来表示信拟忽高忽低的声音信息，以及24示信息的息伏高电压信号表示接收方话机的方法振铃自动响电器理解理解点与划的状态要完全依靠人类来理振铃自动响表示接收电话机在一信号的自解，电报机自已不能理解定程度上实现了自动化，可以摆动化程度脱人类自已明白通信已经建立从烽火传递、有线电报机及电话机的发展历程及各自的工作原理和上表可以共同总结归纳出：信息通信的目标是克服时空障碍，迅速、及时、稳定地进行单向或双向传递信息。通信的最佳状态是在经济成本合适的前提下，尽可能地高速传输信号。信息：信息反映了客观世界中各种事物的状态和特征。信息是一个内容丰富、应用普遍、含义却又相当“模糊”的概念，目前尚未形成统一、完整而又得到公认的定义。一种较流行的信息定义是：信息是对各种事物的存在方式、运动状态和相互联系特征的一种表述；信息是自然界、人类社会和人类思维活动中普遍存在的一切物质事物的属性内容和解释。人类社会中需要传递的信息具体表现形式是语音、图像和文字三大类；即：信息的载体是语音、图像和文字。数据：数据是描述客观事实、概念、事件的一组数字、符号、文字、图形、或声音语言表示。数据既有字符型的也有非字符型的。可以看出：其实，信息的三大类表现形式：语 音、图像和文字就是数据，数据就是信息的载体。信息和数据的区别为：信息能增长人的知识，帮助人们做出决策,影响接受者的行为，带有研究者主观方面的因素。对于数据，一般应理解为客观事实的记录方法。电信号：在金属传输线路中，信号的本质就是电流所表现出来的状 态，我们也称其为电信号。换句话 说：电流的状态就是电信号。我们通常用电流的通断、电压的高低、电流的强弱、电磁波的幅度、相位、频率等状态中的一种或同时用多种状态来表示电信号。信息本身是不可以直接进行传输的，而是要将表现信息的语音、图像和文字这三种数据形式，先转换成信号后再来进行传输。（如：烽火传递中敌情的有无是真正要表达的信息，但要转换成烟或光的有无这两种信号，才能传输）信息的载体是数据，数据的载体是信号。信号的载体是电流，电流的载体是金属导线。数据信息通信的工作原理是:用事先约定好表示信息的方法（在计算机网络中叫做协议）以及数据传输技术通过某种类型材料的传输线路，在 两 个 功 能 单 元 通 信 设 备 之 间 把 数 据 从 个地点向另一个地点传输的通信方 式。有线电报和电话通信中，都是通过金属传输线路中电流的状态来传输电信号，但这两种通信中电信号的特点差别很大。我们先来看看传统水银温度计的工作特点，再来理解电报与电话通信中电信号特点的差别。在这里要加入传统水银温度计的例子电话通信中的电信号是以忽强忽弱的电流或电压的高低状态来表示的，是一种随时间的推移而电流的强弱取值是不可分割的、连续变化的。电流值由A变化到值B时，这之间包含了所有无穷多的电流取值。在整个话音传输过程中，没有对信号的电流变化状态进行量化分解操作。具有这种特点的电信号称为模拟信号。模拟信号的定义：把电信号的两个参数变量之间的关系用逻辑上的函数表达式y（即：电流的状态）=f（x）列出来，其中参数变量y的取值一定是连续的（如：电话线中的电流强弱的值），而不管另一个参数变量x（往往指时间）的取值是连续或离散的。模拟信号通常是时间连续函数，也有时离散函数的情况，但无论时间是否连续，y的取值一定是连续的。（a）时间连续的模拟信号（b）时间离散的模拟信号模拟信号电话通信是一种模拟通信方式，即用电流状态的变化来模拟声音状态的变化，表达要传递的信息。而有线电报通信线路中传输的电信号的特点与电话通信中的模拟电信号相比，有很大的不同。电报通信中通常是以电流的通断状态来表示电信号。传输的电信号是一种随时间的推移但电流的通断状态而表现出来的值是可以分割、不连续、有限个、离散的。我们把这种特点的电信号称为数字电信号。数字信号的改变是瞬间跳变。数字信号的定义：把电信号的两个参数变量之间的关系用逻辑上的函数表达式y（即：电流的状态）=f（x）列出来，其中参数变量y的取值一定是离散的，有限个的（如：电报线路中电流的通断状态值或电流的频率高低值），而不管另一个参数变量x（往往指时间）的取值是连续或离散的。如：计算机信号、电报信号等都是数字电信号。门）二遇用 信）吧燃电图2-3致字侑号数字通信不是什么新鲜事，中国古代战场上以敲打锣鼓发出声音为信号，击鼓则进攻，鸣锣则退守；还有烽火传递中的有烟无烟、有火光无火光等等传递信息的方式，都是传递数字信号。要注意：模拟和数字信号的产生不是由金属传输线路产生的，而是由发送电信号的电气设备的功能特性来决定生成何种信号，金属传输线路既可以传输模拟信号也可以传输数字信号。比如：有线电报机和有线电话机都是用金属传输线路来传输信号。电报机和电话机自身分别产生的是数字信号和模拟信号，则金属线中就分别传输数字信号和模拟信号。而且模拟信号和数字信号在一定技术条件下是可以相互转换的。从通信的发展历史来看，尽管低级的数字 通 信（有线电报通信）很早就出现了，但在一个很长的历史时期中，数字通信却比模拟通信的发展缓慢得多，实际使用的通信设备也比模拟通信少。从20世纪50年代未，第一代计算机网络出现后，数字通信日益发展，开始出现了数字通信代替模拟通信的趋势。目前，无论是模拟通信，还是数字通信都获得了广泛的应用。而且数字通信技术已达到相当完善的程度，通过现有的数字通信设备，已经能使远在万里之遥的亲人会面相叙如同近在咫尺。信源：在电通信当中，产生或发送信号一端的电气设备称作信源。信宿：接收信号一端的电气设备称作信宿。传输介质：是指通信中金属的物理传输线路。不同物理特性的传输介质构成的信道对通信的速率和质量影响差别很大。一般说来，导是性能越好的金属材料在通信中的传输速率越快且质量越快好。信道：信源利信宿之间利用传输介质（Media）和通信电气设备共同来实现信号传输的通道称作信道。信道包括传输介质与通信设备。噪声：在传输过程中信道受到外界各种干扰进来的电磁信号称作噪声。由于空气中充满了电气设备辐射出来的强弱不同的电磁波信号，所 以信号在金属线路中传输会不可避免地或多或少地被外界叠加上噪声。不同的物理信道对噪声的敏感程度不一样，如果信道上传输的是电信号，容易受到外界电磁场的干扰；如果传输的是光信号，则不会受到外界电磁场的干扰。电通信的主要技术指标信号的衰减：电信号会随着金属传输材料的不断增长，信号的功率则按比例地减弱，这种现象称为信号的衰减。信号的串扰：电信号在传输过程中受到外界各种电磁干扰信号，导致形成电信号的有效电流状态发生畸形变化，接收端的电气设备不能正确地识别电信号，这种现象称为信号的串扰。模拟信号形成比较简单、直观，但在传输过程中容易受到外界干扰发生畸变，从而降低通信质量；数字通信是与模拟通信不同的另一种通信方式。数字信号的传输、记录、处理都采用数字（“0”和“1”）信号。由于数字信号抗干扰强、生产的畸变小，也容易消除，因而可以大大提高通信质量，是当前计算机网络通信技术的潮流。信噪比：在信道中真正要传输的信号与噪声的比值，称为信噪比。在模拟信号通信中，为了使信号传输的距离尽可能的远些，就要提高信噪比。例如：老师讲课时的语言是真正需要传递的信号，而学生自由讲话所产生的信号就是噪声，想要把老师的信号尽可能传递的远一点，那 么“老师信号”/“学生噪声”这个比值至少要大于1,也就是说分子要大于分母，而且大的越多越好，最好给老师一个扩音喇叭，大大地压过学生的噪声，如果老师的声音信号是学生噪声的几倍以上，信噪比值就能大很多了，也可能走道的另一头教室都能听到老师的声音了。在模拟信号通信中同时需要及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大，如下图所示。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多（传输的过程中会有电磁干扰，就会产生噪声），以致使传输质量严重恶化。号（b）数字信m t-l彳集（!方式收干找f t 修比收对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值（通常取两个幅值），在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的 方 法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，见 图 2 1（b）,所以可实现长距离高质量的传输。信号的延时：在国际标准规定的时间内电信号没有按时到达目的接收端的电气设备，这种现象称为信号的延时。在通信系统中的信号传输，在数量技术指标方面，以传输速率进行衡量。我们在数字信号通信传输中将两种截然相反电流状态，分别命名为二进制的数字0和 l o 也就是说可以将电信号简单理解为：“0”信号或者“1”信号。每一个0或 1 称为一“位（b i t）”，也 叫“比特（b a u d）”或“波特”;每 八位二进制的1 或 0称作一个“字 节（B y t e）”。我们约 定 好“位、波特”简写为小写的b，“字节”简写为大写的B o信号速率（R b）:指信道中每秒传输的位数，单位为“位/秒（b/s）”。传 输 速 率（R B）:指信道中每秒传输的字节数，单 位 为“字节/秒(B/s)”在质量技术指标方面，以数据传输的错误率进行衡量，即可靠性。错误率是指：外界电磁干扰信号串扰进信道后，产生极大的噪声,导致真正要传输的电信号产生极为严重的畸变出错，接收信号的信宿接收到错误的信号数占总传输的信号数的比例。通信中其它的技术指标还有 带 宽(Bandwidth)。带宽一词，在通信历史上的电话网络通信时代，指的是信道传递模拟信号时，频率的变动范围。通常由最高频率减去最低频率得到，单位是赫兹(Hz)。以模拟电话系统为例，线路上的信号频率变动范 围 约3000Hz(2003200Hz)o通信中信号所占有的带宽越宽，单位时间里传输的信息量越大。在以后的计算机网络中，是针对数字信号来说带宽的概念。其将会有些改变。单工、半双工和全双工式通信在数据通信中，信号的传送都是有方向的，从通信双方信号交互的方式来看，通信方式可以有三种：单工通信、半双工通信和全双通信。单工通信：是指通信中的双方，一方永远是发送方，另一方永远是接收方，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。数据信号始终沿一个方向传输。单工通信只需要一条物理信道。例如无线广播和电视都属于单工通信类型。半双工通信：是指通信双方都可以发送（或接收）数据，但不能同时双向发送。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来，即两个方向的传输只能交替进行。半双工通信的双方都具有发送装置和接收装置，但要按数据流向轮流使用这两个装置，要求要有两条物理信道。常见的对讲机都属于这种类型。全双工通信：是指通信双方可以同时发送和接收数据，即数据可以同时做双向传输。这要求通信双方都具有同时运作的发送和接收装置，且至少需要有两条传输信道，全双工通信的效率最高。拓扑结构的出现：当贝尔于1 8 7 6年申请电话专利时，消费市场对他的新发明需求很大。最初的市场是电话销售，得一对一对地买。用户自己在两个电话之间拉一根金属电话线。如果有多个用户时，为保证任意两个用户间都能通话，很自然我们会想到每两个用户用一对线路连起来。5个用户连接的情况：n=5时，所用线路=4+3+2+1=1 0根电话网刚兴起时，当用户数增加到n 时所需的线对数更迅速增加,想想看，要是对每个用户来说，家中需接入n-1对线，用数学归纳法可得出：总共所用线路=n(n-l)/2o打电话前还需将自己话机和被叫线手工连起来，那也太麻烦了！在 1877年短短的一年之内，美国每个城市里到处都是穿过房屋树木的混乱的电话线。很明显，把每一部电话完全互联的模式是行不通的。如下图所示于是工程技术人员构思：在电话用户密集分布的中心，安装一个设备，每个电话用户各架一条线都接在此设备上。这设备好比是一个开关接点，平时是一直打开的。任意两个用户之间需要通话时，呼叫方摇动电话的曲柄以使接在此设备上的电话铃响起，接线员听到铃声后，会据要求用手工跳线将呼叫方和被呼叫方连接起来。设备可根据发话者的要求，完成与另外一个用户之间交换信息的任务，将这种设备叫做电话交换机。实际的交换机是相当复杂的，假如有了电话交换设备，总共n 个用户，只需n 对线就可以满足要求，使线路的费用大大降低。尽管增加了交换机的费用，但它将为n个用户服务，利用率很高。由于贝尔的信用，他 于1878年在康涅狄格的钮黑文开办了第一家贝尔电话交换局公司。单一交换局模型如下图所示。很快，贝尔系统交换局出现在美国的各个城市，人们又要求能打城市间的长途电话，因此贝尔系统开始连接各个城市的交换局。最初的问题很快又回来了，把每个交换局用电话线互联起来很快变得无法管理，因此二级交换局出现了，不久以后，出现了多个二级交换局，渐渐地，该结构分成了五层。如下图所示：小实心黑点表示电话机、大实心黑点表示离居民区最近的电信机房中的小交换局、方块表示小交换局的上一级交换局（即长途交换局）我们把电话网中线路的连接方式称为：物理拓扑结构。简称：拓扑结构。在通信学中拓扑结构（Topology）的概念是从数学的纯理论性研究：图论中研究与大小形状无关的点、线、面特点的数学方法中借鉴而来的。在通信网络中，将具体设备抽象为“点”，把传输介质抽象为“线”，形成点和线组成的几何图形，就抽象出通信网络系统中的具体结构。我第一次看到“拓扑结构”这个词时，看不懂，因为读大学之前在生活中从来没有听到过“拓扑”这个词，直到现在看到了具体的拓扑图，才知道是以一定的结构进行线路连接的方式。结构也可以换一种说法：就是造型，比如：直线型、H 型、圆形等通信网络连接方式的 结 构（也就是说：网络拓扑结构是一种造型），而且这种结构是肉眼可以看见的真实物理存在；而画出来的拓扑图则是描述人的大脑逻辑构思或者逻辑思维的一种图形语言，则属于逻辑形式上的。在以后的计算机网络的学习中我们经常要用这种图形语言来表示网络中线路走向（也叫线路物理路由）和节点的物理真实存在。不管你是学”机械设计”还 是“工业与民用建筑”专业或是学任何工科专业的，图形语言是工程师与工程师之间交流的最好语言。所以要努力学习用图形语言来表述自己的设计思想，以及画图形时要严格遵守通用标准，才可以在工程师之间沟通交流时方便与清楚，这样，别的工程师才能读得懂你想表示的意思。我们把上图中的a、b、c小图在拓扑结构上分别称为：全连接型、星型和（星型+全连接型）也称为混合型。1、全连接：除了自己之外的其他任何一个通信设备都有一根线路连到自己这个通信设备之上的方式称全连接。随节点数的增长，总用线路和施工工程量太大，建造成本急剧增长，所以只适用于节点数很少的广域网中。2、星型：以一个网络通信设备为中心，其它电话机或计算机（即：信源或信宿）都分别与其构成点到点连接。星型拓扑结构网络同时有着众多的优点和缺点。星型网络提供集中式的资源和管理。因此最明显的优点：与中央通信设备连接的一台信源或信宿设备或传输线路如果损坏，那么只有损坏的信源和信宿设备不能够发送或接收网络信号，网络的其余部份仍能够正常工作。最明显的缺点：如果中央通信设备损坏，整个网络也就瘫痪了。3 树形：一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点构成，可看成是多个星形的组合。（这可看成是一颗倒过来的树，根在上面）电话网络中交换机的发展：其历程可分为三个阶段：人工交换、机电交换、电子交换。早 在 1878年就出现了人工供电制交换机，它是借助话务员进行话务接续，显然其效率是很低的。15年后步进制的交换机问世，它标志着交换技术从人工时代迈入机电交换时代。这种交换机属于“直接控制”方式，即用户可以通过话机拨号脉冲直接控制步进接续器做升降和旋转动作。从而自动完成用户间的接续。这种交换机虽然实现了自动接续，但存在着速度慢、效率低、杂音大与机械磨损严重等特点。人工交换机、自动机械式交换发展于20世纪40年代到60年代,交换技术开始向纵横制发展。随着电子软件程序控制计算机技术的发展，科学家开始利用程序控制来实现交换功能，1965年美国贝尔实验室制造出第一台电子程控交换机，称为美国一号机。它的出现和试用，揭开了电子程控交换机使用的序幕。随后，欧洲地区和日本各大厂商进行广泛的开发研究，各种型号的电子程控交换机不断涌现，由于体积小、容量大、功能全，很快推动全球在交换机领域的更新，全面替代了机械式、纵横制交换机。从1890年起，电话系统的三个主要部份已经就位了：交换局、客户和交换局间的线路（现在均衡的、绝缘的双绞线已代替了裸线）、交换局间的长途连接。虽然从这以后在这三个领域都有更新，至今基本的贝尔系统模型已经保持了 100多年没有改变。从1844年 到20世 纪30年代，从电报机到电话机再到无线电报通信发展成熟用了近90年的时间，全球信息通信才逐步发展起来。从20世 纪30年代后，又经过了十几年，到了 1946年，人类掌握的电磁及电子技术进一步获得了突破，运用电磁及电子技术发明出第一台电子计算机“ENIAC”，计算机领域诞生了。在“ENIAC”刚问世的几年里，当时的电子计算机是大、中、小型机庞大，昂贵;缺点资源无法共享。计算机和通信并没有什么联系。当时计算机硬件功能的简述以及操作系统功能的简述，那时大规模集成电路还没有出现（2 0世 纪7 0年代才出现），从材料决定特性，材料决定了功能的角度来说明有一段时期在技术上计算机相互之间还无法实现通信，要互相交流数据只能是靠磁盘来互相交流。早期的计算机系统是高度集中的，所有的设备安装在单独的大房间中，这样的数据交流方式只能是计算机机在地理位置上必须处于同一个房间或相邻的房间，才方便实现。所以产生了让地理位置相距较远的计算机相互连接在一起进行通信以实现硬、软件及数据共享的需求。图I网络出现之前，数据共享处理方式1954年人们开始使用一种叫做收发器(transceiver)的终端，将穿孔卡片上的数据从电话线发送到远地地计算机，后来用户可在远地的电传打字机上键入自己的程序，而计算机算出来的结果又可从计算机传送到远地的电传打字机上打印出来，这样计算机与通信的结合就这样开始了。虽然早就产生了将计算机联网进行通信的需求，但当时主要有两个原因导致计算机联网通信不能实现。一是：计算机的软件操作系统功能不强，不能一次性连接处理多条命令操作，以及不能分时；二是:当时单台计算机造价成本就非常昂贵，假如许多民用单位在各个业务部门各自配备一台计算机，然后再将这些计算机用通信线路全部连起来，使用成本是得不偿失的，那还不如多用几个人来干计算机能干的活。为了让更多的民用部门在经济上能使用得起计算机，技术开发人员设计并生产出了一种只有计算机的CRT控制器和键盘等外部输入输出设备，而无CPU、内存、硬盘的经济适用型简易机器，称之为终端机。这是因为材料或经过加工后的材料生产出的配件在很大程度上决定了产品的成本，以至于最终决定了产品的价格。另外，随着操作系统的发展，出现了批处理和分时系统（这可能是指当时主机操作系统的功能吧？），分时系统的技术特点决定了所连接的多个终端必须紧接着主计算机。从20世纪50年代初，电磁及电子技术更是应用在计算机网络通信中。当时的美国基于军事需要，开始尝试将计算机技术和通信技术相 结 合，建立了一种 半自动地面防空 系 统SAGE（Semi-AutomaticGround Environment）将远距离的雷达和其他测量控制设备的信息，通过通信线路（主要是电话线）汇集到一台中心计算机机上进行集中处理和控制。许多服务行业都以一台中央计算机为中心通过通信线路连接了大量的地理上处于远程分散位置的多个终端机的计算机网络。这样就出观了第一代计算机网络。简述为：面向终端的计算机网络。早期计算机网络结构实质上是广域网的结构。随着远程终端的增多，为减轻中心计算机的负载，在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理机FEP（Front-End Processor）或通信控制 器 CCU专门负责与终端之间的通信控制，使数据处理和通信控制分工。在终端机较集中的地区，采用了集中管理器（集中器或多路复用器）用低速线路把附近群集的终端连起来，通 过 MODEM及高速线路与远程中心计算机的前端机相连。这样的远程联机系统既提高了线路的利用率，又节约了远程线路的投资。相互通信的主机与终端机之间具有主从关系的“主一从方式（要把主从方式的内涵详细列出来）”（邮政储蓄和各大银行的储蓄所用的就是各种终端机，如：实达品牌的终端机,而各储蓄所与分行或总行之间的计算机联接就是用的这种面向终端的计算机网络）图 1.2 单计算机为中心的远程联机系统当时，人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或近一步达到资源共享的系统”，但这样的通信系统己具备了通信的雏形。第一代计算机网络采用的交换技术：电路交换的工作原理电路交换(C i rc ui t S wi tc h i ng)是信号在信源和信宿之间传输,进行直接的真实的物理信号电流交换，即在信源和信宿之间有一条利用中间节点构成的专用物理连接线路，直到电流信号传输结束。电话交换网就是电路交换的一个典型例子，通信双方一旦接通，便独占一条物理电话线路，即使只有普通电流信号流过，并没有数据电流传送,别的用户也无法利用。看上图来理解电路交换的三个过程：电路建立、数据传输、电路拆除三个过程。1)电路建立(C i rc ui t B ui ld i ng)：如上图所示,若A要与D连接,典型的做法是，A站先向与其相连的B节点提出呼叫请求，A节点选择经B节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉B它还要连接D节点；然 后B节点在通向D节点的路径中找到下一个节点C oB再呼叫C,建立电路B C,最后，节点C完成到D的连接。这样A与D之间就有一条专用电路AB C D,这是一条转接式数据通路，用于A与D之间的正式数据电流传输。电路建立时要求通信双方都要处于可用状态，并且两者之间的线路要空闲。其信道的形成不是惟一的，如果两者之间的一条线路忙，则可选择其他的线路通过。这个过程类似于电话通信的呼叫阶段。经过呼叫过程建立一条端到端的电路。2)数 据 传 输(D a ta T ra nsf e rs)：电路AB C D建立以后，数据就可以从A发送到B,再由B交换到C；继而由C交换到D；D也可以经C和B向A反发送数据。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。电路建立后，即可进行信号传输。在整个传输期间，该通路一直为通信双方占用，直到通信结束后才释放线路。这个过程类似于电话通信的通话阶段。3)电路拆除(C i r cu i t D i s co n n ect)：数据传输结束后，由某一方(A或D)发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。数据传输结束后，要由通信双方中的任意一方发出拆除请求，然后进行拆除，即把线路的控制权释放。这个过程类似于电话通信中的挂机。电路交换的特性(C h ar act er s o f C i r cu i t S w i t ch i n g)(1)由于需要连接过程，建立连接需要时间，故适合传输大量数据电流，而传输少量数据电流信号时，对于猝发式的通信，线路的利用效率不高；所以适合作语音通信。(2)连接一旦建立，便可以固定的速率传输数据，除了传输延迟外，不再有别的延迟;(3)一旦连接成功，就建立了一条临时专线，即使不通信，他人也不可使用。信道利用率不高。(4)通信时，双方设备必须都为可用的状态。(5)线路不具有记忆性。2.电路交换技术的优缺点1)优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。2)缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。第二章第二代计算机网络1957年，前苏联成功发射了第一颗人造卫星，使美国惊恐不已，于是，为了提高军事技术、与前苏联抗衡，成立了研究机构“DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectAgency 美国国防部高级研究规划局)以下简称：国防部高划局”。该局想要创建一个以军事为目的的计算机网络，命名为DARPA N e t,在建立的初始采用了当时较成熟的“电路交换”通信技术。而 在1958年 1964年之间，计算机已经由第一代的硬件生产材料：真空管、磁鼓延迟线和磁芯；演变到了第二代计算机的生产材料:晶体管和磁芯；应用软件：符号语言、汇编程序；使用范围：科学计算这三个方面，全面程序设计语言、多道程序设计、管理程序；科学计算、数据处理和事务管理等方面。计算机的单机功能已经极大地增强了，价格却大幅地下降了。运用在军用、科学技术及民用领域中，计算机数量更广泛地普及。计算机联网的需求国防部高划局在建网之初就构思着要创建一个覆盖全美国，四通八达的计算机网络，以便监视和控制国内的所有战略重地。于是DARPA Net有这样的强烈需求：网络一定不能有中央控制权，因为一旦控制被完全集中，对控制中心的任何破坏都会导致整个网络全面瘫痪。而且即使部分网络受到了破坏或者被中断，