第一章 计算机网络基础知识 1.1 计算机网络的形成和发展 1.2 计算机网络的分类和应用 1.3 我国互联网的发展 1.4 计算机网络通信基础知识

1.1 计算机网络的形成和发展 1.1.1 早期的计算机网络 1.1.2 现代计算机网络发展 1.1.3 计算机网络标准化阶段 1.1.4 微机局域网的发展时期 1.1.5 国际互联网的发展时期 1.1.6 计算机网络定义

1.1.1 早期的计算机网络 自从有了计算机，就有了计算机技术和通技术的结合。早在1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为SAGE的半自动化地面防空系统，该系统最终于1963年建成，被认为是计算机和通信技术结合的先驱。

1.1.2 现代计算机网络发展 现代意义上的计算机网络是从1969年美国国防部高级研究计划局（DARPA）建成的ARPAnet实验网开始的，该网络当时只有4个结点，以电话线路作为主干网络，两年后，建成15个结点，进入工作阶段。此后，ARPAnet的规模不断扩大。20世纪70年代中后期是广域通信网大发展的时期。各发达国家的政府部门，研究机构和电报电话公司都在发展分组交换网络。

1.1.3 计算机网络标准化阶段 经过20世纪60年代和70年代前期的发展，人们对组网的技术，方法和理论的研究日趋成熟。为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定自己的网络技术标准。IBM首先与1974年推出了该公司的系统网络体系结构SNA,为用户提供能够互连的成套的通信产品；1975年DEC公司宣布了自己的数字网络体系结构DNA。1976年UNIVAC宣布了该公司的分布式通信体系结构。这些网络技术标准只是在一个公司范围内有效，遵从某种标准的，能够互联动网络通信产品，只是同一公司生产的同构型设备。

1.1.4 微机局域网的发展时期 80年代初期出现了微型计算机，1972年Xerox公司发明了以太网，1980年IEEE组织了一个委员会，开始制定局域网标准。

1.1.5 国际互联网的发展时期 1985年，美国国家科学基金会利用ARPAnet协议建立了用科学研究和教育的骨干网络NSFnet.1990,NSFnet代替ARPAnet成为国家骨干网.1992年Interner学会成立,该学会把Interner定义为"组织松散的，独立的国际合作互联网络".1993年，，美甸伊利诺斯大学国家超级计算中心成功开发了网上浏览工具Mosaic。20世纪90年代后期，Interner以惊人的高速发展，网上的主机数量，上网的人数，网络的信息流量每年都在做、称倍地增长。

1.1.6 计算机网络定义 计算机网络的定义：是指把分布在不同地理位置，具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来的，以功能完善的网络软件实现硬件，软件数据信息等资源共享和信息交换的系统。

1.2计算机网络的分类和应用 1.2.1计算机网络的分类 1.2.1计算机网络的应用

1.2.1计算机网络的分类 按网络的作用范围： 按网络的传输技术： 按网络的使用范围： 按通信介质： 按企业管理分类 ： 有线网； 无线网； 局域网； 城域网； 广域网； 按网络的传输技术： 广播式网络 ； 点到点网络 ； 按网络的使用范围： 公用网； 专用网； 按通信介质： 有线网； 无线网； 按企业管理分类 ： 内联网 ； 外联网 ； 因特网 ；

拓扑结构 拓扑学把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间关系； 在计算机网络中，将主机和终端抽象为点，将通信介质抽象为线，形成点和线组成的图形，使人们对网络整体有明确的全貌印象； 计算机网络的拓扑结构就是网络中通信线路和站点（计算机或设备）的几何排列形式。

计算机网络的拓扑结构

星型拓扑网络 各节点通过点到点的链路与中心节点相连，中心节点可以是转接中心，起到连通的作用，也可以是一台主机，此时就具有数据处理和转接的功能。 优点： 很容易在网络中增加新的站点，数据的安全性和优先级容易控制，易实现网络监控。 缺点 属于集中控制，对中心节点的依赖性大，一旦中心节点有故障会引起整个网络瘫痪。

树型拓扑网络 网络中的各节点形成了一个层次化的结构，树中的各个节点都为计算机。 树中低层计算机的功能和应用有关，一般都具有明确定义的和专业化很强的任务，如数据的采集和变换等，而高层的计算机具备通用的功能，以便协调系统的工作，如数据处理、命令执行和综合处理等。 一般来说，层次结构的层不宜过多，以免转接开销过大，使高层节点的负荷过重。

总线型拓扑网络 网络中所有的站点共享一条数据通道，一个节点发出的信息可以被网络上的多个节点接收。由于多个节点连接到一条公用信道上，必须采取某种方法分配信道，以决定哪个节点可以发送数据。 总线型网络结构简单，安装方便，需要铺设的线缆最短，成本低，某个站点自身的故障一般不会影响整个网络。因此它是最普遍使用的一种网络。其缺点是实时性较差，总线的任何一点故障都会导致网络瘫痪。

环型拓扑网络 在环行拓扑网络中，节点通过点到点通信线路连接成闭合环路。环中数据将沿一个方向逐站传送。 环型拓扑网络结构简单，传输延时确定，但是环中每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的屏障。对于环型网络，网络节点的加入、退出、环路的维护和管理都比较复杂。

网状型拓扑网络 网状型拓扑网络中，节点之间的连接是任意的，没有规律。 主要优点是可靠性高，但结构复杂，必须采用路由选择算法和流量控制方法。 广域网基本上采用网状型拓扑结构。

1.2.2 计算机网络的应用 办公自动化 电子数据交换 远程教育 电子银行 证卷和期货交易 娱乐和在线游戏

1.3 我国互联网的发展 1.3.1 我国互联网络的建设 1.3.2 我国建成的四大互联网络

1.3.1 我国互联网络的建设 我国互联网的发展启蒙于20世纪80年代末。1989年国家计委组织建立中关村地区教育与科研示范网络。1990年中国正式在DDN-NIC，注册登记了我国的顶级域名CN。1993年中国科学院计算机网络信息中心召集在京部分网络专家调查了各国的域名系统，据此提出了我国的域名体系。1994年开始，分别有国家计委，邮电部，国教教委和中科院主持建成我国的四大互联网。1996年我国的互联网的发展进入应用平台建设和增值业务开发阶段。1997年中国科学院在中科院网络信息中心组建了中国互联网络信息中心CNNIC。1997年中国互联网信息中心发布了第一次《中国Interner发展状况统计报告》。

1.3.2 我国建成的四大互联网络 我国公用计算机互联网CHINANET 中国教育科研网CERNET 中国科学技术网CSTNET 国家公用经济信息通信网络CHINAGBN

1.4计算机网络通信基础知识 1.4.1 模拟数据通信和数字数据通信 1.4.2 数据通信中的主要技术指标 1.4.3 计算机通信方式 1.4.4 数据编码技术和时钟同步 1.4.5 多路复用技术 1.4.6 数据交换技术 1.4.7 差错控制方法

1.4.1 模拟数据通信和数字数据通信 1.几个术语的解释 数据：定义为有意义的实体。数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内连续变化的值；数字数据是离散的值。 信号：是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的参量来表示要传输的数据。 信息：是数据的内容和解释。 信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。 信宿：通信过程中接收和处理信息的设备或计算机 信道：信源和信宿之间的通信线路。

2.模拟信号和数字信号的表示 模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值 数字信号 时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号

3.模拟数据和数字数据的表示 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都可以用适合于信道传输的某种信号形式来传输。 　　（1）模拟数据可以用模拟信号来表示。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。这种数据可以直接用占有相同频带的电信号，即对应的模拟信号来表示。模拟电话通信是它的一个应用模型。 （2）数字数据可以用模拟信号来表示。如Modem可以把数字数据调制成模拟信号；也可以把模拟信号解调成数字数据。用Modem拨号上网是它的一个应用模型。 （3）模拟数据也可以用数字信号来表示。对于声音数据来说，完成模拟数据和数字信号转换功能的设施是编码解码器CODEC。它将直接表示声音数据的模拟信号，编码转换成二进制流近似表示的数字信号;而在线路另一端的CODEC,则将二进制流码恢复成原来的模拟数据。数字电话通信是它的一个应用模型。 （4）数字数据可以用数字信号来表示。数字数据可直接用二进制数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先要对二进制数据进行编码。数字数据专线网DDN网络通信是它的一个应用模型。

4.数据通信的长距离传输及信号衰减的克服 （1）模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输(如图1-4)； 图1-4 模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示 （2）模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。 （3）数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为“0、1”的标准电平后继续传输。

1.4.2 数据通信中的主要技术指标 1. 数据传输速率 （1）数据传输速率：每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s,计算公式: S=1/T*log2N(bps) ......（a） 其中上式的 T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常 N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。 N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。 （2）信号传输速率：也称码元速率、调制速率或波特率，是指单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式： B=1/T (Baud) ......（b） 其中上式中 T为信号码元的宽度，单位为秒。 由（a）、（b）式可得：　S=B*log2N　(bps)或　B=S/log2N　(Baud) [例1]采用四相调制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，则 　　　　S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400 (bps) B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud)

2. 信道容量 （1）信道容量：表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps) 　　信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。 （2）离散的信道容量 奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：　　　　　　　　　　B=2*H  (Baud)　　 奈奎斯特公式--无噪信道传输能力公式： C=2*H*log2N (bps)　　 上式中 H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz； N为一个码元所取的离散值个数。 [例2]普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值B=2*H=2*3k=6kBaud ；　　　　若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率C=2*3k*log216=24kbps。 （3）连续的信道容量 香农公式--带噪信道容量公式： C=H*log2(1+S/N) (bps) 其中上式中 S为信号功率， N为噪声功率， S/N为信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝(dB)。 [例3]已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。 　　　　∵ 10lg(S/N)=30  ∴ S/N=1030/10=1000　 　　　　∴ C=3klog2(1+1000)≈30k bps

3. 误码率 误码率是指二进制数据位传输时出错的概率。 它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出现的概率增加。 误码率公式： Pe=Ne/N　　　　　　　　　 上式中 Ne为其中出错的位数，N 为传输的数据总数。 即平均每传送1兆位才允许错1位。在误码率低于一定的数值时，可以用差错控制的办法进行检查和纠正。

1.4.3 计算机通信方式 图1-5 并行数据传输 1. 并行通信方式 并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单（如下图1-5）。 图1-5  并行数据传输

2. 串行通信方式 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义（如下图1-6）。 图1-6 串行数据传输

3. 串行通信的方向性结构 串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工（如图1-7）。 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输； 　串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工（如图1-7）。 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输； 半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信； 全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。 图1-7 单工、半双工、全双工

1.4.4 数据编码技术和时钟同步 1. 数字数据的模拟信号编码 为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem) （如图1-8）。 模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。 图1-8  远程系统中的调制解调器

数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK（如图1-9）。 （1）数字调制的基本形式 数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK（如图1-9）。 在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。 在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。 在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。 由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。 图1-9  数字调制的三种基本形式

（2）公共电话交换网中使用调制解调器的必要性 公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300Hz～3400Hz，而数字信号频宽为0Hz～几千兆Hz。若不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号，必定出现极大的失真和差错。所以，要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围300Hz～3400Hz。

2.数字数据的数字信号编码 数字信号可以直接采用基带传输。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。基带传输时，需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。 （1）数字数据的数字信号表示 对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。 图1-10  基脉冲编码方案

①单极性不归零码，无电压表示“0”，恒定正电压表示“1”，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平（如图1-10-A）。 ②双极性不归零码，“1”码和“0”码都有电流，“1”为正电流，“0”为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平（如图1-10-B）。 ③单极性归零码，当发“1”码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发“0”码时，仍然不发送电流（如图1-10-C）。 ④双极性归零码，其中“1”码发正的窄脉冲，“0”码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心（如图1-10-D）。 （2）归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点 不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。 单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

（3）同步过程 ①位同步 位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。 　　在外同步法中，接收端的同步信号事先由发送端送来，而不是自己产生也不是从信号中提取出来。即在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。 自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”（如图1-11）。 图1-11 数字信号的同步编码

④1～2位停止位，以逻辑“1”表示，用作字符间的间隔。 两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。 ②群同步 在数据通信中，群同步又称异步传输。是指传输的信息被分成若干“群”。数据传输过程中，字符可顺序出现在比特流中，字符间的间隔时间是任意的，但字符内各个比特用固定的时钟频率传输。字符间的异步定时与字符内各个比特间的同步定时，是群同步即异步传输的特征。 群同步是靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的。起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位则是作为字符间的间隔位设置的，没有停止位，下一字符的起始位下降沿便可能丢失（如图1-12）。 群同步传输每个字符由四部组成： ①1位起始位，以逻辑“0”表示； ②5～8位数据位，即要传输的字符内容； ③1位奇偶校验位，用于检错； 　④1～2位停止位，以逻辑“1”表示，用作字符间的间隔。 图1-12 群同步的字符格式

3. 模拟数据的数字信号编码 （1）脉码调制PCM 脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用≥有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。 采样定理表达公式： Fs(=1/Ts)≥2Fmax或Fs≥2Bs 　　其中上式中Ts为采样周期，Fs为采样频率， Fmax为原始信号的最高频率，　　　　　Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽。 （2）模拟信号数字化的三步骤（如图1-13） ①采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出； ②量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值； ③编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。 图1-13 脉码调制(PCM)原理

1.4.5 多路复用技术 多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。 1. 频分多路复用 FDM技术原理 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是步分多路复用。 多路原始信号在步分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个样以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道（如图）。

图 频分多路复用与时分多路复用 2. 时分多路复用 TDM技术原理 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用 TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。 时分多路复用 TDM不仅局限于传数字信号，也可同时交叉传输模拟信号（如图1-14-b）。

3. 波分多路复用 波分多路复用（Wave Division Multiplexing ，WDM）用在光纤通信中，不同的子信道用不同的波长的光波承载，多路复用信息同时传送所有子信道的波长。这种网络中要使用能够对光波进行分解和合成的多路器。 4. T1载波与E1载波的帧结构 （1）T1载波 Bell系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分TDM技术，使24路采样声音信号复用一个通道。每一个帧包含 193位，每一帧用 125us时间传送。T1系统的数据传输速率为1.544Mbps（如图1-15）。 图1-15 T1载波帧结构

（2）E1载波 CCITT建议了一种2.048Mbps速率的 PCM载波标准，称为E1载波(欧洲标准)。它每一帧开始处有8位同步作用，中间有8位作用信令，在组织30路8位数据，全帧包括256位，每一帧用 125us时间传送。可计算出E1系统的数据传输速率为256位/125us=2.048Mbps。 5. 异步传输和同步传输 （1）异步传输方式中，一次只传输一个字符。每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位。接收方根据“1”至“0”的跳变来判断一个新字符的开始，然后接收字符中的所有位。 （2）同步传输时，为使接收双方能判别数据块的开始和结束，还需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。

1.4.6 数据交换技术 1. 电路交换的工作原理 （1）电路交换的三个过程 数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网，图1-16为一个交换网络的拓扑结构。 1. 电路交换的工作原理 （1）电路交换的三个过程 ①电路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。如图1-17所示，若H1站要与H3站连接，典型的做法是，H1站先向与其相连的A节点提出请求，然后A节点在通向C节点的路径中找到下一个支路。比如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C节点；B再呼叫C，建立电路BC，最后，节点C完成到H3站的连接。这样A与C之间就有一条专用电路ABC，用于H1站与H3站之间的数据传输。 ②数据传输：电路ABC建立以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可以经B向A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。 图1-16 交换网络的拓扑结构

③电路拆除：数据传输结束后，由某一方（A或C）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。 （2）电路交换技术的优缺点及其特点 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。 ③特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高（如图）。 图电路交换和报文交换

2. 报文交换的工作原理 问题的提出：当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交换则不存在这种问题。 （1）报文交换原理 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。 　　每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。 一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。 （2）报文交换的特点 ①报文从源点传送到目的地采用“存储--转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。 ②在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。

（3）报文交换的优点 ①电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。 ②在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。 ③报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。 ④报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 （4）报文交换的缺点 ①不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。 ②有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。

3. 分组交换的工作原理 分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。它适用于交互式通信，如终端与主机通信。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术（如图1-18）。 （1）虚电路分组交换原理与特点 在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。最后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。 如图1-18虚电路交换和数据报交换

虚电路分组交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。 （2）数据报分组交换原理与特点 在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择。

4. 各种数据交换技术的性能比较 （1）电路交换：在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除(释放)之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。 （2）报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。因此报文交换不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。 （3）分组交换：分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术，适用于交换中等或大量数据的情况。 图1-19 几种交换方法的时序图

1.4.7 差错控制方法 1. 差错的产生原因及其控制方法 差错控制在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。 信号在物理信道中传输时，线路本身电器特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电器信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。在数据通信中，将会使接受端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由“0”变成“1”或由“1”变成“0”的差错。 （1）热噪声和冲击噪声 传输中的差错都是由噪声引起的。噪声有两大类，一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。 热噪声引起的差错称为随机差错所引起的某位码元的差错是孤立的，与前后码元没有关系。它导致的随机错通常较少。

冲击噪声呈突发状，由其引起的差错称为突发错。冲击噪声幅度可能相当大，无法靠提高幅度来避免冲击噪声造成的差错，它是传输中产生差错的主要原因。冲击噪声虽然持续时间较短，但在一定的数据速率条件下，仍然会影响到一串码元。 （2）差错的控制方法 最常用的差错控制方法是差错控制编码。数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为检验过程。 差错控制编码可分为检错码和纠错码： ①检错码－－能自动发现差错的编码； ②纠错码－－不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。 差错控制方法分两类，一类是自动请求重发ARQ，另一类是前向纠错FEC。 在ARQ方式中，当接收端发现差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确的码字为止。ARQ方式只使用检错码。 在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。FEC方式必须使用纠错码。 （3）编码效率 衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R，它是码字中信息位所占的比例。编码效率越高，即R越大，信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。编码效率计算公式为：R=k/n=k/(k+r) 其中上式中k为码字中的信息位位数，r为编码时外加冗余位位数，n为编码后的码字长度。

2. 奇偶校验码 奇偶校验又叫字符校验，其基本原理是：在每个字符编码的后面另外增加一个校验位，主要目的是使整个编码中1的个数成为奇数或偶数。在每个字符的数据位传输之前，先检测并计算奇偶校验位，根据采用的奇偶校验位是奇数还是偶数，推出一个字符包含“1”的数目，接收端重新计算收到字符的奇偶校验位，并确定该字符是否出现传输差错。 主要特点： 只能发现单个比特差错，如果有多个比特出错，奇偶校验法无效。 一般只能用于对通信要求较低的异步传输和同步传输环境中。

2. 方块校验 方块校验又叫报文校验，其基本原理是：在奇偶校验方法的基础上，在一批字符传送之后，另外再增加一个检验字符，该检验字符的编码方法是使每一位纵向代码中1的个数也成为奇数或偶数。采用这种方法 可以进一步大大降低数据传输的误码率，效果非常显著。 3.循环冗余码校验 循环冗余码（Cyclic Redundancy Code，CRC）是使用最广泛并且检错能力很强的一种检验码。CRC的工作方法是：在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息数据帧后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行除法运算，若余数为“0”，就表示接收的数据正确，若余数不为“0”，则表明数据在传输的过程中出错，发送端重传数据。