1.1 数据通信概述

数据通信的范畴涵盖计算机与计算机或者计算机与终端，以及各类通信终端之间的数据信息交换。组建数据通信网络不仅是为了交换数据，更是为了能够利用计算机与智能通信终端来处理数据。可以这么说，数据通信是将快速传输数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而向用户提供及时准确的数据信息。

1.1.1 数据通信系统的组成

数据通信系统是通过数据传输信道将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。典型的数据通信系统主要由数据终端设备、传输信道、计算机系统三部分组成，如图1-1所示。

1. 数据终端设备

在数据通信系统中，用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）。DTE可能是大、中、小型计算机，PC及诸如手机之类的智能终端，也可能是一台只接收数据的打印机，所以说DTE属于用户范畴，其种类繁多，功能差别较大。从计算机和计算机通信系统的观点来看，终端是输入/输出的工具；从数据通信网络的观点来看，计算机和终端都称为网络的数据终端设备。

在图1-1的数据终端组成中，为了有效而可靠地进行通信，通信双方必须按一定的规程（协议）进行，这些规程涉及收发双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维待和拆除及数据流量控制等，通过通信控制器的设置可以完成这些功能。通信控制器对应于软件部分就是通信协议，这也是数据通信与传统电话通信的主要区别。

数据终端的类型有很多种，有简单终端和智能终端、同步终端和异步终端、本地终端和远程终端等。

2. 数据通信设备

用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据通信设备（Data Circuit-terminating Equipment，DCE），该设备为网络用户设备提供入网的连接点。

DCE的功能就是完成数据信号的变换。由于传输信道可能是模拟、也可能是数字的，DTE发出的数据信号未必适合信道传输，所以要把数据信号变成适合信道传输的信号。利用模拟信道传输，要进行“数字→模拟”变换，方法就是调制，而接收端要进行反变换，即“模拟→数字”变换，这就是解调，实现调制与解调的设备称为调制解调器（modem）。因此调制解调器就是模拟信道的数据通信设备。利用数字信道传输信号时不需调制解调器，但DTE发出的数据信号也要经过某些变换才能有效而可靠地传输，对应的DCE即数据服务单元（Digital Services Unit，DSU），其功能是码型和电平的变换，信道特性的均衡，同步时钟信号的形成，控制接续的建立、保持和拆除（指交换连接情况），维护测试等。

3. 数据电路和数据链路

数据电路指的是在线路或信道上加信号变换设备之后形成的二进制比特流通路，它由传输信道及其两端的数据通信设备组成。

数据链路是在数据电路已建立的基础上，通过发送方和接收方之间交换“握手”信号，使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体。所谓“握手”信号，是指通信双方建立同步联系、使双方设备处于正确收发状态、通信双方相互核对地址等。添加了通信控制器的数据电路称为数据链路。可见数据链路包括物理链路和实现链路协议的硬件和软件。只有建立了数据链路之后，双方数据通信终端才可真正有效地进行数据传输。

需要特别注意的是，在数据通信网中，数据链路操作仅限于相邻的两个节点之间，因此从一个DTE到另一个DTE之间的连接操作需要多段数据链路。

1.1.2 数据通信网拓扑结构

根据实际应用需要，数据通信网络节点可根据需要连成多种拓扑结构，典型的拓扑结构有6种，如图1-2所示。广义上来看，网络内部的主机、终端、交换机都可以称为节点。

总线结构通常采用广播式信道，即网上的一个节点（主机）发信时，其他节点均能接收总线上的信息，此网络需要在网络两端安装端接电阻。

环状结构采用点对点通信模式，即一个网络节点将信号沿一定方向传送到下一个网络节点，信息在环内依次高速传输。为了可靠运行，也常使用双环结构。

如图1-2（c）所示，星状结构中有一中心节点，该节点执行数据交换网络控制功能。这种结构易于实现故障隔离和定位，但它存在瓶颈问题，一旦中心节点出现故障，将导致网络失效。因此为了增强网络可靠性，应采用容错系统，设立热备用中心节点。

树状结构的连接方法像树一样从顶部开始向下逐步分层分叉，有时也称其为层型结构，如图1-2（d）所示。这种结构中执行网络控制功能的节点常处于树的顶点，在树枝上很容易增加节点，扩大网络，但容易出现流量瓶颈问题。

网状结构的特点是节点的用户数据可以选择多条路由通过网络，网络的可靠性高，但网络结构、协议复杂，如图1-2（e）所示。目前大多数复杂交换网都采用这种结构。当网络节点为交换中心时，常将交换中心互连成全连通网，如图1-2（f）所示。

1.1.3 数据通信网络技术分类

数据通信网就是数据通信系统的扩充，或者说就是若干个数据通信系统的归并和互联。数据通信网可划分为两个部分，第一部分是通信子网，第二部分是资源子网。通信子网具备传输和交换功能，在原有网的传输链路上加装了专用设备，从而构成了专门处理数据信息的数据通信网；资源子网则是由一些数据通信专用设备，以及这些专用设备与各类通信网的专用接口组成，用以实现信息的存储与管理。

数据通信网在发展过程中，采用过不同的网络技术形成了下面几种类型的网络。

（1）数据通信网发展的重要里程碑是采用分组交换方式，构成分组交换网。在分组交换网中，一个分组从发送站传送到接收站的整个传输控制，不仅涉及该分组在网络内所经过的每个节点交换机之间的通信协议，还涉及发送站、接收站与所连接的节点交换机之间的通信协议。国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）为分组交换网制定了一系列通信协议，世界上绝大多数分组交换网都用这些标准。其中最著名的标准是X.25协议，它在推动分组交换网的发展中做出了很大的贡献。

（2）帧中继（Frame Relay，FR）是分组交换技术的新发展，它是在通信环境改善和用户对高速传输技术需求的推动下发展起来的。帧中继仅完成OSI物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错等留给智能终端去完成，大大简化了节点机之间的协议。同时，帧中继还需采用虚电路技术，可充分利用网络资源，因而帧中继具有吞吐量高、时延低，适合突发性业务等特点。帧中继技术主要应用在广域网（WAN）中，可支持多种数据型业务（如局域网互连、远程计算机辅助设计和辅助制造的文件传送、图像查询、图像监视和会议电视等）。

（3）数字数据网（Digital Data Network，DDN）是采用数字信道来传输数据信息的数据传输网。数字信道包括用户到网络的连接线路，即用户环路的传输也应该是数字的。

DDN一般用于向用户提供专用的数字数据传输信道，或提供将用户接入公用数据交换网的接入信道，也可以为公用数据交换网交换节点提供数据传输信道。DDN一般不包括交换功能，只采用简单的交叉连接复用装置。如果引入交换功能，就成了数字数据交换网。

DDN是利用数字信道为用户提供话音、数据、图像信号的半永久连接电路的传输网络。半永久连接是指DDN所提供的信道是非交换性的，用户之间的通信通常是固定。一旦用户提出改变的申请，由网络管理人员，或在网络允许的情况下由用户自己对传输速率、传输数据的目的地，以及传输路由进行修改，但这种修改不是经常性的，所以称为半永久性交叉连接或半固定交叉连接。它克服了数据通信专用链路永久连接的不灵活，以及X.25分组交换网络的处理速度慢、传输时延大等缺点。

（4）ATM（Asynchronous Transfer Mode）是异步转移模式的英文缩写。这里，“转移模式”是指网络中所采用的复用、交换、传输技术，即信息从一地“转移”到另一地所用的传递方式。“异步”是指ATM统计复用性质，这是一种在网络中以信元为单位进行统计复用和交换、传输的技术。

信元实际上就是具有固定长度的分组，信元长度为53字节，其中5字节是信头，48字节是信息段，或称净荷。信头包含表示信元去向的逻辑地址、优先等级等控制信息。信息段装载来自不同用户、不同业务的信息。任何业务的信息都经过切割封装成统一格式信元。

ATM采用异步时分复用方式（即统计复用），异步时分复用使ATM具有很大的灵活性，各种业务都可按实际信息量来占用资源，这样网络资源就可得到最大限度的利用。为了提高处理速度、保证质量、降低时延与信元丢失率，ATM以面向连接的方式工作。在ATM网络的节点上完成的只是虚电路的交换。为了简化网络的控制，ATM将差错控制和流量控制交给终端去做，不进行逐段链路的差错控制和流量控制。因此，ATM兼顾了分组交换方式的统计复用、灵活高效特性，同时又继承了电路交换方式的传输时延小、实时性好的优点。

（5）IP网是基于网际协议组建的网络。这种网络支持的各种应用业务，统称为IP业务，而实现这些业务的技术，即为IP技术。IP网通常分为局域网、城域网、广域网。

① 局域网（Local Area Network，LAN）顾名思义，就是局部区域的网络。一般来讲局域网的物理覆盖范围比较小。早期的局域网主要是把一个办公室或者一个办公楼的计算机连接在一起，后来发展到校园网，连接数十幢大楼，覆盖范围越来越大。常见的局域网主要有以太网、令牌环网、FDDI（光纤分布式数据接口）网络等，后面两种网络已逐步减少，尤其在中国几乎所有的局域网都是以太网。局域网的有关标准基本上都是IEEE制定的，1980年2月IEEE制定了一系列有关局域网的标准，称为802.x系列标准。

② 城域网（Metropolitan Area Netwok，MAN）可以看成是扩大了的局域网，城域网的地理范围比局域网大，可跨越几个街区，甚至整个城市。MAN可以看成是城市间骨干网向用户层面的延伸。IP城域网的网络结构通常分为三层：核心层、汇聚层和接入层。核心层网络完成高速数据转发的功能。汇聚层网络节点则主要实现扩展核心层设备的端口密度和端口种类，扩大核心层节点的业务覆盖范围，汇聚接入节点，解决接入节点到核心节点间光纤资源紧张问题，实现接入用户的可管理性等功能。接入层网络节点主要是将不同地理分布的用户快速有效地接入骨干网络。

③ 广域网（Wide Area Network，WAN）是在一个更广泛范围内建立的计算机IP通信网络。广泛是指地理范围而言，WAN可以超越一个城市、一个国家甚至全球。因此WAN网络对通信技术的要求高，网络构成的复杂性也更高。

从通信网络技术的发展趋势来看，IP网络的应用范围将越来越广泛，通信网络全网IP化已成为一个时代趋势。