第9章 数据通信与通信网
数据通信与数据通信系统
通信网
现代通信网的支撑技术
计算机网络的发展
数据通信与数据通信系统
数据通信的定义及特点
在第1章我们已经给出了数据通信的基本概念，即从信源到信宿以数字信号（或模拟信号）为载体的数据（信息）传输过程。至于传输信道可以是数字信道也可以是模拟信道，比如传输基带（Base―band）数字信号的局域网其信道就是数字的；而以75Ω同轴电缆或通过电话网进行的数据通信采用的就是模拟信道。
数据是指能够由计算机或数字终端设备进行处理并以某种方式编制成二进制码的数字、字母和符号的集合。而数据信号就是携带数据信息（人为的以编码方式赋予的某种信息），具有两个状态（高电平、低电平或正电平、负电平）的电脉冲序列。
由于现代意义上的数据通信与计算机的应用密不可分，无论是大型机、中型机、小型机还是PC机，在其内部、或与外部设备的连接，或计算机与计算机之间的连接中都存在着数据通信，因此我们把这些通信统称为计算机通信。通常把计算机通信也称为数据通信。
我们知道，模拟通信和数字通信是按照信号的表现形式来区分的，而数据通信的出现其实是针对语音通信和电视通信等而言的另一种不同信息种类的通信。因为数据信号是由计算机或其它数字终端设备产生的二进制脉冲序列即数字信号，其携带的信息是经过编码处理的数字、符号和字母的集合，即所谓的数据。因此，数据信号和模拟信号、数字信号不是一个范畴。数据信号可以以模拟信号的形式表现出来，但大多数情况下，数据信号是以数字信号的形式出现的。
如果把通信系统中的信源、信宿和传输部分分开的话，那么我们可以把通信系统中除信源和信宿之外的信息传输部分叫做传输系统。这样，对于模拟通信（系统）和数字通信（系统）来说，它们的区别就在于传输系统（或传输信道）的不同，一个是模拟传输系统（模拟信道），另一个是数字传输系统（数字信道）。模拟信号不加变换的话（A/D转换），只能在模拟信道中传输，数字信号一般在数字信道中传输，但也可以直接按模拟信号对待在模拟信道中传输。而数据通信（系统）的信源和信宿与前两种通信（系统）不一样，但传输系统既可以是数字的（大多数情况下），也可以是模拟的。
对于模拟信号而言，信号本身就是所传输的信息（模拟信息），比如语音信号、电视信号。通信系统完成了信号传输也就完成了信息的传输，所以，模拟通信系统只要尽量不失真地将信号从信源传送到信宿即可完成通信任务。因此，模拟传输系统主要由各种通信设备（硬件）组成，其主要特征是，信宿接收的信号就是信源发出的信号（从传输形式上看），所不同的是接收的信号相对于发送的信号有不同程度的变形（失真）；信号在传输过程中不能停顿，只有因电波传输而带来的时延，因此是实时通信。
数字通信可以说是用数字信道进行的模拟通信（比如数字电话），虽然，信宿接收的信号从形式上看与信源发出的信号一样，但它是信源发出信号的再生而不是原信号。它所传输的信息一般是数字化（经过信源编码）的音频、视频信号，即数字化的模拟信息。但随着计算机在通信领域中的应用，数字通信也可以传输计算机产生的数据信息，即离散信息或数字信息。当传输计算机数据时，实际上就是数据通信。
可见，数字通信比数据通信的概念更为宽泛。由于数据信号所携带的信息不唯一，它可以由纯数据、符号、文字等离散信息或数字信息编码而成，因此，作为信息的载体——数字信号就具有多义性，同一个数字信号可以代表不同的信息，比如，一个8位数据信号10110010，它可以是一个十进制数，也可以代表一个字母或文字等等，或者说，数据通信的信息和信号可以分离。因此，数据通信系统仅仅完成信号的传输还不够，还必须完成信息的传输。
而数字信号的传输可以用数字通信系统中的数字信道也可以用模拟通信系统中的模拟信道，即数字信号主要靠硬件设备传输；至于数字信号所携带的具体信息则必须依靠通信双方的协议，也就是软件来完成。由于数据通信要同时完成信号和信息的传输，在传输过程中，不但需要对信号进行物理加工处理（放大、整形、再生等），还经常需要对不同的协议进行转换（尤其是在网络互连中），因此，信号在每个传输节点都会有或多或少的停顿（比如存储—转发），使得数据通信达不到模拟通信那样的实时传输。
尽管目前利用计算机网络进行的多媒体通信可以提供视频点播、电视会议等实时业务，但它们已不是模拟通信中真正意义上的“实时”，只是时延较小可以忽略罢了。从信源形式上看，这类通信由于需要进行信源编码，所以应属于数字通信范畴。
从应用角度上看，数据通信是人与计算机（数字终端设备）或计算机（数字终端设备）与计算机（数字终端设备）之间的信息交换过程，通信双方之间至少有一方是计算机或数字终端设备。
由于数据本身是一种数字信息，因此数据通信与数字通信尽管是两个不同的概念（如上所述），但在信号传输方面有许多共同之处，比如，除了不需要信源编码以外，它同样需要解决信道编码、差错控制、加密、解密、同步、多路复用、再生中继等问题。可见，在传输原理上数据通信与数字通信没有本质的区别，甚至可以说数据通信是以数字通信为基础的。有的书把数据通信系统和数字电话作为数字通信系统的两个组成部分，这对我们深入理解数据通信的概念是有一定帮助的。
相对于传输数据之外其它信息的数字通信，数据通信有以下特点：
(1)数据通信业务拥有比其它通信业务更为复杂、严格的通信协议。
(2)数据通信业务比音视频业务的实时性要求要低，可采用存储—转发方式传输信号。
(3)数据通信业务比音视频业务的差错率要求要高，必须采用严格的差错控制措施。
(4)数据通信是进程间的通信，可在无人参与的情况下自动进行。
如果要给数据通信下一个定义的话，我们可以这样说：所谓数据通信是指通信双方（或多方）按照一定协议（或规程），以数字信号(也可以是模拟信号)为载体，完成数据传输的过程或方式。若以模拟信号为载体的话，就必须对数据信号进行调制处理，如第7章所述。
这里的“协议”（规程）是指为了能有效和可靠地进行通信而制定的通信双方必须共同遵守的一组规则，它包括相互交换信息的格式、含义以及过程间的连接和信息交换的节拍等。数据通信是随着信息处理技术的进步而迅速发展起来的，是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。因此，数据通信的发展不能脱离原有的通信网，在一般情况下还需要利用原有的通信设施作为数据传输的手段，比如公用电话网。数据通信与传统的话音通信相比，有以下主要特点：
(1)以计算机为中心。通常是人（通过终端设备）与计算机的通信，或计算机与计算机的通信。
(2)传输的数据信息通常由计算机（或数字终端设备）产生、加工和处理。
(3)为了进行信息传递，要有严格的通信协议或规程，对信息传输的准确性和可靠性要求高。
(4)通信速度较高，可以同时处理大量数据。
(5)数据呼叫（一次完整的通信过程）具有突发性和持续时间短的特点。
(6)可采用存储-转发方式工作，且一般多采用这种方式。
(7)必须采用差错控制措施。
自20世纪80年代以来，随着计算机网络的发展和普及，数据通信在科技、商贸、金融、交通、军事等领域发挥着越来越重要的作用且应用日趋广泛，几乎渗透到人类生活的各个角落，比如电子邮件、气象预报、异地会诊、远程教育、智能运输系统、金融结算、股票交易、网络游戏、电子商务、办公自动化等等。
数据通信系统的组成
从宏观上看，数据通信系统与第1章介绍的通信系统概念一样具有信源、信宿和传输信道（介质）三部分。如果结合数据通信的具体特点更深入地讨论数据通信系统的话，我们认为一个数据通信系统可以由7个部分构成，它们是：
(1)信源数据终端设备(DTE，Data Terminal Equipment）；
(2)信源数据终端设备和数据通信设备之间的接口；
(3)信源的数据通信设备(DCE，Data Communication Equipment）；
(4) 信源与信宿之间的传输信道（狭义信道）；
(5) 信宿的数据通信设备DCE；
(6) 信宿数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口；
(7) 信宿数据终端设备（DTE）。
数据通信系统的组成示意图见图9―1。在7个部分数据电路中，DTE可以是终端设备或计算机，
比如显示器、电传打字机、个人计算机、打印机、主机的前端处理机或者能发送和接收数据的其它设备；DCE对于模拟信道可以是调制解调器，对于数据信可以是数据服务单元(DSU，Data Service Unit）；传输信道（传输介质）可以是电缆、双绞线或光纤等；从形式上看，接口由DTE和DCE内部的输入输出电路以及连接它们的连接器和电缆组成，从功能上看，接口还应包含相应的协议标准。比如RS―232C接口除了计算机内部的输入输出电路、D形插头/插座和电缆之外，还有相应的RS―232C接口标准。
数据通信系统的全部意义与其它通信系统一样，就是在信源和信宿之间传送有用的信息，而差别主要表现在这些信息可直接被DTE使用，也可以由DTE处理后供操作人员使用。
图9―1 数据通信系统示意图
数据通信的主要性能指标
数据通信系统同模拟通信系统、数字通信系统一样具有一些技术性能指标，其中有些概念与后两种通信系统类似。为了知识内容的完整性和系统性，我们在这里对数据通信系统的主要技术性能指标完整地给予介绍，尽管有些内容前面已经学过。
1.带宽
带宽有信道带宽和信号带宽之分，一个信道(广义信道)能够传送电磁波的有效频率范围就叫该信道的带宽。对信号而言，信号所占据的频率范围就是信号的带宽。
2.信号传播速度
信号传播速度是指信号在信道上每秒钟传送的距离，单位是m／s。由于我们所用的通信信号都是以电磁波的形式出现，因此信号传播速度略低于光在真空中的速度，基本上是30万千米／秒。
信号传播速度v与信号波长λ和频率f的关系是：v=fλ。随着传输介质的不同，可能会有少许变化。一般来说，信号传播速度是个常量，介绍它的目的主要是和“数据传输速率”的概念加以对比。
3. 数据传输速率（比特率）
数据传输速度是指每秒能够传输多少位数据，单位是比特／秒（b/s），它和我们第1章中的信息传输速率是一致的。数据传输速率高，则传输每一位的时间短，反之，数据传输速率低，则每位传输时间长。如在100Mb/s传输速率的情况下，每比特传输时间为10ns；在10Mb/s传输速率的情况下，每比特传输时间为100ns。
4. 最大传输速率
每个信道传输数据的速率有一个上限，我们把这个速率上限叫做信道的最大传输速率，也就是信道容量。
5. 码元传输速率（波特率）
信号每秒钟变化的次数叫做波特率（Baud）。注意与第1章的概念实际上是一样的，只是描述的角度不同而已。波特率一般小于等于比特率，奈奎斯特定理(无噪声信道最大传输速率为2BlbV)中的V大于2时，波特率小于比特率；V等于2时，波特率等于比特率。
某些情况下波特率大于比特率，如采用内带时钟的曼彻斯特编码(见节)，一半的信号变化用于时钟同步，另一半的信号变化用于传输二进制数据，因此，波特率是数据传输速率的两倍。
6. 吞吐量
吞吐量是信道在单位时间内成功传输的信息量。单位一般为bit/s。例如某信道10分钟内成功传输了的数据，那么它的吞吐量就是／600s=14kb/s。注意，由于传输过程中出错或丢失数据造成重传的信息量，不计在成功传输的信息量之内。
7.利用率
利用率是吞吐量和最大数据传输速率之比。
8.延迟
延迟指从发送者发送第一位数据开始，到接收者成功地收到最后一位数据为止，所经历的时间。它又主要分为传输延迟、传播延迟两种，传输延迟与数据传输速率和发送机／接收机以及中继和交换设备的处理速度有关，传播延迟与传播距离有关。
9.抖动（Jitter）
延迟不是固定不变的，它的实时变化叫做抖动。抖动往往与机器处理能力、信道拥挤程度等有关。有的应用对延迟敏感，如电话；有的应用对抖动敏感，如实时图像传输。
10.差错率（包括比特差错率、码元差错率、分组差错率）
差错率是衡量通信信道可靠性的重要指标，在计算机通信中最常用的是比特差错率和分组差错率。比特差错率是二进制比特位在传输过程中被误传的概率，在样本足够多的情况下，错传的位数与传输总位数之比近似地等于比特差错率的理论值。
码元差错率（提示：对应于波特率）指码元被误传的概率。分组差错率是指数据分组被误传的概率。我们通过一个对线路的描述来说明上述概念：有一条带宽3000Hz的信道，最大传输速率可以达到30kb/s，实际使用的数据传输速率为
数据通信方式
数据通信除了第1章介绍的各种方式外还有几种特有的方式，它们是：串行通信和并行通信；同步通信和异步通信。
1.串行通信
定义：串行通信是指将表示一定信息的数字信号序列按信号变化的时间顺序一位接一位地从信源经过信道传输到信宿。其特点是只需一条信道，通信线路简单、成本低廉，一般用于较长距离的通信，比如工控领域利用计算机串口进行的数据采集和系统控制。缺点是传输速度较慢，为解决收、发双方的码组或字符同步问题，需要采取同步措施。
设有一数字信号10011010，要在两个计算机设备中进行传递，则发送设备需将该序列按1→0→0→1→1→0→1→0的顺序逐个通过一条信道传到接收设备，见图9―2（a）。
若两个计算机要利用电话线路进行通信，就只能采用串行方式，同时，必须使用调制解调器（Modem），俗称“猫”。因为电话线路是用于传输模拟信号的，不能直接传输数字信号。发送端计算机输出的数字信号必须经过调制解调器变成模拟信号才能经电话线路传递到接收端计算机，
而接收端也必须通过调制解调器将模拟信号再还原成数字信号才能被计算机接收，如图9―1（b）所示。甲方与乙方利用电话线路通信，甲方可将数据传送给乙方，乙方也同样可将数据传送给甲方。由于调制解调器既可将数字信号变为模拟信号，也可将模拟信号变为数字信号，而且大多数调制解调器可同时进行数/模和模/数转换，因此，调制解调器可按全双工或半双工方式通信。
图9―2 串行与并行通信示意图
2.并行通信
定义：并行通信是指将表示一定信息的数字信号序列按码元数分成n路（通常n为一个字长，比如8路、16路、32路等），同时在n路并行信道中传输，信源一次可以将n位数据（一个字节）传送到信宿。比如在传输数字信号10011010时，并行方式是将该序列的8位码用8条信道同时传输，如图9―2（b）。
并行通信的特点是需多条信道、通信线路复杂、成本较高、但传输速率快且不需要外加同步措施就可实现通信双方的码组或字符同步，多用于短距离通信，比如计算机与打印机之间的通信。
3.异步串行通信与同步串行通信
串行通信时，数据是逐位从信源传到信宿，通常由若干个数据位组成一个字符，位与位之间、字符与字符之间没有停顿（没有时间间隙），这就给信宿在区分、确认字符时带来很大的困难，即信宿虽然收到了一大串数据，但不知它们多少位是一个字符或哪几位是一个字符，因此，这些数据对信宿来说毫无意义。为了解决这个问题，信源与信宿之间在通信时必须同步，也就是必须让信宿知道多少位数据是一个字符，那几位码元是一个字符，或一个字符何时开始何时结束，以便正确地恢复数据所携带的信息。
那么如何使通信双方保持同步呢？在实际通信中有一个控制过程（发生在网络7层协议中的数据链路层）叫数据链路控制可实现两点间的同步。该控制过程要求通信硬件或软件给数据（位、字节、报文）加上同步信息，使得通信双方的硬件时钟保持一致，从而保证信宿正确地识别信源发过来的信息。
根据同步信息添加方法的不同，串行通信可分为异步串行通信和同步串行通信两种。
（1）异步串行通信。
在以字符为通信单位的串行通信中，同步信息由硬件加在每一个字符的数据帧上，这种串行通信称为异步串行通信。我们知道，一个字符由若干数据位（码元）组成，在异步串行通信中一般以一个字符为一个数据传输单位，而所谓的同步信息也是几个数据位，把一个数据传输单位（一个字符）的数据位与同步信息的数据位结合起来就构成一个数据帧。数据帧有自己的格式称为帧格式，通常由起始位、数据位、校验位和停止位三部分组成。
起始位：当通信线路从空闲的标志状态（逻辑1电平）变为逻辑0电平，并保持一个位时长后，表示起始位到来，其作用是唤醒接收设备准备接收数据。起始位对应于二进制数的0，用低电平表示，占用一个数据位的宽度。数据位：由n个代表信息的二进制（或多进制）码元（数据位）组成。常数n也称一个字符的宽度（长度），其数值取决于数据所采用的字符集，如电报码字符为5位，ASCII码为7位，汉字码则为8位。
校验位：数据位后面可插入一个校验位，用0或1表示，作用是对收到的数据是否出现差错进行检测。其原理是信源通信设备利用硬件检测字符数据位逻辑1的个数，然后根据此值是奇数还是偶数来决定校验位的值。若采用偶校验，则1的个数为偶数时校验位被设置为0，反之，校验位被设置为1，其结果是每一帧数据位和校验位1的和为偶数。
若采用奇校验，则规则相反，其结果是每一帧数据位和校验位1的和为奇数。信宿设备在收到数据后，对1的个数进行检测，以判断错误。如采用偶校验，而测到1的个数为奇数，则可断定该字符有1位（或奇数位）发生错误。校验位不是必需的，可被关闭或为空。
停止位：停止位位于数据帧的尾部，其作用是表示一个字符传送完毕，对应于二进制数的1，用高电平表示，占用1~2个数据位的宽度，以确保数据线处于标志状态，等待下一个起始位的到来。为提高通信设备的吞吐率，应尽量缩短帧周期，所以，PC机的停止位都定为1位，只有对传输速率要求不高时才使用或2位。图9―3（a）是传输ASCII码中A字符的数据帧格式（A由1000001表示，加入一位偶校验位）。
图9―3 异步与同步通信示意图
图9―3 异步与同步通信示意图
要想成功地进行异步通信，除了收、发端采用相同的数据帧格式外，还必须统一传输速率。计算机通信中常采用的典型速率有：300、600、1200、2400、4800、9600b/s等。异步通信是一种面向字符的传输方式，其特点是简单、可靠、经济，常用于计算机与终端之间的数据通信，主要缺点是速率较低。但随着技术的发展，传输速率越来越高，其应用范围也日益广阔。
（2）同步通信。
与异步通信不同，同步通信不是对每个字符单独同步，而是以数据块为传输单位并对其进行同步。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，以标志数据块的开始与结束。所谓数据块就是一批字符或二进制位串组成的数据。图9―3（b）是其数据帧格式。同步通信可分为面向字符和面向位流两种传输方式。
在面向字符的方式中，每个数据块的头部用一个或多个同步字符SYN来表示数据块的开始；而尾部用另一个字符ETX代表数据块的结束。在面向位流的传输方式中，每个数据块的头部和尾部都用一个特殊的比特序列（如01111110）来标记数据块的开始与结束。在计算机局域网的通信中都采用面向位流的同步传输方式。图9―3(c)是可变长度的字符数据块。
同步通信的特点是开销少、效率高，适合于较高速率的数据传输；缺点是整个数据块一旦有一位误传，就必须重传整个数据块。
需要提醒大家注意的是，在异步和同步通信方式中，有时会出现两个不同的“字符”概念。一个是只包含数据位的字符，一般也称之为字节，比如电报码的5位字符、ASCII码的7位字符和汉字码的8位字符等；另一个是除数据位之外还包括起始位、停止位、校验位在内的码集合。后一种字符就是异步通信中的一个传输单位，实际上就是一个数据帧。
通 信 网
通信网及其结构
这里所说的通信网是指由一定数量的节点(包括终端设备和交换设备)和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点之间信息传输的通信体系。或者说通信网是为位于不同空间位置的用户之间进行信息传输(交换)而构建的硬件和软件环境。从形式上看，通信网是传输介质、传输设备和通信终端的集合。
过去的通信由于受技术、需求与应用的制约，仅仅限于话音通信。以传输语音信号为目的的电话网就是人们最熟悉和最常用的一种通信网络。随着社会信息化的到来，人们对信息的需求向多元化发展，并且对信息的需求量呈爆炸式增长，这种信息需求驱动了现代通信技术和通信网络的迅猛发展，而现代通信技术和通信网络的突飞猛进又为满足人们对信息日益强烈的渴望提供了技术保证和业务支持。在这种大的环境下，作为信息流动的平台，通信网面临着前所未有的挑战和发展机遇，另外，由于计算机网络（尤其是城域网和广域网）的内核就是通信网，因此，我们有必要对通信网有一个概括性的了解和初步的掌握。
从功能上看，通信网，比如公用电话网(PSTN，Public Switched Telephone Network），由传输、交换、终端三大部分组成。其中传输部分为网络的链路（Link），交换部分为网络的节点（Node），终端（Terminal）是信息的发送者和接收者（或说是信息的用户）。
由于目前信息的种类已不再是单一的语音，通信网上承载的可能是语音、图形、图像及视频信息，也可能是文字、数字、符号等其它数据信息；用户可以是人，也可以是计算机程序或设备（包括计算机、各种输入输出设备、服务器以及通信设备或网络互连设备等）。
因此，现代通信网必须能够搭载多种通信业务，比如综合业务数据网ISDN。如果我们把具有传输除语音信息之外还能传输其它信息能力的通信网称为数据通信网的话，那么计算机网络就是由资源子网（由各种计算机终端组成）和数据通信子网（由传输介质和各种通信设备组成）共同组成的信息传输与交换网络，如图9―4所示。
为了减少传输错误，现代通信网络系统大都采用数字传输技术，即在传输信息之前，先由发送端将数据转换为便于远程传输的二进制数字信号，然后再利用通信网络传送到接收端，最后由接收端将收到的二进制信号还原成发送端的原始数据信息。由于传输信息的种类以及用户需求的日益多样化，导致通信网络的类型及其搭载业务的不断增加和更新，通信网的体系结构也变得复杂起来。
类似于OSI的7层网络结构模型，我们把通信网在纵向上从下到上依次分为传送网、业务网和应用层3层（见图9―5），在横向上根据用户接入网络实际的物理连接可分为用户驻地网、接入网和核心网或局域网、城域网和广域网。
图9―4 计算机网络结构示意图
图9―5 通信网垂直结构示意图
在垂直分层网总体结构中，应用层面表示各种信息应用；传送网层面表示支持业务网的传送手段和基础设施；业务网层面表示传送各种信息的业务网；支撑网则可以支持全部3个层面的工作，提供保证网络有效正常运行的各种控制和管理能力，它包括信令网、同步网和电信管理网。
网络的分层简化了网络规划和设计，各层的功能相对独立。因此，单独地设计和运行每一层网络要比将整个网络作为单个实体设计和运行简单得多。随着信息服务多样化的发展及技术的演进，尤其是随着软交换等先进技术的出现，现代通信网与支撑技术还会出现变化，如增加控制层等平面，而网络分层的变化将主要体现在应用层和业务层面上，网络的基础层即传送网将保持相对稳定。
目前，通信网正朝着传统的电信网、有线电视网、因特网这三大网络相互渗透、相互融合的方向发展，其目的是为人们提供更为快捷、便利、广泛的多种通信业务。
通信网拓扑结构
所谓拓扑结构是指通信网络中的各节点设备（包括计算机及有关通信设备等）与通信链路相互连接而构成的不同物理几何结构。网络拓扑结构是决定通信网络性质的关键因素之一。
根据各节点在网络中的连接形式，通信网络拓扑结构常分为总线型、环型、星型、树型、网状型(或网孔型)和复合型6种结构。如图9―6所示。
图9―6 通信网拓扑结构示意图
总线型网络的结构特点是网络上各节点设备都与一根总线挂接，网络中所有节点都是通过总线进行信息传输的，如图9―6（a）所示。所以，在任一时刻只能有一个节点设备发送数据。所有要发送信息的节点必须通过某种仲裁协议（即介质访问控制协议）控制访问共享的通信线路。
环型网络的结构特点是网络中各节点设备通过一条首尾相连的通信链路彼此连接而形成的一个闭合环结构，网络中每一节点设备都是通过公共的闭合链路环进行信息传输，如图9―6（b）所示。而且网络中的信息流向只能是单方向的。同样，环型网络的通信线路也是共享的，因此，也需要采用某种仲裁协议控制对环的访问。
星型网络的结构特点是各节点设备通过通信线路与中心节点设备相连接，网络中每一节点设备都是通过中心节点设备进行信息传输的，如图9―6（c）所示。所以，中心节点是该网络中唯一的转接节点。
树型网络的结构特点是网络中各节点设备采用分级结构彼此连接而形成的一个倒树状结构（又被称为分级的集中式网络），网络中每一节点都是通过它的根节点（或父节点）与它的本级的其它节点或上级节点进行信息传输的，与它下级节点的信息交换则是通过它的子节点实现完成的，如图9―6（d）所示。因此，除了“叶子”节点（末端）外，树型网络中的所有根节点和子节点都是转接节点。
网状型网络的结构特点是节点间没有固定的连接形式，网中的每一节点至少有两条或两条以上链路与其它节点相连，如图9―6（e）所示。如果网络中的每一节点与其它节点都直接相连，那么就形成了全连接型的网状结构，信息流动方向也可随意，这使得网络中任意两节点间信息传输的可靠性高、灵活性大。但随之带来的问题是管理复杂、最优路径的选择、流量和拥塞控制等。图9―6（f）是网孔型拓扑，它是网状型网的一种变形，也就是不完全网状型网。
其大部分节点相互之间有线路直接相连，一小部分节点可能与其它节点之间没有线路直接相连。哪些节点之间不需直达线路，视具体情况而定（一般是这些节点之间业务量相对少一些）。网孔型网与网状型网相比，可适当节省一些线路，即线路利用率有所提高，经济性有所改善，但稳定性会稍有降低。
复合型网由网状型网和星型网复合而成，如图9―6（g）所示。根据网中业务量的需要，以星型网为基础，在业务量较大的转接交换中心区间采用网状型结构，可以使整个网络比较经济且稳定性较好。复合型网具有网状型网和星型网的优点，是通信网中常采用的一种网络结构，但网络设计应以交换设备和传输链路的总费用最小为原则。
表9―1列出了各种网络拓扑结构的特性和适用场合。显然，每种拓扑结构都各有特色。在实际应用中，我们应该根据不同通信网络的实际环境、条件和要求，选择合适的拓扑结构。当然，拓扑结构的选取还与所选用的传输介质、介质的布局、介质访问控制技术等因素密切相关。
表9―1 常用的网络拓扑结构特性
现代通信网的支撑技术
应用层技术
1.应用层业务
在现代通信系统中，不管采用什么样的传送网结构以及什么样的业务网承载，最后真正的目的是要为用户提供他们所需的各类通信服务，满足他们对不同业务服务质量的需求。因此，应用层业务是直接面向用户的。
应用层业务主要包括模拟与数字视音频业务（如普通电话业务、智能网业务、IP电话业务、广播电视业务等），数据通信业务（如网络商务、电子邮件）和多媒体通信业务（如分配型业务和交互型业务）等。
2. 终端技术
终端设备是用户与通信网之间的接口设备，它包括图9―1的信源、信宿和发变换器、收变换器的一部分。终端设备有3项主要功能。
(1)将待传送的信息和传输链路上传送的信号进
行相互转换。在发送端，将信源产生的信息转换成适合于传输链路上传送的信号；在接收端则完成相反的变换。
(2)将信号与传输链路相匹配，由信号处理设备完成。
(3)完成信令的产生和识别，即用来产生和识别网内所需的信令，以完成一系列控制功能或操作。
终端技术主要包括以下几种：
（1）音频通信终端技术。
音频通信终端是通信系统中应用最为广泛的一类通信终端，它可以是应用于普通电话交换网络PSTN的普通模拟电话机、录音电话机、投币电话机、磁卡电话机、IC卡电话机，也可以是应用于ISDN网络的数字电话机，以及应用于移动通信网的无线手机。
（2）图形图像通信终端技术。
图形图像通信终端，如传真机，它是把纸介质所记录的文字、图表、照片等信息，通过光电扫描方法变为电信号，经公共电话交换网络传输后，在接收端以硬拷贝的方式得到与发端相同（或相类似）的纸介质信息。
(3）视频通信终端技术。
视频通信终端，如各种电视摄像机、多媒体计算机用摄像头、视频监视器以及计算机显示器等。
（4）数据通信终端。
数据通信终端，如调制解调器、ISDN终端设备、多媒体计算机终端、机顶盒、可视电话终端等。要特别说明的是对于广播电视网中的业务应用，并不是简单地采用图9―1所示的点到点通信结构与上述的终端技术，而是由电台或电视台向千家万户以广播（或交互）的方式传送信息和提供服务。
业务网技术
业务网是向用户提供诸如电话、电报、传真、数据、图像等各种电信业务的网络。在传送网的节点上安装不同类型的节点设备，则形成不同类型的业务网。业务节点设备主要包括各种交换机（电路交换、、以太网、帧中继、ATM等交换机）、路由器和数字交叉连接设备（DXC）等。DXC既可作为通信基础网的节点设备，也可以作为DDN和各种非拨号专网的业务节点设备。
业务网包括电话网、数据网、智能网、移动网等，可分别提供不同的业务。其中交换设备是构成业务网的核心要素，它的基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接接续和分配，实现一个呼叫终端（用户）和它所要求的另一个或多个用户终端之间的路由选择的连接。交换设备的交换方式可以分为两大类：电路交换方式和分组交换方式。
1.电话网与电路交换技术
如果需要在两部话机之间进行通话，只需用一对线将两部话机直接相连即可。如果有成千上万部话机需要互相通话，就需要将每一部话机通过用户线连到电话交换机上。交换机根据用户信号（摘机、挂机、拨号等）自动进行话路的接通与拆除。一个城市只装一台交换机称为单局制，大城市需建立多个电话机分局，分局间使用局间中继线互连。与用户线不同，中继线是由各用户共用的。
分局数量太多时，就需要建立汇接局，汇接局与所属分局以星型连接，汇接局间是全互连的。分局间通话需经汇接局转接。为了使不同城市用户能互相通话，城市内还需建立长话局，长话局与市话分局（或市话汇接局）间以长市中继线相连。不同城市的长话局、长话汇接局间用长途中继线相连。
2. 数据网与分组交换技术
公共数据网是根据数据通信的突发性和允许一定时延的特点，采用了存储-转发分组（包）交换技术。数据网包括分组交换网、帧中继网（FR）、数字数据网（DDN）、智能网（IN）、综合业务数字网（ISDN）、异步转移模式（ATM）网等。随着计算机连网用户的增长，数据网带宽不断拓宽，网络节点设备几经更新，在这个发展过程中不可避免地出现新老网络交替，
多种数据网并存的复杂局面。在这种情况下，一种能将遍布世界各地各种类型数据网连成一个大网的TCP／IP协议应运而生，从而使采用TCP／IP协议的国际互联网（Internet或IP网）一跃而成为目前全世界最大的信息网络。
3.智能网技术
随着电信网络的发展，用户对业务的需求越来越高，比如希望提供的业务种类要多，使用要方便，获取信息的手段要灵活，速度要快，费用要低，甚至希望能自己参与管理。
智能网依靠先进的信令技术和大型集中数据库技术，将网络的交换功能与控制功能相分离，把电话网中原来位于各个端局交换机中的网络智能集中到了业务控制点的大型计算机上，而原有的交换机仅完成基本的接续功能。
未来的功能强大的智能网可配备有完善的业务生成环境，客户可以根据自己的特殊需要定义自己的个人业务。这对电信业的发展无疑是一次革命。
4.移动通信网技术
所谓移动通信是指通信双方或至少有一方是在运动中的信息交换过程。例如，固定点与移动体（汽车、轮船、飞机）之间，移动体与移动体之间、人与人或人与移动体之间的通信，都属于移动通信。由于移动通信中至少有一方是处于移动状态，所以必须使用无线信道，即靠无线电波传送信息。
移动通信网依靠先进的移动通信技术可为用户提供灵活的移动业务，如：蜂窝公用陆地移动通信系统、集群调度移动通信系统、无绳电话系统、无线电寻呼系统、卫星移动通信系统等。
传送网技术
传送网是一个庞大复杂的网络，由许多单元组成，完成将信息从一个点传递到另一个点或另一些点的功能，如传输电路的调度、故障切换、分离业务等。
传输链路是信息的传输通道，是连接网络节点的媒介。它一般指信源和信宿之间（或两个节点之间）的传输介质与通信设备。
根据信道的定义，我们这里所说的传输链路指的是广义信道。传输链路可以分为不同的类型，它们各有不同的实现方式和使用范围。
从物理实现角度看，传送网技术包括传输介质、传输系统和传输节点设备技术。传输介质前面已经讲过，下面我们讲一下传输系统和传输节点设备技术。
1.传输系统
传输系统包括传输设备和传输复用设备。携带信息的基带信号一般不能直接加到传输介质上进行传输，需要利用传输设备将它们转换为适合在传输介质上进行传输的信号，例如光、电等信号。传输设备主要有微波收发信机、卫星地面站收发信机和光端机等。为了在一定传输介质中传输多路信息，需要有传输复用设备将多路信息进行复用与解复用。传输复用设备目前可分为3大类，即频分复用、时分复用和码分复用设备。
2. 传输节点设备
传输节点设备包括配线架、电分插复用器（ADM）、电交叉连接器（DXC）、光分插复用器（OADM）、光交叉连接器（OXC）等。另外不同类型的业务节点可以使用一个公共的用户接入网，实现由业务节点到用户驻地网的信息传送，因此可将接入网看成是传送网的一个组成部分。有关接入网的内容我们在第3篇专门介绍。
支撑网技术
支撑网是使业务网正常运行，增强网络功能，提供全网服务质量，以满足用户要求的网络。在各个支撑网中传送相应的控制、检测信号。支撑网包括信令网、同步网和电信管理网。
1.信令网技术
在采用公共信道信令系统之后，除原有的用户业务之外，还有一个起支撑作用的、专门传送信令的网络——信令网。信令网的功能是实现网络节点间（包括交换局、网络管理中心等）信令的传输和转接。
2.同步网技术
实现数字传输后，在数字交换局之间、数字交换局和传输设备之间均需要实现信号时钟的同步。同步网的功能就是实现这些设备之间的信号时钟同步。
3.电信管理网技术
电信管理网是为提高全网质量和充分利用网络设备而设置的。网络管理是实时或准实时地监视电信网络的运行，必要时采取控制措施，以达到任何情况下，最大限度地使用网络中一切可以利用的设备，使尽可能多的通信业务得以实现。
计算机网络的发展
计算机网络是将地理位置不同、具有自治和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，以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式及网络操作系统）控制和管理网络资源并实现网络资源共享的系统。计算机网络从结构上可以分为资源子网和通信子网两部分。这里的通信子网就是数据通信网。
通信子网由通信设备及传输介质组成，主要完成数据的传输、交换和对通信过程的控制。资源子网由外围通信终端设备（主机）组成，主要功能是提供网中共享的软、硬件和数据信息等资源，并进行数据处理。
从概念上讲，上述计算机网络的定义更侧重于广域网，所以，一般而言，通信子网是广域网的一个重要组成部分。而对于局域网来说，它仅由网卡、传输信道（或传输介质）和主机组成，资源子网和通信子网的划分并不明显，这是由于局域网覆盖的距离范围有限，拓扑结构规范，不存在网络路径的选择和网络拥塞等控制问题，因此，数据通信的处理和控制由网卡和局域网的协议就可完成（有关内容在计算机网络课程中有介绍）。
由于计算机网络和数据通信有着密不可分的关系，因此了解一下计算机网络的发展过程对我们来说是大有裨益的。从20世纪30年代开始，电子技术的发展，不仅推动了通信技术的进步，也加速了计算机技术的迅猛发展，与此同时，计算机技术与通信技术开始紧密结合、相互促进、共同发展，最终产生了计算机网络。它的发展过程大致经历了四个阶段。
发展的第一阶段（20世纪60年代）。以单个主机为中心的面向终端的计算机网络系统。为方便输入/输出，最先出现了计算机（或主机）与终端（如收发器、电传打字机等）的互连。由于当初计算机是为成批处理信息而设计的，因此，当计算机与远程终端相连时，必须设置相应的接口，即线路控制器，它的主要功能是实现串/并数据间的转换和简单的差错控制。为了充分利用计算机资源，又出现了多重线路控制器，可使一个计算机连接多个远程终端。
然而计算机与终端之间传递的是数字信号，实现远距离信息传输的电话网络则使用的是模拟信号，于是又出现调制解调器(Modem)，它的功能是实现数字信号与模拟信号的相互转换。随着计算机用户数量的不断增长，线路控制器的剧增，不仅对主机造成了相当大的额外开销，而且也给系统的维护和管理带来了不便。为此，产生了具有智能通信功能的通信处理器——前端处理器，它的主要功能是承担系统的数据通信任务，包括数据信号的检测、数据信号的收发以及串并数据间的转换等功能（目前局域网中使用的网卡在工作原理上与早期前端处理器的功能相当）。
为了节省通信费用，在远程终端密集的地方增设了集中器，它的一端连接着与终端相连的若干条低速线路，而另一端连接着与计算机相连的高速线路，使得多个终端共享一条高速通信线路与主机进行信息交换，大大提高了通信线路的利用率。显然，这种网络系统的缺点是：如果计算机的负荷较重，会导致系统响应时间过长；单机系统的可靠性一般较低，一旦计算机发生故障，将导致整个网络系统的瘫痪。
发展的第二阶段（20世纪70年代）。以分组交换网为中心的多主机互连的计算机网络系统。为了克服第一代计算机网络的缺点，提高网络的可靠性和可用性，人们开始研究将多台计算机相互连接的方法。如何实现网络互连，人们首先借鉴了电信部门的电路交换的思想。所谓“交换”，从通信资源的分配角度来看，就是按照某种方式动态地分配传输线路资源。电话交换机采用的交换技术是电路交换（或线路交换），它的主要特点是，
其一，在通话的全部时间内用户独占分配的传输线路或信道带宽，即采用的是静态分配策略；其二，通信双方建立的通路中任何一点出现了故障，就会中断通话，必须重新拨号建立连接方可继续，这对十分紧急而重要的通信是不利的。显然，这种交换技术不适应计算机或终端的数据传输。这是因为，计算机数据的产生往往是“突发式”的，比如当用户用键盘输入数据和编辑文件时，或计算机正在进行处理而未得出结果时，
通信线路资源实际上是空闲的，从而造成通信线路资源的极大浪费。据统计，在计算机间的数据通信中，用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。另外，由于不同的计算机和各种终端设备的数据传输速率各不相同，采用电路交换就很难相互通信。为此，必须寻找出一种新的适应计算机通信的交换技术。
1964年由巴兰（Baran）在美国兰德（Rand）公司“论分布式通信”的研究报告中提出了存储-转发（storeandforward）的概念。1962～1965年，美国国防部的高级研究计划署（ARPA，Advanced Research Projects Agency）和英国的国家物理实验室（NPL，National Physics Laboratory）都在对新型的计算机通信技术进行研究。英国NPL的戴维德（David）于1966年首次提出了“分组”（Packet）概念。
1969年12月，美国的分组交换网网络中传送的信息被划分为分组（Packet），称为分组交换网ARPANET（当时仅有4个交换点）投入运行。ARPANET的成功，标志着计算机网络的发展进入了一个新纪元。现在大家都公认ARPANET为分组交换网之父，并将分组交换网的出现作为现代电信时代的开始。
分组交换网是由若干节点交换机和连接这些交换机的链路组成，每一节点就是一个小型计算机。它的工作机理是：首先将待发的数据报文划分成若干个长短有限的数据块，在每个数据块前面加上一些控制信息（即首部），包括诸如数据收发的目的地址、源地址，数据块的序号等，形成一个个分组，然后分组流在交换网内采用“存储-转发”机制将数据从源端发送到目的端。
由于节点交换机暂时存储的是一个个短的分组，而不是整个的长报文，且每一分组都暂存在交换机的内存中并可进行相应的处理，这就使得分组的转发速度非常快。值得一提的是，数据通信之所以具有这些优势，都是由于数字信号的可存储性、离散性等特点所决定的。由此可见，通信与计算机的相互结合，不仅为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段，而且也大大提高了通信网络的各种性能。
表9―2列出了分组交换网的主要优点。由此可见，采用存储-转发的分组交换技术，实质上是采用了在数据通信的过程中动态分配传输线路或信道带宽的策略。
表9―2 分组交换网的主要优点
发展的第三阶段(20世纪80年代)，具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化协议的计算机网络，局域网络系统日渐成熟。随着计算机网络的普及和应用推广，越来越多的计算机都希望连网。然而不同系列、不同品牌的计算机要互连，显然并不是一件容易的事情。因为相互通信的计算机必须高度协调工作，而这种协调是相当复杂的。
为了降低网络设计的复杂性，早在当初设计ARPANET时，就有专家提出了层次模型。分层设计的基本思想就是将庞大而复杂的问题转换为若干个较小的子问题进行分析和研究。
随着ARPANET的建立，各个国家甚至大公司都建立了自己的网络体系结构，如IBM公司研制的分层次的网络体系结构(SNA，System Network Architecture）,DEC公司开发的网络体系结构(DNA，Digital Network Architecture）。
这些网络体系结构的出现，使得一个公司生产的各种类型的计算机和网络设备可以非常方便地进行互连。但是，由于各个网络体系结构都不相同，协议和所采用的标准也不一致，使得不同系列、不同公司的计算机网络难以实现互连。这为全球网络的互连、互通带来了困难。
20世纪80年代开始，人们着手寻找统一的网络体系结构和网络协议的途径。国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题，并于1984年正式颁布了开放系统互连基本参考模型OSI/RM（OSI/RM，Open Systems Interconnection Reference Model）。所谓开放意指，只要遵循OSI标准模型的任何系统，不论位于何地何处都可以进行互连、互通。这一点非常像世界范围的电话和邮政系统。这里的“开放系统”是指在实际网络系统中与互连有关的各个部分。它也是对当时各个封闭的网络系统而言的。
在计算机网络发展的进程中，另一个重要的里程碑就是出现了局域网络。局域网可使一个单位或一个校园的微型计算机互连在一起，互相交换信息和共享资源。由于局域网的距离范围有限，连网的拓扑结构规范，通信协议简单，使得局域网连网具有简单、传输速率高、使用方便、价格便宜等特点，所以很受广大用户的青睐。因此，局域网在20世纪80年代得到了很大的发展，尤其是自1980年2月份美国电气和电子工程师学会组织颁布了IEEE802系列标准后，对局域网的发展和普及起到了巨大的推动作用。
第四阶段（20世纪90年代）。网络互联与高速网络。自OSI参考模型推出后，计算机网络一直沿着标准化的方向在发展，而网络标准化的最大体现是Internet的飞速发展。Internet是计算机网络最辉煌的成就，它已成为世界上最大的国际性计算机互联网，并已影响着人们生活的各个方面。由于Internet也使用分层次的体系结构（通常称为TCP/IP协议族），使得凡遵循TCP/IP体系结构的各种计算机网络都能相互通信。进入20世纪90年代后，网络进一步向着开放、高速、高性能的方向发展。
由于Internet还存在着技术上和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的Internet不堪重负。1993年美国政府提出了“NGI（Next Generation Internet Initiative）行动计划”，该计划的目标是：开发规模更大、速度更快的下一代网络结构，使之端到端的数据传输速率超过100Mb/s至10Gb/s；提供更为先进、实时性更高的网络应用服务，如远程教育、远程医疗、高性能的全球通信、环境监测和预报等，NGI计划将使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路径选择；保证网络信息的可靠性和安全性。
20世纪90年代后期，美国已着手研究第二代的Internet，建立了实验性网络，预计本世纪初新一代的Internet将走向实用。
我国在20世纪80年代初期已经有一部分高校和企业建立了局域网，并引入了国外的局域网产品。1989年我国第一个公用分组交换网CNPAC正式运行，1993年该网扩充成层次结构的全国网CHINAPAC。1993年我国又开始启动“三金”工程（金桥、金卡、金关），使我国网络发展进入了一个新的时期。
未来计算机网络技术的主要特征是：高速的计算机网络、通信与计算聚合、高速信息网络的体系结构、骨干网协议的统一和综合智能的网络管理。
