Communication Networks
Communication networks are arrangements of hardware and software that allow users to exchange information. This very broad definition will help you begin learning about one of the fastest-growing areas in electrical engineering and computer science. The telephone network is the most familiar and ubiquitous communication network. It is designed for voice transmission. An office computer network is a communication network used by organizations to connect personal computers and workstations so they may share programs and data and to link those computers to printers and possibly to some other peripherals. Computer networks also are used in manufacturing plants to connect machine tools, robots and sensors. The Internet is a network of computer networks that covers most of the world and allows millions of users to exchange messages and computer files and some limited video and audio messages.
Although all these systems are communication networks, they are quite different in the information that they transmit and in the way they are used. Nevertheless, they operate on similar principles. The unifying characteristics of all networks help us develop a definition of communication networks that describes the arrangements of hardware and software that we will study. Each system described is designed to exchange information, which may be voice, graphics, video or data among users. Most often the users are humans, but they also can be computer programs or devices.
The transmission from some user A to another user B can take place over a point-to-point communication link, that is, over a link that permanently connects A and B (Fig. 1). The physical medium that supports this communication may be a cable, an optical fiber or a radio link.
A network is a broader arrangement than a single point-to-point link; it connects a large collection of users. A network is almost never built by laying out one point-to-point link between each pair of users ( Fig. 2a. ) because the cost would be prohibitive and resources wasted. Instead, a network is organized so as to have different information flows share communication links (Fig. 2b.). One of the main network design problems is to find efficient ways of sharing communication links. Typically, the sharing of links means that an information flow may have to wait for a link to become free. Quantities that measure that aspect of the behavior of the network are important network design and selection parameters.
From this description we can define a communication network;
A communication network is a set of nodes that are interconnected to permit the exchange of information.
The nodes in the definition can be terminal entities, such as phone sets, computers, printers and video monitors. They can also be communication devices, such as telephone exchanges (switches) , routers or repeaters. Thus there are two types of nodes'; terminal nodes and communication nodes. The terminal nodes generate or use the information transmitted over the network. The communication nodes transport the information but do not generate or use it. Note that terminal nodes perform some communication functions; at least they have to receive or transmit information.
Figure 1 Point-to-point connection between computer A and B
Figure 2 Point-to-point versus shared links
a. Point - to - point links; b. Shared links.
New communication networks merge the capabilities of the telephone network and of computer networks, enabling the simultaneous transmission of voice and data. This merging makes new applications possible, such as voice mail, in which a voice message is stored on the disk of the destination workstation. The workstation serves as an answering machine controlled by the caller from his or her phone keypad. Users are able to annotate typed texts or graphics with spoken comments. The combination of telephone and computer networks makes existing services more convenient. For instance, the workstation can find and dial phone numbers automatically. The phonE-computer combination requires a single hookup and a single address of a telephone number and a computer address.
1．Evolution of Communication Networks
The telegraph was developed by Samuel Morse in the 1830s and the telephone by Alexander Graham Bell in 1876. The original point-point telephone lines connecting pairs of users in the first telephone systems gave way in 1880s to line switched by human operators. Electromagnetic switches appeared in the 1890s. Computerized switches started being deployed in the 1970s.
Digital transmission and CCS; Two developments in telephone networks paved the way for modern networks; digital transmission and common channel signaling (CCS). Digital telephone transmission transmits the voice signals as bit streams. Such transmissions have low noise levels. Moreover, digital transmissions facilitate the switching of signals and the simultaneous transmission of many signals on the same line.
CCS transmits connection control information among telephone switching equipment. This control information permits efficient implementations of many services, such as call forwarding, credit card calls and 800 numbers. It also leads to better utilization of the network lines by providing better control over how the lines are selected to carry the phone calls.
Integration of services: Digital transmission and CCS form the basic of the integrated services digital networks (ISDNs). The basic ISDN connection ( called basic access) provides a subscriber with three full-duplex ( two-way) digital connections: two with a rate of 64 Kbps (called the B channels) and the third with a rate of 16 Kbps (called the D channel). The B channels can transmit voice or computer data The D channel can transmit alarm, monitoring information and network control information as needed in s
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通信网络
通信网络是允许用户交换信息的软硬件配置。这一非常广泛的定义将帮助你开始了解电子工程和计算机科学的一个增长最快的领域。电话网络是普遍存在的人们最熟悉的通信网络。它是为语音传输而设计的。办公室计算机网络通信网是一个组织所使用的个人电脑、工作站的连接，可以分享程序和数据，并把计算机连接到打印机或其他可能的外围设备上。计算机网络也被工厂用来连接机床、机器人和传感器。因特网几乎覆盖全球的计算机网络，使数以百万计的用户交换信息和计算机文件以及影音信息等。
尽管所有这些系统都是通信网络，但它们所传输的信息和使用的方式不同。然而他们的操作原理相似。所有网络统一的特点，有助于我们形成对通信网络的定义，即将通信网络描述成我们将研究的硬件和软件的配置。每个所描述的系统都是为用户之间交换信息而设计的，这些信息可能是声音、图像、视频或数据。通常用户指的是人，但也可以是计算机程序或设备。
从用户A到另一用户B的传输可能发生在点对点的通信链路上，即在永久连接A和B的链路上（如图1)。支持这一通信的物理媒介可以是通信电缆、光纤或无线连接。
网络是比点对点连接更广的配置，连接了大量的用户。几乎没有一条专为两个用户（见图2a.）铺建的点到点连接，因为这样费用过于高昂，并且浪费资源。相反，网络是以不同信息流共享通信链路而组织的（见图2b. )。网络设计的一个主要问题是如何找到有效的共享通信链路。链路共享意味着信息流需要等待一条通信链路被释放。
通过这些描述我们可以定义通信网络：
通信网络是相互连接允许交换信息的一组节点集合。
定义中的节点可能是终端实体，如电话、计算机、打印机和视频监视器。也可以是通信设备，如交换机、中继器或路由器。因此有两种类型的节点：终端节点和通信节点。终端节点产生或使用网络上传输的信息。通信节点传输信息但不使用或产生信息。终端节点也执行某些通讯功能：至少要接受或传递信息。
图1表示在计算机A与B间的点对点连接
图2表示点对点对共享连接
新的通信网络融合了电话网络和计算机网络的性能，使语音和数据同步传输成为可能。这种结合产生了新的应用可能，如语音邮件中的语音信息是存储在目的工作站的硬盘上。该工作站充当着应答机器，由呼叫者的电话键盘所控制。用户可以用言语评注输入的文本或图像。电话与计算机网络的结合使得已经存在的服务更方便。例如，工作站能够自动查找和拨打电话号码。
1.通信网络的发展电话网络
19世纪30年代Samuel Morse发明了电报，1876年Graham Bell发明了电话。在19世纪80年代最初的电话系统中使用原始的点对点电话线连接一对用户，是靠人工转接的。电磁转换出现在19世纪90年代。计算机转换是在20世纪70年代开始发展的。
数字传输和公共信道信令（CCS )这两个电话网络的发展为现代网络铺垫了道路。数字电话传输把声音信号按照比特流传输。这样的传输噪声低。此外，数字传输促进了信号的交换以及同一条线路上多信号的同步传输。
CCS在电话交换设备中传输连接控制信息。这种控制信息保证了很多服务的高效执行，例如呼叫转移，信用卡电话和800号受话人集中付费服务。CSS对传送电话呼叫的线路选择提供了很好的控制，从而使网络线路得到了更好的利用。
集成服务：数字传输和CCS形成了综合业务数字网（ISDN）的基础。基础ISDN连接（又被称为基础通路）为用户提供了3个全双工（双向）的数字连接：其中两个是64 Kbps速率（称为B通路），另一个是16 Kbps（称为D通路）。B通路可以传输声音或计算机数据，D通路可以传输警报、监视信息和网络控制信息。公共信道信令系统控制ISDN连接，并被扩展来承载一些用户数据传输。
同步网络：美国正在完成一项称为同步光纤网络（SONET)的电话网传输技术，这一技术与欧洲和日本使用的同步数字体系相似且互相兼容。在同步光纤网络或同步数字体系网络中，电话公司的发射机是与公共时钟设备同步的。这种直接的交错不可能在不同步的发送者上实现。有了SONET或者SDH技术，用来结合不同信号所需的设备就简单很多，所以也便宜不少。
电路转换：离开电话网络这个话题之前，让我们强调一下这些网络用来传递信息的主要机制。这个机制称作电路转换，并且指的是：电路在两个电话终端的通话期间建立起来，当通话终止时被释放。这里，电路意味着在两个终端间的一组连接上传输所期望的比特率所需要的资源。也就是说，在对话期间，这些资源被分配给对话双方，不能被其他任何的对话所共享。
2.计算机网络
同步连接：20世纪60年代中期计算机首次以点对点的形式相互连接。对自动误差制快速连接的需求导致了一组被称作数据连接协议的程序的发展（如LAPA,LAPB和HDLC)。这些连接以帧的形式传输信息。一帧就是一组比特位，一般来讲数量从几百到几千（见图3)。一个典型的包是由头部、用户信息和尾部所构成的。头部和尾部包含着网络使用的传输帧以及来验证其正确接受的控制信息。头部通常包含着目的地址和帧的源地址。头部也可以显示一个序列数，目的地址使用这个序列数验证所有包确定是接受还是来对它们进行重新排序。尾部包含错误控制位，节点使用它来确认它们正确地接收了帧。这些连接大都是同步的。发报机把包的比特位编码成一个包含着定时信息的信号。信息接收者提取出定时信息并正确地还原这些比特数据。
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Header |
Data |
Trailer |
图3表示一个典型的帧
包交换技术：在这些系统里，数据是以小块按顺序发送的，称之为包。每一个包都是沿着从源点到目的地的路径从一个节点经过另一个节点的。在每一个节点，整个包被接收，暂时被存储，然后被传送到下一个节点。包交换网络常被用于终端到计算机及计算机到计算机的通信中。
帧中继技术：包交换是在数字长距离传输设备较之今天的设备而言显示出相对高的错误率的时候得以发展的。结果，为了建立包交换计划来弥补这些错误就得花费相当可观的间接成本。间接成本包括为了引进冗余而添加到包中的额外的比特位以及在终端工作站和中间交换节点用于探测和恢复错误的额外处理过程。由于有了现代高速的电信系统，这个成本是不必要并且能产生相反的效果。利用这些高数据传输率和低错误率的现代系统帧中继技术被发展起来。尽管最初的包交换网络被设计成到达终端用户的数据率大约为64Kbps，帧中继技术被设计来高效处理用户数据，速度可高达2Mbps。重要的是达到这一高数据速率削减掉了在错误控制中的大部分额外开支。
3.消息和会话消息和数据包
在数据网络中的消息与日常用语中的使用大体一致。例如，在电子邮件系统里，消息是从一个用户到另一个用户的单独文件。是从网络用户的角度来看消息的这一重要特征，它是一个独立的通信单位。如果接受者收到的仅仅是消息的一部分，则常常是没有价值的。
有时区分消息和消息的表示是有必要的。在子网和计算机中，消息通常表示成二进制符号0或1的字符串。一个二进制的符号指代一个比特位。消息从发送者到接受者的过程中，用来表示消息的位串上会发生好几次变化。这些变化有时在数据压缩方面和促进消息在网络里的通信是有必要的。变换消息的表示方法促进通信是数据网络的中心话题。在子网上把非常长的消息当作单位来传送在几个方面是有害的，包括数据延迟、缓冲器管理堵塞控制。所以，用长的位串来表示的消息通常被划分成称之为包的短位串。
这些包可以作为单独的实体在子网中传输并且在目的地被重新组装成消息。
两个用户间的消息在某些较大的事务中常是按序列出现的。这样的消息序列称为会话。例如，更新一个数据库通常需要无数信息的交换。我们必须牢记的会话的最重要特征包括：
1．信息到达率和到达的可变性。
2．会话持续时间。
3．期望的信息长度和长度分配。
4．允许的延迟。
5．可靠性。
6．信息和包排序。
把这些特征都谨记在心，把注意力集中在4种应用上常常是很有用的，记住这些特征有助于我们把目光集中在4种应用上，这4种应用有些位于极点上，并且在子网中的交互不是很好。一种是与计算机会话交互式的终端，其上的信息往往是简短的，信息率低，延迟要求中等、可靠性要求高。另外一种是文件转换会话，在这个会话里信息非常长，信息到达率明显低，延迟要求非常宽松，可靠性要求高。第3种是高分辨率图形信息，信息也很长，有时长达109？比特，延迟要求很严格，到达率低。第4种是语音打包。这里，信息的概念不是非常有用，但是包很短，包到达率高，对最大延迟的要求很严格，可靠性要求相对低。一个能够处理所有这些应用的网络当处理其他有趣的应用时就可能不会碰到太多的麻烦。
4.网络体系结构
层 ：
为了减少设计的复杂性，大多数网络组织成层次系列，每一层都建立在它的下一层上。层次数，每一层的名字、内容和功能因网络的不同而不同。然而，在所有的网络里，每一层的目的都是为更高层提供某种服务，并将服务的实际操作细节屏蔽掉。
一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行对话。对话里所使用的规则和惯例被公认为是第n层的协议。基本上说来，协议就是通信双方就如何进行通信所达成的共识。一个5层网络如图4所示。在不同的机器上构成通信层的实体称为对等实体。换言之，是对等实体的通信使用这些协议。事实上，没有数据直接从一台机器的第n层被传送到另一台机器的第n层上。相反，每一层都把数据和控制信息传送到它的直接下层上，直到到达最底层。第1层下面是物理媒介，实际通信是通过它们发生的。在图4中，虚拟通信用虚线来表示，物理通信用实线来表示。
在每一对相邻层之间都有一个接口。接口定义了下层为上层提供的原始操作和服务。当网络设计者决定一个网络中应该包括多少层，以及每一层应该做什么的时候，一个最重要的考虑方面就是定义清楚层之间的接口。相应地，这么做需要每一层都执行一系列特殊的易于理解的功能。除了将必须在层之间传输的信息量最小化外，轮廓鲜明的接口也使得用完全不同的操作来替换一个层原有的操作变得更为简单。
图4表示层、协议和接口
一组层和协议被称为网络体系结构。体系结构的规格说明中必须包含足够的信息允许操作者为每一层写程序或者构建硬件，以便它能正确地遵照适当的协议。操作的细节和接口的说明都不是体系结构的部分，因为有隐藏在机器里从外面不可见的内容。倘若每一台机器都可以正确地使用所有协议，甚至没有必要让网络里的所有机器接口都是一样的。某一系统应用一组协议，一个层一个协议，这被称为协议堆栈。图5显示了如何为图4的顶端5层网络提供通信。信息M，由运行在第5层的应用程序所产生，并且被传送给第4层。第4层在信息前加上一个头部来识别信息并且把结果传输给第3层。头部包括控制信息，如序列号，允许目的机上的第4层以正确的顺序递送信息，如果低层没有保持好顺序的话。在一些层中，头部也包含大小、时间以及其他的控制域。
在很多网络中，在第4层协议中不存在对所传送信息大小的限制，但是总是有一些第3层协议所强加的限制。
因此，第3层必须把输人的信息分解成更小的单元、包，预先为每一个包制作好第3层的头部信息。在图5中，M被分成M1和M2两个部分。第3层决定使用哪一条输出路线，并把包传输给第2层。第2层不仅把头部信息加到每一段里，也会添加尾部信息并且把结果单位传送给第1层准备物理传输。在接收信息的机器里信息向上传输，一层接一层，随着前进的过程，头部信息开始被一点点剥离。n层以下的头部信息不会上传到n层以后。
图5表示支持虚拟通信的信息流在第5层
数据转换的规则是一个重要的设计问题。在一些系统里，数据仅仅是单向传输（单工通信）的。在其他系统中它们可以双向传输，但不是同时地（半双工通信）。在另外一些系统里他们可以同时双向传输（全双工通信）。协议必须确定与连接相应的逻辑通路有多少和它们的优先顺序是怎样的。很多网络都至少为一个连接提供两个逻辑通路，一个用于正常数据，一个用于紧急数据。
接口和服务：
每一层的活动元素通常被称为实体。一个实体可以是软件实体也可以是硬件实体。不同机器上位于同一层次的实体称作对等实体。第n层实体执行的服务被第n＋1层使用。在这种情况下，第n层称作服务提供者，第n＋I层称作服务使用者。这些服务在源机器目标机器SAPS（服务人口点）上是可获得的，第n层的SAPs是第n 1层可以获得所提供服务的地方。每一个SAP都有一个可以唯一识别它的地址。
为了交换信息，两个层必须对接口规则达成一致。在典型的接口上，第n 1层实体通过SAP把IDU（接口数据单元）传输给第n层实体。接口数据单元IDU由一个SDU（服务数据单元）和一些控制信息组成。SDU是通过网络传输到对等实体接着上传到第n 1层的信息。需要用控制信息来帮助低层完成其工作，但控制信息不是数据的一部分。为了转换SDU，第n层实体不得不把它分成若干段，每一段都分配给一个头部信息并且作为单独的PDU发送（协议数据单元），如一个包。PDU头部被对等实体用来执行它们的对等协议。它们定义哪些PDUs包含数据，哪些包含控制信息。图6显示了在接口处层之间的关系。
所有的层都能够为它们的上层提供两种不同类型的服务。
面向连接的服务：服务使用者首先建立起连接，使用该连接，然后释放连接。
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