现代数字通信系统计算机通信网络Internet调研报告.docx
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现代数字通信系统计算机通信网络Internet调研报告
现代数字通信系统
计算机通信网络（Internet）-
-调研报告
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2017年4月15日
关于计算机通信网络（Internet）的现代数字通信系统调研报告
1、概述
将若干台具有独立功能的计算机通过通信设备及传输媒体互相连接起来，在通信软件的支持下，实现计算机间信息传输与交换的系统称为计算机通信网。
计算机通信网涉及到计算机和通信两个领域。
计算机与通信的结合是计算机通信网产生的主要条件。
一方面，通信网络为计算机之间的数据传送和交换提供了必要的手段；另一方面，计算机技术的发现渗透到通信技术中，又提高了通信网的各种性能。
当然，这两大方面的进步都离不开人们在微电子技术上取得的巨大成就。
计算机与通信的结合对计算机体系的构造有着深远的影响，一台单个计算机满足所有计算任务的老模式已被一个由大量分散的但又互相连接的计算机群的集合所代替．这就是计算机通信网络。
它的发展大致分为4个阶段：
联机系统的数据通信、面向终端的计算机通信网、多机互联系统，计算机通信网络。
其中前3种计算机通信系统的特点是面向终端的以单个主机为中心的量型网，各终端通信线路共享主机的软硬件资源。
而真正的计算机通信网络则以通信予网为中心，主机和终端都处在网络的外围，它们构成了用户资源予网。
用户不仅共享通信子网的资源，而且还可以共享用户资源子网的硬件、软件及信息资源。
由于这些主机鄙是独立自主的计算机，本身带有各自的硬件和软件资源，拥有大量有用的信息，它们之间的通信以资源共享为目的，因而在前面所提及的第4个阶段才形成了真正意义上的计算机网络。
计算机通信亦使得传统通信方式发生了巨大变化，其发展总趋势已经具有和正在具有以下特征：
通信形式从听觉为主到视觉为主，通信传输信号从模拟为主到数字为主，通信传输手段从低速电话线为主到高速宽带为主，通信设备从分立元件构成体积庞大为主到模块化微型化为主。
随着数字通信的进一步发展，计算机技术正在应用到通信领域的各个方面...
2、系统结构
计算机网络系统：
计算机通信网的主要任务或者说作用可以归纳为以下几点：
数据传输，这是最主要的任务；提供资源共享；提高系统可靠性；进行分布式处理；对分散对象提供实时集中控制与管理；节省软、硬件设备的开销；方便用户，易于扩充。
组成：
计算机通信网由一系列计算机终端、具有信息处理和交换能力的节点及节点间的传输线路组成。
从逻辑功能上可以将计算机通信网分为两大部分：
用户资源子网和通信子网。
逻辑结构：
1.用户资源子网
用户资源子网由主机、终端及终端控制器等组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络眼务。
（1）主机。
主机（主计算机）可以是大型机、中型机、小型机、工作站或微机，是用户资源子网的主要组成单元，它通过一条高速通信线路与通信子网的某一节点相连，主要负责数据处理，为各终端用户访问网络和其它主机设备、共享资源提供服务。
普通用户终端可以通过主机入网。
（2）终端和终端控制器。
终端可以是简单的输入，輸出终端，也可以是带有徼处理器的智能终端。
智能终端除具有输入、输出信息的功能外，本身还具有存储与处理信息的能力。
终端可以通过主机连入网内也可以通过终端控制器等连入网内。
终端控制器用来控制一组终端，以减少这些终端本身应具备的控制功能，因此也减少了终端的成本。
终端控制器提供的功能包括：
对有关链路的控制以及为各终端提供网络协议接口。
2.通倍子网
通信子网是由网络节点（即交换机，也叫通信控制处理机）及连接它们的传输链路构成的。
它包括网络节点和传输链路。
（1）网络节点。
它一般由小型机或微型机配置通信控制硬件和软件构成。
网络节点具有双重作用：
一方面作为与主机、终端的接口节点，将主机和终端连入网内，提供诸如信息的接收和发送以及信息传输状态的监视等能；另一方面又作为通倍子网中的分组存储-转发节点，完成分组的接收、检验、存储转发功能，实现将源主机的信息准确发送到目的主机的作用。
（2）传输链路。
传输链路是指用来传输数据的信道。
传输媒介可以是双绞线、同轴电缆、光纤、微波及微型通信信道。
为了提供更大的带宽或为了提高网络的可靠性，有时可以在相邻节点间使用多条链路。
拓扑结构：
1.星型结构
特点：
通信协议简单，站点故障容易检
测和隔离。
连线费用大，中央站点要求高。
2.总线结构
特点：
连线总长度小于星型结构，站点
容易扩充和删除。
总线任务重，易产生瓶
颈问题。
3.环形机构
特点：
传输速率高，传输距离远。
一个站点的故障会引起整个网络的崩溃。
4.树形结构
特点：
容易扩展，故障容易分离处理。
对根的依赖性很大，根发生故障将导致
整个系统的崩溃。
5.混合型结构
特点：
结合不同拓扑结构的优点。
3、举例分析信号流的传输过程（结合数字通信系统结构图的分析）
数字通信：
强调已调参量与代表消息的数字信号之间的一一对应关系。
数字信号：
凡在时间上离散，且表征消息的某一参量只能取有限个数值的信号。
数字通信系统结构图：
而现代通信的主要标志是通信技术和计算机技术、数字信号处理技术的融合。
信号流的传输过程：
我们知道现在的互联网中使用的TCP/IP协议是基于，OSI（开放系统互联）的七层参考模型的，（虽然不是完全符合）从上到下分别为：
应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
其中数据链路层又可是分为两个子层分别为逻辑链路控制层（LogicLinkControl，LLC）和介质访问控制层（（MediaAccessControl，MAC）也就是平常说的MAC层。
LLC对两个节点中的链路进行初始化，防止连接中断，保持可靠的通信。
MAC层用来检验包含在每个桢中的地址信息。
在下面会分析到。
还要明白一点路由器是在网路层的，而网卡在数据链路层。
我们知道，ARP（AddressResolutionProtocol，地址转换协议）被当作底层协议，用于IP地址到物理地址的转换。
在以太网中，所有对IP的访问最终都转化为对网卡MAC地址的访问。
如果主机A的ARP列表中，到主机B的IP地址与MAC地址对应不正确，由A发往B数据包就会发向错误的MAC地址，当然无法顺利到达B，结果是A与B根本不能进行通信。
首先我们分析一下在同一个网段的情况。
一个最基本的网络拓扑结构：
假设有两台电脑分别命名为A和B，A需要相B发送数据的话，A主机首先把目标设备B的IP地址与自己的子网掩码进行“与”操作，以判断目标设备与自己是否位于同一网段内。
如果目标设备在同一网段内，并且A没有获得与目标设备B的IP地址相对应的MAC地址信息，则源设备（A）以第二层广播的形式（目标MAC地址为全1）发送ARP请求报文，在ARP请求报文中包含了源设备（A）与目标设备（B）的IP地址。
同一网段中的所有其他设备都可以收到并分析这个ARP请求报文，如果某设备发现报文中的目标IP地址与自己的IP地址相同，则它向源设备发回ARP响应报文，通过该报文使源设备获得目标设备的MAC地址信息。
为了减少广播量，网络设备通过ARP表在缓存中保存IP与MAC地址的映射信息。
在一次ARP的请求与响应过程中，通信双方都把对方的MAC地址与IP地址的对应关系保存在各自的ARP表中，以在后续的通信中使用。
ARP表使用老化机制，删除在一段时间内没有使用过的IP与MAC地址的映射关系。
如果中间要经过交换机的话，根据交换机的原理，它是直接将数据发送到相应端口，那么就必须保有一个数据库，包含所有端口所连网卡的MAC地址。
它通过分析Ethernet包的包头信息（其中包含不原MAC地址，目标MAC地址，信息的长度等信息），取得目标B的MAC地址后，查找交换机中存储的地址对照表，（MAC地址对应的端口），确认具有此MAC地址的网卡连接在哪个端口上，然后将数据包发送到这个对应的端口，也就相应的发送到目标主机B上。
这样一来，即使某台主机盗用了这个IP地址，但由于他没有这个MAC地址，因此也不会收到数据包。
现在我们讨论两台不在同一个网段中的主机，假设网络中要从主机PC-A发送数据包PAC到PC-C主机中，如下图所示：
PC-A并不需要获取远程主机（PC-C）的MAC地址，而是把IP分组发向缺省网关，由网关IP分组的完成转发过程。
如果源主机（PC-A）没有缺省网关MAC地址的缓存记录，则它会通过ARP协议获取网关的MAC地址，因此在A的ARP表中只观察到网关的MAC地址记录，而观察不到远程主机的MAC地址。
在以太网（Ethernet）中，一个网络设备要和另一个网络设备进行直接通信，除了知道目标设备的网络层逻辑地址（如IP地址）外，还要知道目标设备的第二层物理地址（MAC地址）。
ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。
数据包在网络中的发送是一个及其复杂的过程，上图只是一种很简单的情况，中间没有过多的中间节点，其实现实中只会比这个更复杂，但是大致的原理是一致的。
（1）PC-A要发送数据包到PC-C的话，如果PC-A没有PC-C的IP地址，则PC-A首先要发出一个dns的请求，路由器A或者dns解析服务器会给PC-A回应PC-C的ip地址，这样PC-A关于数据包第三层的IP地址信息就全了：
源IP地址：
PC-A，目的ip地址：
PC-C。
（2）接下来PC-A要知道如何到达PC-C，然后，PC-A会发送一个arp的地址解析请求，发送这个地址解析请求，不是为了获得目标主机PC-C的MAC地址，而是把请求发送到了路由器A中，然后路由器A中的MAC地址会发送给源主机PC-A，这样PC-A的数据包的第二层信息也全了，源MAC地址：
PC-A的MAC地址，目的MAC地址：
路由器A的MAC地址，
（3）然后数据会到达交换机A,交换机A看到数据包的第二层目的MAC地址，是去往路由器A的，就把数据包发送到路由器A，路由器A收到数据包，首先查看数据包的第三层ip目的地址，如果在自己的路由表中有去往PC-C的路由，说明这是一个可路由的数据包。
（4）然后路由器进行IP重组和分组的过程。
首先更换此数据包的第二层包头信息，路由器PC-A到达PC—C要经过一个广域网，在这里会封装很多广域网相关的协议。
其作用也是为了找下一阶段的信息。
同时对第二层和第三层的数据包重校验。
把数据经过Internet发送出去。
最后经过很多的节点发送到目标主机PC_C中。
结合数字通信系统结构框图来看这个例子：
信息源：
即使电脑Ａ要向电脑Ｂ所要发送的数据（由电脑系统和各种软件所产生的数据流）
加密、解密：
在表示层上：
用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式，主要包括数据格式变换、数据的加密与解密、数据压缩与恢复等功能。
而ＱＱ等聊天软件，网银等对数据加密有更高要求的软件和协议，在加密时，会使用多层更为复杂的加密程序。
他们的任务就是：
加密数据、解密数据、验证数据的完整性、实现数字签名、通过网络传输保密信息。
加密方式有对称加密和非对称加密等。
编码、译码：
在ＴＣＰ＼ＩＰ中包含：
在Internet计算机通信使用的是数据包；一个数据包结构是这样的：
第一段是目标ip，接着是内容，然后是发送者ip。
调制器、解调器：
即计算机传输中所要用到的调制解调器（Modem）。
它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号，而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。
这一简单过程完成了两台计算机间的通信。
信道：
即用来传输数据的信道。
传输媒介一般是双绞线。
它是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。
把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低信号干扰的程度。
噪声源：
一般有：
电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），他们都是从电子设备或者传输电缆里发出的波，发动机，电源，电视，荧光灯等都会产生EMI和RFI，广播电台和电视塔的强广播也会产生RFI的
四、当前的发展状况和发展方向
随着Internet的发展，我们面对的计算机网络逐渐向以数据通信技术及数据通信网作为支撑的全球性计算机网的发展目标不断发展，从其整体角度看，其未来的发展趋势越来越侧重于向全球多媒体网络的形式发展。
从其具体的方面看，电信业务数据化和网络综合化推动着网络通信的进步，计算机网络通信技术将实现电信、数据、有线电视“三网合一”或更多网络的融合。
而紧随着社会经济的发展和人们生活对计算机网络通信的依赖越来越大，信息安全的重要性和紧迫性日益突出，密码理论、密码算法、安全协议、网络安全和信息隐藏等技术发展很快。
国外计算机网络通信领域不断提高创新力度，发展先进技术，严重的冲击着我国的网络通信市场，我国计算机网络通信技术的发展面临着前所未有的挑战与机遇。
互联网时代，上网设备呈多元化发展，新一代的计算机已将网络接口集成到主板上，网络功能已嵌入到操作系统之中，智能大楼的兴建已经和计算机网络布线同时、同地、同方案施工。
其中计算机网络通信技术的发展现状主要体现在以下几方面：
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