计算机通信的演进和发展

10.1　计算机通信的演进和发展

在当代，计算机技术的应用已成为人们日常生活中的一个重要部分，从管理和控制机器设备到处理文档及管理日常事务，可谓无处不有计算机技术应用的身影。大家知道，利用计算机协助人们做任何一件事情都离不开对计算机进行编程和输入相关数据，编程是一个繁杂且枯燥的过程，并且单台计算机处理事务的能力也是极其有限的。为了解决人力和技术资源的共享，进一步提高计算机应用的效率，自计算机问世以来，人们便开始了计算机之间通信问题的研究。

早期的计算机之间通信只是点到点的通信方式。例如，利用RS－232技术把两个较近距离的计算机互连起来，或者利用调制解调器技术通过电话线把两个远程的计算机互连起来，实现计算机之间的信息和资源共享。点到点的计算机通信结构如图10.1所示。

图10.1　早期的计算机点到点通信结构

从上面的点到点互连方式中我们可以看出，当一个办公室或较近的区域内有多台计算机希望共享计算资源时，可将所有计算机两两之间建立互连，这样将会随着互连计算机台数的增加而使得互连设施的代价以及互连技术变得无法忍受，并且所有的计算机都必须加电运行才能保证通信成为可能。共享介质的局域网（LAN）技术以一种方便、廉价和可靠的方法解决了短距离计算机间互连通信的问题。局域网技术不是将一台计算机与另一台计算机直接互连，而是使用硬件来互连多台计算机。“网络”是不依赖于计算机本身而独立存在的，即使连接到局域网上的某台计算机不在运行，其他计算机之间照样可以进行通信。通过局域网进行计算机互连的通信结构如图10.2所示。

图10.2　计算机局域网互连通信结构示意

在局域网互连方案中，计算机中的处理器利用网络接口访问LAN，它可以请求网络接口通过LAN向另一台计算机发送信息，或者读取下一次到来的信息。在LAN上传送数据的格式及其传送的速率与相连的计算机无关。在每台计算机内部，网络接口卡将数据组装成LAN所需的方式，并利用高速缓存来存放发送和接收的信息，以便能够按网络的速率将数据传送到LAN上，及按计算机的速率将数据传送到计算机，补偿计算机和网络之间的速度差异。

早在20世纪70年代，IEEE就制定了三个局域网标准：IEEE802.3（CSMA/CD，载波侦听多路访问/冲突检测）、IEEE802.4（令牌总线）、IEEE802.5（令牌环）。值得注意的是，这三个标准只描述了分层结构中下面一层半（即物理层和介质访问子层）的内容，数据链路层的上半层逻辑链路子层（LLC）由802.2描述。著名的以太网（Ethernet）就是IEEE802.3的一个典型产品。这三个局域网标准都是广播型网络，网上的所有站点共享传送信道，一站点发送数据，其他站点均能接收到。在广播型网络上同时只能有一个站点处于发送数据状态，因此必须解决谁使用信道发送数据的信道竞争问题。以太网采用了载波侦听多路访问/冲突检测技术，在发送数据的同时进行冲突检测，一旦检测到冲突则立即停止发送，当发现空闲时立刻发送数据；而令牌总线和令牌环则采用令牌来控制，只有获得令牌的站点能向网上发送数据。

局域网技术的发展大大地促进了计算机间的通信应用，各个孤立的计算机通过简单总线互连，达到了信息资源共享，从而大大提高了计算能力。然而要想进一步扩大网上互连计算机的数量以满足更大范围的资源共享，则由于共享传输信道容量的限制而使其受到阻碍；并且想要在两个不同结构的局域网技术之间达到信息互通和资源共享，也由于各种LAN技术之间的互相不兼容，都有自己独特的设计，并使用着自己特有信号电压和调制技术，使得局域网之间的互连成为不可能。

20世纪60年代末期，美国国防部对使用计算机网络产生了兴趣，它通过高级研究计划署（ARPA）向军队投资进行多种技术联网的研究。如何将技术上互相不兼容的网络互连起来呢？从前面的讨论我们可知，用不同的网卡插入某台计算机就可以使该计算机接入到不同技术的局域网上，并且能与网上的其他计算机进行通信。另外，在一台计算机上可以同时插入两种或更多种不同技术的网卡，那么一台计算机就可以连接到两个或更多的网络上。如果对该台计算机所连接的多个网络及其站点进行网络编号，并运行网间数据转发协议软件，那么该台计算机就可以执行异构网络站点之间的分组数据转发任务，这就是Internet的原型思想。用计算机D来实现两个网络互连的结构如图10.3所示，这里两个网络可以是同种类型的，也可以是不同类型的。

图10.3　计算机D用来互连两个网络示例结构

在图中，计算机D用来执行两个网络之间的分组数据转发任务，那么计算机D上运行的软件必须知道每台计算机连到哪一个网络上才能够决定向哪里发送分组。在只有两个网络的情况下，这很好决定，当一个分组从一个网络到来后，应该送往下一个网络。然而，当计算机D互连三个网络时情况就复杂了，一个分组从一个网络到来后，计算机D上的软件必须选择其余两个网络中一个向其发送分组。选择一个网络向其发送分组的过程称为路由选择，而在互联网络中执行路由选择任务的专用计算机称为路由器（Router），或称其为网关（Gateway）。

一个机构可以根据自己的需要选择适当的网络技术，然后用路由器把所有的网络连成单个互联网。网络互连的目的是通过异构网络实现通用服务。为了给互联网中的所有计算机提供通用服务，路由器必须能够把一个网络中的源计算机发出的信息转发到另一个网络中的目标计算机。这一任务是很复杂的，因为组成互联网的各个子网使用的帧格式和编址方式不尽相同。这样，为了实现通用服务，在计算机和路由器上都需要协议软件。我们知道，在人类社会交往中除非两个人会讲同一种语言，否则这两个人是不可能进行交流的。这一道理也同样适用于计算机通信，因此在因特网中也为异构网互连通信定义了一系列协议，这些协议简称为传输控制协议/网络互连协议（TCP/IP）。在TCP/IP中定义了分组组成，以及路由器必须怎样将每个分组传送到其目的地。连接到因特网上的每台计算机都必须遵守TCP/IP协议的约定，运行TCP/IP软件，使用TCP/IP的格式，这样才能在因特网上通信，并且保证计算机接收到的分组仍然是源端发送的TCP/IP格式分组。

图10.4　互联网内部结构

总的来说，互联网软件为连接的众多计算机提供了一个单一、无缝的通信系统。这一系统提供了通用服务：给每台计算机分配一个地址，任何计算机都能发送一个包到其他计算机。而且，互联网软件屏蔽了物理网络连接的细节、物理地址及路由信息，用户和应用程序永远看不到复杂的物理网络和连接它们的路由器。图10.4所示是互联网的内部结构。当一个数据报在互联网上从一台计算机向另一台计算机流动时，该数据报必须沿着一条实际的网络路径传送。在该路径的每一步，数据报或者流过一个实际的网络，或者流过一个路由器进入另一个网络，最后到达其最终目的地。