报文交换方式中的基本概念与排队转发

通信就是信息从一处传输到另一处的过程。任何通信系统都是由发送装置、接收装置、信道和信息四大部分组成的。发送装置将信息送上信道，信息由信道传送给接收装置。

例如，本书的作者通过书页上的文字把信息传输给读者，作者即发送者，读者即接收者，书页是信息的载体，即信道，而信息就是由文字所表达的内容。作者和读者必须对书中的文字种类、语法、名词术语等有一个统一的认同，因此，信息的传输必须遵守一定的规则，这些规则就是我们后面要讨论的通信协议。

在作者通过书稿表达自己的思想意图并由出版社把它最终转化成书页上的文字这一过程中，可能会出现差错，因此，出版社要对书稿进行校对，同样，信息的传输过程也需要发现和纠正错误，这就是所谓的差错控制。

数据通信中的许多概念和术语对于理解数据通信系统的工作原理是非常重要的，这里首先给出它们的定义。

1.数据信息

具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。

2.传输速率

传输速率指信道在单位时间内传输的信息量，一般以每秒钟所能够传输的位数来表示，单位为bit/s。大多数集散控制系统的数据传输速率为0.5～100Mbit/s左右。

3.传输方式

通信方式按照信息的传输方向分为单工、半双工和全双工三种方式：

1）单工（Simplex）方式：信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式，如图3-1a所示。

2）半双工（Half duplex）方式：信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式，如图3-1b所示。

3）全双工（Full duplex）方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式，如图3-1c所示。

4.基带传输、载带传输与宽带传输

计算机中的信息是以二进制形式存在的，这些二进制信息可以用一系列的脉冲信号来表示，所谓基带传输，就是直接将这些脉冲信号通过信道进行传输。

基带传输不适用于远距离数据传输。当传输距离较远时，需要进行调制。用基带信号调制载波之后，在信道上传输调制后的载波信号，这就是载带传输。

图3-1 单工、半双工和全双工通信方式

如果要在一条信道上同时传送多路信号，各路信号可以用不同的载波频率加以区别，每路信号以载波频率为中心占据一定的频带宽度，整个信道的带宽为各路载波信号所分享，实现多路信号同时传输，这就是宽带传输。

5.异步传输与同步传输

在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。

在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。在这一组数据或一个报文之内不需要启/停标志，所以可以获得较高的传输速度。

6.串行传输与并行传输

串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式；并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。串行传输与并行传输示意图如图3-2所示。在集散控制系统中，数据通信网络几乎全部采用串行传输方式，因此本章主要讨论串行通信方式。

7.载带传输中的数据表示方法(www.xing528.com)

如上所述，载带传输是指用基带信号去调制载波信号，然后传输调制信号的方法。载波信号是正弦波信号，它有三个描述参数，即振幅、频率和相位，所以相应地也有三种调制方式，即调幅方式、调频方式和调相方式。

图3-2 串行传输与并行传输示意图

a）串行传输 b）并行传输

1）调幅方式（AM），又称为幅移键控法（ASK）。它是用调制信号的振幅变化来表示二进制数的，例如用高振幅表示1，用低振幅表示0，如图3-3a所示。

2）调频方式（FM），又称为频移键控法（FSK）。它是用调制信号的频率变化来表示二进制数的，例如用高频率表示1，用低频率表示0，如图3-3b所示。

3）调相方式（PM），又称为相移键控法（PSK）。它是用调制信号的相位变化来表示二进制数的，例如用0相位表示0，用180°相位表示1，如图3-3c所示。

8.数据交换方式

在数据通信系统中通常采用三种数据交换方式：线路交换方式、报文交换方式、报文分组交换方式。其中报文分组交换方式又包含虚电路和数据报两种交换方式。

图3-3 三种调制方式

（1）线路交换方式

所谓线路交换方式是在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理连接，然后再在一条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接。因此，线路交换方式将通信过程分为3个阶段：线路建立、数据通信和线路拆除阶段。

（2）报文交换方式

报文交换方式以及下面要介绍的报文分组交换方式不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间节点的存储转发功能来实现数据交换。因此，有时我们又将其称为存储转发方式。

报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报文。这个报文是由要发送的数据加上目的地址、源地址和控制信息所组成的。

报文分组交换方式交换的基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。由于报文分组比报文短得多，传输时比较灵活。特别是当传输出错需要重发时，它只需重发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发整个报文。它的具体实现有以下两种方法：

1）虚电路方法。虚电路方法在发送报文分组之前，需要先建立一条逻辑信道。这条逻辑信道并不像线路交换方式那样，是一条真正的物理信道。因此，我们将这条逻辑信道称为虚电路。虚电路的建立过程是：首先由发送站发出一个“呼叫请求分组”，按照某种路径选择原则，从一个节点传递到另一个节点，最后到达接收站。如果接收站已经做好接收准备，并接受这一逻辑信道，那么该站就做好路径标记，并发回一个“呼叫接受分组”，沿原路径返回发送站。这样就建立起一条逻辑信道，即虚电路。当报文分组在虚电路上传送时，它的内部附有路径标记，使报文分组能够按照指定的虚电路传送，在中间节点上不必再进行路径选择。尽管如此，报文分组也不是立即转发，仍需排队等待转发。

2）数据报方法。在数据报方法中把一个完整的报文分割成若干个报文分组，并为每个报文分组编好序号，以便确定它们的先后次序。报文分组又称为数据报。发送站在发送时，把序号插入报文分组内。数据报方法与虚电路方法不同，它在发送之前并不需要建立逻辑连接，而是直接发送。数据报在每个中间节点都要处理路径选择问题，这一点与报文交换方式是类似的。然而，数据报经过中间节点存储、排队、路由和转发，可能会使同一报文的各个数据报沿着不同的路径，经过不同的时间到达接收站。这样，接收站所收到的数据报顺序就可能是杂乱无章的。因此，接收站必须按照数据报中的序号重新排序，以便恢复原来的顺序。

9.通信协议

网络结构问题不仅涉及信息的传输路径，而且涉及链路的控制。对于一个特定的通信系统，为了实现安全可靠的通信，必须确定信息从源点到终点所要经过的路径，以及实现通信所要进行的操作，在计算机通信网络中，对数据传输过程进行管理的规则被称为协议。

协议一般分为若干个层次，为了理解这一点，先看看人类彼此之间交流思想的情况。为了进行思想交流，首先要具备传播思想的媒介、机构和控制手段。例如，声带振动，振动通过空气传送至他人的耳膜而产生声音；把文字写在纸上传递给对方等。这些物质的存在是交流思想的基础，称之为信号层。在这个基础上，人们还必须遵守某种规则，例如，语言的种类、词意、语法等，否则人们就不能正常交流思想，这一层称之为语言层。有这两层并不能保证人们在任何情况下都能够顺利地交流思想。比如，当某个专家做专业性很强的学术报告时，非专业人员听起来会感到十分困难，甚至根本不懂，这说明他们之间缺乏共同的专业知识背景，这时需要更高的层次，在这一层次中包括一个人所具有的专业知识、基本概念以及理解能力等，称之为知识层。

从上面的介绍可以看出：第一，人们为了彼此能够交流思想，需要有一个有层次的通信功能；第二，上一层的功能建立在下一层的功能基础之上，而且在每一层内都必须遵守一定的规则。

对于一个计算机通信网络来说，接到网络上的设备是各种各样的，有的出自不同的厂家，它们在硬件和软件上的差异使其相互间的通信具有一定的困难，这就需要建立一系列有关信息传递的控制、管理和转换的手段和方法，并要遵守彼此公认的一些规则，这就是网络协议的概念。同人们交流思想一样，这些协议在功能上应该是有层次的。为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织（ISO）提出了一个开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）参考模型，简称ISO/OSI模型（该模型将在下节详细介绍）。