计算机网络原理前传——通信基本原理

附注： 这方面的知识我本来准备自己写一点，但我觉的杨波老师《大话通信》这本书已经讲的非常好了，所以我就直接引用过来，在此非常感谢杨老师，并向大家介绍《大话通信》这本书。这本书对学通信或者计算机网络的人非常有帮助。



通信是要把信息通过某种方式传递给对方，那么不可避免要研究以下几个问题：用什么方式传递给对方？如何找到对方？有没有信息传递的额外要求，比如安全、快捷、节约？所以通信基本涉及三个方面：

1、 用什么信息格式传递给对方——编码问题

“通信”，就是用电磁信号传送媒体情报信息，那么通信第一个要解决的问题是，如何把声音、图像、文本等变成电磁信号，如何把这么一系列的电磁信号有效传送到对方，又如何在对端还原为声音、图像和文本。对于语音通信，从这个电话机开始，信息开始进入“编码之旅”，声音信息通过整个通信网，它被数次变换编码样式，最终成功到达彼岸。

我们把编码问题用货物运输的例子来做类比。“编码”过程就像是将货物拆分和打包，以利于货物通过交通工具和轨道安全运输的过程。

货物根据体型、重量、客户要求的到货时间、价格等因素考虑，需要用火车、飞机、汽车还是轮船来运输？有些命题更加复杂，比如货物要运送到一个地方，必须经过陆路和水路，那么采取何种方式的组合才是最佳的运输路径？

一件形状复杂的货物，你可以把它拆成若干份，货物到达目的地以后，是不是还要考虑组装？别指望组装的人对这个货物很了解，你只有把每个部件做好编号，两个货栈协商好拆包、组装规则（也许是一张图纸），才能把货物拆散、打包；同时，你要考虑通过哪种合适的交通工具在特定的轨道上传输？是不是要考虑在外包装上标注“轻放”、“向上”、“防潮”？到达目的地后还要检查是否所有的货物的所有部件都已经安全到达。若没有安全到达，你还要考虑，如何花最小的代价重新发送一个新的部件？

任何选择都是适应需求的，“绝对适合”任何场景和需求的选择是不存在的。任何编码都是为了适应不同的传送需求，这一点和货运的例子如出一辙。

飞机是迄今为止人类最快捷的交通工具，但其运输成本也是最高的，如果运输货物从北京到天津，你大可不必用飞机来“摆谱”；轮船是大宗货物的上佳选择，但要运输新鲜瓜果蔬菜的话，你千万不要指望它，希望在船上腌酱菜除外。再比如，有的货物运输要求实时性很高，而体积较大，那么你就要考虑如何把货物拆得大小得体，并通过较快的运输工具和轨道进行运输。太大的包会需要很大的车（如火车和卡车，如果有水路，还需要考虑轮船航运），而很大的交通工具，其运送时间会较长；拆分后的包如果很大，丢失一个包造成的影响将会很大；而太小的包又会增加你的打包时间，并且会增加额外的开销（比如要考虑货物打包后的外包装，既占用体积又增加重量，可能还要多印刷几个“轻放”之类的标签呢），另外，包多了以后，车数量也要增多，你又需要增加人手来开车和押运，所有成本都会不同程度地增加。除此之外，有的包丢失一个两个没有关系，就像公路上运输煤，丢一包煤，并不会影响其他煤的使用；而有的货物，比如运送一台数控机床，一旦拆开，必须保证每个部件都送达对方，少一个包（就是少若干部件），会造成整台机床无法使用。总之，货物需要根据自身特点打包，然后选择合适的交通工具运输。





2、 如何找到对方——寻址问题

第2个要解决的问题是给任何信息的出发点和目的地做个编号，通过编号可以识别世界上任何一个出发点和目的地，并通过相关机制，使信息依照一定的路径在这两者之间传送。

要想寻址，首先得有地址，因此“寻址”的第一个课题是如何分配地址，接着才是让信号通过特定规则找到目的地地址。如何传递，那是上一节所讲的编码的事情了。

这里我们先说说什么是“地址”？电话号码、电报挂号、IP地址、邮箱账号，这些都是“地址”，各种通信手段中，应用了各种各样的通信地址，相对应地就有各种各样的寻找地址的方式。比如用信令寻址后自动建立专门的通道，比如在路由器上做好路由策略，让数据分组根据这些策略寻找到达目的地的路径，或者在出发地和目的地之间人工建立一条专门的通道等。数据网常说的“路由策略”，就是描述寻址问题的。而寻址又和地址编号有密切关系。如果地址编号合理，寻址就会快捷而准确（看，这和我们日常生活中的门牌号码多么相似！合理定义的门牌号码，有助于陌生人快速寻找到目的地）。通信的寻址问题，还包括如何在一个局部区域分配了地址之后，能够让全网知道该地址所在位置。无论是电话网，还是数据网，都各有各的编址方法和寻址方法；移动通信中的FDMA1、TDMA2、CDMA3等技术体制，都有一整套完善的寻址方式。

3、 信息传递的额外要求——优化问题

第3个问题是网络优化。人们改造世界的过程总是这样—先保证解决基本问题，再思考如何用更好的方法解决问题。网络优化，就是在基本的通信问题（如连通性）得以解决后，如何更方便、快捷、安全、经济地规划网络、建设网络、使用网络的问题。

网络优化是通信永恒的主题。节约成本、提高安全性，是网络优化的本职工作。一种新的技术，未必非要带来客户新的体验，而通过降低成本，可能让各种新的业务迅速普及。从这一点来说，网络优化居功至伟！

从一般意义上讲，新的技术都比旧的技术更具有竞争力，用新的技术替代旧的技术，本身就是一种优化。通信技术不断推陈出新的过程，就是对原有技术不断优化的过程。

比如，早期技术只能实现一条线路给两个用户之间传递信息。后来有了复用技术4，多个用户线路共用一条线路，原理是将信号汇聚到某一条特定线路上传送。而复用有两种：确定复用和统计复用。这两种复用方式，分别应用于不同的业务类型，紧密结合各种业务类型的实时性、便捷性、经济性的特点。当然，最终，不同的方式都是为了满足不同人群和业务类型的需求。

从信息实时性角度考虑，任何终端间的信息交互都可以采用两种方式：一种是先建立一条确定的线路然后传送信息，比如全封闭的高速公路，从北京出发，只要进入京津塘高速，收费站出来就到了天津；一种是让每个信息源发出的信息包“一跳一跳（hop-hop）”向下一个网络节点迈进，即采用“存储—转发”模式，就像从天安门到鸟巢，在每个路口都需要选择是直行、左转、右转还是掉头。前一种方式组成的通信网络我们称为“面向连接”的网络，如PSTN、帧中继、ATM、MPLS网络等；而后一种方式组成的通信网络则是“无连接”网络，最典型的是传统IP网络。从唯美的角度看，面向连接更让人赏心悦目，因为一切都遵循计划，按部就班，循规蹈矩。但在实际应用中，以IP为代表的无连接技术却占了上风。





网络优化的另外一个主题是安全。各种密码的暗文传送，各种带宽的灵活控制，各类信息按质量要求被分门别类并被区别对待等，这都是优化的范畴。