语音与数据通信原理：序言






学习目标
当您阅读完本章，您将能够：
● 描述通信的过程
● 理解什么是网络
● 描述在日常过程中语音的使用
● 讨论在网络中语音和数据的传输方式
● 分析通信分层的目的
● 理解生活中所使用的多种技术的名称












引言
欢迎阅读《语音与数据通信原理》！这本书将介绍在商业社会中最令人着迷的一个产业。如果把它作为一个职业生涯来追寻的话，通信可能在所有的时刻都是令人迷惑的、充满挑战的同时也是有利可图的。其他的产业能存在如此多的争议和赞美吗？因为有这些挑战和存在疑惑性的问题，您在这个产业中永远不会感到厌烦。那么，通信是关于什么的呢？本书将为您逐步展开这些话题。
1.1  开端
第1章以语音通信网络作为起始点介绍了通信的组成。本书并没有从所有通信系统的开端开始，而是选择电话的发明作为起始点。下面，定义一下通信。
提示：
通信是经过一段距离以可用和可理解的格式通过某一媒介在发送端和接收端之间交换信息的过程。
本书正是以解释、修正或使用这个定义模型的方式进行处理的。本书究竟是在说什么呢？这里，描述一部分难点可能会更好一些，所以，将这个定义拆分为它的一些基本部分：
1. 信息交换，信息具有多种形式。
1) 信息包括语音。当人们彼此谈话时，就是在交换信息。它可能是与体育相关的信息，例如谁在昨晚赢得了比赛。或者是与教育相关的信息，例如在课堂上从教授那里学习的知识。而且，它可能是隐私的信息，诸如与值得信任的人交换内心最深处的秘密。不论内容是什么，人们都是在通过谈话交流信息。这是当Alexander Graham Bell发明电话机时语音网络最重要的一项功能。Bell的意图是通过语音的方式交换信息。本书将在第2章讨论基本语音的使用。
2) 信息也可能是数据。尽管数据也能以旧的电报和电传打字的形式传递，甚至使用邮政系统也能传递数据，但数据是在电信产业的后期发展起来的。在电报网络中，发送端必须为在远端的人准备好需要发送的信息，而以电报这样的方式传送信息是极其缓慢的(电报按键显示在图1-1中)。有消息需要发送的人将消息写到一张纸上，将它交给受过特别训练的人，然后消息就通过有线系统以一系列电键点和电键破折号被发送出去。在远程的接收端，另外一个受过相当训练的专家，听到这些电子和机械的按键信息，就将该信息逐字地转录下来，直到在接收端重新形成所有被发送的句子或消息。于是，派遣第三方将接收到的信息送到消息接收者的家门口。这种形式的电报不是交互的，不是隐私的，而是单调乏味的，但是它能完成通信的过程。后来，出现了一种新发明——电传打字机，利用此技术，不再需要有特别训练的人，因为电传打字机这个发明包括了标准键盘界面。它实现通信的过程同样是缓慢的，但是用户界面的确更加友好。而且，如果用户使用电传打字机，它可能更具有交互性，但是这项发明被限制在仅能进行数据传输。后来，在20世纪60年代，数据传输与能在计算机之间交互的信息统一在一起。有趣的是，尽管仍然是使用语音网络去携带数据信息，然而这就被称之为数据通信。

图1-1  Samuel Morse 1984年在其线路上首次使用的电报按键是非常简单的——用一条弹性钢片，该钢片控制一个金属触点
本书将用一些章节讨论数据通信，包括通过语音网络的拨号调制实现的数据通信，通过网络、xDSL、同轴电缆利用分组实现的数据通信等等，通过这些介绍将能获得对数据通信更广泛的认识。
3) 信息可能是图像。图像可能是传真、视频图像的形式。这是信息交换的另一个革新，它首先发生在传真机的使用中。当传真机不是很大时，它确实有助于弥补当有些人需要看到一个文件(可能是一个签名)而邮政服务需要花费太长时间时的通信需求。可视通信从1960年到1980年也得到了大力宣传。随着可将传真或视频图像放到电话线上，在城市之间乃至全世界范围内进行传输的技术的发展，更进一步增加了人们对通信的依赖性。
2. 信息处于发送端和接收端之间。假如要交换信息，我们必须假定至少有两方参与其中。如果没有人在那里听或者接收我们的讲话，那么谈话还有什么意义呢？偶尔，我们可能会自言自语，而且回答自己的问题或对自己的评论给出响应。于是，我们同时是发送端和接收端！然而，本书假定发送端和接收端是两个不同的实体。信息是被传送到一个新的接收端。因此，本书中提到的通信都假定有两个实体参与其中(这些实体可能是人、计算机、终端机和传真机等)。
3. 信息传输一段距离。希腊字“tele”意思是“从很远处”。在通信世界中的距离可能是很近或很远的距离。当我们将一张纸的文本从我们的计算机发送到与计算机相连的打印机时，它实际上只传输了几英尺。当我们在长途网络上拨通一个连接，例如在纽约和洛杉矶之间，则我们的通信传输了3000英里。因此，无论距离是多少，真实的情况是信息必须传输一段距离(或长或短)。
4. 信息通过媒介传输。需要某种介质在发送端与接收端之间携带信息。在前面计算机和打印机的例子中，距离可能是3~6英尺，一般使用电缆连接计算机和打印机。然而，如果增加其他的通信能力，就要引入新的媒介。总体上，存在如下几种不同的媒介：
1) 铜线(或被称为非遮蔽双绞线)作为媒介。因此，在电话通信的时代，可以使用可在国际间传递信息的铜线，这就是Bell一直试图实现的，尽管还只是局域的通信。
2) 现在，无线电波被用于携带信息已经几十年了。在图1-2中图示了在1895年由意大利人Guglielmo Marconi制造的第一台无线电发射机。长距离微波通信出现在20世纪30~40年代的后期，而且直到今天，它还用于国际间的电话。卫星通信出现在20世纪60年代。卫星通信在今天仍然很受欢迎，它可以在全世界范围内传送信息。较新的无线电系统，例如无线局域网(WLAN)，能在很短的距离内(通常在局部区域内可达到300英尺)传送信息。1984年，蜂窝电话在业界崭露头角，而且从那时起它的发展就没有停下过，它为人们提供了遍布全球的局域或长途电话网的无线接入。

图1-2  第一台Marconi无线电发射机，Villa Grifone，Bologna，1895年
3) 通过玻璃或塑料线，光纤可用于传送信息。光纤的不同在于它们多用在局域的电话公司和长距离网络中，将成千上万的呼叫和信息传遍全球。如图1-3所示的是一根光纤和一捆双绞线的对比。

图1-3  一根光纤比电缆束直径小，但是它能传送许多倍于电缆的通话
4) 同轴电缆只是铜线，但它是不同的。它最初是20世纪50~60年代期间用于在电话公司之间传送语音通信的一个发明。后来，产生了以娱乐形式传递单向视频通信的有线电视(CATV)。它依然是发送端-接收端的传输系统。随着后来的技术革新，原来只能传送单向视频的同轴电缆现在经过改进可以高速(但是非对称)传送双向因特网数据，并增加了双向语音通信。在图1-4中显示了同轴电缆的结构。

图1-4  同轴电缆可以传输视频信息并支持Internet接入。目前，CATV公司能够提供视频电话，这就意味着电缆能够传送语音、数据和视频业务
5) 电力线。是的，从电力公司传送电能，可以驱动灯、计算机和所有的其他通信器件的电力线现在也能用作传输媒介。在电传输中，它已经是一种传输媒介了。但是现在有方法可以实现在发送电流的同一电线上发送数据流、高速因特网接入以及最终实现VoIP。如图1-5所示的，就是众所周知的BPL(电力线宽带)，这是一种新出现的技术。

图1-5  使用旁通滤波器使电力公司能在传输电力的同一电缆上传送高速Internet业务
5. 通信必须是可懂的。交流信息，信息以一种共同的格式被接收和理解，如果不能理解发送端正在发送什么，那么经过一段距离并通过很多媒介的所有这些传输还有什么意义呢？它必须以可用和可理解的格式发送。例如，如果我们在地球的另一端发送传真给您，然而您的传真机与我们的传真机不是同一种类型的，那它就不能接收了。更糟糕的是，它可能可以接收，但是因为设备的不兼容性，它可能输出的全部是乱码信息。那么传真又有什么价值呢？接收完全不可读的传真没有任何价值。如果从美国发送电视广播到英国，同样会出现这种情况。您可能会说，“那会有什么问题啊？”。在美国，使用的电视系统是在国家电视系统委员会(NTSC，National Television System Committee)所制定的标准定义下操作，这个标准是1953年在美国推出的彩色电视标准(这个委员会现在被称为国家电视标准委员会)。在英国，使用称为逐行倒相(PAL，Phase Alternating Line)制式的标准。PAL电视标准20世纪60年代早期在欧洲引入。这是两个操作不同的不同标准，不能直接互相操作。再看一个例子，一些人可能使用Windows操作系统的计算机，而其他人可能使用Macintosh机器。我们都知道在一个操作系统上不能使用为其他机器的不同操作系统所编写的程序。
因此，必须以可用和可理解的格式将信息传输到准备接收该信息的装置，这是必需的工作方式。如果向一台PAL制式的电视机发起一次传输，那么在接收装置能接收该传输之前，传输的格式必须以某种方式被置于PAL制式。否则，就不能工作了。这是一个规则，如果不遵守这个规则，彼此之间就不能通信。
1.2  组织
本书试图去做的就是将通信技术拆分，一次讲解其中一个部分，然后剖析它们。因此，您能更好地理解这些技术是什么，它们是如何工作的，以及它们将会为您做些什么。本书从电话发明的讨论开始，它是在1874年由苏格兰出生的贝尔(Alexander Graham Bell)发明的。1876年贝尔在美国为他的发明申请了专利，1877年，在加拿大，贝尔的父亲Melville Bell获得加拿大电话专利的75%。在随后的两年内，Melville Bell将他的加拿大贝尔专利份额全部卖给了National Bell，即AT&T的前身。
在1878年6月29日，贝尔电话公司成立，并授权在全美推广电话服务。在1878年之初，强大的西部联盟电报公司进入电话业务，拥有Thomas Edison 发明的发射机和Elisha Gray发明的接收机，西联宣称这些产品优于贝尔提供的产品。这样的情况将贝尔公司推到了破产的边缘。在绝望之时，贝尔以侵犯专利的名义起诉西联。在1879年的诉讼以西联承认侵犯贝尔专利并承诺退出电话业务的结果而告终。贝尔系统承诺购买西联的资产并承诺放弃在其击败的竞争者正经营的那些区域的电报业的任何收益。
贝尔专利在1893年和1894年到期。在随后的三年内，在全国涌现出超过6000家独立的非贝尔的电话公司。他们中的大部分开始为贝尔公司没有涉足的乡村地区提供服务。一些公司冒险进入人口稠密的地区并与贝尔公司竞争。
美国和加拿大都见证了电信业这样的成长，在第一个100年内累积超过了10亿用户。经过100年的发展在全球出现了第一个10亿的有线电话。记住这个数字组合，因为它显示了电话业的成长是一个漫长和枯燥的过程。电话实际上是改变这个世界的装置。不要忽视这一点。
电话机在形式和格式上经历了无数的变化。在其早期，如图1-6所示的，贝尔电话看起来非常恐怖。

图1-6  贝尔发明的电话的最初模型，使用起来很笨拙。最初的电话没有手柄，因此它还需要进一步的改进
1.3  网络
各式各样的演变中的产品图片有助于了解产品的起源和其组件在数年里的改进过程。您能够想像到如果今天使用过去那些老设备的情形吗？我们会倒退到100年前，重复那种缓慢、沉闷、陈旧的生产过程。而现在，您选择电信产业作为您的专业领域，您将能够得知电信产业是什么，它将会向什么方向发展。
如果没有连接终端的通信媒介网络，电话本身就什么也不是。在电信产业的初期，连通是绝对必需的。需要有线网络将站点连接起来，并允许会话的消息在它们之间传递。那么，什么是网络呢？
网络是将所有器件连接到一起的一系列互联。当谈到“装置”时，必须包括电话网、电话交换机、计算机以及很多其他日常能看到和使用的设备。这一系列的互联允许信息(语音、数据、视频、电子邮件和消息等)通过连接传送。如图1-7所示的，它们可以是电话公司的双绞线本地环路。

图1-7  电话公司使用本地环路接通用户。本地环路由非屏蔽双绞线对组成，对数最大可达到1200对，该图为200对
在第3章，描述了在电信业的早期这些部分是如何集合到一起以形成公共交换电话网(PSTN)的。PSTN是一组局域电话公司的网络，它们始于贝尔电话系统，并被互联到AT&T、MCI、Sprint和很多其他的远距离电话网络。PSTN是商业和政府共同拥有的、在全球以语音为导向的、互联的、公共电话网络的集合。它也被称为普通常规电话业务(POTS)。PSTN是从Alexander Bell时期发展而来的电路交换电话网络的集合体。今天，除了从中心(局域)电话局到用户的最后一段连接，在技术上几乎完全是数字的。这样方式的网络是一种无定形的网络云(经常被这样描述)，它使人们能接入这些网络的服务。一旦语音、数据或任何其他信息进入这个网络，就不知道在其内部发生了什么(例如它可能发生的路由)，但是信息不可思议地以它必需的方式和格式出现在远端。用户不知道信息是如何到达远端的，只是知道它到达那里了。这个网络有很多的拥有者，但是因为使其透明的互操作性，它整体上被看作一个网络云。正如您在图1-8能看到的那样，网络云使用户能够与远端通信。使用具有11位数的寻址方案(1位用于表示长话，剩下10位用于表示电话号码)，北美编码计划(NANP，North American Numbering Plan)使之成为可能。在第2章介绍电信网络时，将了解到这个编码。

图1-8  PSTN是通过很多种技术将一系列“网络云”链接在一起的结构，但是它能使用户实现端到端的连接，而无论用户在什么地方
1.4  呼叫控制
在第4章，通过描述7号信令系统，揭示了网络在其内部和网络之间通信的方式。使用计算机网络来控制是电信网络的一大进步。通过将这些复杂的计算机数据库连接起来，电话网络能在亚秒级时间内处理呼叫需求(呼叫建立)。而且，该连接以完全冗余的方式建立，因此，如果沿途有一个单元失效(或假设50%的单元失效)，呼叫仍然能成功，虽然需要更多一点的时间。PSTN是一项重要的服务。这意味着如果您摔倒或不能起床了，需要休息，保证当您拨打911需求帮助时，呼叫不仅必须接通急救服务(火警、匪警、救护车等)，而且也要显示出您的来电号码、您电话号码所在的街道地址以及其他重要的信息。这都需要这些数据库来实现。如果它们不能完成这样的工作，您可能会等待很长很长的时间。
随着网络的发展，信令系统也被放到前端去接入每个网络操作员的不同数据库并使它们统一化。于是，在一个网络上的特征、功能和服务就能以可用和可理解的方式被格式化。通过使用一组复杂的现在称之为智能网(IN)和高级智能网(AIN)的数据库，这些特征可以被加强。这些技术的扩展使网络的用户可以在任何时刻、任何地点以任意方式访问这些特征。
因此，7号信令系统的网络提供端到端的必要连接和传送必要特征。图1-9显示了一个7号信令系统的网络使用互操作性方案提供网络智能的例子。

图1-9  7号信令网络通过它自己的网络将智能业务和数据库连接在一起
1.5  转变
本书将带您到达一个新的高度。例如，在第5章，讨论模拟通信和数据通信的概念。这部分的关键是要您熟悉将基本语音通信转化为数据通信所必需的技术术语和技术概念。您可能认为在计算机中的数据不是信息，而是根据语音格式变换成的一串“1”和“0”的数据。还将描述被所有网络运营商所使用的T载波网络。这些运营商将他们的网络用数字载波连接到一起(数字载波携带了信息)，这比模拟语音的成本更低、质量更高甚至更稳定。如果Alexander Bell能看到网络带来的变化，他一定会感到非常骄傲，但同时也可能会非常敬畏。谁能想像在一对线缆上(用于语音交谈的非屏蔽双绞线)能同时连接多对用户。我们称该连接过程为复用(Multiplexing)。通过在每个方向上将很多谈话(说24个可能更精确些)复用到一对线缆上，网络获得了更进一步的发展——更快、更好和更便宜的通信方式。而且，通过在更少的线缆上获得更多的信息(语音或数据)，通信技术也得到了发展——在提高质量的同时更有效率。多么棒的概念！突然之间，更好的通信，更少的线，更便宜的价格，而且更多接入。您要特别注意第5章，因为它描述了通信产业数字化革命的开端。从每个发展历程看，我们将从T1到T2乃至T3，建立数字化起点，而T1到T2乃至T3仅是发展复用规范以得到更快通信、更多信道以及更低价格的一种方法。
如果您回首了解一下T1，就会知道T1并没有引起人们太多的兴奋，但是对于一些人这的确会造成进退两难的状况。回到20世纪60年代早期，那时T1首次被安装使用，严格地讲，它是电话公司使用的一种服务。用户对电话公司的压力迫使他们创建一种新的服务。在1974年，Bud从迈阿密的Boston到芝家哥的Santa Clara将他的第一个T1安装在一个公司的环境下。安装这个电路花了一年的时间，每月花费70 000美元。这在当时几乎没有公司能承担这样的花费。但是，我们说过它具有更低的成本。安装在两点之间的单条线路代替了两点之间24条的长距离信道，而这些单条长距离信道的累计成本是84 000美元。因此，您就能明白当人们说它是更好(数字比模拟更干净，更少噪声)、更快(如果您能承担这个设备，信道就能以1 544 000b/s的速度传输，而电话线以低于9600b/s的速度传输)和更便宜时意味着什么了。在图1-10中，显示了将很多部分连接到一起的典型T1连接。

图1-10  使用T1将语音和数据接入PSTN和因特网
顺便提一下，如果今天想在Boston和Santa Clara之间订购T1，那可能仅花一星期的时间来安装，而且花费可能低于每月10000美元。由此可以看出网络的快速发展。在相同的接入中连接语音和数据意味着T1允许在通信网络中有更大的灵活性。
1.6  ISDN和SONET
在全面讨论T载波高速通信之前，我们需要了解一下拨号电话线。
需要说明的观点是：重要的服务必须始终是大多数人能买得起的，否则没有人愿意拥有家用电话线。假如明天电话公司来找您并宣布他们打算将您的拨号线(花费可能是平均每月25美元到35美元)迅速有效地从模拟连接(今天，它依然在使用着)改变为数字连接，您将如何呢？为实现这个改变，他们打算重新配置网络以在您的家门口给您一个T1。不同的是，您现在使用的本地环路将变为每月花费300美元的T1。顺便提一下，那只会让您接入PSTN。您打的任何电话都要承担一个长途费用，本书将在第3章讨论这个问题。喔！每月300美元，仅为了拨号电话。实际上，如果电话公司为用户提供到家门口的T1，这还只是起始价，它可能会涨高到每月2800美元之多。
电话公司将做些什么？为向数字时代演进引导整个产业标准和所有的运营商去开发不是很贵的、用于传输的新业务，而同时还能比模拟网络更好更快。因此，产业提出了一个称之为综合业务数字网(ISDN，Integrated Services Digital Networks)的术语，本书将在第6章讨论它。对于住宅和小生意的应用，到门口数字化的第一步可以是在双绞线环路(本地环路)上发送信息并使用很多的旧设备。称作基本速率接口(BRI)的ISDN基本业务正是用户所需要的。它每月平均花费仅50美元。您可能认为这还是太多了，是的。然而，每月50美元为您买了两条拨号线路(相当于)，而且依然为您提供在通话时接收消息的能力。因此，如果您将每月25到35美元的双拨号价格加起来，就不会觉得贵了。这个改变的不同点就是在同一环路上可以同时有语音和数据(尽管这体现为两条分离的线路)，而且它将全部是数字的，这意味着更高质量的语音和更快的数据速率。读者应该了解关于ISDN是如何工作的信息，但是应该明白ISDN在美国根本就不流行。它在欧洲和世界的很多其他地方安装的比较多，但是在美国和加拿大，ISDN多少有一些受冷落。我们最好知道它是什么以及它是如何工作的，因为有一天我们可能必须面对它。在图1-11中显示了最基本形式的s线路。

图1-11  ISDN能在相同的线路上使用两路同步连接，而且它们都是数字的
正当用户认为可以使用T1和ISDN的服务以获得更好、更快和更便宜的通信服务时，在产业中又展开了一场新的运动。光网络的使用开始激增。使用光纤是好的，但是它需要一个接口将用户的语音和数据转化为光信号并沿着玻璃或塑料线传送。因此，用户需要在光纤上使用某种特定的格式和控制。另外，必须认识到当用户将要把所有的单个电话连接，比如10000个电话捆绑到一根玻璃线上，并且一定要有一种获得信息的办法时。这个方法就是同步光网络(SONET)，这将在第6章全面介绍。

为了对SONET有点概念，我们抄录了在光纤上能用的格式和信息处理方法。而且，本书探究了在光纤网络上能获得的速率。有什么能比传输速度和工作方式的比较，以及北美和全世界其他地方的传输速度的对比更能说明问题的呢？今天，能处理几十亿比特每秒速度的通信系统。将来，可能就是每秒几万亿比特的信息。图1-12显示了光纤网络的基本布局，它表示了到核心网的光连接。

图1-12  光纤回路能将每秒几十亿比特的速率接入因特网和电话网络中
1.7  标准
对于通信网络的所有部分来说，一个最大的问题和最大的风险是它们可能不能一起在同一个网络中工作。在第7章，本书将深入研究一些标准的设定机构，以及这些机构在开发规则(本书称之为“协议”)时发挥的作用。如果所有的运营商根据标准建立，那么这就是一个非常简单的网络。然而，贪婪、市场定位和傲慢自大总是可能体现为对设定标准的排斥。网络标准的一个例子是被称之为开放系统互联的参考模型(OSI)。当您试图在网络中将不同的器件连接或联结在一起时，这个标准汇集了需要考虑的步骤或层安排。如果所有的公司遵从这个模型，那么就可以实现很多制造商和电话公司的网络之间的透明通信。尽管这个模型自1984年左右已经建立，但是它从来没有被完全执行。然而，它已经被采用为一个参考，而且人们总是会问“它在什么层工作？”，这意味着尽管OSI模型没有被完全执行，但它依然被用作一个指导。因此，作为一个可比较的模型，本书将考虑OSI。然后，考虑被称作传输控制协议/因特网协议(TCP/IP)的模型，并了解它是如何在整个产业中确立的。尽管本书提到基于分层标准的OSI模型，但本书却更多地执行TCP/IP模型。当谈到TCP/IP模型时，本书通常提到的IP指一个3层协议，而且它确实如此，而且本书会将它与OSI进行比较。
必须理解的是，这些国际上接受的标准和随后的诸如TCP/IP标准需要保持统一，并保护终端用户，避免可能出现的无道德的制造商设计的简化。尽管本书不想攻击制造业，但必须认识到在过去那是“买家需要小心”的世界。标准有助于在必须承担的设备投资成本上保护用户的利益。图1-13显示了OSI与TCP/IP的对比，左边是OSI模型，右边是TCP/IP层。阅读第7章理解它们的不同，并理解设置的每一层用于完成什么功能。
应用层

FTP、Telnet
SMTP、SNMP、RTP
表示层


会话层


传输层

TCP、UDP
网络层

IP
链路层

任意子网
物理层


图1-13  OSI是一个七层协议栈，而TCP/IP协议栈是四层的
1.8  数据
在考察了语音通信、电话公司和网络的演进之后，必须理解的是，为传送语音，专门建立了一些通信网络。从1876年到20世纪60年代早期，就基本上是这样的情况。因为语音通信的使用，网络才繁荣起来。然后，一个新的世界开始出现：需要数据传输应用的世界。计算机技术开始从计算机房(也被称作“玻璃房”)转移到桌面上。随着这样的转移，用户需要在这些计算机上访问他们的信息。本地获得这些信息不是大问题，在城市间或国际间获得这些信息就需要更多的智慧了。为提供这种信息访问，数据通信产业诞生了。现在已经有遍布全球的语音网络，而且它几乎是无处不在。因此，为使信息(现在称为“数据”)可利用，人们开始使用电话网络。必须做的一切就是使数据看起来像语音一样，这样它就能同样地工作了。于是，在第8章，本书讨论了电路交换的数据通信。第8章解释了数据如何形成，如何在网络中传输，以及怎样被确认。这个部分也深入讨论了怎样通过使用复用技术来充分利用链路以便在传输线上得到更高的数据速率。我们不仅能处理未充分利用的链路，而且也能通过压缩数据(因为数据冗余时能将数据压缩)调整过于拥塞的链路。第8章也讨论了通过使用调制解调器，如何实现数据传输。当数据速率足以证明专有线路是物有所值时，另一个对比是在PSTN中的虚拟专用线路。图1-14为在拨号线路或租借线路中调制解调通信的图形表示。该图说明了数据通信的规则如何能使得该处理在语音网络上近似是透明工作的。当然，这里假定了调制解调器连接到了广域网(WAN)的局部终端器件上。

图1-14  调制解调器能使得在语音网络中传输数据
1.9  因特网的出现
随着电话网络中通信技术的发展，出现了一些新技术，然而另一个网络的演变正在同时产生。因特网是一些政府基金的副产物，用于在数据网而不是语音网内传输数据。但是这种情况不久就发生了变化，在第7章涉及“标准”的部分，会讨论使用TCP/IP向世界开放的数据网络标准的概念。但是到底什么是因特网呢？因特网是网络的网络，但这没有解释我们所问的问题。可能讨论因特网做什么而不是它是什么更合适一些，所以在第9章，本书介绍的是因特网的应用。因特网是能让完全不同的机器或网络之间交换信息的全能技术。请牢记关于标准的讨论是怎样地解释了终端用户面对他/她购买的设备或网络工具时的风险？因特网充分地利用了这些单元的透明性。在第7章，讨论了文本和图形内容，在这个透明的网络中它们可能是共享的。
因特网服务提供商(ISP)作为电话公司的竞争者，他们使用电话公司的线路将计算机技术连接起来。ISP提供到无定形的因特网的拨号连接或专用接入。只要发送的数据在两个终端之间透明地传输(正确地传输)，在网络内部发生了什么根本不重要。这就是这个产业发展的情况——以合理的价格实现透明通信。因特网也改变了通过广域网发送数据的方式。不再是端到端的拨号连接，而是拨号到最近的结点，然后通过因特网传输数据，这无疑节约了相关的成本。图1-15给出了一个我们所使用的数据因特网的网络模型。

图1-15  因特网是由很多运营商拥有的互联网络组成的，可提供工作和居家的业务
1.10  局域网
当我们讨论数据通信时，把它描述为连接WAN的手段，然后，连入因特网在整个世界范围内传送数据。然而，数据在桌面上产生，而且，很多时候这些数据也只需要在很近的用户之间传输。于是，出现了地理范围小于一英里距离的数据传输系统。这就是局域网(LAN)，它用于向一组需要共享资源的局域用户高速发送数据。这些共享的资源可能包括文件、打印机、服务器以及信件。因此，LAN是典型的在短距离内通过通信媒介(电缆或双绞线、光纤、同轴电缆以及无线)传输数据的局域数据传输系统。
和任何网络一样，一定有一系列的互联，它们将服务连接起来以便这些服务能被共享。于是，相比于工作在Kb/s(千量级)数据速率的拨号电话网，这些连接提供了Mb/s(百万量级)的数据速率。今天，在任何办公室环境中，都有LAN的存在。而且，在允许连接到因特网或拨号电话网的同时，它们可以连接到高速内部服务，然后再将它们连接到高速外部通信。许多家庭和小办公室也建立了LAN。
第10章将介绍不同形式和类型的LAN、使用的典型连接、可获得的速度以及覆盖的距离。图1-16显示了一个有很多连接和链路的以太局域网。

图1-16  无线局域网实现了本地和漫游用户的连接，并通过连接到有线局域网扩展覆盖面积
在讨论了以太网和令牌网之后，第10章涉及了最新的配置——WLAN。让我们来面对它吧，未来将更多地涉及无线网络。当速度和元件成熟时，产业将转向由无线LAN提供的移动方案上。因此，第10章的回顾对我们来说特别重要。现在，更多的外部高速接入因特网的运营商(有线电视公司和电话公司)都提供到他们接入设备的无线LAN连接，毫无疑问，您已经接触到它们了。因此，这是将许多分离网络(例如LAN、无线、因特网、在企业和住宅区网络内的所有移动数据)整合到一起的一个开端。
1.11  分组、帧和信元
现在，我们理解了数据的重要性，网络运营商不断地为我们提供更高速和更大带宽的连接以高速传输数据，而WAN也在不断地改进以容纳这样的数据，因此本书应该围绕这些“旧式马车”讨论数据传输的方式。对于调制解调，本书将在第8章描述，核心思想是以连续方式在PSTN中发送数据。串行数据传输比较经济，所以在初期就实现了。如果能用不同方式传输数据，且能够更快、更好及更便宜当然更好了。第11章讨论了这个问题。但是，怎样才能改变连续的格式呢？要做的第一件事情就是以不同的格式创建数据。在1974年，建立了X.25标准，该标准将数据传输规范到一种高可靠性机制中，即分组(packet)。这些X.25分组是为保证具有完整性和可靠性的数据传输的第一次尝试。然而，古谚语“有得必有失”一点都不错，如果需要保证数据的正确发送，就必须付出更多代价，具体表现为延迟、更少的容量以及更高的成本。第11章讨论了业界试图克服这些问题的方法，即减小数据的发送量，并把包分为更小的分组，而每个小分组都有它自己的地址信息。我们把分组(使用X.25)比作有一张纸在里面的授权信封。在外边，有需要获得的、它将被送往何处的所有地址信息。而且，授权过程要求信息被准确签署和准确确认。正如您可以想像的，所有这些特殊的处理和确认将使事情变得缓慢下来，但是获得了有保证的数据发送和发送的可靠性。
多年之后(1974~1992)，业界开始考虑消除这些开销。如何去做要涉及到很多原则。首先，分组被扩展为称为帧的更大数据块。这些帧更大，因此开销成比例地减少。接下来，由于光纤的广泛使用，所以网络更可靠，该方法使得每一步的正确性检查可以去除或减少，这一点将在第6章讨论。如果使用不同的发送机制(光纤)，错误会减少，那么可靠性也以更少的开销来保证。很有意思，是不是？恩，如果一切都是完美的，这个概念就毫无瑕疵了。然而，这不是一个完美的世界，梦想破裂了。于是，还是要回到最初去寻找解决问题的下一个最好方法。
在网络中进一步投资的结果是异步传输模式(ATM)的建立，当然，它的目标依然是追求更快、更好、更便宜。ATM对应于一个特殊的传输系统，即SONET(使用在全球被广泛应用的光钎)。而且，分组被减小为固定大小的信元，比以前用到的任何东西都小，但产生了更大的开销。开销与传送的数据的比率在升高！这与我们一直追求的目标相违背。实际的思想是信元更小，那么它们在网络中转移得就更快，这是对额外开销的补偿。光纤很少产生错误，因此可获得更快的传输速度。当综合考虑所有这些因素，信元(使用ATM)成为最近一次技术革命中人们狂热追求的目标。
当整个世界都在努力创造更新、更先进的信元时，有眼光的业界人士已经很快地从X.25分组、帧中继的帧和ATM信元转向对IP分组的关注。这些分组(IP)可封装在X.25分组中。IP分组也可以封装在帧中传输，而且这些分组也能被切开并分成更小的信元，然后在接收端重新组装。这意味着数据可以以任意形式在任意媒介中高可靠性地传送。
所有的这些使我们获得了一些认识，那就是，数据也可以在LAN中的LAN帧内传送，这与以前讨论的WAN帧不同。而且，IP分组也可以放置在LAN帧中。因此，我们有了能在帧或信元内传送的分组，至于分组在哪里取决于连接在哪里。这听起来很迷惑吗？那么，请注意阅读在第11章中关于在WAN中传送数据的方式的讨论。图1-17显示了一个WAN网络图。

图1-17  分组、帧和信元是处理数据传输的不同方式
1.12  xDSL世界的碰撞
另外一个刚刚出现并很快成熟的领域就是数字用户线路，在第12章介绍了其所有的内容。电话公司实际上非常乐于为他们的客户提供拨号数据业务或专用线业务。当需要的时候，他们将光纤拉到大的公司以满足他们高速数据的需求。后来，出现了1996通信法案，并为竞争打开了方便之门。随着这些电话运营商努力开拓市场份额，竞争性的本地运营商(CLEC)业务繁荣起来。尽管他们雄心勃勃，却没有按他们应该准备的去打这场战斗。然而，当这些运营商开始提供数据业务，他们对新的市场造成了威胁，电话公司并没有准备好如何应对市场份额的流失。因此，在现有的局域数字用户线路(双绞线)上提供新的高速服务开始非常流行。您或许还没意识到电话公司并不是那么精于数据通信，特别是当机会自己呈现在市场上时。人们认为运营商将是数据通信领域绝对的冠军，结果恰恰是相反的。早期，当处于正常发生的停工期时，安装对于客户来说遇到了很大困难。目标的重要数据不能确信能在这些连接上传输，即使是Ma Bell在维护这些电路。xDSL提供了将很多迄今为止介绍的多种技术结合在一起的能力。第一种方式是使用封装在LAN (诸如在桌面上的以太网)帧中的IP分组的数据。被加到以太网的数据是路由器器件和调制解调器(通常组合起来，其中，调制解调器使用ATM信元)在用做电话呼叫的相同线路上传送的数据。此处的不同在于，调制解调器工作在电话线上的更高频谱上，因此，能同时传送语音和高速数据。在电话局或在连接光纤的转接结点处理这些信元。传送这些信元的光纤将连接到因特网，其中这些信元是IP数据分组的更小单元。我们还能要求什么呢？
您可能会特别注意到在这种新方式中使用的那些旧铜线的基础设施。本质上讲，这是利用语音的方式传送数据(至少在频谱上是这样)。也要特别注意我们以扩展多信道的方式将数据调制到线上的方式，其中每个信道传送一路数据。而且众所周知，您也将看到在不同xDSL模式上可获得的不同速率。您将看到的是现在的电话公司为发送他们最初称为T1的高端数字服务所做的改变。现在本书称之为HDSL或SDSL，旧的东西又成为新的了！如果您遵循整个这样的发展思路，并看到xDSL将走向何处，可以预见它会被电话公司用于试图向用户家发送更高速率语音、数据和视频(娱乐)。这为电话公司实现光纤到户(FTTH)或至少光纤到路(FTTC)提供了途径。在图1-18中显示了所有能被铺设到xDSL上的器件的例子。

图1-18  xDSL将数据和语音组合到单一铜线对上，并在铜线和光纤上共同使用分组、帧和信元。随着这些技术的成熟，有更多的业务可以实现
1.13  作为电话媒介的有线电视网
到现在，您的脑袋可能被本书编织的很多服务、技术和参与者的网络搞得晕头转向。但是，这还没有完！1996年的法案为新的参与者进入市场敞开了大门——有线电视运营商。这些公司已经拥有了一种同轴电缆的铜线到户的形式。安装这些电缆将多个电视信道从有线电视公司单向传送到用户门口。在第13章本书讨论了有线电视公司到电话和数据公司的转变。传统上，有线电视是单向服务，而且严格上是娱乐媒介。那是围绕规则情形设计的形态，因为有线电视可能一直就应该是双向机制。现在，有线调制解调器的加入为用户提供了双向高速的数据传输系统，并接入因特网。而且，有线电视也能发送数字技术。这样，在单一媒介上，它们能发送语音、数据(高速因特网)和电视形式的视频。通过在骨干网安装(升级为)光纤以及在局部安装同轴电缆，基础设施有一些变化。一个有线电视公司还需要什么呢？就像电信产业试图转向数字业务一样，有线电视公司在转向他们以前陌生的数据和电信领域时经历了同样艰苦的过程。而且，电话业务是非常重要的服务(意味着已经建立了99.99%或更好可用的网络)。在另一方面，有线电视总是被认为是娱乐产业(意味着90%或更少可用)。如果有线电视不能工作了，技术工人可能在悠闲的时候修理它。但是如果是电话需要，如果发生过多的停工，它可能就失去生命力了。从家或小办公室加入的重要数据遭到毁坏可能同样糟糕。因此，有线电视很快进入这个产业，而且其xDSL业务比电话公司卖得更多。更多的家庭已经安装了有线电视，因此，逻辑扩展从因特网接入开始，然后慢慢转向电信。
一个有线调制解调器增加必要的服务是将在以太网上的高速共享接入提供给用户，以及将在家庭内部的以太网(或小办公室)提供到桌上或个人计算机。此处的不同在于有线电视提供30Mb/s的下行速率和仅1.5Mb/s的上行速率。图1-19显示了光纤、同轴电缆服务以及住宅区和企业网络的分布系统。

图1-19  有线电视业务将电话公司、有线电视公司和因特网服务提供商的典型业务整合了起来
1.14  无线网络
通过几个运营商，差不多所有的通信产业部分都凑齐了。电信产业的另外一个方面，即无线通信，在1984年引入蜂窝通信后开始兴旺起来。在第14章，描述了无线产业方面所作的努力。本书首先试图描述无线的概念，然后引向基础设施。接下来，接入方法和复用方法的使用使得在更少的频率上(信道)得到更多用户，而很多的调制方法也增加了通信网络的难度。在第14章通过多个无线通信网络的生成指出了解决这个难题的方法。本书也探讨了从模拟网络到数据网络的很多接入方法(TDMA、CDMA和GSM)各自的竞争优势。对于蜂窝通信的重点，本书讨论了移动通信是如何工作的，以及从这样的移动期望得到什么。当下一代的无线网络朝我们涌来时，我们支持更好、更快和更便宜的无线接入的引入。第三代无线世界将连接无线通信、高速数据接入和因特网接入。而且，我们也希望看到LAN和WAN更多地进入无线。运营商之间的竞争在于执行下一代的方式和方法。在他们试图以超过2Mb/s的速度在WAN中发送高速接入时，出现了WLAN技术，并与WAN融合。您可以看到我们必须一直站在产业的最新发展的顶端。否则，两年以后，我们曾知道的关于网络的一切将可能成为过去时。第14章描述了我们最感兴趣的在任意时间、任意地点和任意方式处理语音、数据和因特网融合的细节。如果您从事这个行业，您将处于技术的前沿。即使您是偶尔的观察者，因为在接下来的一些年将面对一些服务，所以，您也将陷入这个技术中。我们可以确信这一点。
对于未来无线世界的观察也包括今天提供数据和语音的蜂窝/GSM服务。新的即将到来的服务包括到手持机的实时视频流。图1-20显示了将所有业务集成到一起的情形。

图1-20  当前，语音和数据网络都是单一的无线网络，但是在将来，所有业务都将更紧密和紧凑地融合在一起
现在，我们对本书绝大部分内容有了大概了解，我们可以用一幅图涵盖所有的有线和无线网络的融合。这样的融合将帮助用户使用已经讨论过的任何一种技术在家门口就能实现有线和无线接入。在图1-21中描绘了在家庭内部使用这些服务的样子，以及外边连接的情况。因特网和局域网通信在用户需要一个连接的任何时刻、任何地点总是可以实现的，并创建出比现实更便宜、更好和更快捷的技术实现。我们确信，到目前为止，读过这个绪论后，您会既兴奋又疲倦。而且很可能是这样！这是语音与数据通信原理的纵览。图1-21描绘了未来可能引入的其中之一的网络模式。

图1-21  无论我们现在在哪或将来需要什么服务，无线业务都将把我们连接在一起。这里，本地环路补充了xDSL、CATV、光纤、卫星和POTS并通过无线接入局域网，但在将来在城域网也可能实现这样的接入
1.15  安全性问题
在本书最后一章里，即第15章，讨论了通信产业的一个问题：安全性。令人不安的是，一旦某个公司或用户选择使用我们已经讨论过的任何技术，其他人就会花费时间去试图发现如何破坏该服务或从我们这里盗窃它的方法。许多工业间谍的案子已经记录在案了。今天，时常会收到一些关于正分布在网络上的新型计算机病毒的警告或关于一些黑客入侵一些公司的报道。似乎我们选用的工具并不重要，风险在持续增加。风险很大程度上存在于在WAN或因特网中的数据传输。因此，本书特别讨论了安全性问题。在第15章中，本书试图教会您辩识风险的类型，特别是在使用IP时。讨论了如何使用VPN工具，保护在网络中传输的信息。第15章可以自成一卷，所以请仔细阅读。尽管它没有囊括全部风险，它也经过精心设计以为您提供保护数据的迷你手册。如果您从第15章得到最多的就是风险的意识，那我们就很满足了。
本书也会使您了解一些在WLAN中遇到的术语，例如攻击者、黑客、破解以及salami攻击。本书另外一个深入研究的领域是包括动机、方式和机会的犯罪三角。如果您能打破这个三角，那您就能破坏这些攻击。本书希望可以给您一种危机感。
最后，希望您浏览一下本书列出来的保护数据的例子。学习完本书后，相信您已经对本书在开始时列出的一些原则有了相对全面的了解。祝您好运，自由地把握机会，与您的导师和同学讨论这些技术吧。这是一本试图开启这种口头交流形式的通信书籍。

??

语音与数据通信原理

第1章  语音与数据通信原理：序言

22


21