微型机与应用
MICROCOMPUTER & ITS APPLICATIONS
2000 Vol.19 No.3 P.4-5,16



21世纪的信息高速公路(一)
李海泉
　　摘 要：全面、系统地介绍了信息高速公路的提出和发展,网络技术的发展和目前的水平及其应用。
　　关键词：信息高速公路 计算机网络 高速局域网 高速广域网 多媒体网和智能网
　　人类即将进入21世纪,新材料、新能源、生物、空间和信息等5大高新科技领域已取得许多重大突破和进展,其中以信息科技尤其突出。信息科技的飞速发展使人类已进入了以信息爆炸为特征的信息时代。为了适应信息时代的迫切需要,一种高速新型信息主干线——信息高速公路（Information Highway）应运而生。
1 信息高速公路是信息时代的需要
　　所谓信息高速公路是指以电子、计算机、通信和信息技术综合和集成的全球数字化的高速多媒体信息网络,其信息传输速率要达到Gb/s或Tb/s级,可连接各种计算机、高性能工作站、图像终端、语音设备、智能设备、知识系统和各种应用系统,能同时提供数据、语音、文字、图形和图像等多媒体服务,所有通信平台要做到无缝连接,即统一标准、互相开放、互相联通、互相操作、使用的系统。它具有以下的层次结构:
　　1.传输层次。它负责信息的传输,主要是以光纤为主体的高速率、大容量、宽频带的传输干线,并输之以电缆、卫星、移动通信等多媒体、多接入的传输手段。
　　2.网络层次。主要指以ATM为主体的多媒体综合交换设施和智能化监控、调度和管理、服务的网络系统。其目的是交换信息,控制、调度和管理网络,以提高运行效益。
　　3.终端系统。主要包括电信类的电话、传真,计算机类的数据处理和传输设备,声像类的有线电视、可视图文、立体声设备,等等。这类设备是为了给用户提供方便使用各种媒体信息的手段。随着各类信号的数字化和标准化,这三类终端将逐步合并成具有统一接口的多媒体终端设备。
　　4.信息服务。这是建设信息高速公路的目的。它只有提供丰富的信息服务,满足社会信息化的需要,才能得到广泛应用和支持。它不仅包括原有的电话、传真等传统服务,还要提供电子邮政、信息查询、分布计算、资源共享、可视电话、电视会议、交互式电视转播等服务。
2 信息高速公路的发展
　　1991年美国高速公路法案创始人Albert.Gore的儿子Al.Gore副总统提出了信息高速公路法案。该法案很快被美国国会批准通过。其目标是在全国范围内建立为民众普遍服务的以计算机网络为基础,以光纤为主干线的宽带高速电子数据传输系统。1997年底克林顿政府投资29亿美元,建设全美Gb/s级的科研教育网,并在此基础上对建设信息高速公路进行立法,引导企业竞争。太平洋贝尔公司在7年内投资150亿美元建设多媒体信息高速公路。全美信息高速公路横跨美国东西两岸,投资已达4000亿美元。目前美国的大学和科研部门及公司已得到国际部高级研究计划局和国家自然科学基金会的资助,正在深入研究信息高速公路的体系结构、通信协议规范、多媒体综合业务、ATM交换网、ISDN交换网以及应用系统等技术。此项计划的实施给美国乃至全球的政治、经济、文化和社会生活带来深远影响。目前由美国国防部建设的Internet网截止1998年底通过卫星已连接世界上178个国家和地区,包括4000个网络中心和2600多万个计算机网络,使用该网的用户已达6500万个,全球用户已超过1.5亿个。我国教育科研网Cennet也与Internet相连,三年内我国已有500所大学和科研单位上网,上网计算机已超过146万台,上网人数已达400万人。估计到2000年底,我国上网单位可增加到1500个,用户将达1亿人。
　　信息高速公路不可能在1个国家孤立地实现,因此在1994年西方七国部长会议上提出了实施全球信息基础设施,即信息高速公路实施的若干原则。世界各发达国家都制定了建造信息高速公路的战略计划,建设和发展本国乃至全球的信息高速公路,欧洲共同体积极支持该方案,现已建成综合带宽通信网。德国、法国、意大利和西班牙等国已逐步建成泛欧高速信息网并成功应用,最终将建成传输速率可达几Gb/s的ATM网,营运全欧。为了配合该计划实施,欧洲共同体还制造了一套高清晰度数字电视（HDTV）计划,已投资8.5亿欧元,计划再投资2亿欧元。为了加快信息高速公路建设,欧共体还制定了一个R&D示范计划。其中信息及通信方面的投资约占38亿欧元。此外,每年还增加50～80亿欧元用于信息高速公路的建设。
　　除美国、欧共体之外,其它国家也在纷纷投资建设信息高速公路。加拿大积极引导全加投资建设信息高速公路。新加坡投资12.5亿美元,建设国家光纤工程,目前已完成计划的90%。韩国也宣布建设“超高速信息网络”,已投资58亿美元建成B-ISDN网络,并将在2015年建成Gb/s级高速信息网。
　　日本计划实施“研究信息流通新干线网”,拟建连接全国大学和研究所的高速数据网络,以对各类超级计算机和学术研究数据库进行统一管理。它以筑波科学园和关西文化学术研究城为中心建成高速光纤网,最终与美欧联网,计划投资1200亿美元。已于1995年建成高级通信网,计划用20年时间建成全日信息高速公路。预计到2015年把光缆铺到每个企业和用户家中,进行多媒体服务。
由于各国的积极努力,已初步建成全球信息高速公路,各国科技人员均可利用它为科研、教学、生产和生活服务。
3 高速局域网的飞速发展
　　计算机网络是信息高速公路的基础设施,20多年来得到了飞速发展。局域网、城域网和广域网先后得到长足的发展和广泛应用。特别是20世纪90年代以来,各种高速局域网、宽带综合业务数字网络和ATM网络等广域网,以及多媒体和智能网相继投入市场,与此同时光纤通信、个人通信和移动通信等技术也得到迅猛发展,有力地促进了信息高速公路的发展。
　　高速局域网络的发展,主要解决以下问题:①高传输率;②有效的传输协议;③低延迟;④低误码率;⑤高抗电磁干扰性。局域网络按拓朴结构可以分为总线网、环网、星网、树网、多通道网、光纤网、分布式网络和快速以太网等几种。
　　1.高速总线网。高速总线网的种类比较多,先后研制出Expressnet、Fasnet、D-net、Buzznet、Z-net、X-net和分布式双总线结构（DQQB）等种类。这类总线网较有源环形网络具有更高的可靠性。该类网络结构有直线式双总线,单折叠式单向总线、双折叠式单向总线以及双总线等形式。
　　Z-Net和X-Net二种网络都是高速总线结构中的皎皎者。它们采用单向双光纤总线结构,与较早采用的Fasnet和Buzznet网结构相似,其区别仅在于Z-Net网有1个有源交换装置和1个无源交换装置。该有源交换装置可通过1个外加电压,截断总线上的传输信号;而无源装置主要将自上游节点的信号转换到下游去。这种网络采用兼有随机和控制模式的混合访问协议机制,具有较高的信道利用率和信息延迟特性（延迟趋于0）。
　　2.高速环网。高速环形网络先后搞出剑桥环、快速剑桥环和光纤式数据接口。快速剑桥环（CFR）采用同轴电缆或光纤作传输介质,信道速率可达100Mb/s,网的结构可由1个或多个环路构成,可连接一般站点、监控站或网桥等不同类型的节点。研究表明,若CFR只包含1个具有7个节点的单环,且只有1个时间片,则最大点对点带宽为36.5Mb/s,而在信道片时间模式下带宽为72.7Mb/s。研究还表明,在1个固定尺寸的环中,提高时钟频率能改善系统带宽。为了提高点对点带宽,可采用具有多个网桥的多个小环结构,且使信息传输时间减少。
　　3.高速树形网。高速树形网有Hubnet、CAMB和Tree-Net等种类。Hubnet网由1对有根树互连而成,用光纤作传输介质。该树被称为广播树（Broadcast Tree）或选择树,2树的树根在中心集线处被连接起来。树上的内部节点叫子集线器（Subhub）,站点可通过一种网络访问控制器（NAC）的智能设备连接到每一棵树上,形成树的叶节点。每个NAC连接多个站点,相当于站和网络之间的接口。
　　4.高速多通道网。这种网络先后研制并应用了CSMA网、多级跳跃网、桥网和曼哈顿街区网络等典型网络。其中格网和曼哈顿街区网络可分别作为广域网（WWW）和城域网（MAN）,并有许多独特的性能。
　　格（Mesh）网络在拓朴结构中,各站点一般是通过专用的点对点链路相互连接起来。若2个站点之间的信息交互较频繁,则可通过有向链路直接连接起来。这种网在WAN中应用较多。该网有2个优点,一是增加了并行传输的可能性,有效地提高了网络的吞吐量;二是与环网和总线网相比,具有良好的容错能力和坚定性,一旦某段链路发生故障,它不致波及全网。
　　曼哈顿街区网络（MSN）是一种对称的格形拓朴结构,并包含偶数个行和列,同一行或同一列上的各站间被连接成双向环路。每个站点均有2条输入和输出链路。网中环路的访问控制可采用时间片环和寄存器插入环等信道访问技术。研究表明,与传统的环、总线或星形网络相比,MSN具有更高的吞吐量、可靠性、容错能力和通信保密性,尤其作为MAN,MSN更显示出独特的优越性。
　　5.光纤网。光纤分布数据接口FDDI是一种高速光纤网络,其传输率可达100Mb/s,最大距离可达200km,最多可接1000个站点。它采用光纤作传输介质,其结构实质上是令牌环与分布式双环计算机网络（DDLN）的结合物。这类网络有FDDI、FDDI-Ⅱ和FFDL3类产品。FDDI-Ⅱ是一种改进的FDDI网络,能处理同步线路交换的、用于传输声音的PCM数据或ISDN通信以及传统的数据通信。FFOL是一种增强的FDDI,比FDDI和FDDI-Ⅱ产品性能更好。目前已有100多个厂家生产光纤网络产品。它具有高数据传输率、高抗电磁干扰性、低误码率、信号衰减小、传输速率高的优点,还具有环形网络的访问确定性和实时性强以及覆盖距离远的特点,既可作局域网,也可以作城域网或更大区域的广域网连接,还可以用来组建宽带综合数字网络。这种网络可以双向传输数据（一个为顺时针方向,另一个为逆时针方向）,当一个环发生故障时,另一个环可用作备份。当2个环在同一地点发生故障时,2个环可以合成1个环,长度几乎增加1倍。现在使用的光纤网络,其数据传输率已达到2.4Gb/s或更高。连接各类速率的局域网的FDDI网络如图1所示。

图1 连接各种局域网的FDDI网络
　　6.快速以太网。快速以太网（Fast Ethernet）是一个新的IEEE局域网标准,1995年完成。它提供100Mb/s的速率,因此正式命名为100Base-T。它和传统的以太网（10Base-T）一样,采用星形拓朴结构,使用同样的线缆（电缆、光缆和无屏蔽双绞线UTP）,同样的软件,同样的访问控制协议,即CSMP/CD,只是将时间参量加速10倍。它采用3种100 Base发送接收器（T4、Tx、Fx）,其中Fx的最大传输距离可达2km,而其它2种仅支持100m,支持交换技术、全双工技术和多媒体应用。它具有以下特点:可支持更多个端口,可用于庞大的网络;具有100Mb/s的速率;具有更大的缓冲和更好的地址过滤功能;具有一些新的管理工具,可以帮助用户正确地选择网络部件以及进行有序的控制。具有层次结构的快速以太网如图2所示。

图2 层次式100Mb/s链路结构
—未完待续—
李海泉（西安石油学院计算机系710065）
参考文献
1，胡道元.Internet网络技术及其应用.北京:清华大学出版社,1998
2，李腊元.计算机局域网理论及技术.北京:国防工业出版社,1997
3，李海泉.计算机系统的安全技术与方法.西安:西安电子科技大学出版社,1997
4，李海泉.可靠性、可维性、可用性—微机系统的RAS技术.北京：清华大学出版社,1996
5，李海泉.计算机网络的安全与保密.西安:西安石油学院出版,1999
6，李海泉.高档微机系统的故障诊断与维护.北京:科学出版社,1999
(收稿日期：1999-10-20)
