Microsoft PowerPoint - 第1章1-sunec1 [兼容模式]

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衣钱
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1 通信网理论与技术主讲人 : 孙恩昌北京工业大学电控学院 1

2 课程介绍本课程先修课信号与系统随机过程计算机原理等 2 2

3 课程介绍教学目标本课程是电子通信类专业的一门重要课程, 既是基础理论课, 又是一门专业性的课程通过该课程的学习, 使学生打下良好的网络理论基础, 并初步培养学生对通信网络系统进行分析设计和优化的能力课程要求掌握通信网络的基本结构和协议体系的基本概念 ; 熟悉通信网络系统的时延分析及路由选择基本原理 ; 掌握流量和拥塞控制的主要技术方法 ; 能够进行初步的网络结构设计 3 3

4 教学参考书李建东, 盛敏, 通信网络基础 ( 第二版 ), 北京 : 高等教育出版社,2011. 周炯磐主编, 通信网理论基础 ( 修订版 ), 人民邮电出版社,2009. Bruce Hajek,, Communication o Network Analysis,2006. 王海涛等译, 通信网基本概念与主体结构 ( 第 2 版 ), 清华大学出版社,

5 课程安排第一章通信网络概论及数学基础第二章端到端的传输协议第三章网络的时延分析第四章多址技术第五章路由算法第六章流量和拥塞控制第七章网络结构设计 5 5

6 第 1 章通信网络概论及数学基础 6

7 主要内容 1.1 通信网络的基本构成 1.2 协议体系及分层的概念通信网络中的数学基础 1.4 通信网络的基本理论问题 7

8 1.1 通信网络的基本构成数据传输链路数据传输网络网络的互连 8

9 通信网络的基本构成传输的链路 ( 电话线光纤 ) 用户终端路由器程控交换机 ( 电话机传真机计算机 ) 9

10 通信网络的分类用户活动的类型 : 移动固定业务的种类 : 电话计算机数据多媒体传输媒介 : 有线无线技术体制 :ATM 交换体制电路交换体制分组转发体制应用领域 : 军用民用 / 公用专用通信网络举例 : 固定电话网移动通信网 ATM 网络局域网 IP 网络等 10

11 通信网络举例 (1) 11

12 通信网络举例 (2) 它包括的网络 ( 通常称为子网 ) 有 :ATM(Asynchronous Transfer Mode, 异步转移模式 ) 网络 X.25 分组数据网 PSTN(Public Switched Telephone Network, 公用电话交换网 )/ISDN(Integrated Service Digital Network, 综合业务数字网 ) 移动通信网/ 卫星通信网 FDDI(Fiber Distributed Data Interface, 光纤分布式数据接口 ) 环网局域网及高速骨干核心网等整个网络通过以 WDM(Wavelength Division Multiplexing, 波分复用 ) 链路作为核心路由器的高速通道路由器的高速通道, 形成高速信息传输平台, 将上述各子网互连互通, 可形成一个无缝覆盖的网络 12

13 通信网络举例 (3) 路由器是网络互连的核心设备, 它负责分组 ( 分组是由若干数据比特组成的可进行独立传输的数据块, 其长度为几十个字节到几千个字节 ) 的转发和为各个分组选择适当的传输路径 ( 铁路运输的货运站集装箱码头 ) 13

14 通信网络举例 (4) Interface Linecards Receive Buffering 由于路由器的存在, 可以将任一用户 ( 用户 A) 的分组, 通过一个最优的路由 ( 用户 A 路由器 R13 路由器 R1 路由器 R3 ATM 网络路由器 R14 用户 G) 转发给任一目的用户 ( 用户 G) ( 图 1-2) es 由器 R1 路由器 R3 ATM 10G Transmit Buffering Interconnect ( Crossbar+ Scheduler) Interfaces Receive Buffering Transmit Buffering 14

15 通信网络举例 (5) 在该网络中, 以分组作为载体来运载不同类型的业务这些业务可以是话音图像视频, 也可以是电子邮件 Web 业务等等为了向用户提供不同的服务, 除通信网络本身以外, 网络中还挂有不同类型的服务器, 如 S1 S2 S3 等因此在通信网中, 通信的双方可以是人与人机器与机器人与机器等, 通信的形式既可以是一个用户对一个用户, 也可以是一个用户对多个用户或多个用户对多个用户 15

16 数据传输链路 (1) 所谓数据传输链路是指在物理传输媒传输媒介 ( 如双绞线同轴电缆光纤微波传输系统卫星传输电路等 ) 上利用一定的传输标准 ( 它通常规定了电气接口调制解调的方式数据编码的方式比特同步帧格式和复分接的方式等 ) 形成的传输规定速率 ( 和格式 ) 的数据比特通道 16

17 1.1.1 数据传输链路 (2) 数据传输链路分为两大类 : 一类是用户到网络节点 ( 路由器或交换机 ) 之间的链路 ( 简称为接入链路 ); 另一类是网络节点 ( 路由器或交换机 ) 到网络节点 ( 路由器或交换机 ) 之间的链路 ( 简称为网络链路 ) 17

18 数据传输链路 (3) 接入链路有多种形式, 如 Modem( 调制解调器 ) 链路 xdsl 链路 ISDN 链路无线链路 ( 移动通信和卫星通信链路 ) 局域网链路等例如 :xdsl 链路是通过数字技术, 对 PSTN 端局 ( 本地电话交换机 ) 到用户终端之间的线路进行改造而成的数字用户线 DSL(Digital Subscriber Line) DSL 的前缀 x 表示不同的传输方案例如 :ADSL(Asymmetric DSL, 非对称数字用户线 ) 的上行速率为 640 kb/s~1 Mb/s, 下行速率为 6~8Mb/s; HDSL(High Speed DSL) 上下行速率相同, 均为 768kb/s 或 1.5Mb/s;VDSL(Very High Speed DSL) 下行速率 12.96Mb/s 25Mb/s 52Mb/s, 上行速率为 1.6~2.3Mb/s 18

19 ADSL 例如 : DMT full rate downstream (up to 8Mbps) DMT full rate upstream (up to 640Kbps) G.lite ADSL downstream (up to 1.5Mbps) G.lite ADSL upstream (up to 512Kbps) RJ-11 Port for Connection to ADSL Four 10/100Mbps Ethernet Ports for Connection to Computers 19

20 Cable Modem 例如 : The DCM-201 has a maximum downloading speed at 38Mbps (256 QAM) and a maximum uploading speed at 10Mbps (16 QAM). The DCM-201 uses the Reed-Solomon error correction method for data packet integrity. Downstream Modulation: 64QAM,256QAM Frequency Range: MHz Upstream Modulation: QPSK, 16QAM Frequency Range: 5-42MHz 20

21 局域网链路局域网链路中最典型的是以太网 (Ethernet) 链路, 在双绞线上可传输的峰值数据速率为 10Mb/s 100Mb/s 1000 Mb/s 这是在办公室环境下, 最常用的接入方式 21

22 GPRS / CDMA 链路高速上网 : 支持 GPRS class 8 ; 支持最高 53.6Kbps 的下载速度双频支持 : GSM 双频 (900MHz/1.8GHz) CDMA 上网卡 : 数据传输速率最高达 256Kbps, 实际接入速度平均可达每秒 233Kbps, 网速是 GPRS 的 3-4 倍, 拨号上网 (56KB) 的 4 倍,CDMA 网络升级到 3G, 无需更换设备速度更可高达 1.9MBps 22

23 1.1.1 数据传输链路 (4) 网络链路也有多种形式, 如 : 帧中继 SDH WDM 等例如 :SDH(Synchronous Digital Hierachy, 同步数字系列 ) 是在美国贝尔实验室提出的 SONET(Synchronous Optical Network, 光同步数字网 ) 的基础上制定的技术标准, 它具有一套标准化的结构等级 STM-N(N=1,4, 16, 64 ), 它们的传输速率分别为 STM-1 ( Mb/s),STM-4( Mb/s), STM-16 ( Mb/s ), STM-64 ( Mb/s) 23

24 数据传输链路 (5) 光波分复用 (WDM,Wave Length Division Multiplexing) 技术是在一根光纤中能同时传输多个波长光信号的一种技术在发端将不同波长的光信号组合 ( 复用 ) 起来在接收端又将组合的光信号分开 ( 解复用 ) 并送到不同的终端目前在一根光纤上可提供的数据速率为 Gb/s( 第一个数字 4 为波长数, 第二个数字 2.5 为每一波长上的速率, 后同 ) Gb/s, Gb/s Gb/s 等, 理论上可达 5 Tb/s 的传输速率 24

25 数据传输网络 (1) 数据传输网络的基本功能是通过网络中的交换机 ( 或路由设备 ) 运载用户业务的分组, 选择合适的传输链路, 从而使这些分组迅速可靠地传送到目的用户 ( 一个分组经过的所有传输链路的集合称为一条路径 ( 或路由 )) 在数据传输网络中, 要传送的基本内容称为消息 (Message) 根据不同的应用场合, 消息可有不同的含义比如, 消息可以是一份电子邮件 ( ), 一份文件, 一幅图像, 25

26 数据传输网络 (2) 会话过程 (Session): i A B 在要进行交互操作的场合, 如 :A 可以发一个消息给 B,B 可以发一个应答给 A, 双方需要交互多次才可完成信息交换的过程, 或者说, 双方需要按一定的顺序交换大量的消息称这样一个消息的序列为一个会话过程 (Session) 26

27 数据传输网络 (2) 数据传输网络必须保证每一个会话过程可靠个会话过程可靠及时高效地完成典型的数据传输网络 : 分组交换网和 ATM 网等 27

28 1. 分组交换网 (1) 在分组交换网中, 将消息分成许多比较短的格式化的数据块称为分组 (Packet) 进行传输和交换每一个分组由若干比特的数据组成每一个分组通常包括一个附加的分组头分组头个附加的分组头分组头指明该分组的目的节点及其他网络控制信息在每一个网络节点中采用存储转发的工作方式来将输入的分组送到选定的输出链路上 ( 这种按照一定的规则 ( 路由算法 ) 将输入分组送到选定的输出链路上的过程称为交换 ) 分组交换网如图 1-3 所示 28

29 1. 分组交换网 (2) 重装消息 A 分段节点的交换过程 29

30 1. 分组交换网 (2) 如何选择一条合适的传输路径? 基本方式 : 虚电路方式数据报方式 30

31 1. 分组交换网 (3) 在虚电路方式中, 在一个会话过程开始时, 确定 S D 的一条逻辑通路 ( 即实际分组传输时才占用物理链路, 无分组传输时不占用物理链路此时物理链路可用于其他用户分组的传输 ) 会话过程中所有的分组都沿此逻辑通道进行例如图 1-3(a) 的 S D 之间为消息 A 建立了一条逻辑通路每一条逻辑通路中的逻辑链路可用一个虚电路号 (VCn) 来表示 31

32 1. 分组交换网 (4) B A 在数据报方式中, 为会话过程中的每一个分组独立地选择路由, 也就是 S D 之间一次会话过程中的分组可以独立地选择路径 A, 路径 B 或路径 C 或其他路径因而, 到达目的节点 D 的分组所经过的链路可能各不相同 C 32

33 电路交换交换网络控制系统电路交换 ( 或称线路交换 ) 是指根据用户的呼叫请求, 将输入物理电路直接与输出物理电路相连接的一种交换技术电路交换机在功能上等效为一个开关矩阵, 当某一输入电路要与某一输出电路相连时输出电路相连时, 则将对应的开关闭合, 形成直接的通路在电路交换网中, 在双方通信之前, 需要在双方建立一条直接的物理通路, 在通信结束后, 要拆除该物理通路在通信过程中, 收发双方独占该道物理通路在电路交换方式中, 信息的传输具有很短的时延, 且可以保持收发双方严格的同步关系但与分组交换相比, 链路使用效率相对较低 33

34 2.ATM 网络 (1) ATM(Asynchronous Transfer Mode) 是在传统电话网使用的电路交换以及分组交换网基础上发展起来的一种交换技术, 可以较好地支持不同速率不同种类的宽带信息交换 34

35 2.ATM 网络 (2) 它与分组交换的差别是采用一个全网统一的固定长度的分组 ( 称之为信元 ) 进行传输和交换 ATM 网络中, 信元的长度为 53 个字节, 其中 5 个字节为信元头,48 个字节用来运载信息好处 : 由于信元长度和格式固定, 可用硬件电路对信元进行处理, 因而缩短了每一个信元的处理时间它采用面向连接 ( 即虚电路 ) 方式, 以提高信息传送的实时性 ATM 设计是以光纤传输为基础, 因此在传输链路上采用了非常简单的差错控制和流量控制等措施, 提高了信元在网络中的传输速率 35

36 2.ATM 网络 (3) A ATM 网络交换机 X 交换机 H 交换机 K 交换机 Y B UNI NNI NNI UNI ATM 用户 ( 终端 ) 到 ATM 交换机 ( 网络 ) 之间的接口称为 UNI(User-Network Interface, 用户网络接口 ) 交换机 ( 网络节点 ) 之间的接口称为 NNI(Network- Node Interface, 网络节点接口 ) 36

37 2.ATM 网络 (4) 字节 ATM 信元 5 48 首部净负荷 UNI 接口比特 NNI 接口比特 GFC VPI VCI PT HEC CLP VPI VCI PT HEC ATM 的信元格式 :UNI 接口和 NNI 接口的信元格式除前 12 个比特格式不同外, 其余格式完全相同 GFC(Generic Flow Control) 是流量控制比特 VPI/VCI 用来表示信元传递的路径其中,VPI(Virtual Path Identifier) 是虚通道标识 ;VCI(Virtual Channel Identifier) 是虚信道标识 PT(Payload Type, 负荷类型 ) 用来区分该信元是用户信息还是控制信息 CLP(Cell Loss Priority, 信元丢失优先级 ) 指示信元的丢失优先级 HEC(Header Error Control, 信元头差错控制 ) 提供信元头四个字节的差错控制, 可进行多个比特的检错和单个比特的纠错 37

38 2.ATM 网络 (5) ATM 信元传输和交换的过程 ATM 网络 A (8,17) X (6,35) (9,26) 1 Z Y (2,55) B 入端口入 (VPI,VCI) 出端口出 (VPI,VCI) 入端入, 出端出, 4 (8,17) 2 (6,35) 入端口入 (VPI,VCI) VCI) 出端口出 (VPI,VCI) VCI) 4 (9,26) 2 (2,55) 入端口入 (VPI,VCI) 出端口出 (VPI,VCI) 4 (6,35) 3 (9,26) 38

39 2.ATM 网络 (6) ATM 信元通常是在 SDH 链路上进行传输的为了支持不同类型的业务,ATM 网络向用户提供四种类别的服务, 即 A 类 B 类 C 类和 D 类服务类别是根据业务的比特率是固定的还是可变的源节点到目的节点是否需要同步以及是面向连接还是无连接来划分的对于不同类别的业务,ATM 网络采用不同的适配方法 ( 即如何将业务比特流分段, 形成数据协议单元 (CS-PDU), 再如何将 CS- PDU 分成信元, 最后如何有效地传输这些信元 ) 这些适配的方法称为 AAL1~AAL5 39

40 2.ATM 网络 (7) AAL1 支持 A 类 : 恒定比特流收发需要定时关系面向连接的业务 AAL2 支持 B 类 : 可变比特流收发需要定时关系且面向连接的业务 ( 如话音和图像等业务 ) AAL3/4 支持 C 类 /D 类业务, 服务既可以是面向连接的也可以是无连接的, 支持的业务可以是报文模式也可以是流模式 AAL5 为面向连接的应用提供更为有效的运载措施 40

41 网络的互连 (1) 前面两个小节, 我们主要讨论的是一个子网内的问题, 这时所有的链路具有相同特性, 采用某种数据传输链路协议和寻址方式, 通过交换设备来实现子网内的路由选择和信息交换当多个 ( 不同传输和交换方式的 ) 子网要互联互通构成一个大的网络时, 需要采用路由器 ( 设备 ) 如图 1-5 所示 41

42 网络的互连 (2) 子网 A 局域网核心网 IP/MPLS 子网 B ATM 网络 ATM 租用线子网 C WLAN 42

43 网络的互连 (3) 路由器的基本功能有两个 : 一是根据路由表, 将报文 (datagram) 发送到正确的目的地 ; 二是维持和更新决定报文传输路径的路由表路由表中指明到达目的地应将报文送入与路由器相连的哪一个子网输入端口输入子网输出子网输出端口 1 子网 C 子网 A 2 2 子网 A 子网 B 3 3 子网 B 子网 C 1 43

44 网络的互连 (4) 路由器工作方式是 : 从接收报文中提取目的地址, 并确定该地址中的网络号, 查找路由表以获得与该目标网络相匹配的表项该表项包括报文应到达的下一网络及到达下一网络的必要信息 ( 如对应的路由器输出端口 ) 报文被封装在选定的输出端口的数据帧中 ( 采用输出子网的数据格式 ), 并由输出端口输出 44

45 网络的互连 (5) 为了实现全网互连需要两个基本条件 : 一是全网统一编址, 二是路由算法编址解决如何区分网络中的节点用户终端等, 例如, 在 Internet 中是采用 IP 地址来区分路由器服务器用户计算机等路由算法解决从源到目的地之间应经过的子网路由器网络节点等例如, 可以采用从源到目的地经过的路由器最少的原则来选择一条路由 45

46 网络的互连 (6) 路由器区别于交换机的关键特征是它可连接使用不同物理传输媒介具有不同传输协议的数据链路在一个典型的网络中, 通常会有一种以上的局域网 (LAN) 和广域网 (WAN) 技术, 而每个子网都有独立的数据链路传输协议和寻址方式 46

47 习题

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Microsoft PowerPoint - chapter1a.ppt 通信网络基础盛敏 Information Science Institute, Xidian University msheng@mail.xidian.edu.cn http://pcn.xidian.edu.cn/msheng/ 参考书信息网络理论基础 - 李建东, 西安电子科技大学 Data Networks - Second Edition, Dimitri Bertsekas Computer