第一部分现代通信网络系统

1、第一部分：现代通信网络系统第一部分：现代通信网络系统 Electric & Information College,Hunan University 通通信网络的作用信网络的作用 我们已经进入了我们已经进入了2121世纪。世纪。2121世纪的一些世纪的一些重要特征就是重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是数字化、网络化和信息化，它是一个以通信网络为核心的信息时代。一个以通信网络为核心的信息时代。信息的传信息的传递要依靠通信网络，因此实现信息化离不开完递要依靠通信网络，因此实现信息化离不开完善的通信网络。通信善的通信网络。通信网络已成为信息社会的命网络已成为信息社会的命脉和重要基础。脉

2、和重要基础。1.1 概述概述 通信网络的定义通信网络的定义 通信网络是把多台具有独立功能的通通信网络是把多台具有独立功能的通信终端通过通信设备和线路连接起来，再信终端通过通信设备和线路连接起来，再配有相应的软件，以实现资源共享和相互配有相应的软件，以实现资源共享和相互通信的系统。通信的系统。 从用户的角度看，通信网络是一个透从用户的角度看，通信网络是一个透明的通信传输机构明的通信传输机构。现有几种主要的通信网络现有几种主要的通信网络 电信网络（电话网）电信网络（电话网） 计算机网络计算机网络 有线电视网络有线电视网络 无线网络无线网络1.2 电话网络的演进与反思电话网络的演进与反思电话网络的演

3、进电话网络的演进 18761876年，年，BellBell发明了电话。此时的电话网络传输发明了电话。此时的电话网络传输线路是模拟的，在用户之间通信采用两两简单互联。线路是模拟的，在用户之间通信采用两两简单互联。如果有如果有n n个用户，则需布个用户，则需布n(n-1)/2n(n-1)/2根电话线。根电话线。电话网络的演进电话网络的演进 随着用户数的增加，布线数目呈几何级数增长，随着用户数的增加，布线数目呈几何级数增长，导致导致交换技术交换技术的出现的出现。由于用户分布在不同区域，将。由于用户分布在不同区域，将某区域用户汇接到端局交换机，形成了某区域用户汇接到端局交换机，形成了多端局交换机多端局

4、交换机网络网络。1.n1.m1.n1.m电话网络的演进电话网络的演进 18901890年前后的电话网络，通过手工操作来完年前后的电话网络，通过手工操作来完成交换，建立呼叫的整个过程可能要求若干个接成交换，建立呼叫的整个过程可能要求若干个接线员完成。每响应一次呼叫，就必须为双方建立线员完成。每响应一次呼叫，就必须为双方建立一条电路连接，接线员通过改变连接进行一条电路连接，接线员通过改变连接进行电路交电路交换换。接线员后来被机械交换机替代，。接线员后来被机械交换机替代，100100年后，电年后，电子交换机替代了机械交换机。子交换机替代了机械交换机。电话网络的演进电话网络的演进 从从2020世纪中期

5、开始，电话网络中的每个终端通世纪中期开始，电话网络中的每个终端通过低速专用链路访问当地交换机，交换机之间通过过低速专用链路访问当地交换机，交换机之间通过主干相联。主干线为高速链路，通过复用可以同时主干相联。主干线为高速链路，通过复用可以同时传输多路语音会话传输多路语音会话, ,复用技术复用技术产生。产生。2020世纪后期，世纪后期，电话网络主干链路被分为不同层次的逻辑信道，如电话网络主干链路被分为不同层次的逻辑信道，如北美地区的信道为北美地区的信道为DS1DS1、DS4DS4等，传输速率从等，传输速率从1.544Mbps1.544Mbps到到274.176Mbps274.176Mbps不等。不

6、等。电话网络的演进电话网络的演进 19881988年前后的电话网络，电话端到交换机之年前后的电话网络，电话端到交换机之间是模拟信号，交换机之间是间是模拟信号，交换机之间是数字信号数字信号，使用电子，使用电子交换机及交换机及CCSCCS交换控制信息。交换控制信息。 CCSCCS：Common Channel Signaling,Common Channel Signaling,公共信道公共信道信令。主要功能是将信令。主要功能是将呼叫控制功能从语音传输中分呼叫控制功能从语音传输中分离离。CCSCCS是一种数据通信网络，功能分离有利于通信是一种数据通信网络，功能分离有利于通信商提供新的服务，如呼叫等

7、待、呼叫转移、呼叫返商提供新的服务，如呼叫等待、呼叫转移、呼叫返回等。回等。 电话网络的演进电话网络的演进 从从19801980年开始，电话网络的传输链路年开始，电话网络的传输链路开始使用开始使用光纤链路光纤链路，主干网络使用同步光，主干网络使用同步光纤网络（纤网络（Synchronous Optical Network, Synchronous Optical Network, SONETSONET）。当今主干网最通用的链路是）。当今主干网最通用的链路是OC-OC-3 3、OC-12OC-12、OC-48OC-48，OC-192OC-192链路也开始投链路也开始投入使用。使用波分复用技术，一

8、条单独的入使用。使用波分复用技术，一条单独的光纤可以携带光纤可以携带100100个个OC-192OC-192的链路，速率的链路，速率达到达到1Tbps1Tbps。电话网络的演进电话网络的演进 19901990年后的电话网络一个主要的技术创新是通年后的电话网络一个主要的技术创新是通过过ISDNISDN（Integrated Services Digital Network,Integrated Services Digital Network,综合业务数据网综合业务数据网）将语音和数据信号集成起来，实）将语音和数据信号集成起来，实现多媒体通信。传输线路可以是模拟的或数据的。现多媒体通信。传输线路

9、可以是模拟的或数据的。 目前出现一种替代目前出现一种替代ISDNISDN的新技术为的新技术为ADSLADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line,Asymmetric Digital Subscriber Line,非对称非对称数字用户线路）数字用户线路）。 电话网络的技术创新电话网络的技术创新 电话网络演进过程中的关键技术创新包括：电话网络演进过程中的关键技术创新包括：电路交换电路交换复用技术复用技术数字化处理数字化处理呼叫控制与语音传输相分离呼叫控制与语音传输相分离光纤链路光纤链路综合业务集成等综合业务集成等 电话网络技术的反思电话网络技术的反思电话网络采

10、用电路交换技术，面向连接，即在传送电话网络采用电路交换技术，面向连接，即在传送信号之前，必须先通过信令建立连接；它所承载的信号之前，必须先通过信令建立连接；它所承载的业务是固定速率的端到端连接，其延迟等于电路的业务是固定速率的端到端连接，其延迟等于电路的传播延迟；固定路径，固定带宽，固定时延，以电传播延迟；固定路径，固定带宽，固定时延，以电话连接话连接64kb/s64kb/s为基础；为基础；100100多年来，电话网络尽管在数字化、光纤化、综多年来，电话网络尽管在数字化、光纤化、综合业务等方面有所创新，其语音质量不断提高、服合业务等方面有所创新，其语音质量不断提高、服务更加可靠、价格也稳定下降

11、，但总体感觉这些改务更加可靠、价格也稳定下降，但总体感觉这些改进是缓慢、累积与不明显的。进是缓慢、累积与不明显的。电话网络技术的反思电话网络技术的反思电话网络不适宜于数据传输（数据包长度不定，固电话网络不适宜于数据传输（数据包长度不定，固定带宽电路不能灵活适配）；定带宽电路不能灵活适配）；在传送短数据包时效率低下（为传送此数据包，须在传送短数据包时效率低下（为传送此数据包，须先建立连接，随后需拆除连接）。先建立连接，随后需拆除连接）。由于固定路径，当路径出现拥塞或破坏时，通信将由于固定路径，当路径出现拥塞或破坏时，通信将中断，需重新建立连接。中断，需重新建立连接。网络的网络的“智能体智能体”放

12、在昂贵的交换机中，网络设备放在昂贵的交换机中，网络设备复杂，而终端设备（如电话机）简单，功能很少，复杂，而终端设备（如电话机）简单，功能很少，引入新的服务就需要改变网络基础设施，这种改变引入新的服务就需要改变网络基础设施，这种改变既缓慢又昂贵，需要精心考虑和计划，导致电话网既缓慢又昂贵，需要精心考虑和计划，导致电话网络技术进展缓慢。络技术进展缓慢。计算机网络的演进计算机网络的演进 19461946年第一台计算机诞生，计算机之间并未通信，年第一台计算机诞生，计算机之间并未通信，直到直到19691969年年RS-232-CRS-232-C计算机串口通信标准的实行。该计算机串口通信标准的实行。该标准

13、规定一次传输标准规定一次传输8 8比特的字符，并通过时间间隔分开。比特的字符，并通过时间间隔分开。串行线路的距离与速率都是受到限制的。串行线路的距离与速率都是受到限制的。1.3 计算机计算机网络的演进与反思网络的演进与反思计算机网络的演进计算机网络的演进 2020世纪世纪7070年代同步传输标准增加了传输速率与年代同步传输标准增加了传输速率与传输链路的有效距离。该标准采用同步数据链路控传输链路的有效距离。该标准采用同步数据链路控制（制（Synchronous Data Link Control,SDLC)Synchronous Data Link Control,SDLC)协议，协议，SDLC

14、SDLC将数据按一定的将数据按一定的数据结构数据结构组成一个一个分组，组成一个一个分组，分组头部（分组头部（H H）包含的前导码包括接收者的时钟，通）包含的前导码包括接收者的时钟，通过自同步的编码比特保持相位一致。接收者通过过自同步的编码比特保持相位一致。接收者通过CRCCRC进行错误检测。进行错误检测。SDLCSDLC避免了避免了RS-232-CRS-232-C中连续字符的中连续字符的空白间隔而造成的时间浪费。空白间隔而造成的时间浪费。计算机网络的演进计算机网络的演进 2020世纪世纪6060年代开始，针对多台计算机相连，年代开始，针对多台计算机相连，提出存储转发的提出存储转发的分组交换技术

15、分组交换技术。其传输过程是。其传输过程是源节点向目的节点不断发分组，一个节点接收源节点向目的节点不断发分组，一个节点接收到分组，将检查路由表，并判断使用哪个链路到分组，将检查路由表，并判断使用哪个链路发送该分组。发送该分组。 计算机网络的演进计算机网络的演进 2020世纪世纪6060年代末至年代末至7070年代初，提出年代初，提出多路访问多路访问的连接方法，如以太网，大大的连接方法，如以太网，大大降低了局域网中计算机互连的成本，也降低了局域网中计算机互连的成本，也大大降低了访问广域网的费用。大大降低了访问广域网的费用。计算机网络的演进计算机网络的演进 2020世纪世纪8080年代初，年代初，I

16、BMIBM公司开发了另一种公司开发了另一种多多路访问路访问方法，叫令牌环（方法，叫令牌环（token ring)token ring)，网络中，网络中计算机共享环，如何访问是由令牌传递协议进计算机共享环，如何访问是由令牌传递协议进行控制的。行控制的。计算机网络的演进计算机网络的演进 2020世纪世纪8080年代后期，开发出光纤分布式数据年代后期，开发出光纤分布式数据接口（接口（FDDIFDDI），令牌传递协议用于共享环，计算），令牌传递协议用于共享环，计算机对持有令牌的节点进行计时，保证每个终端能机对持有令牌的节点进行计时，保证每个终端能够在协议时间内进行传输。够在协议时间内进行传输。计算机网

17、络的演进计算机网络的演进 2020世纪世纪9090年代提出年代提出异步传输模式异步传输模式（ATMATM）网）网络。结合了电路交换与分组交换的优点，网络通络。结合了电路交换与分组交换的优点，网络通过过5353字节的信元传输信息，整个网络的吞吐量比字节的信元传输信息，整个网络的吞吐量比FDDIFDDI或者或者100M100M的以太网要大的多。的以太网要大的多。 计算机网络的演进计算机网络的演进 计算机网络的速率从计算机网络的速率从19701970年代到至年代到至今的今的3030年间增长了年间增长了6 6个数量级。个数量级。计算机网络的演进计算机网络的演进 从从2020世纪世纪8080年代开始出现

18、的年代开始出现的InternetInternet是一个全是一个全球性的计算机网络。它是由不同类型和规模的独立运球性的计算机网络。它是由不同类型和规模的独立运行和管理的计算机网络、按照标准协议、通过各种通行和管理的计算机网络、按照标准协议、通过各种通信媒体连接起来所组成的一个世界范围的巨大网络。信媒体连接起来所组成的一个世界范围的巨大网络。现在的现在的InternetInternet网络包括全球范围内成百万个局域网，网络包括全球范围内成百万个局域网，这些局域网通过主干广域网进行互联。这些局域网通过主干广域网进行互联。 TCPTCPIP IP （Transmission Control Proto

19、colTransmission Control ProtocolInternet ProtocolInternet Protocol）是）是InternetInternet互联的标准协议。互联的标准协议。计算机网络的演进计算机网络的演进 InternetInternet在节点的数量、用户、数据量和应在节点的数量、用户、数据量和应用方面正处在爆炸性增长时期，其原因在于用方面正处在爆炸性增长时期，其原因在于IPIP数数据报服务的简单性和层次性的域名及地址分配机据报服务的简单性和层次性的域名及地址分配机制带来的。制带来的。 计算机网络的演进计算机网络的演进 InternetInternet由许多网络

20、支持，又支持各种应用，承载服务由许多网络支持，又支持各种应用，承载服务由简单的由简单的IPIP数据报提供，形成两头大中间小的网络模型。数据报提供，形成两头大中间小的网络模型。 InternetInternet的成功首先在于普通的路由器就能够传输不的成功首先在于普通的路由器就能够传输不同的同的IPIP数据报，数据报， IPIP承载服务的重要特点是，它没有性能上承载服务的重要特点是，它没有性能上的要求，老的慢的路由器可以和新的高性能路由器共存。的要求，老的慢的路由器可以和新的高性能路由器共存。而先进的端主机能够运行复杂的应用程序，因此简单的网而先进的端主机能够运行复杂的应用程序，因此简单的网络基础

21、设施可以兼容广泛的应用。络基础设施可以兼容广泛的应用。 其次，由于域名和其次，由于域名和IPIP地址的分配方式是一种非集中式地址的分配方式是一种非集中式的，所以网络的增长不是按计划而是随机的的，所以网络的增长不是按计划而是随机的。 计算机网络的技术创新计算机网络的技术创新 计算机网络中的关键技术创新为：计算机网络中的关键技术创新为： 数据包中的数据结构；数据包中的数据结构； 分组交换；分组交换； 多路访问方式；多路访问方式； 异步传输模式异步传输模式(ATM)(ATM)； TCP/IPTCP/IP协议体系；协议体系； 综合业务集成等。综合业务集成等。 计算机网络技术的反思计算机网络技术的反思只

22、有只有2020多年历史的计算机网络与电话网络相多年历史的计算机网络与电话网络相比，它的进步很戏剧化。从将一台有打印机比，它的进步很戏剧化。从将一台有打印机的计算机互连到另一台计算机开始，现在，的计算机互连到另一台计算机开始，现在，这些网络已经扩展到可以使全世界的用户进这些网络已经扩展到可以使全世界的用户进行数据、文本、图像、电影、动画等形式的行数据、文本、图像、电影、动画等形式的通信。通信。计算机网络采用分组交换技术，无连接，信计算机网络采用分组交换技术，无连接，信道统计复用，极大提高带宽利用率，适宜用道统计复用，极大提高带宽利用率，适宜用于不定长的突发数据；于不定长的突发数据；计算机网络技术

23、的反思计算机网络技术的反思基于分组交换技术的基于分组交换技术的IPIP数据报在延迟、带宽和数据报在延迟、带宽和数据丢失方面不能提供任何保证，路由器一视数据丢失方面不能提供任何保证，路由器一视同仁处理所有分组，因此不能区分不同的应用同仁处理所有分组，因此不能区分不同的应用与连接；与连接；IPIP地址的匮乏问题；地址的匮乏问题；对实时业务的服务质量问题（对实时业务的服务质量问题（QoSQoS）；）；海量信息挖掘与网络安全问题；海量信息挖掘与网络安全问题；面向动态（变化、移动）网络的问题；面向动态（变化、移动）网络的问题；面向新型的智能网络问题。面向新型的智能网络问题。 有线电视网络的演进有线电视网

24、络的演进 CATVCATV原指共用天线电视。现在指任意的用于传输视频信号的原指共用天线电视。现在指任意的用于传输视频信号的电缆系统以及混合的光纤电缆系统以及混合的光纤/ /电缆（电缆（HFCHFC）系统。）系统。 标准的标准的CATVCATV分发系统如下图所示，中心负责分发模拟视频节分发系统如下图所示，中心负责分发模拟视频节目。若干节目在前端目。若干节目在前端频分复用频分复用并通过排列成单向树的同轴电缆进并通过排列成单向树的同轴电缆进行传输，宽带放大器用于补偿信号的衰减，每个节目占用行传输，宽带放大器用于补偿信号的衰减，每个节目占用6MHz6MHz的的信道。单工通信，所有用户收到相同节目。信道

25、。单工通信，所有用户收到相同节目。1.4 有线电视有线电视网络的演进与反思网络的演进与反思有线电视网络的演进有线电视网络的演进 近年来近年来CATVCATV主要技术创新就是将主要技术创新就是将光纤用于电光纤用于电视信号的远距离传输视信号的远距离传输 （光纤到户），（光纤到户）， 主干传输主干传输为为数字信号数字信号，入户后为同轴电缆及模拟信号，为，入户后为同轴电缆及模拟信号，为增加电视频道数目采用增加电视频道数目采用数据压缩技术（数据压缩技术（MPEG)MPEG)。该。该方案中，方案中，CATVCATV网络仍然是单向的。网络仍然是单向的。有线电视网络的演进有线电视网络的演进 为了提供新的服务，

26、下一步为了提供新的服务，下一步CATVCATV向向双向的网双向的网络络业务发展，主干传输为光纤及数字信号，入户业务发展，主干传输为光纤及数字信号，入户后仍为同轴电缆。后仍为同轴电缆。 有线电视网络的技术创新有线电视网络的技术创新 有线电视网络关键的技术创新有有线电视网络关键的技术创新有：频分复用；频分复用；光纤馈线链路；光纤馈线链路；视频信号数字化；视频信号数字化；数字压缩技术；数字压缩技术；双工通信；双工通信；综合业务服务集成等。综合业务服务集成等。 有线电视网络技术的反思有线电视网络技术的反思技术特点：网络双向化，管理智能化，信号数字化，技术特点：网络双向化，管理智能化，信号数字化，业务多

27、样化；业务多样化； 现有的有线电视网需进行大量的改造工作，如全数现有的有线电视网需进行大量的改造工作，如全数字网络改造，必须投入大量的资金；字网络改造，必须投入大量的资金；高效实用的信息严重不足，限制了业务的开展；高效实用的信息严重不足，限制了业务的开展；目前目前CATVCATV宽带综合业务网尚无国际、国家标准可以宽带综合业务网尚无国际、国家标准可以遵循；遵循；现阶段设备制造商现阶段设备制造商“各自为政各自为政”，开发力量分散，开发力量分散，无法形成产业的规模化效应；无法形成产业的规模化效应；有线电视台在计算机、数据通信和数字传输网络方有线电视台在计算机、数据通信和数字传输网络方面的技术力量储

28、备不足，缺乏综合业务运营经验。面的技术力量储备不足，缺乏综合业务运营经验。 无线网络的演进无线网络的演进 18951895年马可尼实现第一次无线电传输。年马可尼实现第一次无线电传输。 19021902年第一个点到点的无线电报传输链路在美年第一个点到点的无线电报传输链路在美国建立。国建立。 19061906年第一次无线电广播。年第一次无线电广播。 19201920年美国建立第一个商业无线电主站。年美国建立第一个商业无线电主站。 19411941年播出第一个商业电视节目。年播出第一个商业电视节目。 19461946年第一个公共移动电话系统在美国年第一个公共移动电话系统在美国5 5个城市个城市建立。建立。 1.5 无线无线网络的演进与反思网络的演进与反思无线网络的演进无线网络的演进 19471947年第一个微波中继系统在纽约与波士顿年第一个微波中继系统在纽约与波士顿之间运行。之间运行。 19581958年年SCORESCORE通信卫星升空。通信卫星升空。 2020世纪世纪6060年代出现彩色电视。年代出现彩色电视。 19711971年第一个分组交换无线网络在夏威夷开年第一个分组交换无线网络在夏威夷开发成功。发成功。 19811981年第一个模拟蜂窝系统北欧移动电话年第一个模拟蜂窝系统北欧移动电话（NMT)NMT)