信息传输原理与应用信息传输-资料包-教案1-第三章

1、第3章信息网络基础 3.1信息网络的基本知识 3.1.1信息网络的基本概述1信息网络的形成 网络的形成分为三个不同的阶段：一是利用专用的机房，昂贵的设备组成的计算机终端网络阶段。二是以通信子网为中心，资源子网在外围的计算机通信网络阶段。三是遵循OSI开放系统互连的开放式和标准化，组成全球性信息网络阶段。 2信息网络的分类 网络按地域或覆盖范围可以分为广域网WAN、城域网MAN和局域网LAN。按网络拓扑结构可以分为星形网、树形网、环形网、总线形网。按信息交换的方式分为电路交换网、分组交换网、综合交换网。而按通信介质分为双绞线网、同轴线网、光纤网、卫星网。 3信息网络标准化组织 （1）国际标准化组

2、织ISO（International Orgnization for Standardization）： （2）电子电器工程师协会IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）： （3）美国国家标准局ANSI（American National Standards Institute）： （4）电子工业协会EIA/TIA（Electronic Industries Association/Telecomm Industries Association）： （5）国际电信联盟ITUT（International Telecomm U

3、nion）： （6）INTERNET行动委员会IAB（Internet Architectrue Board）： 3.1.2信息网络的功能和服务 1信息网络的基本功能 （1）资源共享功能（2）终端设备间的通信功能 （3）均衡负荷（4）分布处理功能 （5）集中处理功能 （6）提高可靠性 （7）综合信息服务功能 （8）提高系统的性能价格比。使网络维护更方便、扩展更灵活。 2信息网络的基本服务 （1） 文件服务 （2） 应用服务（3）消息服务 （4）打印服务 （5）数据库服务（6）集中式和分布式网络服务 3.1.3信息网络结构 1信息网络的组成 网络主要由通信子网和资源子网组成 （1）通信子网 通信

4、子网主要由通信设备和通信线路组成，不同的网络会有不同的通信子网组成，其任务是在端节点之间传送由信息组成的报文。（2）资源子网 资源子网是数据处理子网，它是通信服务的使用者。由网上的用户主机组成。通信子网部分用于主机与通信子网的连接，资源子网部分用于数据处理和资源共享。 2信息网络通信方式 （1）点点通信方式 点到点通信有星形、环形、树形等拓扑结构（2）广播通信方式广播通信方式有总路线形、环形、任意形等拓扑结构。 3信息网络性能的指标 带宽（bandwidth）和延迟（delay）是衡量网络性能的两个主要指标。（1）带宽是描述网络上数据在一定时刻从一个节点传送到任意节点的信息量。 （2）网络的时

5、延（延迟）网络的时延是节点间数据传送的时间。它定义了网络把一位数据从一个网络节点传送到另一个网络节点所需要的时间。网络延迟主要由传导延迟（propagation delay）、交换延迟（switching delay）、介质访问延迟（access delay）和队列延迟（queuing delay）组成。 3.1.4 信息网络硬件 1服务器和客户机 2网卡（接口卡、适配卡） 3同轴电缆 同轴电缆是由实心或绞合的铜线为芯线，周围用纺织的铜网或其它金属网作为外部屏蔽层。 4非屏蔽双绞线 双绞线是由两股互相绝缘的导线绞合在一起，并封装在另一个绝缘护套里。 3.1.4 信息网络硬件5光缆 光导纤维是一

6、种传输光速的细微而柔韧的媒质。光纤主要有以下两种分类方式：一是按传输点模数分类：按传输点模数分类光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。 6中继器用于消除噪声放大并具有重新传输信号的能力，以延伸网路的距离。 3.1.4 信息网络硬件7集线器 集线器从技术上将属于中继器，即多端口的中继器，专门用来延伸网络。 8防火墙Firewall 防火墙是一种用在相同网段之间的受控的访问控制点，用来将问题限制在一个网段内。 3.1.4 信息网络硬件9交换机也称交换式集线器。它同样具备许多接口，提供多个网络节点互连。 10路由器路由器是一种用于网络互连的计算机设备，为不同的网络之间报文那么并存储转发。 11网关 网

7、关和多协议路由器（或特殊用途的通信服务器）组合在一起可以连接多种不同的系统。 3.2局域网技术 3.2.1局域网技术 1局域网的组成局域网的组成元素分为通信链路和网络节点。通信链路是指传输信息的信道；而网络节点又分为连接节点和端节点。 2介质访问控制方法介质（传输介质）访问控制方法又称为网络的控制方法，用于控制网络中各个节点间的信息传输，局域网的访问控制方法，按照其控制方式可分为集中式和分布式控制，采用分布式访问控制方法包括有：带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）、令牌通信、时隙控制法、寄存器延迟插入法等。 （1）CSMA/CDCSMA/CD是一种具有冲突检测（CD）功能的载波侦听

8、多路访问（CSMA）的分布式控制技术 （2）令牌通信 令牌通信控制法，又称许可证法 （3）时隙控制法 时隙即时间分割中的间隙，俗称时间槽。时隙控制法是在利用时间为每个节点预先安排一个特定的时间片段，某节点要通信时，必须在指定的时间片段范围内进行 （4）寄存器插入法 寄存器延迟插入法，是用于环形结构网络中的介质访问方法，从任一节点的交换接口中，利用移位寄存器，可在环上流通的多个报文分组中随时插入并发送一个新的报文分组，也可随时接收并删除送来的一个新的报文分组，而且所有的报文分组长度可变，所以说这个控制法是集合了令牌法和时隙法的优点，只是增加了环路接口硬件的复杂程度来作代价。 3局域网的互联 （1

9、）局域网的互联从距离上区分，有本地局域网互联和远程局域网互联方式，即LANLAN和LANWANLAN的方式。从互联所采用的介质看，有同轴电缆、双绞电缆和光纤等连接方式。（2）网络互联设备 网络互联设备包括：中继器、网桥、路由器、网关。 4局域网的管理和安全 （1）局域网的管理故障管理性能管理 配置管理计费管理安全管理(2) 局域网的安全网络安全将网络资源所受到威胁的可能性降到最低。 安全防范措施一是物理安全防范措施。 二是访问控制防范措施。 安全性指标现时安全标准，采用“级别”区别安全等级，一些级别被用于保护硬件、软件和存储的信息免遭攻击。安全防范方法信息加密。 给每个用户分配两把密钥：一把是

10、保密的，称为私有密钥；一把是公众所知的，称为公共密钥。防火墙 防火墙是控制两个不同网络之间访问的有效安全技术措施，可称之为控制进/出两个方向通信的门槛。 3.2.2以太网基础 1以太网简介 其基本思想很简单：用户只要有数据要发送，就让他们发送。由于广播的反馈性，发送方只要侦听信道就可以知道发出的数据是否被破坏，如果被破坏，发送方等待一段随机的时间再重发数据。 CSMA/CD 步骤：（1）监视信道直到其空闲。（2）传输数据，并监视信道看是否有冲突发生。（3）如果检测到冲突发生，停止传输，发出一个冲突产生信号，再等待一个随机的时间，再回到第一步。2常用以太网连接方法 3交换技术 传统的基于共享式集

11、线器的局域网中所有站点都处于同一个“冲突域”中，这里的“冲突域”是指CSMA/CD算法中每个站点所监听的网络范围。处于同一个冲突域中的站点在任意时刻只能有一个站点占用信道，这意味着传统以太网的带宽是被各个站点在统计意义上均分的，这决定了传统形式的以太网不具有可伸缩性。 4用交换机构建局域网 交换机对于集线器的主要优势在于提供的可用带宽高，而且从集线器升级到交换机对终端用户完全透明，作为连接各共享网段的设备交换机具有智能特性。 外部网络三层交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机5VLAN简介 VLAN（Virtual Local Area Network）一般称为虚拟局域网 广播报文并不需要

12、让局域网每个站点都知道，事实上，这样既浪费了大量带宽，又不利于安全。VLAN出现之后，人们可以通过VLAN为网络分段，属于不同VLAN的各个网段属于不同的广播域 6快速以太网 快速以太网由IEEE802.3u标准定义，基本与标准以太网相同，但速度比标准以太网快十倍。 快速以太网有自动协商的功能，能够自动适应电缆两端最高可用的通信速率，能方便的与10M以太网连接通信。 7千兆以太网 千兆以太网保留了传统以太网的大部分简单特征，以1000Mbps/2000Mbps的带宽提供半双工/全双工通信。千兆以太网对电缆的长度的要求更为严格，多模光纤的长度至多为500米，5类双绞线为100米。IEEE802.

13、3Z标准定义了千兆以太网，IEEE802.3ab标准专门定义了双绞线上的千兆以太网规范，两者都是802.3标准的补充。 3.2.3常用信息网络接口与线缆 物理接口又分为两种，一种是LAN（局域网）接口，主要是指以太网接口；另一种是WAN（广域网）接口，包括同/异步串口、异步串口、CE1/PRI接口、ISDN BRI接口等。1局域网接口及线缆 （1）5类双绞线的线序 （5）设备连接方式 同级设备用交叉线，不同级设备用直连线SC/STN/AN/ASC/STSC/ST交换机光口N/AN/ANormalN/AN/A交换机级连口N/ANormalcrossnormalnormal交换机普通口SC/STN

14、/Anormalcrosscross路由器SC/STN/Anormalcrosscross主机交换机光口交换机级连口交换机普通口路由器主机SC/STN/AN/ASC/STSC/ST交换机光口N/AN/ANormalN/AN/A交换机级连口N/ANormalcrossnormalnormal交换机普通口SC/STN/Anormalcrosscross路由器SC/STN/Anormalcrosscross主机交换机光口交换机级连口交换机普通口路由器主机3.3广域网技术 3.3.1广域网定义及分类 1公用电话网： 2综合业务数字网： 3专线DDN 4X.25网 5帧中继 6ATM网 3.3.2WAN

15、交换模式 WAN通常采用两种交换模式运行：即电路交换（circuit switching）和分组交换（packet switching）技术。3.3.3广域网连接主要技术 1点到点连接这条连接被两个连接设备独占，中间不存在分叉或交叉点。 3.3.3广域网连接主要技术2分组交换方式 多个网络设备在传输数据时共享一个点到点的连接，也就是说这条连接不是被某个设备独占，而是由多个设备共享使用。 Packet Switching3.3.4WAN常用设备 1路由器（Router）： 2调制解调器（Modem）： 3广域网交换机 ：4接入服务器 ：路由器广域网交换机3.3.5广域网接口与线缆 物理接口就是真

16、实存在、有对应器件支持的接口。 WAN（广域网）接口，包括同/异步串口、异步串口、cE1/PRI接口、ISDN BRI接口等，路由器可以通过他们与外部网络中的网络设备交换数据。逻辑接口是指能够实现数据交换功能但物理上不存在、需要通过配置建立的接口，包括Dialer（拨号）接口、子接口、备份中心逻辑通道以及虚拟接口模板等 1广域网的类型 分为窄带广域网和宽带广域网两大类 窄带公共网络包括PSTN公共交换电话网、ISDN综合数字业务网、DDN、X.25网、帧中继网等 2异步串口与同步串口 广域网按照线路类型来分有X.25网、帧中继网、ATM网、ISDN网等类型。 3V.24接口规程 通信的双方相对

17、而言，路由器属于DTE设备，各种Modem、ISDN终端适配器等则属于DCE设备。 4V.35接口规程V.35电缆的接口特性严格遵照EIA/TIAV.35标准。路由器端为DB50接头，外接网络端为34针接头，也分DCE和DTE两种，对应的DCE侧为插座（34孔），DTE侧为插头（34针）。 5CEI/PRI接口 该接口可以承载CE1和PRI这两种不同接口规程的数据传输任务。 6光接口连接器 不同类型的光纤接头和光接口连接器是配套使用的 3.4 通信网基础知识3.4.1数据通信网 1分组交换数据网 2数字数据网DDN数字数据网主要由本地传输系统、复用/交叉连接系统、局间传输系统、网同步系统和网络

18、管理系统等5部分组成。 3帧中继 帧中继与X.25不同，帧中继只是使用物理层和链路层的一部分执行它的交换功能，智能的终端设备把数据发送到链路层，并封装在LAPD帧结构中，其包含了帧中继规程使用的数据链路连接识别符DLCI。 4ATM技术 ATM交换就是能满足宽带业务对交换要求的交换技术。 ATM的特点是进一步简化了网络功能。ATM网络不参与任何数据链路层功能，将差错控制与流量控制工作都交给终端去做。 分组交换网、帧中继网和ATM网的功能比较 5ATM交换机 ATM交换是以信元为单位进行交换，实际上就是VC/VP交换，即实现输入信元头中VCI/VPI值的转换。 6ADSL技术 ADSL又称为非对

19、称式数字用户线路，ADSL使用普通电话线作为传输介质，虽然传统的MODEM也是使用电话线传输的，但它只使用了0K4KHz的低频段，而电话线理论上有接近2MHz的带宽，ADSL正是使用了26KHz以后的高频段才能提供如此高的速度。 6ADSL技术现存的用户环路主要由UTP（非屏蔽双绞线）组成。UTP对信号的衰减主要与传输距离和信号的频率有关，而线路衰减是影响ADSL性能的主要因素，ADSL通过不对称传输，利用频分复用技术（或回波抵消技术）使上、下、行信道分开减小串音的影响，从而实现信号的高速传送。 3.4.2智能网 智能网IN是在原有通信网络的基础上设置的一种附加网络。其目的在于：能够使电信业务

20、提供者快速、有效地满足现在和潜在市场对电信业务的需求；同时能够使网络的运营成本和管理费用得以降低；对提高电信服务质量也大有益处。 3.4.3支撑网支撑网是通信网正常运行的基础，也是保障各种业务网运行质量的重要手段，它在电信网中具有举足轻重的地位。支撑网包括同步网、电信管理网TMN、信令网三大网络。其中，同步网负责为各种业务网定时，以实现各种业务网的同步；电信管理网TMN是专门进行网络管理的网络，它使电信网的运行、管理、维护过程实现了标准化、简单化和自动化；信令网用以指导终端、交换系统及传输系统协调运行，在指定的终端之间建立临时的通信信道，并维护网路本身正常运行。3.4.4ISDN综合业务数字网

21、 ISDN的发展大致可分为以下四个阶段：第一阶段：19851990年，实现64kbit/s电路交换的ISDN，即由IDN演变形成ISDN。第二阶段：19901995年，实现用户数字化以及通过数字接口使得用户出入口系统能够和64kbit/s的电路交换网及分组交换网连接。第三阶段：19952000年，提供各种已有的和即将出现的新业务，实现话音、数据及图像等三种业务的融合，形成高速电路交换和高速分组交换的宽带ISDN。第四阶段：2000年之后，ISDN将是能够提供各种通信业务，具有智能功能的宽带综合业务通信网。ISDN概念模型 3.4.5宽带综合业务数字网BISDN 当今人们对通信的要求越来越高，除

22、原有的语声、数据、传真业务外，还要求综合传输高清晰度电视、广播电视、高速数据传真等宽带业务。 由ISDN向宽带ISDN的发展可分为三个阶段： 第一阶段的BISDN结构 第一阶段是进一步实现话音、数据和图象等业务的综合，它是由三个独立的网构成初步综合的BISDN 第二阶段的BISDN结构 第二阶段的主要特征是BISDN和用户/网络接口已经标准化，光纤已进入家庭，光纤交换技术已广泛应用，因此它能提供包括具有多频道的高清晰度电视HDTV在内的宽带业务 第三阶段的BISDN结构 由智能网控制中心来管理三个基本网。智能网也称作智能宽带ISDN，其中可能引入智能电话、智能交换机及用于工程设计或故障检测与诊

23、断的各种智能专家系统。 3.4.6用户接入网 接入网的主要功能是复用、交叉连接和传输，一般不具备交换功能，而且独立于核心网交换机。具体功能分为用户口功能UPF、业务口功能SPF、核心功能CF、传送功能TF和接入网系统管理功能SMF五大类。它们分别分布在交互实体内的同等层中。 3.4.7 移动通信网 1移动通信概况 我国从第一代模拟移动通信网，发展到第二代的GSM数字移动通信网，以及第三代的CDMA数字移动通信网。 2移动通信网的蜂窝网结构 所需最少基站个数 2134325432611（a）正三角形 （b）正方形（c）正六边形 面状服务区相临小区的重叠面积 正六边形相临小区重叠面积是最小的，即各

24、基站之间的相互干扰也最小。因此，采用正六边形小区彼此邻接构成面状服务区是最经济、实用的一种方案。由于正六边形的网络形同蜂窝，故称此种小区形状的移动通信网为蜂窝网。 （a）正三角形 （b）正方形 （c）正六边形（2）GSM系统工作频段 GSM900系统基站接收频率（手机发射频率）：890 915MHz基站发射频率（手机接收频率）：935 960MHz双工间隔：45MHz信道间隔：200KHz双工信道数：124条DCS1800系统基站接收频率（手机发射频率）：1710 1785MHz基站发射频率（手机接收频率）：1805 1880MHz信道间隔：200KHz（3）GSM系统的多址方式 蜂窝移动通信

25、系统有三种多址方式：频分多址FDMA、时分多址TDMA和码分多址CDMA。GSM系统采用的多址方式为FDMA和TDMA混合多址方式。 FDMA：不同的MS（主呼或被呼）占用不同的工作频率。 TDMA：不同的MS（主呼或被呼）占用同一工作频率，但占用的时间不同。 CDMA：不同的MS（主呼和被呼）占用同一工作频率，但各带有不同的随机码序。 国内移动通信网络编号 网络号运营商网络种类多址方式90中国移动ETACS模拟900M网络FDMA130、131中国联通GSM数字900M网络FDMA和TDMA混合多址133中国联通CDMA数字800M网络CDMA135、136、137、138、139中国移动GSM数字900M网络FDMA和TDMA混合多址（4）GSM系统组成 规范的GSM体系结构由基站子系统BSS、网路子系统NSS和移动台MS三大部分组成。其中基站子系统BSS在移动台MS及交换网路子系统NSS之间提供和管理传输通路，特别是包括了MS与GSM系统功能实体之间的无线接口管理。NSS必须管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或与其它MS 之间建立通信，也就是说NSS不直接与MS互通，BSS也不直