网络互连与广域网技术

第三章网络互联与广域网技术3.1数据通信的基础知识

3.1.1数据通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。二进制编码中只有两个码元：0状态和1状态3.1.2有关信号的几个基本概念单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。3.1.3信道复用技术复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术1.频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率52.时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。2.时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧3.波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)波分复用就是光的频分复用。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器4.码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。3.1.4脉码调制PCM体制

模拟电话信号转变为数字信号过程：标准电话信号频率最高为3.4KHz，根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号频率的2倍，就可以从数字信号中还原为语音信号为保险起见，采样频率定为8KHz，即采用周期为125微妙，每秒采样8000个离散的脉冲信号；通过模数变换，每个脉冲信号编码为8位二进制码元即语音编码的标准速率为8000*8b/s=

64kb/s这就是所谓PCM（Pulse

Code

Modulation)调制，64K也就成为电话交换中的标准速率3.1.4脉码调制PCM体制脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。为有效利用链路，采用TDM方式将多个话路PCM信号封装成帧。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。三大数字体系2.0488.44834.368139.264564.9921.5446.31244.736274.1761.5446.31232.06497.728397.20064J1E1T1J2E2T2J3E3T3J4E4T4J5E5x31x24x24x4x4x4x4x7x5x4x6x3x4x4欧洲USA日本E1-帧0121631125ms=32时隙=2.048Mbps帧同步信令信道30话音信道+2控制信道2.048Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………3.2网络互连概述3.2.1网络互连的必要性3.2.2网络互连的基本原理3.2.3网络互连的类型3.2.4网络互连的方式3.2.1网络互连的必要性1.网络互连的定义网络互连是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的互连网络系统，实现互连网络中的资源共享。互连的网络与设备可以是同种类型的网络、不同类型的网络，以及运行不同网络协议的设备与系统。3.2.2网络互连的基本原理1.网络互连的要求（1）在网络之间提供一条链路，至少要一条物理和链路控制的链路。（2）提供不同网络间的路由选择和数据传送。（3）提供各用户使用网络的记录和保持状态信息。（4）不修改互连在一起的各网络原有的结构和协议。（5）在网络互连时，应尽量避免由于互连而降低网内的通信性能。3.2.3网络互连的基本原理2.基本原理

基本原理是ISO七层协议参考模型。由于网络间存在不同的差异，也就需要用不同的网络互连设备将各个网络连接起来。网络互连设备所处的层次3.2.3网络互连的基本原理(Cont.)2.基本原理物理层：用于不同地理范围内的网段的互连。通过互连，在不同的通信媒体中传送比特流，要求连接的各网络的数据传输率和链路协议必须相同。设备：中继器数据链路层：用于互连两个或多个同一类型的局域网，传输帧。设备：桥接器（或桥）网络层：主要用于广域网的互连中。网络层互连解决路由选择、阻塞控制、差错处理、分段等问题。设备：路由器、路由交换机高层：高层之间进行不同协议的转换，它也为最复杂。设备：网关3.2.4网络互连的类型（1）LAN-LANLAN互连又分为同种LAN互连和异种LAN互连，常用设备有中继器和网桥。（2）LAN-WAN用来连接的设备是路由器或网关。（3）LAN-WAN-LAN这是将两个分布在不同地理位置的LAN通过WAN实现互连，连接设备主要有路由器和网关。（4）WAN-WAN

通过路由器和网关将两个或多个广域网互连起来，可以使分别连入各个广域网的主机资源能够实现共享。3.2.4网络互连的类型(Cont.)LAN-LANLAN-WANLAN-WAN-LANWAN-WAN路由器实现LAN-WAN-LAN3.2.4网络互连的方式(Cont.)1.利用网间连接器实现网络互连两个计算机网络可通过几个互连设备将网络连接起来。常用设备如网桥、路由器、交换机和网关等。它们可安装在同一幢楼中或包含几处建筑物的范围内，也可以使用远程连接。2.通过互连网进行网络互连在两个计算机网络中，为了连接各种类型的主机，需要多个通信处理机构成一个通信子网，然后将主机连接到子网的结点上。3.两种转换方式的比较当利用网关把A和B两个网络进行互连时，所需协议转换程序的数目为n（n-1），利用互连网来实现网络互连时，所需的协议转换程序数目为2n。3.3同步数字系列SDH旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。3.3.1SDH概念(Cont.)ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。SDH已成为在光纤上承载数据的首选传输技术，事实上SDH是各种长途网（语音、数据）及城域网的主导传输技术。线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120OC-768/STS-768STM-25640Gb/s

SONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系3.3.2

SDH的拓扑结构1.链形网此种网络拓扑是将网中的所有节点一一串联，而首尾两端开放。这种拓扑的特点是较经济。铁路网常使用这种结构TMADMADMTM2.星形网这种网络拓扑的特点是可通过特殊节点来统一管理其它网络节点，利于分配带宽节约成本。但存在特殊节点的安全保障和处理能力的潜在瓶颈问题。DXC/ADMTMTMTMTM3.树形网

此种网络拓扑可看成是链形拓扑和星形拓扑的结合，也存在特殊节点的安全保障和处理能力的潜在瓶颈。DXC/ADMTMTMADMTMTMADMADMADMADMADMADM4.环形网4.环形网(Cont.)环形拓扑实际上是指将链形拓扑首尾相连，从而使网上任何一个网元节点都不对外开放的网络拓扑形式，这是当前使用最多的网络拓扑形式，主要是因为它具有很强的生存性即自愈功能较强。环形网常用于本地网接入网和用户网局间中继网。5.网孔形网DXCDXCDXCDXC6.网孔形网将所有网元节点两两相连就形成了网孔形网络拓扑，这种网络拓扑为两网元节点间提供多个传输路由，使网络的可靠更强，不存在瓶颈问题和失效问题，但是由于系统的冗余度高必会使系统有效性降低，成本高且结构复杂。网孔形网主要用于长途网中，以提供网络的高可靠性。3.4业务方向及路由传输网上的业务按流向可分为单向业务和双向业务，以环网为例:3.4.1业务方向及路由A到C的业务路由:A→B→C;

一致路由(双向业务)C到A的业务路由:C→B→A;A到C的业务路由:A→B→C;

分离路由(单向业务)C到A的业务路由:C→D→A;常见组网的业务方向和路由表

组网类型

路由业务方向

链型网

一致路由

双向环行网双向通道环

一致路由

双向双向复用段环

一致路由

双向单向通道环

分离路由

单向单向复用段环

分离路由

单向3.4.2自动线路保护倒换自动线路保护倒换是最简单的自愈形式，其结构有两种；1+11∶n1.1+1线路保护倒换结构由于发送端是永久地与主用、备用信道相连接，因而STM-N信号可以同时在主用信道和备用信道中传输，在接收端其MSP(复用段保护功能)同时对所接收到的来自主、备用信道的STM-N信号进行监视，正常工作情况下，选择来自主用信道的信号作为输出信号。一旦主用信道出现故障，则MSP会自动从备用信道中选取信号作为接收信号。2.1∶n结构给出1∶n线路保护倒换结构。从图中可以看出，在1∶n结构中，备用信道由多个主用信道共享，一般n值范围为1-14。3.4.3环路保护1.自愈环结构方式的划分（1）按照自愈环结构来划分，可分为通道倒换环和复用段倒换环。前者是指业务量的保护，它是以通道为基础的保护，它是利用通道AIS信号决定是否应进行倒换；后者是指业务量的保护，它是以复用段为基础的保护，当复用段出故障时，复用段的业务信号都转向保护环。（2）按照进入环的支路信号和由分路节点返回的支路信号方向是否相同来划分，可分为单向环和双向环两种。所谓单向环是指所有的业务信号在环中按同一方向传输；而双向环是指进入环的支路信号和由此支路信号分路节点返回的支路信号的传输方向相反。3.4.3环路保护(Cont.)(3)按照一对节点之间所用光纤的最小数量来划分，可分为二纤环和四纤环。显而易见，前者是指节点间是由两根光纤实现，而后者则是四根光纤。2主要的保护方式有以下几种二纤双向复用共享保护环二纤单向通道保护环二纤双向通道保护环二纤单向复用段保护环四纤双向复用段保护环SZKJCAAC

（2Mb/s）CAAC(2Mb/s）CAAC（2Mb/s）CAAC（2Mb/s）倒换S1AP1BCDABCDS1P1P1S1P1S1(a)(b)二纤单向通道倒换环-------环形网保护（设备为ADM）3.4.4我国SDH网络结构分为四个层面：一级干线二级干线中继网用户接入网一级干线二级干线中继网DXC4/4ADMADMADMADMADMTMDXCADMDXC4/1接入网E110Base-TV.282B+DX.21ADMV.35V.28STM-1EMTRKLETMLEV.11G.703DXC4/1DXC4/4SDH传输网的层次SDH传输网的层次第一层面：主要用于省会、城市间的长途通信，由于其间业务量较大，因而一般在各城市的汇接节点之间采用STM-64、STM-16高速光链路，而在各汇接节点城市装备DXC设备，例如DXC4/4，从而形成一个以网孔形结构为主，其它结构为辅的大容量、高可靠性的骨干网。由于使用了DXC4/4设备，这样可以直接通过DXC4/4中的PDH体系140Mbit/s接口，将原有的140Mbit/s和565Mbit/s系统纳入到长途一级干线之中。SDH传输网的层次第二层面：主要用于省内的长途通信。考虑其具体业务量的需求，通常采用网孔形或环形骨干网结构，有时也辅以少量线形网络，因而在主要城市装备DXC设备，其间用STM-4或STM-16高速光纤链路相连接，形成省内SDH网络结构。同样由于在其中的汇接点采用DXC4/4或DXC4/1设备，因而通过DXC4/1上的2Mbit/s、34Mbit/s和140Mbit/s接口，从而使原有的PDH系统也能纳入二级干线进行统一管理。SDH传输网的层次第三层面:主要由用于长途端局与市话之间以及市话局之间通信的中继网构成。根据区域划分法，可分为若干个由ADM组成的STM-4或STM-16高速环路，也可以是用路由备用方式组成的两节点环，而这些环是通过DXC4/1设备来沟通，既具有很高的可靠性，又具有业务量的疏导功能。SDH传输网的层次第四层面，是网络的最低层面，既称为用户网，也可称为接入网。由于业务量较低，而且大部分业务量汇聚于一个节点（交换局）上，因而可以采用环形网络结构，也可以采用星形网络结构，其中是以高速光纤线路作为主干链路来实现光纤用户环路系统（OLC）的互通，或者经由ADM或TM来实现与中继网的互通。速率为STM-1或STM-4，接口可以为STM-1光/电接口、PDH体系的2Mbit/s、34Mbit/s和140Mbit/s接口、普通电话用户接口、小交换机接口、2B+D或30B+D接口以及城域网接口等。骨干传输系统2.5G汇聚层2.5G用户网622MSZKJ3.5.1接入网的基本概念用户所在地网络接入网交换网传输网交换网用户所在地网络CPNCPN交换局交接箱馈线配线分线盒引入线用户传统铜缆用户环路接入网3.5接入网介绍3.5.2公用交换电话网（PSTN）在电话发明后不久PSTN就产生了，在早期的PSTN中，电话是通过模拟信号传送的，传输质量较差。到20世纪70年代，数字传输的电话系统开始出现。目前我国采用的电话网是数字传输、程控交换的数字化PSTN网络（用户环回路大部分还是模拟传输）。

PSTN传输的是语音信号，采用电路交换方式，双绞线入户，理论上可向用户提供64kbps的音频通道。通信双方一旦接通，便独占线路，别的用户也无法利用。在传输数据时，这些功能一部分要由调制解调器承担。因特网计算机电话线路ISP用户MODEMMODEM池RS-232访问服务器2.5.3ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线

电话分离器

区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表远端Remote）电话分离器PS(POTSSplitter)ADSL上下行带宽是非对称的，一般上行数据率为32Kb/s-640kb/s，下行32kb/s-6.4Mb/sADSL4khz以下频段人用于传送POTS（传统电话业务），20KhZ到138KhZ的频段用来传送上行信号，138KhZ到1.1MHZ的频段用来传送下行信号3.5.4N-ISDN1.ISDN概念1984年10月国际电信联盟（CCITT）推荐的CCITTISDN标准中给出了ISDN的定义：“ISDN是由综合业务数据电话网发展起来的一个网络，它提供端到端的数据连接以支持广泛的服务，包括语音的和非语音的。用户的访问是通过少量、多用途的网络标准实现的。简言之，ISDN是对模拟音频电话系统（PSTN）的再设计，它将决定用户设备同全局网络的连接，能方便的用数字的形式来处理声音、传真、影像和图像通信。2.ISDN用户-网络接口（1）ISDN接口标准

CCITT(ITU)为ISDN接口标准定义了B、D、H三种通道