通信网络基础课件

第1章

通信网络概论及数学基础

通过《通信原理》的学习，我们知道：任意两个节点（终端或用户）之间通过一个给定的信道进行信息传输的过程。我们可以通过适当的信源编码方式来表示信源和降低信源的信息速率，通过适当的信道编码来消除或减轻信道错误的影响，通过适当的调制方式来运载信息，以适应信道的特征。根据传输媒介（铜线或无线电波等）的特点，采用相应的传输技术，可形成可靠的物理传输通道（链路）或通信系统，如光纤通信系统、无线通信系统等。如果在任意两个用户之间都建立一条物理传输通道，就可以解决相互通信问题。但需要N*N条物理传输通道。通信网络的基本问题：如何以尽可能低的成本有效地解决处于任何地理位置的任意两个用户之间即时信息传递问题。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

1.3通信网络中的数学基础

1.4通信网络的基本理论问题1.1通信网络的基本构成1.1.1数据传输链路1.1.2数据传输网络1.1.3网络的互连

1.1通信网络的基本构成

传输的链路（电话线、光纤）用户终端（电话机、传真机、计算机）路由器、程控交换机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。通信网络举例（1）通信网络举例（2）它包括的网络（通常称为子网）有：ATM（AsynchronousTransferMode，异步转移模式）网络、X.25分组数据网、PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，公用电话交换网）/ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork,综合业务数字网）、移动通信网/卫星通信网、FDDI（FiberDistributedDataInterface，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（WavelengthDivisionMultiplexing，波分复用）链路作为核心路由器的高速通道，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。

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）通信网络举例（4）正是由于路由器的存在，我们可以将任一用户（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）Interconnect(Crossbar+Scheduler)ReceiveBufferingReceiveBufferingTransmitBufferingTransmitBuffering10GLinecards1..16InterfacesInterfaces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。1.1.1数据传输链路（1）

所谓数据传输链路是指在物理传输媒介（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。

1.1.1数据传输链路（2）数据传输链路分为两大类：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）。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）；1.1.1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（DigitalSubscriberLine）。DSL的前缀x表示不同的传输方案。例如：ADSL（AsymmetricDSL,非对称数字用户线）的上行速率为640kb/s～1Mb/s，下行速率为6～8Mb/s;HDSL(HighSpeedDSL)上下行速率相同，均为768kb/s或1.5Mb/s；VDSL（VeryHighSpeedDSL）下行速率12.96Mb/s、25Mb/s、52Mb/s，上行速率为1.6～2.3Mb/s。

ADSL例如：•DMTfullratedownstream(upto8Mbps)•DMTfullrateupstream(upto640Kbps)•G.liteADSLdownstream(upto1.5Mbps)•G.liteADSLupstream(upto512Kbps)•RJ-11PortforConnectiontoADSL•Four10/100MbpsEthernetPortsforConnectiontoComputersCableModem例如：TheDCM-201hasamaximumdownloadingspeedat38Mbps(256QAM)andamaximumuploadingspeedat10Mbps(16QAM).TheDCM-201usestheReed-Solomonerrorcorrectionmethodfordatapacketintegrity.DownstreamModulation:64QAM,256QAMFrequencyRange:91-857MHzUpstreamModulation:QPSK,16QAMFrequencyRange:5-42MHz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、1000Mb/s。这是在办公室环境下，最常用的接入方式。

GPRS/CDMA链路高速上网：支持GPRSclass8;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1.9MBps1.1.1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（SynchronousDigitalHierachy，同步数字系列）是在美国贝尔实验室提出的SONET（SynchronousOpticalNetwork，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（155.520Mb/s），STM-4（622.080Mb/s），STM-16（2488.320Mb/s），STM-64（9953.280Mb/s）。1.1.1数据传输链路（5）光波分复用（WDM，WaveLengthDivisionMultiplexing）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4×2.5Gb/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）、16×10Gb/s，160×2.5Gb/s、128×10Gb/s等，理论上可达5Tb/s的传输速率。

1.1.2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（E-mail），一份文件，一幅图像，……。1.1.2数据传输网络（2）会话过程（Session）：

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。我们称这样一个消息的序列为一个会话过程（Session）。

AB1.1.2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、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。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。1．分组交换网（2）消息A分段重装节点的交换过程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。

1．分组交换网（4）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。

ABC电路交换

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，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。控制系统交换网络2．ATM网络（1）

ATM（AsynchronousTransferMode）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。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。2．ATM网络（3）ATM用户（终端）到ATM交换机（网络）之间的接口称为UNI（User-NetworkInterface，用户网络接口）。交换机（网络节点）之间的接口称为NNI（Network-NodeInterface，网络节点接口）。

UNINNINNIUNIATM网络交换机X交换机H交换机K交换机YAB2．ATM网络（4）首部净负荷GFCVPIVCIPTHECATM信元5484816318

VPIVCIPTHEC1216318CLPUNI接口比特NNI接口比特字节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（GenericFlowControl）是流量控制比特。VPI/VCI用来表示信元传递的路径。其中，VPI（VirtualPathIdentifier）是虚通道标识；VCI（VirtualChannelIdentifier）是虚信道标识。PT（PayloadType,负荷类型）用来区分该信元是用户信息还是控制信息。CLP（CellLossPriority，信元丢失优先级）指示信元的丢失优先级。HEC（HeaderErrorControl，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。

2．ATM网络（5）ATM网络AB(8,17)(6,35)(9,26)(2,55)432114234321XYZ入端口入（VPI,VCI）出端口出（VPI,VCI）4(8,17)2(6,35)入端口入（VPI,VCI）出端口出（VPI,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)ATM信元传输和交换的过程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。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。1.1.3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。

1.1.3网络的互连（2）IP/MPLSATM租用线