现代通信网络技术I：第二章-现代通信网的基本概念

第二章现代通信网络的基本概念OSI模型与分层协议交换技术虚电路与数据报面向连接和无连接方式服务质量QOS

可变比特率VBR和恒定比特率CBR业务流量控制和拥塞管理用户有效负载完整性的管理寻址与识别方案多路复用技术交换或中继的路由选择网络接口与协议会聚、分段和重装操作2.1OSI模型与分层协议

一、协议协议：通信双方之间为实现通信而事先建立的约定和协定的集合。规范（标准）：得到广泛认可而被接受的协议。建议：推荐采用的协议。为了使网络系统结构标准化，便于通信设备之间的互通，1978年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连参考模型(OSI-RM)。所有遵循OSI标准的系统之间进行通信时均可实现互连。同一系统层与层之间的关系由接口或下一层提供上一层的服务所规定；不同系统相同层之间的系统由协议或规程描述。1、物理层（PhysicalLayer）

提供设备与物理媒体之间定时、编码、光-电气特性和机械接口规范。物理层定义了通信网络之间物理链路的电气或机械特性，以及激活、维护和关闭这条链路的各项操作。具体地说，物理层提供以下功能：

◆数据编码——将数字信号格式从简单的1、0格式修正为更能适应物理媒体特性的格式，有助于位同步和帧同步。◆物理媒体附件——支持媒体的多样性，例如连接器的管脚数和每个脚的意义。◆传输技术——决定经过编码的数据位是作为模拟还是数字的信号来传输。◆物理媒体传输——对于一定的物理媒体，采用相应的信号（电信号或光信号）来传输数据，并决定使用多大的功率（电压或分贝）来表示一个给定信号的状态。

2、数据链路层（DatalinkLayer）

提供数据链路管理、差错控制和流量控制。数据链路层的作用就是通过一定的手段（将数据分成帧，以数据帧为单位进行传输）将有差错的物理链路转化成对上层来说没有错误的数据链路。特征参数包括物理地址、网络拓扑结构、错误警告机制、所传数据帧的排序和流控等。其中：◆物理地址是相对网络层地址而言的，表示了数据链路层的节点标识；◆拓扑结构标记着各个设备以何种方式互连起来；◆错误警告是向上层协议报告数据传递中错误的发生；◆数据帧排序可将所传数据重新排列；流量控制则用于调整数据传输速率，使网络和接收端不至于过载。

数据链路层并不知道它所封装的信息或分组的意义，也不知道它们去向何处。网络可以容许缺少这些信息，这样可以降低传输的时延。具体来说，数据链路层提供以下功能：◆链路建立和终止——建立和终止两个节点间的逻辑链路。◆帧流量控制——当没有可用的帧缓冲区的时候，告知发送节点，停止发送。◆帧排序——按顺序发送和接收帧。◆帧应答——提供帧应答机制，通过重传没有应答信息的帧来检查并纠正发生在物理层错误。◆帧定界——创建和辨认帧的边界。◆帧纠错——检查接收帧的完整性。◆媒体访问管理——决定节点何时有权使用物理媒体。3、网络层（NetworkLayer）

提供分组交换、路由选择、网络接口等网络功能。网络层将数据分成一定长度的分组，并在分组头中标识源和目的节点的逻辑地址，成为每个节点的标识。网络层的核心功能便是根据这些地址来获得从源到目的的路径。网络层的当有多条路径存在的情况下，还要负责将数据封装成分组，加上分组头，包括分组次序和接收设备地址，并声明要求网络提供的服务。网络为通过选路来实现服务的需求。节点收到一个分组时，通过查找路由表来确定分组到目的地的最佳路径，而并不考虑分组在消息序列中的顺序。

对于不是所有节点之间都能直接通信的网络，网络层将通过中间节点来为分组选路由，中间节点还可为该消息重新选路以避免拥塞。具体来说，网络层主要提供以下功能：◆选路由——在网络中为每个数据分组选路由。◆子网流量控制——在路由器（网络层中介系统）的缓冲区满的时候，路由器能向下一站发指令，减缓帧的发送。◆帧分裂——如果帧比下游节点的最大传输单元（MTU）还要大，那么路由器可以将帧分割开来传输，到目的节点再重新组合。◆逻辑－物理地址映射——将逻辑地址或名字映射为物理地址或名字。◆子网使用计费——记录由子网传送的帧，产生记帐信息。

4.传输层（TransferLayer）

提供对上层透明（不依赖于具体网络）的可靠的“端到端”数据传输。如果说网络层关心的是“点到点”的逐点转递，那么可以说传输层关注的是“端到端”（源端到目的端）的最终效果。它的功能主要包括流量控制、多路复用技术、虚电路管理和纠错及恢复等。其中：●多路复用技术使多个不同应用的数据可以通过单一的物理链路共同实现传递；●虚电路是数据传递的逻辑通道，它在传输层建立、维护和终止；●纠错功能则可以检测错误的发生，并采取措施（如重传）解决问题，负责处理端到端的可靠的传输。例如:一个消息序列的每个分组可能通过不同的路由到达目的地，传输层通过排序进程来重新给分组排序，这样接收端就可以接收到完整的消息。这一层能够恢复丢失的数据，实现流量控制。具体来说，传输层提供下列功能：◆消息分段——从上层的会话层接收消息，将较长的消息分割成小的单元，传送到下层的网络层。目的地的传输层再把消息重组起来。◆消息应答——靠应答来提供消息的端到端可靠传送。◆消息流量控制——当没有可用的消息缓冲区的时候告知发端“回退”。◆会话复用——将几个消息流或会话在一条逻辑链路。5、会话层（SessionLayer）

提供应用程序的会话控制和进程管理等功能。在网络实体间建立、管理和终止通信应用服务请求和响应等会话过程。例如，它在发送设备和接收设备间建立、维护或终止一个虚电路它设置消息的起始和结束边界，并建立消息的发送方式：半双工方式，即对每台计算机采用轮流收发，或者是全双工方式，即对每台计算机采用同时收发。在会话发起的时候将协商这些细节。会话层允许在不同终端上运行的进程之间建立会话，具体说会话层有如下功能：◆建立、维护、终止会话。◆支持会话——它允许鉴权进程，名称协商进程，登录进程，及其它管理进程在网络上通信。◆数据同步和检查点也做在这一层，这样当链路从错误中恢复时，只需重传在链路出错后传输的数据。

6、表示层（PresentationLayer）

提供语法变换、数据结构和各种表示的转换等功能。表示层定义了一系列代码和代码转换功能以保证源端数据在目的端同样能被识别。比如表示文本的ASCII码，表示图像的GIF或表示视频的MPEG等。表示层包括以下功能：

◆字符码翻译——例如从ASCII码转换成EBCDIC码。◆数据转换——提供比特顺序的转换、回车与回车/换行的转换、整型与浮点型指针的转换及其他函数。◆数据压缩——减少了在网络上传输的比特数。◆数据加密——为了安全的目的给数据加密。7、应用层（ApplicationLayer）

提供应用程序接口。应用层是面向用户的最高层，通过软件应用实现网络与用户的直接对话，如找到通信对方，识别可用资源和同步操作等提供了直接支持用户程序的服务，用于网络上运行的特定的应用程序需要访问这一层。例如：电子邮件，数据库访问和文件传输。按照OSI参考模型，每种应用都要使用自己的第七层协议。基于多种可用的应用类型，协议做了如下定义：资源共享；远程文件访问；远程打印机访问；进程间通信；网络管理；目录服务；电子消息（如电子邮件）网络虚拟终端。

二、协议数据单元（PDU，ProtocolDataUnit）

协议数据单元PDU是指的是某协议层的数据分组。大多数通信网络都是围绕着分层协议的概念设计的，这些协议发送和接收的数据单元称为协议数据单元（PDU）。三、现代通信网络的分层结构2.2交换技术一、交换的意义

交换是通信网的一个基本概念，也称转接，它承担着将各用户点来的信息转接到其它用户点去的任务。

交换方式可分为电路交换与分组交换两大类。 交换描述了通信网络中各节点之间及与端点之间的信息交换方式，交换是通信网的重要支撑。 交换经历了从空分到时分，从低速到高速，从模拟到数字，从面向话路到面向多媒体，从电交换到光交换等过程。 交换的进程代表了通信网的发展过程。图中给出了6个用户点的网络拓扑结构，图（a）是有交换的拓朴结构，图（b）是无交换的拓朴结构。在图（b）中若要实现6个用户点两两互通，则需总线路数为6*5/2＝15条，当用户点数较大时，线路会非常多。采用交换可节约线路建设费用，提高线路利用率。通信网中的交换技术电路交换交换技术ISDNSDHPSPDNSwitching分组交换帧中继信元交换ATMDQDBPSTNTransfermode固定长度可变长度Internet

二、电路交换技术（CircuitSwitching）指在开始正式信息传输前，首先由用户呼叫，一直等待到在收发间建立起一条适当的信息通道，用户才开始进行信息传输。在信息传输期间，该信道一直为通信双方用户所占用，通信结束后才释放线路，即提供端到端的临时物理线路来实现信息的交换。例如：PSTN。它可分为空分方式、时分方式。其主要特点为：★对语音最优的交换方式，提供连续的传输带宽。★对数据交换只提供一条会话路径，数据业务协议由端用户负责。早期的人工交换接线员（Operator）人工建立电路连接自动控制的电路交换交换部分控制部分命令数据到其它交换机SwitchingMatrix三、报文交换技术（MessageSwitching）采用存储转发方式，无需事先建立专用数据通道，以完整的报文方式实现信息交换。具体地讲，报文在网络中逐段线路依次从源节点向目的节点传送，报文传到一个交换节点先将报文存储在节点中并排队等候，一直到先到的报文发完了，有链路可供本信息使用时再继续向前传。其主要特点为：★存储转发方式；★报文较长；★采用星型结构。四、分组交换技术（PacketSwitching）将信息分成长度更短的分组来处理、存储和转发，采用统计复用STDM技术，特别适应数据传输突发性的特点，是对数据最优的交换方式。例如：X.25五、快速中继技术快速中继技术是一种特殊的分组交换技术。它包括：◆帧中继技术：采用变长帧结构，以及改进的交换协议，传输速率更高，是对网络互联最优的交换方式。帧长：128~4096Byte，例如：FR。◆信元中继技术：采用定长帧结构，较短的帧结构，更高的传输速率，更低的传输时延，是对各种业务都最优的交换方式。帧长：53Byte，例如：ATM。长期用于电话网的交换技术，包括：空分电路交换（为模拟电话设计）同步时分电路交换：整个通信连续期间始终有一条电路（时隙）被建立，并按照时分复用（TDM）的原理将信息从一个节点传送到另一个。电路交换时延小、透明传输，固定带宽，电路利用率不高分组交换分组交换——数据通信中的主要交换技术数据包的分发电路利用率高、可靠性高，时延大电路交换与分组交换的比较电路交换分组交换分配通信资源方式静态地事先分配线路，造成线路资源的浪费，并导致接续时的困难。动态地分配线路，提高了线路的利用率。使用内存来暂存分组，可能出现因为内存资源耗尽后中间结点丢弃的分组的现象。用户的灵活性信息传输是全透明的，用户可以自行定义传输信息的内容、速率、体积、格式等，可以同时传输语音、数据、图像等。信息传输则是半透明的，用户必须按照分组设备的要求使用基本的参数。收费网络的收费仅限于通信的距离和使用的时间；网络的收费则考虑传输的字节（或者分组）数和连接的时间。两种交换方式技术指标的对比项目电路交换分组交换接续时间较长，平均15s较短，虚电路连接小于1s信息传输时延短，偏差小，通常在ms级短，偏差较大，一般低于200ms数据传输可靠性一般10-7高于10-11对业务过载的反应拒绝接受呼叫（呼损）减少用户输入的信息流量，延时增大信号传输的“透明”性有无异种终端之间的相互通信不可可实现多种功能通信不可可电路利用率低高交换机费用一般较便宜较高实时会话业务适用适用2.3虚电路(VirtualCircuit)与数据报(Datagram)数据报（Datagram）和虚电路（VC，VirtualCircuit）是分组交换（PacketSwitching）的两种具体形式。一、物理电路（PhysicalCircuit）

物理电路：物理上相连接的通信线路。其技术基础是电路交换方式。例如：导线、频分信道、时分信道、PSTN电话线路、T1/E1信道。物理电路特点：

1、通信双方独占通信线路。

2、物理层上实现连接。

二、虚电路（VC）

1、虚电路定义虚电路（VC）：物理电路基础上，逻辑上相连接的通信电路。它是在分组交换网上，通过分组沿固定路由传输实现的。其技术基础是分组交换方式。

2、虚电路特点（1）多用户共享同一条物理线路。（2）链路层上实现相连。（3）在分组通信网上实现。（4）共享操作对用户透明。（5）有固定路由。3、虚电路类型：⑴永久虚电路(PVC:PermanentVC)永久虚电路PVC：连续向用户提供的永久性虚电路。

PVC路由一经建立则固定不变。需向网络运营商申请、协商。用户所提供的分组包含LCN/VCI/DLCI为网络提供路由标识。提供用户端到端固定的永久连接。

⑵交换虚电路(SVC:SwitchVC)交换虚电路SVC：不是预先提供的，而是用户需要时向网络提出请求而建立的临时性虚电路。按需连接。临时性虚电路。可以与网内任意用户建立虚连接。⑶半永久虚电路(SPVC)半永久虚电路(SPVC)：与PVC相似，只不过不能保证用户的网络服务质量QoS。拒绝提供连续服务的情况是：发生网络拥塞。用户占用太多网络资源。4、虚电路的传送原理

VC业务和电路交换类似，可分为3个过程：（1）建立虚电路在虚电路分组交换方式中，在送出一个分组之前先要建立一个逻辑连接。（2）数据传输现在，A站和B站之间可以经由这条已建立的虚电路（VC1）来交换数据。此后的每个分组都包括一个虚拟电路标识符及数据。预先建立的这条路由上的每个节点都知道向什么地方发送这些分组，就不再需要决定路由。

（3）拆除虚电路其中一个站用一个“清除请求”分组来终止这一连接。在任何时刻，每个站到任一其它站可以具有几条虚电路，并且可以对几个站都有虚电路。5、虚电路与物理电路的区别与联系：联系：电路交换相似，利用虚电路（对于SVC）进行通信也分为呼叫建立、通信和拆线三个阶段。区别1：与电路交换中有专用通路不同，虚电路上分组还是要在每个节点上缓冲存储并且排列在一个链路的队列上等候输出。区别2：虚电路上的分组是在两个节点之间的物理电路上共享传送。三、数据报

数据报：物理电路基础上，逻辑上相连接的通信电路。它是在分组交换网上，带有源、宿地址的分组沿非固定路由传输实现的。数据报也常常指无固定路由的分组。技术基础是分组交换方式。

数据报特点：不需呼叫建立连接，无固定路由，需节点进行路由选择。例如：基于TCP／IP协议的Internet业务。

虚电路与数据报的主要区别：1、虚电路有固定路由，而数据报无固定路由，且无需呼叫建立连接。2．对于虚电路方式，节点不必为每一分组作路由选择决定，而对于数据报方式，节点必需根据网络状况为每一分组作路由选择决定。

数据报和虚电路特点的比较：1、如果两站之间有长期数据交换业务，虚电路减少了站和节点间不必要的通信处理开销。2、由于无呼叫建立阶段，数据报特别适合于突发性的数据业务。3、由于数据报有路由选择，它可以更加灵活地绕开网络中拥挤的节点或失效的节点。但传输延时会增加。2.4面向连接的系统和无连接的系统1、面向连接的系统采用了虚电路分组交换概念的系统。虚电路是面向连接的方式，虚电路更为可靠，同时实时性好，服务质量QoS高。2、无连接的系统(或称数据报网络)

不采用虚电路分组交换的系统。数据报是非连接的方式，可靠性和实时性不如虚电路。但无连接操作不需状态表，所以开销小，具有较高的速度和效率。2.5服务质量QOS（QualityofService）QoS泛指所有通信业务的服务质量，不同业务对服务质量要求差别很大。◆从用户角度看，服务质量是用户对业务的质量要求；◆从网络角度看，服务质量体现为网络性能（NP）。

ITU-TE.800建议中的定义如下：（1）服务质量QoS是业务性能的集中体现，决定了用户业务的满意程度。（2）网络性能（NP）是网络或网络的一部分在用户之间提供通信的能力，对业务性能和业务的完整性有重要影响。2.6可变比特率(VBR)和恒定比特率(CBR)业务指网络提供的应用业务和应用环境。网络提供的业务类型有：

1、从业务角度看◆同步业务：即收发业务之间必须严格同步。例如：广播电视◆异步业务：即收发业务之间不必严格同步。例如：电报

2、从传输角度看可分为◆可变比特率（VBR）：即收发设备之间无固定的定时关系，无需分配恒定的和连续的带宽。特别适合突发业务。从时间上来看，这些应用允许以一种可变的方式进行业务排队，不需要发送端和接收端之间具有固定的计时关系。典型应用有交互式终端到终端对话、询问-响应操作、客户机-服务器系统以及批量数据传输操作。例如：FTP、Email业务等。◆恒定比特率（CBR）：即收发设备之间必须保持严格的定时关系，以及分配恒定的和连续的带宽。特别适合连续的非突发业务。这些应用要求一定的保证带宽并在发送和接收设备之间具有可预测的固定的传输延迟。典型应用有：实时语音和视频传输。例如：实时语音、视频业务等。2.7流量控制和拥塞管理

拥塞：指网络因通信流量太大或节点故障造成网络阻塞。流量控制（FlowControl）：网络控制用户业务量的操作。流量控制的目的：用于拥塞管理以保证网络不过载。

流量控制的方式：（1）显式流量控制（ExplicitFlowControl）：对于进入网络的业务量进行明确的限制，超过限制则网络向用户发出流控命令，停止或降低用户发送的业务量。（2）隐式流量控制（ImplicitFlowControl）：对于进入网络的业务量不进行严格的限制，只是超过服务协议流量或网络拥塞的情况下，网络向用户发出流控建议，希望停止或降低用户发送的业务量，而由于超流量造成的损失由用户自己承担。（3）无流控：无流控措施，即网络可能通过根本不执行任何流量控制而建立起流量控制。这意味着网络通过丢弃引起过载的分组来调节用户业务量。2.8用户有效负载完整性的管理

用户有效负载（净荷）：指网络所传递的数据流中除去开销部分的用户有效的信息部分。完整性管理目的：网络提供用户有效负载完整性的管理是指网络保证用户有效负载从源到宿的传递过程中绝对安全和正确性。用户有效负载完整性的管理需要收发确认、差错控制、流控等操作，必然会消耗网络资源，网络会根据用户要求以及业务性质，采用不同的管理方式以满足不同QoS要求。2.9寻址与识别方案寻址：网络根据用户提供的宿地址标识符来寻找宿地址，以实现分组的正确转发。标识符：与寻址地址相关联的标志。它可分为：①显式地址：直接指明网络、子网、主机等的地址。一个显式地址拥有一个与之相应的位置，它并不是指某个特定的地理位置，而是一个网络或附在网上的某个设备的名字。交换机、路由器以及网桥使用显式地址作为路由表的索引。这些路由表含有关于怎样选择路由将业务送到目的地的信息。几乎所有的无连接系统均使用显式地址，而且每个PDU都必须提供源地址和目的地址，以便把它发往正确的目的地。例如：8

②标号：包含了从源到宿路由信息的标志号。标号不含有网络标识符或物理位置等信息，它仅仅是一个分配给用户业务、用以识别该用户业务的每一个数据单元的数值。大多数新技术都使用标号，例如虚电路标识符。采用这种方法的原因是标号比显式地址短（显式地址可能相当长）。采用标号方式，网络节点处理时间短转发快。【结论】一般地，面向连接的方式更多地支持标号（可以预先建立映射关系），而无连接方式更多地支持显式地址。2.10多路复用技术

多路复用操作接收来自终端、电话和用户应用的低速语音、视频或数据信号，并将它们组合成高速数据流以便在链路上传输。接收设备再将组合的数据流进行多路分解并将其转换成最初的多个低速信号。由于在同一条线路上发送几个独立的传输信号，因而提高了线路的效率。常见多路复用技术可分为时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、码分复用（CDM）等。1、频分复用（