第3章 通信網(wǎng)

1、第3章 通信網(wǎng) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院 信息技術(shù)信息技術(shù) 遼寧石油化工大學(xué) 3.1 通信概論 通信的任務(wù)是克服距離的限制，及時(shí)準(zhǔn) 確地完成信息在空間上的傳遞。 現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)跨入信息時(shí)代，對通信的 要求也與日俱增。 3.1.1 通信技術(shù)發(fā)展概況 1838年摩爾斯發(fā)明有線電報(bào) 1876年貝爾發(fā)明電話 1896年馬可尼發(fā)明無線電報(bào) 1948年仙農(nóng)提出了信息論 1961年發(fā)明集成電路 3.1.1 通信技術(shù)發(fā)展概況 19601967年數(shù)字傳輸理論和技術(shù)迅速發(fā)展 19701980年大規(guī)模集成電路、商用衛(wèi)星通信、程控?cái)?shù) 字交換機(jī)、光纖通信系統(tǒng)、微處理機(jī)等得到迅速發(fā)展 20世紀(jì)80年代超大規(guī)模集成電路、長波長光

2、纖通信系統(tǒng) 20世紀(jì)90年代蜂窩移動(dòng)電話通信得到迅速普及 3.1.2 通信系統(tǒng)的組成 通信的任務(wù)是在空間上傳遞信息。 傳遞的信息有聲音、文字、符號(hào)、音樂、 圖像和數(shù)據(jù)等。 實(shí)際系統(tǒng)中主要采用以電信號(hào)的形式來 傳遞信息的方式。 將信息從一個(gè)地方的發(fā)信者傳遞給另一 個(gè)地方的收信者，此間所需要的一切技 術(shù)設(shè)備的總和，統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)。 3.1.2 通信系統(tǒng)的組成 信源：信息的產(chǎn)生者。根據(jù)信源輸出信息的 不同可分為模擬信源和離散信源。 編碼器：也稱作發(fā)信機(jī)，其功能是將消息轉(zhuǎn) 換成適合于信道傳輸?shù)男盘?hào)。 信道：信號(hào)的傳輸媒介，信號(hào)是通過信道傳 送到接收端的。傳輸媒介可以是有線，也可 以是無線。 譯碼器：也

3、稱作接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)與編碼器對應(yīng) 部分相反的功能，即從信號(hào)中恢復(fù)消息。 信宿：包括人和設(shè)備，其功能是接收信息。 3.1.5 性能度量和技術(shù)指標(biāo) 傳輸信息的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)最主 要的質(zhì)量指標(biāo)。 有效性：在給定信道內(nèi)能傳輸?shù)男畔?nèi) 容的多少； 可靠性：接收信息的準(zhǔn)確程度。 模擬通信系統(tǒng)的有效性可用有效傳輸頻帶來 度量，可靠性用接收端輸出信噪比來度量。 數(shù)字通信系統(tǒng)，有效性可用信息傳輸速率來 衡量。可靠性可用傳輸錯(cuò)誤率來衡量。 3.2 通信網(wǎng)概論 有將眾多的通信系統(tǒng)按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在 一起，實(shí)現(xiàn)某一區(qū)域內(nèi)任意兩個(gè)終端用戶的 相互連接才構(gòu)成通信網(wǎng)。模擬通信系統(tǒng)的有 效性可用有效傳輸頻帶來度量，可

4、靠性用接 收端輸出信噪比來度量。 通信網(wǎng)由各種終端設(shè)備、交換設(shè)備、傳輸設(shè) 備以及有控制和管理網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的軟件組成。 通信網(wǎng)絡(luò)可以支持廣泛的通信業(yè)務(wù)，必須建 立一種網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)或規(guī)則。 3.2.1 通信網(wǎng)發(fā)展概況 20世紀(jì)60年代初，采用數(shù)字傳輸和交換的電話網(wǎng) 20世紀(jì)60年代后期，逐漸形成了綜合通信和計(jì)算機(jī)兩大 技術(shù)的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng) 20世紀(jì)80年代開始：第一代基于頻分多址(FDMA)技術(shù) 的模擬蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)。目前，正處于從第二代(2G)向 第三代(3G)過渡的時(shí)期。2G無線傳輸主流技術(shù)基于時(shí)分 多址(TDMA)技術(shù)的GSM和基于碼分多址(CDMA)技術(shù)。 3G無線傳輸主流技術(shù)是WCDMA、C

5、DMA2000和具有 中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TDSCDMA技術(shù)。 未來的移動(dòng)通信提供更高的數(shù)據(jù)速率，更好的業(yè)務(wù) 質(zhì)量(QoS)，更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更廣闊的覆蓋范圍。 3.2.1 通信網(wǎng)發(fā)展概況現(xiàn)代通信的基本特征 信源多樣化 語音、電報(bào)、傳真、圖像、電視、 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)在通信中，要求 各種類型的消息能夠融合在一個(gè)統(tǒng)一的通信網(wǎng)中。 傳輸手段多樣化 對多業(yè)務(wù)和移動(dòng)性的需求需要 各種傳輸手段以及它們的綜合應(yīng)用。 計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用 在通信、廣播、信號(hào)處理、控 制、管理等領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)無處不在。 通信業(yè)務(wù)量激增，通信質(zhì)量要求愈來愈高 用戶 對通信的頻次和質(zhì)量要求提高。 3.2.1 通信網(wǎng)發(fā)展概況通信網(wǎng)的

6、發(fā)展趨勢 寬帶化 智能化 個(gè)人化 綜合化 3.2.1 通信網(wǎng)發(fā)展概況三大通信網(wǎng)的特點(diǎn) 公眾電話網(wǎng)： 可高質(zhì)量地支持話音業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)的效率不 高，不能很好地支持高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)， 滿足快速發(fā)展的市場需求。目前，電信運(yùn)營商 已經(jīng)開始考慮從單一電信運(yùn)營商向綜合信息服 務(wù)商轉(zhuǎn)型。 3.2.1 通信網(wǎng)發(fā)展概況三大通信網(wǎng)的特點(diǎn) 有線電視網(wǎng)： 實(shí)時(shí)性和寬帶能力較好，但是不支持雙向 通信，無統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)管理體系。目 前基于IP網(wǎng)絡(luò)來傳輸電視(IPTV)成為電信運(yùn)營 商和廣電部門都普遍看好的新業(yè)務(wù)，通過廣電 網(wǎng)與公眾電話阿的結(jié)合實(shí)現(xiàn)IPTV業(yè)務(wù)已經(jīng)成為 一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。 3.2.1 通信網(wǎng)發(fā)展概況三

7、大通信網(wǎng)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)： 雖能很好地支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但實(shí)時(shí)性、服 務(wù)質(zhì)量(QoS)差，不能支持電話和實(shí)時(shí)圖像業(yè)務(wù)， 網(wǎng)絡(luò)管理的安全性不夠?；ヂ?lián)網(wǎng)要想成為真正 意義上的電信級(jí)業(yè)務(wù)網(wǎng)，還需要解決許多技術(shù) 難題。 3.2.1 通信網(wǎng)發(fā)展概況三大通信網(wǎng)的特點(diǎn) 三種網(wǎng)都在逐步演變，使自己具備其他兩網(wǎng) 的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)上取長補(bǔ)短，業(yè)務(wù)上也在相互 滲透。 從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度看，基于全I(xiàn)P的融合網(wǎng)絡(luò) 是通信網(wǎng)的發(fā)展方向。 3.2.2 通信網(wǎng)分類 按業(yè)務(wù)分類：電話網(wǎng)、電報(bào)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、傳真網(wǎng)、 計(jì)算機(jī)網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)、互聯(lián) 網(wǎng)。 按傳輸手段分類：電纜網(wǎng)、光纖網(wǎng)、短波通信 網(wǎng)、微波中繼網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)和移動(dòng)

8、通信網(wǎng)等。 按照傳輸信號(hào)的形式分類：模擬通信網(wǎng)、數(shù)字 通信網(wǎng)和模擬/數(shù)字混合通信網(wǎng)。 按使用范圍分類：按照網(wǎng)絡(luò)覆蓋的物理范圍來劃 分，通信阿絡(luò)可以劃分為本地網(wǎng)、國家網(wǎng)和國際 網(wǎng)。 3.2.2 通信網(wǎng)分類 按運(yùn)營模式分類：通信網(wǎng)按運(yùn)營方式不同可劃分 為公用網(wǎng)和專用網(wǎng)。 按網(wǎng)絡(luò)功能分類：通信網(wǎng)的功能層次由幾部分 完成：傳送網(wǎng)(包括骨干傳送網(wǎng)和接入網(wǎng))、業(yè)務(wù) 網(wǎng)、支撐網(wǎng)(包括信令網(wǎng)、同步網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)) 等。 按網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類 通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要 有全連接網(wǎng)和轉(zhuǎn)接互聯(lián)網(wǎng)兩大類。 3.2.3 通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 為了相互進(jìn)行通信，最簡單的方法是用戶間直接 互聯(lián)。這種方式不用交換，用戶各自與其他用戶

9、 都存在直達(dá)線路，稱為全連接網(wǎng)。對需要與許多 節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信，且業(yè)務(wù)量十分大的網(wǎng)，全連接仍 然可行，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中各地面站之間采用全聯(lián) 結(jié)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 為了節(jié)省線路的巨額成本，將通信用戶之間通 過交換機(jī)連接，無需通信雙方的直接互聯(lián)，就 形成了主要由傳輸鏈路相互連接起來的網(wǎng)絡(luò)交 換機(jī)或交換節(jié)點(diǎn)組成的通信網(wǎng)。 3.2.4 通信網(wǎng)的組成與基本功能組成 各種終端設(shè)備 交換中心 復(fù)用器 連接器 控制和管理網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的軟件(如標(biāo)準(zhǔn)、信令、協(xié)議) 3.2.4 通信網(wǎng)的組成與基本功能基本功能 基本用戶業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)為其用戶提供的基本服務(wù)。 終端連接到網(wǎng)絡(luò)的末端系統(tǒng)。 信息表示網(wǎng)絡(luò)處理的信息格式。 協(xié)議轉(zhuǎn)換使具有不同協(xié)議和控

10、制方法的終端 用戶能夠相互通信。 傳輸系統(tǒng)通過物理介質(zhì)傳進(jìn)信息的手段。 交換方式在通信線路之間轉(zhuǎn)移信息流的方法，為通 信雙方提供信息交換通路。 3.2.4 通信網(wǎng)的組成與基本功能基本功能 尋址(路由選擇)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方式 尋徑在始節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間選擇一條最佳通路。 復(fù)用將多個(gè)連接或多個(gè)信息流接入到共享線路上 流量控制機(jī)制用于保證信息流平穩(wěn)地通過網(wǎng)絡(luò) 擁塞控制或過載控制機(jī)制 網(wǎng)絡(luò)管理 其中包括網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測、故障檢測與排 除、網(wǎng)絡(luò)資源配置、網(wǎng)絡(luò)信息計(jì)費(fèi)及網(wǎng)絡(luò)信息的訪問控 制、網(wǎng)絡(luò)安全保證等。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng) 基于電路交換的電話網(wǎng)(包括公眾電話網(wǎng)和蜂 窩移動(dòng)網(wǎng))的基本任務(wù)是提供電話業(yè)

11、務(wù) 互聯(lián)網(wǎng)(也稱因特網(wǎng))為其末端用戶提供業(yè)務(wù) 是建立在分組交換的能力基礎(chǔ)上的。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)電話網(wǎng)與電路交換 電路交換是最早出現(xiàn)的一種交換方式，電路 交換的基本過程包括呼叫建立階段、信息傳 送(通話)階段和連接釋放階段。電路交換是 一種實(shí)時(shí)交換，當(dāng)任一用戶呼叫另一用戶時(shí)， 通過呼叫建立在兩個(gè)用戶問建立電路連接； 如果沒有空閑的電路，呼叫就不能建立而遭 受損失。因此系統(tǒng)應(yīng)配備足夠的連接電路， 使呼叫損失率不超過規(guī)定值。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)電話網(wǎng)與電路交換 電路交換的特點(diǎn) 要在通信的用戶間建立專用的物理連接 通路： 對通信信息不作處理(信令除外)，而是 原封不動(dòng)地傳送。 對傳

12、送的信息無差錯(cuò)控制措施。 用基于呼叫損失制的方法來處理業(yè)務(wù)流 量，過負(fù)荷時(shí)呼損率增加，但不影響已 建立的呼叫。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)電話網(wǎng)與電路交換 電路交換的特點(diǎn) 電路交換的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、QoS 有保障； 主要缺點(diǎn)是電路利用率低。 另一個(gè)缺點(diǎn)，就是通信過程中必須保持 整個(gè)連接的狀態(tài)信息，一旦鏈路中交換 節(jié)點(diǎn)或傳輸線路的某一部分出現(xiàn)問題， 通信就會(huì)中斷。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與分組交換 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本業(yè)務(wù)是在與網(wǎng)絡(luò)相連的任 意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間傳送信息。對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 的附加要求是對允許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的消息長度有 限制，因?yàn)楹荛L的消息將使排隊(duì)處理的等待 時(shí)間太長。分組交換就是要解

13、決這個(gè)問題， 這種網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔K長度是可變的，并規(guī) 定了某一允許的最大值。用戶信息不是只放 在一個(gè)分組里，而是分割成段，放到不同的 分組中。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與分組交換 在分組交換中，利用兩種基本的尋址和轉(zhuǎn)發(fā) 方法，產(chǎn)生了兩種相應(yīng)的分組傳送模式，第 一 種 是 無 連 接 分 組 傳 送 或 稱 數(shù) 據(jù) 報(bào) (Datagram，簡稱DG)，即每個(gè)分組獨(dú)立尋 址，與其他分組無關(guān)。第二種是首先建立端 到端的虛電路(Virtual Switching，簡稱VS)， 然后沿此虛電路轉(zhuǎn)發(fā)所有的分組。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與分組交換 為了在互聯(lián)網(wǎng)中提供無連接分組傳送，開發(fā) 了

14、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議(Internet Protocol，簡稱 IP)。在IP網(wǎng)中，各子網(wǎng)通過專門的分組交換 機(jī)互聯(lián)，這種交換機(jī)就是網(wǎng)關(guān)或路由器，IP 路由器直接在互聯(lián)網(wǎng)中傳送IP分組。路由確 定后，分組被存于緩沖器中等待傳送到下一 網(wǎng)絡(luò)。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與分組交換 利用數(shù)據(jù)報(bào)傳進(jìn)單獨(dú)信息塊的方法可以支持 很多應(yīng)用，但也有許多應(yīng)用要求正確可靠地 按 次 序 傳 送 信 息 流 。 傳 輸 控 制 協(xié) 議 (Transmission control Protocol，簡稱TCP) 實(shí)現(xiàn)在無連接的IP層之上兩末端主機(jī)間信息 流的可靠傳送。TCP為進(jìn)行可靠的和按次序 的傳輸，提供了一種有效

15、的控制機(jī)制。它在 端到端的基礎(chǔ)上提供差錯(cuò)與流量控制，可以 處理由于丟失、延時(shí)或錯(cuò)誤IP分組所出現(xiàn)的 問題。還包括當(dāng)檢測到擁塞時(shí)，降低向互聯(lián) 網(wǎng)發(fā)送信息速率的機(jī)制。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與分組交換 互聯(lián)網(wǎng)利用無連接分組交換，能繞過故障點(diǎn)， 重新尋找路由，從而具有健壯性。無連接分 組交換需要花費(fèi)能力來傳送各分組中的頭部 信息，這種開銷減少了可用于傳輸用戶信息 的能力。一方面，無連接分組交換避免了電 路交換的呼叫建立延時(shí)，而且不需要保持連 接的任何狀態(tài)信息；另一方面，對每個(gè)分組 都要進(jìn)行處理，以確定其路由。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與分組交換 分組交換的特點(diǎn) 分組交換采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)

16、方式，與電路交 換的原理不同，不需要提供通信雙方的 物理連接。 分組交換將用戶要傳送的信息分割為若 干個(gè)分組，每個(gè)分組中有一個(gè)分組頭， 含有可供選路的信息和其他控制信息。 分組交換節(jié)點(diǎn)對所收到的各個(gè)分組分別 處理，按其中的選路信息選擇去向，以 發(fā)送到能到達(dá)目的地的下一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)。 3.2.5 電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)與分組交換 分組交換的服務(wù)方式 虛電路方式，就是在用戶數(shù)據(jù)傳送前先通過 發(fā)送呼叫請求分組，建立端到端之間的虛電 路；一旦虛電路建立后，屬于同一呼叫的數(shù) 據(jù)分組均沿著這一虛電路傳送，最后通過呼 叫清除分組來拆除虛電路。 數(shù)據(jù)報(bào)方式不需要預(yù)先建立邏輯連接，而是 按照每個(gè)分組頭中的目的地址對各個(gè)分組獨(dú) 立進(jìn)行選路。由于不需要建立連接，也稱為 無連接方式。