信息傳輸原理與應用信息傳輸-資料包-教案1-第三章

1、第3章信息網絡基礎 3.1信息網絡的基本知識 3.1.1信息網絡的基本概述1信息網絡的形成 網絡的形成分為三個不同的階段：一是利用專用的機房，昂貴的設備組成的計算機終端網絡階段。二是以通信子網為中心，資源子網在外圍的計算機通信網絡階段。三是遵循OSI開放系統(tǒng)互連的開放式和標準化，組成全球性信息網絡階段。 2信息網絡的分類 網絡按地域或覆蓋范圍可以分為廣域網WAN、城域網MAN和局域網LAN。按網絡拓撲結構可以分為星形網、樹形網、環(huán)形網、總線形網。按信息交換的方式分為電路交換網、分組交換網、綜合交換網。而按通信介質分為雙絞線網、同軸線網、光纖網、衛(wèi)星網。 3信息網絡標準化組織 （1）國際標準化組

2、織ISO（International Orgnization for Standardization）： （2）電子電器工程師協(xié)會IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）： （3）美國國家標準局ANSI（American National Standards Institute）： （4）電子工業(yè)協(xié)會EIA/TIA（Electronic Industries Association/Telecomm Industries Association）： （5）國際電信聯(lián)盟ITUT（International Telecomm U

3、nion）： （6）INTERNET行動委員會IAB（Internet Architectrue Board）： 3.1.2信息網絡的功能和服務 1信息網絡的基本功能 （1）資源共享功能（2）終端設備間的通信功能 （3）均衡負荷（4）分布處理功能 （5）集中處理功能 （6）提高可靠性 （7）綜合信息服務功能 （8）提高系統(tǒng)的性能價格比。使網絡維護更方便、擴展更靈活。 2信息網絡的基本服務 （1） 文件服務 （2） 應用服務（3）消息服務 （4）打印服務 （5）數(shù)據庫服務（6）集中式和分布式網絡服務 3.1.3信息網絡結構 1信息網絡的組成 網絡主要由通信子網和資源子網組成 （1）通信子網 通信

4、子網主要由通信設備和通信線路組成，不同的網絡會有不同的通信子網組成，其任務是在端節(jié)點之間傳送由信息組成的報文。（2）資源子網 資源子網是數(shù)據處理子網，它是通信服務的使用者。由網上的用戶主機組成。通信子網部分用于主機與通信子網的連接，資源子網部分用于數(shù)據處理和資源共享。 2信息網絡通信方式 （1）點點通信方式 點到點通信有星形、環(huán)形、樹形等拓撲結構（2）廣播通信方式廣播通信方式有總路線形、環(huán)形、任意形等拓撲結構。 3信息網絡性能的指標 帶寬（bandwidth）和延遲（delay）是衡量網絡性能的兩個主要指標。（1）帶寬是描述網絡上數(shù)據在一定時刻從一個節(jié)點傳送到任意節(jié)點的信息量。 （2）網絡的時

5、延（延遲）網絡的時延是節(jié)點間數(shù)據傳送的時間。它定義了網絡把一位數(shù)據從一個網絡節(jié)點傳送到另一個網絡節(jié)點所需要的時間。網絡延遲主要由傳導延遲（propagation delay）、交換延遲（switching delay）、介質訪問延遲（access delay）和隊列延遲（queuing delay）組成。 3.1.4 信息網絡硬件 1服務器和客戶機 2網卡（接口卡、適配卡） 3同軸電纜 同軸電纜是由實心或絞合的銅線為芯線，周圍用紡織的銅網或其它金屬網作為外部屏蔽層。 4非屏蔽雙絞線 雙絞線是由兩股互相絕緣的導線絞合在一起，并封裝在另一個絕緣護套里。 3.1.4 信息網絡硬件5光纜 光導纖維是一

6、種傳輸光速的細微而柔韌的媒質。光纖主要有以下兩種分類方式：一是按傳輸點模數(shù)分類：按傳輸點模數(shù)分類光纖可以分為單模光纖和多模光纖兩類。 6中繼器用于消除噪聲放大并具有重新傳輸信號的能力，以延伸網路的距離。 3.1.4 信息網絡硬件7集線器 集線器從技術上將屬于中繼器，即多端口的中繼器，專門用來延伸網絡。 8防火墻Firewall 防火墻是一種用在相同網段之間的受控的訪問控制點，用來將問題限制在一個網段內。 3.1.4 信息網絡硬件9交換機也稱交換式集線器。它同樣具備許多接口，提供多個網絡節(jié)點互連。 10路由器路由器是一種用于網絡互連的計算機設備，為不同的網絡之間報文那么并存儲轉發(fā)。 11網關 網

7、關和多協(xié)議路由器（或特殊用途的通信服務器）組合在一起可以連接多種不同的系統(tǒng)。 3.2局域網技術 3.2.1局域網技術 1局域網的組成局域網的組成元素分為通信鏈路和網絡節(jié)點。通信鏈路是指傳輸信息的信道；而網絡節(jié)點又分為連接節(jié)點和端節(jié)點。 2介質訪問控制方法介質（傳輸介質）訪問控制方法又稱為網絡的控制方法，用于控制網絡中各個節(jié)點間的信息傳輸，局域網的訪問控制方法，按照其控制方式可分為集中式和分布式控制，采用分布式訪問控制方法包括有：帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）、令牌通信、時隙控制法、寄存器延遲插入法等。 （1）CSMA/CDCSMA/CD是一種具有沖突檢測（CD）功能的載波偵聽

8、多路訪問（CSMA）的分布式控制技術 （2）令牌通信 令牌通信控制法，又稱許可證法 （3）時隙控制法 時隙即時間分割中的間隙，俗稱時間槽。時隙控制法是在利用時間為每個節(jié)點預先安排一個特定的時間片段，某節(jié)點要通信時，必須在指定的時間片段范圍內進行 （4）寄存器插入法 寄存器延遲插入法，是用于環(huán)形結構網絡中的介質訪問方法，從任一節(jié)點的交換接口中，利用移位寄存器，可在環(huán)上流通的多個報文分組中隨時插入并發(fā)送一個新的報文分組，也可隨時接收并刪除送來的一個新的報文分組，而且所有的報文分組長度可變，所以說這個控制法是集合了令牌法和時隙法的優(yōu)點，只是增加了環(huán)路接口硬件的復雜程度來作代價。 3局域網的互聯(lián) （1

9、）局域網的互聯(lián)從距離上區(qū)分，有本地局域網互聯(lián)和遠程局域網互聯(lián)方式，即LANLAN和LANWANLAN的方式。從互聯(lián)所采用的介質看，有同軸電纜、雙絞電纜和光纖等連接方式。（2）網絡互聯(lián)設備 網絡互聯(lián)設備包括：中繼器、網橋、路由器、網關。 4局域網的管理和安全 （1）局域網的管理故障管理性能管理 配置管理計費管理安全管理(2) 局域網的安全網絡安全將網絡資源所受到威脅的可能性降到最低。 安全防范措施一是物理安全防范措施。 二是訪問控制防范措施。 安全性指標現(xiàn)時安全標準，采用“級別”區(qū)別安全等級，一些級別被用于保護硬件、軟件和存儲的信息免遭攻擊。安全防范方法信息加密。 給每個用戶分配兩把密鑰：一把是

10、保密的，稱為私有密鑰；一把是公眾所知的，稱為公共密鑰。防火墻 防火墻是控制兩個不同網絡之間訪問的有效安全技術措施，可稱之為控制進/出兩個方向通信的門檻。 3.2.2以太網基礎 1以太網簡介 其基本思想很簡單：用戶只要有數(shù)據要發(fā)送，就讓他們發(fā)送。由于廣播的反饋性，發(fā)送方只要偵聽信道就可以知道發(fā)出的數(shù)據是否被破壞，如果被破壞，發(fā)送方等待一段隨機的時間再重發(fā)數(shù)據。 CSMA/CD 步驟：（1）監(jiān)視信道直到其空閑。（2）傳輸數(shù)據，并監(jiān)視信道看是否有沖突發(fā)生。（3）如果檢測到沖突發(fā)生，停止傳輸，發(fā)出一個沖突產生信號，再等待一個隨機的時間，再回到第一步。2常用以太網連接方法 3交換技術 傳統(tǒng)的基于共享式集

11、線器的局域網中所有站點都處于同一個“沖突域”中，這里的“沖突域”是指CSMA/CD算法中每個站點所監(jiān)聽的網絡范圍。處于同一個沖突域中的站點在任意時刻只能有一個站點占用信道，這意味著傳統(tǒng)以太網的帶寬是被各個站點在統(tǒng)計意義上均分的，這決定了傳統(tǒng)形式的以太網不具有可伸縮性。 4用交換機構建局域網 交換機對于集線器的主要優(yōu)勢在于提供的可用帶寬高，而且從集線器升級到交換機對終端用戶完全透明，作為連接各共享網段的設備交換機具有智能特性。 外部網絡三層交換機交換機交換機交換機交換機交換機交換機5VLAN簡介 VLAN（Virtual Local Area Network）一般稱為虛擬局域網 廣播報文并不需要

12、讓局域網每個站點都知道，事實上，這樣既浪費了大量帶寬，又不利于安全。VLAN出現(xiàn)之后，人們可以通過VLAN為網絡分段，屬于不同VLAN的各個網段屬于不同的廣播域 6快速以太網 快速以太網由IEEE802.3u標準定義，基本與標準以太網相同，但速度比標準以太網快十倍。 快速以太網有自動協(xié)商的功能，能夠自動適應電纜兩端最高可用的通信速率，能方便的與10M以太網連接通信。 7千兆以太網 千兆以太網保留了傳統(tǒng)以太網的大部分簡單特征，以1000Mbps/2000Mbps的帶寬提供半雙工/全雙工通信。千兆以太網對電纜的長度的要求更為嚴格，多模光纖的長度至多為500米，5類雙絞線為100米。IEEE802.

13、3Z標準定義了千兆以太網，IEEE802.3ab標準專門定義了雙絞線上的千兆以太網規(guī)范，兩者都是802.3標準的補充。 3.2.3常用信息網絡接口與線纜 物理接口又分為兩種，一種是LAN（局域網）接口，主要是指以太網接口；另一種是WAN（廣域網）接口，包括同/異步串口、異步串口、CE1/PRI接口、ISDN BRI接口等。1局域網接口及線纜 （1）5類雙絞線的線序 （5）設備連接方式 同級設備用交叉線，不同級設備用直連線SC/STN/AN/ASC/STSC/ST交換機光口N/AN/ANormalN/AN/A交換機級連口N/ANormalcrossnormalnormal交換機普通口SC/STN

14、/Anormalcrosscross路由器SC/STN/Anormalcrosscross主機交換機光口交換機級連口交換機普通口路由器主機SC/STN/AN/ASC/STSC/ST交換機光口N/AN/ANormalN/AN/A交換機級連口N/ANormalcrossnormalnormal交換機普通口SC/STN/Anormalcrosscross路由器SC/STN/Anormalcrosscross主機交換機光口交換機級連口交換機普通口路由器主機3.3廣域網技術 3.3.1廣域網定義及分類 1公用電話網： 2綜合業(yè)務數(shù)字網： 3專線DDN 4X.25網 5幀中繼 6ATM網 3.3.2WAN

15、交換模式 WAN通常采用兩種交換模式運行：即電路交換（circuit switching）和分組交換（packet switching）技術。3.3.3廣域網連接主要技術 1點到點連接這條連接被兩個連接設備獨占，中間不存在分叉或交叉點。 3.3.3廣域網連接主要技術2分組交換方式 多個網絡設備在傳輸數(shù)據時共享一個點到點的連接，也就是說這條連接不是被某個設備獨占，而是由多個設備共享使用。 Packet Switching3.3.4WAN常用設備 1路由器（Router）： 2調制解調器（Modem）： 3廣域網交換機 ：4接入服務器 ：路由器廣域網交換機3.3.5廣域網接口與線纜 物理接口就是真

16、實存在、有對應器件支持的接口。 WAN（廣域網）接口，包括同/異步串口、異步串口、cE1/PRI接口、ISDN BRI接口等，路由器可以通過他們與外部網絡中的網絡設備交換數(shù)據。邏輯接口是指能夠實現(xiàn)數(shù)據交換功能但物理上不存在、需要通過配置建立的接口，包括Dialer（撥號）接口、子接口、備份中心邏輯通道以及虛擬接口模板等 1廣域網的類型 分為窄帶廣域網和寬帶廣域網兩大類 窄帶公共網絡包括PSTN公共交換電話網、ISDN綜合數(shù)字業(yè)務網、DDN、X.25網、幀中繼網等 2異步串口與同步串口 廣域網按照線路類型來分有X.25網、幀中繼網、ATM網、ISDN網等類型。 3V.24接口規(guī)程 通信的雙方相對

17、而言，路由器屬于DTE設備，各種Modem、ISDN終端適配器等則屬于DCE設備。 4V.35接口規(guī)程V.35電纜的接口特性嚴格遵照EIA/TIAV.35標準。路由器端為DB50接頭，外接網絡端為34針接頭，也分DCE和DTE兩種，對應的DCE側為插座（34孔），DTE側為插頭（34針）。 5CEI/PRI接口 該接口可以承載CE1和PRI這兩種不同接口規(guī)程的數(shù)據傳輸任務。 6光接口連接器 不同類型的光纖接頭和光接口連接器是配套使用的 3.4 通信網基礎知識3.4.1數(shù)據通信網 1分組交換數(shù)據網 2數(shù)字數(shù)據網DDN數(shù)字數(shù)據網主要由本地傳輸系統(tǒng)、復用/交叉連接系統(tǒng)、局間傳輸系統(tǒng)、網同步系統(tǒng)和網絡

18、管理系統(tǒng)等5部分組成。 3幀中繼 幀中繼與X.25不同，幀中繼只是使用物理層和鏈路層的一部分執(zhí)行它的交換功能，智能的終端設備把數(shù)據發(fā)送到鏈路層，并封裝在LAPD幀結構中，其包含了幀中繼規(guī)程使用的數(shù)據鏈路連接識別符DLCI。 4ATM技術 ATM交換就是能滿足寬帶業(yè)務對交換要求的交換技術。 ATM的特點是進一步簡化了網絡功能。ATM網絡不參與任何數(shù)據鏈路層功能，將差錯控制與流量控制工作都交給終端去做。 分組交換網、幀中繼網和ATM網的功能比較 5ATM交換機 ATM交換是以信元為單位進行交換，實際上就是VC/VP交換，即實現(xiàn)輸入信元頭中VCI/VPI值的轉換。 6ADSL技術 ADSL又稱為非對

19、稱式數(shù)字用戶線路，ADSL使用普通電話線作為傳輸介質，雖然傳統(tǒng)的MODEM也是使用電話線傳輸?shù)模皇褂昧?K4KHz的低頻段，而電話線理論上有接近2MHz的帶寬，ADSL正是使用了26KHz以后的高頻段才能提供如此高的速度。 6ADSL技術現(xiàn)存的用戶環(huán)路主要由UTP（非屏蔽雙絞線）組成。UTP對信號的衰減主要與傳輸距離和信號的頻率有關，而線路衰減是影響ADSL性能的主要因素，ADSL通過不對稱傳輸，利用頻分復用技術（或回波抵消技術）使上、下、行信道分開減小串音的影響，從而實現(xiàn)信號的高速傳送。 3.4.2智能網 智能網IN是在原有通信網絡的基礎上設置的一種附加網絡。其目的在于：能夠使電信業(yè)務

20、提供者快速、有效地滿足現(xiàn)在和潛在市場對電信業(yè)務的需求；同時能夠使網絡的運營成本和管理費用得以降低；對提高電信服務質量也大有益處。 3.4.3支撐網支撐網是通信網正常運行的基礎，也是保障各種業(yè)務網運行質量的重要手段，它在電信網中具有舉足輕重的地位。支撐網包括同步網、電信管理網TMN、信令網三大網絡。其中，同步網負責為各種業(yè)務網定時，以實現(xiàn)各種業(yè)務網的同步；電信管理網TMN是專門進行網絡管理的網絡，它使電信網的運行、管理、維護過程實現(xiàn)了標準化、簡單化和自動化；信令網用以指導終端、交換系統(tǒng)及傳輸系統(tǒng)協(xié)調運行，在指定的終端之間建立臨時的通信信道，并維護網路本身正常運行。3.4.4ISDN綜合業(yè)務數(shù)字網

21、 ISDN的發(fā)展大致可分為以下四個階段：第一階段：19851990年，實現(xiàn)64kbit/s電路交換的ISDN，即由IDN演變形成ISDN。第二階段：19901995年，實現(xiàn)用戶數(shù)字化以及通過數(shù)字接口使得用戶出入口系統(tǒng)能夠和64kbit/s的電路交換網及分組交換網連接。第三階段：19952000年，提供各種已有的和即將出現(xiàn)的新業(yè)務，實現(xiàn)話音、數(shù)據及圖像等三種業(yè)務的融合，形成高速電路交換和高速分組交換的寬帶ISDN。第四階段：2000年之后，ISDN將是能夠提供各種通信業(yè)務，具有智能功能的寬帶綜合業(yè)務通信網。ISDN概念模型 3.4.5寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網BISDN 當今人們對通信的要求越來越高，除

22、原有的語聲、數(shù)據、傳真業(yè)務外，還要求綜合傳輸高清晰度電視、廣播電視、高速數(shù)據傳真等寬帶業(yè)務。 由ISDN向寬帶ISDN的發(fā)展可分為三個階段： 第一階段的BISDN結構 第一階段是進一步實現(xiàn)話音、數(shù)據和圖象等業(yè)務的綜合，它是由三個獨立的網構成初步綜合的BISDN 第二階段的BISDN結構 第二階段的主要特征是BISDN和用戶/網絡接口已經標準化，光纖已進入家庭，光纖交換技術已廣泛應用，因此它能提供包括具有多頻道的高清晰度電視HDTV在內的寬帶業(yè)務 第三階段的BISDN結構 由智能網控制中心來管理三個基本網。智能網也稱作智能寬帶ISDN，其中可能引入智能電話、智能交換機及用于工程設計或故障檢測與診

23、斷的各種智能專家系統(tǒng)。 3.4.6用戶接入網 接入網的主要功能是復用、交叉連接和傳輸，一般不具備交換功能，而且獨立于核心網交換機。具體功能分為用戶口功能UPF、業(yè)務口功能SPF、核心功能CF、傳送功能TF和接入網系統(tǒng)管理功能SMF五大類。它們分別分布在交互實體內的同等層中。 3.4.7 移動通信網 1移動通信概況 我國從第一代模擬移動通信網，發(fā)展到第二代的GSM數(shù)字移動通信網，以及第三代的CDMA數(shù)字移動通信網。 2移動通信網的蜂窩網結構 所需最少基站個數(shù) 2134325432611（a）正三角形 （b）正方形（c）正六邊形 面狀服務區(qū)相臨小區(qū)的重疊面積 正六邊形相臨小區(qū)重疊面積是最小的，即各

24、基站之間的相互干擾也最小。因此，采用正六邊形小區(qū)彼此鄰接構成面狀服務區(qū)是最經濟、實用的一種方案。由于正六邊形的網絡形同蜂窩，故稱此種小區(qū)形狀的移動通信網為蜂窩網。 （a）正三角形 （b）正方形 （c）正六邊形（2）GSM系統(tǒng)工作頻段 GSM900系統(tǒng)基站接收頻率（手機發(fā)射頻率）：890 915MHz基站發(fā)射頻率（手機接收頻率）：935 960MHz雙工間隔：45MHz信道間隔：200KHz雙工信道數(shù)：124條DCS1800系統(tǒng)基站接收頻率（手機發(fā)射頻率）：1710 1785MHz基站發(fā)射頻率（手機接收頻率）：1805 1880MHz信道間隔：200KHz（3）GSM系統(tǒng)的多址方式 蜂窩移動通信

25、系統(tǒng)有三種多址方式：頻分多址FDMA、時分多址TDMA和碼分多址CDMA。GSM系統(tǒng)采用的多址方式為FDMA和TDMA混合多址方式。 FDMA：不同的MS（主呼或被呼）占用不同的工作頻率。 TDMA：不同的MS（主呼或被呼）占用同一工作頻率，但占用的時間不同。 CDMA：不同的MS（主呼和被呼）占用同一工作頻率，但各帶有不同的隨機碼序。 國內移動通信網絡編號 網絡號運營商網絡種類多址方式90中國移動ETACS模擬900M網絡FDMA130、131中國聯(lián)通GSM數(shù)字900M網絡FDMA和TDMA混合多址133中國聯(lián)通CDMA數(shù)字800M網絡CDMA135、136、137、138、139中國移動GSM數(shù)字900M網絡FDMA和TDMA混合多址（4）GSM系統(tǒng)組成 規(guī)范的GSM體系結構由基站子系統(tǒng)BSS、網路子系統(tǒng)NSS和移動臺MS三大部分組成。其中基站子系統(tǒng)BSS在移動臺MS及交換網路子系統(tǒng)NSS之間提供和管理傳輸通路，特別是包括了MS與GSM系統(tǒng)功能實體之間的無線接口管理。NSS必須管理通信業(yè)務，保證MS與相關的公用通信網或與其它MS 之間建立通信，也就是說NSS不直接與MS互通，BSS也不直