通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課件

第1章

通信網(wǎng)絡(luò)概論及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

通過《通信原理》的學(xué)習(xí)，我們知道：任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（終端或用戶）之間通過一個(gè)給定的信道進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^程。我們可以通過適當(dāng)?shù)男旁淳幋a方式來表示信源和降低信源的信息速率，通過適當(dāng)?shù)男诺谰幋a來消除或減輕信道錯誤的影響，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式來運(yùn)載信息，以適應(yīng)信道的特征。根據(jù)傳輸媒介（銅線或無線電波等）的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的傳輸技術(shù)，可形成可靠的物理傳輸通道（鏈路）或通信系統(tǒng)，如光纖通信系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)等。如果在任意兩個(gè)用戶之間都建立一條物理傳輸通道，就可以解決相互通信問題。但需要N*N條物理傳輸通道。通信網(wǎng)絡(luò)的基本問題：如何以盡可能低的成本有效地解決處于任何地理位置的任意兩個(gè)用戶之間即時(shí)信息傳遞問題。內(nèi)容1.1通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成

1.2協(xié)議體系及分層的概念

1.3通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

1.4通信網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題1.1通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成1.1.1數(shù)據(jù)傳輸鏈路1.1.2數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)1.1.3網(wǎng)絡(luò)的互連

1.1通信網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成

傳輸?shù)逆溌罚娫捑€、光纖）用戶終端（電話機(jī)、傳真機(jī)、計(jì)算機(jī)）路由器、程控交換機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的分類用戶活動的類型：移動、固定業(yè)務(wù)的種類：電話、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、多媒體傳輸媒介：有線、無線技術(shù)體制：ATM交換體制、電路交換體制、分組轉(zhuǎn)發(fā)體制應(yīng)用領(lǐng)域：軍用、民用/公用、專用通信網(wǎng)絡(luò)舉例：固定電話網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、ATM網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、IP網(wǎng)絡(luò)等。通信網(wǎng)絡(luò)舉例（1）通信網(wǎng)絡(luò)舉例（2）它包括的網(wǎng)絡(luò)（通常稱為子網(wǎng)）有：ATM（AsynchronousTransferMode，異步轉(zhuǎn)移模式）網(wǎng)絡(luò)、X.25分組數(shù)據(jù)網(wǎng)、PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，公用電話交換網(wǎng)）/ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork,綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)）、移動通信網(wǎng)/衛(wèi)星通信網(wǎng)、FDDI（FiberDistributedDataInterface，光纖分布式數(shù)據(jù)接口）環(huán)網(wǎng)、局域網(wǎng)及高速骨干核心網(wǎng)等。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過以WDM（WavelengthDivisionMultiplexing，波分復(fù)用）鏈路作為核心路由器的高速通道，形成高速信息傳輸平臺，將上述各子網(wǎng)互連互通，可形成一個(gè)無縫覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。

通信網(wǎng)絡(luò)舉例（3）

路由器是網(wǎng)絡(luò)互連的核心設(shè)備，它負(fù)責(zé)分組（分組是由若干數(shù)據(jù)比特組成的可進(jìn)行獨(dú)立傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，其長度為幾十個(gè)字節(jié)到幾千個(gè)字節(jié)）的轉(zhuǎn)發(fā)和為各個(gè)分組選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斅窂?。（鐵路運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)站、集裝箱碼頭）通信網(wǎng)絡(luò)舉例（4）正是由于路由器的存在，我們可以將任一用戶（用戶A）的分組，通過一個(gè)最優(yōu)的路由（用戶A→路由器R13→路由器R1→路由器R3→ATM網(wǎng)絡(luò)→路由器R14→用戶G）轉(zhuǎn)發(fā)給任一目的用戶（用戶G）。

（圖1.2）Interconnect(Crossbar+Scheduler)ReceiveBufferingReceiveBufferingTransmitBufferingTransmitBuffering10GLinecards1..16InterfacesInterfaces通信網(wǎng)絡(luò)舉例（5）在該網(wǎng)絡(luò)中，以分組作為載體來運(yùn)載不同類型的業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)可以是話音、圖像、視頻，也可以是電子郵件、Web業(yè)務(wù)等等。為了向用戶提供不同的服務(wù)，除通信網(wǎng)絡(luò)本身以外，網(wǎng)絡(luò)中還掛有不同類型的服務(wù)器，如S1、S2、S3等。因此在通信網(wǎng)中，通信的雙方可以是人與人、機(jī)器與機(jī)器、人與機(jī)器等，通信的形式既可以是一個(gè)用戶對一個(gè)用戶，也可以是一個(gè)用戶對多個(gè)用戶或多個(gè)用戶對多個(gè)用戶。1.1.1數(shù)據(jù)傳輸鏈路（1）

所謂數(shù)據(jù)傳輸鏈路是指在物理傳輸媒介（如雙絞線、同軸電纜、光纖、微波傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星傳輸電路等）上利用一定的傳輸標(biāo)準(zhǔn)（它通常規(guī)定了電氣接口、調(diào)制解調(diào)的方式、數(shù)據(jù)編碼的方式、比特同步、幀格式和復(fù)分接的方式等）形成的傳輸規(guī)定速率（和格式）的數(shù)據(jù)比特通道。

1.1.1數(shù)據(jù)傳輸鏈路（2）數(shù)據(jù)傳輸鏈路分為兩大類：另一類是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（路由器或交換機(jī)）到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（路由器或交換機(jī)）之間的鏈路（簡稱為網(wǎng)絡(luò)鏈路）。一類是用戶到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（路由器或交換機(jī)）之間的鏈路（簡稱為接入鏈路）；1.1.1數(shù)據(jù)傳輸鏈路（3）接入鏈路有多種形式，如Modem（調(diào)制解調(diào)器）鏈路、xDSL鏈路、ISDN鏈路、無線鏈路（移動通信和衛(wèi)星通信鏈路）、局域網(wǎng)鏈路等。

例如：xDSL鏈路是通過數(shù)字技術(shù)，對PSTN端局（本地電話交換機(jī)）到用戶終端之間的線路進(jìn)行改造而成的數(shù)字用戶線DSL（DigitalSubscriberLine）。DSL的前綴x表示不同的傳輸方案。例如：ADSL（AsymmetricDSL,非對稱數(shù)字用戶線）的上行速率為640kb/s～1Mb/s，下行速率為6～8Mb/s;HDSL(HighSpeedDSL)上下行速率相同，均為768kb/s或1.5Mb/s；VDSL（VeryHighSpeedDSL）下行速率12.96Mb/s、25Mb/s、52Mb/s，上行速率為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局域網(wǎng)鏈路

局域網(wǎng)鏈路中最典型的是以太網(wǎng)（Ethernet）鏈路，在雙絞線上可傳輸?shù)姆逯禂?shù)據(jù)速率為10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。這是在辦公室環(huán)境下，最常用的接入方式。

GPRS/CDMA鏈路高速上網(wǎng)：支持GPRSclass8;支持最高53.6Kbps的下載速度。

雙頻支持：GSM雙頻（900MHz/1.8GHz）CDMA上網(wǎng)卡：數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)256Kbps，實(shí)際接入速度平均可達(dá)每秒233Kbps，網(wǎng)速是GPRS的3-4倍，撥號上網(wǎng)（56KB）的4倍，CDMA網(wǎng)絡(luò)升級到3G,無需更換設(shè)備速度更可高達(dá)1.9MBps1.1.1數(shù)據(jù)傳輸鏈路（4）網(wǎng)絡(luò)鏈路也有多種形式，如：幀中繼、SDH、WDM等。例如：SDH（SynchronousDigitalHierachy，同步數(shù)字系列）是在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的SONET（SynchronousOpticalNetwork，光同步數(shù)字網(wǎng)）的基礎(chǔ)上制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它具有一套標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)等級STM-N（N=1，4，16，64），它們的傳輸速率分別為STM-1（155.520Mb/s），STM-4（622.080Mb/s），STM-16（2488.320Mb/s），STM-64（9953.280Mb/s）。1.1.1數(shù)據(jù)傳輸鏈路（5）光波分復(fù)用（WDM，WaveLengthDivisionMultiplexing）技術(shù)是在一根光纖中能同時(shí)傳輸多個(gè)波長光信號的一種技術(shù)。在發(fā)端將不同波長的光信號組合（復(fù)用）起來。在接收端又將組合的光信號分開（解復(fù)用）并送到不同的終端。目前在一根光纖上可提供的數(shù)據(jù)速率為4×2.5Gb/s（第一個(gè)數(shù)字4為波長數(shù)，第二個(gè)數(shù)字2.5為每一波長上的速率，后同）、16×10Gb/s，160×2.5Gb/s、128×10Gb/s等，理論上可達(dá)5Tb/s的傳輸速率。

1.1.2數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（1）

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的基本功能是通過網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)（或路由設(shè)備）運(yùn)載用戶業(yè)務(wù)的分組，選擇合適的傳輸鏈路，從而使這些分組迅速可靠地傳送到目的用戶。（一個(gè)分組經(jīng)過的所有傳輸鏈路的集合稱為一條路徑(或路由)）。在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，要傳送的基本內(nèi)容稱為消息（Message）。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，消息可有不同的含義。比如，消息可以是一份電子郵件（E-mail），一份文件，一幅圖像，……。1.1.2數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（2）會話過程（Session）：

在要進(jìn)行交互操作的場合，如：A可以發(fā)一個(gè)消息給B，B可以發(fā)一個(gè)應(yīng)答給A，雙方需要交互多次才可完成信息交換的過程，或者說，雙方需要按一定的順序交換大量的消息。我們稱這樣一個(gè)消息的序列為一個(gè)會話過程（Session）。

AB1.1.2數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)必須保證每一個(gè)會話過程可靠、及時(shí)、高效地完成。典型的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：分組交換網(wǎng)和ATM網(wǎng)等。1．分組交換網(wǎng)（1）

在分組交換網(wǎng)中，將消息分成許多比較短的、格式化的數(shù)據(jù)塊稱為分組（Packet）進(jìn)行傳輸和交換。每一個(gè)分組由若干比特的數(shù)據(jù)組成。每一個(gè)分組通常包括一個(gè)附加的分組頭。分組頭指明該分組的目的節(jié)點(diǎn)及其他網(wǎng)絡(luò)控制信息。在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式來將輸入的分組送到選定的輸出鏈路上。（這種按照一定的規(guī)則（路由算法）將輸入分組送到選定的輸出鏈路上的過程稱為交換。）分組交換網(wǎng)如圖1-3所示。1．分組交換網(wǎng)（2）消息A分段重裝節(jié)點(diǎn)的交換過程1．分組交換網(wǎng)（2）如何選擇一條合適的傳輸路徑？基本方式：虛電路方式數(shù)據(jù)報(bào)方式1．分組交換網(wǎng)（3）在虛電路方式中，在一個(gè)會話過程開始時(shí)，確定S→D的一條邏輯通路（即實(shí)際分組傳輸時(shí)才占用物理鏈路，無分組傳輸時(shí)不占用物理鏈路。此時(shí)物理鏈路可用于其他用戶分組的傳輸）。會話過程中所有的分組都沿此邏輯通道進(jìn)行。例如圖1-3（a）的S→D之間為消息A建立了一條邏輯通路。每一條邏輯通路中的邏輯鏈路可用一個(gè)虛電路號（VCn）來表示。

1．分組交換網(wǎng)（4）在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，為會話過程中的每一個(gè)分組獨(dú)立地選擇路由，也就是S→D之間一次會話過程中的分組可以獨(dú)立地選擇路徑A，路徑B或路徑C或其他路徑。因而，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的分組所經(jīng)過的鏈路可能各不相同。

ABC電路交換

電路交換（或稱線路交換）是指根據(jù)用戶的呼叫請求，將輸入物理電路直接與輸出物理電路相連接的一種交換技術(shù)。電路交換機(jī)在功能上等效為一個(gè)開關(guān)矩陣，當(dāng)某一輸入電路要與某一輸出電路相連時(shí)，則將對應(yīng)的開關(guān)閉合，形成直接的通路。在電路交換網(wǎng)中，在雙方通信之前，需要在雙方建立一條直接的物理通路，在通信結(jié)束后，要拆除該物理通路。在通信過程中，收發(fā)雙方獨(dú)占該道物理通路。在電路交換方式中，信息的傳輸具有很短的時(shí)延，且可以保持收發(fā)雙方嚴(yán)格的同步關(guān)系。但與分組交換相比，鏈路使用效率相對較低。控制系統(tǒng)交換網(wǎng)絡(luò)2．ATM網(wǎng)絡(luò)（1）

ATM（AsynchronousTransferMode）是在傳統(tǒng)電話網(wǎng)使用的電路交換以及分組交換網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種交換技術(shù)，可以較好地支持不同速率、不同種類的寬帶信息交換。2．ATM網(wǎng)絡(luò)（2）它與分組交換的差別是采用一個(gè)全網(wǎng)統(tǒng)一的固定長度的分組（稱之為信元）進(jìn)行傳輸和交換。ATM網(wǎng)絡(luò)中，信元的長度為53個(gè)字節(jié)，其中5個(gè)字節(jié)為信元頭，48個(gè)字節(jié)用來運(yùn)載信息。好處：由于信元長度和格式固定，可用硬件電路對信元進(jìn)行處理，因而縮短了每一個(gè)信元的處理時(shí)間。它采用面向連接（即虛電路）方式，以提高信息傳送的實(shí)時(shí)性。ATM設(shè)計(jì)是以光纖傳輸為基礎(chǔ)，因此在傳輸鏈路上采用了非常簡單的差錯控制和流量控制等措施，提高了信元在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率。2．ATM網(wǎng)絡(luò)（3）ATM用戶（終端）到ATM交換機(jī)（網(wǎng)絡(luò)）之間的接口稱為UNI（User-NetworkInterface，用戶網(wǎng)絡(luò)接口）。交換機(jī)（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）之間的接口稱為NNI（Network-NodeInterface，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口）。

UNINNINNIUNIATM網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)X交換機(jī)H交換機(jī)K交換機(jī)YAB2．ATM網(wǎng)絡(luò)（4）首部凈負(fù)荷GFCVPIVCIPTHECATM信元5484816318

VPIVCIPTHEC1216318CLPUNI接口比特NNI接口比特字節(jié)ATM的信元格式：UNI接口和NNI接口的信元格式除前12個(gè)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用來表示信元傳遞的路徑。其中，VPI（VirtualPathIdentifier）是虛通道標(biāo)識；VCI（VirtualChannelIdentifier）是虛信道標(biāo)識。PT（PayloadType,負(fù)荷類型）用來區(qū)分該信元是用戶信息還是控制信息。CLP（CellLossPriority，信元丟失優(yōu)先級）指示信元的丟失優(yōu)先級。HEC（HeaderErrorControl，信元頭差錯控制）提供信元頭四個(gè)字節(jié)的差錯控制，可進(jìn)行多個(gè)比特的檢錯和單個(gè)比特的糾錯。

2．ATM網(wǎng)絡(luò)（5）ATM網(wǎng)絡(luò)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信元傳輸和交換的過程2．ATM網(wǎng)絡(luò)（6）ATM信元通常是在SDH鏈路上進(jìn)行傳輸?shù)?。為了支持不同類型的業(yè)務(wù)，ATM網(wǎng)絡(luò)向用戶提供四種類別的服務(wù)，即A類、B類、C類和D類。服務(wù)類別是根據(jù)業(yè)務(wù)的比特率是固定的還是可變的、源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)是否需要同步、以及是面向連接還是無連接來劃分的。對于不同類別的業(yè)務(wù)，ATM網(wǎng)絡(luò)采用不同的適配方法（即如何將業(yè)務(wù)比特流分段，形成數(shù)據(jù)協(xié)議單元（CS-PDU），再如何將CS-PDU分成信元，最后如何有效地傳輸這些信元）。這些適配的方法稱為AAL1～AAL5。2．ATM網(wǎng)絡(luò)（7）AAL1支持A類：恒定比特流、收發(fā)需要定時(shí)關(guān)系、面向連接的業(yè)務(wù)。AAL2支持B類：可變比特流、收發(fā)需要定時(shí)關(guān)系且面向連接的業(yè)務(wù)（如話音和圖像等業(yè)務(wù)）。AAL3/4支持C類/D類業(yè)務(wù)，服務(wù)既可以是面向連接的也可以是無連接的，支持的業(yè)務(wù)可以是報(bào)文模式也可以是流模式。AAL5為面向連接的應(yīng)用提供更為有效的運(yùn)載措施。1.1.3網(wǎng)絡(luò)的互連（1）

前面兩個(gè)小節(jié)，我們主要討論的是一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)的問題，這時(shí)所有的鏈路具有相同特性，采用某種數(shù)據(jù)傳輸鏈路協(xié)議和尋址方式，通過交換設(shè)備來實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的路由選擇和信息交換。當(dāng)多個(gè)（不同傳輸和交換方式的）子網(wǎng)要互聯(lián)互通構(gòu)成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要采用路由器（設(shè)備）。如圖1-5所示。

1.1.3網(wǎng)絡(luò)的互連（2）IP/MPLSATM租用線