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通信信息网,鲜 永 菊 办公地址:逸夫楼四楼414 联系电话Email: ,2,课程特点:广、基、新 课程的考核及要求:,3,参考书目,4,第1章 绪论 第2章 传送网 第3章 支撑网 同步网 信令网 管理网 第4章 CPN与接入网 第5章 电话通信网 电话网 智能网 第6章 FR、DDN、ATM 第7章 计算机网络及Internet,目 录,5,第1章 绪 论,1.1 通信网的基本概念及发展史 1.2 通信网的交换技术 1.3 通信网的体系结构及标准化组织 1.4 通信网的服务质量 思考题,6,1.1.1 通信网的基本概念 通信:通过某种媒体进行的信息传输与交换. 传输克服时间和空间的限制; 信息:是指消息中所包含的有意义的内容,消息(数值、文字、图形、图象、声音和动画等)是信息的载体,消息又是以具体信号(如电信号、光信号等)形式表现出来的。 信息(information);消息(message);信号(signal) 通信实例: 古代的烽火报警、舰船上的灯语和旗语 传统的文字书信 现代四通八达的电话和绚丽多彩的电视 精彩纷呈的计算机互连网络Internet,7,什么是通信网?不同的角度,有不同的观点。 通信信息网(通信网) :所有用于信息通信的网络总称。,8,书上给定的通信网的定义: 通信网:由一定数量的节点(包括终端节点、交换节点)和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的,按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。用户使用它可以克服空间、时间等障碍来进行有效的信息交换。,9,通信网上交换的信息包括三类: 用户信息(如话音、数据、图像等) 控制信息(如信令信息、路由信息等) 网络管理信息。 由于信息在网上通常以电或光信号的形式进行传输,因而现代通信网又称电信网。,10,1.1.2 通信、通信网的发展,交流语言(通信产生的雏形) 记录与保存文字(通信的第一次革命) 大规模复制印刷术(通信的第二次革命) 具有通信实时性等电通信(通信的第三次革命),一、通信的发展,11,1837年,莫尔斯发明了电报; 1864年,麦克斯韦提出了电磁波的存在; 1896年,马可尼利用电磁波发明了无线电报机; 1876年,贝尔发明了电话; 1878年,建立了人工电话交换局; 1892年,建立了自动电话交换局,标志着电话从此开始进入自动交换时代。,电通信时代,通信(Communication)作为电信 (Telecommunication)是从19世纪30年代开始的(续),12,“交换”概念背后的思想是:动态按需分配,网络根据用户实际的需求为其分配通信所需的网络资源 当用户有通信需求时,网络为其分配资源 通信结束后,网络再回收分配给用户的资源,让其他用户使用 从而达到网络资源共享,降低通信成本的目的。,13,交换模式变革,14,二、 通信网的发展史,1第一阶段:模拟通信网时代 约在18801970年之间: 网络的主要特征是模拟化、单业务单技术。 电话通信网占统治地位,电话业务也是网络运营商主要的业务和收入来源,15,二、 通信网的发展史,1第一阶段 整个通信网都是面向话音业务来优化设计,主要的技术特点: (1) 交换技术:电路交换技术,为用户业务静态分配固定的带宽资源,带宽资源利用率不高,16,(2) 信令技术:模拟的随路信令系统。 (3) 传输技术:终端设备、交换设备和传输设备基本是模拟设备,传输系统采用FDM技术、铜线介质,网络上传输的是模拟信号。 (4) 业务实现方式:网络通常只提供单一电话业务,并且业务逻辑和控制系统是在交换节点中用硬件逻辑电路实现的,网络几乎不提供任何新业务。,1第一阶段,17,数据通信技术还未成熟,基本处于试验阶段。 由于通信网主要由模拟设备组成,存在的主要问题是: 成本高、可靠性差、远距离通信的服务质量差。,1第一阶段,18,2第二阶段:骨干通信网由模拟网向数字网转变 约在19701994年之间。 数字技术和计算机技术广泛使用,除传统PSTN外,出现多种不同的业务网。 网络的主要特征是数模混合、多业务多技术并存,19,2第二阶段:骨干通信网由模拟网向数字网转变 数字计算机技术的引入解决话音、数据业务的服务质量。 网络技术主要的变化: (1) 数字传输技术:基于PCM技术的数字传输设备解决了长途信号传输质量差的问题,降低了传输成本。,20,(2) 数字交换技术:数字交换设备极大地提高了交换的速度和可靠性。 (3) 公共信道信令技术:公共信道信令系统取代了原来的随路信令系统,实现了话路系统与信令系统之间的分离,提高了整个网络控制的灵活性。 (4) 业务实现方式:在数字交换设备中,业务逻辑采用软件方式来实现,使得在不改变交换设备硬件的前提下,提供新业务成为可能。,2第二阶段,网络技术主要的变化,21,电话业务仍然是网络运营商主要的业务和收入来源 骨干通信网仍是面向话音业务来优化设计的, 电路交换技术仍然占主导地位。 基于分组交换的数据通信网技术在这一时期发展已成熟, TCP/IP、X.25、帧中继等都是在这期间出现并发展成熟的,数据业务量与话音业务量相比所占份额还很小,因此实际运行的数据通信网大多是构建在电话网的基础设施之上的。 光纤技术、移动通信技术、IN技术出现。,2第二阶段,22,形成了以PSTN为基础,Internet、移动通信网等多种业务网络交叠并存的结构。 这种结构主要的缺点是: 对用户,要获得多种电信业务就需要多种接入手段,增加用户成本和接入复杂性; 对网络运营商,不同的业务网都需要独立配置各自的网络管理和后台运营支撑系统,增加运营商成本 不同业务网技术、标准和协议各不相同,使得网络资源和业务很难共享和互通。,2第二阶段,23,因此在20世纪80年代末,在主要的电信运营商和设备制造商的主导下,开始研究如何实现一个多业务、单技术的综合业务网,其主要的成果是N-ISDN、B-ISDN和ATM技术。,24,3当前阶段。 从1995年一直到目前,是信息通信技术发展的黄金时期,是新技术、新业务产生最多的时期。 骨干通信网实现了全数字化 骨干传输网实现了光纤化, 数据通信业务增长迅速 独立于业务网的传送网也已形成。 电信市场由垄断转向全面的开放和竞争。,25,1) 计算机技术 2) 光传输技术 3) Internet,在技术方面,对网络结构产生重大影响的主要有以下三方面:,26,传统电路交换网是针对话音业务来优化设计的 传统的分组交换网技术如IP、X.25、帧中继等则又是针对数据业务来优化设计的 它们都不能满足现代网络通信向综合业务发展的需求,因此需要一种新的技术来构建宽带综合业务网,以实现对所有业务的最优综合。,27,在1995以前,SDH和ATM还被认为是宽带综合数字业务网(B-ISDN)的基本技术 在1995年以后,ATM已受到了宽带IP网挑战。 宽带IP网的基础是先进的密集波分复用(DWDM)光纤技术和MPLS技术。,28,图1.14 当前电信网的概貌,目前,在通信产业界 ,基于IP实现多业务汇聚,骨干网采用MPLS技术和WDM技术来构建已成为共识。,29,网络平台资源的发展趋势:七化,最终将形成以光纤为主,无线为辅,覆盖全球,天地一体化的通信网络。,30,5W Whoever Wherever Whenever Whomever Whatever 无论什么人在什么地方什么时间跟什么人以什么样的方式通信都支持,31,1.1.3 通信系统的基本模型 1点到点的通信系统,32,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,如图1.1(a)所示的点到点的单向通信模型:通信系统是将用户(信源)要求传递的信息转移到另一个用户(信宿)的全部软硬通信设施。,噪声源,33,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,噪声源,34,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,噪声源,35,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,对应不同的信源和传输系统,发送器会有不同的组成和信号变换功能,一般包含编码、调制、放大和加密等功能。,噪声源,36,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,噪声源,37,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,按传输媒介的种类可分为有线信道和无线信道;按传输信号的形式则可分为模拟信道和数字信道。,噪声源,38,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,噪声源,是一种随机信号,对通信有害, 但不可避免。,39,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,噪声源,40,图1.1 简单通信系统模型 (a) 模型图;(b) 实例,下述通信系统只是一个发送点到目的点的单向通信模型,噪声源,41,影响因素:业务量和业务种类,网络的结构的变化,42,2交换式网络,在交换式网络中,用户终端都通过用户线与交换节点相连 交换节点之间通过中继线相连 任何两个用户之间的通信都要通过交换节点进行转接交换。,图1.2 点到点的网络与交换式网络,43,交换式网络主要有如下优点: (1) 骨干网上交换节点间可以用少量的中继线路以共享的方式为大量用户服务,降低骨干网的建设成本。 (2) 交换节点的引入也增加了网络扩容的方便性,便于网络的控制与管理。,44,实际中的大型交换网络都是由多级复合型网络构成的,建立通信网需要引入交换,建立大规模通信网需要层次化交换,45,常见等级制网络结构,现代通信网主要建立以城市为中心固定的等级结构网络,区域蜂窝结构的移动通信网络,为用户提供快捷的信息服务。 等级制网络结构:全部节点分成多个等级,每一节点属于某一等级,低等级节点与管辖它的高一等级节点相连,形成多级汇接辐射结构。 当最高等级节点间的通信联系非常繁忙且最高等级节点不止一个时,往往把最高等级节点连接成网状形结构。 在等级网中,如果某些节点间的联系十分密切,认为在它们之间建立直接连接是十分必要的,而且经济合理,则除了逐级汇接外,还可在任何两节点间建立直达线路。,46,1.电话网的等级制结构 电话网络结构的演变:减少等级无级动态网,47,目前电话网分为本地网和长途网 长途网是指在全国范围内,由端局、汇接局和若干个长途局组成。 本地网是在同一编号区域范围内,由若干端局,或者由若干端局与汇接局及局间中继线、用户线和话机终端等组成的电话网 DC交换中心:设在省会(直辖市)城市,它们之间以网状网相互连接,与本省各地市的DC2以星形方式连接。汇接所在省的省际长途来话、去话话务,以及所在本地网的长途终端话务 DC2交换中心:设在地(市)本地网的中心城市,本省各地市的DC2之间以网状或不完全网状方式连接;同时辅以一定数量的直达电路与非本省的交换中心相连。汇接所在本地网的长途终端话务,48,2. 数据网络的三级网络结构(CHINAPAC,CHINAFR,CHINADDN等),中国X.25分组交换网,帧中继网,数字数据网等的网络结构。 一级中心由设置在大区中心(枢纽)、各省市自治区和直辖市的节点组成,提供省间的长途业务 二级干线网由设置在省内的节点组成,它提供本省内长途和出入省的业务。 本地网是指城市范围内的网络,在省内发达城市可以组建本地网。本地网为其用户提供本地和长途业务。根据网络规模、业务量要求,本地网可以由多层次的网络组成。,49,CDMA网的网结构示意图,50,多级结构的因特网,大公司,地区 ISP,网络接入点 NAP (对等点),公司,主干服务 提供者,本地 ISP,地区 ISP,地区 ISP,地区 ISP,本地 ISP,本地 ISP,大公司,大公司,网络接入点 NAP (对等点),网络接入点 NAP 国家主干网(主干 ISP) 地区 ISP 本地 ISP 校园网、企业网或 PC 机上网用户,主机到主机的通信可能经过多种 ISP。,51,1.1.4 通信网的构成要素,通信网,硬件:终端节点、交换节点、业务节点和传输系统,软件:信令、协议、控制、管理、计费,实际的通信网是由软件和硬件按特定方式构成的一个通信系统。,52,硬件完成通信网的基本功能:接入、交换和传输。 软件完成通信网的功能:控制、管理、运营和维护,实现通信网的智能化。,53,1)终端节点:信息的产生者,使用者。,54,终端节点主要功能有: 用户信息:待传送的信息转换及收发信道上的信号 信令信息:应有信令或协议的产生和识别的能力。如寻址信号,控制信号,联系信号,55,2) 交换节点 交换节点是通信网的核心设备,最常见的有电话交换机、分组交换机、路由器、转发器等。 交换节点负责集中、转发终端节点产生的用户信息,但它自己并不产生和使用这些信息。,56,图1.3 交换节点的基本功能结构,(1) 用户业务的集中和接入功能。通常由各类用户接口和中继接口组成。,交换节点主要功能有:,57,图1.3 交换节点的基本功能结构,(2) 交换功能。通常由交换矩阵完成任意入线到出线的数据交换。,交换节点主要功能有:,58,图1.3 交换节点的基本功能结构,(3) 信令功能。负责呼叫控制和连接的建立、监视、释放等。,交换节点主要功能有:,59,图1.3 交换节点的基本功能结构,(4) 其他控制功能。路由信息的更新和维护、计费、话务统计、维护管理等。,交换节点主要功能有:,60,3) 业务节点:智能网中的业务控制节点(SCP)、智能外设、语音信箱系统,以及Internet上的各种信息服务器 它们通常由连接到通信网络边缘的计算机系统、数据库系统组成。 其主要功能是: (1) 实现独立于交换节点的业务的执行和控制。 (2) 实现对交换节点呼叫建立的控制。 (3) 为用户提供智能化、个性化、有差异的服务。,61,4) 传输系统:线路接口设备、传输媒介、交叉连接设备等。 传输系统为信息的传输提供传输信道,并将网络节点连接在一起。 传输系统一个主要的设计目标就是如何提高物理线路的使用效率,因此通常传输系统都采用了多路复用技术,如频分复用、时分复用、波分复用等。 另外,为保证交换节点能正确接收和识别传输系统的数据流,交换节点必须与传输系统协调一致,这包括保持帧同步和位同步、遵守相同的传输体制(如PDH、SDH等)等。,62,3通信网的基本结构,不同网络在网络结构、基本功能、实现原理上都是相似的,63,它们都实现了以下四个主要的网络功能: (1) 信息传送。它是通信网的基本任务,传送的信息主要分为三大类:用户信息、信令信息、管理信息。信息传输主要由交换节点和传输系统完成。 (2) 信息处理。网络对信息的处理方式对最终用户是不可见的,主要目的是增强通信的有效性、可靠性和安全性,信息最终的语义解释一般由终端应用来完成。,64,(3) 信令机制。它是通信网上任意两个通信实体之间为实现某一通信任务,进行控制信息交换的机制,例如电话网上的No.7信令、Internet上的各种路由信息协议、TCP连接建立协议等均属此范畴。 (4) 网络管理。它负责网络的运营管理、维护管理、资源管理,以保证网络在正常和故障情况下的服务质量。它是整个通信网中最具智能的部分。已形成的网络管理标准有:电信管理网标准TMN系列,计算机网络管理标准SNMP,公共管理信息协议CMIP等。,65,图1.4 现代通信网的功能结构(按垂直结构分解),因此,从功能的角度看,一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分:业务网、传送网、支撑网。,66,1) 业务网 业务网负责向用户提供各种通信业务,如基本话音、数据、多媒体、租用线、VPN等,采用不同交换技术的交换节点设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。,67,1) 业务网 构成一个业务网的主要技术要素有以下几方面内容: 网络拓扑结构 交换节点技术 编号计划 信令技术 路由选择 业务类型 计费方式 服务性能保证机制等 其中交换节点设备是构成业务网的核心要素。,68,表 1.1 主要业务网的类型,69,70,2) 传送网 构成传送网的主要技术要素有: 传输介质 复用体制 传送网节点技术等,其中传送网节点主要有分插复用设备(ADM)和交叉连接设备(DXC)两种类型,它们是构成传送网的核心要素。,71,2) 传送网 传送网是随着光传输技术的发展,在传统传输系统的基础上引入管理和交换智能后形成的。 传送网独立于具体业务网 传送网负责按需为交换节点/业务节点之间的互连分配电路,在这些节点之间提供信息的透明传输通道 它还包含相应的管理功能,如电路调度、网络性能监视、故障切换等。,72,传送网节点与业务网的交换节点相似之处在于: 传送网节点也具有交换功能。,73,传送网节点与业务网的交换节点不同之处在于: (1)基本交换单位: 业务网交换节点的基本交换单位本质上是面向终端业务的,粒度很小,例如一个时隙、一个虚连接; 传送网节点的基本交换单位本质上是面向一个中继方向的,因此粒度很大,例如SDH中基本的交换单位是一个虚容器(最小是2 Mb/s),而在光传送网中基本的交换单位则是一个波长(目前骨干网上至少是2.5 Gb/s)。,74,传送网节点与业务网的交换节点不同之处在于: (2)连接的控制: 业务网交换节点的连接是在信令系统的控制下建立和释放的, 光传送网节点之间的连接则主要是通过管理层面来指配建立或释放的,每一个连接需要长期化维持和相对固定。,75,目前主要的传送网有SDH/SONET和光传送网(OTN)两种类型。,76,3) 支撑网 支撑网负责提供业务网正常运行所必需的信令、同步、网络管理、业务管理、运营管理等功能,以提供用户满意的服务质量。,77,3) 支撑网 支撑网包含三部分: (1) 同步网。它处于数字通信网的最底层,负责实现网络节点设备之间和节点设备与传输设备之间信号的时钟同步、帧同步以及全网的网同步,保证地理位置分散的物理设备之间数字信号的正确接收和发送。,78,3) 支撑网 支撑网包含三部分: (2) 信令网。对于采用公共信道信令体制的通信网,存在一个逻辑上独立于业务网的信令网,它负责在网络节点之间传送业务相关或无关的控制信息流。,79,3) 支撑网 支撑网包含三部分: (3) 管理网。管理网的主要目标是通过实时和近实时来监视业务网的运行情况,并相应地采取各种控制和管理手段,以达到在各种情况下充分利用网络资源,以保证通信的服务质量。,80,CPN:用户驻地网(consumer Premises Network) SNI:业务节点接口(Service Node Interface) UNI:用户网络接口(User Network Interface,(按水平结构(物理位置)分解),81,用户驻地网CPN(consumer Premises Network)指设在用户驻地,与公共通信网相联,为用户所拥有的局域型专用通信网:如PBX,PABX,LAN,Intranet等在中型公司或企业所拥有的部分,电话,传真等小型办公室和家庭用户所拥有的网络部分,(按水平结构分解),82,用户接入网即为沟通核心网与用户之间的部分,由一系列传送实体(如线路设施和传输设备)组成,为传送业务提供所需要的传送承载能力。 负责将电信业务透明地传送到用户,用户通过接入网的传输,能灵活的接入到不同的电信业务节点上。,(按水平结构分解),83,核心网是信息网的骨干,电话网指长途网加中继网。它是一个规模大,要求高效运转,安全可靠的网络,实现全网范围内的信号汇聚,分配,大容量的传输和交换,高度互联的网络,由大量的大容量传输和高速交换设备组成。,(按水平结构分解),84,SNI,UNI是它们之间的接口。,(按水平结构分解),85,1.1. 5 网络的分类,86,广域网(WAN:Wide Area Network) 城域网(MAN:Metropolitan Area Network) 局域网(LAN:Local Area Network)。,87,1.1.6网络拓扑结构及特征,网络拓扑结构的三种基本类型: 总线型、星型网络、环型网络,网络拓扑结构指终端 与节点或节点与节点之间的连接与分布形式。,88,典型网络拓扑结构,星型拓扑结构 总线拓扑结构 环型拓扑结构,89,常用的互连结构:利用基本拓扑结构进行组合得到的拓扑结构,1.树型拓扑结构 :即星型结构+星型结构,形状象一棵倒置的树,顶端是树根,树根以下带分支,每个分支还可再带子分支。,90,3.正则拓扑结构,正则图:图中各点具有相同的度数(即跟v相连的边的数目);这种图所对应的拓扑结构,称其成为正则拓扑结构。,91,4、网型拓扑结构:多种结构的不规则组合,结点之间有多条路径相连,不受瓶颈和失效问题的影响。,92,93,94,1最容易处理网络故障的网络拓扑结构是(1);一旦中心节点出现故障则整个网络瘫痪的网络拓扑结构是(2); 在局域网中,最普遍使用的网络且实时性较差的拓扑结构是(3); 交换式以太网是一种典型的局域网,它的拓扑结构是(4); 具有冲突检测载波监听多路访问CSMA/CD技术,一般用于(5)拓朴结构 A、星型网型 B、总线型 C、环型 D、树型 E混合型 2( )在大范围的局域网中,星型网络比总线型网络造价高的主要原因是 星型网络中用的HUB非常贵 B星型网络需要更贵的连接器 星型网络的网卡比总线型网络的网卡贵 D星型网络需要更多的电缆,所以造价较高 3下列哪个句子最佳地描述了环型网络: 比别的拓扑需要的电缆更少。介质不贵,容易使用。 所有的计算机具有均等的访问权。 需要终端匹配器才能正常工作。 4下列哪个句子最佳地描述了总线型网络: 比别的拓扑需要的电缆更多。 B介质不贵,容易使用。 比别的拓扑容易诊断 D. 网络上的计算机数量不影响网络性能,95,选择网络拓朴结构的原则,结构可靠性(容错能力) 建设和管理的代价 可扩展性和适应性 因地制宜 响应时间和吞吐量,96,1.1.5 通信网的业务 传统ITU-T建议的方式,根据信息类型的不同将业务分为四类: 话音业务 数据业务 图像业务 视频和多媒体业务。,97,图1.6 通信业务的带宽需求,98,1电话业务 目前电话业务: 固定电话业务 移动电话业务 VoIP 会议电话业务 电话语音信息服务业务等。 该类业务不需要复杂的终端设备,所需带宽小于64 kb/s,采用电路或分组方式承载。,99,2数据业务 低速数据业务主要包括: 电报 电子邮件 数据检索 Web浏览等。 该类业务主要通过分组网络承载,所需带宽小于64 kb/s。,100,2数据业务 高速数据业务包括: 局域网互连 文件传输 面向事务的数据处理业务等 所需带宽均大于64 kb/s, 采用电路或分组方式承载。,101,3图像业务 图像业务主要包括传真、CAD/CAM图像传送等。 该类业务所需带宽差别较大,G4类传真需要2.464 kb/s的带宽,而CAD/CAM则需要64 kb/s34 Mb/s的带宽。,CAD计算机辅助设计(Computer Aided Design) CAM (computer Aided Manufacturing,计算机辅助制造),102,4视频和多媒体业务 视频和多媒体业务包括 可视电话 视频会议 视频点播 普通电视 高清晰度电视等。 该类业务所需的带宽差别很大,例如,会议电视需要64 k2 Mb/s,而高清晰度电视需要140 Mb/s左右。,103,4视频和多媒体业务 目前通信网业务存在的主要问题是:大多数业务都是基于旧的技术和现存的网络结构来实现的,因此除了基本的话音和低速数据业务外,大多数业务的服务性能都与用户实际的要求存在不小的差距。,104,5承载业务与终端业务 另外一种广泛使用的业务分类方式,即按照网络提供业务的方式,将业务分为三类:承载业务、用户终端业务和补充业务。 (1) 承载业务:网络提供的单纯的信息传送业务,具体地说,是在用户网络接口处提供的。网络用电路或分组交换方式将信息从一个用户网络接口透明地传送到另一个用户网络接口,而不对信息做任何处理和解释,它与终端类型无关。 一个承载业务通常用承载方式(分组还是电路交换)、承载速率、承载能力(语音、数据、多媒体)来定义。,105,(2) 用户终端业务:所有各种面向用户的业务,它在人与终端的接口上提供。它既反映了网络的信息传递能力,又包含了终端设备的能力,终端业务包括电话、电报、传真、数据、多媒体等。一般来讲,用户终端业务都是在承载业务的基础上增加了高层功能而形成的。 (3) 补充业务:又叫附加业务,是由网络提供的,在承载业务和用户终端业务的基础上附加的业务性能。补充业务不能单独存在,它必须与基本业务一起提供。常见的补充业务有主叫号码显示、呼叫转移、三方通话、闭合用户群等。,106,图1.7 承载业务和用户终端业务,107,未来通信网提供的业务应呈现以下特征: (1) 移动性,包括终端移动性、个人移动性; (2) 带宽按需分配 (3) 多媒体性; (4) 交互性。,108,1.2 通信网的交换技术,1.2.1 交换技术概述 1面向连接和无连接 根据网络传递用户信息时是否预先建立源端到目的端的连接,我们将网络使用的交换技术分为两类: 面向连接型 无连接型。 使用相应交换技术的网络也依次称为面向连接型网络和无连接型网络。,109,在面向连接型的网络中,两个通信节点间典型的一次数据交换过程包含三个阶段: 连接建立 数据传输 连接释放。 其中连接建立和连接释放阶段传递的是控制信息,用户信息则在数据传输阶段传输。,110,(,(,A,(,(,(,(,(,(,B,C,D,111,三个阶段中最复杂和最重要的阶段是连接建立: 确定从源端到目的端的连接应走的路由 在沿途的交换节点中保存该连接的状态信息,这些连接状态信息说明了属于该连接的信息在交换节点应被如何处理和转发。 连接建立创建的连接可以是物理连接,也可以是一个逻辑连接,但这种区别用户并不关心,它本身也不是影响服务质量的主要因素。,112,帧中继交换,X,Y,例:帧中继交换原理,113,同一个用户所发出的先后数据在每一段链路上都具有相同的虚电路号,不同的用户所发出的数据在同一段链路上具有不同的虚电路号,用户从源端到目的端由不同的虚电路号组成端到端的虚连接,通过虚连接完成共享资源及复用。,FR PAD,A,B,FR节 点1,FR节 点2,FR节 点3,FR节 点4,A,B,FR节 点1,FR节 点2,FR节 点3,FR节 点4,D,C,终端A到C的虚电路:10、20、26、40 终端B到D的虚电路:12、27、34,DLCI=10,DLCI=20,DLCI=26,DLCI=40,DLCI=12,DLCI=27,DLCI=34,114,图9.8 ATM VC交换,ATM VC交换,115,VCI 与 VPI( VPI 包含 VCI),ATM 连接用信元首部中的两级标号来识别。 虚通道标识 VCI (Virtual Channel Identifier) 虚通路标识符 VPI (Virtual Path Identifier),传输链路,ATM层-交换与路由与复用,116,VCI 与 VPI( VPI 包含 VCI),一个虚通道 VC 是在两个或两个以上的端点之间的一个运送 ATM 信元的通信通路。 一个虚通路VP 包含有许多相同端点的虚通路 VC,而这许多 VC 都使用同一个 VPI。 在一个给定的接口,复用在一条链路上的许多不同的VP,用它们的 VPI 来识别。 复用在一个 VP 中的不同的 VC,用它们的 VCI 来识别。,传输链路,117,ATM交换原理: 请求建立连接接收端收到请求并同意建立连接, 虚连接上所有中继交换机中都会建立VPI/VCI连接映象表通过一系列的VP、VC交换,数据传输到目的地传输完毕释放连接。 有两种交换:虚通路交换(VPS)和虚通道交换(VCS) 。,118,VP 交换,VPI = 1,VPI = 3,VPI = 5,VPI = 2,VPI = 4,VPI = 6,VCI = 1,VCI = 2,VCI = 3,VCI = 4,VCI = 5,VCI = 6,VCI = 3,VCI = 4,VCI = 5,VCI = 6,VCI = 1,VCI = 2,VP交换原理:成组交换,其中的VCI保持不变。,VP 交换的示意图,119,VC 交换,1、完成 VPC 交换 2、完成不同 VPC 内部 VCC 之间的交换,VCC 连接的 VPI/VCI 值被同时交换为新的 VPI/VCI 值。如,输入端 VPI=1/VCI=2的 VCC 经过 VC 交换后,在输出端被交换为 VPI=3/VCI=4,而输入端中同一 VP中的另一个 VCC 则被交换为VPI=2/VCI=3。,VC 交换,VP 交换,VCI = 1,VCI = 2,VCI = 1,VCI = 2,VCI = 3,VCI = 4,VCI = 1,VCI = 2,1,2,4,3,VPI = 1,VPI = 4,VPI = 5,VPI = 2,VPI = 3,120,图 ATM虚电路,VPI+VCI共同表示ATM虚电路,121,在无连接型的网络中,数据传输前,不需要在源端和目的端之间先建立通信连接,就可以直接通信。 不管是否来自同一数据源,交换节点将分组看成互不依赖的基本单元,独立地处理每一个分组,并为其寻找最佳转发路由,因而来自同一数据源的不同分组可以通过不同的路径到达目的地。,通信子网,Computer,B,A,C,D,E,主机,122,2交换节点的功能结构,123,图1.8 交换节点中交换功能的实现 (a) 面向连接型;(b) 无连接型,124,在面向连接型的网络中: 连接建立阶段传递的控制数据中包含目的地址和连接标识,沿途交换节点以目的地址为关键字,查找路由表,就可以确定目的地,相应入端口的信息应该交换到哪一个出端口,交换节点同时将该信息保存到一张转发表中 在用户数据传输阶段,用户数据无需携带目的地址,只需携带一个短的连接标识,交换节点根据连接标识和转发表就可实现快速的数据交换。 转发表记录的是一个交换节点当前维持的所有的连接状态信息,这些信息指明了一个连接上的用户信息在交换节点上应该如何转发,根据交换实现技术的不同,该表的内容和物理形式也不相同。,125,在无连接型的网络中: 交换节点不需要呼叫处理功能和记录连接状态信息的转发表。 每一个分组都携带目的地址 交换节点只需要根据路由表就可以完成从入端口到出端口的交换。,126,两种方式各有优缺点: 面向连接方式适用于大批量、可靠的数据传输业务,但网络控制机制复杂; 无连接方式控制机制简单,适用于突发性强、数据量少的数据传输业务。,127,1.2.2 主要的交换技术 目前在广域通信网上使用的交换技术主要有电路交换、分组交换、帧中继、ATM技术。,128,图1.9 通信网的主要交换技术,129,1电路交换 电路交换方式: 主要用于目前的电话通信网 是一种面向连接的技术 一次通信过程分为连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。,130,(,(,A,(,(,(,(,(,(,B,C,D,131,1电路交换 在连接建立阶段,网络要完成两项工作: 第一,确定用户信息应走路由; 第二,在该路由途经的交换节点进行全程的资源预留 建立一条端到端的专用通信连接 这个连接通常占用固定的带宽或时隙,有固定的传输速率。 预留的资源包括: 交换节点中从入端口到出端口的内部通道 交换节点间中继线路上的带宽资源,132,1电路交换 在整个通信期间,不管实际有无数据传输,沿途的交换节点负责保持、监视该连接,直到用户明确地发出通信结束的信号,网络才释放被占用的资源,撤销该连接。 电路交换在连接建立时,预先分配固定带宽资源的方式被称为静态复用方式。,133,1、电路交换(Circuit Switching),电路交换原理: 在传输数据之前,先建立源和目的之间的连接,建立连接之后,不论有无数据传输,连接都被独占。传输结束后,要释放连接。 通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽(频带或时隙等)。 面向连接的方式:建立连接传输释放连接,(,(,A,(,(,(,(,(,(,B,C,D,134,电路交换示意图,A,B,C,D,交换节点,拨号及有关处理时间,呼叫建立时延,信息传输,释放连接,寻找输出线路时间,呼叫处理时间,传播时延,135,电路交换的特点: 优点: 信息透明传输,对传输的数据格式和编码类型没有限制 开销少,传输效率高。 信息传输时延短,并且固定不变 适用于连续、大批量的数据传输。 缺点: 接续时间长 电路利用率低 限制了不同速率和不同编码格式不同通信规程用户终端设备之间的互通。 存在呼损:呼叫不通,136,2、存储转发方式:报文和分组交换方式,在交换过程中,交换设备将接收到的报文先存储,待信道空闲时再根据地址表转发出去,一级一级中转,直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。,网络,网络,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,137,(1)报文交换,基本思想:“将整个报文作为一个整体进行存储转发”(Store-Forward),138,报文交换示意图,A,B,C,D,交换节点,报文,报文,报文,端到端报文时延,传输时延,传播时延,存储转发时延,139,特点: 存储转发方式:报文交换可进行速率,码型的变换;不需要收发两端同时处于激活状态;不存在呼损;便于对报文实现多种功能服务,如差错控制,优先级处理,同文多址传送等。 链路利用率高,可多路复用。 每份报文中含有报头,必须包含收、发双方的地址,以便交换节点进行路由。 时延大。 出错后整个报文全部重发。 设备要求高,140,(2)分组交换,解决思路: 把一份报文分解成若干段,每一段组装成为一个分组(Packet),交换机以分组作为存储、处理和传输单元,141,分组交换,在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组(包) 依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部,抽出数据部分,还原成报文,首部,首部,首部,发 送,发 送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,142,转发原理:将需要传输的数据组装成分组,标上地址信息发往网络,网络各结点根据分组的地址,一级级地转发到目的地。 动态分配传输带宽(统计时分复用方式)。,通信子网,Computer,B,A,C,D,E,主机,143,I、数据报(Datagram):自带寻址信息的独立数据分组。数据报每经过一个中继节点时,都要进行路由选择。不同分组所经过的路由可能不相同。是一种无连接的服务。,通信子网,Computer,B,A,C,D,E,主机,分组交换的两种形式:数据报服务和虚电路服务,144,分组交换数据报时延示意图,A,B,C,D,交换节点,分组1,分组1,分组1,分组2,分组2,分组2,分组3,分组3,分组3,传输整个报文的端到端总时延,传输时延,传播时延,存储转发时延,145,数据报服务的特点:,无连接建立过程。 每个分组独立地选择路由; 尽力而为的服务方式,即不可靠的,不能保证服务质量的服务。 当网络发生拥塞时,网络中的某个节点可以将一些分组丢弃. 网络不保证所传送的分组不丢失,也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机,146,II.虚电路(Virtual Circuit),H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 要和 H5 通信,主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组,要求进行通信,同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意通信就发回响应,然后双方就建立了虚电路。,147,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,在虚电路建立后,网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道,然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。,148,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致,因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。,149,虚电路(Virtual Circuit),一次路由选择:分组发送前建立合适路由,再进行分组的传输,所有报文分组都是按最初所建立的路由转发,并按发送顺序到达目标主机,路由在逻辑连接期间都是固定的。各分组在每个交换机中仍然需要存储、排队等待。,150,分组交换虚电路时延示意图,连接请求,连接应答,分 组,A,B,C,D,151,虚电路与数据报的区别,152,(4) 分组交换是针对数据通信而设计的,主要特点是: 以分组为单位,长度一般在10002000字节左右; “存储转发”方式工作,能够实现不同类型的数据终端设备(不同的传输速率,不同的代码,不同的通信控制规程等)之间的通信。 统计时分复用技术,经济性好 每个分组由用户信息部分和控制部分组成,控制部分包含差错控制信息,可以用于对差错的检测和校正; 缺点:需要加控制信息,对交换机要求高,分组交换特点,153,三种交换方式的事件顺序,分组,A,B,C,D,分组交换的数据报方式,连接请求,连接应答,分组,A,B,C,D,分组交换的虚电路方式,154,堂下作业,一、假设两个用户之间的传输线路由3段链路组成(2个中间节点),每段链路的传播时延均为1ms,呼叫建立时间(电路交换或虚电路)为150ms,在这样的线路上传送3,600比特的报文,分组的大小为1,024比特,分组头的开销为24比特,线路的数据速率为9600b/s。试分别计算在下列各种交换方式下端到端的时延: 电路交换 报文交换 采用虚电路的分组交换 采用数据报的分组交换 注:以上交换方式均为理想方式下的交换,忽略存储转发时延。,155,堂下作业:,二、试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的报文共x(bit)。从源站到目的站共经过k段链路,每段链路的传播时延为d(s),数据率为b(b/s)。在电路交换时电路的建立时间为s(s)。在分组交换时分组长度为p(bit),且各结点的排队等待时间可忽略不计。问在怎样的条件下,分组交换的时延比电路交换的要小?,156,3帧中继,以X.25为代表的分组交换技术出现在20世纪70年代,当时长途数据传输还有很高的差错率,为保证可靠的服务质量,分组协议采用了逐段的差错控制和流量控制,这使得分组交换网交换时延大,无法为用户提供更高的速率。例如X.25网典型的用户接入速率是64 kb/s。 X.25提供的是面向连接的技术,157,帧中继是一种将链路层和分组层进行了融合简化的X.25分组交换协议,采用统计复用技术,提供的是面向连接的服务。,网络层,数据链路层,物理层,高层,网络层,数据链路层,物理层,X.25,OSI,3帧中继,158,帧中继网和X.25所传送信息对比,中间节点只转发帧,不发确认帧,159,(1)将分组节点间的重发、流量控制、差错恢复等处理过程进行了简化,将网内的处理移到了网外由智能终端去完成。 (2) 保留X.25中统计复用和面向连接的思想,但将虚电路的复用和交换从原来的第三层移至第二层来完成,通过减少协议的处理层数,来提高网络的传输速率。 (3) 呼叫控制分组和用户信息分组在各自独立的虚电路上传递:,160,帧中继的速率可以比传统的分组网提高一个数量级,典型接入速率可达2 Mb/s。 目前帧中继主要用于LAN间的高速互连,VPN的组建,远程高品质视频、图像信息的传递,,161,4ATM ATM(Asynchronous Transfer Mode)即异步传送模式,其主要设计目标是在一个网络平台上用分组交换技术来实现话音、数据、图像等业务的综合传送交换。,162,砂漏模型,不同类别的应用,AAL1,AAL2,AAL3/4,AAL5,53 字节,51 Mb/s UTP,100

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