网络通信导论cha.ppt

1,Introduction to Communication Networks,通信网络导论,南京农业大学信息科技学院 网络工程专业,郭小清,2,Organization of the cource,Chapter 1: 概述 Chapter 2: 传输介质 Chapter 3:数据通信（交换、IP） Chapter 4:电话网(固定电话和移动电话) Chapter 5:下一代网络,3,课程考核方法,上课提问：10% 作业：20% 期末考试: 70%,4,Chapter 1 Introduction,Introduction to（介绍，引言） Communication： 单数：“通信，交流”这一行为 复数：“通信”这一学科领域 Definition and Composition of Communication Networks Architecture of Communication Networks Evolution of Communication Networks Basic knowledge of Computer,5,1 What are communication,如何实现信息的传递？,通信是为了实现信息的传递与交换,6,types,Telephone network is designed for voice transmission Office computer networkpersonal computers /workstationsshare programs，data and some other peripherals Internetcover most of the worldexchange messages and computer files and some video and audio signals,7,notes,Although all these systems are communication networks,they are quite different in the information that they transmit and in the way they are used.Nevertheless,they operate on similar principles. Each system described is designed to exchange information,which may be voice, sounds, graphics, pictures, video, text or data among users.,8,信息与信号,一.消息、信息与信号 二.信号的表示 三.信号的分类,9,1.消息:通常把语言和声音、音乐、文字和符号、数据、图像等统称为消息(Message),2.信息：消息中所给予收信者的新知识或消息中包含的有意义的内容（Information）。,3.信号？,？,一.消息、信息与信号,10,信号： 指与消息相对应的电信号或光信号 是传递信息的载体 信号举例：,由话筒输出的电压波形,计算机所产生的数字信号,重点,11,消息、信息与信号的关系： 消息可转换成对应的电信号 信息是消息中包含的有意义的内容，信息通 过信号由发送者传送给接收者 信号是传递信息的载体,12,二.信号的表示方法,为表征一个信号，常用三种信号表示法： 数学表达式表示法 时域图形表示法 频谱图形表示法,数学表达式法： u(t)=Umsin(2t+) 电信号中常用的正弦信号,时域图形表示法：,没学过,13,二.信号的表示方法频谱图形表示法?,信号的频谱：信号所含有的频率成份,设有两个正弦波，一个振幅为3v，频率为1Hz（图中以虚线表示），另一个振幅为1v，频率为3Hz（图中以点划线表示）。现将这两个正弦波点点相加，得合成波形。,信号的频谱分析：,信号的带宽：信号所含有的最高与最低频率之差,14,信号的频谱分析：,图1-2的频谱,图1-2两个正弦波的叠加,可认为实线波形可以分解为上述两个不同振幅，不同频率正弦波的叠加,频谱图中，两条谱线的长度分别代表两个正弦波的振幅，谱线在频率轴上的位置分别为正弦波的频率,15,上述特例可以推广到一般情况:即任何波形的信号都可以分解为若干个不同振幅、不同频率正弦波（谐波）的叠加。,例如，人类话音信号就可以分解为f=88000Hz的很多个正弦波的叠加。,频谱表示法：组成信号的各次谐波的振幅随频率分布的状况,16,当然，由于有的信号波形十分复杂，不可能象上例直观地看出它是由哪些正弦波叠加而成，如话音信号。,实际上，波形的分解是采用数字工具完成的,图1-4 话音信号的波形和频谱,17,信号按表征信息的方式可分为两类： 模拟信号:用“连续变化的数值”来表示要说明的信息； 数字信号:用“离散（不连续）的数字”来表示信息。,按表征信息的方式来分，可分为几类？,三.信号的分类,计时的钟表表示时间信息的两种方式：,18,1.模拟信号,幅度取值连续的信号为模拟信号（函数值随时间连续变化），如图,以电话为例，由于声音信号“模拟”了声压的变化，因此叫做“模拟信号”。,19,模拟信号特点： 模拟信号的波形在时间、幅度上一般均是 连续的。所以又称之为“连续信号”。 它连续地“模拟”着信息的变化，如发话者的话音改变时，信号的波形也改变。 模拟信号将待传递的信息包含在信号的波 形之中。 普通的电话、传真、电视信号都是模拟信号,20,2.数字信号,幅度取值离散的信号,电报是用数字信号传递信息的最简单的方式，如本例中的101110表示A,图中的“1”和“0”可对应电流开启或关闭两种状态或其他能表示两种状态的电压取值（如正负电压两种取值），分别称为“1”码或“0”码， 由于每个码都有一定的持续时间Ts，因此每个码又称为数字脉冲或码元。,21,数字信号特点： 波形从时间和幅度上都是离散的（取值是 有限个）、不连续的。 数字信号将待传递的信息包含在码元的不 同组合之中。如上例中的101110表示A 现代电子计算机输入、输出的信号以及所处理的信号都是离散信号，且为速率非常高的数字信号,22,Digital transmission,Before the information is transmitted,it is converted into bits(zeros or ones).Then the bits are sent to a receiver as electrical or optical signals.Finally,the information is reconstructed from the received bits. Digital transmission reduces the transmission errors.（误码率低）,011001110001,23,3.模拟与数字信号的转换,虽然模拟信号与数字信号有很大的差别，但模拟信号可通过数字化的方法转化成数字信号；反之，数字信号又可通过模拟化的方法转化成模拟信号。 完成这两种转化的器件分别称为“模数转换”（A/D）器和“数模转换”（D/A）器。,24,25,Digital transmission,Before the information is transmitted,it is converted into bits(zeros or ones).Then the bits are sent to a receiver as electrical or optical signals.Finally,the information is reconstructed from the received bits. Digital transmission reduces the transmission errors.（误码率低）,011001110001,26,通信的概念,通信是指信息的传递和交换。即将各种语言、声音、文字、数据、图形、图像、视像等媒体变换成电信号并且能在任何两地间的任何两个人或两个通信终端设备之间，按照预先约定的规则（或称“协议”）进行传输和交换。,27,通信的分类,分类,邮政通信,函、包、汇、发 特快专递 储蓄等,电信通信,电报通信 电话通信 传真通信 移动通信 数据通信 图像通信等,（按业务分类）,28,电信通信 （按传输方式分）,有线通信,无线通信,明线（铁线、铝线、 铜线） 电缆（对称电缆、同轴 电缆（小、中） 光缆,微波（模拟、数字） 卫星通信,通信的分类（续）,电信通信 （按传输信号分）,模拟通信 数字通信,29,通信系统的概念,通信系统：指用电信号(或光信号)传递信息的系统，也叫电信系统。 通信系统的基本任务:克服时间、空间的障碍，有效而可靠地传递信息。 通信系统的组成：实际应用中存在各种类型的通信系统，它们在具体的功能和结构上各不相同，然而都可以抽象成为一个通用的通信系统模型，其基本组成包括：信源、变换器、信道、反变换器和信宿五部分。,30,通信系统的模型,信源,变换器,信道,反变换器,信宿,噪声源,信息,电信号,电信号,信息,信源：信息的来源,是由人或机器产生的声音,文字, 数据 和图象。 变换器：把消息变成电信号，传得远、速度快、易处理。 信道：传送信息的通道，有线信道（电缆/光纤）和无线信道 （自由空间）。 反变换器：把电信号还原成人或机器能识别的信息。 信宿：信息接收者。 噪声源：无用信号对有用信号的干扰，有元器件内部的噪声和 外部电磁场的干扰。,示例,31,信道(channel),是连通信源和信宿之间的通道 是信号传输媒介的总称； 一个实际的传输信道可以由不同的传输媒介组成,32,（）信道的带宽,指信道不失真传输信号的频率范围，即信道容许通过的最高与最低信号频率之差。 传输系统的带宽对传输性能的影响： 若要求信道无失真地传输信号，则要求信道带宽B信号的带宽B。 因发送的信号包含有各种的频率成分，若其中的一部分已经落到信道所能通过的频率范围之外，所收到的信号中缺少了这部分频率成分，因此使信号产生了失真。,33,（）信道的分类,按物理特性来分，信道可分有线和无线信道。 有线信道：电磁信号被约束在有线传输线上传输。 架空明线、双绞线、同轴电缆及光纤等； 在有线电信中，它是传送电或光信号的导线，所以有线信道又称电信线路。 无线信道：电磁信号沿自由空间传输。 无线信道可利用的频段从长波、中波、短波到激光，有较宽的频段。 在不同的频段，利用不同性能的设备和配置方法，可组成不同的通信系统。,34,()信道的作用,信道是通信系统的重要组成部分， 信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰或噪声以造成损害。 损害表现为使信号产生畸变或衰弱（减），它们统称为信道的损耗。,传输媒质的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。,35,补充概念:衰减、增益和失真,衰减：信号经过传输系统传输后，信号功率的减少。 增益：信号经过传输系统传输后，信号功率的增加。 通常用分贝来表示衰耗和增益。分贝是两个功率电平差别的度量，是无量纲的量。 D=10lg(p2/p1) dB 或 D=10lg(p出/p入) dB 如采用同轴电缆（SYV-75-9）作为传输介质，传输信号频率为200MHz时，每米对信号衰减0.1 dB，所以每隔500米加一个放大器解决信号经过同轴电缆造成的衰减。 双绞线传模拟信号每隔56km需加放大器，数字信号每隔23km加转发器（中继器） （由于用户线路的衰减为每公里1 dB，而电话线通用标准为最大损耗低于6 dB，所以每隔6km接一放大器）,36,例:如果10mW功率的信号加到传输线上，而在某距离上测得的功率是5mW则在这段线路上的衰减： Loss=10lg(5/10)=10(-0.3)=-3 dB 分贝有时也用来度量电压或电流的差别： 因为有 P=V2/R 或 P=I2R 则有D=10lg(P2/P1) = 20lg(V2/V1) = 20lg(I2/I1 ) 使用分贝可方便计算整个系统的衰耗或增益，整个传输线路上的衰减或增益等于各分段线路上的衰减与增益的代数和。,37,失真： 信号通过传输系统时，其波形可能发生畸变，波形的畸变称为失真。,38,()信道的损耗对传输距离的影响,传输的距离越远，信号的衰减就越严重。 当信号衰减到一定程度，接收方无法辨认出接收到的信号时，通信将不能继续下去。 为了进行长距离的通信，往往需要在传输线路中设立许多中继站，像接力赛跑一样，将衰减了的信号进行放大，然后接着往下传。,39,通信系统实例,通信系统实例,40,通信系统的通信方式： 单工通信与双工通信,单工通信:通信系统的基本模型只能实现两个用户之间的单向通信，我们称为单工通信，如广播、电视通信系统等。 半双工通信（双向交替通信）：半双工通信指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。 就像单线铁路一样，某时允许A站发出列车到B站，另一时刻允许B站发出列车到A站，火车往返运行要由调度控制。 典型例子是使用同一载波频率的无线电对讲机。 双工通信：若要实现双向通信，还需要另一个通信系统完成相反方向的信息传递工作，我们称为双工通信，如电话通信、计算机通信系统等。,41,通信方式动画,42,通信系统与通信网的关系,通信系统只是一个点到点的通信模型，要实现多用户间的通信，则需要一个合理的拓扑结构将多个用户有机地连接在一起，并定义标准的通信协议，以使它们能协同工作，这样就形成了一个通信网。 通信网要解决的是任意两个用户间的通信问题，由于用户数目众多、地理位置分散，并且需要将采用不同技术体制的各类网络互连在一起，因此通信网必然涉及到寻址、选路、控制、管理、接口标准、网络成本、可扩充性、服务质量保证等一系列在点到点模型系统中原本不是问题的问题，这些因素增加了设计一个实际可用的网络的复杂度。,43,2. Definition of Communication network,A communication network is a set of nodes that are interconnected to permit the exchange of information.（通信网络是用来交换信息的互联节点组） Nodes: Terminal entities:such as phone sets, computers, printers,file servers or video monitors Communication devices:switches,routers,repeaters(中继器） Terminal nodes（终端节点）: generate or use information Communication nodes（通信节点）: transport information,44,2. 通信网的定义和构成,1）定义 什么是通信网？ 通信网是通信系统的一种形式。 一个通俗的定义：通信网是由一定数量的节点(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。,通信网实例,45,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，每一次通信都需要软硬件设施的协调配合来完成。从硬件构成来看：通信网由终端节点、交换节点、业务节点和传输系统构成，它们完成通信网的基本功能：接入、交换和传输。软件设施则包括信令、协议、控制、管理、计费等，它们主要完成通信网的控制、管理、运营和维护，实现通信网的智能化。,2）通信网的构成要素,46,最常见的终端节点有电话机、传真机、计算机、视频终端和PBX等，它们是通信网上信息的产生者，同时也是通信网上信息的使用者。其主要功能有： (1) 用户信息的处理：主要包括用户信息的发送和接收，将用户信息转换成适合传输系统传输的信号以及相应的反变换。 (2) 信令信息的处理：主要包括产生和识别连接建立、业务管理等所需的控制信息。,Private Branch Exchange（专用分局交换机）,（1）终端节点,47,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。,图 交换节点的基本功能结构,（ 2） 交换节点,48,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。 目前，基本电信业务的呼叫建立、执行控制等由于历史的原因仍然在交换节点中实现，但很多新的电信业务则将其转移到业务节点中了。,（3）业务节点,49,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。通常传输系统的硬件组成应包括：线路接口设备、传输媒介、交叉连接设备等。 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。,（4) 传输系统,即将一条物理线路的全部带宽资源分成多个逻辑信道，让多个用户共享一条物理线路,50,通信网组成举例,51,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。,3）通信网的基本结构,52,通信网的功能结构,图 现代通信网的功能结构,53,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。 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。,（1) 业务网,54,业务网的种类,公用电话交换网 （ PSTN） 公用陆地移动通信网 （ PLMN） 公用分组交换数据网 （ PSPDN） 数字数据网 （DDN） 帧中继网 （FR） 计算机互连网（或IP网） （Internet）,IP 电话网 多媒体通信网（或宽带IP网） 窄带综合业务数字网 （ N-ISDN） 宽带综合业务数字网 （ B-ISDN） 智能网 （IN）,55,传送网独立于具体业务网，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。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。 目前主要的传送网有SDH/SONET和光传送网(OTN)两种类型。,（2) 传送网,56,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。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。 (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。 (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。,（3) 支撑网,57,从网络的物理位置分布来划分，通信网还可以分成用户驻地网CPN、接入网和核心网三部分，其中用户驻地网是业务网在用户端的自然延伸，接入网也可以看成传送网在核心网之外的延伸，而核心网则包含业务、传送、支撑等网络功能要素。,58,4) 通信网的拓扑结构,59,1）按业务类型分 可以将通信网分为电话通信网(如PSTN、移动通信网等)、数据通信网(如X.25、Internet、帧中继网等)、广播电视网等。 2）按空间距离分 按空间距离，可以将通信网分为广域网(WAN：Wide Area Network)、城域网(MAN：Metropolitan Area Network)和局域网(LAN：Local Area Network)。,3 通信网的分类,60,3）按信号传输方式分 按信号传输方式，可以将通信网分为模拟通信网和数字通信网。 信道上传送的是模拟信号，则信道称为模拟信道，相应的通信系统称为模拟通信系统； 信道上传送的是数字信号，则信道称为数字信道，相应的通信系统称为数字通信系统。,61,模拟通信网模型,62,数字通信网模型,63,数字通信系统与模拟通信系统相比较，有如下特点： 抗干扰能力强，无噪声积累 电路易于集成化，使通信设备体积小、功耗低 便于采用各种数字信号处理技术，易于与计算机接口 便于实现多种业务综合通信 数字信号易于加密处理，保密性能强,64,数字通信系统的特点,抗干扰能力强，无噪声积累 （a）模拟通信 (b)数字通信,65,数字通信系统的特点,对于数字通信，因为数字信号由脉冲序列组成，在传输过程中虽然也产生脉冲失真和受到噪声干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，可在适当的距离采用中继再生的方法， 再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号， 因而不造成“噪声传输积累”，可实现长距离高质量的传输。,66,中继再生,首先判决： 如当信号超过某一规定（门限电平）值，如接收信号A的一半时，就判为“1”，达不到某一规定门限时则判为“0”。 如：高电平5v: “1”，低电平0v: “0”，在传输时受噪声影响，5v变8v，只要大于5v的值就判为“1”。 然后再生： 经过判决以后，就可按所作的判断重新形成新的数字信号，即所谓再生，于是消除了干扰噪声。 这个过程，每经过一个再生中继器就重复一次。,67,结论: 因为采用了中继再生和检纠错的手段，所以数字传输不仅适于较远距离的传输，也能适应性能较差的线路。,68,4）按运营方式分 按运营方式，可以将通信网分为公用通信网和专用通信网。 ）.按信源产生消息的物理特征分类 通信可分为电话通信网、电报通信网、数据通信网、图像通信网、广播电视通信网和多媒体通信网。 这些系统可以是专用的或单一的，但通常是兼容的或并存的。,69,）按传输媒介和系统组成特点分类 实用的通信系统有下述五类： 短波通信系统、微波通信系统、卫星通信系统、光纤通信系统、移动通信系统。,70,4 Architecture of communication network,非物理结构 通信网的层次结构模型及相关通信协议的集合,一.通信网的体系结构是什么？,二.目前的通信网都采用了哪种体系结构？,71,网络分层,目前，现代通信网均采用了分层的体系结构，主要的原因有以下几点： (1) 可以降低网络设计的复杂度。 (2) 方便异构网络设备间的互连互通。 (3) 增强了网络的可升级性。 (4) 促进了竞争和设备制造商的分工。,72,协议,在分层体系结构中，协议是指位于一个系统上的第N层与另一个系统上的第N层通信时所使用的规则和约定的集合。一个通信协议主要包含以下内容： (1) 语法：协议的数据格式； (2) 语义：包括协调和错误处理的控制信息； (3) 时序：包括同步和顺序控制。,73,5 Evolution of Communication Networks,We examine the main steps in the evolution of the telephone and computer networks 我们将介绍给用户提供网络服务的通信网络发展的主要过程。这个过程有很多技术上的创新，我们所介绍的技术创新是在通信网络发展过程中最具有决定性意义的。,74,现代通信技术发展趋势,通信技术数字化 通信业务综合化 网络互通融合化 通信网络宽带化 网络管理智能化 通信服务个人化,75,电信业务的发展,话音业务,数据业务,多媒体业务,76,磁石式交换,供电式交换,步进制交换,纵横制交换,程控交换,光交换,交换技术的发展电话交换,软交换,77,分组交换,帧交换,帧中继,SMDS,ATM,软交换,交换技术的发展分组交换,IP交换,光分组交换,78,移动通信技术的发展,模拟移动通信,GSM,GPRS,WCDMA,79,架空明线,对称电缆,同轴电缆,光缆,传输技术的发展传输媒体,80,模拟传输,数字传输,传输技术的发展有线传输,载波 通信,光纤通信,81,传输技术的发展光纤传输,82,传输技术的发展无线传输,模拟微波,数字微波,卫星通信,83,接入技术的发展,84,电信网发展的动力政策驱动,85,电信网发展的动力技术驱动,光纤技术与光网络技术 光纤技术的发展 光传送技术与全光网络 光接入技术 IP与IP传送技术 Internet与IP IP技术的发展IPv6 IP over What? 移动通信技术 WAP（无线应用协议），GPRS（通用分组无线业务）和IMT-2000（国际移动通信第三代标准） 移动IP：IP与移动通信的结合 无线接入