第2章 现代通信网基础技术及其发展.ppt

,第2章现代通信网基础技术及其发展,本章提要,本章提要,本章主要内容,现代通信网的基础技术主要包括：通信网一般组成，现代通信网结构，现代通信网传输系统，网络交换技术，通信协议、网络的路由选择，拥塞与流量控制等内容。以下将分别给予介绍。,2.1通信网,2.1.1通信网一般组成,通信网是由若干用户终端a，b，c，并通过传输系统链接起来,用户终端之间通过一个或多个节点链接，在节点处提供交换、信息处理、网络管理等功能。,图2-1通信网一般组成,通信网基本拓扑结构图,2.1.2通信网组成的基本要素,硬件部分1终端设备（接入子网）2传输系统（传输子网）3、交换设备（交换子网）软件部分信令协议标准,一、终端设备,终端设备是通信网的源点和终点，它除了对应信源和信宿外还包括了一部分变换和反变换装置。功能：信号的转换产生和识别网内的信令信号/规则/协议。以便相互联系和应答。,二、传输系统,传输系统是完成信号传输的介质和设备的总称。它在终端设备和交换设备之间以及交换系统之间相互链接起来而形成系统。,节点,链路,终端,端局,中心局,用户,环路,电路,终端,（中继线）干线,图2-2通信网传输系统基本结构,传输系统基本结构图,端局,传输系统中的名词定义,（1）信道传输信道简称信道，在正式标准术语中，信道指在发送器和接收器之间的单向连接。包括传输媒介和中间装置。（2）电路电路是两点间实现信号双向传输的两条传输信道的组合，以提供完整的一个通信过程。（3）链路传输全链路简称链路，是指两个相邻节点间或终端设备和节点之间的部分，典型情况下一个电路包括多段链路。,单向,双向,部分,传输系统中的名词定义（续）,（4）用户环路用户环路也称为本地线或用户线，是一个节点和用户设备或用户分系统之间简单的固定连接。（5）干线两个交换中心或传输节点之间通过干线相连。（6）传输节点传输节点是用户环路和链路或链路之间的分配点。,三、交换设备,交换设备根据寻址信息和网控指令进行链路连接或信号导向，以使通信网中的多对用户建立信号通路。交换设备以节点的形式与邻接的传输链路一起构成各种拓扑结构的通信网，是现代通信网的核心。对不同业务的通信网，交换设备的性能要求也不同。,2.2现代通信网的结构,2.2.1网络的基本拓扑结构,1网状网多个节点或用户之间互连而成的通信网称为网状网。当节点数增加，传输链路数目会迅速增加，网络结构的冗余度较大，稳定性好，但链路利用率不高，经济性差2、星型网星型网拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干外围节点（或终端）连接起来的辐射式互连结构。与网状网相比，链路利用率高，但稳定性差，中心节点为全网瓶颈。3、复合型网复合型网是由网状网和星型网复合而成的网络，如图2-3（c）所示。它是以星型网为基础，并在信息量较大的区域构成网状网结构。整个网络比较经济，且稳定性好。常用的网络拓扑,图2-3通信网基本拓扑结构示意图,网络的基本拓扑结构,网络的基本拓扑结构（续）,4环型网如果通信网各节点被连接成闭合的环路，则称为环型网。具有自愈能力，能实现网络自动保护，稳定性高。5总线型网总线型网把所有的节点连接在同一公共传输信道（总线）上，是一种通路共享的结构。所需要的传输链路少，增减节点方便，但稳定性较差，网络覆盖范围也受到一定限制。,电话号码的秘密,天津商业大学：86-22-26656040天津财经大学：86-22-28171399淘宝网杭州总部：86-571-88157858浙江大学：86-571-85172244中国科技大学：86-551-3602553太原理工大学：86-351-6014509,杭州市0571萧山市0571绍兴市0575湖州市0572嘉兴市0573海宁市0573宁波市0574余姚市0574,舟山市0580临海市0576椒江市0576金华市0579兰溪市0579丽水市0578,衙州市0570江山市0570温州市0577义乌市0579东阳市0579瑞安市0577,浙江省长途区号,2.2.2等级制网络结构,为了在通信网覆盖的范围之内任何两点之间都可以通信联系，既保证通信质量，又要经济合理，需要将各区域的通信流量逐级汇集起来以提高通信电路的利用率。因此一般在通信网中按照地理条件、行政区域、通信流量的分布情况等设立各级交换（汇接）中心，每一汇接中心负责一定区域的通信流量，然后逐级形成辐射的星型网或者网状网。,在通信网中由本地接入网、多级汇接网组成的网络结构称为等级制网络结构,2.2.2等级制网络结构,图2-4典型的交换中心等级制的理想形式框图,1网络等级结构的组成,（1）用户线是用户的电话机和市话局交换机连接的介质，使用户终端接入电话通信网。（2）市内中继网将各个交换区市话局通过中继线互连起来，并将市话局连接至市话汇接局。,市话网,1网络等级结构的组成(续）,（3）区域长途电话通信网市话汇接局和区域（如省）长话汇接局通过区域中继干线互连，提供区域长途电话通信业务。形成区域长途电话通信网。（4）国内长途电话通信网区域汇接局和国内中心汇接局通过国内中继干线互连，提供全国范围内各地区之间的长途电话通信业务。形成国内长途电话通信网。（5）国际长途电话通信网国内汇接局和国际接口局连接，由国际接口局和国际线路组成国际长途电话网。,2等级制网络结构的实例,图2-5我国电信网等级结构（5级）,c0,c1,c2,c3,c4,长途网,本地网,等级制网络结构的实例（续）,第一级（c1）：大区交换中心，也称为省间中心局。负责汇接一个大区内各省之间的电话通信中心，局间都设立直达电路，为完全互连方式的网状网结构。,我国的通信网技术体制：,第二级（c2）：省交换中心。汇接省内各地区之间的电话通信中心。省中心局为各省会所在地的长途局，因而要求各省中心局至本大区中心局必须要有直达路由,等级制网络结构的实例（续）,第三级（c3）：地区（市）中心局。汇接本地区各县（区）的电话通信中心，同样要求地区（市）中心局至本省中心局具有直达路由。,第四级（c4）：县中心局。是长途交换网的末端局。负责疏通本中心服务区内的长途终端话务。同样要求有直达路由到它所从属的c3级中心。,等级制网络结构的实例（续）,在本地网可设置汇接局和端局两个等级的交换中心，也可以只设置端局一个等级的交换中心。汇接局用tm表示，端局用c5表示,电话号码的秘密,天津商业大学：86-22-26656040天津财经大学：86-22-28171399淘宝网杭州总部：86-571-88157858浙江大学：86-571-85172244中国科技大学：86-551-3602553太原理工大学：86-351-6014509,杭州市0571萧山市0571绍兴市0575湖州市0572嘉兴市0573海宁市0573宁波市0574余姚市0574,舟山市0580临海市0576椒江市0576金华市0579兰溪市0579丽水市0578,衙州市0570江山市0570温州市0577义乌市0579东阳市0579瑞安市0577,浙江省长途区号,2.3现代通信网传输技术,2.3.3现代通信网常用传输信道,完成信号传输的传输信道可以采用不同的介质，因此传输信道可以分为无线和有线两大类：,1无线传输信道,（1）长波信道频率在300khz以下，波长在1000m以上。带宽较小，容量低，但沿海平面传播损耗较小。用于航海通信。（2）中波信道频率在0.33mhz或波长在1001000m范围内。以地面波为主要传播形式，传播损耗比长波稍大，传播距离较远。,无线传输信道（续）,（3）短波信道频段从330mhz，波长从10100m，也称为高频（highfrequency，hf）信道。地面传播损耗较大，可利用电离层反射（天波）做长距离传输。用于国际通信。（4）超短波信道频率范围通常认为是303000mhz。传播方式为空间直射波和地面反射波的合成。传播距离短（100公里内），用于移动通信。,无线传输信道（续）,（5）微波信道3000mhz以上的波段，通常就泛称为微波，它在现代通信网中占有重要地位。用来实现长距离、大容量的传输。（6）卫星信道卫星信道是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在多个地球站之间进行通信的信息传输信道，如图2-15所示。是微波中继通信的特殊方式。,图2-15卫星通信示意图,无线传输信道（续）,（7）散射信道在现代通信网微波的通信方式中，还常用散射信道。散射信道利用对流层和电离层的不均匀性或流星余迹，对于一定仰角的电磁波射束，在上层空间中，一部分电磁波能量将回到地面而被接收到的散射现象，构成散射信道。,2有线传输信道,（1）架空明线最早的有线信道是架空明线，信道由在一系列竖立的电杆上，把导线架在线杆的绝缘子上而构成。（2）平衡电缆即电缆线对中的两根导体对地具有相同的电压（如双绞线）。每对传输信号的双线间的距离比明线小，而且包扎在绝缘体内。幅频特性呈低通，串音随着频率升高而增加，传输较窄带宽的模拟信号，或者低速率数据信号。,有线传输信道（续）,（3）同轴电缆由若干个同轴对和护层组成。同轴对由内、外导体以及中间的绝缘介质组成。外导体具有屏蔽作用，工作频率较高时，抗干扰能力强，适于高频信号和长距离传输。回路的特性阻抗不均匀影响传输质量，耗铜多，施工难，周期长同轴电缆是容量较大的有线信道。,有线传输信道（续）,（4）光纤信道光纤信道是以光为载波，以光导纤维为传输介质的一种通信信道。,频带宽，传输速率高传输距离长重量轻，体积小，成本低低衰减，低误码率。无电磁影响,有线传输信道（续）,（5）有线信道的传输处理在构成有线信道时，除了具有各种导引线外，要完成长距离的信息传输，必须包括增音和均衡处理。增音：放大信号电平，满足信噪比要求。（长距离传输引起）均衡：矫正失真。（频率升高引起）,3、模拟传输与数字传输,信息按表达形式不同可以分为模拟的、数字的。不同形式信号传输信道也不同。,电话、电视以模拟信号形式传输，计算机等数据终端处理的数据信号都以数字信号形式传输。,数字传输可以克服传输中的噪声积累，便于加密、纠错和流量控制，能实现综合业务传输，便于网管。被广泛采用。,4、基带传输与频带传输,频带传输：为适应信道传输频带的要求，需要将待传的信号经调制搬移到某一高频范围内，再送到信道上传输。,基带传输：未经调制，直接将信号送到信道上传输。,除电缆外，其他介质都工作在较高的频段，只能以频带传输方式传输信号。,5、传输系统的主要指标,(1)模拟信道：主要有信噪比、信道带宽等。信道带宽：是描述传输介质物理特性的一个重要参数，表示介质所支持的频率范围。单位为hz。带宽受介质的物理材料、加工性能以及长度等因素影响。一旦某传输介质的制作材料、加工特性传和传输距离等因素确定以后，信道带宽也就随之确定。例如超5类双绞线支持的带宽范围为1mhz-100mhz6类双绞线支持的带宽范围为1mhz-250mhz,5、传输系统的主要指标（续）,(2)数字信道：传输容量：即系统的传输速率，以每秒种传输的信息量（比特率、波特率）衡量。是描述数据流的一个重要参数。频带利用率：衡量系统的传输效率指单位频带内传输的速率（bit/s)/hz)。(3）传输损伤：信号通过传输系统后的损伤。反映传输质量误码率误比特率信号抖动,待续,复习,信道？电路？链路？,2.3.1多路复用技术,多路复用就是在一个公共信道上建立两条或多条传输信道，其目的是为了充分利用信道的容量，提高信道传输效率。,常用的多路复用技术：频分多路复用时分多路复用统计时分多路复用,1频分多路复用（fdm）,（1）fdm的基本原理fdm是把一个公共信道上可用的传输频段分割成多个较窄的频带，并使每个窄带都变成为一个独立信道，分别分配给用户的复用方法。每个频率通道之间留有防护频带。,图2-7fdm原理框图,（2）fdm的特点,fdm的主要优点是：容易实现，技术成熟。能较充分地利用信道带宽。适用于模拟信号的传输。（电话，有线电视）,2时分多路复用（tdm）,（1）tdm的原理tdm是一种按规定的间隔，并在时间上相互错开，在一条公共信道上传输多路信号的复用技术。tdm的工作原理如图2-8所示。,图2-8tdm原理图,（2）tdm的特点,tdm的主要优点是：不存在保护频带，可有效地提高信息传输效率；信道占用频带窄，容量大。tdm主要缺点是：通信双方时隙必须严格保持同步。,fdmvstdm,tdm适用于数字信号传输，fdm适用于模拟信号传输，而目前的通信技术中绝大多数情况下都使用数字通信，因此就体现出了tdm的优势。传统的tdm技术也有其局限性，就是当某用户无数据发送时，其他用户仍然不能占用该通道，因此造成了资源的浪费，故而实际上现在已对其进行了改进，那就是使用统计时分多路复用技术（stdm)来弥补此不足。,3统计时分复用（atdm）,（1）问题的提出在tdm系统中，以固定分配时隙的方式对来自多个设备的数据源进行组合，然后在单一的公用信道上传输。,（2）stdm原理,统计时分复用是一种根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的传输能力可以被其他用户使用。采用统计时分复用时，每个用户的数据传输速率可以高于平均速率，最高可达到线路总的传输能力。将用户的数据划分为一个个数据单元，不同用户的数据单元仍按照时分的方式来共享信道；但是不再使用物理特性来标识不同用户，而是使用数据单元中的若干比特，也就是使用逻辑的方式来标识用户。这种方法提高了设备利用率，但是技术复杂性也比较高,（3）stdm帧格式和其他考虑,stdm使用的帧格式对系统性能有一定的影响，一般应减少用于管理的附加信息。通常，stdm系统使用类似hdlc规程的通信协议。图2-10给出了stdm子帧的两个格式。,图2-10stdm帧格式,2.3.2准同步数字系列和同步数字系列,什么叫“同步”？,在数字通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲序列。这些数字信号流在数字交换设备之间传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确无误，这就叫做“同步”。,在数字传输系统中，有两种数字传输系列：“准同步数字系列”(plesiochronousdigitalhierarchy)，简称pdh；“同步数字系列”(synchronousdigitalhierarchy)，简称sdh。,1准同步数字复接系列（pdh）,（1）pdh概念：（plesynchronousdigitalhierarchy，pdh）。,采用准同步数字系列(pdh)的系统，是在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟，这些时钟的信号都具有统一的标准速率。尽管每个时钟的精度都很高，但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量，要求这些时钟的差别不能超过规定的范围。因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步，所以叫做“准同步”。,pdh建立在点对点传输基础之上！,两种pdh标准,如表2-2所示。从表中可以看出24路高次群和低次群之间没有固定的整数比，而30路系列高次群和低次群之间都是4倍关系。,原ccitt推荐了两类准同步数字复接系列：北美和日本：24路系统，即以1.544mbit/s作为一次群（基群）的数字速率系列；欧洲、苏联和中国：30/32路系统，即以2.048mbit/s作为一次群的数字速率系列。,表2-2数字复接系列表,（2）pdh存在的问题,只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，而不存在世界性标准。北美、日本、欧洲三者互不兼容，给国际通信网络互通带来困难，而且向更高群次发展在技术上也有较大的困难。,没有世界性的标准光接口规范，导致各国厂商开发的不同光接口无法在光路上互通，惟有通过光电转换成标准电接口（g.703标准接口）后才能互通，限制了联网应用的灵活性，也增加了网络设备复杂性和运营成本。,从组网角度看，pdh难于从高次群信号中直接分出低次群甚至基群的信号，因此对中继站上、下话路很不方便。特别是对我国具体情况，原有通信线路较少，在建设新的大容量数字干线过程中，所经各地都希望能上、下话路实现区间通信。如果这些中继站采用直接分复接的方法分出某一支路，则会造成极大的定时抖动，对全网的传输质量有较大的影响。,随着现代通信网操作、维护、管理等要求的不断提高，需要传输的网控信息越来越多，现有的pdh各级帧结构所预留的少量比特已经不能适应这一发展的要求。,2同步数字复接系列,（1）sdh概念原ccittg.707的建议中，对同步转移模式stm-1（synchronoustransfermode）155.5201mbit/s以上（从stm-1至stm-4至stm-16）的更高速率都采用高一级的速率正好等于低一级的4倍，如：stm-1为155.5201mbit/s；stm-4为622.0804itmb/s；stm-16为2488.3216mbit/s。这样的复接系列称为同步数字复接系列（synchronousdigitalhierarchy，sdh）。,（2）sdh的组成,光同步传输网是由一些sdh网络单元（ne）组成，包括：同步光缆线路系统同步复用器（sm）分插复用器（adm）同步数字交叉连接设备（sdxc）,功能各异有统一的标准光接口,终端复用器：将低速率支路信号和155mbit/s电信号纳入stm-1帧结构，并经电/光转换为stm-1光信号。分插复用器：将同步复用和数字交叉连接功能综合为一体，具有灵活分插任意支路信号的能力，在网络设计上有很大的灵活性。,最重要的两个网络单元！,图2-11pdh与sdh分插信号流程图比较举例,任务：从140mbit/s的码流中分插一个2mbit/s的低速支路信号,基本网络单元的应用,由终端复用器和分插复用器组成的典型应用有多种形式，主要有：点到点线形枢纽环形,（3）同步数字体系的速率,最基本最重要的模块信号是stm-1,其速率为155.520mbit/s；更高等级的stm-n信号是将stm-1按同步复用，经字节间插的结果；n为正整数，目前sdh只支持n=1，4，16stm-1：155.520mbit/sstm-4:622.080mbit/sstm-16:2488.320mbit/s,（4）sdh帧格式,对sdh帧结构的要求：能对支路信号进行同步的数字复用、交叉连接和交换。支路信号在一帧内的分布是均匀的、有规律的，便于接入和取出。对1.5mbit/s和2mbit/s系列同样方便实用,sdh帧结构：以字节结构为基础的矩形块状帧结构,sdh帧格式图,图2-13sdh帧格式,段开销,段开销,sdh帧格式由横向270字节n列和纵向9行字节（8bit/字节）组成。n为话路数（每路为64kbit/s），字节的传输从左到右按行进行。,（5）sdh复接结构,原ccitt建议g.709规定了sdh的一般复接结构，如图2-12所示。图中c-11，c-12，c-21，c-22，c-31，c-32和c-4是标准容器，是一种信息结构，分别用来接收pdh系列（见表2-2）的1.544mbit/s，2.048mbit/s，6.3120mbit/s，8.448mbit/s，32.064mbit/s，34.368mbit/s和139.264mbit/s的支路信号，完成速率适配等功能。,图2-12sdh的同步复接结构示意图,（6）sdh的主要特点,sdh的主要特点如下：一次到位的复用方式。高度标准化的光接口。光接口综合各种不同的网络单元，传输和复接不必分开，简化了硬件，同时光接口成为开放性接口，可以在光路实现横向兼容。把世界上现在并存的两种数字系列融合在统一的标准之中，在stm-1等基础上得到统一，实现数字通信传输体制上的世界性标准。采用数字复接，适应交换技术的发展。,（6）sdh的主要特点（续）,具有强有力的标准化网管功能。在页面帧格式安排了丰富的用于维持管理的比特（3.7%)，使网络的维护管理能力大大加强。有一套特殊灵活的复接结构和指针调整技术，解决了节点之间的时钟差异带来的问题。,（6）sdh的主要特点（续）,sdh信号结构的设计已经考虑网络传输和交换应用的最佳性，便于组织isdn和b-isdn。,2.4交换技术,交换技术的演进过程,接续网络：从金属接点发展到数字开关（分立元件集成元件光子开关）。信息形式：从模拟（电流）发展到数字（电脉冲光脉冲）。复用方式：从空分到时分最后发展到波分（密集波分）控制方式：从人工到机电到电子最后发展到存储程序控制（spc）或简称“程控”。,交换技术的演进过程（续）,信令方式：从信令与呼叫信息交替用同一信道（模拟式）发展到共路信令，信令可在独立的信道上传送（数字式）。接续特征：从电路到信息最后发展到分组（或叫信包）。信息带宽：从窄带（音频）发展到宽带（1mhz100mhz）。,2.4.1电路交换：对语音最优,1电路交换基本原理电路交换（circuitswitching）是在通信网中任意两个或多个用户终端之间建立电路暂时连接的交换方式，暂时连接独占一条电路并保持到连接释放为止。,电路交换系统de两种交换方式,空分交换和时分交换。（1）空分交换空分交换是入线在空间位置上选择出线并建立连接的交换。（2）时分交换时分交换是时分多路复用（tdm）在交换上的具体应用。,举例：电话接续的过程,2电路交换的特点,（1）主要优点信息传输时延小。数据信息以信号形式在通路中“透明”传输，交换机对它不进行存储、分析和处理，因此，交换机的处理开销少。对数据信息的格式和编码类型没有限制。,（2）主要缺点电路的接续时间较长。电路利用率低。在传输速率、信息格式、编码类型、同步方式、通信规程等方面，通信双方必须完全兼容，这不利于不同类型的用户终端之间实现互通。当一方用户忙或网络负载过重时，可能会出现呼叫不通的现象，这种现象称之为呼损。,电路交换方式目前主要用于电话通信网。,重要！,2.4.2报文交换,1报文交换工作原理报文：用户拟发送的完整数据。报文交换中，报文始终是以一个整体的结构形式在交换节点存储，然后根据目的地址转发。报文交换基本原理基于“存储转发”。,2报文交换信息格式,图2-17报文交换的一般信息格式,（1）报文头信息（2）报文尾的信息,3报文交换的特点,（1）报文交换的主要优点链路利用率高。交换机以“存储转发”方式传输数据信息，它不但可以起到匹配输入输出传输速率的作用，易于实现各种不同类型终端之间的互通，而且还能起到防止呼叫阻塞、平滑通信业务量峰值的作用。不需要收、发两端同时处于激活状态。,（2）报文交换的主要缺点传送信息通过交换网时延较长，而且时延变化也大，这不利于交互型实时业务。设备要求较高。交换机必须具有大容量存储、高速处理和分析报文的能力。,2.4.3分组交换：对数据最优,1分组交换的工作原理分组交换在形式上仍采用报文交换“存储-转发”技术。但它不像报文交换那样，以整个报文为交换单位，而是设法将一份较长的报文分解成若干固定长度的“段”，每一段报文应加上交换时所需要的呼叫控制信息以及差错控制信息，形成一个规定格式的交换单位。,2分组交换方式,（1）数据报方式数据报是指自带寻址信息的独立数据分组。（2）虚电路方式数据传送之前，必须先在源与目的地之间建立一条逻辑连接，即虚电路。虚电路是两个通信设备之间完整的双向透明的数据流路径，而不是物理电路；然后各数据分组均沿着已经建立起来的虚电路交换信息。一旦交换结束，立即拆除连接。,3分组交换的特点,（1）分组交换的主要优点信息的传输时延较小，而且变化不大，能较好地满足交互型通信的实时性要求。易于实现链路的统计时分多路复用，提高了链路的利用率。容易建立灵活的通信环境，便于在传输速率、信息格式、编码类型、同步方式、通信规程等方面都不相同的数据终端之间实现互通。,重要！,3分组交换的特点（续）,可靠性高。分组作为独立的传输实体，便于实现差错控制，从而大大地降低了数据信息在分组交换网中传输误码率。经济性好。信息以“分组”为单位在交换机中进行存储和处理，节省了交换机的存储容量，提高了利用率，降低了通信的费用。,（2）分组交换的主要缺点,由于网络附加的信息较多，影响了分组交换的传输效率。实现技术复杂。交换机要对各种类型的分组进行分析处理，这就要求交换机具有较强的处理功能。,分组交换用于计算机通信！,2.4.43种交换方式的比较,13种交换技术的性能由表2-3可见，3种交换技术各有优缺点。总的来衡量，报文交换和分组交换的性能比电路交换优越。,表2-33种交换技术的性能比较,23种交换技术的通信过程,传播时延：指信号在物理介质中传输所花的时间。传送时延：指发送一个报文或分组所需要的时间。这个时间与所用的线路传输速率和信息格式有关。节点时延：指节点交换机转发接收到的报文或分组所需要的处理时间。,传输报文或分组所需的实际时间与许多因素有关，诸如节点交换机的数目、节点交换机的处理速度、报文或分组的长度、系统的负荷情况、线路的传输速率及质量等。这些因素对数据传输的影响最终都可以在时延这一性能指标上反映出来。,图2-183种交换技术的通信过程示意图,2.4.5异步转移模式交换方式,异步转移模式（atm）交换方式是介于电路交换与分组交换之间的一种新的交换技术。它采用统计时分复用和简化的分组交换，实现了通信网络与业务的性质无关。其基本传输单位是信元，每信元由5个字节的选路信息和48个字节的净荷（数据）组成。,对任何信息都是最优的交换！,支持任意类型的数据流（语音、图象、视频、数据、多媒体），可为每类数据提供适合的服务质量等级。atm在这方面是独一无二的。,atm交换方式的特点,优点：灵活性高，适应性强；各种语音/非话业务采用统一的交换技术；简化的分组交换，分组长度趋向于定长（53字节的信元），取消了链路级上的流量控制和差错控制，采用虚电路技术和自选路由的交换网络。有很好的服务质量缺点：信元开销大，效率低协议复杂，发展慢,2.4.6光交换技术,光交换是以光的形式直接实现各用户之间的信息交换，这对于提高通信质量和可靠性，减少设备和降低网络成本都有很大的好处。被交换信息载体的根本改变，使光交换具有宽带特性，不受电磁干扰，而且光在与其传播方向垂直的横向扩散极小，即使并行传输也不会产生严重的相互干扰。,所以，光交换技术被认为是可以适应高速宽带通信业务的新一代交换技术。,待续,2.5通信协议,通信协议是网络间进行互通的约定和语言，不同的设备（速率、信息格式等）通过通信协议，可以进行有效的互连互通。,2.5.1协议的概念,概念的引入：要做到有条不紊地交换信息，每个节点就必须遵守一些事先确定的规则。这些规则明确规定了通信过程中的同步、时序、检测、纠正等有关细节。,2.5.1协议的概念,概念：协议是控制两个或多个通信体之间进行交互的一组规则。,当处理网络事务的时候，我们使用各种协议，比如http、ftp、tcp等。,协议的目的：提供多种类型的通信服务。,协议要规定信息格式及每条信息所需控制信息的一套规则，实现这些规则的软件称为协议软件（protocolsoftware）。单个网络协议可以是简单的，也可以是复杂的。,2协议栈,怎样保证所有的协议很好地协同工作？答案是应有一个完整的设计方案，不是孤立地开发每个协议。协议设计和开发成完整的、协作的集合称为协议栈（也称协议组、协议族）。,协议栈中的每个协议解决一部分通信问题，这些协议合起来解决了整个通信问题，而且整个协议栈在各协议间能高效地相互作用。,3协议设计,一般用一些开发工具/方法，帮助协议的设计者，是协议设计更加规范化。分层模型就是常用的一种方法,分层模型的由来,将两台或更多的设备通过网络有效连接起来通信，其中涉及的过程极为复杂：,传输介质是怎样物理地建立起来？在介质中如何传输数据？网络如何知晓什么时候要传数据？有多少数据要传？数据如何传递给指定的接收者？网络中各种实体如何建立相互连接？使用不同语言的网络实体怎样才能相互通信？网络实体如何保证数据被正确传输？,数据可以通过网络从一台机器的进程传输到另一台机器的进程。数据分组在网络的多个节点间路由转发。数据帧从一个物理接口到另一个物理接口的传输。,归纳,举例：邮政分层模型,为了对网络体系结构与通信协议有一个初步了解，我们先分析一下实际生活中的邮政系统。,邮政系统分层模型,分层模型的体系结构,分层模型把全部通信问题分解成一系列的“层”。也就是说把各种通信功能分组到便于管理的相关“层”（layer)。一个协议系列可按照规则分成多个“层”每一层对应一个协议类设计。各层之间的交互通信再做精确定义：各层提供给上一层的服务定义。层间的接口定义。,定义清晰的服务和接口可以保证一个层能有效地调用下一层的服务，而完全不用理会该服务是由该层以下的哪些层实现的。这种分层结构很好地适应了网络的多变性。,一组规定了各层功能的协议,4、通信协议的内容,通信协议涉及的内容主要包括：数据信号传输、帧传输、误码检测和纠错、路由选择、拥塞和流量控制、通信保密、传输控制等等。设计各种协议来解决上述问题。,2.5.2通信协议的分层,1分层的概念（1）认识层双方讨论的最高一层可称为认识层。（2）语言层认识层的下一层是语言层。（3）传输层语言层的下一层可以叫做传输层。,例：一中国人就电脑问题打电话问另一人,通信层,语言层,认识层,认识层,语言层,通信层,2分层的好处,方便实现和维护：把网络操作分成复杂性较低的单元，结构清晰，易于实现和维护。各层相互独立：上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务黑箱方法结构上独立：各层可以用最适合的技术来实现。灵活性好：只要服务和接口不变，层内实现方法可任意改变变化不会影响另外一个区域的网络，因此每个区域的网络可单独升级或改造促进标准化工作：定义并提供了具有兼容性的标准接口,3多层嵌套头部,每层协议软件负责解决一部分通信问题。每一层为了完成其相应层的功能，通常发方在指定层软件处理的数据上附加一些控制信息，而收方相应层软件使用这些附加信息来处理收到的数据。,2.5.3iso/osi参考模型和协议,有关标准化组织,为确保发送方和接受方能彼此协调，若干标准化组织促进了通信标准的开发，先简单介绍5个这种组织：ansi、itu(ccitt)、eia、ieee和iso。ansi：美国国家标准协会（americannationalstandardinstitute）itu：国际电信联盟（internationaltelecommunicationunion）eia：电子工业协会（electronicindustriesassociation）ieee：电气和电子工程师协会（instituteofelectricalandelectronicsengineers）iso：国际标准化组织（internationalstandardorganization）,开放系统互连参考模型的制定,国际标准化组织信息处理系统技术委员会（isotc97）于1978年为开放系统互连建立了分委员会sc16,并于1980年12月发表了第一个开放系统互连参考模型（osi/rm：opensytermsinterconnection/referencemodel）的建议书,1983年它被正式批准为国际标准，即著名的0si7498国际标准。通常人们也将它称为osi参考模型，并记为osi/rm，有时简称为osi。我国相应的国家标准是gb9398。该模型为通信网络的互连互通提供了参考依据！,1网络体系结构,网络的各层和层间协议的集合称为“网络体系结构”。,osi的七层体系结构osi参考模型的体系结构如图所示，由低层至高层分别称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。,图2-22osi网络系统结构参考模型及协议,通信层,用户层,通信专业,计算机专业,通信网,用户网,2osi七层模型的功能,osi参考协议的长远贡献在于提供了层、协议和服务的统一。,（1）物理层（physical）,定义了激活、维护和关闭终端用户之间机械的、电气的、过程的和功能的特性。,为数据传输提供物理的数字通道,机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格电气特性：信号电平，脉冲宽度，频率，数据传送速率，最大传送距离等功能特性：接口引脚的功能作用规程特性：信号时序，应答关系，操作过程,（2）数据链路层（datalink),链路层规定了如何在点到点链路上无差错地传送一帧数据，即建立链路的过程。,数据传输单位是帧所关心的问题包括：物理地址、链路维护；组帧：把数据封装在帧中,按顺序传送；定界与同步：产生/识别帧边界；差错恢复：采用重传（arq）的方法；流量控制：收发双方传输速率的匹配。,相邻节点间透明、可靠的信息传输,（3）网络层(network),网络层规定了一个分组怎样通过通信子网传输，提供路由选择和网络拥塞及流量控制。,具体提供以下服务路由选择和数据分组中转流量控制和拥塞控制差错检测与恢复流量统计和记账,寻址和最短路径,（4）传输层(transport),传输层负责从源机器进程到目的机器进程之间端到端的消息传输。屏蔽各类通信子网的差异，使应用层不受通信子网技术变化的影响。进行数据分段并组装成报文流；传输单位为：报文提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”（数据报）两种服务；传输差错校验与恢复；传输层是资源子网和通信子网的接口层。传输层存在于主机当中,提供的两类服务,无连接的网络服务（数据报服务）主机可随时发送数据；分组独立地选择路由。是不可靠的。不能保证服务质量。面向连接的网络服务（虚电路服务）先发出虚呼叫，建立一条虚电路，所有分组都必须沿着这条虚电路传送，完成后虚电路。保证服务质量。,提供的两类服务,（5）会话层（session）,一旦进程之间的连接建立以后，需要一次对话。对于一次对话的处理过程，就是会话层的功能。对不同开放系统中两个进程间通信的过程进行管理和协调不参与数据传输,主机间通信,（6）表示层（presentation）,表示层的功能是对信息格式作一些变换。向应用进程提供资料表示，如信息编码、数据转换、数据压缩与恢复等。将不同系统的不同表示方法转换成标准形式。,（7）应用层,应用层是iso/osi参考模型的最高层，它为特定类型的网络应用提供了访问osi环境的手段，其内容直接取决于各个用户的传输程序或数据。,识别并证实目的通信方的可用性使协同工作的应用程序之间实现同步判断是否为通信过程申请了足够的资源处理被传送数据的表示问题，即信息的语义直接面向用户，为用户提供各种网络服务,3iso/osi七层模型的协议,（1）物理层协议物理层协议主要功能是规定数据终端设备（dataterminalequipment，dte）和数据通信设备（datacommunicationequipment，dce）之间标准接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性，从而实现物理通路的连接。,常用协议：eia/tia-232,eia/tia-449,x.21,hssi,sonet,v.24和v.35,（2）数据链路协议,数据链路层协议的主要功能：对链路实施管理，实现帧同步，实现差错控制和流量控制，以实现透明传输。,slip,ppp,arp,rarp,l2f,l2tp,pptp,fddi,isdn,（3）网络层协议,在数据链路层提供的两个相邻节点传送数据的基础上，网络层是进一步解决通信子网中由多段数据链路的传送问题，从而体现通信子网向终端系统提供丰富的网络服务。,网络层常用协议：x.25，icmp,rip,ospf,bgp,igmp,ip,ipsec,ipx,nat和skip,（4）传输层协议,从某种意义上来讲，传输层协议与数据链路层协议相类似，它们都要解决差错控制、流量控制和排序问题。但前者比后者更复杂。,传输层协议标准有：iso8072和iso8073，这是iso经过多年研究和讨论于1984年通过的。原ccitt的x.214和x.724建议书。spx,tcp和udp,（5）会话层协议,会话层协议主要规范了向会话层用户提供会话连接，并为会话层定义多种服务。,常见的会话层协议：is08326标准原ccitt的x.215建议。ssl,tls,nfs,sql和rpc,（6）表示层协议,表示层协议的目的在于把源站设备上所使用的内部格式的结构化数据转换为适合传送的比特流，而到了目的站再解码为目的站设备所需要的数据格式。,格式类型,例如ascii,ebcdic,tiff,jpeg,mpeg和midi加密协议,例如rsa和des,（7）应用层协议,应用层协议的主要功能：实现开放系统中应用进程之间的相互通信同时完成一系列与处理业务有关的服务功能。,如：远程登录协议telnet、文件传输协议ftp、超文本传输协议http、域名服务dns、简单邮件传输协议smtp、邮局协议pop3等,应用软件通信软件,随着数据块从顶层传到底层，分别在各层为之添加报头和报尾,4iso/osi参考模型中的数据流通,4iso/osi参考模型中的数据流通,图2-24七层模型中的数据流通过程,应用层把它产生的信息m传送到另一系统应用层中,5、tcp/ip协议,1tcp/ip协议分层tcp/ip也采用分层体系结构，共分四层：网络接口层、internet层、传输层和应用层。每一层提供特定功能，层与层之间相对独立。,与osi七层模型相比，tcp/ip没有表示层和会话层，这两层的功能由应用层提供，osi的物理层和数据链路层功能由网络接口层完成。,tcp/ip参考模型及协议,tcp/ip协议简介,tcp/ip的最高层是应用层。在这层中有许多著名协议，如远程登录协议telnet，文件传输协议ftp，简单邮件传送协议smtp等。,tcp/ip协议简介,tcp/ip的传输层，可使用两种不同的协议：面向连接的传输控制协议（tcp,transmissioncontrolprotocol）：为字节流提供面向连接的可靠传输。数据单位=数据流（stream）无连接的用户数据报协议（udp,userdataprotocol）：为各个消息提供尽力而为的无连接传送。数据单位=报文（message）,tcp/ip协议简介,tcp/ip的互连层对应osi模型的网络层，负责在多个网络间通过网关/路由器传输信息，处理分组在网络各路由器之间的路由选择。,主要的协议就是无连接的网络互连协议（ip,internetprotocol）。该层传送的数据单位是分组（packet）。与ip协议配合使用的还有三个协议：internet控制报文协议（icmp,internetcontrolmessageprotocol）地址解析协议（arp,addressresolutionprotocol）逆地址解析协议（rarp,reverseaddressresolutionprotocol）。,tcp/ip协议简介,tcp/ip的网络接口层负责解决特定网络之间分组的传输。使得不同类型的接口均可用于从终端计算机到特定网络的连接。如atm、以太网它对应于osi模型中的网络层和链路层的部分功能。,2.6通信网路由选择,2.6.1路由选择原则,1路由与路由选择网络的有向路径是通过一系列互连的链路将网络的两端节点连在一起而形成的。通信信息穿过网络的有向路径称为通信网络的路由。,路由包含两个基本的动作：确定最佳路径和通过网络传输信息。,路由选择原则,（1）正确性（2）简便性（3）健壮性（4）稳定性（5）公平性（6）最优化（7）利用率,2.6.3路由选择策略,非自适应路由选择策略（静态）简单、开销较小，不能及时适应网络状态变化。自适应路上选择策略（动态）较复杂，但能较好地适应网络状态变化。路由选择策略-路由算法,路由选择算法的分类,路由选择算法：给定一组路由器及连接路由器的链路，找出一条从源到目标的“好”路径。路由选择算法可按不同的路由选择方式进行分类。,路由选择算法的分类,1静态策略,（1）泛洪法（flooding）：一个分组由源站发送到与其相邻的所有节点；（2）固定路由法：在源站和信宿之间选择一条永久的路由（3）随机走动法：一个分组只在与其相邻的节点中随机的选择一条转发；（4）分散通信量法：事先在每个节点的内存中设置一个路由表，但此路由表中给出几个可供采用的输出链路，并且对每条链路赋予一个概率。当一个分组到达该节点时，此节点即产生一个从0.00到0.99的随机数，然后按此随机数的大小，查表找出相应的输出链路。,1固定路由法,这种方法是在每个结点上保持一张路由表，表上标明对每一个目的地址应走哪条链路进行转发。这些表是在整个系统进行配置时生成的，且在此后的一段相当时间保持固定不变。当网络拓扑固定不变并且通信量也相对稳定时,采用固定路由法是最好的。常用的方法是将网络内任何两个结点之间的最短通路事先计算好，然后根据这些最短通路制成路由表，存放在各个结点中。每一个分组都可在所到达的结点中查找应转发到哪一个结点。可见这种路内选择策略的关键就是要算出给定网络中任意两个结点之间的最短通路。,2分散通信量法,这种方法是事先在每个结点的内存中设置一个路由表，但此路由表中给出几个可供采用的输出链路，并且对每条链路赋予一个概率。当一个分组到达该结点时，此结点即产生一个从0.00到0.99的随机数，然后按此随机数的大小，查表找出相应的输出链路。,3洪泛法,这种方法是当某个结点收到一个不是发给它的分组时，就向所有与此结点相连的链路转发出去。当然，不能再把这个分组发到它刚刚离开的那个结点，否则就永远有一些分组来回不停地在各条链路上“振荡”，当网络的通信量很小时，洪泛法可使分组的时延为最小。此外，在许多条并行发送的路由中，显然会有一条是最佳的。实际上在运行的网络中很少采用洪泛法。这是因为采用洪泛法后，网络中的分组数目会迅速增长，结果导致网络出现拥塞现象。,4随机走动法,又称为随机徘徊，其特点是当分组到达某个结点时就随机地选择一条链路作为转发的路由。例如，分组到达某个结点后，可供转发的输出链路共有3条，那么就以平均概率0.33选择任一条链路作为其转发的路由。在非自适应的路由策略中，若可能发生结点或链路的故障，那么随机走动法已被证明是非常有效的，它使得路由算法具有较好的稳健性。,2动态策略,（1）混合式路由选择策略（2）集中式路由选择策略（3）分布式路由选择策略,1分布式路由选择策略,这种路由选择策略是每个节点周期性地从相邻的结点获得网络状态信息，同时也将本节点做出的决定周期性地通知周围的各结点，以使这些结点不断地根据网络新的状态更新其路由选样决定。所以整个网络的路由选样经常处于一种动态变化的状况。各个结点的路由表相互作用，是这种策略的特点。在分布式路由选择策略中,最基本的算法有两个：距离向量算法链路状态算法,2集中式路由选择策略,集中式路由选择策略的核心是网控中心ncc。ncc负责全网状态信息的收集、路由计算以及路由选择的实现。集中式路由选择策略也有多种，这取决于储存在ncc中的网络信息的类型、路由的计算方法以及路由选择实现的技术。集中式路由选择策略的好处：各个结点不需要进行路由选择计算，较容易得到更精确的路由最优化，同时还消除了路由不断变来变之的“振荡”现象。集中式路由选择策略还可起到对进入网络的通信