通信与网络系统工程.ppt

通信与网络系统工程 主要内容 通信网络的基本概念介绍 通信网络是指将众多的通信设备按照一定的组织结构组合而成的体系 通信系统的模型如下图 什么是通信网络 通信网络的组成 调制解调器 PC机 公用电话网 调制解调器 数字比特流 数字比特流 模拟信号 模拟信号 正文 正文 PC机 通信网络主要由三部分组成 1 用户终端设备 2 传输链路 3 转接交换设备 通信网络的类型 按通信内容 电话网 电报网 计算机网 广播电视网综合业务数字网 传感器网按范围局域网 城域网 广域网国内网 国际网个人域网 蜂窝网 按信道电缆网 无线网 微波中继网 卫星网 光缆网 国内主要的通信业务网络 国内主要的通信业务网络 通信网络的结构 通信网络的几个重要概念 半双工通信 Half Duplex 在任何一个时刻 信号只能单向传输 或从甲方向乙方 或从乙方向甲方 每一方都不能同时收 发信息 比如对讲机 收发报机以及问询 检索等之间的通信 全双工通信 Full Duplex 在任何一个时刻 信号能够双向传输 每一方都能同时进行收信与发信工作 比如普通电话 手机 通信网络的几个重要概念 通信网络的几个重要概念 延迟延迟指将一个比特从一端传输到另一端所花费的时间 抖动抖动指在同一条路由上发送数据包之间的时间差异 呑吐量呑吐量是指网络中发送数据包的速率 丢包率丢包率是指在发送数据包时不能接受到的数据包的比率 通信标准组织和通信标准 国际电信联盟ITU电气与电子工程师协会IEEE欧洲计算机制造商协会ECMA美国国家标准学会ANSl中国通信标准化协会CCSA ISO OSI参考模型 数据流层 传输层 数据链路层 网络层 物理层 应用层 高 会话层 表示层 应用层 ISO OSI参考模型 传输层 数据链路层 物理层 网络层 上层数据 上层数据 TCP头 数据 IP头 数据 LLC头 0101110101001000010 数据 MAC头 表示层 应用层 会话层 段 包 比特 帧 PDU 发送过程 ISO OSI参考模型 接收过程 上层数据 LLC头 IP TCP 上层数据 MAC头 IP TCP 上层数据 LLC头 TCP 上层数据 IP头 上层数据 TCP头 0101110101001000010 传输层 数据链路层 物理层 网络层 表示层 应用层 会话层 各类通信介质的介绍 通信介质 含义 通信媒体又称传输媒介 是通信传输系统中发方与收方之间的物理路径 常用通信媒体双绞线同轴电缆光纤微波无线电卫星通信 通信介质 双绞线 双绞线形式 将一对绝缘线扭绞在一起 任意拧成螺旋形 以减少对外部干扰和串音的敏感 应用场合 用户与本地中心站间及中心站与中心站间的连线 优点 价格便宜 使用方便 安装容易 多芯对称电缆 将多对单独的绝缘双绞线包装在外部保护层中 相邻对线螺距不同 以限制相互之间的串音或电磁干扰 带屏蔽的双绞线 有金属屏蔽 对外部噪声 串音有较好的低抗力 通信介质 同轴电缆 同轴电缆结构 由对地不对称的同轴管构成 优点 寿命长 通信容量大 质量稳定 外界干扰小 可靠性高和维护便利等 通信介质 光纤 光纤形式 很细的 可弯曲的 能传导光束的介质 传输原理 利用光导纤维传递光脉冲完成通信 结构 塑料制成 可吸收光线 防止串音 保护外层表面 透明玻璃制成 纤芯的折射率高于包层 可形成光波导效应 使大部分光被束缚在纤芯中传输 光纤分类 通信介质 光纤 光纤优点 传输频带宽 通信容量大 传输损耗低 中继距离长 抗雷电和电磁的干扰性好 体积小 重量轻 缺点 接续困难 光接口比较昂贵 通信介质 无线电 无线电形式 将地球上的大气作为电磁波的长距离传送介质 应用场合 作为个人移动通信的传送介质 优点 跨越自然障碍和阻隔的能力强 最适合于移动通信 成本低 中继距离远 传输质量比较稳定 缺点 雨雪天气易产生吸收损耗 不利地形或环境易造成衰落现象 引起较高的误码率 保密性差 通信介质 卫星通信 卫星通信原理 利用同步卫星上的通信转发器接收地面站发射的信号 对信号放大变频后再转发给其他地面站 优点 频带宽 通信容量大 误码率低 通信质量高 覆盖面广 应用场合 远距离传送电话 电传 电视业务及高利用率国际干线 各类主要通信技术介绍 通信系统技术介绍 SDH SDH传送网的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出 称之为同步光网络 SynchronousOpticalNETwork SONET 它是由一整套分等级的标准传送结构组成的 适用于各种经适配处理的净负荷 即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分 在物理媒质如光纤 微波 卫星等上进行传送 该标准于1986年成为美国数字体系的新标准 国际电信联盟标准部 ITU T 的前身国际电报电话资询委员会 CCITT 于1988年接受SONET概念 并与美国标准协会 ANSI 达成协议 将SONET修改后重新命名为同步数字系列 SynchronousDigitalHierarchy SDH 使之成为同时适应于光纤 微波 卫星传送的通用技术体制 SDH网是对原有PDH PlesiochronousDigitalHierarchy准同步系列 网的一次革命 通信系统技术介绍 SDH SDH特点优点 速率统一 155M 622M 2 5G 10G 光接口与帧结构统一 STM N N 1 4 16 64 一步复用特性 可从高速信号中直接提取 接入低速信号 强大的OAM P能力实现了网络管理的智能化 丰富的开销 码流量的5 强大的软件技术 组网灵活 网络的生存性强 可组多种类型网络 具有自愈能力 可在线升级 前 后向兼容 缺点 带宽利用率稍低 如155M仅包括63个2M或3个34M 通信系统技术介绍 SDH 通信系统技术介绍 SDH 程控中继 G 703 无线中继 G 703 调度中继 G 703 广播系统 15kHz 802 3 时钟系统 RS422 802 3 电力监控视频系统 G 703 电视监控 802 3 乘客信息显示系统计算机网络 802 3 列车自动监控系统 802 3 自动售检票系统 802 3 门禁系统 802 3 通信各系统的网管通道 通信系统技术介绍 ATM 异步传送模式 ATM 是宽带综合业务数字网 B ISDN 用于传输 复用和交换的技术 是B ISDN网络的核心技术 ATM技术以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式的优点发展而来 兼具分组传送模式和电路传送模式的优点 ATM主要有以下4个特点 采用了固定长度的信元并简化了信头功能 采用了异步时分复用方式 采用了面向连接的工作方式 采用了标准化的ATM协议 通信系统技术介绍 ATM 通信系统技术介绍 ADSL ADSL是一种接入网技术 全称为非对称数字用户线路 AsymmetricDigitalSubscriberLine 其主要特点 采用FDM 实现语音与数据业务的分离速率8Mbps 下行 1Mbps 上行 传输距离最大可达4 5Km 通信系统技术介绍 EPON EPON是一种接入网技术 全称为基于以太网的无源光网络 EthernetPassiveOpticalNetwork 这种技术采用了波分复用技术WDM 实现单纤双向传输 通信系统技术介绍 EPON 传送能力1000BASE PX10 以太网速率1Gb s对称 线路速率1 25Gb s 8B 10B编码 10km 至少1 16 功率预算上行5 23dB 下行5 21dB 1000BASE PX20 以太网速率1Gb s对称 线路速率1 25Gb s 8B 10B编码 20km 至少1 16 功率预算10 26dB 目前主流设备可实现20km 1 32工作波长 单纤双向 上行 1260 1360nm 常用1310nm 下行 1480 1500nm 常用1490nm 下行CATV 1550 1560nm 通信系统技术介绍 EPON 802 3MAC帧 8B 10B线路编码下行TDM广播ONU根据接收到的以太网帧的preamble中的LLID过滤出属于自己的以太网帧 802 3MAC帧 8B 10B线路编码上行TDMAONU上行方向的TDM完全由OLT静态或者动态控制OLT给每个ONU发布授权 ONU仅在属于自己的grantwindow中向OLT发送上行业务 中国电信城市光网业务介绍 网络 城市光网 MONet 是以FTTH FTTB光接入技术为基础 以高性能路由集群 IPv6等关键技术为导向 以IP全业务支撑系统为依托 构建 百兆进户 千兆进楼 T级出口 的网络能力 打造以IP化 扁平化 宽带化 融合化为核心特征的可管可控的绿色高性能光网络 城市光网 是中国电信应对激烈的市场竞争 摆脱铜缆接入技术的带宽瓶颈 在城市化地区实现商务楼光纤到楼层 住宅小区光纤进门洞 满足多业务高宽带承载要求的 三网融合 的宽带光 中国电信城市光网业务介绍 城市光网建设原则 新建小区商务楼 已建小区园区 中国电信城市光网业务介绍 建筑内局域网组网介绍 局域网的介绍 LAN的主要技术特点 应用角度 覆盖有限的地理范围高传输速率10Mbps 1000Mbps低误码率10 8 10 10为一个单位所拥有采用总线 星形 环形拓扑双绞线 同轴电缆 光纤介质访问控制方法 共享 随机 受控 与交换决定局域网特性的主要技术要素 网络拓扑 传输介质和介质访问控制方法以太网 Ethernet 目前 以太网占据了整个局域网90 左右的份额 而且随着万兆以太网标准的制定和相关产品的推出 以太网在传输速度上的优势越来越明显 再加上以太网固有的良好兼容性 升级的平滑性等特点 以太网的应用前景会更加广泛 以太网的发展历史 Ethernet的核心技术是CSMA CD介质访问控制方法 随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA 70年代 Xerox公司开始Ethernet实验网的研究 宣布了Ethernet产品 80年代初 Xerox DEC与Intel联合宣布EthernetV2 0规范 在此基础上 IEEE802工作组于1982年制定了第一个IEEE的以太网标准 编号为802 3 90年代 10Base T标准使得Ethernet性能价格比大大提高 目前 交换式Ethernet与最高速率为10Gb s的高速Ethernet的出现 更确立了它在局域网中的主流地位 以太网的关键技术CSMA CD 2019 12 21 42 冲突 碰撞 Collision以太网上由于多台计算机争用传输介质 两台或以上计算机发出的信号在同一段介质上叠加 而引起的信号错误 以太网的关键技术CSMA CD 局域网的特性 与帧传输时间相比 传播时间比较短站点能够马上知道其他站点的传输CSMA 载波侦听 先听后发 站点监听媒体 只有媒体空闲才可以发送数据 降低冲突概率 多路访问一个源节点发出的信息可同时到达多个站点仍然有可能多个站点同时开始发送数据 产生冲突 802 3以太网和OSI的关系 IEEE802 3以太网标准规定了OSI模型中的第一层以及第二层的MAC子层 10M以太网介绍 10Base 2以太网 示例 a BNC头 b T型头 c 网卡 e 同轴电缆 10Base 2以太网 拓扑结构 总线型 在以太网中使用的双绞线 在以太网中使用的光纤 示例 示例 示例 各种以太网卡 示例 在以太网中使用的光纤接头 a ST光纤连接器 b ST光纤适配 a SC光纤连接器 b SC光纤适配器 a FC光纤连接器b FC光纤适配器 其它一些网络配件 共享式以太网与交换式以太网 53 传统的局域网技术是建立在 共享介质 的基础上 典型的介质访问控制方法是CSMS CD TokenRing TokenBus 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够 公平 地使用公共传输介质 每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少 网络通信负荷加重时 冲突和重发现象将大量发生 网络效率将会下降 网络传输延迟将会增长 网络服务质量将会下降 在整个共享型以太网系统中 受到CSMA CD媒体访问控制方式的制约 整个系统处在一个碰撞域范围中 系统中每个站都可能在往媒体上发送帧 那么每个站要占用媒体的机率就是10 Mb s n n为站数 包括10BASE5 10BASE2和10BASET系统 都属于是共享性以太网 共享以太网 一个冲突域内在一个特定时刻只能有一个站点发送数据帧 其它站点只能接收数据帧每个站点的带宽 10 nMb s 随着n的增大 加上冲突的发生 每个站点的带宽将明显减少 共享式以太网与交换式以太网 共享式以太网与交换式以太网 核心设备为交换机 交换机的每一个端口即一个冲突域 多个站点可以允许同时发送数据帧 站点间不再有冲突与踫撞 每个站点的带宽 依据交换机的交换矩阵的处理能力 通常交换机的处理能力能让全部端口达到全线速 开始交换机的MAC地址表是空的 MAC地址表 0260 8c01 1111 0260 8c01 2222 0260 8c01 3333 0260 8c01 4444 E0 E1 E2 E3 A B C D 交换机如何学习主机位置 交换机如何学习主机位置 工作站A向工作站C发送数据帧交换机将E0端口和帧的源地址即工作站A的MAC地址写入表中由于不知道工作站C在何处 所以向其他的端口复制转发 又称泛射 MACaddresstable 0260 8c01 1111 0260 8c01 2222 0260 8c01 3333 0260 8c01 4444 E0 0260 8c01 1111 E0 E1 E2 E3 D C B A 交换机如何学习主机位置 工作站D向工作站C发送一个数据帧交换机通过该数据帧的源MAC地址学习到了在端口E3连接着工作站D由于交换机的MAC表中并未有工作站C的表项 因此仍项交换机的其他所有端口泛射该数据帧 MACaddresstable 0260 8c01 1111 0260 8c01 2222 0260 8c01 3333 0260 8c01 4444 E0 0260 8c01 1111 E3 0260 8c01 4444 E0 E1 E2 E3 D C A B 交换机如何学习主机位置 工作站C接收到工作站A发来的泛射的数据帧 然后对工作站A进行应答 其实就是C向A发送数据 因为之前交换机已学习到工作站A的端口位置 因此不再需要泛射即可直接发送数据帧到工作站A交换机又从这个发回去的数据帧的源地址学习到了工作站C的MAC地址 E0 0260 8c01 1111 E2 0260 8c01 2222 E1 0260 8c01 3333 E3 0260 8c01 4444 0260 8c01 1111 0260 8c01 2222 0260 8c01 3333 0260 8c01 4444 E0 E1 E2 E3 X X D C A B MACaddresstable 交换机转发方式 存储转发方式交换机首先要完整地接收站点发送的数据 并对数据进行差错检测 如接收数据是正确的 再根据目的地址确定输出端口号 将数据转发出去 优点 具有差错检测能力 并能支持不同输入 输出速率端口之间的数据转发 缺点 交换延迟时间相对较长 Frame Frame Frame 交换机转发方式 直接交换方式交换机边接收边检测 一旦检测到目的地址字段 就立即将该数据转发出去 而不管这一数据是否出错 出错检测任务由节点主机完成 优点 交换延迟时间短 缺点 缺乏差错检测能力 不支持不同输入 输出速率的端口之间的数据转发 Frame 交换机转发方式 Frame 改进直接交换方式将直接交换与存储转发交换结合起来 在接收到数据的前64字节之后 判断数据的头部字段是否正确 如果正确则转发出去 这种方法对于短数据来说 交换延迟与直接交换方式比较接近 而对于长数据来说 由于它只对数据前部的主要字段进行差错检测 因此交换延迟将会明显减少 高速以太网 快速以太网 高速以太网 千兆以太网 高速以太网 万兆以太网 智能建筑中的局域网架构 星型网络结构三层设计 核心层汇聚层接入层 以太网交换机的主要厂商及产品 CISCO 高端交换机 Catalyst6500 Catalyst4500 以太网交换机的主要厂商及产品 H3C 高端交换机 H3CS9500系列核心路由交换机 H3CS7500E系列核心路由交换机 CISCO 中低端交换机 Catalyst3750 Catalyst3560 以太网交换机的主要厂商及产品 CISCO 低端交换机 Catalyst2960 Catalyst2940 以太网交换机的主要厂商及产品 H3C 中低端交换机 S5500 28CS5500 52CS5500 28F S3600 28TPS3600 28PS3600 28FS3600 52P H3CS5500系列路由交换机 H3CS3600系列路由交换机 以太网交换机的主要厂商及产品 H3C 中低端交换机 H3CS5100系列二层交换机 H3CS3100系列二层交换机 S5100 16P SIS5100 24P SIS5100 48P SI 以太网交换机的主要厂商及产品 无线网络组网介绍 无线网络技术介绍 无线局域网简历回顾 2003年6月 采用2 4GHzOFDM射频技术的802 11g标准正式诞生 当年WLAN全球终端发货量25 930 000 2004年9月 Nokia Moto NEC 三星宣布推出蜂窝WLAN双模手机 2005年年初 世界第一个无线城市在美国费城启动 2009年9月 802 11n标准正式发布 无线速率进入百兆时代 至2007年年底 每10万人拥有的热点数美国8 8个 英国18个 法国16个中国热点数总共有5420个 有超过30家公司推出双模手机 型号达110多个 2008年6月 Wi Fi联盟公布 目前WLAN技术在全球的用户已超过4 5亿 WLAN成为事实上的全球统一无线通信技术 1999年 802 11b 802 11a标准相继发布 开启了无线局域网技术的大幕 无线局域网发展趋势 无线局域网的应用范围 无线局域网技术的演进 无线局域网技术对比 目前业界采用的主流WLAN协议为802 11g 同时802 11n正在逐步兴起 802 11n的新技术特点 无线局域网架构的演进 胖无线与瘦无线方案 瘦无线架构 LightweightAccessPoints SecurityPoliciesQoSPoliciesRFManagementMobilityManagement LWAPP CiscoWirelessLANController CiscoWCS SNMPv2 v3 IEWebbrowser CiscoWirelessLocationAppliance Switch RoutedNetwork 第三方网管 RADIUS LWAPP LIGHTWEIGHTACCESSPOINTPROTOCOL 主要厂商的无线产品 思科 特性 最佳的工业扩展性和吞吐量企业级安全性灵活的配置选项实时的无线网监控和流量传输室外的广域网 优点 零接触管理自动化无线监测设备支持所有部署策略 室内和室外 从安全覆盖到高级服务 移动平台 室内接入点 1130AG 1000 室内坚固型接入点 1500 1240AG 1230AG 室外接入点 网桥 1400 1300 1250AG 802 11n 主要厂商的无线产品 思科 优点 每Cat6K机架最多提供1200个接入点为大企业及其分支机构 学校 中小企业及其分支机构提供高的性价比数据 语音和视频的理想平台有线通信和无线通信的集成 特性 企业级扩展性和可靠性实时RF管理多层次安全移动性管理独立和集成选项 网络统一平台 无线局域网控制器 4400 Catalyst6500系列无线业务模块 WiSM 2100 WiSM 交换路由平台 内置于集成业务路由器 内置于Catalyst3750交换机 主要厂商的无线产品 H3C 无线应用 FIT FATAP MESH 网桥 WH2520 WA2110 AG WA2210 AGWA2220 AG WA1208E G GP 无线控制器系列 WX5002 WX6103 S7500插卡 S7500E 9500插卡 网络管理软件 安全客户端 无线IDS WB2320 WA1208E AG DG AGP WA2220E AG WA2210X G AG AGP WiFi语音 WA2610E AGN WA2620E AGN 100mw 100mw 100mw 500mw单频 500mw双频 500mw室外 11n双频 11n单频 WX3024 一体化交换机 无线MESH介绍 高速移动 300Km h高速数据传输能力 54Mbps100 基于IP没有基础网络抗毁性能强自适应 自组网 自愈合 集中管理 MESH技术最早由美国军方DARPA 科研机构 斥资近 3亿研发而成 应用于波斯湾和海湾战争的作战通信指挥系统 2000年以后 MESH技术应用于WiFi开始升级 形成基于WiFi的MESH技术研究和产品研发高潮 目前 基于WiFi的MESH已经在北美 欧洲 亚洲部分地区逐渐形成了规模应用 特别是美国等地的无线城市建设浪潮 让无线MESH技术走到了无线技术发展的最前沿 无线MESH介绍 1 是一种新型无线城域网技术 提供无线路由功能 可扩展WiFi形成无线城域网 2 单节点无线性能相比WiFi有很大增强 满足构建无线城域网的要求 3 网络拓扑成网状 4 具备多跳功能 5 网络具有自组织能力 6 网络具有自修复能力 7 网络具有自平衡能力 8 高带宽 低成本 依据业界惯例 无线MESH技术特指基于WiFi的MESH技术 MESH与WLAN 传统的WLAN无线局域网 无线MESH网络 热点覆盖 依赖有线连接 无线性能较差 数据固定路径转发 热区覆盖 无线自成网络 不依赖有线连接 无线性能大幅增强 自动适应最佳路由 网络自组织 自均衡 MESH与WLAN MESH的组网结构 国际互联网与TCP IP 什么是因特网 因特网 Internet 的概念有很多种解释 但究竟什么是Internet Internet通常称为 因特网 互联网 和 网际互连网 等 从网络通信的角度看 用TCP IP协议把各个国家 各个部门 各种机构的内部网络连接起来的超级数据通信网 从拓扑结构的角度考虑 因特网是将各种局域网 广域网和城域网互连 从应用的角度来看 因特网是在一个巨大通信平台基础上形成的全球范围的信息资源网 因特网的发展历史 1 Internet的起源1969年 美国国防部研究计划管理局ARPA开始建立一个命名为ARPANET的网络 当时建立这个网络的目的只是为了将美国的几个军事及研究用电脑主机连接起来 这是Internet的雏形 2 TCP IP协议的产生1972年 在第一届国际计算机通信会议上 就在不同的计算机网络之间进行通信达成协议 会议决定成立Internet工作组 负责建立一种能保证计算机之间进行通信的标准规范 即 通信协议 1973年 美国国防部也开始研究如何实现各种不同网络之间的互联问题 至1974年 IP Internet协议 和TCP 传输控制协议 问世 合称TCP IP协议 这两个协议定义了一种在电脑网络间传送报文 文件或命令 的方法 随后 美国国防部决定向全世界无条件地免费提供TCP IP 即向全世界公布解决电脑网络之间通信的核心技术 TCP IP协议核心技术的公开最终导致了Internet的大发展 中国因特网概况 1994年起 我国四大骨干网联入Internet 这四大骨干网是 中国公用计算机互联网 CHINANET CHINANET是美国Internet网络在中国的延伸 中国国家计算机与网络设施 TheNationalComputingandNetworkingFacilityofChina NCFC 中国教育和科研计算机网 ChinaEducationandResearchNetwork CERNET 的目标是建设一个全国性的教育科研基础设施 把全国大部分高校连接起来 实现资源共享 中国国家公用经济信息通信网 ChinaGoldenBridgeNet CHINAGBNET ChinaGBN 又称金桥网 国家公用经济信息通信网CHINAGBNET自1993年开始建设 1996年9月CHINAGBN商业性网络开通 因特网基本服务 因特网上的基本服务 WWW 万维网 WEB E MAIL 电子邮件 FTP 文件传输协议 TELNET 远程登录 BBS 电子公告版 其他 TCP IP协议 TCP IP是Internet的核心 利用TCP IP协议可以方便地实现多个网络的无缝连接 通常所谓某台主机在Internet上 就是指该主机具有一个Internet地址 即IP地址 并运行TCP IP协议 可以向Internet上的所有其它主机发送IP分组 TCP IP是最早出现的网络协议之一 同时也是最早出现的互联网协议 它的出现顺应了社会需求 DARPA为推广TCP IP 采用开放策略 以低价出售TCP IP使用权 鼓励厂商开发TCP IP产品 TCP IP与流行操作系统UNIX的结合是其成功的一大源泉 与ISO OSI相比 TCP IP技术来自于实践 简单实用 效率高 TCP IP协议栈 应用层 表示层 会话层 传输层 数据链路层 网络层 物理层 网际层 网络接口 7 6 5 4 3 2 1 传输层 应用层 OSI参考模型 TCP IP概念上的层次结构 IP协议的作用 IP协议提供了一种全球统一的编址方式 屏蔽了物理网络地址的差异 使路由查找成为可能 IP协议提供了一种全球统一的报文格式 屏蔽了网络链路层差异 使网络互联成为可能 网际互联 所有路由器相互连接 构成了互联